天然菊粉對小麥粉面筋集聚和面團特性的影響

李金河，張 霞，母夢羽，賈 峰，王 琦，陳 迪，梁 贏，王金水

河南工業大學 生物工程學院， 河南 鄭州 450001

菊粉(Inulin) 是一類水溶性直鏈膳食纖維多糖[1-2]，往往具有不同的聚合度，有長鏈菊粉和短鏈菊粉之分。從菊苣類植物中提取的菊粉因同時含有短鏈和長鏈，被稱為天然菊粉[3]。與其他植物中的膳食纖維相比，菊粉在持水性、凝膠性、流變性等性質上均表現出顯著差異[4-5]。近年來，菊粉在食品領域中的應用被越來越多的科研人員所關注，特別是其在面制食品中的應用研究不斷增加[6-11]，但研究方向主要集中在低、高筋粉面制品及烘焙制品方面。有研究指出，短鏈菊粉能增強面筋網絡的力學性能，提高軟面團的抗混性和持氣能力[5]。Peressini等[12]和Hager等[13]指出添加短鏈菊粉能夠顯著增加面包的體積；范文靜等[14]研究發現當菊粉添加量為6%時，面包的綜合品質指標達到了最佳狀態，但其并未說明菊粉的類型。Luo等[15]指出，菊粉的添加能夠降低面團的吸水率，增加面團的發育時間、穩定性和粉質品質，且當菊粉添加量小于或等于5%時，饅頭的質量得到了顯著改善。

目前，關于天然菊粉對小麥粉中面筋的集聚特性、面團質構及微觀結構方面的研究尚不清楚，因此，作者通過添加不同比例的天然菊粉，分析了其對小麥粉面筋聚集特性、面團質構特性、面團微觀結構的影響，為天然菊粉作為面制品品質改良劑的應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

小麥粉為特制一等，蛋白質含量為9.5%，水分含量為12%，灰分含量為5.5%；天然菊粉(來源于菊苣)購買自普西唐試劑公司，純度為90.5%。

1.2 主要儀器與設備

BSA223S型電子分析天平: 賽多利斯(SARTORIUS)；DHG-9240型電熱恒溫鼓風干燥箱：蘇州科思洛(KOZILO)有限公司；面筋聚集儀:德國Brabender公司；TA-XT Plus型質構儀：上海瑞玢智能科技有限公司；CryoStar NX50 型冷凍切片機：德國SLEE器械；Olympus Fluoview FV30000激光掃描共聚焦顯微鏡：OLYMPUS(北京)銷售有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 面粉-菊粉復合粉及其面團的制備

分別按0、1、2、3、4、5 g/100 g的比例添加天然菊粉，部分替代小麥粉以制備復合粉，并將其混合20 min以確?；旌暇鶆?。將混合均勻的面粉-菊粉復合粉樣品根據Liu等[16]所述的方法并稍做修改制備新鮮面團。將5 g復合粉與2.5 mL的純凈水混合5 min，新鮮制備的面團用于面團特性的測定。

1.3.2 復合粉水分含量的測定

參照GB 5009.3—2016的方法。

1.3.3 復合粉面筋聚集特性的測定

依據文獻[17-19]，使用面筋聚集儀檢測復合粉中面筋聚集特性的變化，反映天然菊粉對小麥粉品質產生的影響。并采用下列指標對樣品品質進行評價：峰值最大時間、最大扭矩、聚集能(最大扭矩前15 s和最大扭矩后15 s與曲線圍成的面積)、最大扭矩120 s后扭矩減小量、吸水率。

1.3.4 面團質構特性的測定

參考Liu等[16]和Angioloni等[20]的方法并作適當修改。利用TA-XT Plus型質構儀通過2次恒定的壓縮循環分析測定面團的組織特性，2次壓縮循環之間保持10 s。將新鮮面團制成固定形狀，平衡5 min后置于質構儀測試平臺上，選擇texture profile analysis(TPA)模式，使用P-50探頭,并設置啟動速度為1 mm/s，測試前速度和測試后速度均為2 mm/s，測試距離為10 mm。為避免黏著性負峰值的干擾，采用2次分別測定面團的黏著性和其他質構特性，第1次將塑料膜置于面團表面以忽略面團的黏度，第2次在沒有塑料薄膜的情況下運行，統計時將2次數據綜合處理[21]。

1.3.5 面團的激光掃描共聚焦顯微鏡分析

參考文獻[22-24]中的研究方法，并進行修改。首先，將新鮮的面團樣本冷凍，取其芯部用低溫切片機切成厚10 mm的切片，然后，將其轉移到顯微鏡載玻片上。并用含有2×10-4mg/mL異硫氰酸熒光素(FITC)和3.2×10-4mg/mL羅丹明B的甲醇溶液避光染色5 min。載玻片上的多余染料用去離子水沖洗干凈并晾干。分別設置488 nm和543 nm為2種染料的激發波長，在激光掃描共聚焦顯微鏡(CLSM)下觀察切片，并用1 024×1 024像素分辨率的數字圖像記錄面筋和淀粉的結構。

1.4 數據處理

所有試驗均進行至少3次重復，面團的質構特性至少進行6次重復，使用Origin 9.0和SAS 9.0對試驗數據進行統計學處理和顯著性分析。

2 結果與討論

2.1 天然菊粉添加量對小麥粉面筋聚集特性的影響

天然菊粉處理后復合粉的面筋聚集特性曲線隨著面筋網絡結構的快速形成而急劇升高，在機械力的進一步作用下，面筋網絡被破壞，扭矩曲線逐漸下降[25]。通常情況下峰值最大時間與蛋白質和面筋含量呈負相關，反映谷蛋白聚集動力學指標，而最大扭矩和聚集能與蛋白質和濕面筋含量呈正相關，反映小麥面筋網絡強度指標[17-18]。面筋聚集特性顯示(表1):隨著天然菊粉添加量的增加，面筋形成時間不斷延長，表現為峰值最大時間由136.3 s顯著增加到了252.0 s，分析其原因可能是菊粉的添加增加了水的稠度，減弱了面筋蛋白與水之間的相互作用，延遲了面筋蛋白結構網絡的形成；隨著天然菊粉添加量的增加，最大扭矩和聚集能分別由38.0 GPU和960.6 GPI減小到了32.0 GPU和833.7 GPI，但是最大扭矩120 s后扭矩減小量卻無顯著性差異，反映出在快速的測定過程中，天然菊粉的添加弱化了面筋的聚集能力，但也對面筋結構維持相對穩定起到了促進作用，可能的原因是天然菊粉與蛋白質之間存在對水的競爭，并以此弱化了面筋蛋白網絡結構的形成，但面粉中的面筋蛋白和天然菊粉之間存在的氫鍵和疏水作用又阻礙了面筋蛋白網絡結構在進一步機械作用下的破壞過程[9,26]；面粉的吸水率與天然菊粉添加量呈負相關，分析其原因可能是添加的菊粉在淀粉粒周圍形成阻礙，阻礙了淀粉粒對水的吸收[11]。

2.2 天然菊粉添加量對面團質構特性的影響

復合粉面團的質構特性見表2。天然菊粉對面團硬度、黏著性、膠黏性、內聚性和咀嚼性均有顯著性影響。其中面團的咀嚼性和硬度與天然菊粉的含量呈負相關，彈性無顯著性差異，但也表現出升高的趨勢，說明加入適量的天然菊粉能夠提高面團的彈性，改善面團的咀嚼性，并且弱化其硬度，使面制品品質變得柔軟，這可能是因為天然菊粉的添加，使面團中弱結合水向緊密結合水和自由流動水方向遷移造成的[27]。面團的內聚性和回復性均表現出增加的趨勢，但只有天然菊粉添加量在5 g/100 g時內聚性才具有顯著性差異，這是因為當天然菊粉少量添加時，膳食纖維會填充于面筋網絡結構中，進而使面團的彈性和內聚性適度增大或保持不變[28]。面團的黏度主要受面筋的影響，面團的黏著性、膠黏性也顯著下降，可能是因為天然菊粉的添加稀釋了蛋白分子，并與面筋蛋白相互作用影響了面筋的形成。

表1 天然菊粉添加量對面筋聚集特性的影響

表2 天然菊粉添加量對面團質構特性的影響

注：圖中G代表氣泡室; S代表淀粉; P代表蛋白質；圖中的比例尺為40 μm。

2.3 天然菊粉添加量對面團微觀結構的影響

天然菊粉對面團面筋網絡結構的影響見圖1。FITC將淀粉染成綠色，羅丹明B將蛋白質組分染成紅色，圖1中較暗的區域為氣泡室。隨著天然菊粉的添加，氣泡室的大小有微量增加，但有研究發現，強面團比弱面團能吸收更多的氣體，與弱面團相比，它能拉伸到更大的體積[29]，因此，可以認為天然菊粉的少量添加能使面團得到一定程度的強化。小麥粉面團的蛋白質形成了一個具有嵌入淀粉顆粒和空隙簇的網絡結構，且粗糙具有不均勻的可見淀粉顆粒(圖1a)。當天然菊粉添加量為1 g/100 g和2g/100 g時，該結構并未發生明顯的變化(圖1b、c)；當天然菊粉添加量為3 g/100 g或更高時，面團網絡結構中淀粉顆粒與蛋白質之間發生了更加復雜的變化，淀粉顆粒與面筋蛋白之間的體系變得越來越緊密(圖1d—f)。顯然是因為天然菊粉參與到了該結構網絡的形成過程并發揮了作用，才導致了面筋蛋白網絡更加致密(圖1f)，更多的淀粉顆粒被包裹在了面筋網絡結構當中?？赡艿慕忉屖翘烊痪辗鄣拇嬖?，不僅能通過氫鍵和疏水作用與面筋蛋白發生結合[3]，也會與淀粉發生相互作用，從而在面團形成過程中使淀粉與蛋白質的相互作用得到強化。

3 結論

天然菊粉與小麥粉的混合體系中天然菊粉的添加量與峰值最大時間呈顯著的正相關，與聚集能和吸水率呈負相關。在本試驗研究范圍內，最大扭矩120 s后扭矩減小量無顯著性變化。以上結果反映了面筋形成時間不斷延長，聚集能力弱化，但是面筋網絡結構卻維持了相對穩定，這可能是因為天然菊粉與蛋白質之間對水的競爭使其面筋結構形成受阻，而中長鏈菊粉又通過氫鍵和疏水作用與面筋蛋白結合，阻礙了面筋蛋白網絡結構在進一步的機械作用下的破壞過程。另外，面團的質構特性分析結果表明，隨著混合體系中天然菊粉含量的增加，面團的咀嚼性和硬度逐漸降低，黏著性和膠黏性也顯著性下降，內聚性增加，彈性和回復性呈現出升高的趨勢，且分別在天然菊粉添加量為4 g/100 g和3 g/100 g時有最大值，可能的原因是天然菊粉改變了面團中的水分分布，改善了面團的內部結構，提升了面制品的品質。面團的微觀結構顯示，隨著天然菊粉添加量的增加，面筋蛋白的結構網絡變得致密?？赡苁翘烊痪辗叟c面筋蛋白分子之間能夠通過氫鍵和疏水作用相結合，且對蛋白質與淀粉顆粒之間的關系有強化作用，導致淀粉和蛋白質之間的體系變得更加緊密。