特二粉面筋蛋白聚集特性与面筋聚集仪转速关系分析

王 杭,马金婷,周孟清,杨 帆,彭 颖,马铠玥,王金水,贾 峰

河南工业大学 生物工程学院, 河南 郑州 450001

面筋聚集仪(GlutoPeak)是一种基于剪切力检测面筋聚集特性的仪器[1],具有转速较高(500～3 000 r/min)、样品量少(3～10 g)和重复性好等特点[2],其中转速是影响面筋聚集特性的主要因素[3]。近年来广泛利用面筋聚集特性反映小麦品质[4-5]、小麦储藏期间品质变化[6-7]、粗粒小麦粉质量[8],甚至用于小麦育种早期筛选[9]。在面粉初始质量固定不变的情况下,通过合适的加工转速,制作出较优质的面团及面团网络结构,从而提升最终面制食品的品质。

研究表明,转速与面筋聚集特性、小麦粉常规指标及产品品质、加工工艺、小麦粉分类等关系密切。面筋聚集仪通过转子传递扭矩输入机械能形成面筋聚集特性[10],转速的高低影响面筋网络结构的形成[11]。当转速为6 250 r/min时峰值时间与麦谷蛋白溶胀指数和湿面筋含量呈显著负相关[5];转速为3 000 r/min时可鉴别粗粒小麦粉工艺质量[12];转速为2 750 r/min时面筋聚集特性与面包体积呈显著相关,可对面包体积进行预测[13],同样转速在2 750 r/min时面筋聚集特性与离子和浓度存在数量关系,可潜在地预测产品的烘焙功能[14],选择转速2 750 r/min检测的还有姜兰芳等[4]、Mu等[7]、Cecchini等[8]、Güçbilmez等[15]、Korkmaz等[16]和Silow等[17];转速2 700 r/min时峰值扭矩与粉仪吸水性具有显著正线性关系[18],同时利用峰值扭矩能鉴别小麦良莠不齐的品种[19];转速1 900 r/min时可对小麦进行分类[2],Karaduman等[20]、Marti等[3]、Kaur Chandi等[21]、Akman等[22]、李金河等[23]、Bajgain等[24]和耿瑞蝶等[6]也选择转速为1 900 r/min进行研究;再者,有研究采用多种转速组合,采用1 900、2 700、2 750 r/min可以区分蛋糕用小麦粉烘焙品质[25],选用转速范围为1 500～2 300 r/min时分别测定全粉、硬小麦粉与软小麦粉的峰值扭矩进行小麦粉分类[26];Wang等[27]采用转速1 500、1 900、2 500、3 000 r/min检测表明面筋聚集方法对全麦面粉的测试时间更短,结果差异显著,而贾峰等[28]采用转速1 900、 2 300、2 700 r/min对比分析特一粉与特二粉的面筋聚集特性差异,并快速区分面粉类型。

综上,已有研究多采用转速在1 900～2 750 r/min条件下得出面筋聚集特性,反映或者评价小麦粉面团或者小麦品质的指标。这些研究对于快速检测或者鉴定是非常必要和实用的。然而,不同转速对应的面筋聚集特性值有所不同,进而对应的面团品质也有差异,过高的转速会造成能量浪费,缩短机器使用寿命,过低的转速不易形成面筋网络,面团品质也会发生改变;因而需要建立不同转速对应的面筋聚集特性之间的数量关系,进而更加清楚地利用面筋聚集仪评估面团特性及相关的品质,但是,目前这方面的研究尚不系统。

本研究利用面筋聚集仪构建不同转速与聚集特性的峰值扭矩、峰值时间和3种能量之间的相关数学方程,利用该方程可定量地探讨转速对面粉面筋聚集特性的影响。探讨转速对小麦粉面筋蛋白聚集特性的影响,不仅对通过调节转速改善面团特性及品质具有实用意义,而且可以补充转速对面筋聚集特性影响的理论意义。

1.1 试验材料

特质二等小麦粉(以下简称特二粉。能量：1 508 kJ/100 g,蛋白质：12.2 g/100 g,脂肪：1.6 g/100 g,碳水化合物：73.0 g/100 g)：五得利面粉集团有限公司。GlutoPeak面筋聚集仪：德国布拉班德公司;AWE-DM0412低速离心机：无锡得凡仪器有限公司;Nikon E200MV显微镜：南京尼康江南光学仪器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 特二粉面团聚集特性的测定

取8 g特二粉,9 mL水,水粉比(g/mL)为9∶8,面筋聚集仪的温度设定为25 ℃,测定时间为300 s,分别检测并记录500～1 750 r/min(间隔250 r/min)、2 000～3 000 r/min(间隔100 r/min)等转速的峰值时间(PMT)、峰值扭矩(BEM)、启动能量(仪器启动到扭矩达到基本平衡的阶段,S1)、稳定能量(仪器的扭矩基本稳定到面筋聚集形成之前的一定扭矩基本不变的阶段,S2) 和聚集能量(面筋聚集形成之前扭矩急剧增加到达峰值扭矩之后15 s这一段时间的能量,S3);并计算不同转速下面筋聚集仪到达最大扭矩时,面筋聚集仪转子旋转的总圈数(n)。

面筋聚集过程的扭矩变化情况如图1所示,设置5个检测点A(平稳起始点)、B(聚集起飞点)、C(峰值扭矩点)、D(聚集结束点)、E(记录结束点),分别对应时间T1、T2、T3、T4、T5。

图1 面筋聚集过程中5个观察点的选取Fig.1 Selection of 5 observation points during gluten aggregation

1.2.2 修正的Logistic方程构建

面筋蛋白聚集特性中的扭矩变化规律为单调增加,且有一个最大值,转速的变化与峰值扭矩之间的关系基本符合修正的Logistic方程,参考Jia等[29]修正的Logistic方程,构建修正的Logistic方程：

式中：自变量x代表转速,N(x) 代表面筋聚集过程中转速x时的峰值扭矩;Nm代表面筋聚集过程中所有转速中的最大峰值扭矩;a、b分别代表修正的Logistic方程的常数参数。

1.2.3 面筋聚集过程中面团显微结构观察

分别选取A—E的面团样品,制作显微观察玻片,分别在40倍、100倍、400倍下观察,记录。

1.3 数据分析

所有试验均重复测定2～4次,测得的结果取平均值。试验设计及计算分析采用Excel 2010和PASW Statistics 18.0软件进行,制作图表使用Excel 2010,各水平处理之间用Duncan′s显著性分析(P<0.05)。

2.1 转速与面筋蛋白聚集特性中扭矩的关系

转速与面筋蛋白聚集特性峰值扭矩的关系见图2,当面筋聚集仪搅拌的转速较低(500～2 000 r/min)时,二者的关系服从一次线性关系,Ni= 7.5+0.016xi,R2=0.983 0(500～2 000 r/min);转速从500 r/min每增加250 r/min后,转速对应的峰值扭矩有显著增加。当面筋聚集仪搅拌的转速大于2 000 r/min,随着转速的增加,其峰值扭矩的增加有变缓的趋势,且到2 900～3 000 r/min时的峰值扭矩达到一个极限值,符合修正的Logistic 方程,选取2 800 r/min和2 100 r/min 时的峰值扭矩,代入方程求解得出修正的Logistic 方程：

图2 转速与面筋蛋白聚集特性峰值扭矩的关系Fig.2 Relationship between rotational speed and BEM

分别采用2 000 r/min和1 500 r/min对应的值进行验证,理论值和检测值之间的误差分别为0.57%和6.87%;但是随着转速的减小,该方程的误差逐渐增大,当转速为1 000 r/min时,误差为15.66%;表明当转速大于1 500 r/min时,采用该修正模型进行预测分析效果比较理想。应该选择峰值扭矩对转速不敏感的区域,或者选择转速的增加与减少对峰值扭矩影响不大的区域,这样可以减少因转速的变动影响峰值扭矩的检测,提高实际测量的准确性。

2.2 转速与面筋蛋白聚集特性中PMT的关系

转速对面筋蛋白聚集特性中PMT的影响见图3,转速与PMT符合幂指数关系：y=5×106x-1.40,R2=0.972(500～3 000 r/min)。转速在500～2 000 r/min时, PMT随转速增加显著降低(P<0.05);转速在2 000～3 000 r/min时,PMT随着转速的增加虽然有波动,但是差异不显著(P>0.05)。其中,当转速在500～750 r/min时,PMT随着转速增加急剧下降,从875 s下降到422 s,随着面筋聚集仪的转速增加,平均每100 r/min下降181.2 s;当转速在750～2 000 r/min时,PMT随着转速增加下降变缓,从422 s下降到92.5 s,随着面筋聚集仪的转速增加,平均每100 r/min下降26.4 s;最后转速在2 000～3 000 r/min时,PMT已无显著变化,随着面筋聚集仪的转速增加,平均每100 r/min下降1.9 s。

图3 转速对面筋蛋白聚集特性中PMT的影响Fig.3 Effect of rotational speed on the PMT of gluten aggregation characteristics

2.3 转速与面筋蛋白聚集特性中能量的关系

转速对面筋蛋白聚集特性中能量的影响见图4,启动能量的范围在48～106 GPI,占整个聚集的总能量比例较低,且转速低时比例更低,如500 r/min时,比例为0.8%,而转速为3 000 r/min时,比例为5.6%。表明在特定的面粉与水的混合初步阶段的启动能量与转速有关,除了与面粉品质相关之外,可能是转速越高能量的损耗越大,无用功的比例也越大。在低转速混合时,混合的时间长,形成的稳定能量较多,随着转速的增加,形成的稳定能量逐渐下降,但是其能量在3种能量中的比例比较稳定,在25%～30%之间。在低转速时形成的面筋聚集能量较多,随着转速的增加,形成的面筋所需聚集能量不断下降,但仍占这3种能量中的最高比例,在60%～73%之间。推测这几种能量所占比例与面粉的固有特性有关。

转速与特二粉面团的能量的关系如图4所示。转速与启动能量S1的关系为y=-7E-06x2+0.047 1x+21.266,R2=0.922 7 (500～3 000 r/min) ;转速与稳定能量S2的关系为y=106 479x-0.67,R2=0.876 8 (500～3 000 r/min);转速与聚集能量S3的关系为y=352 157x-0.717,R2= 0.971 2 (500～3 000 r/min) 。转速为1 500 r/min时,S2/S3为最大,为1.452。转速为1 600 r/min时,S1/S3达到最大,为0.094 95。转速为2 300 r/min时,S1/S2达到最大,为0.182 5。表明当转速为1 500～1 900 r/min时,S1/S2上升趋势较为明显,S2/S3和S1/S3下降趋势明显。转速为2 000～2 500 r/min时,S1/S2先明显上升后趋于稳定,S2/S3和S1/S3下降趋势均明显。

2.4 转速与面筋聚集时所需输入圈数的关系

面筋聚集达到峰值扭矩时所需要的圈数如图5所示,所需要的圈数呈U字形;当转速低于2 100 r/min时,面团峰值扭矩出现时所需要的圈数随着转速的下降不断增加,在500～2 100 r/min之间服从对数曲线y=-284 4 lnx+24 721,R2=0.947 5;当转速高于2 100 r/min时,面团峰值扭矩出现时所需要的圈数随着转速的增加也有增加的趋势,在2 100～3 000 r/min之间服从多项式曲线y=-0.000 6x2+3.725x-2 319.6,R2=0.712 3;结果显示,在转速为2 100 r/min时,达到峰值扭矩所需圈数最少。表明面筋蛋白聚集过程中存在转速与能量的最优配合。

图4 转速对启动能量、稳定能量和聚集能量的影响Fig.4 Influence of rotational speed on starting energy, stable energy and aggregation energy

图6 面筋蛋白聚集过程中面筋网络微观结构图Fig.6 Microstructure of gluten matrix during gluten aggregation

图5 面筋聚集达到峰值扭矩时所需要的圈数Fig.5 Number of turns required for gluten accumulation to reach BEM

2.5 转速对面筋蛋白聚集形成与破坏的影响

特二粉的面筋蛋白聚集过程中(转速为2 500 r/min)面团网络结构的变化如图6所示。由图6可以看出,当特二粉面团处于A点时,面筋蛋白包裹在淀粉颗粒的周围,淀粉颗粒的堆积比较散乱,蛋白质网格结构未形成。当特二粉面团处于B点时,面筋蛋白逐渐包裹淀粉颗粒,其分布外观上未呈现出规律,尚未形成完整的蛋白质网格结构。当特二粉面团处于C点时,面筋蛋白与淀粉颗粒分布均匀,面筋蛋白均匀地包裹在淀粉颗粒的周围,面筋结合紧实,有完整的蛋白质网格结构,此时面筋蛋白的扭矩达到最大。当特二粉面团处于D点时,面筋蛋白和淀粉颗粒的分布变得较为松散,面筋蛋白与淀粉颗粒脱离,蛋白质网格结构发生了断裂。当特二粉面团处于E点时,面筋蛋白与淀粉颗粒分布较混乱,面筋蛋白与淀粉颗粒脱离,蛋白质网格结构基本完全断裂。

转速与面粉面筋蛋白聚集过程中的T1、T2、T3、T4和T5的相关系数分别为：-0.013 7、-0.839 4、-0.845 8、-0.843 4和-0.875 2。转速的高低与面粉初期的混合时间T1的相关系数仅为-0.013 7,但是转速与面粉所经历的圈数(104～563圈)有极显著的相关性,相关系数为0.984 7。转速与面筋聚集的起始点的时间T2与对应的圈数均为负相关,分别为-0.893 4和-0.870 5,表明高速搅拌有利于面筋蛋白的聚合形成。同样,转速与面筋蛋白聚集时T3(PMT)及其对应圈数的相关系数分别为-0.845 8和-0.895 9;转速与面筋蛋白网络破坏的时间T4与其对应的圈数的相关系数分别为-0.843 4和-0.889 3;表明高速搅拌同样也能够快速地破坏面筋蛋白的网络结构,使面筋网络的结构强度快速降低。

转速是影响面筋聚集特性的关键参数,当面筋聚集仪转速较低(500～2 000 r/min)时转速与BEM为简单线性关系;随着转速的增加,转速(1 500～3 000 r/min)与BEM为修订的Logistic关系;转速与PMT为幂指数关系。转速与启动能量为多项式关系;转速与稳定能量、聚集能量均为幂指数关系。再者,转速与面筋网络结构形成和破坏的时间呈正相关。理论上,转速在2 100 r/min附近面筋聚集存在转速与能量的最优组合,既消耗的机械能量少,又形成品质较好的面团。

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