面團發酵和面包焙烤過程中小麥淀粉理化和結構特性變化

陳金鳳,李敏,崔彥利,張盛貴,3*

1(甘肅農業大學 食品科學與工程學院,甘肅 蘭州,730070)2(甘肅農業大學 理學院,甘肅 蘭州,730070) 3(省部共建干旱生境作物學國家重點實驗室,甘肅 蘭州,730070)

淀粉是小麥粉重要的組成成分,在以小麥粉為原料的面制品加工過程中,淀粉的結構、顆粒大小和晶形等會通過不同途徑、不同作用及不同層面對面制品品質發揮重要作用[1-2]。面包是一種常見的經過發酵和焙烤加工的面制品。在面包的加工過程中,淀粉是決定小麥粉糊化和回生特性的重要組分,因此淀粉會影響面包產品的最終品質尤其是質地[3]。關于淀粉在面包加工的發酵過程中發生的變化目前已有初步研究。ZHAO等[4]研究發現發酵處理會使小麥淀粉顆粒表面受到侵蝕,小麥淀粉的無定形區所占比例降低、相對結晶度升高。此外與原淀粉相比,經發酵處理的淀粉具有較低的峰值黏度和回生值,表明發酵可以有效地改變小麥淀粉的性質,具有提高淀粉基食品最終品質的潛能。衛娟等[5]研究淀粉顆粒在酸面團發酵中的性質變化,發現隨著發酵時間延長,大的A-淀粉顆粒出現被侵蝕的痕跡,且侵蝕的嚴重程度與發酵時間呈正相關,發酵處理會顯著降低淀粉的溶解度,但不改變淀粉的晶型。焙烤是面包加工的另一重要環節,淀粉在焙烤過程中發生的變化主要是因糊化而引發的結構改變,包括直鏈淀粉從晶束中擴散出來、支鏈淀粉結構伸展等。LI等[6]研究表明經焙烤后板栗總淀粉含量由71.08%顯著降低至61.25%,主要是由于焙烤過程中的高溫處理使得淀粉降解[7]。王苗苗等[8]研究表明焙烤處理使得蕓豆淀粉的結晶結構被破壞,淀粉結晶度降低,同時糊化溫度和糊化焓值顯著降低。袁嘉渝等[9]研究表明焙烤處理不會改變淀粉晶體的類型,但會略微降低淀粉的相對結晶度。此外,還有研究表明焙烤條件會影響面制品中淀粉的消化特性[10]。童大鵬等[11]研究發現焙烤條件會影響茶多酚的生成,進而影響紅茶面包中淀粉的消化速率,由此表明焙烤條件是開發低血糖生成指數焙烤食品的關鍵因素。

綜上所述,我們對淀粉在面包加工過程中發生的變化已經有了初步了解,但目前針對面包加工過程中不同時段的淀粉理化和結構特性變化及該變化如何影響面包品質的系統研究還相對較少。因此,本研究以甘肅清水蘭天45高筋小麥粉為原材料加工面包,針對發酵和焙烤兩大關鍵環節不同時段提取小麥淀粉,并分析其理化特性和結構特性,進一步明確引起面包品質變化的淀粉結構與性能參數,以期為面包品質的提升提供理論參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥粉(蘭天45,產自甘肅省清水縣)、食鹽(食品級)、安琪酵母、雞蛋、綿白糖均購自超市。

1.2 儀器與設備

Mixolab2混合實驗儀,法國肖邦公司;MJ-II面筋數量和質量測定儀,杭州大成光電儀器有限公司;SCIENTZ-ND冷凍干燥機,寧波新芝生物科技股份有限公司;JSM-6701F冷場發射型掃描電鏡,日本電子光學公司;X’Pert PRO多晶粉末X射線衍射,PANalytical公司;NEXUS 670傅里葉紅外光譜儀,美國Thermo Fisher科技公司;Bettersize 2600激光粒度分析儀,丹東百特儀器有限公司;TGA 50熱重分析儀,美國TA儀器公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 小麥粉基本成分和粉質特性測定

在小麥粉基本成分測定中,水分、粗蛋白分別參照GB/T 5009.3—2016和GB 5009.5—2016測定;面筋質量和數量參照GB/T 5506.2—2008《小麥和小麥粉 面筋含量 第2部分:儀器法測定濕面筋》測定;淀粉利用試劑盒直接測定。小麥粉粉質特性參考法國肖邦公司的混合實驗儀標準實驗方法測定。

1.3.2 面包的制作

面包的制作參照桑尚源[12]方法并略作修改。稱取鹽0.6 g,綿白糖5.0 g,雞蛋20 g,加入50 g小麥粉中,將其攪拌均勻;再稱取0.75 g酵母加入20 mL水中溶解,將溶解好的酵母水加入到攪拌后的小麥粉絮中再次攪拌均勻后進行和面,面團揉搓至可拉出薄膜即可;將和好的面團搓圓成型,放置面包發酵箱中進行醒發90 min,再放入烤箱焙烤15 min,最后進行冷卻得到面包成品。

1.3.3 小麥淀粉理化特性測定及結構表征

1.3.3.1 淀粉的提取

參考VERWIMP等[13]方法提取淀粉。分別將發酵(fermentation,F)0、30、60、90 min的面團及焙烤(broil,B)3、6、9 min的面包切成2 cm長的小塊,置-80 ℃冰箱預凍24 h,置于冷凍干燥機中進行冷凍干燥,經粉碎得到不同焙烤階段的小麥粉樣品。分別稱取20 g小麥粉懸于140 mL NaOH溶液(2.5 g/L)中,于磁力攪拌1 h后離心10 min(5 000×g),棄去上清液并刮去上層黃色物質得到乳白色沉淀,反復沖洗沉淀5～6次后用HCl溶液(1.0 mol/L)調節懸浮液pH至中性,過300目篩,將篩下物離心,刮取沉淀放入培養皿中于40 ℃干燥,收集淀粉樣品,取小麥粉原樣進行相同處理得到小麥淀粉(original starch,OS)。

1.3.3.2 淀粉掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)觀察

將少量的樣品粘在樣品座上,采用離子濺射儀噴金60 s。用掃描電子顯微鏡在3 000倍下觀察樣品的表觀形態。

1.3.3.3 淀粉X射線衍射光譜(X-ray diffraction,XRD)測定

采用X射線衍射儀對樣品的結晶結構進行測定。檢測條件:電壓40 kV;掃描范圍10°～40°(2θ,最小衍射角);掃描速度2°/min;掃描步長:0.06°;方式為連續掃描。

1.3.3.4 淀粉紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy,FT-IR)測定

使用傅里葉紅外光譜儀對樣品進行4 000～500 cm-1的光譜掃描。

1.3.3.5 淀粉顆粒粒徑分布測定

采用激光粒度分布儀對樣品粒徑分布進行檢測。以蒸餾水為分散介質,取少量樣品分散于其中,以獲得適當的遮光度,待樣品充分均勻分散后,進行粒度測定,粒度表示為平均體積徑D[4,3]。

1.3.3.6 淀粉熱重(thermo-gravimetric analysis,TGA)測定

參照WEN等[14]方法測定淀粉的熱特性。準確稱取8 mg樣品于托盤中,將儀器的升溫過程初始溫度設為25 ℃,升溫速率為10 ℃/min,結束溫度為500 ℃,用氮氣作為保護氣,記錄樣品的熱重曲線(TGA曲線)。

1.4 數據分析

運用Origin 8.0作圖,運用SPSS 26.0中Duncan檢驗進行方差分析,P<0.05表示差異顯著。所有測定重復3次。

2 結果與分析

2.1 小麥粉基本成分和粉質特性分析

小麥粉的基本成分會受到種植區域,種植季節等環境因素的影響[15]。面制品加工過程中淀粉的特性強烈地依賴于水分含量,水分通過不同程度地誘導淀粉顆粒的無定形和晶態變化,促進其顆粒溶脹、黏度、消化率的變化等[16]。表1為本試驗所使用的甘肅清水蘭天45小麥粉的基本成分的含量分析,研究表明小麥淀粉含量通常約占小麥粉的70%～80%[17],本試驗所選小麥粉的總淀粉含量為72.06%(質量分數)。蛋白質、濕面筋含量和面筋指數分別為13.75%(質量分數)、49.50%(質量分數)和50.56%,表明試驗選取的甘肅清水蘭天45小麥粉屬于高筋粉,符合面包加工小麥粉對蛋白質含量的要求。小麥粉的粉質特性是衡量小麥面團柔韌性和黏彈性的重要指標。小麥粉的粉質特性能夠體現面團在加工過程中的操作性,對于面制品品質的預測具有重要意義。由表1可以看出本文所選蘭天45小麥粉的形成時間和穩定時間分別為3.4 min和3.57 min。

表1 小麥粉基本成分和粉質特性分析Table 1 Analysis of basic components and silty properties of wheat flour

2.2 淀粉結構特性分析

2.2.1 淀粉SEM分析

圖1為小麥淀粉和面團發酵過程及焙烤過程中所提淀粉樣品的微觀結構圖。由圖1-a可以看出小麥粉所提取的淀粉形態完整,呈圓形或橢圓形,表面光滑;面團發酵過程中淀粉顆粒結構與小麥粉中所提淀粉的結構相似(圖1-b、圖1-e),這是由于淀粉顆粒對水分的擴散和吸收使得淀粉顆粒膨脹,但這一過程是可逆的,已膨脹的淀粉顆粒在干燥后會恢復它們原來的形態[18]。發酵過程中淀粉顆粒發生了輕微的腐蝕現象,這是由于發酵過程中淀粉酶作用于淀粉使其發生淀粉鏈的水解所引起的。焙烤過程中淀粉顆粒逐漸遭到破壞,且隨著焙烤時間延長,淀粉顆粒結構破壞越嚴重,并且淀粉顆粒之間相互黏著在一起,逐漸形成片狀結構(圖1-f、圖1-h),這是由于含有一定水分的淀粉顆粒隨著高溫和加熱時間延長淀粉逐漸糊化所導致。這與崔文雪[19]研究芋粉在蒸煮過程中淀粉吸水后熱處理過程會使其淀粉顆粒破碎結果一致。

a-小麥淀粉;b-面團發酵0 min;c-面團發酵30 min;d-面團發酵60 min;e-面團發酵90 min;f-面包焙烤3 min;g-面包焙烤6 min;h-面包焙烤9 min圖1 不同淀粉樣品的SEM圖Fig.1 SEM images of different starch samples

2.2.2 淀粉XRD分析

圖2為小麥淀粉和不同發酵過程及面包焙烤過程中所提淀粉的X射線衍射圖譜。由圖2-a可知,小麥淀粉在2θ=15°、17°、18°、23°附近處有較強的衍射峰,呈現典型的A型晶體結構[20],衍射圖中2θ=20°的峰為脂質復合物的衍射峰。發酵過程中淀粉的衍射峰與小麥淀粉類似(如圖2-b～圖2-e),表明發酵過程不改變淀粉結晶類型,這是由于面團醒發是面筋網絡充分形成的過程,且水分分子與淀粉分子相互結合的過程,該過程不會影響淀粉的結晶類型[5],但該過程使淀粉的結晶度發生改變(表2),小麥淀粉的相對結晶度為39.77%,發酵后上升至47.85%,這與LU等[21]發現發酵處理能夠使得米粉淀粉結晶度增大的結果類似,是由于發酵過程中酵母菌會作用于淀粉的無定型區域,造成非結晶區的破壞,但由于淀粉分子結晶區內糖構象的固定化及淀粉鏈的緊密結合使H3O+不容易滲透到淀粉結晶區[21],導致淀粉分子相對結晶度的計算結果增大。發酵過程中淀粉在2θ=23°處的衍射信號逐漸增強,表明淀粉分子中支鏈淀粉含量明顯增加[22],這可能是由于發酵過程中淀粉與水結合后部分分子重排造成的。焙烤過程中隨著焙烤時間的延長,淀粉結晶度逐漸降低且最終消失(圖2-g、圖2-h),這是由于淀粉吸水后受熱,結構逐漸開始糊化,晶體融化,顆粒失去分子順序、結構和雙折射特性,淀粉同時發生溶解[23]。

a-小麥淀粉;b-面團發酵0 min;c-面團發酵30 min;d-面團發酵60 min;e-面團發酵90 min;f-面包焙烤3 min;g-面包焙烤6 min;h-面包焙烤9 min圖2 不同淀粉樣品的XRD衍射圖Fig.2 XRD spectra of different starch samples

表2 不同淀粉樣品的相對結晶度、有序度及雙螺旋度分析Table 2 Analysis of relative crystallinity, order degree, and double helicity of different starch samples

2.2.3 淀粉FT-IR分析

圖3為小麥淀粉和不同發酵過程及面包焙烤過程中所提淀粉的紅外光譜圖。面團發酵淀粉樣品(圖3-b～圖3-e)和面包焙烤淀粉樣品(圖3-f～圖3-h)的紅外光譜圖與小麥淀粉相似。淀粉紅外譜圖中1 022 cm-1處通?？捎脕矸从车矸蹮o定形區的信號強度;1 047 cm-1為淀粉有序結晶區的信號強度,995 cm-1處吸收峰對應羥基的彎曲振動,研究表明可用R1047/1022和R1022/995來量化淀粉分子內部的有序度和雙螺旋度變化[24]。整個面包加工過程中淀粉沒有產生新的官能團,但淀粉分子的有序度和雙螺旋度均發生了改變(表2)。這與SU等[25]研究發現熱處理不改變小麥淀粉分子官能團的結果一致。淀粉分子的有序度和雙螺旋度在面包加工的發酵階段有所增大,在焙烤階段隨時間的延長逐漸降低,這是由于淀粉分子在發酵過程中分子發生了重新排列引起的[22]。

a-小麥淀粉;b-面團發酵0 min;c-面團發酵30 min;d-面團發酵60 min;e-面團發酵90 min;f-面包焙烤3 min;g-面包焙烤6 min;h-面包焙烤9 min圖3 不同淀粉樣品的紅外光譜圖Fig.3 FT-IR spectra of different starch samples

2.2.4 淀粉顆粒粒徑分析

根據尺寸大小可將淀粉顆粒分為三類:>15.5 μm為A型顆粒、5.5～15.5 μm為B型顆粒、<5.5 μm為C型顆粒[26]。在粒徑分析中通常采用平均體積徑D[4,3]來反應樣品顆粒的尺寸大小,跨度值表示樣品的顆粒尺寸均勻性。如表3所示,面包加工過程中所提淀粉樣品均為A型顆粒。在面團發酵過程中淀粉的D[4,3]值較小麥淀粉OS變化趨勢較小,由16.80 μm 增大至17.80 μm隨后再減小至16.49 μm,這可能是由于面團制備初期淀粉分子吸水略微膨脹,而后隨著發酵時間的延長,淀粉分子發生降解,顆粒尺寸有所減小[27]。淀粉在發酵過程中的跨度值隨發酵時間延長先減小后增大,與平均體積徑變化趨勢具有一定的關聯性。焙烤過程中的淀粉D[4,3]值隨焙烤時間的延長由16.49 μm顯著增大至22.63 μm,這是由于隨焙烤時間的延長,含有一定水分的顆粒逐漸糊化,淀粉顆粒結構嚴重破壞,顆粒之間相互黏連逐漸形成片狀結構,且隨淀粉逐漸糊化跨度值顯著降低,該結果與顆粒形態的SEM觀察結果相互印證。

表3 不同淀粉樣品的粒徑分析Table 3 Particle size analysis of different starch samples

2.2.5 淀粉TGA分析

淀粉樣品的熱力學特性曲線如圖4所示,不同淀粉的質量損失均包括水分蒸發(50～120 ℃)、淀粉熱分解(250～350 ℃)和碳積累(>350 ℃)3個階段[28-29]。由圖4可知,發酵面團不同時段所提取的淀粉質量損失和小麥淀粉接近,而面包焙烤不同時段提取淀粉的質量損失低于小麥淀粉,說明面包焙烤過程淀粉的熱穩定性增加。

圖4 不同淀粉樣品的熱穩定性Fig.4 Thermal stability of different starch samples

3 結論

本文采用堿法提取面包加工過程中不同時段的小麥淀粉,探究發酵和焙烤環節淀粉理化和結構特性發生的變化。結果表明,面團發酵不同時段的淀粉與小麥淀粉顆粒形態和結晶類型無明顯差異,但發酵過程淀粉分子的有序度、相對結晶度和雙螺旋度升高。在面包焙烤的不同時段,淀粉顆粒因發生糊化出現明顯的破壞和崩塌,淀粉顆粒發生黏連體積增大,其結晶度、有序度顯著降低,淀粉的熱穩定性升高。由此表明,面包加工過程中發酵和焙烤的不同時段淀粉的理化和結構特性會發生顯著變化,進而影響面包的最終品質,本研究可以對高品質面包的加工提供一定的理論參考。