擠壓膨化紫薯粉對(duì)小麥面團(tuán)糊化特性和熱機(jī)械學(xué)特性的影響

劉興麗，趙雙麗，靳艷軍，張 華,*

（1.鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.河南省食品生產(chǎn)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450002；3.河南省冷鏈?zhǔn)称焚|(zhì)量安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450002）

紫薯富含膳食纖維、維生素、礦物質(zhì)等多種營(yíng)養(yǎng)成分，還含有對(duì)人體有益的植物化學(xué)成分，不僅具有良好的抗氧化作用，還具有抗腫瘤、抗衰老、改善人體肝功能的功效，被譽(yù)為“防癌之王”和未來(lái)的“宇航食品”[1]?！吨袊?guó)居民膳食指南（2016）》中推薦每天攝入薯類50～100 g。因此，將紫薯粉添加到小麥制品中，不僅可以豐富面制品種類，而且可以提高其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。但是紫薯蛋白與面筋蛋白的結(jié)構(gòu)不同，不能形成具有黏彈性的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得產(chǎn)品品質(zhì)降低。為改善混合面制品的品質(zhì)，一些具備面筋蛋白某些特性、可構(gòu)建網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、改善面團(tuán)黏彈性和持氣性的食品配料或加工技術(shù)被應(yīng)用到混合面制品的生產(chǎn)中。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于改善混合面制品品質(zhì)的研究主要集中在添加改良劑方面，如親水性膠體、酶制劑、蛋白質(zhì)等[2-4]。

擠壓膨化技術(shù)是一種高溫、短時(shí)的加工方法，被稱為21世紀(jì)食品加工領(lǐng)域的高新技術(shù)之一[5]。目前，添加擠壓膨化大米粉、燕麥粉、木薯淀粉、馬鈴薯淀粉、高粱粉等改善面包品質(zhì)的研究已有報(bào)道[6-7]。Martínez等[8]向大米粉中添加10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）擠壓膨化大米粉，可使大米粉面包的體積增加、面包結(jié)構(gòu)得到改善。Jeong等[9]研究結(jié)果表明擠壓米粉的添加可以改善面團(tuán)的黏結(jié)性、回復(fù)性、水分分布和蛋糕品質(zhì)。此外，擠壓面粉和黑豆粉的添加降低了油炸食品的吸油率，提高其抗碎性和香味[10-11]。

綜上可知，添加擠壓膨化原料粉能夠顯著改善面團(tuán)及其最終產(chǎn)品品質(zhì)，而且不同原料粉的粉質(zhì)特性、糊化特性、熱機(jī)械學(xué)特性等不同，造成對(duì)面團(tuán)的影響也不同。但是擠壓膨化粉的原料主要集中為燕麥、小米、高粱、大米等，對(duì)擠壓膨化紫薯粉的研究鮮見報(bào)道。因此本實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究擠壓膨化紫薯粉和紫薯生粉對(duì)小麥面團(tuán)水分分布、糊化特性和熱機(jī)械學(xué)特性的影響，既可以豐富紫薯粉對(duì)面團(tuán)特性的理論研究，又可以為紫薯粉的應(yīng)用提供技術(shù)支撐，具有重要的研究?jī)r(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥粉購(gòu)于河南金苑糧油有限公司；紫甘薯（‘煙176’）由河北省農(nóng)林科學(xué)院提供。所有試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

Laboratory mill 3100型實(shí)驗(yàn)室粉碎磨、RVA 4500快速黏度分析儀 瑞典波通公司；臺(tái)式同向雙螺桿擠出實(shí)驗(yàn)機(jī) 美國(guó)賽默飛世爾科技公司；新型高速連續(xù)式超微粉碎機(jī) 廣州市旭朗機(jī)械設(shè)備有限公司；Mixolab混合粉質(zhì)儀 法國(guó)肖邦技術(shù)公司；NM120型低場(chǎng)核磁共振（low field-nuclear magnetic resonance，LF-NMR）儀 上海紐邁電子科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 紫薯生粉的制備

新鮮紫薯經(jīng)過(guò)清洗、切分、干燥，粉碎過(guò)100 目篩，得到紫薯生粉（糊化度為17.23%）。

1.3.2 擠壓膨化紫薯粉的制備

紫薯生粉通過(guò)雙螺桿擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓膨化，螺桿轉(zhuǎn)速為275 r/min，擠壓膨化8 個(gè)溫度區(qū)間分別為60、80、90、110、120、160、180、180 ℃，物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22%，然后干燥，粉粹過(guò)100 目篩，得到擠壓膨化紫薯粉（糊化度為94.53%）。

1.3.3 紫薯粉基本成分和微觀結(jié)構(gòu)的測(cè)定

紫薯粉中淀粉含量測(cè)定參照美國(guó)官方分析化學(xué)家協(xié)會(huì)（Association of Official Agricultural Chemists，AOAC）996.11方法；蛋白質(zhì)含量測(cè)定參照AOAC 955.04方法；脂肪含量測(cè)定參照AOAC 920.39方法；膳食纖維含量的測(cè)定參照AOAC 991.43方法；花青素的含量參照Hosseinian等[12]的pH示差法測(cè)定。

使用掃描電子顯微鏡觀察紫薯粉顆粒的顯微結(jié)構(gòu)變化，加速電壓為20 kV，放大倍數(shù)為400 倍。

1.3.4 混合面團(tuán)的制備

在小麥粉中分別添加5%、10%、15%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的紫薯生粉與擠壓膨化的紫薯粉，添加50%的水，80 r/min攪拌8 min，取出面團(tuán)，待用，以小麥面團(tuán)作為對(duì)照樣品。

1.3.5 水分分布的測(cè)定

使用LF-NMR儀，采用Q-CPMG脈沖序列測(cè)定面團(tuán)的橫向弛豫時(shí)間T2。Q-CPMG脈沖序列檢測(cè)參數(shù)為：TD=100 130、C0=5 000、Ns=4、T0=1 500 ms；TE=100 μs。按照T2的大小分別記為T21、T22、T23，弛豫時(shí)間越短，表明水與底物結(jié)合越緊密；弛豫時(shí)間越長(zhǎng)，說(shuō)明水分自由度越大[13]。

1.3.6 面團(tuán)糊化特性的測(cè)定

通過(guò)快速黏度分析儀分析擠壓膨化紫薯粉和紫薯生粉對(duì)小麥粉糊化特性的影響，具體參考美國(guó)谷物化學(xué)家協(xié)會(huì)方法[14]并稍作改動(dòng)。稱取3.5 g待測(cè)樣品（濕基水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)14%），添加25 mL的去離子水。0～20 s在960 r/min條件下從室溫加熱至25 ℃，然后在160 r/min條件下恒溫60 s，在840 s內(nèi)逐漸升溫至95 ℃后恒溫600 s，570 s內(nèi)降溫至50 ℃后恒溫570 s，根據(jù)糊化曲線計(jì)算峰值黏度、谷值黏度、最終黏度、崩解值和回生值。

1.3.7 面團(tuán)熱機(jī)械學(xué)特性的測(cè)定

Mixolab混合粉質(zhì)儀能全面反映谷物加水揉混成形，研究食物從生到熟，再?gòu)母邷氐匠鰻t保溫的整個(gè)加工過(guò)程中的品質(zhì)變化。檢測(cè)參數(shù)設(shè)定：面團(tuán)總質(zhì)量為90 g，分別按一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0、5%、10%、15%）混合不同紫薯-小麥混合粉，將混合粉放入攪拌缽中進(jìn)行攪拌，然后按照達(dá)到最大扭矩（C1=1.1 N·m）的要求加入一定量的水。測(cè)試的初始溫度為30 ℃、保溫時(shí)間為8 min，然后以4 ℃/min的速率升溫至90 ℃，保溫8 min后，再以4 ℃/min的速率降溫至50 ℃，攪拌速率恒定為80 r/min。由實(shí)驗(yàn)曲線可得到以下參數(shù)[15]：1）吸水率為面團(tuán)達(dá)到最大扭矩（C1）時(shí)所需的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%；2）形成時(shí)間為面團(tuán)在30 ℃下達(dá)到最大扭矩所需時(shí)間/min；3）穩(wěn)定時(shí)間為面團(tuán)扭矩保持在1.1 N·m的時(shí)間/min；4）蛋白質(zhì)弱化度為在30 ℃時(shí)最大扭矩與最小扭矩的差值/（N·m）；5）C2為面團(tuán)形成過(guò)程最小扭矩/（N·m）；6）峰值扭矩（C3）為面團(tuán)在加熱階段產(chǎn)生的最大扭矩/（N·m）；7）C4為面團(tuán)在保溫階段產(chǎn)生的最大扭矩/（N·m）；8）C5為面團(tuán)冷卻至50 ℃時(shí)的扭矩/（N·m）；9）β為淀粉的糊化速率；10）γ為淀粉降解速率。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

所有實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3 次以上，數(shù)據(jù)通過(guò)平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用Microsoft Excel 2013軟件分析處理，采用Origin 8.5軟件作圖，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 17.0軟件，采用Duncan's多重比較法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 擠壓膨化對(duì)紫薯粉基本成分和微觀結(jié)構(gòu)的影響

如表1所示，擠壓膨化降低了紫薯淀粉、蛋白質(zhì)和脂肪含量，這是由于擠壓膨化可能促進(jìn)形成淀粉-脂質(zhì)和蛋白-脂質(zhì)的復(fù)合物。此外，擠壓膨化紫薯粉花青素的含量高于未擠壓紫薯粉，但是無(wú)顯著性差異，可能是因?yàn)橐环矫鏀D壓膨化破壞了細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)，使花青素容易提取，提高花青素提取率；另一方面擠壓膨化時(shí)的高溫造成花青素?fù)p失，降低了花青素含量。

表1 原料粉的基本成分Table 1 Basic chemical composition of experimental materials

紫薯粉的顆粒形態(tài)觀察結(jié)果表明紫薯生粉表面光滑、呈橢圓狀；擠壓膨化后紫薯粉橢圓形態(tài)的顆粒結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全破壞，團(tuán)聚形成棱角分明、斷面較光滑、較大體積的無(wú)規(guī)則塊狀結(jié)構(gòu)（圖1）。這是因?yàn)閿D壓膨化的高溫、高壓、高剪切力造成淀粉糊化，各種物質(zhì)聚合在一起，形成相互黏連的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)。黃浩庭[16]也發(fā)現(xiàn)擠壓膨化破壞了紫薯粉橢圓形態(tài)的顆粒結(jié)構(gòu)，形成無(wú)規(guī)則的塊狀結(jié)構(gòu)，與本研究結(jié)果相一致。

圖1 紫薯粉的微觀結(jié)構(gòu)Fig. 1 Microstructure of purple sweet potato flour

2.2 擠壓膨化紫薯粉對(duì)面團(tuán)水分分布的影響

LF-NMR可以提供面團(tuán)內(nèi)部水分在空間和時(shí)間方面的信息，顯示水分的變化情況與遷移狀態(tài)[17]。劉銳等[13]研究發(fā)現(xiàn)小麥面團(tuán)中水分存在3 種形態(tài)，T21表示深層結(jié)合水，主要是與淀粉或面筋蛋白緊密結(jié)合的水；T22表示弱結(jié)合水，主要是結(jié)合于蛋白質(zhì)、淀粉等大分子之間的水；T23表示自由水。圖2為紫薯粉-小麥面團(tuán)水分橫向弛豫時(shí)間T2反演圖，每幅反演圖都有3 個(gè)波峰，分別為T21（0.31～0.61 ms）、T22（10.72～12.33 ms）、T23（65.80～86.97 ms），這與劉銳等[13]的研究結(jié)果一致。由表2可知，隨著紫薯生粉的添加，面團(tuán)的T21增加，說(shuō)明水分的自由度增加，可能是因?yàn)樽鲜矸鄣奶砑悠茐牧嗣娼畹木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與面筋蛋白結(jié)合的強(qiáng)結(jié)合水量減少[18]；而擠壓膨化紫薯粉的添加反而降低了面團(tuán)的T21，這表明擠壓膨化一方面改善了紫薯粉膳食纖維的水合作用，另一方面使紫薯粉具有多孔結(jié)構(gòu)，容易與水結(jié)合，進(jìn)一步降低面團(tuán)水分的自由度，使水分能夠與淀粉或面筋蛋白緊密結(jié)合[19]。

相關(guān)研究表明合適的水分分布對(duì)于面制品的加工至關(guān)重要，結(jié)合水促進(jìn)面筋網(wǎng)絡(luò)和超分子結(jié)構(gòu)的形成，而自由水與面團(tuán)的流變性有關(guān)。3 種狀態(tài)水所占的比例依次為A22（弱結(jié)合水）＞A21（強(qiáng)結(jié)合水）＞A23（自由水）。紫薯粉的添加顯著降低A21（表2），擠壓膨化紫薯粉對(duì)小麥面團(tuán)的影響顯著大于紫薯生粉，而且隨著添加比例的增加，A21降低程度增大，這與蒸汽膨化麥麩對(duì)小麥面團(tuán)的影響[20]一致。擠壓膨化顯著增加破損淀粉含量，破損淀粉可能會(huì)與面筋網(wǎng)絡(luò)競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合水（T21降低），水從面筋網(wǎng)絡(luò)向破損淀粉移動(dòng)（A21降低），從而造成水分狀態(tài)的重新分布[21]。這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)了擠壓膨化紫薯粉中糊化淀粉不僅擁有足夠的水結(jié)合位點(diǎn)，也會(huì)影響水的移動(dòng)，這可以歸結(jié)為競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合水的效果，而且影響效果取決于紫薯粉的添加量和處理方式。

圖2 紫薯粉-小麥面團(tuán)水分橫向弛豫時(shí)間T2反演圖Fig. 2 Water inversion results of transverse relaxation times T2 in purple sweet potato-wheat doughs

表2 紫薯粉對(duì)小麥面團(tuán)水分弛豫時(shí)間T2及對(duì)應(yīng)峰面積的影響Table 2 Effect of purple sweet potato flour on relaxation time T2 and water populations of dough

2.3 擠壓膨化紫薯粉對(duì)小麥粉糊化特性的影響

面團(tuán)的糊化特性在一定程度上不僅影響面制品的外觀，而且對(duì)面制品的質(zhì)地和口感也有影響。由圖3可知，小麥粉的峰值黏度、谷值黏度、終點(diǎn)黏度、崩解值和回生值都是最高的。隨著紫薯粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，混合粉的黏度顯著下降，這與何兆位等[22]的研究結(jié)果一致?？赡苁且?yàn)樽鲜淼矸鄣牧叫∮谛←湹矸郏肿娱g作用力變大，膨脹阻力升高，黏度降低。此外，擠壓膨化處理的紫薯粉對(duì)小麥粉黏度的影響大于同等質(zhì)量分?jǐn)?shù)的紫薯生粉（表3），這是由于擠壓過(guò)程中的高壓高剪切作用使紫薯粉糊化，并將淀粉顆粒由先前的大分子物質(zhì)降解為小分子物質(zhì)，使得所得產(chǎn)品黏度變低。

圖3 紫薯粉對(duì)小麥粉糊化特性的影響Fig. 3 Effect of purple sweet potato on pasting properties of wheat flour

表3 紫薯粉對(duì)小麥粉糊化特性的影響Table 3 Effect of purple sweet potato flour on pasting properties of wheat flour

隨著紫薯粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，崩解值整體呈下降趨勢(shì)，添加15%的擠壓膨化紫薯粉時(shí)，崩解值相對(duì)小麥粉下降了35%，說(shuō)明其熱穩(wěn)定性、抗剪切力和耐攪拌力增強(qiáng)[23]。這一結(jié)果說(shuō)明，紫薯粉的添加降低了混合粉的平均粒徑，使小分子顆粒間的結(jié)合更加緊密，在吸水膨脹過(guò)程中小分子顆粒不容易脹破[21]。

與小麥粉相比，隨著紫薯粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，混合粉的回生值顯著降低，擠壓膨化紫薯粉降低幅度更大，可能是紫薯淀粉中直鏈淀粉的含量（17.54%）低于小麥淀粉（28.52%），從而降低了混合粉的回生值[24]。回生值與淀粉的重新排列有關(guān)，顯著影響產(chǎn)品的老化程度，回生值越高，越容易老化[25]。本研究結(jié)果表明紫薯粉的添加可以一定程度抑制淀粉的老化。但是，在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)（5%、10%）時(shí)，擠壓膨化紫薯粉與紫薯生粉對(duì)回生值的影響無(wú)明顯差異，可能是因?yàn)橘|(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)混合粉的保水力相似，因此減緩水分轉(zhuǎn)移速度的能力無(wú)顯著性差異；同時(shí)，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，與紫薯生粉相比，擠壓膨化混合粉中淀粉鏈斷裂不明顯，導(dǎo)致其在糊化降溫過(guò)程中重新排列締合的能力與紫薯生粉無(wú)顯著性差異。此外，紫薯粉的添加對(duì)糊化時(shí)間和初始糊化溫度沒(méi)有明顯影響（圖3）。

2.4 擠壓膨化紫薯粉對(duì)小麥面團(tuán)中蛋白熱機(jī)械學(xué)特性的影響

表4 紫薯粉對(duì)小麥面團(tuán)中蛋白熱機(jī)械學(xué)特性的影響Table 4 Effect of purple sweet potato flour on thermomechanical properties of proteins in wheat dough

由表4可知，與小麥粉相比，添加了紫薯生粉的面團(tuán)吸水率隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈上升的趨勢(shì)，可能是因?yàn)樽鲜矸壑猩攀忱w維含量較高，其中含有大量的羥基，與水分子作用，提高混合粉的吸水率[25]。紫薯粉經(jīng)擠壓膨化后，破損淀粉含量增加，淀粉糊化，導(dǎo)致混合粉的吸水率進(jìn)一步增加，制作同樣質(zhì)量面團(tuán)所需要的干物質(zhì)含量相對(duì)減少，出品率增加。

穩(wěn)定時(shí)間反映面團(tuán)的耐揉性，穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng)韌性越好，面筋強(qiáng)度越大[26]。與小麥粉相比，紫薯粉的添加使面團(tuán)的形成時(shí)間與穩(wěn)定時(shí)間隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加總體呈縮短趨勢(shì)，蛋白質(zhì)弱化度提高。導(dǎo)致該變化的原因是紫薯粉的加入稀釋了小麥面筋蛋白，破壞了面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低了面團(tuán)穩(wěn)定性。Liu Xingli等[18]研究表明馬鈴薯粉的添加破壞了小麥面團(tuán)面筋蛋白網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，縮短了面團(tuán)的穩(wěn)定時(shí)間，這與本研究結(jié)果相一致。添加擠壓膨化紫薯面團(tuán)的穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)于相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)紫薯生粉面團(tuán)，可能是擠壓膨化導(dǎo)致了淀粉糊化程度增加，加速了一些可溶性膳食纖維果膠的溶出，果膠與淀粉和蛋白之間相互作用，可能形成一定的交聯(lián)[27]。

2.5 擠壓膨化紫薯粉對(duì)小麥面團(tuán)中淀粉熱機(jī)械學(xué)特性的影響

由表5可知，峰值扭矩C3隨著紫薯粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低，且均低于小麥粉。紫薯粉中非淀粉多糖會(huì)與淀粉競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合水分，阻礙淀粉的吸水膨脹，導(dǎo)致糊化黏度的下降[28]。而添加15%擠壓膨化紫薯粉C3降低效果最明顯，相對(duì)小麥粉下降23%，這與表2的結(jié)果一致。紫薯粉經(jīng)擠壓膨化后，一方面淀粉顆粒破裂，顆粒結(jié)構(gòu)遭到破壞，淀粉糊化，導(dǎo)致吸水膨脹后相互間摩擦力變??；另一方面高剪切作用會(huì)使淀粉發(fā)生部分降解，這些都可能導(dǎo)致擠壓膨化后淀粉的糊化黏度下降。此外，擠壓膨化紫薯粉的添加顯著降低糊化速率β和降解速率γ，原因可能是紫薯淀粉結(jié)晶程度高，糊化所需要的熱能高，糊化速率較低；此外，紫薯粉經(jīng)擠壓膨化后，破損淀粉含量增加，提高了酶解速率。

表5 紫薯粉對(duì)小麥面團(tuán)中淀粉熱機(jī)械學(xué)特性的影響Table 5 Effect of purple sweet potato flour on thermomechanical properties of starch in wheat dough

與紫薯生粉相比，擠壓膨化紫薯粉顯著增加面團(tuán)的蒸煮穩(wěn)定性（C4/C3），且隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大，這可能歸因于擠壓膨化紫薯粉的凝膠化作用。C5－C4反映了淀粉的回生特性。與小麥粉相比，添加紫薯粉后回生值均降低，這與Anton等[29]的研究結(jié)果一致。紫薯粉在擠壓膨化處理過(guò)程中淀粉鏈斷裂，導(dǎo)致其在糊化降溫過(guò)程中重新排列締合的能力減弱。因此，添加擠壓膨化紫薯粉能延緩面團(tuán)及面制品的老化，延長(zhǎng)產(chǎn)品的貨架期。

3 結(jié) 論

在小麥面團(tuán)體系中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的紫薯粉，可對(duì)面團(tuán)的水分分布、糊化特性和熱機(jī)械學(xué)特性產(chǎn)生不同程度的影響。與紫薯生粉相比，擠壓膨化紫薯粉能夠顯著提高面團(tuán)的吸水率，延長(zhǎng)穩(wěn)定時(shí)間，增加蒸煮穩(wěn)定性等，降低面團(tuán)的T21、峰值黏度、崩解值和回生值，說(shuō)明擠壓膨化紫甘薯粉能夠增加面團(tuán)的穩(wěn)定性和產(chǎn)量，并有效地延緩面團(tuán)的老化回生。但是添加擠壓膨化紫薯粉對(duì)蛋白弱化度的影響較大，說(shuō)明擠壓膨化對(duì)面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的破壞作用較大。此外，不同擠壓膨化工藝對(duì)紫薯粉糊化度、破損淀粉含量、蛋白結(jié)構(gòu)等的影響不同，進(jìn)而可能影響面團(tuán)及其產(chǎn)品的性質(zhì)，還有待于進(jìn)一步研究。