麩胚擠壓穩定化處理對面團特性的影響

劉艷香 關麗娜, 汪麗萍 譚 斌 孫 瑩 喬聰聰 張維清 田曉紅 高 琨

(國家糧食和物資儲備局科學研究院糧油加工研究所1，北京 100037)(哈爾濱商業大學旅游烹飪學院2，哈爾濱 150028)

麩胚是小麥加工副產物，主要包括麩皮和胚芽，除富含人體必需營養成分外，還含有較為豐富的膳食纖維及酚酸、阿魏酸、植酸、阿拉伯木聚糖等多種高活性天然抗氧化物質[1]。其中，膳食纖維是一種非淀粉多糖復合物，可抵抗人小腸的吸收，并在大腸內完全或部分發酵，能夠有效控制餐后血糖水平，預防和控制肥胖、Ⅱ型糖尿病和心血管疾病等代謝綜合癥[2]。阿拉伯木聚糖(AX)是一種可再生的天然半纖維素，當與酚類物質結合時具有一定的抗氧化作用，同時含有阿魏酸基團的AX表現出良好的抗氧化效果[3]。研究表明，AX具有增加面團的彈性和抗延伸性的作用，添加適量AX能達到改良面團品質的效果[4]，適量胚芽則具有增強面團筋力的作用[5]。

麩胚口感苦澀、粗糙，難以食用并含有高活性生物酶類和不飽和脂肪酸，帶菌量高，易氧化酸敗，儲藏穩定性差。同時受制粉工藝與設備的限制，麩胚麩糠味重，風味品質不佳，在食品方面未得到高值化利用。研究表明，穩定化熱處理在改變麩胚粉品質特性的同時可實現一定的滅菌效果[6，7]。擠壓是一種工業化程度較高的熱處理方式，麩胚經擠壓處理，酶類發生鈍化，有效降低麩胚的脂肪酸值，增強其產品的儲藏穩定性，同時有利于保留麩胚的生理活性組分，促進某些酚類物質的釋放，增強抗氧化活性[8]。另外，麩胚經擠壓熱處理，大部分淀粉氫鍵斷裂，淀粉發生糊化，蛋白質發生變性，脂肪發生水解，纖維結構被破壞，對面團面筋結構產生影響，進而改善了麩胚粉的加工適宜性[9]。同時，擠壓處理也能豐富谷物的香氣和風味，減少苦澀味。

目前，國內外已開展了擠壓處理對小麥麩胚或全麥粉的存儲穩定性、營養組分、生物活性等品質特性的影響研究[10，11]，而麩胚擠壓穩定化處理對面團特性的影響研究鮮有報道。本研究探討了擠壓處理對麩胚粉晶體構型的影響及不同添加量的擠壓麩胚粉(以全麥粉的添加量表征)對面團熱機械學特性、動態流變學特性、微觀結構和傅里葉紅外譜圖的影響，綜合評價麩胚擠壓穩定化處理對面團加工特性的改善效果并對其機理進行初探，為開拓擠壓穩定化麩胚粉在面制品中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

粗麩皮、細麩皮、胚芽、小麥芯粉，得率分別為 12%、13%、1%、74%。Megazyme總淀粉測定試劑盒(K-TAST 04/2009)，Megazyme直鏈淀粉測定試劑盒(K-AMYZ 07/11)。磷酸二氫鉀、碳酸氫鈉均為分析純。

1.2 儀器與設備

SLG30-IV 雙螺桿擠壓實驗機，LHC-3 型氣旋式氣流微粉碎機，D/max-r B 型X射線衍射儀，Mixolab2 混合實驗儀，AR2000EX 動態流變儀，S-300N型電鏡，XDS 型近紅外分析儀，DGG-9000 型電熱恒溫鼓風干燥箱，Rapid N exceed 杜馬斯快速定氮儀，FOSS 2050 脂肪分析儀，FOSS 1023 膳食纖維分析儀。

1.3 方法

1.3.1 麩胚粉和面團的制備

將粗麩皮、細麩皮、胚芽按比例12∶13∶1 混合制備麩胚，麩胚及小麥粉的組分如表1所示(干基計)。設置擠壓穩定化參數為：含水量17%、腔體溫度160 ℃、螺桿轉速275 r/min(經前期實驗，該條件下多酚氧化酶活力最低)。首先將其中一部分麩胚進行擠壓穩定化處理，再將未處理麩胚、穩定化麩胚經微粉碎處理后(粒徑分別為65.71、54.08 μm)，分別與麥芯粉按出粉比例復配，制備全麥粉。

面團的制備：以全麥粉的添加量表征麩胚粉的添加量。利用Mixolab混合實驗儀的和面室制備復配面團，全麥粉添加量分別為25%、50%、75%、100%，并以添加量為0%的小麥面團作對照(由小麥芯粉制得)，加水量為面團最大扭矩達到(1.10±0.05)N.m的吸水率。

表1 小麥芯粉和麩胚粉的基本組分

1.3.2 X-射線衍射測定

用X-射線衍射儀對小麥粉、擠壓前后麩胚粉進行測試得到相應的衍射圖譜，測定條件：電壓40 kV，電流40 mA，掃描2θ范圍為5°～30°，步長為0.02°，掃描速率為3(°)/min。

1.3.3 面團熱機械學特性測定

實驗條件設定按照“Chopin+”標準，面團質量默認為75 g，面團的扭矩以(1.10±0.05) N·m為標準。測試條件：初溫30 ℃保持8 min，再以4 ℃/min的速度升至90 ℃后保持7 min，再以4 ℃/min的速度降溫至50 ℃并保持5 min。測試總時間45 min，揉混速率80 r/min。由實驗可得到以下參數：1)吸水率為面團達到最大扭矩C1時所需的水的質量百分比/%；2)形成時間為面團在30 ℃達到最大扭矩所需的時間/min；3)蛋白質弱化度為30 ℃時最大扭矩C1和最小扭矩C2的差值/N·m；4)穩定時間為面團扭矩保持在1.1 N·m的時間/min；5)C2為面團形成過程最小扭矩即稠度谷值/N·m；6)C3為面團在加熱階段產生的最大扭矩即糊化黏度峰值/N·m；7)C4為面團在保溫階段產生的最大扭矩即糊化黏度谷值/N·m；8)C5為面團冷卻至50 ℃時的扭矩即回生終點值/N·m；9)回生值為C5和C4的差值/N·m。

1.3.4 面團流變學特性測定

選用Mixolab混合實驗儀制得達到最大扭矩的面團。將面團用保鮮膜包裹后室溫下放置15 min，切取約3 g的面團放置在流變儀平臺上，將探頭降至平板間隙，刮去多余面團并在周圍涂上二甲基硅油，防止測試過程中水分揮發。采用40 mm的不銹鋼平行測量系統，1 mm 平行板間距，溫度25 ℃，頻率1.0 Hz，確定應變0.5%后，再采用頻率掃描(25 ℃，0.1～40 Hz)，測定面團彈性模量(G′)、黏性模量(G″)隨角頻率變化的曲線。

1.3.5 傅里葉變換紅外光譜分析

將面團(小麥面團、麩胚面團、擠壓麩胚面團)冷凍干燥后研磨，使用近紅外光譜分析儀對面團進行光譜采集，掃描范圍400～2 650 nm，分辨率8 cm-1，掃描次數64次，波長間隔2 nm。

1.3.6 面團電鏡掃描分析

面團由Mixolab制備后進行冷凍干燥，取得凍干面團的自然斷面，用雙面膠固定在樣品臺上，使用離子濺射儀噴濺金粉300 s，用掃描電鏡加速電壓15 V，放大500倍觀察并拍照。

1.4 數據分析

所有數據均測定3次，以平均值±標準差表示，采用SPSS 23對數據進行差異顯著性分析；用Origin 2018進行繪圖分析。

2 結果與分析

2.1 X-射線衍射圖譜分析

小麥芯粉和擠壓前后麩胚粉的X-射線衍射圖譜如圖1所示，X-射線衍射參數如表2所示。小麥芯粉呈現谷物淀粉固有的A型結構。擠壓麩胚粉在2θ衍射角20°時呈現特征衍射峰，淀粉晶型結構呈現V型[12]，與未處理麩胚粉相比，結晶度下降[13]。這是由于擠壓過程中麩胚粉在高溫、高壓、高剪切力及水分散失等綜合作用下，淀粉發生糊化降解，伴隨結晶結構的改變；部分淀粉顆粒的結晶結構遭到破壞，支鏈淀粉含量降低，淀粉晶體溶解，無定型區域增加，結晶度下降[14，15]。研究表明，擠壓過程中形成的淀粉-脂類復合物可促進淀粉V型結晶的形成，阻礙直鏈淀粉重排(老化)，降低淀粉的回生值，減緩短期內的老化速度[16]，有利于提升面團品質。

圖1 小麥芯粉、麩胚粉的X射線衍射圖譜

表2 小麥芯粉、麩胚粉的X射線衍射參數

2.2 面團熱機械學特性分析

不同添加量的全麥粉對面團熱機械學特性的影響，結果如表3所示。與對照組相比，隨著麩胚粉添加量的增加，面團的吸水率逐漸增加，這與Penella等[17]的研究結果相一致，這是由于麩胚富含膳食纖維，存在大量羥基引起麩胚與水分子之間的作用增強[18]；麩胚粉經擠壓處理，維持膳食纖維束狀的氫鍵遭到破壞，羥基暴露出來，導致不溶性膳食纖維轉變為可溶性膳食纖維，使面團吸水率增加[19，20]。隨著麩胚添加量的增加，面團的形成時間呈先增加后縮減的趨勢。其中，全麥粉添加量50%時，擠壓麩胚面團的形成時間最長，較小麥面團提高了13.04%。麩胚粉的加入使面團蛋白質弱化度增加，面筋強度變弱，同一添加量時(75%除外)，擠壓麩胚面團的蛋白質弱化度較未處理麩胚面團低，可在一定程度上維持面團的面筋網絡結構。添加麩胚粉后面團的穩定時間呈先減少后增加的趨勢，其中，全麥粉添加量25%時，未處理麩胚面團的穩定時間最低，添加量75%時，擠壓麩胚面團的穩定時間最低，表明此時面團的耐攪拌程度低，面團質量差。

由表3可知，隨著麩胚粉添加量的增加，稠度谷值呈先降低后增加的趨勢。原因是麩胚中含有還原劑，如谷胱甘肽可將面團中的二硫鍵還原成巰基，降低面團的強度和穩定時間[21]；隨著擠壓麩胚粉添加量的增加，面團中阿拉伯木聚糖溶出量增加，與面筋蛋白發生交聯反應，形成穩定的凝膠結構[22]，可增強面團的耐機械力，因此在全麥粉添加量大于75%時，擠壓麩胚面團的耐機械力穩定性增強。面團的糊化黏度峰值和糊化黏度谷值呈先增加后降低的趨勢，其中全麥粉添加量25%時面團的糊化黏度最高，這是由于少量戊聚糖吸水后增強了面團的糊化黏度，而脂質、淀粉和蛋白質的交聯作用較弱，對淀粉的糊化作用影響較小[23]；添加量大于25%時，麩胚粉中蛋白質、脂質和多糖等成分阻礙淀粉顆粒吸水膨脹，導致糊化黏度降低，同時高含量脂類和蛋白質可與淀粉形成聚合物，阻礙糊化過程[24，25]。同一添加量時，擠壓麩胚面團的糊化黏度峰值較未處理麩胚面團低，可能是在擠壓過程中，淀粉顆粒結構破裂，淀粉發生糊化，導致吸水膨脹后相互間摩擦力變小，同時高剪切作用使淀粉發生部分降解[26]。隨著全麥粉

表3 添加麩胚粉對面團熱機械學特性的影響

添加量的增加，面團回生值不斷降低，且擠壓麩胚面團的回生值更低，該結論與Liu等[16]研究結果一致。淀粉擠壓過程中形成的淀粉-脂類復合物阻礙直鏈淀粉重排；當擠壓麩胚粉添加量較高時，體系中完整的淀粉顆粒相對減少，吸水膨脹能力和脫水收縮能力均較弱[27]，一定程度上延緩了面團老化。

2.3 面團流變學特性分析

由圖2可知，麩胚粉的加入引起面團的G′、G″增加，且隨掃描頻率的升高而增加；與對照組相比，當頻率低于24 Hz，全麥粉(添加未處理麩胚粉)的添加量引起面團G′、G″增幅較大的順序依次為100%>75%>25%>50%，在頻率高于24 Hz時，添加量50%的面團G′、G″逐漸升高，其中G′增幅高于添加量100%、75%，達最大值。這是因為添加少量麩胚粉少量的膳食纖維可通過吸水膨脹增強黏合性改善面團的網絡結構，增強面團的抗變形阻力；當全麥粉添加量大于50%時，很大程度上稀釋了面團的面筋蛋白，引起面團彈性變差；此外還可能與面團的吸水率有關，根據Mixolab實驗結果分析，面團形成時吸水率隨著麩胚添加量的增加而增大，在相同含水量條件下，麩胚粉添加量高的面團其網絡結構的形成受到水分的限制，面團強度下降。由圖2a可知，麩胚粉經擠壓處理，在頻率低于30 Hz時，面團的G′隨麩胚添加量的增加而增加；頻率高于30 Hz時，使面團的G′增幅較大的全麥粉添加量依次為100%>50%>75%>25%。添加量大于25%時，擠壓麩胚面團的G′高于未處理麩胚面團。這是由于麩胚粉經擠壓處理，淀粉發生糊化，吸水后凝膠強度增強，在面團形成過程中與面筋蛋白發生交聯反應，形成較為穩定的凝膠結構，引起蛋白聚合物的相對分子質量增加，導致面團的彈性增強。這與已有的研究結論相一致，蛋白質聚合物的相對分子質量特性是影響彈性模量的主要因素[28]。另外Zeitoun等[29]研究發現擠壓可增加木質素的釋放率，由木質素、纖維素及木聚糖形成的木質素-纖維素-木聚糖交聯復合物起到一定抗壓作用，可維持面團的彈性。由圖2b可知，當頻率高于24 Hz時，全麥粉(添加擠壓麩胚粉)添加量為50%時，面團的G″逐漸增加并大于添加量75%和100%的面團的G″。當添加量大于25%，擠壓麩胚面團的G″高于未處理麩胚面團，這是由于在擠壓穩定化處理后，麩胚粉中大量脂類被破壞，弱化了非極性脂與面筋蛋白的結合，從而有利于面筋的形成，面團強度提高，黏彈性增加。

圖2 添加麩胚粉對面團流變學特性的影響

2.4 面團傅里葉變換紅外譜圖分析

為進一步解釋添加擠壓麩胚粉對面團特性的影響機制，對面團的官能團類型和吸收峰強弱進行測定，結果如圖3所示。面團在3 400、2 950、1 650、1 050 cm-1處具有位置相同的吸收峰，但峰強度存在差異。與小麥面團相比，添加麩胚粉的面團在波長2 375 cm-1處出現新的吸收峰，其歸屬于炔烴(C≡C)的伸縮振動，且同一添加量時，擠壓麩胚面團較未處理麩胚面團的C≡C吸收峰強度大，并隨添加量的增加而增大。波長在3 400 cm-1處屬于纖維素和半纖維素的O—H伸縮振動，當全麥粉添加量大于25%時，擠壓麩胚面團中特征峰強度略高于未處理麩胚面團，原因是擠壓過程中半纖維素發生了降解，使羥基暴露出來，引起峰強度增加[30]。波長在2 950 cm-1處的吸收峰反映了脂類物質的甲基(C—H)伸縮振動，麩胚粉的添加對面團C—H鍵吸收峰強度影響較小，當全麥粉添加量100%時，峰強度略有降低。波長在1 650 cm-1處歸屬于酰胺Ⅱ帶N—H的彎曲振動，小麥面團中N—H鍵的吸收峰較強，在全麥粉添加量25%時吸收峰增大，可能由于少量麩胚粉的加入可增加?；荏w數量，引起面筋蛋白中?；磻鏊賉31]；隨著麩胚粉添加量的增加，面團中面筋蛋白逐漸減少，?；磻獪p弱，使得峰強度逐漸減??；且同一添加量時，擠壓麩胚面團的N—H鍵吸收峰較弱，這是由于擠壓使麩胚中蛋白質發生降解和不可逆變性，在一定程度上抑制了?；磻猍32]。在波長1 050 cm-1附近的吸收峰，代表木聚糖的特征吸收峰，擠壓處理對該特征峰影響較小，可能由于麩胚粉在擠壓過程中，經高溫、高壓、高剪切作用，釋放出阿魏酸等酚酸物質，以及與阿魏酸結合的戊聚糖，戊聚糖又進一步與蛋白質結合形成了更強的面筋網絡結構[33]，因此總的吸收峰強度變化不大。

圖3 面團的傅里葉紅外光譜圖

2.5 面團微觀結構分析

由圖4a可以看出，小麥面團面筋網絡呈蜂窩狀，連續的面筋網絡結構包裹著淀粉顆粒。加入25%全麥粉(添加未處理麩胚粉)后(圖4b)，連續的面筋網絡發生斷裂，包裹膨脹淀粉的能力減弱；添加量100%時(圖4h)，面團呈分散狀，無網絡結構，淀粉顆粒均勻分散、無交聯。這是由于麩胚粉的加入稀釋了混粉中面筋蛋白，難以形成連續的面筋網絡；當添加量過高時，非極性脂與面筋蛋白結合，弱化了面團面筋網絡；此外麩皮中的膳食纖維和阿拉伯木聚糖凝膠與小麥面筋蛋白之間產生競爭性吸水現象，導致面團水分的再分配，引起面筋部分脫水，進而改變面筋的構象[34]。全麥粉(添加擠壓麩胚粉)添加量為25%時，面團的網絡結構蜂窩較大(圖4c)，添加量繼續增加，面團的網絡結構發生破裂(圖4e)，形成面團網絡結構的醇溶蛋白、谷蛋白含量降低(圖4i)，面筋蛋白變得松散。在同一添加量時，擠壓麩胚面團形成的交聯結構更佳，這是由于擠壓麩胚粉中預糊化淀粉具有較強的交聯性和凝膠特性，淀粉吸水形成凝膠，與蛋白發生交聯，增強了面團的網絡結構，賦予面團良好的黏彈性[35]。

圖4 添加麩胚粉對面團微觀結構的影響(×500)

3 結論