小米粉添加量對小麥面團熱機械學和動態流變學特性的影響

劉鑫，陳金鳳，徐曉琴，尤鶯歌，張盛貴

(甘肅農業大學食品科學與工程學院，甘肅 蘭州 730070)

谷子(Setariaitalica)，又稱栗，屬禾本科狗尾草屬，原產于我國，是世界栽培歷史最悠久的作物之一.小米是谷子籽粒脫皮后的產物[1].小米營養豐富，營養素比例適宜，主要含有碳水化合物、優質低過敏性蛋白質、氨基酸、維生素等[2]，并且小米營養成分均易于被人體吸收，消化率達90%以上，是一種具有獨特保健作用的優質糧源和滋補佳品，一直受到人們的重視和喜愛[3].因此，被廣泛應用于面制品加工中以提高營養價值.

面團熱機械學特性屬于面團的物理特性，它與加工過程中面團的滾揉、發酵以及機械加工直接相關，能夠很好反映面粉的食品加工品質[4].由于小米中缺乏面筋蛋白[5]，小米粉不易形成堅固的網絡結構，其產品組織結構和感官品質較差，多以小米粉配合小麥面粉制作產品.馮明會[5]等研究發現小米全粉添加豐富了混合粉營養成分,添加量對面團的形成時間、穩定時間影響較小,添加量越大,小米全粉對饅頭的劣變作用越強,口感越差.田曉紅等[7]研究發現小米混合粉的粉質特性在添加量30%～40%時，形成時間和穩定時間迅速降低，添加量在60%以下時，掛面的蒸煮品質比較好.杜文娟等[8]發現不同品種及其不同比例小米粉的添加，會使小米-小麥混合粉面團的粉質特性和拉伸特性隨著小米粉添加量的增加均呈現下降趨勢，但不同品種小米間沒有明顯差異；也有研究表明，不同處理(膨化和未膨化)的小米粉對小米-小麥混合粉面團粉質特性和糊化特性均有顯著改善[9]；同時，添加魔芋粉等改良劑對純小米粉面團穩定時間等各項流變學特性指標也有不同程度的提升[10].

前人的研究表明，小米粉的添加量對小米-小麥混合粉面團的加工特性有顯著影響，對其混合粉機械學、熱力學和流變學特性的聯合研究少有報道，本研究將小米粉按不同比例添加到小麥粉中，分析小米粉替代對于小麥面團熱機械學特性、動態流變學特性以及糊化特性的影響，由此確定最佳添加比例，為小米饅頭的制作提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

小麥粉：嘉里糧油有限公司(蛋白質含量為11 g/100 g)；小米粉：谷子購于當地超市，粉碎后過100目篩.

1.2 主要儀器

萬能高速粉碎機：浙江紅景天工貿有限公司；電子天平(FA1104B):上海越平科學儀器有限公司；Mixolab 2混合實驗儀：法國Chopin儀器公司；DHR-1流變儀，差示掃描量熱儀DSC25：美國TA儀器公司.

1.3 試驗方法

1.3.1 混合粉配制 小米粉粒徑大小會影響面團及面制品品質.實驗選擇使用粒徑為100目的小米粉來研究添加量對面團流變學特性的影響.采用粉碎機對小米研磨，過篩，取100目小米粉，分別以0%、10%、20%、30%、40%、100%的添加量加入小麥粉中，充分混勻制得混合粉，密封保存備用.

1.3.2 主要成分測定 水分含量測定，參照《食品安全國家標準食品中水分的測定 GB/T 5009.3-2016》；蛋白質含量測定，參照《食品安全國家標準食品中蛋白質的測定 GB 5009.5-2016》；脂肪含量測定，參照《食品安全國家標準食品中脂肪的測定 GB 5009.6-2016》；淀粉含量測定，參照《食品安全國家標準食品中淀粉的測定 GB 5009.9-2016》.

1.3.3 面團熱機械學特性測定 參照張慧娟等[11]的方法，運用Mixolab 2混合實驗儀對面團的熱機械學特性等進行研究，分析面團在加熱冷卻過程中蛋白質及淀粉的性質.設定面團的總質量為75 g，儀器根據設置好的Chopin+協議位置達到最佳稠度最大扭矩為(1.1±0.05)Nm的要求加入一定量的水.測試的初始溫度30℃，保溫8 min，再按照4 ℃/min的升溫速度達到90℃，保溫7 min，然后再以4 ℃/min的速度降溫至50℃，整個過程持續45 min，攪拌速度始終為80 r/min.

1.3.4 面團動態流變學特性測定 參照Huang等[12-13]的方法并做了適當調整，利用Mixolab 2混合實驗儀得到C1時的面團，用保鮮膜包裹好，室溫松弛15 min后取適量面團放于DHR-1流變儀平臺上，降下平板，切去多余的面團，用適量的礦物質油在面團邊緣涂抹均勻，進行密封，防止水分蒸發，并在平臺上平衡5 min，使殘余的應力松弛.先用流變儀在0.01% ～10%范圍內進行應變掃描，確定面團的線性粘彈性區域，然后再進行頻率掃描，測定頻率測試條件為：平板直徑為40 mm，間距2 mm，應力0.2%，溫度25 ℃，頻率掃描范圍0.1～20 Hz.

1.3.5 面團的糊化特性測定 參照Huang等[14]的方法，采用差示掃描量熱儀DSC 25對面團的熱性能進行研究.稱取2 mg混合粉樣品放入鋁鍋中，用蒸餾水濕潤，干燥樣品與水的比例約為1∶1.3.以5 ℃/min的速度從20 ℃加熱至140 ℃.自動計算起始糊化溫度(To)、峰值糊化溫度(Tp)、結束糊化溫度(Tc)和糊化焓(ΔH).

1.4 數據處理

采用Origin 9和SPSS 19進行數據統計分析.其中，顯著性分析采用Duncan檢驗，顯著性水平為0.05.每個樣品做3次平行試驗.

2 結果與分析

2.1 混合粉主要成分

由表1可知，小米粉中水分和蛋白質含量較小麥粉水分和蛋白質含量低，這是由于面筋蛋白的吸水率一般是淀粉的4～5倍，而小米粉中的蛋白質含量，尤其是面筋性蛋白的含量低于小麥粉，所以小米粉本身的含水量是低于小麥粉的.因此，隨著小米粉添加量從10%逐漸增加到40%，混合粉水分含量從12.26%顯著降低到11.44%，而蛋白質含量的降低不存在顯著性差異.小米粉中脂肪和淀粉含量顯著高于小麥粉(P<0.05)，會提高混合粉中脂肪和淀粉的含量，隨著小米粉添加量的增加，混合粉中脂肪含量從1.38 g/100g增大到2.07 g/100g，變化顯著，而混合粉的淀粉含量之間不存在顯著性差異.這是由于混合粉體系中脂肪含量比淀粉含量低造成的.

表1 混合粉主要成分含量

2.2 混合粉面團熱機械學特性分析

吸水率指的是揉混面團時達到最大扭矩C1(1.1±0.05 Nm)時的加水量，從表2可以看出，隨著小米粉添加量的增大，面團的吸水率顯著減小.通常，面筋性蛋白的吸水能力是淀粉的4～5倍[15]，雖然混合小米粉后蛋白含量的變化并不顯著，但是這會稀釋面筋蛋白，并且破壞了小麥粉在和面過程中形成的蛋白質-淀粉復合體，從而導致面團結合力的下降[16]，造成吸水率下降，這與杜文娟等[8]得到的隨著小米粉含量的增加，各個樣品的吸水率都呈下降趨的試驗結果相一致.面團結合力下降也可以從形成時間，即面團從開始加水到產生C1扭矩時所用的時間上得到驗證，隨著小米粉添加量的增加，在產生同樣扭矩時所用的時間顯著減小(P<0.05)，表明小米粉對面筋性蛋白的稀釋是顯著的，因此可以推斷，小米粉的添加對產品的加工性能是有明顯影響的.

面團的穩定時間反映的是面筋蛋白的耐攪拌程度，面團的穩定時間長，耐攪拌程度高[17].面團的穩定時間隨著小米粉比例的增大呈現先增大后減小趨勢，在10%添加量時最大，穩定時間增大是因為低添加量時小米粉內部某些非共價鍵的相互作用掩蓋了小米粉對面筋蛋白的稀釋作用[8]，高添加量時穩定時間隨著添加量的增加而減小，即混合粉中的面筋蛋白含量相對減少，筋力下降.與馮明會等[6]用HZF-150粉質儀測定出來的小米全粉的添加量在5%時面團的穩定時間最大，隨著添加量的繼續增大，面團的穩定時間減小的結果相似；田曉紅等[7]用不同處理(膨化)的小米粉添加結果顯示，穩定時間隨添加量增加持續下降，表明原料的差異對加工特性有明顯影響.

弱化度(C1-C2)表示的是蛋白網絡在機械力和熱作用下的弱化程度，表征面團在攪拌過程中的破壞速率，反比于面團的耐攪拌能力，面筋的強度越弱[18].因此可以看出，隨小米粉添加量從10%增加到40%過程中，弱化度下降，但是沒有呈現顯著性，面團的面筋強度降低，面團加工性能越差.面團在機械攪拌和熱力作用下反應所產生扭矩的最小值C2也證明這一點，C2表示面團在機械應力和熱應力作用下產生的扭矩，弱化度越大，說明面團抗熱應力和機械應力越弱[19]，隨著小米粉添加量的增加，C2逐漸減小，說明小米粉的添加減弱了面團的抗熱應力和機械應力.

表2 小米粉添加量對面團中蛋白質熱機械學特性的影響

綜上所述，在添加量小于10%時，面團的形成時間和穩定時間都是最大的，說明面團的筋力是最好的，而添加量大于10%時，面團的形成時間和穩定時間減小，弱化度增大，面團韌性變差，面筋強度變弱，不利加工.

粘度崩解值(C3-C4)表示淀粉熱糊的性質，值越小，淀粉耐剪切力越強，穩定性越好.回生值(C5-C4)表示淀粉冷糊的性質，值越小，表明淀粉越不易回生，反映在產品上有較長的貨架期.由表3可以看出，隨著小米粉添加量的增加，崩解值逐漸增大，回生值逐漸減小，反映出混合粉的熱糊耐剪切性能和穩定性變差，冷糊的回生性較好，表明小米淀粉對面團糊的性質影響較大，這是由于小米淀粉的加入引起淀粉熱力學特性的變化，小米淀粉顆粒容易破裂，糊冷卻時，淀粉分子之間，特別是在直鏈淀粉分子之間發生一些重聚合所帶來的粘度增加值[20]，這與小米淀粉顆粒特性、直支比、其他成分的相互影響等有關[21]，具體原因需要進一步研究.

蒸煮穩定性(C4/C3)隨著小米粉添加量的增加呈現先減小后增大的趨勢，說明隨著小米粉的添加，加工產品的穩定性越差，這與蛋白質弱化和面筋強度減弱也有關.

小米粉的添加量在10%時，降低了面團系統的蛋白質耐熱性，增加了面團中淀粉的穩定性.此外，在冷卻過程中，它導致了較低的回生水平和較高的蒸煮穩定率.

表3 小米粉添加量對面團中淀粉熱機械學特性的影響

2.3 混合粉面團糊化特性分析

混合粉形成面團后，淀粉充填在面筋網絡中間，對面團的可塑性有重要影響，因此淀粉的熱力學特性對面團的加工影響較大.由表4可知，隨著小米粉添加量從10%增大到40%，混合粉面團To、Tp和Tc逐漸增大，但始終都低于小麥粉，且相互間不存在顯著性差異.這是由于小米粉的添加改變了混合粉中淀粉、蛋白和脂肪的比列，受面團中水分和面筋含量的影響，加熱后的面筋凝膠比淀粉凝膠在面團中的結合力更強，造成淀粉在面筋的存在下獲得的水分較少，進而影響糊化溫度[22].混合粉中的蛋白質在接近淀粉糊化范圍的溫度下發生變性，使蛋白質變性的吸熱峰疊加在淀粉糊化峰上[23].試驗中只觀察到一個吸熱峰，表明這種影響確實存在.

ΔH通常受到面筋和淀粉之間的水分分布、淀粉顆粒的大小、水化速率以及不同組分之間其他可能的相互作用的影響[24].由表4可知，小麥粉ΔH高于混合粉，可能的原因是小米粉中脂肪含量較高，疏水性脂肪傾向于覆蓋淀粉顆粒，通過某種“阻斷作用”干擾水進入淀粉螺旋的能力，導致與淀粉相互作用所需的可用自由水減少[25].

表4 小米粉添加量對面團糊化特性的影響

2.4 混合粉面團動態流變學特性分析

彈性模量(G′)是儲存在物質中的或經過一個震動周期的正弦形變后所恢復的能量，代表物質的彈性本質；粘性模量(G″)是每個周期的正弦形變所消耗或損失的能量，代表的是物質的粘性本質，當材料性質類似固體，即其線性范圍內的變形是可壓縮和恢復的，那么G′>G″且tan δ<1.相對的，當材料性質類似流體或粘性系統，G″>G′且tan δ>1[26].

對比圖1A～C可以發現所有混合粉面團的G′>G″，tan δ <1，說明面團以彈性模量為主，表現出較強的固態特性.G′的增加，是淀粉鏈的自締合和與面筋蛋白的相互作用[27]以及具有凝膠作用的淀粉與谷蛋白的比例有關[28]，使得面團的彈性占據主導地位.所有面團的G′與G″隨著頻率增加而增大，表現出一種典型的弱凝膠動態流變學圖譜[29].在給定頻率下，添加小米粉面團的G′和G″均顯著高于小麥面團，且G′和G″均隨添加量的增大而顯著增大，這一方面是由于小米粉中含有較高的脂肪，G′與G″增大的原因是脂肪經脂肪氧化酶的作用生成氫過氧化物，將面團中面筋蛋白質的巰基氧化成二硫鍵，強化了面筋蛋白的三維結構[30-33]；另一方面是由于小米淀粉的粒徑和形狀變化所致[34-35].但G′的增幅遠大于G″；兩者的變化導致在給定頻率下，添加小米粉面團的tan δ小于對照面團，且添加量越大，面團的tan δ越小(圖1-C)，即小米粉添加量與面團的tan δ之間呈顯著的負相關.

從圖1-C中還可以看出，在給定頻率下，隨著小米粉添加量的增大，tan δ呈現逐漸降低的趨勢，表明混合體系中分子交聯聚合程度是升高的，粘性比例增大.同時所有面團的tan δ隨著頻率的升高均呈現增大的趨勢，混合粉面團中小米粉添加量大于30%后，隨著頻率增加，粘性比例急劇升高，表明了混合面團體系穩定性急劇下降.周劍敏等[36]研究發現添加量了香菇粉后，小麥面團的tan δ在較高頻率范圍內(>2.5 rad/s)隨著頻率的增加而增加，即黏性比例迅速增加，表明在高頻率下混合體系的結構不穩定，易被破壞.

圖1 不同添加量的小米粉混合體系中彈性模量、粘性模量和損耗角正切值隨角頻率變化關系Figure 1 The relationship between the change of elastic modulus,viscosity modulus and tangent value of loss angle with angular frequency with different millet additions

3 結論

混合粉營養成分的實驗結果表明，添加小米粉后，混合粉中蛋白質含量降低，淀粉和脂肪含量的增加是造成面團熱機械學特性和動態流變學特性變化的關鍵因素.隨著小米粉添加量的增加，混合粉面團吸水率顯著下降，面團形成時間和穩定時間縮短，弱化度增大，蒸煮穩定率減小，面筋蛋白被稀釋，面筋網絡結構弱化.但在小米粉添加量為10%時，混合面團的形成時間和穩定時間都大于其他面團，說明10%添加量可以有限改善混合粉面團的耐攪拌能力，韌性越好，面團耐醒發能力越強.DSC的結果表明小米粉的添加對混合粉面團的糊化特性影響不顯著.混合粉面團的動態流變學特性的實驗結果表明隨小米粉添加量增大，混合粉面團的彈性模量和粘性模量先增大后減小，而損耗角正切值則是減小的，混合面團體系的不穩定.