超微粉碎薯渣纤维对小麦面团流变特性的影响

郑万琴，魏枭，谢勇，刘雄*

1(西南大学 食品科学学院，重庆，400715)2(西南大学 工程技术学院，重庆，400715)

膳食纤维作为第七大营养素，研究证明其具有降低血脂血糖、维持肠胃功能等功效，有助于预防心血管疾病、肥胖和肠癌等风险[1]。但我国人们的膳食纤维摄入量远低于每日25 g的推荐摄入量[2]。因此，通过在日常米面食品中补充膳食纤维，有助于人们每日均衡补充膳食纤维。但由于膳食纤维具有较强吸水性和溶胀性，加入到小麦粉中会对面团的面筋网络结构以及粉质、黏弹、持气等性质产生不利影响，从而导致面制品的感官品质下降。研究发现，膳食纤维对面团品质影响程度与纤维的形态结构和大小差异有关[1]。因此，对膳食纤维进行加工处理，改善其理化性质，降低对食物的负面影响显得尤为重要。目前，国内外学者常通过超微粉碎[3]、酶法[4]、高静水压力[5]、静水压力-酶等[6]改性方式处理膳食纤维，从而改善其与小麦粉重组面制品的品质。

超微粉碎是一种高效的物理改性技术，不仅可使膳食纤维物料的粒径变小，还有助于纤维分子中亲水性基团充分暴露，从而改善纤维的物化及功能性质[7]。近年来，超微粉碎技术在谷物纤维面制品生产应用领域得到了广泛关注。ZHANG等[8]在面团和面条中添加经超微粉碎后的不同粒径麦麸纤维，发现粒径越小对面团面筋网络的破坏程度越弱，更有利于面条的感官和烹饪品质；苏玉[9]将米糠膳食纤维经蒸汽爆破-超微粉碎后添加到发糕中，结果表明发糕的硬度和咀嚼性得以提高，混合粉的黏度值和回生值下降；LIU等[10]的研究结果表明，超微粉碎大豆膳食纤维与普通粉碎相比，可以增强大米淀粉的糊化稳定性和面团流变特性。综上，添加超微粉碎后的谷物纤维能够显著改善面团及其最终产品品质，但是超微粉碎纤维粉的原料主要集中为小麦、大米、豆类及燕麦等种子原料，对超微粉碎根茎类植物纤维素的研究鲜见报道。

甘薯渣是甘薯淀粉加工后的主要副产物，其中纤维含量约占25%，是膳食纤维的良好来源[11]。甘薯渣纤维由于结构形态、化学组分与其他纤维不同，因此在可溶性膳食纤维、果胶含量以及保水性、溶胀性等物化特性上与其他类纤维表现出显著差异[12-13]，从而导致它们的重组与小麦面团之间产生的相互作用方式不同。本实验以UP-SPRC和CP-SPRC为原料，对比研究了超微粉碎对SPRC微观结构、UP-SPRC对小麦面团糊化特性、热机械学性能、拉伸特性以及动态流变学特性的影响，以期为SPRC在面制品中的利用提供理论参考，同时为SPRC综合开发利用提供技术指导。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

甘薯渣，山东泗水利丰食品有限公司；小麦粉，潍坊风筝面粉有限公司，所用试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

YSC-701超微粉碎机，北京燕山正德机械设备有限公司；DLF粉碎机，温州顶历医疗器械有限公司； Mastersizer 2000激光粒度分析仪，英国马尔文公司；Phenom Pro-17A00403型扫描电镜，荷兰Phenom World公司；TCW-3 型快速黏度糊化仪，澳大利亚Newport Science Corp公司；Mixolab混合实验仪，法国肖邦公司；MCR302模块化旋转与界面流变仪，安东帕商贸有限公司；TA-XT plus质构仪，英国Stable Micro Systems公司。

1.3 实验方法

1.3.1 CP-SPRC的制备

参考LU等[14]的方法进行SPRC的提取(得率24.47%，纤维素含量78.05%)，再经粉碎机进行粗粉碎，过100目筛，得到CP-SPRC，用激光粒度仪测得平均粒径D[0.5]为129 μm。

1.3.2 UP-SPRC的制备

CP-SPRC经超微粉碎机投料口进入柱形粉碎室，经沿着研磨轨做圆周运动的研磨轮碾压、剪切，然后通过风机引起的负压气流将物料带出粉碎室，进行收集，过150目筛，得到UP-SPRC，用激光粒度仪测得平均粒径D[0.5]为64 μm。

1.3.3 SPRC的微观结构测定

使用扫描电子显微镜将SPRC粘在铝制短管上的双面胶样品台上，经离子溅射镀金后，置于扫描电镜下放大至2 000倍，观察内部显微结构变化。

1.3.4 重组面团的制备

在小麦粉中分别添加质量分数为5%、7%、9%、11%的UP-SPRC与5%的CP-SPRC，混合均匀，用Mixolab混合实验仪的和面室制备重组面团，加水量使面团最大扭矩达到(1.10±0.05) N·m，以不加SPRC的小麦粉作为对照样品。

1.3.5 面团糊化特性的测定

准确称取3.5 g混合粉，加入到装有25.0 mL蒸馏水的铝盒中，用旋转浆充分混合搅拌后，置于快速黏度分析仪(rapid viscosity analysis system,RVA)上测定。试验最初以960 r/min搅拌10 s至样品形成均匀悬浊液后，保持160 r/min转速至结束。RVA内初始温度为50 ℃保持1 min，再以12 ℃/min升温至95 ℃保持2.5 min，最后以12 ℃/min降温至50 ℃保持2 min，整个过程历时13 min，根据糊化曲线计算峰值黏度、谷值黏度、最终黏度、衰减值、回生值和糊化温度。

1.3.6 面团热机械学性能的测定

选择Chopin+模式，混合粉面团质量默认为75 g，面团的扭矩以(1.10±0.05)N·m为标准。测试条件第一阶段温度30 ℃保持8 min，再以4 ℃/min升至90 ℃后保持7 min，随后以4 ℃/min降温至50 ℃保持5 min，测试过程总用时45 min，揉混速率80 r/min，每个样品重复3次。由实验曲线可得到以下参数:吸水率、形成时间、稳定时间、蛋白质弱化度、最小扭矩(C2)、面团加热阶段最大扭矩(C3)、面团保温阶段最大扭矩(C4)、面团冷却至50 ℃时的扭矩(C5)、蛋白弱化速率α、淀粉糊化速率β、淀粉降解速率γ。

1.3.7 面团拉伸特性的测定

取10 g松弛好的面团，调节压面机的辊间距制得4 cm×2 mm×2 mm的面带，采用质构仪的拉伸程序测定面带的拉伸性质，每组样品做6次平行，测试条件参考HAN等[15]的方法，采用A/KIE探头。参数设定,测前速度2.0 mm/s；测试速度3.3 mm/s；测后速度10 mm/s，形变距离75 mm，触发力5 g。测定面团的抗拉力和拉伸距离。

1.3.8 面团动态流变学特性的测定

选用Mixolab混合实验仪制得达到最大扭矩的面团，采用保鲜膜包裹后，置于室温下松弛15 min，用剪刀剪取约3 g面团放置在流变仪平台上，将探头降至平板间隙，刮去多余面团并在周围涂上二甲基硅油，防止测试过程水分挥发。采用PP25圆形检测探头，间距2 mm，测试程序及条件参考文献[16][17]并加以修改。

1.3.8.1 频率扫描测试

固定应变振幅值1%，25 ℃下平衡5 min，频率0.1～20 Hz。测定样品储能模量(G′)、损耗模量(G″)与损耗角正切值(Tanδ)随角频率(rad/s)变化的曲线。

1.3.8.2 温度扫描测试

固定频率1 Hz，应变振幅值1%，25 ℃下平衡5 min，随后以5 ℃/min升温至95 ℃，平衡2 min，再以5 ℃/min降温至25 ℃.记录样品G′、G″与Tanδ随温度变化的曲线。

1.4 数据处理与分析

数据通过平均值±标准差表示，运用Microsoft Excel 2010软件分析处理，采用Origin 8.5软件作图，数据统计分析采用SPSS 19.0软件的Duncan多重比较法进行显著性检验(P<0.05)，所有试验均重复3次。

2 结果与分析

2.1 超微粉碎对SPRC微观结构的影响

薯渣纤维是一种蜂窝多孔状结构，内部包裹着圆球状淀粉颗粒[18]。由图1观察到，受DLF粉碎机高速剪切、撞击研磨的作用，SPRC的结构发生挤压变形，部分网状结构断裂，出现团聚折叠，淀粉颗粒受到破坏，但基本保持多孔棒状。经超微粉碎化后的SPRC棒状形态的大部分纤维结构已经遭到严重破坏，粒径显著降低，形成大小不一，棱角各异的片层结构，仅少数纤维保留蜂窝状，与梅新等[12]发现经超微粉碎后的SPRC粒径明显变小，呈片层多孔结构分布的研究结果一致。这是因为超微粉碎机的碾压、空穴、高速剪切作用造成SPRC自身结构发生剧烈变化，甚至可能导致糖苷键改变，使得羧基、羟基等基团充分暴露出来，从而影响SPRC的物化特性的改变[7]。研究发现，采用气流超微粉碎和微射流瞬时高压超微粉碎2种方式处理后的SPRC持水性、持油性、脂肪吸收能力等功能性质均有不同程度的变化[7]。

a-CP-SPRC；b-UP-SPRC；SPRC-薯渣纤维素；DS-破损淀粉图1 SPRC的微观结构(2 000×)Fig.1 Microstructure of sweet potato residue cellulose

2.2 超微粉碎SPRC对小麦粉糊化特性的影响

黏度值是衡量小麦淀粉在加热期间吸收水分和颗粒溶胀的能力的重要参数[1]。由表1可知，小麦粉的峰值黏度、谷值黏度、最终黏度和回生值都是最高的，这可能是因为加入SPRC后，相对减少了淀粉比例，且SPRC具有强持水性，从而使淀粉颗粒不能充分吸水溶胀，分子间作用力变大，黏度降低。这与麸皮膳食纤维的影响结果一致[1]。此外，不同添加量的UP-SPRC对小麦粉的黏度影响均大于CP-SPRC，其中添加量为11%UP-SPRC的混合粉峰值黏度、谷值黏度和最终黏度比5%CP-SPRC混合粉数值分别平均高出90.84%、87.25%、69.12%，表明UP-SPRC经更高强度的机械剪切力作用后，比表面积增大，糖苷键断裂转化为还原糖溶出，可溶性膳食纤维比例增加，因此UP-SPRC表现出更强的吸水性，淀粉相对含水量减弱，溶胀阻力增大[19]。混合粉的衰减值和回生值随着UP-SPRC添加量的增加呈下降趋势，说明SPRC的高保水性使面团中淀粉的水分含量减少，水分子重新分布，从而降低了混合粉的回生值，在一定程度上延缓了淀粉的老化[20]，对延长面制品的货架期具有一定的积极作用。其中，不同添加量UP-SPRC的回生值和衰减值均小于CP-SPRC，表明SPRC的物化功能特性与粒径大小、形态结构存在一定的相关性。

表1 SPRC对小麦粉糊化特性的影响Table 1 Effect of sweet potato residuecellulose on pasting properties of wheat flour

注：同列中不同字母表示有显著性差异(P<0.05)(下同)

2.3 超微粉碎SPRC对小麦面团热机械学特性的影响

2.3.1 超微粉碎SPRC对小麦面团中蛋白热机械学特性的影响

由表2可知，与小麦粉相比，添加有SPRC的重组面团吸水率显著提高，且随着UP-SPRC添加量的增加呈逐渐上升趋势，这是因为纤维中含有大量亲水性羟基，通过与水作用提高了混粉的吸水率和形成时间[21]。当UP-SPRC添加量小于7%时，重组面团的吸水率小于CP-SPRC，这与表2的测定结果有所差异，可能是因为这与测RVA特性时面团的加水量不同，造成当添加量较小时，SPRC在面团中占比较低。与UP-SPRC相比，CP-SPRC的微晶束蜂窝结构在水的作用下与小麦粉结合力更强，且引起小麦面筋网络结构受损程度更严重，导致面团达到最佳状态需要更多的水量和更长的时间。稳定时间和弱化度是衡量粉质特性重要的2个指标[22]。与小麦粉相比，重组面团的弱化度显著增加、稳定时间显著降低，表明SPRC对小麦面团的粉质品质造成不利影响。其中，UP-SPRC添加质量分数为5%和7%时，重组面团弱化度比CP-SPRC降低10.29%、7.35%，而当添加量大于7%后，弱化度增加，表明在一定添加量下，UP-SPRC可以降低对面筋蛋白结构的连续性和完整性产生不利影响的程度；不同添加量的UP-SPRC的稳定时间均高于5%CP-SPRC，出现该变化的原因可能是UP-SPRC更易与面团融合，形成更加稳定的交联体，这表明UP-SPRC重组面团的耐揉性与韧性更强。

表2 SPRC对小麦面团蛋白组分热机械学特性的影响Table 2 Effect of sweet potato residue cellulose on thermomechanical properties of proteins in wheat dough

2.3.2 超微粉碎SPRC对小麦面团中淀粉热机械学特性的影响

由表3可知，与小麦粉相比， SPRC降低了面团峰值扭矩和最大黏度指数，这可能是因为纤维中含有的亲水性基团与淀粉竞争水分，阻碍淀粉吸水溶胀，造成糊化时峰值黏度下降，这与表2测得糊化特性的结果相符，同时UP-SPRC在添加量5%和7%时，峰值扭矩较5%的CP-SPRC分别高出19.34%、7.92%。此外，不同添加量75%的UP-SPRC重组面团淀粉酶水解速度均大于5% CP-SPRC重组面团，表明SPRC经超微粉碎后造成某些水解基团暴露，淀粉酶活性抑制能力增强，加快了淀粉组分的糊化和降解速率[12]。与小麦粉相比，重组面团的热胶稳定性显著降低，表明SPRC使面团的耐热性变差。同时，当UP-SPRC添加量小于11%时，UP-SPRC重组面团的热胶稳定性高于5% CP-SPRC重组面团，其中，在相同添加量(5%)下，UP-SPRC重组面团的热胶稳定性比CP-SPRC提高78.08%，表明CP-SPRC对小麦面团的热胶稳定性影响显著。回生值与淀粉的重排有关，显著影响产品的老化程度和货架期，回生值越高，越容易老化[23]。SPRC的添加显著降低了面团的回生值，且随着UP-SPRC添加量的增加呈下降趋势，尤其当添加量大于7%时，表明SPRC降低了淀粉颗粒稳定性，阻碍淀粉分子发生老化重排的速率。

表3 SPRC对小麦面团淀粉组分热机械学特性的影响Table 3 Effect of sweet potato residue cellulose on thermomechanical properties of starch in wheat dough

2.4 超微粉碎SPRC对小麦面团拉伸特性的影响

由表4可知，SPRC的添加使得面团的拉伸力和拉伸距离显著减小，且随着UP-SPRC添加量的增加呈下降趋势。与小麦粉相比，当添加量为11%时， UP-SPRC的拉伸力和拉伸距离分别降低31.13%、43.85%，这是因为纤维的掺入引起小麦面筋网络变化，导致蛋白基质的稀释度降低，削弱面筋力度，从而对面团的拉伸属性产生影响，如气体滞留率降低、面团流散性增大等[1]。此外，当UP-SPRC添加量为5%和7%时，对面团的拉伸力和拉伸距离影响小于5%的CP-SPRC，表明超微粉碎后的SPRC物化特性得以提升，对面筋网状结构破坏程度更低，从而在一定程度上提高产品的发酵延伸性。BOITA[20]探究不同添加量的麸皮纤维对面团流变特性影响时，研究结果与本文一致。

表4 SPRC对小麦面团拉伸特性的影响Table 4 Effect of sweet potato residue cellulose on tensile properties of wheat dough

2.5 超微粉碎SPRC对小麦面团动态流变学特性的影响

2.5.1 动态频率扫描

由图2-a可知，重组面团的弹性模量(G′)和黏性模量(G″)整体均高于小麦面团，且随着UP-SPRC(SG2，同图)添加量的增加呈上升趋势，表明重组面团中亲水性膳食纤维增多，重组面团的吸水率增加，加强了面团内部的凝胶网状结构，这与麦麸纤维作用结果一致[1]。此外，当SG2添加质量分数在5%、7%时，重组面团的G′和G″小于CP-SPRC(SG1，同图)，而当添加为9%和11%时，变化趋势相反，这可能是因为SPRC在一定的添加量范围内，SG1由于吸水量更大，与面筋蛋白在水合作用下形成更稳定坚固的凝胶体，而当SG2添加量超过一定范围后，由于SG2特殊的纤维结构可充当面筋网络结构中基质填料，因此SG2黏弹性相对较SG1高。由图2-b可知，Tanδ<1，表明各面团的弹性均大于黏性，且在低频范围内有所减小，随着频率的增加，Tanδ增加，这表明面团前期由于添加膳食纤维，抑制了内部网络结构的充分形成，分子间交联程度大，流动性较差，弹性比例相对较大，后缓慢聚集成致密的空间，面团黏性增加。此外，当SG2添加量小于9%时，重组面团的Tanδ值较高于5%SG1重组面团，说明在相同添加量下，SG2更利于面团的流动性和连续性。

G0-小麦粉；SG1-量分数为5%的CP-SPRC；SG2-添加量不同分数的CP-SPRC(下同)a-面团的G′和G″；b-损耗角正切值(Tanδ)图2 SPRC面团的G′、G″以及损耗角正切值(Tanδ)随角频率变化曲线Fig.2 Plot of G′，G″ and Tanδ versusω for dough sample with sweet potato residuecellulose

2.5.2 动态温度扫描

由图3-a可知，在加热过程中，重组面团的黏弹性均大于小麦面团，且随着SG2添加量的增加，G′和G″呈上升趋势。在25～65 ℃时，各面团的G′和G″有小幅度降低，表明在此阶段面团体系较稳定，在早期加热温度下因淀粉酶的作用降低了面团的G′和G″[24]；当温度高于65 ℃，各面团G′和G″迅速上升至75 ℃左右，达到最大黏弹性值，重组面团的峰值黏弹性均大于小麦面团，且相同添加量下SG1重组面团的黏弹性大于SG2，这主要可能是由于SPRC增强了面团的凝胶网络结构，尤其是SG1，同时各面团之间的黏弹性峰值温度无显著差异；随着温度的进一步升高，淀粉颗粒受SPRC作用发生不可逆溶胀过度出现破裂，直链淀粉浸出并且结晶区变得混乱，导致面团的G′和G″急剧下降。此外，MARIO[25]发现面团的Tanδ峰值温度可对应表示面团的开始糊化温度，根据此方法由图3-b可知，与SG1相比，SG2面团的糊化温度稍有提高，与表1测定结果相符，可能是由于SG2的纤维粒径和结构不同，造成面团体系中游离水含量增多，促进内部通过二硫键交联形成更稳定的面筋蛋白网络，从而增加面团基质焓变，提高糊化温度[26]。

a-面团的G′和G″；b-损耗角正切值(Tanδ)图3 SPRC面团的G′、G″以及Tanδ随温度变化曲线Fig.3 Typical temperature dependence of G′,G″ and Tanδ versusω for dough sample with sweet potato residuecellulose

3 结论

经超微粉碎后的SPRC微晶束纤维结构遭到严重破坏，形成大小各异的片层结构，仅少数保留蜂窝棒状。与CP-SPRC相比，不同添加量的CP-SPRC均能更显著降低面团的峰值黏度、谷值黏度，最终黏度、衰减值和回生值，提高面团的稳定时间，表明UP-SPRC可能更易与面团形成稳定的交联体并能更有效延缓面团的老化，且当添加量较小时，UP-SPRC重组面团的粉质特性和黏弹性相对较CP-SPRC重组面团高；SPRC经超微粉碎后物化特性得以提升，对面筋网状结构产生的负面作用降低，提高了重组面团的拉伸特性；同时，与CP-SPRC相比，UP-SPRC增加了面团的糊化温度。因此，添加超微粉碎的SPRC不仅有利于提高面团流变品质和丰富面团中的纤维含量，还为薯渣的再利用提供了技术支撑。然而，实际加工中小麦粉中存在蛋白、淀粉、酚类等物质，因此UP-SPRC与面筋蛋白、淀粉、酚类物质之间具体的作用方式和机理还有待进一步的研究。