陳 潔,田貝貝
(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院,河南 鄭州 450001)
目前,工廠主要采用面漿分離法和面團(tuán)洗面筋法生產(chǎn)小麥淀粉和谷朊粉,這2 種工藝均會(huì)產(chǎn)生大量高黏度加工廢水,生產(chǎn)受到其副產(chǎn)物高黏度戊聚糖漿處理限制,現(xiàn)作為廉價(jià)的飼料和肥料使用,或在不能及時(shí)銷售的情況下當(dāng)污水排放。但是,研究發(fā)現(xiàn)其副產(chǎn)物戊聚糖漿中的阿拉伯木聚糖(araboxylan,AX)具有抗氧化[1-3]、降血糖[4-5]、調(diào)節(jié)腸道功能[6-8]、增強(qiáng)免疫活性[9-10]等生物活性,AX可以降低部分慢性病的發(fā)生率,如動(dòng)脈硬化、糖尿病、癌癥等。AX是由木聚糖(主鏈)和阿拉伯糖(側(cè)鏈)組成的可被木聚糖內(nèi)切酶降解的高黏度、高持水性多糖。由于AX與面筋蛋白的相互作用以及其自身較好的持水性和高黏性,可影響面團(tuán)流變學(xué)性質(zhì)及饅頭品質(zhì)[11-14]。此外,AX的分子質(zhì)量及與之連接的阿魏酸對(duì)面包的烘培質(zhì)量和面團(tuán)特性也有很重要的影響作用[13,15]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)為AX對(duì)小麥產(chǎn)品品質(zhì)的影響,研究對(duì)象主要集中在面包上,而對(duì)饅頭的研究無(wú)論從廣度上還是深度上都有很大差距。饅頭是中國(guó)的傳統(tǒng)主食,在我國(guó)北方,約有70%的小麥用于饅頭的制作,南方饅頭的消費(fèi)量也日益增加。隨著生活水平的提高,人們對(duì)饅頭制品在品質(zhì)、功能、營(yíng)養(yǎng)上的要求也愈來(lái)愈高。近年來(lái),中國(guó)國(guó)內(nèi)學(xué)者開始深入探究具有功能活性的AX對(duì)小麥粉面團(tuán)特性及其饅頭品質(zhì)的影響。
不同來(lái)源的AX功能特性不同,Mccleary等[16]研究指出小麥麩皮水溶性AX可以明顯改善面團(tuán)特性,小麥麩皮水不溶性AX對(duì)面團(tuán)特性有明顯的弱化作用,而面粉水不溶性AX對(duì)面團(tuán)特性具有改善效果,但不太明顯。由于麥麩和小麥淀粉廢水中AX的提取工藝不同,又源于谷物的不同部位,會(huì)導(dǎo)致其功能特性不同。目前各學(xué)者的研究重點(diǎn)是通過(guò)添加麩皮AX來(lái)改善小麥制品的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì),小麥淀粉加工產(chǎn)生的廢水AX對(duì)面團(tuán)特性及饅頭品質(zhì)的影響鮮有研究。本實(shí)驗(yàn)以從小麥谷朊粉和淀粉的加工廢水中分離的具有功能活性的AX為對(duì)象,深入探究不同分子質(zhì)量AX對(duì)面團(tuán)流變學(xué)特性及饅頭品質(zhì)的影響機(jī)理,為開發(fā)高纖饅頭食品和小麥淀粉加工廢水的利用價(jià)值提供理論參考。
小麥淀粉加工廢水 鄲城財(cái)鑫糖業(yè)有限責(zé)任公司;木聚糖內(nèi)切酶(酶活力為16 114.9 U/g) 丹麥諾維信公司;金苑精制粉 河南金苑糧油有限公司;無(wú)水乙醇、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、氯化鈉均為分析純。
AL204電子分析天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;電子天平 福州華志科學(xué)有限公司;DL-5000B-B離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠;FD-1A-50冷凍干燥機(jī) 北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;Wyatt Technology DAWN EOS多角度激光光散射儀、Farinograph-AX全自動(dòng)粉質(zhì)儀 德國(guó)Brabender公司;JCXZ面團(tuán)成型機(jī) 北京東孚久恒儀器技術(shù)有限公司;TA-XT plus質(zhì)構(gòu)儀 英國(guó)Stable Micro System公司;MicroMR-CL-I變溫型核磁共振食品農(nóng)業(yè)成像分析儀上海紐邁電子科技有限公司;RVA-4型快速黏度儀澳大利亞Newport科學(xué)儀器公司;Quanta250FEG掃描電子顯微鏡 荷蘭Phenom公司;F3流變發(fā)酵測(cè)定儀法國(guó)Chopin技術(shù)公司。
1.3.1 AX樣品的制備
水提AX的制備:小麥淀粉加工廢水(固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%)→離心(4 500 r/min離心20 min,下同)→上清液→95 ℃保溫20 min(蛋白質(zhì)變性)→二次離心→上清液→濃縮醇沉(濃縮至原液體積的1/5~2/5;乙醇最終體積分?jǐn)?shù)為60%,自然沉降4 h,下同)→沉淀物經(jīng)乙醇洗滌后、加水溶解→離心→上清液→濃縮醇沉→沉淀物冷凍干燥→水提AX。
酶提AX的制備:小麥淀粉加工廢水(固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%)→調(diào)節(jié)pH 4.0~6.0→添加0.1%木聚糖內(nèi)切酶(以料液中固形物的質(zhì)量計(jì))→50 ℃恒溫振蕩1.5 h→離心(離心時(shí)間20 min,轉(zhuǎn)速4 500 r/min,下同)→上清液→滅酶(95 ℃保溫20 min)→二次離心→上清液→濃縮醇沉(濃縮至原液體體積的1/5~2/5;乙醇最終體積分?jǐn)?shù)為60%,自然沉降4 h,下同)→沉淀物經(jīng)乙醇洗滌后、加水溶解→離心→上清液→濃縮醇沉→沉淀物冷凍干燥→酶提AX。
1.3.2 水分的測(cè)定
參照GB/T 21305—2007《谷物及谷物制品水分的測(cè)定》常規(guī)法進(jìn)行測(cè)定。
1.3.3 相對(duì)分子質(zhì)量的測(cè)定
采用激光光散射法。色譜條件:色譜柱:TSK Gel G4000PWxl;流動(dòng)相:0.1 mol/L NaCl溶液;流速:0.5 mL/min;樣品質(zhì)量濃度:1 mg/mL;進(jìn)樣量:200 μL。
1.3.4 面團(tuán)粉質(zhì)特性的測(cè)定
參照GB/T 14614—2006《小麥粉 面團(tuán)的物理特性 吸水量和流變學(xué)特性的測(cè)定 粉質(zhì)儀法》分別測(cè)定混合粉的粉質(zhì)特性。吸水率是指面粉被和成最大稠度為500 BU的面團(tuán)時(shí)所需的加水量。面團(tuán)的形成時(shí)間是指水和面相互作用至形成面團(tuán)所需的時(shí)間。穩(wěn)定時(shí)間是指面團(tuán)攪拌穩(wěn)定性,穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng),表明面筋強(qiáng)度大,面團(tuán)的韌性好。弱化度是指面團(tuán)耐機(jī)械攪拌的承受能力。粉質(zhì)質(zhì)量指數(shù)指從開始揉面到曲線達(dá)到最大稠度后再下降30 FU處的距離,是評(píng)價(jià)面粉質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。
1.3.5 饅頭樣品的制備[17]
分別稱取適量AX樣品溶于適量水中(加水量為粉質(zhì)儀測(cè)得吸水率76%),然后加入適量精制粉和0.8%高活性干酵母,于和面機(jī)中混合12 min形成穩(wěn)定面團(tuán),多次壓延后卷起、刀切成型(約110 g),置于醒發(fā)溫度35 ℃、相對(duì)濕度88%的醒發(fā)箱中醒發(fā)35 min。沸水汽蒸18 min,小火2 min,?;? min后,取出自然冷卻1 h后待測(cè)。
1.3.6 面團(tuán)水分分布的核磁共振波譜測(cè)定
參照文獻(xiàn)[18]方法采用核磁共振波譜技術(shù)分析饅頭面團(tuán)的水分分布變化。取處理好的面團(tuán)(20 mm×4 mm×4 mm)于核磁測(cè)試管中,并用保鮮膜將核磁測(cè)試管封口。將樣品測(cè)試管置于磁場(chǎng)線圈中心位置,對(duì)樣品進(jìn)行CPMG脈沖序列掃描測(cè)定:采用點(diǎn)數(shù)22290,回波個(gè)數(shù)1 000,反演點(diǎn)數(shù)400,重復(fù)掃描次數(shù)32,弛豫衰減時(shí)間1 s,弛豫時(shí)間點(diǎn)數(shù)200,迭代次數(shù)1 000 000。
1.3.7 面團(tuán)流變發(fā)酵特性分析
取制好的饅頭面團(tuán)315 g于F3流變發(fā)酵測(cè)定儀的發(fā)酵容器中,使其盡量平整的覆蓋容器底部,加配重片,按規(guī)定操作使其密封后進(jìn)行連續(xù)測(cè)試。測(cè)定溫度28 ℃,測(cè)定周期3 h。
1.3.8 饅頭質(zhì)構(gòu)特性的測(cè)定[19]
將蒸制好的饅頭自然冷卻1 h,使用切片機(jī)切成15 mm待測(cè)饅頭片,取中間兩片進(jìn)行測(cè)試。質(zhì)構(gòu)儀使用P/35R探頭測(cè)定,結(jié)果取6 次平行實(shí)驗(yàn)的平均值。測(cè)定條件:測(cè)前速率3 mm/s,測(cè)試速率1 mm/s,測(cè)后速率5 mm/s,壓縮率為70%。
1.3.9 饅頭瓤孔壁的掃描電鏡分析[20]
取進(jìn)行質(zhì)地測(cè)試后的饅頭于密封袋中恢復(fù)5 min,將樣品凍干備用。輕擊凍干的饅頭樣品,使其截面自然斷裂,取大小合適、截面平整的樣品塊,用雙面膠將其固定在樣品臺(tái)上,進(jìn)行噴金處理后,置于掃描電鏡中觀察其微觀結(jié)構(gòu)。
1.3.10 糊化特性的測(cè)定
將饅頭樣品真空冷凍干燥后粉碎、過(guò)80 目篩。參照GB 24853—2010《小麥、黑麥及其分類和淀粉糊化特性測(cè)定》方法,通過(guò)快速黏度分析儀測(cè)定淀粉糊化特性。
采用SPSS 20分析系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,以P小于0.05為顯著性水平,利用Excel 97-2003制作圖表。
小麥淀粉加工廢水受其高黏度的限制,難以分離、提純具有抗氧化活性的AX,木聚糖內(nèi)切酶可以用于降低戊聚糖漿的黏度以促進(jìn)AX的分離。由表1可知,2 種方法提取的AX主要含有3 個(gè)組分,酶提AX樣品純度較高,而水提AX樣品的純度相對(duì)較低,蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.22%。酶提AX的平均相對(duì)分子質(zhì)量較水提AX小。由于AX由主鏈木聚糖和側(cè)鏈阿拉伯糖連接而成,木糖殘基、阿拉伯糖分別經(jīng)β-(1,4)糖苷鍵連接形成AX的主、側(cè)鏈。木聚糖內(nèi)切酶可以攻擊木聚糖主鏈,隨機(jī)切斷β-(1,4)糖苷鍵,使AX解聚,相對(duì)分子質(zhì)量降低。AX的相對(duì)分子質(zhì)量越小越易溶于水,因此,木聚糖內(nèi)切酶可以提高AX的溶解性,降低其水溶液的黏度,有利于離心上清液的分離,可以得到較高純度的酶提AX。
表1 樣品組分分析及AX的相對(duì)分子質(zhì)量分布Table 1 Purity and relative molecular mass distribution of arabinoxylans
表2 AX對(duì)面團(tuán)粉質(zhì)特性的影響Table 2 Effect of arabinoxylan on farinograph properties of dough
以小麥粉質(zhì)量為基準(zhǔn),AX添加量分別為0.25%、0.50%、0.75%、1.00%、1.25%,以商用金苑精制粉(添加量0%)為空白對(duì)照。由表2可知,與空白樣對(duì)比,吸水率隨著水提AX添加量的增加而增加,而酶提AX面團(tuán)吸水率隨之增加而降低;面團(tuán)的形成時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間隨著水提AX和酶提AX添加量的增加呈先增加后減小趨勢(shì),添加量分別為0.50%和1.00%時(shí),形成時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間最長(zhǎng);適量添加這2 種AX對(duì)面團(tuán)的弱化度和粉質(zhì)質(zhì)量指數(shù)具有明顯的改善作用,但當(dāng)添加量超過(guò)最適添加量時(shí)會(huì)削弱此改善作用。綜合分析AX對(duì)面團(tuán)粉質(zhì)特性的影響,水提AX和酶提AX對(duì)改善面團(tuán)粉質(zhì)特性的最佳添加量分別為0.75%和1.00%。
添加水提AX使面團(tuán)吸水率增加,這是由于具有大量親水基團(tuán)的AX附著在面筋蛋白表面,與面筋蛋白競(jìng)爭(zhēng)吸水[21-22]。酶提AX的添加降低了面團(tuán)中淀粉和蛋白質(zhì)濃度,且木聚糖內(nèi)切酶使AX降解為小分子質(zhì)量多糖,降低了AX的吸水能力[12,23],因此使面團(tuán)吸水率降低。由于AX可與面筋蛋白競(jìng)爭(zhēng)性吸水,因此延長(zhǎng)了面筋網(wǎng)絡(luò)的形成時(shí)間。面筋充分吸水溶脹的時(shí)間延長(zhǎng),面團(tuán)的耐揉性增強(qiáng),使面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間延長(zhǎng),其弱化度隨之減小,粉質(zhì)質(zhì)量指數(shù)變好。因此添加適量AX可以改善面團(tuán)的流變學(xué)特性。綜合表1和表2可知,AX分子質(zhì)量越小,其吸水、持水能力越弱,分子質(zhì)量在一定程度上會(huì)影響AX對(duì)面團(tuán)流變學(xué)特性的改善作用。
3 種樣品的饅頭面團(tuán)橫向弛豫時(shí)間分布如圖1所示。Engelsen等[24]認(rèn)為,P1區(qū)域代表與蛋白質(zhì)緊密結(jié)合及包埋于淀粉內(nèi)部的水,此區(qū)域水流動(dòng)性差,稱為結(jié)合水;P2區(qū)域代表與淀粉及非淀粉多糖結(jié)合的水,此區(qū)域水具有一定的流動(dòng)性,稱為半結(jié)合水;P3區(qū)域的水位于淀粉顆粒及面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)的間隙,此區(qū)域水最易流動(dòng),稱為自由水。由表3可知,在純精制粉(空白樣品)、添加1.00%酶提AX、添加0.75%水提AX三種配方的饅頭面團(tuán)中,P1峰面積比例依次下降,P2峰面積比例依次上升,P3峰面積比例變化不顯著。表明添加AX樣品后,使面團(tuán)中結(jié)合水比例減少,半結(jié)合水比例增加。
圖1 饅頭面團(tuán)橫向弛豫時(shí)間(T2)分布Fig. 1 Distribution of relaxation time (T2) of Chinese steamed bread dough
表3 阿拉伯木聚糖對(duì)饅頭面團(tuán)橫向弛豫時(shí)間T2的影響Table 3 Effect of arabinoxylan on relaxation time T2 of Chinese steamed bread dough
AX的凝膠與面筋蛋白競(jìng)爭(zhēng)性吸水,導(dǎo)致面團(tuán)體系中與面筋蛋白質(zhì)結(jié)合的結(jié)合水轉(zhuǎn)化成半結(jié)合水。已有研究表明[23],木聚糖酶可以降低AX的吸水能力,導(dǎo)致水分從AX遷移至面筋蛋白中,使面團(tuán)中水分重新分布,因此,添加酶提AX的饅頭面團(tuán)與添加水提AX的饅頭面團(tuán)相比,P1峰面積比例上升,P2峰面積比例下降。Assifaoui等[25]指出,向面包面團(tuán)中添加蔗糖,P2峰面積也出現(xiàn)上升趨勢(shì),因?yàn)檎崽歉菀着c水結(jié)合。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其相似。
面團(tuán)在發(fā)酵過(guò)程中,由于微生物呼吸產(chǎn)氣,使面團(tuán)產(chǎn)生多孔疏松結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)既要構(gòu)成饅頭的骨架又要保持氣體不逸散。且持氣能力對(duì)饅頭的結(jié)構(gòu)、體積、顏色和口感具有重要影響,因此本實(shí)驗(yàn)通過(guò)分析不同配方饅頭的持氣情況,研究AX對(duì)饅頭品質(zhì)的影響。
表4 AX對(duì)饅頭面團(tuán)發(fā)酵流變特性的影響Table 4 Effect of arabinoxylan on rheological fermentation characteristics of Chinese steamed bread dough
由表4可知,與純精制粉饅頭面團(tuán)(空白樣品)相比,添加酶提AX、水提AX的饅頭面團(tuán)持氣率顯著增強(qiáng)(P<0.05)。這是因?yàn)锳X可包裹在蛋白膜表面,使其免受破壞,有利于保持面團(tuán)中氣室的結(jié)構(gòu),從而延緩CO2氣體的擴(kuò)散,增強(qiáng)氣孔的持氣能力。添加水提AX的饅頭面團(tuán)總產(chǎn)氣量、最大膨脹高度、氣體釋放曲線的最大高度顯著下降(P<0.05),而面團(tuán)出現(xiàn)孔洞的時(shí)間延長(zhǎng)。這可能由于水提AX黏度大、持水性強(qiáng),可影響面團(tuán)醒發(fā)中的表面活力,而木聚糖內(nèi)切酶可以改善此作用。
品質(zhì)良好的饅頭咀嚼度、硬度適中,并有一定的持氣性。硬度太大,饅頭咬起來(lái)所需的力越大,口感越差。硬度太小,其嚼勁不足。因此,各指標(biāo)太大或太小都會(huì)影響?zhàn)z頭的品質(zhì)。
表5 阿拉伯木聚糖對(duì)饅頭質(zhì)構(gòu)指標(biāo)的影響Table 5 Effect of arabinoxylan on textural parameters of Chinese steamed bread
由表5可知,以純精制粉饅頭作空白對(duì)照組,3 種配方的饅頭,其硬度和咀嚼性指標(biāo)由大到小依次為空白對(duì)照組>水提AX組>酶提AX組;添加AX使饅頭的回復(fù)性減小,對(duì)于彈性、凝聚性影響不顯著。這是由于AX包裹在面筋網(wǎng)絡(luò)的周圍,增強(qiáng)了面團(tuán)的持氣能力,從而提高了饅頭面團(tuán)的蓬松度,使饅頭的硬度下降、咀嚼性減小。
圖2 饅頭瓤的掃描電鏡圖Fig. 2 Scanning electron micrographs of crumb of Chinese steamed bread
由圖2可知,與空白饅頭相比,添加酶提AX饅頭的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在擠壓后仍能保持較好的完整性,而水提AX對(duì)饅頭的面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)造成了一定的影響,擠壓后相當(dāng)多的淀粉顆粒暴露出來(lái)。這是因?yàn)樗酇X黏附在面筋蛋白表面,與蛋白質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)吸水,破壞蛋白質(zhì)分子間交聯(lián),從而抑制面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)的形成。而木聚糖內(nèi)切酶降低了AX的吸水能力,使水分從AX遷移至面筋蛋白中,進(jìn)而為面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)的形成提供先決條件[23]。與空白饅頭相比,添加酶提AX饅頭的質(zhì)構(gòu)較為均勻,而水提AX配方饅頭瓤氣孔不均,可能由于高黏度水提AX可包裹在細(xì)胞壁的氣孔上,阻礙饅頭蒸制過(guò)程中氣體的釋放,使饅頭瓤氣孔大小不均勻,木聚糖內(nèi)切酶改善了此破壞作用。
淀粉糊化特性主要由淀粉粒本身特性決定,也受到混合粉中其他組分如糖的影響[26-28]。由表6可知,添加了酶提AX、水提AX的淀粉糊化指標(biāo),其峰值黏度、保持強(qiáng)度、黏度衰減、最終黏度、回生值均明顯低于空白對(duì)照樣,其峰值時(shí)間和糊化溫度均無(wú)顯著差異。
添加具有吸水膨脹特性的AX后,小麥粉糊化特性發(fā)生了很大變化,一方面,添加的AX降低了糊化體系中淀粉濃度,另一方面,添加AX后,由于AX對(duì)糊化體系中水分的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn),又增大了淀粉/水的比例。與淀粉濃度有關(guān)的黏度指標(biāo)如峰值黏度、保持強(qiáng)度、黏度衰減、最終黏度、回生值等黏度性狀均會(huì)受到淀粉/水比例的改變而發(fā)生顯著變化。且AX可通過(guò)吸收淀粉周圍的水分,影響淀粉顆粒的吸水膨脹,阻止淀粉與淀粉間的交互作用及淀粉與蛋白質(zhì)分子間的交聯(lián),降低糊化黏度指標(biāo)。因此,添加AX對(duì)以上糊化黏度指標(biāo)有顯著影響,且AX對(duì)淀粉濃度的稀釋作用與對(duì)淀粉-淀粉及淀粉-蛋白之間交聯(lián)的阻礙作用,大于由此引起的淀粉/水比例變大所引起的黏度指標(biāo)的正面升高作用。結(jié)果顯示,添加AX對(duì)峰值時(shí)間和糊化溫度沒有顯著影響,表明淀粉糊化溫度和峰值時(shí)間與糊化體系中的淀粉濃度相關(guān)性較小。峰值黏度的降低,有助于面團(tuán)發(fā)酵時(shí)充分膨脹,可改良面團(tuán)的加工性能。
表6 AX對(duì)淀粉糊化特性的影響Table 6 Effect of arabinoxylan on rapid viscometer parameters of freeze-dried steamed bread powder
源于小麥淀粉加工廢水的AX可改良小麥粉品質(zhì),適量添加AX對(duì)面團(tuán)的弱化度和粉質(zhì)質(zhì)量指數(shù)具有明顯的改善作用,其中酶提AX效果最為顯著;AX可以降低面粉的糊化作用,有助于面團(tuán)發(fā)酵時(shí)充分膨脹,可改良面團(tuán)的加工性能。添加酶提AX的饅頭瓤氣孔較為均勻,且相較于水提AX,蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在擠壓后仍能保持較好的完整性。表明木聚糖內(nèi)切酶不僅可以降低AX的持水性,使水分從AX遷移至面筋蛋白中,促進(jìn)蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的吸水形成,而且可以改善水提AX引起的饅頭瓤氣孔不均的消極作用。因此木聚糖內(nèi)切酶可以用于提取對(duì)面粉粉質(zhì)和饅頭品質(zhì)具有更好改良作用的高純度AX。本實(shí)驗(yàn)為小麥淀粉加工廢水的開發(fā)利用價(jià)值提供理論參考,對(duì)小麥淀粉加工廢水的開發(fā)利用,既減少了環(huán)境污染,也提高了糧食資源的綜合利用率。
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