辣椒/牛肉粉对小麦面团复合体系流变学特性的影响

钱鑫,连胜青,谢乐,李良怡,胡瀚,张家铭,赵野,周文化*

1(中南林业科技大学 食品科学与工程学院,湖南 长沙,410004) 2(稻谷及副产物深加工国家工程实验室,湖南 长沙,410004)

小麦粉是人们主食(面条、馒头)常用的原料之一,随着人们生活水平的提高以及饮食观念的变化,注重风味口感的同时对营养价值的关注度也越来越高,因此对面制品类产品的多样化和功能化有更高需求[1]。目前相关研究显示,在面团中添加谷物类、果蔬类、中草药类及香辛料等功能性食材,可以改善面团的色泽和口感,增强面制品的营养价值,同时提高其产品附加值,深受广大消费者的喜爱[2-4]。调味粉是指食品加工或烹调中能够调整或调和食物口味的一种粉状的食品加工辅料,已被证实成分中有多种生物活性物质,包括黄酮类化合物、酚类化合物、皂苷和生物碱等,具有较高的药用价值和保健价值[5]。目前关于调味粉在面团及面制品中的研究还相对较少,UTAMA-ANG等[6]研究发现,用干蒜粉和干胡椒粉质量比为4∶1,添加量为2%所制成的风味米粉具有较好的物理、化学、质构和感官特性,可作为一种风味和活性成分兼具的功能性食品。BALESTRA等[7]研究发现,生姜粉添加为3%的面包具有较好的流变特性,感官接受度也最高。ISSAOUI等[8]研究发现肉桂和石榴皮粉的加入改变了面包的流变特性,提高了强化面团的营养价值,且这种新产品也更加得到消费者的青睐。

辣椒粉作为一种常见的调味粉,含有较多的不溶性膳食纤维,同时富含多种生物活性物质,如辣椒素、类胡萝卜素、黄酮类化合物、维生素和矿物质等[9-14]。牛肉粉经高温高压烹饪、均质研磨,喷雾干燥及包装等工艺加工而成,具有独特的牛肉风味和营养价值,含有较高蛋白质含量,具有人体所需要的多数必需氨基酸(苏氨酸、赖氨酸)及微量元素,还具有低脂肪、低胆固醇等优点,对增强人体抗病力、细胞活力和器官功能均有显著作用[15-19]。国内相关研究显示,将肉粉加入到面制品中,可以改善面制品的品质特性和营养特性[20-22]。添加辣椒粉制作成生鲜面可以有较好的感官特性,并延长了贮藏阶段的保鲜期[23]。将辣椒粉和牛肉粉加入到小麦粉中可以改善面团的色泽和口感,增强人们的食欲,从口感和营养方面提升面制品产品,可以兼得营养、美味、健康的特点。而目前市面上所售卖的调味粉种类繁多,且大多是以复合调味粉(由多种单一调味粉及改良剂复合而成,如五香粉、鸡精等)为主,在研究复合调味粉对面团及面制品的影响方面,由于成分较为复杂分析起来较为困难,所以受到了限制。为了促进今后调味粉对面制品行业的多样化发展,研究单一调味粉及2种单一调味粉之间的交互作用对面团流变学特性的影响有很高的研究价值和意义。

目前,关于调味粉(辣椒粉、牛肉粉)对小麦面团流变学特性的研究还未有涉及,流变学特性在很多食品的生产制作中是十分重要的,它关系到产品的机械加工特性、加工条件及最后成品的品质[24-25]。从应力或应变的作用方式来看,食品流变学可分为动态流变学和静态流变学[26]。由于仪器的限制,实际面团的形变过程较为复杂,对于无限大或无限小(零剪切)的面团的流动特性无法测出,这就需要用模型进行拟合计算。对于小麦面团而言,最为常用数学拟合模型为幂律模型[27-28]、Burgers模型[29-31]对面团流变特性进行分析。其中,面团的流变特征值(黏性、弹性、柔量及恢复率等)是面团的加工特性和品质特征最好的表征手段[32]。

于是本研究旨在在前期的研究基础上评价辣椒粉、牛肉粉及两者不同质量比对小麦面团加工特性的影响,从面团流变学特性的角度进行探究,以期为今后调味粉在面制品中的实际生产应用和质量控制,及调味面制品多样化发展提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

小麦粉(理化指标:水分含量为12.90%,碳水化合物含量为71.15%,蛋白质含量为12.46%,脂肪含量为2.83%,灰分含量为0.62%,淀粉含量为62.18%,膳食纤维为1.34%),湖南南泥湾食品厂;牛肉粉、辣椒粉(辣椒粉的理化指标:水分含量为10.16%,碳水化合物含量为58.91%,蛋白质含量为13.68%,脂肪含量为8.44%,灰分含量为8.81%,淀粉含量为2.92%,膳食纤维为47.57%。牛肉粉的理化指标:水分含量为6.87%,碳水化合物含量为4.31%,蛋白质含量为63.54%,脂肪含量为21.92%,灰分含量为3.37%),湖南省嘉品嘉味生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

JH-HS型卤素快速水分分析仪,泰州宜信得仪器仪表有限公司;Micro-doughLAB2800型全自动微型粉质仪,瑞典Perten公司;DHR-2型流变仪,美国沃特斯公司。

1.3 实验方法

1.3.1 混合面粉的制备

将调味粉(辣椒粉、牛肉粉)按照不同质量比(1∶0、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、0∶1)进行混配,经过前期预试验,控制调味粉的添加量恒定为6%代替部分小麦粉,从而制备混合面粉样品,并分别命名如表1所示。

表1 混合面粉样品的配方Table 1 Formula of mixed flour sample

1.3.2 粉质特性测定

按GB/T 14614—2019测定混合粉粉质特性,共5个参数值:吸水率、形成时间、稳定时间、公差指数以及带宽。

1.3.3 流变学特性分析

在线性黏弹性区域内,用动态振荡法测定了面团的基本流变特性。先确定面团样品的最佳吸水率,以制备完全发育好的面团样品,将面团样品静置5 min以允许松弛和温度稳定,然后将面团放在平板之间,探头的直径是40 mm,间距1 mm,当探头降下后修剪边缘多余面团,立刻将密封盖盖上,防止测试过程中失去水分。在1 Hz的恒定振荡频率下,应变从10-2%增加到102%,对面团样品的线性黏弹性区域的极限进行测试[33],最终确定面团样品最适应变条件为0.1%,应力和应变之间存在线性关系。

1.3.3.1 面团的频率扫描测定

在线性黏弹区域内测定恒定压力的预试验条件下,频率扫描测定在0～20 Hz进行,温度恒定为25 ℃,选择0.1%的恒定应变幅度,将所获得的实验数据由幂律模型进行数据拟合[34],如公式(1)、公式(2)所示:

G′(ω)=K′·ωn′

(1)

G″(ω)=K″·ωn″

(2)

式中:G′为储能模量;G″为损耗模量;ω为角频率,rad/s;K′、K″、n′、n″为实验常数。

1.3.3.2 面团的蠕变-恢复测定

采用流变仪测定蠕变-恢复特性,在50 Pa的恒定应力下进行,蠕变阶段持续时间为60 s,允许样品在撤出外力后样品恢复形变,恢复阶段持续时间为180 s[35]。蠕变的结果通常用柔量的形式表示,柔量的计算如公式(3)所示:

J(t)=γ(t)/σ

(3)

式中,J为柔量,Pa-1;γ为应变;σ为蠕变试验中施加的恒定应力,Pa-1。

采用柔量参数(J)随时间(t)的变化关系对蠕变-恢复试验数据进行了分析,并用蠕变阶段方程[公式(4)]和恢复阶段方程[公式(5)]进行了参数Burger模型的拟合[36-37]。其中,Burgers模型是由一个开尔文模型(Kevin)和一个麦克斯韦(Maxwell)模型串联组成[38]。

J(t)=JCo+JCm[1-exp(-t/λC)]+t/μCo

(4)

J(t)=Jmax-JRo-JRm[1-exp(-t/λR)]

(5)

式中,J为蠕变过程的柔量,t;JCo、JRo为第一要素胡克体弹性柔量,即瞬时柔量,Pa-1;JCm、JRm为延缓柔量Pa-1;t为时间,s;λC、λR为延缓时间,s;μCo为阻尼体黏滞系数,即零剪切黏度,Pa/s;Jmax为蠕变试验结束时获得的最大蠕变柔量,Pa-1。

当面团恢复率达到平衡时,评价的恢复率柔度Jr(Pa-1)由JRo和JRm之和计算[39]。用百分比恢复率表示的最大蠕变柔量的相对弹性部分使用公式(6)确定:

(6)

式中:Jmax是60 s蠕变阶段的最大蠕变柔量值,对应于最大变形;Jr是恢复阶段结束时的柔量值。

1.4 数据处理

使用SPSS 22对得到的实验数据进行单因素方差分析,试验结果用平均值±标准差表示。采用Duncan检验(P<0.05)来确定平均值之间的显著差异,相关系数(R2)来评估模型的拟合精度。采用Origin 2018软件进行数据统计及图表绘制。

2 结果与分析

2.1 辣椒/牛肉粉对小麦面团复合体系粉质特性的影响

稳定时间是衡量面团品质的最重要指标之一[40],稳定时间越长,表明面团的韧性越好,面筋的强度越大,加工性质越好[41]。辣椒粉、牛肉粉及两者不同质量比的面团样品粉质特性的测定结果见表2。根据实验结果显示,与CK组相比,CP、BP组的粉质各指标作用效果表现出差异性。BP组的形成时间、稳定时间均比CK组长,CP组的形成时间、稳定时间均比CK组短。研究显示,添加适量膳食纤维的成分会改善面团的流变学特性,使其形成时间、稳定时间延长,但过量与面筋蛋白竞争水分,反而会影响面团的结构的形成、吸水性和延展性[42-43]。CP组可能是由于添加辣椒粉过量从而导致较多的膳食纤维影响了其结构的形成。对于MSP-1、MSP-2、MSP-3、MSP-4组来说,由于面团的网络结构的形成不仅受到辣椒粉成分的影响,还受到牛肉粉成分的影响,较多的蛋白质也会与面团竞争性吸水,对面筋网络结构进行填充和镶嵌。随着混合调味粉中辣椒粉的所占比例的逐渐减小,稳定时间先延长后缩短,公差指数先减小后增大,并呈现显著性的差异(P<0.05),而带宽均无显著差异。MSP-3组相比于MSP-1、MSP-2、MSP-4组来说,吸水率较高,形成时间、稳定时间最长,分别为1.9 min、1.85 min。MSP-3组与CK组相比,吸水率提高了3.33%,形成时间和稳定时间分别延长了3.6%、15.1%。除此之外,MSP-3的公差指数较小,表明面团筋力较强。由表2可知,MSP-3组的稳定时间延长,也侧面反映了该质量比的混合调味粉对小麦面团的韧性较好。由此可见,控制辣椒/牛肉粉的质量比可以对小麦面团的粉质效果产生更积极的影响,2种单一调味粉的交互作用会使面筋网络结构及淀粉凝胶结构之间的耦合效果更强,从而使面团的耐剪切力增强,在加工过程中表现为可以抵抗一定的破坏,稳定性较高。

表2 辣椒/牛肉粉-小麦面团复合体系粉质参数Table 2 Farinograph parameters of chilli /beef powder-wheat dough compound system

2.2 辣椒/牛肉粉对小麦面团复合体系频率扫描试验的影响

动态流变是指在频率扫描模式下的流变行为,通过对黏弹性体施以振动或者周期变动的应力、应变下,产生振荡剪切特征的研究方法。小麦面团中面筋蛋白具有黏弹性的网络孔状结构,并赋予了面团一定的机械性能。辣椒粉、牛肉粉及两者不同质量比的面团样品经流变仪扫描后所得的G′、G″及损耗角正切(tanδ)的结果如图1所示。从整体上来看,在0～20 Hz随着振荡频率的增加,所有面团样品在高频率下均比低频率具有更高的G′和G″值,这表明受压面团网络的恢复是一个缓慢的过程,因为面筋网络具有不完全弹性的性质。在整个频率范围内,对照组和所有混合面团样品的G′均比G″大,表明面团配方具有类固体弹性的性质[44]。面团的这种类固体弹性行为可能归因于随着频率的增加,面团中的淀粉颗粒起到了填充物的作用,增强了面筋的强度,并产生了很强的结合力,淀粉颗粒之间的排斥力在混合面团样品中占主导地位,从而获得更高的模量。由图1可以观察到,与CK组相比,BP组的G′、G″值升高,而CP组的G′、G″值降低。添加牛肉粉使小麦面团复合体系模量值升高的原因可能与小麦蛋白与牛肉蛋白之间发生交互作用有关,使得小麦面团复合体系内部分子链段之间的缠绕点增多,凝胶结构网络结构加强。计红芳等[45]研究发现豌豆蛋白和牛肉盐溶蛋白之间交互作用增强,形成了更为致密的三维网络凝胶结构。根据实验结果表明,在相同频率的条件下,MSP-3组的G′、G″值达到最大,即达到最大弹性和黏性的状态,且面团的tanδ处于最小,且对比发现MSP-3组比BP组的tanδ更小。这也证明了辣椒粉和牛肉粉两者之间复配可以产生比单独牛肉粉更强的三维网状结构,体系表现出更为优越的黏弹性,从而导致模量值达到更高,进而影响辣椒/牛肉粉-小麦面团的类固体行为。

a-G′、G″;b-tanδ图1 辣椒/牛肉粉-小麦面团复合体系的G′、G″和tanδ关系图Fig.1 Relationship diagram of G′, G″, and tanδ of chilli/beef powder-wheat dough composite system

2.3 运用幂律模型对频率扫描试验拟合结果的评价

采用了幂律模型对频率扫描的结果进行拟合,讨论G′、G″与频率之间的非线性关系,所得到的模量与振荡频率依赖关系的参数如表3所示。在0～20 Hz的测试频率范围内,G′,G″与振荡频率的关系可用幂律模型模拟,相关系数R2分别大于0.99和0.96,这说明本次拟合具有较高精度。其中,K为稠度系数,K的数值在表中呈现的越大,则表明辣椒/牛肉粉对小麦面团样品面筋增强效果越好。根据表3中K′、K″、n′和n″参数的取值可知,所有试验组与对照组相比均差异显著(P<0.05)。与CK组相比,CP组的K′和K″值均比CK组大,BP组的K′和K″值均比CK组小,除MSP-1外,MSP-2、MSP-3、MSP-4组的K′和K″值也均比CK组大。另外,表3中所有组面团样品的K′均大于K″,表明了弹性特征占主导。K′和K″值也与上述机械图谱中G′和G′的曲线趋势呈现出一致性,这也说明了流变特征指标K可做为流变特性的代表性参数进行研究。同时,n′和n″可以表示G′和G″的斜率,所有混合面团样品的n值均小于1,也说明添加调味粉并未改变小麦面团的流体性质,复合体系仍表现为假塑性流体,呈现剪切稀化特性[46]。表3中MSP-3组的K值和n值分别为5 147.716 8、1 773.103 0,远高于所有试验组的面团样品,说明该配比下两者复配对内部结构面筋增强效果最好。而MSP-4组的n′比n″的值高,即随着频率的逐渐增加,G′增加幅度比G″快,从而导致面团的tanδ值逐渐变小。MSP-4组的K值和n值有所降低,推测可能是因该质量比的混合调味粉的成分在小麦面团复合体系的内部结构中分布较为松散,从而G′和G″又呈下降趋势。

表3辣椒/牛肉粉-小麦面团复合体系幂律模型拟合的参数Table 3 Parameters of power law model fitting of chilli/beef powder-wheat dough compound system

2.4 辣椒/牛肉粉对小麦面团复合体系蠕变-恢复试验的影响

蠕变-恢复试验是一种最典型的静态黏弹性行为的体现的方法,可以通过对试验样品施加恒定应力,从而测量随时间相应的变形,表征试验样品在一段时间内的黏弹性行为[47]。当受到恒定的应力时,黏弹性材料,如面团,由于其部分恢复其初始结构的能力,会呈现出对变形的非线性响应[48],当撤去应力后,弹性材料随着时间的延长会逐渐恢复其初始的结构[49]。图2显示了辣椒/牛肉粉对小麦面团复合体系蠕变-恢复曲线结果。在蠕变试验中,随着时间的延长,面团结构强度增加,应变抗力变大,所有面团样品柔量均出现上升的趋势。而在卸载应力后,所有面团样品柔量均出现逐渐下降并呈现逐渐持平的状态。由图中可以观察到,相对于CK组而言,CP组、MSP-1组的整个弹性柔量曲线均高于CK组,而BP组、MSP-2组、MSP-3组、MSP-4组的柔量曲线均比CK组较低。其中MSP-3组的柔量曲线达到最低,也表明MSP-3组所产生的应变较小,面团结构的基质较强。研究表明,蛋白质比例和分布会影响面团的强度和延展性[50]。图2中通过控制牛肉粉和辣椒粉两者之间的质量比改变混合调味粉中蛋白质和膳食纤维在复合体系的三维结构的比例和分布,影响面团的蠕变-恢复特性,该结果也与频率扫描的实验结果保持一致。

图2 辣椒/牛肉粉-小麦面团复合体系的蠕变-恢复曲线Fig.2 Creep-recovery curve of chilli/beef powder-wheat dough compound system

2.5 运用Burgers模型对蠕变-恢复试验拟合结果的评价

将蠕变-恢复试验结果进行Burgers模型拟合,描述了柔量与时间函数的变化趋势,得到结果如表4所示。研究显示,当小麦面团在受到应力时,面团中淀粉分子链内的键长和键角发生变化,形成可以恢复的瞬时柔量(JCo),该柔量与时间没有关系。而随着时间的延长,面团中淀粉单个分子的链段开始发生运动,由卷曲状向直链状拉伸,面团发生延缓形变,相对应的柔量为延缓柔量(JCm)[51]。延缓柔量对时间(应力施加时间t以及延缓时间λ)有依赖性性。延缓时间λ值越小,表明面团的回复时间越短、弹性越好[52]。零剪切黏度(μco)可以用来表征面团在应力消失时的流动情况,μco越大越难维持其原有形状[53]。最大蠕变柔量(Jmax)被认为是面团变形抗力的一个指标,用来表征面团结构单元之间的结合强度,该值越小表示面团的内部能量较高,结构变强,抗形变能力越好[32]。

表4 辣椒/牛肉粉-小麦面团复合体系的蠕变-恢复曲线Burgers模型拟合的参数Table 4 Parameters of burgers model fitting for creep-recovery curve of chilli/beef powder-wheat dough compound system

在整个蠕变-恢复阶段的过程中,由于牛肉粉和辣椒粉成分的差异,对小麦面团混合体系抵抗压力的行为也表现各异。根据整个蠕变恢复试验阶段过程中的数据结果可以看出,在蠕变阶段,BP组的瞬时柔量(JCo)和延缓柔量(JCm)与CK组相比显著降低了50.26%和58.21%,在恢复阶段,瞬时柔量(JRo)和延缓柔量(JRm)与CK组相比显著降低了48.61%和56.27%。BP组的μco与CK组相比增大,CP组的μCo与CK组相比减小,这也说明了BP组在打破流动时所需要的能量较大,抵抗流动能力增强。且在同一时间的相同应力的条件下,CP组与CK组相比Jmax增大,BP组与CK组相比Jmax减小,说明了BP组的抗形变较小,且BP组的Jr/Jmax为38.970 6%,说明了其恢复能力较好。这可能是当面团承受恒定应力时,添加牛肉粉可能对面筋网络结构进行填充,结构较为紧密,内部分子链段相对较为困难,表现为抗变形能力较好,具有更低的瞬时变形和延缓变形,且当消除应力时具有较高的恢复能力。而辣椒粉由于具有较多的膳食纤维在面筋网络中的镶嵌不均,表现为结构较为松弛,当体系受到应力时可能会影响该体系的流变特性。对于辣椒粉和牛肉粉两者进行复配添加的面团样品(MSP-1、MSP-2、MSP-3、MSP-4组)的数据结果来看,MSP-3组的瞬时柔量(Jo)和延缓柔量(Jm)均达到最小,λ值达到最小,从而证实了MSP-3组具有较高的弹性,这也与上述频率扫描的结果也保持一致。除此之外,MSP-3组的μCo达到了最大为7.542 1,这一特性也表明MSP-3组在加工时有一定优势,在打破流动时需要的能量较大,可以维持其原有形状不易发生流动,抗变形能力较强。另外,随着牛肉粉的质量比占比增大,Jmax呈现先变小后变大的趋势。其中,MSP-3组的Jmax达到最小,与CK组相比额外降低了84.71%。研究显示,呈现较低的柔量值和较高的零剪切黏度的面团往往表现出高弹性的恢复值[35]。MSP-3组的恢复阶段的总弹性柔量(JRo+JRm)占面团最大蠕变柔量的59.767 8%,Jr/Jmax达到最大,与CK组相比恢复率升高了35.39%,也验证了这一观点。综上,辣椒粉和牛肉粉质量比为1∶3时,2种单一调味粉成分之间的交互作用对小麦面团复合体系的面筋网络结构的镶嵌和填充效果较好,因此MSP-3组表现出面团抗形变能力较好(较高的Jmax),不易黏弹性变形(较低的Jo和Jm),较难发生流动(较高的μco),弹性较好(较低的λC)和较强的恢复能力(较高的Jr/Jmax)。

3 结论

辣椒粉、牛肉粉以及两者之间的质量比对小麦面团的流变学特性均有较大的影响,经过辣椒粉和牛肉粉合理质量比可以改善小麦面团的黏弹性,使其品质特性和加工适应性达到更好。从获得的实验数据的结果来看,辣椒/牛肉粉对小麦面团复合体系的作用效果表现出差异性,辣椒粉由于含有较多的膳食纤维一定程度上会增加小麦面团的混合阻力,使得面团的形成时间、稳定时间缩短,筋力减小,黏弹性表现较差,在受到应力时表现为抗变形能力较差,易发生流动,且恢复力较差;而牛肉粉的加入对小麦面团产生了填充和软化的作用,使面团的结构弹性增强,表现为面团的形成时间、稳定时间延长,筋力增强,黏弹性表现较好,抗变形能力增强。辣椒粉、牛肉粉两者进行复配可以表现出较为坚实的弹性行为,面团模量值升高,恢复能力和抗变形能力较好。由此可以推断出,辣椒/牛肉粉在质量比为1∶3的条件下可以作为一种面筋增强剂,通过两者之间相互作用使小麦面团内部的三维面筋网络结构的分布和镶嵌达到最佳,导致S—S共价交联链增强,表现为面团基质增强,在应力条件下提供了抗变形能力,面团的可加工性较好。本实验通过研究调味粉对小麦面团的流变学特性的影响,有助于进一步了解探究其对面制品(如鲜湿面、干挂面等)的加工特性的影响,为今后调味面制品奠定了一定的理论基础。