和面过程中面絮水分迁移及麦谷蛋白聚集特性的研究

李杏君,郑学玲,李利民,李 力

河南工业大学 粮油食品学院, 河南 郑州 450001

面絮颗粒由和面过程产生,是通过小麦粉与适量水搅拌形成的具有黏弹性和延展性的面团坯粒,面絮品质是面条质量研究中的重要内容[1]。通过提高面絮的水分分布均匀性和改变面絮颗粒状态,可以得到水分均匀、颗粒松散、粒度一致的理想面絮,从而改善面条品质,研究和面过程中的面絮水分迁移规律和谷蛋白聚集特性是建立面絮品质科学评价方法的关键。

目前,对面条制作品质的研究主要集中于压延工序产生的面片理化特性和成品面条品质[2-3],以及和面条件对面条品质的影响,如和面时间、真空度等[4-5],而对和面工序产生的面絮特性变化研究较少。

面絮颗粒是粒径不均匀的松散结构单元,和面过程中的搅拌操作会对不同粒径面絮的性质产生影响[6-8]。搅拌影响面絮的结构和水分分布,搅拌速率影响水与小麦粉的接触及结合程度,进而影响水化作用[9-10];此外,搅拌带来的氧化效应导致了麦谷蛋白聚合物的解聚和重排。麦谷蛋白大聚体(glutenin macropolymer,GMP)是面团的主干结构,搅拌会影响面筋网络结构的形成[11-14]。目前,尚不清楚搅拌对各粒级面絮的GMP的影响。

因此,本研究先测定制作面条时不同和面时间下不同粒级面絮的含量与水分含量,然后将GMP作为面絮骨架结构的主要表征指标,对和面过程中的GMP含量及分布进行分析,研究不同和面时间对面絮GMP聚集特性的影响,以期为和面过程的效果评价提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

面粉:青岛福加德面粉有限公司;食用盐:雪天盐业集团股份有限公司;纯净水:杭州娃哈哈集团有限公司。

十二烷基硫酸钠(SDS)为分析纯;磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、乙腈、三氟乙酸均为色谱纯。

1.2 仪器与设备

HWH-3森汇卧式和面机:浙江瑞安有限公司;T42-D恒温振荡器:苏州培英摇床研究中心;FOSS Kjieltec 8400凯氏定氮仪:丹麦FOSS仪器有限公司;BT9300-H激光粒度分析仪:丹东百特仪器有限公司;N300超声细胞破碎仪:上海生析超声仪器有限公司;LXJ-IIB低速台式离心机:上海安亭科学仪器厂;Avanti J-E高速离心机:贝克曼库尔特商贸(中国)有限公司;Agilent 1200高效液相色谱系统、Bio SEC-5色谱柱(4.6 mm×300 mm,50 nm):美国安捷伦科技公司。

1.3 试验方法

1.3.1 面絮制作方法

参照LS/T 3202《面条用小麦粉》中面条制作方法,称取面粉2 500 g置于卧式和面机中进行和面,按面粉质量的33%加水(825 g)、1%加食用盐(25 g)。和面结束后,得到未熟化面絮。和面时间分别为3、6、9、12、15、18 min。

1.3.2 面絮分析方法

1.3.2.1 面絮粒度分级

将未熟化面絮进行粒径分级,具体操作方法如下:完成和面后停机开盖,取面絮300～400 g,取样点为和面缸的四角和中心各5点。依次用孔径为12.5 mm(2目)、8.5 mm(3目)、5.0 mm(4目)、3.2 mm(6目)、2.5 mm(8目)、0.45 mm(40目)的标准分样筛筛分,筛分时间为3 min,经筛分后得到6种不同粒径的面絮,并分别称质量,计算不同粒径坯粒质量占面絮坯粒总质量的百分比。每个样品进行3次平行试验,取平均值。

1.3.2.2 水分含量的测定

测定各粒径面絮的水分含量,测定方法参照GB 50093—2010。

1.3.2.3 GMP含量测定及粒度分布分析

样品预处理:将各粒径面絮进行冷冻干燥处理,然后用研钵研磨后过100目筛,收集筛下物得各粒径面絮冻干粉,保存备用。

GMP含量的测定:参考Don等[15]的方法并稍做修改。准确称取各粒径的面絮冻干粉 (1.500±0.005) g置于50 mL离心管中,加入30 mL 1.5 mol/L SDS溶液在恒温振荡器(25 ℃,300 r/min)中振荡1 h,然后以5 000 r/min离心30 min,弃上清液,将沉淀用1.5 mol/L SDS溶液重复提取2次。将沉淀冷冻干燥后采用凯氏定氮法测其蛋白质含量作为GMP的近似含量。

GMP粒度分布分析:参照Don等[15]、Feng等[16]的方法,略作修改。称取各粒径面絮冻干粉(1.500±0.005) g置于50 mL离心管中,加入30 mL 1.5 mol/L SDS溶液在恒温振荡水浴锅(25 ℃,300 r/min)中振荡1 h,然后离心(15 000g,30 min),弃上清液。用不锈钢针挑取约1 g上层蛋白质凝胶转移到10 mL离心管中,加入5 mL 1.5 mol/L SDS溶液,混匀。采用BT9300-H激光粒度分析仪分析。

1.3.2.4 面絮中蛋白分子量分布的测定

参考Hou等[17]的方法,略作修改。准确称取10.0 mg面絮冻干粉,加入1 mL 0.05 mol/L 磷酸盐缓冲液(pH 6.9),将悬浮液30 ℃恒温振荡30 min后离心(10 000g,15 min),吸取上清液,即为SDS可溶性蛋白(extractable proteins,EP);向上述沉淀中加入1 mL 0.05 mol/L 磷酸盐缓冲液(pH 6.9),使沉淀重悬,超声提取1 min,离心取上清液,得到SDS不溶性蛋白(unextractable proteins,UP)。每个样品重复提取2次。采用高效液相色谱仪室温下对SDS可溶性蛋白(EP)和SDS不溶性蛋白(UP)中不同分子量蛋白组分进行分离。分析上样前,用0.45 μm聚偏二氟乙烯(PVDF)滤膜分别对EP和UP溶液进行过滤,装入样品分析瓶。色谱条件参数设置如下:上样量10 μL;流动相A为含0.05%三氟乙酸的超纯水溶液,流动相B为含0.05%三氟乙酸的乙腈溶液,分离过程50%流动相A+50%流动相B;流速0.35 mL/min;检测波长214 nm;样品测定时间15 min,每个组分重复上样测定2次。参照Wang等[18]分类及命名方法,根据洗脱蛋白的分子量,将色谱图分为4个部分,采用Agilent ChemStation software计算吸收峰面积和面积百分比。

1.4 数据统计与分析

对试验中得到的各项指标数据采用SPSS 20.0进行单因素方差分析(ANOVA)和显著性差异检验(Duncan,P<0.05),所有的图像分析均采用Origin 8.5进行处理。

2 结果与分析

2.1 面絮粒径分布的变化规律

不同和面时间下所得到的面絮粒级分布状况如图1所示。结果表明,不同和面时间下各粒级面絮的质量分布存在明显差异(P<0.05)。总的来说,面絮粒径在0～12.5 mm范围内变化,各粒级面絮的质量分数顺序为大颗粒(>8.5 mm)>中颗粒(2.5～8.5 mm)>小颗粒(<2.5 mm)。随着和面时间的增加,面絮颗粒由小颗粒、中颗粒向大颗粒转变。和面初期(和面时间为3 min)得到的小颗粒面絮(<2.5 mm)质量分布显著高于其他和面时间下所获得该粒级的质量分布(P<0.05),而大颗粒面絮(>8.5 mm)的质量分布显著低于其他和面时间下所获得该粒级的质量分布;和面时间从3 min增加到15 min,大颗粒、中颗粒面絮的质量分布显著增加;和面时间为18 min时,得到的大颗粒面絮的质量分布显著降低。说明和面过程中和面时间的变化对面絮颗粒产生不稳定效应,改变了面絮颗粒的分布:较短的和面时间,面絮所受的搅拌揉混作用力小,较难形成大颗粒面絮,因此小颗粒面絮质量分数显著高于其他和面时间下的小颗粒面絮含量;和面时间增加,面絮经历揉混的次数和作用应力增加,面絮颗粒团聚而具有更大的粒径;过度搅拌会使大颗粒面絮分散[19]。

图1 不同和面时间下各粒级面絮的质量分数与平均粒径Fig.1 Mass distribution and average particle size of noodle dough at different mixing times

平均质量直径与几何平均直径是反映团聚体大小分布的指标,其值越大说明面絮颗粒中大粒径颗粒越多。和面时间3～15 min,平均质量直径与几何平均直径呈升高趋势,随后18 min时显著下降。综合面絮粒径分布结果,在和面时间3 min时,小颗粒面絮含量为27%左右,为和面过程的揉混作用提供了大量的可迁移物质。由于面絮的平均质量直径均比几何平均直径大,可以判断面絮在和面过程中具有较疏松的孔隙结构,容易受到搅拌桨叶的作用而被分散,或者小颗粒面絮容易被揉混入大颗粒面絮当中。因此在和面时间逐渐增加至15 min的过程中,平均质量直径与几何平均直径均增加,但增加速率有所减缓。当和面时间从15 min增至18 min时,平均质量直径与几何平均直径显著下降,大颗粒面絮是平均质量直径与几何平均直径下降的主要粒级,说明在和面后期,大颗粒面絮受搅拌分散作用较大。

2.2 面絮水分分布与迁移规律

由图2可知,面絮颗粒粒径越大水分含量越高。和面过程中,不同粒径的面絮颗粒水分含量增减程度不一,小颗粒面絮和中颗粒面絮水分含量变化最为明显,大颗粒面絮水分含量增减程度不显著。随着和面时间的增加,中颗粒与小颗粒面絮的水分含量增加,中颗粒面絮先达到水分含量峰值,小颗粒面絮之后也达到水分含量峰值;大颗粒面絮中水分含量表现出先减少后增大的趋势,但与小颗粒面絮和中颗粒面絮相比,增减程度不明显。说明小颗粒与中颗粒面絮中水分的分布更容易受和面时间的影响。

图2 不同和面时间下各粒级面絮的水分含量Fig.2 Moisture content of each grain level of noodle dough at different mixing times

搅拌过程中,水分与不同组分发生物理化学变化,影响水分的扩散、渗透和传输,也影响水分在不同面团体系内外两侧的迁移[20]。搅拌桨叶所提供的机械作用力不断增加液/固界面,对形成的面筋具有拉伸揉混作用,更容易形成大的面絮颗粒[21]。对比不同和面时间下同一粒级面絮颗粒的水分迁移发现,和面时间从3 min到6 min,大颗粒面絮水分含量呈减少趋势,这可能是由于大颗粒面絮的初始水分含量较高,在较短的和面时间内面筋蛋白即完成吸水,随着搅拌发生破裂,形成小体积聚集体,水分从大颗粒面絮迁移到更小的面絮颗粒;中颗粒和小颗粒面絮的水分含量无显著变化,说明仍处于润湿阶段。随着和面时间的增加,各粒径面絮中水分含量逐渐增加。在和面时间为15～18 min时,各粒径面絮的水分含量基本保持不变,即各粒级面絮的水分分布达到稳定。

2.3 面絮蛋白特性的变化

2.3.1 面絮GMP含量

GMP是面团中面筋网络结构的重要成分,影响面团的黏弹性等理化性质[22]。在和面过程中会导致面絮颗粒度降低,GMP含量降低[23]。由图3可知,不同和面时间下面絮的GMP含量存在明显差异(P<0.05)。具体而言,和面时间为3 min,大颗粒面絮中GMP含量高于中颗粒与小颗粒面絮的GMP含量。说明在和面的初始阶段,大颗粒面絮具有更高聚集程度的面筋网络结构。和面时间从3 min到12 min,中颗粒面絮与小颗粒面絮的GMP含量呈逐渐增加趋势,而大颗粒面絮的GMP含量呈现先降低后缓慢增加的趋势。和面时间在15～18 min时,GMP含量降低,这一现象与Gómez等[24]、 Liu等[23]的研究结果一致。过度搅拌会导致GMP进一步解聚。

图3 不同和面时间下各粒级面絮的GMP含量Fig.3 GMP content of each grain level of noodle dough at different mixing times

通过对GMP含量的分布与水分分布规律进一步分析发现,对于中颗粒和小颗粒面絮,其水分含量增加,GMP含量增加;对于大颗粒面絮,和面时间从3 min增至6 min时,水分含量减少,其GMP含量显著降低。这可能是由于大颗粒面絮比中、小颗粒面絮的面筋水化程度更高,随着和面时间的增加,加速了中、小颗粒面絮中的水分迁移与GMP团聚。大颗粒面絮水分含量减少的程度低于中、小颗粒面絮增加的程度,大颗粒面絮的形成是面粉与水接触时形成面筋膜,进而包裹面粉形成大的堆积结构,这些先形成的面筋膜是导致大颗粒面絮GMP含量在和面初始阶段减少的原因;而这些先形成的面筋膜阻止水向其他没有接触水的面粉浸透,而机械搅拌使大颗粒面絮结构破裂,GMP发生较小程度解聚。Jia等[19]的研究结果可以较好地解释这一现象,和面过程中面粉与水通过搅拌形成面絮,面筋网络团聚与解聚同时发生,在面筋水化程度较低时,面筋网络受机械作用被破坏占主导。与面团相比,大颗粒面絮仍处于面筋水化程度较低的状态,更容易受机械作用而发生GMP解聚。

2.3.2 GMP粒度分析

GMP以颗粒形式存在,GMP粒度的不一致性会对面团及其制品品质产生影响[25]。搅拌操作改变了各粒径范围内GMP颗粒的大小与形态[16]。

由图4(a)、4(b)可知,和面时间为3 min时,大颗粒面絮的中位径(D50)与体积平均径均为最大值,说明3 min和面时间可促进大颗粒面絮中GMP粒度的增大。和面时间为6 min时,大颗粒面絮的中位径与体积平均径降低。与中颗粒面絮相比,大颗粒面絮更容易受到搅拌桨叶的揉混作用而分散,因而体积平均径随和面时间的增加而降低,大颗粒面絮GMP逐渐解聚,直到形成中颗粒面絮。随着和面时间的增加,大颗粒面絮的中位径与体积平均径无显著变化。当和面时间增至18 min时,大颗粒面絮的体积平均径显著降低,表明增加和面时间可降低大颗粒GMP的团聚。对于中颗粒面絮与小颗粒面絮,随着和面时间的增加,中位径与体积平均径逐渐增加,18 min时其略有下降。

注:(a)中位径;(b)体积平均径;(c)面积平均径 ;(d)长度平均径。图4 不同和面时间下面絮的GMP粒度Fig.4 GMP granularity of noodle dough at different mixing times

由图4(c)、4(d)可知,随着和面时间增加,中颗粒与小颗粒面絮面积平均径与长度平均径呈逐渐增加趋势,和面时间增至18 min时平均径显著降低;大颗粒面絮GMP面积平均径与长度平均径变化规律与中位径一致。在和面时间为9 min时,各粒径面絮的GMP长度平均径基本一致。GMP长度平均径显著低于对应粒径的面积平均径,根据平均径的物理意义,大粒子对面积平均径的贡献大于长度平均径,可推测出面絮GMP颗粒大小分布不均匀,大颗粒含量高,说明和面时间的增加促进GMP颗粒的形成。

2.3.3 面絮蛋白分子量

如图5所示,面絮样品中蛋白质的排阻高效液相色谱图分成了4个部分:大分子量聚合体蛋白(large polymeric protein,LPP)(6.0～7.5 min)和小分子量聚合体蛋白(small polymeric protein,SPP)(7.5～10.8 min),主要为谷蛋白;大分子量单体蛋白(large monomeric protein,LMP)(10.8～13.2 min),主要为醇溶蛋白;小分子量单体蛋白(small monomeric protein,SMP)(>13.2 min),主要为清蛋白和球蛋白。

图5 面絮蛋白质排阻高效液相色谱图Fig.5 Size-exclusion HPLC chromatogram of proteins in noodle dough

如表1所示,对于大颗粒面絮,和面时间为3～6 min,聚合体蛋白减少,小分子量单体蛋白比例增多,蛋白质分子量分布降低。随着和面时间的增加,蛋白质聚合度增加,相对分子量增加,同时GMP含量增加,粒度增大。和面时间增至18 min时,蛋白质聚合程度显著降低,分子量分布变小,此时GMP含量下降,粒径分布变小,游离巯基含量增加。

表1 不同和面时间下面絮蛋白质组分的变化Table 1 Change in protein composition of noodle dough at different mixing times

对于中颗粒、小颗粒面絮,和面初始阶段(0～3 min)蛋白质分子量分布无显著变化;随着和面时间增加,单体蛋白减少,聚合体蛋白比例增加,GMP含量逐渐增加,粒度分布增加,蛋白质分子量分布增加;过度和面(和面时间为18 min),蛋白质聚合度降低,分子量降低。

3 结论

和面是面条生产的重要环节,不同的和面进程使面絮的状态发生了复杂的变化,本研究通过对不同和面时间的面絮颗粒理化性质进行分析发现:随着和面时间的增加,面絮颗粒由小颗粒向中颗粒、大颗粒转变;水分在不同粒径面絮之间发生了迁移;GMP含量增加,粒度增大,蛋白质聚合度增加,分子量分布增大。说明增加和面时间能够促进面絮的团聚,形成颗粒与水分均匀的面团坯粒。但需要注意的是,在和面初期,大颗粒面絮GMP含量先下降后上升,后期则会发生解聚,说明大颗粒面絮更容易受到搅拌机械力作用而分散。和面时间的不同会导致不同粒级面絮品质的变化,因此,比起仅增加和面时间,对和面工艺进行分段优化更能改善面絮品质。面絮量化评价的难点是挖掘复杂多变的面絮体系的共性特征。对面絮进行宏观状态及内在品质的分析,有利于为制作面条时和面阶段的划分与面絮品质的有效控制提供依据。