微波處理小麥面粉對淀粉及蛋白性質的影響

劉海波，廖超，鄭萬琴，劉雄

(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)

小麥面粉可形成高黏彈性和強可塑性的面團，可用于制作面條、饅頭和面包等產品[1]。在面包和面條制作過程中，小麥粉中含有的面筋蛋白至關重要，面筋蛋白肽鏈之間的二硫鍵和極性氨基酸及面筋蛋白與淀粉之間的相互作用是決定面團黏性和彈性的主要因素[2-4]。小麥面粉在貯藏過程中容易受潮生蟲起菌，其中大部分微生物、多酚氧化酶和酚類化合物，會導致面粉迅速變質變黑[5]而腐敗，因此需要一些技術措施進行干燥殺菌，以達到延長面粉保質期的目的。

目前面粉的干燥方式主要有自然曬干、熱風干燥、微波干燥、紅外輻射干燥等[6]，其中微波干燥方式應用較多。微波是頻率在300 MHz～300 GHz的高頻電磁波，微波加熱時，微波貫穿物料整體，極性分子在微波和在電場作用下，吸熱和運動方向變化加劇，熱量增加，物料內外同時升溫，加熱速率比傳統方式更快[7-8]。此外，微波還因具有可選擇性加熱、能量利用率高、滅酶徹底、能耗小、方便調控等優點被廣泛應用于食品工業中[9]，如用于粉質類材料的加熱、干燥、殺菌、滅酶及微波制作烘焙食品[10-11]等。目前ROSE等[12]研究了微波處理對全麥粉中儲藏穩定性的影響，發現微波可降低脂肪酶活性，同時保持抗氧化活性，可以提高全麥面粉的穩定性；SONZA等[13]用微波諧振器測量確定單個小麥籽粒的水分含量和質量；VILLANUEVA等[14]研究了微波處理面粉對面團的影響，發現微波會使淀粉糊化，增加面團黏度；LI等[15]的研究表明微波處理可以提高鮮面條貯藏穩定性。

利用微波技術對小麥面粉進行干燥殺菌時，產生的熱效應可能會引起面粉中面筋蛋白結構的變化，導致面粉性質和最終產品質量的變化。然而，很少有文獻關于微波處理對小麥面粉性質的影響及其影響機理進行詳細的研究。因此，我們選取小麥面粉和面筋蛋白作為原料進行微波處理，探究微波對面粉性質影響的機理，以期為微波技術在小麥面粉和面制品上的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料和試劑

風箏牌高筋小麥粉，濰坊風箏面粉有限責任公司；谷朊粉，重慶君親食品有限公司；β-巰基乙醇、尿素、乙二胺四乙酸(EDTA)、Tris、HCl等均為分析純，購于重慶市鈦新化工公司。

1.2 儀器和設備

EG823LA6-NR型 Midea微波爐，美的電器制造有限公司；HH-6D型數顯恒溫水浴鍋，LGJ-10型真空冷凍干燥機，北京松源華興科技發展有限公司； FZD300型粉質儀，菏澤衡通實驗儀器有限公司；TA動態流變儀，英國儀器公司；LABRAM-Aramis型拉曼光譜儀，美國Horiba Jobin-Yvon公司；UV-2450型紫外分光光度計，日本島津公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品處理

小麥面粉：稱取每份樣品面粉100 g，將其置于250 mL燒杯中，放入微波爐中。微波時間單因素設計：1 min，100、300、500、800 W；微波功率單因素設計：300 W，1、2、3、4 min。未經微波處理的小麥面粉作為對照樣品。

面筋蛋白：室溫下，量取100 mL超純水置于為500 mL的高腳燒杯中。稱量6.0 g面筋蛋白邊攪拌邊緩慢加入燒杯中，磁力攪拌器500 r/min攪拌至蛋白充分水合，然后置于微波爐中加熱。微波時間單因素設計1 min，100、300、500、800 W；微波功率單因素設計：300 W，1、2、3、4 min。此后，將微波處理面筋蛋白懸液冷卻、凍干，留樣待測。未經微波處理的蛋白作為對照樣品。

1.3.2 小麥面粉粉質特性的測定

粉質特性的測定根據GB/T14614—2006/ISO5530—1∶1997《小麥粉面團的物理特性吸水量和流變學特性的測定粉質儀法》，利用粉質儀對微波處理過的小麥面粉粉質特性進行測定。

1.3.3 小麥面粉面團動態流變學特性的測定

參照趙天天等[16]的方法，稱取300 g面粉樣品置于1 000 mL高腳燒杯，然后進行微波處理，微波時間1 min，100、300、500、800 W不同微波功率處理；微波功率300 W，1、2、3、4 min不同微波時間處理。未經處理面粉作為對照樣品。樣品于粉質儀中攪拌混合加水直到粉質儀的記錄曲線達到(500±20)FU后取出，用剪刀剪切，稱取5 g待測。選取直徑為40 mm的平板，測試時兩平板的間距為2 mm，放置面團并將周邊多余部分刮掉，再將夾具邊緣涂上硅油，防止水分揮發。頻率掃描測試：將待測面團放于平板之間，同時啟動程序開始測定。其測定條件如下：等待時間300 s，應變振幅為1.0%，溫度25 ℃，頻率0.1～20 Hz。至少重復3次。

1.3.4 面筋蛋白巰基、游離巰基、二硫鍵的測定

參照張海華等[17]的方法，總巰基的測定：取2 mL蛋白溶液，加入5 mL Tris-Gly-8MUrea-0.5%SDS溶液中，再加入0.100 mL Ellman試劑(0.01 mol/L)，測定時溶液經旋風渦迅速混合后在25 ℃下保溫反應15 min，用分光光度計測定其在412 nm處吸光度值(A412)。以不加Ellman試劑的溶液作為對照，同時測定空白值。

a-0 min 0 W；b-1 min 100 W；c-1 min 300 W；d-1 min 500 W；e-1 min 800 W；f-2 min 300 W；g-3 min 300 W；h-4 min 300 W圖9 不同微波條件處理的面筋蛋白的掃描電鏡Fig.9 Scanning electron microscopy of gluten proteins treated with different microwave conditions

游離巰基的測定：吸取2 mL蛋白溶液，加入5 mL Tris-Gly緩沖液(0.086 mol/L Tris-0.09 mol/L Glycine-4 mmol/L Na2EDTA，pH 8.0)中，再加入0.100 mL Ellman試劑(0.01 mol/L)，測定時溶液經旋渦迅速混合后在25 ℃下保溫反應15 min，用分光光度計測定其在412 nm處吸光度值(A412)。以不加 Ellman試劑的溶液作為對照，同時測定空白值。

二硫鍵含量測定：—S—S—=(—SH-游離—SH)/2，每組樣品測定3次，取平均值。

1.3.5 面筋蛋白拉曼光譜分析(Raman spectra)

參照NAWROCKA等[18]的方法，稱取5 g的面筋蛋白，加5 mL的蒸餾水將面筋蛋白混合揉成濕面筋狀態，然后用錫箔紙包住。用刀片切取少許載玻片上，用蓋玻片將濕面筋蛋白壓薄至2 mm左右，然后將載玻片置于拉曼儀的顯微鏡鏡頭下。將物鏡調至20X，檢測激光器波長設置785 nm，采集曝光時間2 s，樣品曝光次數60，激光能量輸出15 nW，光柵狹縫50 μm，在400～4 000 cm-1外采集。

1.3.6 面筋蛋白紫外光譜分析

稱取1.2 g的無水NaH2PO4和0.156 g的NaOH，加水攪拌溶解，再稀釋定容至1 L即配制成 0.01 mol/L的pH為7.0的磷酸緩沖液。稱取0.005 0 g的蛋白樣品溶于5 mL的緩沖液中，旋渦30 s，然后4 000 r/min 轉速離心30 min，取上清液用于紫外光譜掃描測定。波長掃描范圍200～340 nm，掃描速率為50 nm/min。

1.3.7 面筋蛋白掃描電鏡

將小麥面筋蛋白樣品噴金后置于掃描電鏡下，調節放大至1 000倍，找到清晰的像，然后選取代表性區域拍照保存。

1.3.8 數據處理

采用SPSS軟件進行數據處理分析，認為P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果與分析

2.1 高筋小麥粉基本成分分析

高筋小麥粉組分分析結果如表1所示。

表1 高筋小麥粉組分分析 單位：%

2.2 微波對面粉粉質特性的影響分析

粉質特性主要用于表征面團的揉混特性。一般認為，面粉的筋力越強，耐攪拌性能就越強，面團的操作性能好，面筋網絡就越牢固[19]。由表2、表3可知，面粉的吸水率隨著微波功率和時間逐漸增大，分別在1 min、800 W和4 min、300 W時達到最大。這主要是因為微波功率越大，時間越長，溫度就會越高，導致小麥面粉的淀粉結構受損程度加劇，破損淀粉含量增多，容易發生吸水膨脹，吸水率增大。面團形成時間隨微波功率的增大和微波時間的延長呈先增后減的趨勢，這可能與小麥的面筋數量和質量有關，微波作用破壞—S—S—使其斷裂導致面筋數量減少，面團形成時間延長，但是微波到一定程度，適度作用會促進—S—S—網狀結構的形成，加速面團的形成，面團形成時間會減少。面團穩定時間隨微波功率的增大和微波時間的延長而增多，面團穩定時間的長短反映面團的耐揉性，說明小麥面粉經微波處理后形成的面團更具耐揉性。面團的弱化度隨微波功率的增大和微波時間的延長而減小，面粉的粉質指數隨微波功率的增大和微波時間的延長而增大，說明微波處理后面粉的粉質性能可能得到了一定程度的改善，面團的加工性能變得較好[20]，這與SHEVKANI等[21]的研究結果相似。

表2 微波功率對小麥面團粉質特性的影響Table 2 Effect of microwave power on properties of wheat dough

表3 微波時間對小麥面團粉質特性的影響Table 3 Effect of microwave time on properties of wheat dough

2.3 微波對面團流變學特性的影響

圖1～圖4是頻率掃描下，不同微波條件處理的面團動態流變學特性的測定結果。面團的流變特性是面團在揉制、面包成型、發酵過程中的決定性因素，已有研究報道流變特性與揉混性能之間存在著顯著的相關性[22]。隨著掃描頻率的增加，面團的儲能模量(G′)始終大于耗能模量(G″)，表明面團的彈性大于黏性。G′與G″隨著頻率的增加而逐漸上升，表現出一直典型的弱凝膠動態流變圖譜[23]。儲能模量表示面團彈性的大小，耗能模量表示面團的黏性。與對照組相比，面團的黏彈性有不同程度的變化。面團是由分子間和分子內可以形成二硫鍵的具有黏彈性的面筋蛋白包裹著淀粉分子而形成的，微波對面粉中淀粉和面筋蛋白性質的影響直接可改變面團的黏彈性。

由圖1、圖2知，面粉經100 W微波功率處理后，儲能模量和耗能模量有所降低，面團的黏彈性減小，但在300 W時儲能模量和耗能模量增大且達到最大值，此時黏彈性最大，繼續增大微波功率，儲能模量和耗能模量又降低，黏彈性減小。由圖3、圖4可知面團的儲能模量和耗能模量隨微波時間的延長呈先增加后減小的趨勢。面粉經微波處理1 min，儲能模量和耗能模量增加，黏彈性增強，延長微波時間,儲能模量和耗能模量降低，黏彈性減小。面團在微波處理1 min時儲能模量和耗能模量增至最大值，黏彈性最強。這可能是在微波時間1 min、功率300 W的條件下，淀粉分子顆粒受熱適度膨脹，與面筋蛋白的網狀結構結合更為致密緊湊,面團更具柔韌性，所以黏彈性最強，其他微波條件下的淀粉和面筋蛋白不能很好地結合或者結構被破壞。實驗表明，適當的微波作用能夠增強面團的黏彈性，過弱或過強的微波作用反而會降低面團的黏彈性。

圖1 微波功率對面團儲能模量的影響Fig.1 Effect of microwave power on dough storage energy

圖2 微波功率對面團耗能模量的影響Fig.2 Effect of microwave power on dough energy consumption

圖3 微波時間對面團儲能模量的影響Fig.3 Effect of microwave time on dough storage energy

圖4 微波時間對面團耗能模量的影響Fig.4 Effect of microwave time on dough energy consumption

2.4 微波處理對面筋蛋白巰基、游離巰基、二硫鍵的影響

面筋蛋白通過二硫鍵與淀粉交聯賦予面團黏性和彈性，在決定小麥粉產品質量方面發揮著關鍵作用[24]，面筋網絡結構的破壞作用是導致面粉品質惡化的主要原因[25-26]。由圖5可知，未經微波處理的面筋蛋白的巰基含量為14.62 μmol/g，游離巰基為 6.47 μmol/g，二硫鍵含量為4.07 μmol/g，不同功率的微波處理后，面筋蛋白的巰基、游離巰基和二硫鍵含量相應減少，這是由于—SH和—S—S—吸收熱量超過鍵能，導致共價鍵斷裂，所以—SH和—S—S—含量減少。由圖6看出巰基、游離巰基和二硫鍵在時間1 min、2 min微波條件處理下減少，在3 min時，含量都有所升高，這可能是淀粉和蛋白分子吸熱膨脹，面筋蛋白分子發生聚集，—S—S—又可以重新形成，自由基和親核機制被認為在鏈間二硫鍵誘導的面筋聚集中發揮重要作用[27]；延長微波時間至4 min，分子間共價鍵被破壞，巰基、游離巰基和二硫鍵含量降低。面筋蛋白空間結構與二硫鍵含量之間存在著很強的相關性，因為分子間的—S—S—鍵橋被認為在維持谷蛋白基質的穩定性方面起著至關重要的作用[28]，游離—SH水平的變化是蛋白質分子鏈聚集程度的一個有說服力的指標[29-30]。結果表明微波作用在一定程度上破壞了面筋結構，對形成面團的過程產生了不利影響。

圖5 微波功率對—SH、游離—SH、—S—S—的影響Fig.5 Effect of microwaves on the content of —SH, free —SH and —S—S—

圖6 微波時間對—SH、游離—SH、—S—S—的影響Fig.6 Effect of microwave time on the content of —SH, free —SH and —S—S—

2.5 微波處理對面筋蛋白二級結構的影響

二級結構的變化對于研究蛋白質結構性質至關重要，拉曼光譜中1 645～1 690 cm-1區域被認為是面筋蛋白二級結構歸屬區，可以反映二級結構的變化[32]。拉曼光譜可用于研究液體和固體蛋白的二級結構[31-32]，ZHAO等[33]用拉曼光譜研究脫酰胺化小麥面筋蛋白的結構變化對酶水解的敏感性的影響。α-螺旋、β-折疊、β-轉角和無規則卷曲4種二級結構的規律有序性依次減小，各二級結構間以二硫鍵、氫鍵和范德華力等分子間作用力相連接排列。由表4、表5可知，未經微波處理的面筋蛋白的二級結構各組分分別是α-螺旋含量66.75%，β-折疊含量8.55%，β-轉角含量18.32%，無規則卷曲含量6.37%，α-螺旋是系統中占主導地位的二級結構，α-螺旋的含量多少也最能代表說明蛋白分子排列的有序性。說明未經微波處理面筋蛋白中的二硫鍵、氫鍵和范德華力等分子間作用力較強且穩定，空間結構和分子排布比較有秩序規律。經不同微波條件處理后，α-螺旋的含量較對照組顯著減少，β-折疊、β-轉角和無規則卷曲的總含量增加，說明面筋蛋白經微波處理后，蛋白吸熱致分子運動程度加劇，二硫鍵、氫鍵和范德華力等分子間作用力被破壞，空間結構和分子排布的規律有序性減小，變得較雜亂無序。實驗說明微波作用在一定程度上破壞了面筋蛋白的二級結構。

表4 微波功率對面筋蛋白二級結構的影響 單位：%

表5 微波時間對面筋蛋白二級結構的影響 單位：%

2.6 面筋蛋白紫外熒光吸收

面筋蛋白中色氨酸和酪氨酸在紫外280 nm波長左右處有吸收峰，根據吸收峰的強弱判斷蛋白質中生色基團分布的微環境的變化，進而推斷蛋白結構的展開程度。由圖7、圖8可以明顯看出面筋蛋白經不同微波條件處理后，其紫外吸收強度出現不同程度地降低，微波強度越大，紫外吸收越弱。蛋白分子的聚集折疊或鏈結構斷裂會導致分子內的生色基團減少，紫外吸收強度也會隨之降低。這說明微波作用改變了面筋蛋白的空間構象，與前面微波對面筋蛋白的—SH、—S—S—和二級結構的變化的研究結果相對應，可見表明微波處理有助于面筋蛋白結構的伸展。

圖7 微波功率對面筋蛋白紫外吸收影響Fig.7 Effect of microwave power on ultraviolet absorption of gluten protein

圖8 微波時間對面筋蛋白紫外吸收影響Fig.8 Effect of microwave time on ultraviolet absorption of gluten protein

2.7 面筋蛋白掃描電鏡

掃描電子顯微鏡對面筋網狀結構的可視化是了解面團各組分相互作用的關鍵[34]。由圖9可以看出未經微波處理過的面筋蛋白表面平整，網狀結構緊密集中。經微波處理處理后，面筋蛋白的外觀及形狀結構發生了不同程度的改變。以100 W微波功率處理1 min時，蛋白顆粒表面出現了少許裂孔，致密結構有疏散崩裂的趨勢，隨著微波功率的增大，蛋白分子顆粒上面的孔狀增多且孔洞增大，有細碎顆粒出現，結構變得開散疏松；延長微波時間，可以發現面筋蛋白表面氣孔數量增多，孔徑增大，變化趨勢與隨微波功率變化趨勢相似。微波作用增強，蛋白分子結構破損程度加大，網狀結構在表觀看來稀疏多孔。這說明微波作用破壞了維持面筋蛋白結構的共價鍵和分子間作用力，這與前面微波對面筋蛋白二硫鍵和結構影響的研究結果基本一致。

3 結論

微波通過熱效應影響小麥面粉中面筋蛋白的結構導致面粉面團性質的改變，微波作用于面筋蛋白時會破壞了蛋白分子間共價鍵(—S—S—)斷裂，破壞連接蛋白二級結構的氫鍵、范德華力等分子間作用力，蛋白分子結構排列變得雜亂無序，分子緊密結構伸展，面筋網狀結構變得疏松多孔。具有網狀結構的面筋蛋白有很好的黏彈性，微波處理后對面筋蛋白的結構受到一定程度的損壞，黏彈性減弱，致使其在包裹淀粉顆粒形成面團時不再具有很好的韌性。適度微波處理會改善小麥面粉的粉質特性，提高面團的加工性能，微波強度過大則會破環面筋結構，導致面粉和面團性質變差。本文研究了微波對面粉和面團性質影響的機理，但對于微波處理后面粉的貯藏穩定性和食用品質還需進一步探究分析。