氯化鈉對小麥特二粉面筋聚集特性的影響

馬金婷,王 杭,鄭一雄,李宗璞,陳菲菲,吳楓毅,周孟清,王金水,賈 峰

河南工業大學 生物工程學院,河南 鄭州 450001

特制二等小麥粉(特二粉)是饅頭和面條等普通面制主食的主要應用面粉[1],其面筋蛋白的聚集特性直接影響面團的加工特性[2]以及制品的食用品質。目前,面筋聚集特性可使用面筋聚集儀進行評價[3],該儀器具有測試時間短、樣品用量少、分析速度快等優點[4],其測定的指標可以評價面團的流變學特性[5-6]以及酸面團的特性[7],反映面筋的品質特征,進而快速評價小麥品質[8]。面筋聚集儀的原理是利用剪切力快速形成面筋網格結構并迅速破壞[3],其參數主要包括峰值時間(PMT)、峰值扭矩(BEM)與能量面積等[9-11]。PMT、BEM與面筋蛋白質含量、面包體積、面團最大拉伸強度和伸長率之間的相關系數在0.664～0.956之間,可以快速、準確地評價小麥面粉的面筋特性[7],其中水粉比、溫度、轉速及面粉質量對PMT和BEM具有較大的影響[12]。面筋聚集儀是一種可靠、快速評價小麥面粉質量的儀器[13]。

氯化鈉(食鹽)是最常見的食品添加劑之一,添加到面粉中可使面筋網絡結構緊縮,達到強化面筋網絡結構,增強其黏彈性、強度和韌性的效果,從而減少面制品加工過程中的斷裂現象[14]。在面制食品加工過程中添加少量的食鹽,可提高面筋的硬度和黏彈性,有助于改善面團的力學特性[15]。在添加氯化鈉后面團及面條的理化性質等會發生不同程度的改變[16],比如食鹽可提高面團及面條穩定時間、粉質質量指數、拉伸能量、拉伸阻力、最大拉伸阻力,降低吸水率和延伸性[17]。添加3%食鹽的面團的質構特性較好[18]。隨著食鹽的增加,面筋網絡微觀結構變得越來越緊密,面團的最大拉伸力逐漸升高[19],球蛋白疏水作用減弱,而氫鍵作用得到改善[20]。燴面中添加鹽量2.3%時,其感官品質和質構特性達到最佳[21]。在面團中添加鈉鹽可促進面筋的聚集[22],而CaCl2作為鈉鹽的替代品,隨著其添加量的增加,小麥粉面筋的峰值時間顯著縮短,峰值扭矩增加,面筋結構的穩定性降低[23]。

面筋聚集過程可能是麥谷蛋白和醇溶蛋白逐步克服表面斥力形成一個整體的過程,其中涉及疏水作用消除與再形成、電荷之間的排斥與吸引、二硫鍵的形成與斷裂[15]。氯化鈉溶液為帶正負電荷的離子溶液,影響面筋的聚集過程[24]：一種認為是氯化鈉的陰離子和陽離子增強了蛋白之間的疏水相互作用,并導致未折疊鏈之間的展開減少[25],且隨著氯化鈉濃度增高,疏水作用增強,面筋網絡結構形成受到阻礙;另一種認為是氯化鈉中的一價金屬陽離子能增加面筋蛋白β-折疊數量,減少α-螺旋數量[26],改變蛋白質電荷分布,減小靜電排斥,形成原纖維蛋白結構可增強面筋的強度[27]。然而,氯化鈉對面筋蛋白聚集特性影響的速度和途徑尚不清楚。鑒于此,作者探究不同質量濃度的NaCl對小麥特二粉面筋聚集特性的影響,以及面筋聚集過程中對面筋顯微結構、濕面筋含量和蛋白含量的影響,并對氯化鈉影響面筋聚集的速度及其原因進行了分析,為改良小麥面團特性提供數據支持,同時也為面制品中科學用鹽提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

特二粉(能量為1 508 kJ/100 g,蛋白質為12.2 g/100 g,脂肪為1.6 g/100 g,碳水化合物為73.0 g/100 g)：五得利面粉集團有限公司;無碘食鹽：中鹽皓龍有限責任公司,分別配制質量濃度為0、1、2、3、4、5 g/100 mL的NaCl溶液(標記為CK、GN1、GN2、GN3、GN4和GN5)。乙醇：上海信帆生物科技有限公司;十二烷基硫酸鈉(SDS)：南京森貝伽生物科技有限公司;碘化鉀：北京百奧萊博科技有限公司。

1.2 試驗儀器

面筋聚集儀(GlutoPeak)：德國布拉班德公司;AWE-DM0412低速離心機：無錫得凡儀器有限公司;MX-E固定混勻儀：大龍興創實驗儀器北京股份公司;E200MV顯微鏡：南京尼康江南光學儀器有限公司;Nano Drop2000超微量紫外分光光度計：賽默飛世爾科技有限責任公司。

1.3 方法

1.3.1 特二粉面團面筋聚集特性參數的測定

利用面筋聚集儀在水粉比為9∶8(mL/g)、溫度25 ℃、時間300 s、轉速2 500 r/min時,分別測定峰值時間(PMT)、峰值扭矩(BEM)、能量面積(AgE)。

1.3.2 面筋聚集過程中5個關鍵點的選取

面筋聚集過程中5個關鍵點的選取參考王杭等[10]使用的方法,具體取樣點分布如圖1所示：A(平穩起始點)、B(聚集起飛點)、C(峰值扭矩點)、D(聚集結束點)、E(記錄結束點)。取樣參考王雍清等[11]使用的方法,具體過程：分別確定A—E 5個關鍵點對應的時間,當達到相應時間,暫停面筋聚集儀取出相應面團,檢測相應指標。根據聚集特性,能量面積分為啟動能量(S1)、穩定能量(S2)和聚集能量(S3)。

圖1 面筋聚集過程中5個關鍵點的選取Fig.1 Location of five key points selected in the gluten aggregation process

1.3.3 特二粉面團濕面筋含量的測定

參考GB/T 5506.2—2008的方法并進行適當修改。在面筋聚集過程中分別稱取A—E 5個點處的面團質量(m0,g),使用氯化鈉溶液洗滌8 min左右,至洗出來的水遇到碘化鉀不變色時,稱其質量(m1,g)即為濕面筋質量,計算全濕面筋含量。

1.3.4 特二粉面團蛋白質組分含量的測定

小麥面團中蛋白質的提取、檢測與含量計算參考賈峰等[1]的方法進行,用麥谷蛋白指代SDS可溶性麥谷蛋白。

1.3.5 面筋聚集平均速度及其與氯化鈉質量濃度的關系

1.3.6 特二粉面團顯微結構的觀察

選取A—E點的面團樣品,制成顯微觀察玻片,使用顯微鏡40×、100×、400×的倍數分別觀察,記錄圖片。

1.3.7 淀粉顆粒直徑的檢測

分別選取A—E點處400×的面團樣品顯微照片,利用顯微鏡的軟件ISCapture,使用測量線檢測淀粉顆粒直徑(單位為pix),在每個圖片中選取從大到小的10個淀粉顆粒測量直徑,計算平均值。

1.4 數據處理

數據均重復測定2～3次,計算平均值。用Excel軟件進行數據處理、圖表的制作,用 SPSS 26軟件進行顯著性差異分析(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 氯化鈉對面筋聚集特性的影響

2.1.1 氯化鈉對特二粉面筋聚集特性PMT的影響

由圖2可知,未添加NaCl(CK)的PMT最小,為61 s,隨著氯化鈉質量濃度的增加,PMT呈直線上升趨勢,方程為y=25.314x+31.067(R2=0.963 6)。表明添加氯化鈉可顯著延長面筋聚集特性的峰值時間。

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖3同。圖2 氯化鈉對特二粉面筋聚集特性PMT的影響Fig.2 Effect of sodium chloride on PMT of second-grade wheat flour

2.1.2 氯化鈉對特二粉面筋聚集特性BEM的影響

由圖3可知,CK的BEM最小,為48 BU,BEM隨著氯化鈉質量濃度的增加而有所增加,但沒有顯著的差異。表明添加氯化鈉整體上BEM增加不大,即氯化鈉對面筋蛋白網絡結構的強化不顯著。

圖3 氯化鈉對特二粉面筋聚集特性BEM的影響Fig.3 Effect of sodium chloride on BEM of second-grade wheat flour

2.1.3 氯化鈉對特二粉面筋聚集特性能量的影響

由表1可知,S1本身較小,隨著氯化鈉質量濃度的增加,S1有上升的趨勢,但差異不顯著。S2、S3隨著氯化鈉質量濃度的增加也呈逐漸上升的趨勢,且不同處理之間S2和S3均有顯著增加。表明氯化鈉的增加雖然對面筋聚集的啟動能量影響不顯著,但能顯著增加面筋聚集的穩定能量和聚集能量。

表1 氯化鈉對特二粉面筋聚集過程中能量的影響Table 1 Effect of sodium chloride on energy during gluten aggregation ofsecond-grade wheat flour

2.2 氯化鈉對面筋聚集速度的影響

由圖4可知,CK組面筋聚集的平均速度最大,為0.59 BU/s,隨著氯化鈉質量濃度的增加,面筋聚集的平均速度逐漸下降。氯化鈉對面筋聚集速度的影響近似直線下降,方程為y=-0.069 1x+0.615 3 (R2=0.974 1)。隨著氯化鈉質量濃度的增加,面筋聚集平均速度不斷降低,表明氯化鈉在面筋聚合過程中阻礙了面筋聚集的速度。由圖5可知,未添加氯化鈉時,在攪拌作用下面筋蛋白電荷逐漸分布均勻,正負電荷間相互吸引,形成了完整的、連續的網絡復合結構,類似于“搭積木”層層疊加、相互交聯,形成規律的網絡結構。添加氯化鈉改變了面筋蛋白中的電荷分布特性,氯離子和鈉離子分別與蛋白質的正負電荷吸引,起到“占位”的作用,阻礙面筋蛋白之間的電荷吸引與聚集,使PMT顯著增加,但氯離子和鈉離子并未改變面筋蛋白最后聚集的狀態,即未增加面筋聚集的BEM。

圖4 氯化鈉對特二粉面筋聚集速度的影響Fig.4 Effect of sodium chloride on the rate of gluten aggregation of second-grade wheat flour

圖5 氯化鈉對特二粉面筋蛋白聚集特性影響的途徑Fig.5 Pathways of effects of sodium chloride on gluten aggregation of second-grade wheat flour

2.3 氯化鈉對濕面筋含量的影響

由表2可知,添加1 g/100 mL氯化鈉(GN1)在A、B和C點能洗出面筋,B點是A點濕面筋含量的1.58倍,C點僅為B點的4%;與CK相比,A和B點洗出的濕面筋含量有所下降,分別為CK的83%和74%,在C點可洗出少量面筋,然而D和E點未洗出面筋。表明添加氯化鈉降低了面筋蛋白洗出的比例,卻可增加面筋蛋白網絡的韌性。

表2 氯化鈉對特二粉濕面筋含量的影響Table 2 Effect of sodium chloride on wet gluten content of second-grade wheat flour

2.4 氯化鈉對特二粉面筋聚集過程中可提取蛋白質的影響

CK與GN1特二粉面筋在聚集過程中可提取蛋白質含量如表3所示。由表3可知,GN1中水溶蛋白含量在C和E點達到較高,A點次之,B和D點較低;鹽溶蛋白含量在C點達到最大,A、E和D點次之,B點最低;醇溶蛋白含量在A、B、C和E點達到較大,D點最低;麥谷蛋白含量在A點達到最大,C和E點次之,D點再次之,B點最低。比較GN1與CK可以看出,在面筋聚集過程中添加氯化鈉對水溶蛋白、鹽溶蛋白和醇溶蛋白的可提取量影響是波動性的,面筋蛋白網絡結構的破壞不利于麥谷蛋白的提取。

表3 氯化鈉對特二粉蛋白質組分含量的影響Table 3 Effect of sodium chloride on the protein content of second-grade wheat flour %

2.5 氯化鈉對面筋顯微結構的影響

CK與GN1的面筋顯微結構如圖6所示。GN1結構與CK比較,A點面筋網絡結構對淀粉顆粒的包裹性略強,面筋聚集趨勢更明顯;B點面筋網絡結構的交聯程度更強,聚集程度更強,淀粉顆粒被面筋包裹程度略低,淀粉顆粒分布更均勻些;C點面筋網絡結構已然形成,淀粉顆粒被面筋蛋白包裹著均勻分布其間,但是面筋網絡之間的孔隙大小不一、分散不均;D點面筋網絡結構形成較好,孔隙較小且更加均勻分散,面筋蛋白包裹的淀粉顆粒更多;E點面筋網絡結構也被破壞,但是淀粉顆粒周圍的面筋蛋白略多一些。整體來看,GN1中A、B、C、D和E點處的面筋網格結構更加完整,面筋網格的分布以及大小均勻度更高,面筋對淀粉顆粒的包裹性更好,表明添加氯化鈉后面筋網絡結構分布更加均勻。

注：(a)—(e)、(A)—(E)分別為CK組和GN1組A、B、C、D、E點面筋網絡結構,(a1)、(a2)分別為(a)的不同放大倍數面筋網絡結構,其他類同。圖6 氯化鈉對特二粉面筋顯微結構的影響Fig.6 Effect of sodium chloride on the gluten microstructure of second-grade wheat flour

2.6 氯化鈉對淀粉顆粒直徑的影響

由圖7可見,GN1中的淀粉顆粒與CK相比,在A、C和D點淀粉顆粒直徑二者差異不顯著,但在B和E點氯化鈉處理比CK的淀粉顆粒直徑要大。表明氯化鈉有效阻止了淀粉顆粒的破碎,可能是氯化鈉增加了淀粉的電荷特性,防止被高速轉子進一步剪切。

注：數據單位為pix;A、B、C、D、E為面筋聚集過程中的5個關鍵點。圖7 氯化鈉對特二粉淀粉顆粒直徑的影響Fig.7 Effect of sodium chloride on the diameter of starch particles of second-grade wheat flour

3 結論

隨氯化鈉質量濃度增加,PMT呈直線上升趨勢,而BEM增加不顯著,說明氯化鈉可降低面筋聚集速度,但對面筋蛋白網絡結構的強化不顯著。隨著氯化鈉質量濃度的增加,S1未有顯著增加,而S2和S3顯著增加。在面筋聚集過程中,氯化鈉可減少洗出的濕面筋含量,對可提取的水溶蛋白、鹽溶蛋白和醇溶蛋白含量的影響不穩定,但氯化鈉可增加面筋蛋白網絡的韌性,使面筋網格結構更加均勻,面筋蛋白更好地包裹淀粉顆粒,有效阻止了淀粉顆粒的破碎。綜上,氯化鈉影響小麥面團的面筋網絡形成,可為小麥粉面筋品質的改良提供數據支持,為面制品的減鹽措施提供理論依據,可進一步探究具體的變化機制用于調控面制品品質。