马铃薯(茄科)是世界第四大粮食作物[1],具有产量高,价格低廉的优点。我国是马铃薯的主要产区之一,马铃薯同时具备菜粮双重属性,营养价值高。此外,马铃薯不含麸质蛋白,适合麸质过敏人群食用,而麸质蛋白的缺乏造成马铃薯全粉主食制作加工性能较差[2],马铃薯全粉主食成品结构松散,容易崩裂。为解决上述问题,任立焕等[1]、田志刚等[3]通过向马铃薯全粉中添加谷朊粉等改良剂改善马铃薯面条及面包的品质,改良剂的加入在改善品质的同时,引入麸质蛋白,不适于制作无麸质食品,为更好地体现马铃薯全粉作为无麸质食品原料的优点,课题组使用乳清蛋白及超声波联用的方式制作改性调制粉。
在实际的面食品生产过程中,常常需要加入添加剂以实现对面食品的精深加工,其中酸碱盐糖是食品加工和烹饪中广泛应用的添加剂。郑芃园等[4]研究了食用碱添加量对传统碱水面条品质的影响,刘瑞莉等[5]探究了食盐、食用碱以及磷酸盐类对小麦面条品质的影响,上述研究结果均表明,食盐、食用碱和盐类的加入均显著提高了面条的硬度、拉伸强度以及面条的风味。在分子层面上,已有研究表明Na+对马铃薯淀粉黏度以及凝胶强度的促进作用[6]。除此之外,相关研究表明,pH可以提高玉米淀粉的凝胶强度[7],并可以通过调节pH提高热加工过程玉米淀粉-大豆蛋白复合物中抗性淀粉的含量[8],还可以改变小麦蛋白与马铃薯蛋白结构,进而改变其功能[9]。关于酸碱盐糖对面制品及分子层面的研究很多,前人往往是基于原淀粉或麸质蛋白丰富的小麦面团的研究,对经过物理改性且缺乏麸质蛋白的基础上进行面团加工改良效应的研究鲜有报道。本文在改善马铃薯全粉加工性能的基础上,模拟面食品加工过程中不同阶段、不同形态,探究酸碱盐糖等常见添加剂对调制粉微观结构、力学性能等方面的改良效应,以期促进调制粉以及马铃薯全粉在无麸质主食领域的开发应用,同时助力马铃薯主粮化进程的推进。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
马铃薯全粉、马铃薯鲜薯(夏波蒂品种),呼和浩特市武川县马铃薯种植基地,由黑龙江北大荒马铃薯全粉(内蒙古)有限公司加工制粉(蛋白质含量 12%、能量 18%、碳水化合物 26%)。其余试剂均为分析纯,麦克林试剂公司。
1.2 仪器与设备
Biosafer1000超声波细胞粉碎机,赛飞(中国)有限公司;SCIENTZ-10 ND冷冻干燥机,宁波新芝冻干设备股份有限公司;YNJ-A01V1压面机,小熊电器股份有限公司;HH-2水浴锅,上海福玛实验设备有限公司;TA-XT Plus质构分析仪,英国Stable Micro Systems Ltd公司;TM4000Plus扫描电子显微镜,日本Hitachi公司;CR-20色差仪,日本KONICA MINOLTA公司。
1.3 马铃薯全粉超声改性及样品制备
根据预实验的结果,向马铃薯全粉中添加2%(质量分数)乳清分离蛋白并经3 W/cm3的功率密度进行超声处理制成调制粉,该调制粉的二硫键含量、网络结构形态、结合水的含量均显著高于未经改性的马铃薯全粉,使用其作为本实验的对照组。在调制粉中加入不同比例的柠檬酸(0.1%,0.2%);NaHCO3(1%,2%);NaCl(1%,2%);蔗糖(5%,10%),以上均为质量分数(下同),并加入适量去离子水,搅拌,揉捏并反复折叠,进行和面处理,留取其中一部分湿面团用做剪切力和应力松弛特性的测定,其余湿面团进行冻干处理,粉碎后作为凝胶特性试验组样品,冷藏待测。
1.4 面团相关性质
1.4.1 面团剪切力
使用压面机将湿面团压成粗细均匀的面条,取5根面条置于A/LKB-F探头下,设置测前速度1 mm/s,测中速度5 mm/s,测后速度5 mm/s,触发力5 g,应变量70%,记录力-应变曲线以获得剪切力。
1.4.2 面团应力松弛特性
采用质构仪,设定测前、测中、测后速度均为1 mm/s,应变量10%,使用P36/R探头进行测定。测定时取1 g面团,成均匀球状,放置于载物台面上,以触发力5 g下压后保持180 s,记录面团下压过程中应力与时间的变化曲线,利用三元广义Maxwell模型对面团的应力松弛阶段进行非线性回归分析,计算相应的应力松弛特性参数。
该模型的应力松弛本构方程如公式(1)、公式(2)所示:
(1)
(2)
式中:σ(t),样品在t时刻所承受的应力,N/m2;ε0,样品的初始应变率,%,所对应的应力为初始应力σ0,N/m2;E0,平衡弹性系数,表征黏弹性物体内部虎克体的弹性模量,反映残余应力的大小,N/m2;E1,衰变弹性系数,相当于分子链的相对位移,N/m2;T,松弛时间,s;η,阻尼系数,N·s/m2。
1.4.3 面团的微观形貌
在1.3节所述的冻干面团上切取平滑完整截面,进行喷金处理,利用扫描电子显微镜进行表面微观形貌的观察。设置加速电压15 kV,放大500×。
1.5 热糊化凝胶制备
采用去离子水,将1.3节所述的试验组样品配置成料液比为1∶5(g∶mL)的均匀悬浮液,置于铝盒中,参照WANG等[10]的方法,进行95 ℃,30 min的水浴糊化处理,期间进行搅拌以防止冻干粉沉底,待糊化完全,水浴结束,将铝盒置于4 ℃冰箱冷藏24 h后形成凝胶,留取部分新鲜凝胶进行凝胶强度、质构及色差的测定,其余凝胶进行24 h冻干处理,用于电镜的测定。
1.6 热糊化凝胶相关性质
1.6.1 凝胶的微观形貌
取1.5节所述的干凝胶样品进行表面微观形貌的观察。将样品表面进行喷金处理,设置加速电压15 kV,放大500×,利用扫描电子显微镜观察其微观形貌。
1.6.2 凝胶的凝胶强度
将1.5所述的不同环境体系的新鲜热糊化凝胶切成1 cm×1 cm×1 cm的正方体,使用质构分析仪测定样品的凝胶强度。参考WANG等[11]的方法进行少量修改。设定测前速度1 mm/s,测中速度2 mm/s,测后速度2 mm/s,应变30%,触发力5 g,使用P0.5/R探头进行测定,记录样品的凝胶强度。
1.6.3 凝胶的质构特性
将新鲜热糊化凝胶切成1 cm×1 cm×1 cm的正方体,使用质构分析仪测定样品的凝胶强度。设定测前速度2 mm/s,测中速度2 mm/s,测后速度2 mm/s,应变30%,触发力5 g,使用P36/R探头进行测定,记录样品的凝胶强度。
1.6.4 凝胶色差
将色差仪置于平滑无孔的新鲜热糊化凝胶表面,测定其亮度、红绿值以及黄蓝值。
1.7 统计分析
所有实验都至少重复3次。使用Origin软件分析原始数据及绘图。使用SPSS 26软件,在P<0.05的水平上进行单因素方差分析以检验各数值之间的差异。
2 结果与分析
2.1 面团微观形貌
样品微观形貌如图1所示,对照组结构致密,淀粉颗粒紧密结合成淀粉块,蛋白质网络均匀覆盖于淀粉块的表面。0.1%柠檬酸的加入促进了蛋白质网络结构的聚集,增加了结构整体的不均匀性,添加量成倍增加时(0.2%),蛋白质网络结构被酸腐蚀,淀粉块也由于失去网络结构的覆盖而与酸直接接触,造成淀粉被水解,淀粉块结构被破坏,大量淀粉颗粒散落。在添加NaHCO3时,样品中出现很多“片状”结构,随着添加量从0.1%增多至0.2%,“片状”结构也更多,同时,大量NaHCO3的加入也使淀粉块解体,与孙秋月等[12]的研究结果相同。少量NaCl的加入(1%)未明显改变样品的微观形貌,但在添加量变为2%时,蛋白质网络结构存在断开的现象,与PENG等[13]的研究结果相同。当蔗糖添加量为5%时,淀粉块及蛋白质网络结构未被影响,且样品的整体结构更加致密,而当添加量达到10%时,蔗糖反水化作用增强[14],导致样品整体结构变得疏松多孔,网络结构被破坏,淀粉颗粒散落的现象。综上所述,酸碱盐糖的适量加入,在一定程度上可以改善马铃薯全粉的微观形貌,但酸碱盐糖等环境体系的极端化均会破坏调质马铃薯全粉鲜湿面团的微观结构的完整性以及均匀性。
a-对照组;b-柠檬酸0.1%;c-柠檬酸0.2%;d-NaHCO3 1%;e-NaHCO3 2%;f-NaCl 1%;g-NaCl 2%;h-蔗糖5%;i-蔗糖10%
图1 不同环境体系下面团的SEM图
Fig.1 SEM images of dough under different environmental systems
2.2 面团剪切力分析
剪切力是面条抵抗外部剪切的能力。如表1所示,在酸碱盐糖形成的不同环境体系中,样品的剪切力均有显著提升,其中NaHCO3的试验组提升明显。
表1 不同环境体系下面团的剪切力及Maxwell模型参数
Table 1 The shear force and Maxwell model parameters of dough under different environmental systems
样品剪切力/gE0E1ηT对照组61.79±2.21g3.48±0.44a4.06±0.32a0.21±0.01b1.33±0.03d柠檬酸0.1%67.77±1.81f1.02±0.15bcd1.27±0.17c0.24±0.01a1.35±0.02cd柠檬酸0.2%85.20±0.85d1.26±0.08bc1.49±0.13bc0.24±0.01a1.49±0.07abcNaHCO3 1%115.80±1.17b1.27±0.10bc1.62±0.12b0.24±0.02a1.62±0.14aNaHCO3 2%121.68±1.76a1.19±0.13bc1.51±0.20bc0.25±0.02a1.56±0.14abNaCl 1%89.16±1.84c0.72±0.10d0.88±0.05d0.24±0.02a1.48±0.01abcNaCl 2%80.38±1.14e1.14±0.02bc1.32±0.04bc0.25±0.03a1.41±0.03cd蔗糖5%91.31±0.72c1.33±017b1.55±0.13bc0.25±0.01a1.46±0.02bcd蔗糖10%81.54±1.40e0.93±0.11cd1.22±0.18cd0.23±0.01ab1.42±0.03bcd
柠檬酸及NaHCO3的加入改变了样品所处环境体系的pH,进而影响样品的性质。乳清蛋白可以通过非共价力与淀粉链相互作用,柠檬酸的加入增强了体系中H+强度,进一步增强了淀粉及蛋白质之间的氢键相互作用,在0.1%的添加量下对样品的剪切力有所提升,而在加入量达到0.2%时,体系pH值持续降低,氢键相互作用持续增加,剪切力也持续增大。NaHCO3的加入为样品营造碱性环境,碱性环境可以提高淀粉凝胶化的速度,由电镜结果也可知,碱性环境促进淀粉三维网络结构的形成,利于较强凝胶的形成,与WANG等[15]的研究结果相同,但碱性环境会使覆盖在淀粉表面的蛋白质溶解,破坏蛋白质网络结构,对结构造成不利影响,因此在NaHCO3添加量增加至2%时,蛋白质溶解聚集加剧,造成面团整体的不均匀性,一定程度上增大了面团的剪切力,增至对照组的1.97 倍。此外,有研究显示,碱的加入会促进二硫键的形成[16],使剪切力增大。NaCl的加入增强了体系的离子强度,阳离子交联作用增加淀粉与蛋白质之间的缠绕,进而增加剪切力。此外,引入的阳离子可以与马铃薯中的磷酸基团发生反应,通过静电屏蔽作用增强面团的网络结构,在添加量为1%时提高面条的剪切力,与王相甜[6]的研究结果一致。随着NaCl添加量增加至2%,面条剪切力开始下降,结合图2的SEM结果可知,这是由于盐离子降低了蛋白质网络的完整性。蔗糖是一种非还原性二糖,可以与淀粉通过氢键连接[17],提高面团剪切力。同时,蔗糖具有反水化作用[14],阻碍水分进入蛋白质双螺旋内部,进而影响二硫键的形成,添加量达10%时,对蛋白质网络结构造成影响,进而导致剪切力下降。
a-对照组;b-柠檬酸0.1%;c-柠檬酸0.2%;d-NaHCO3 5%;e-NaHCO3 10%;f-NaCl 1%;g-NaCl 2%;h-蔗糖5%;i-蔗糖10%
图2 不同环境体系下样品凝胶的SEM图
Fig.2 SEM images of gel under different environmental systems
2.3 面团应力松弛分析
酸碱盐糖形成的不同环境体系下,样品面团的Maxwell回归分析结果见表1。E0为平衡弹性系数,反映面团的弹性行为,代表着面团恢复弹性形变的速度,E0值越大,表明面团达到平衡时的应力以及残余应变越大,面团硬度越大,则恢复弹性形变的速度越慢[18]。如表1所示,不同环境体系中样品的E0均产生显著下降,面团黏性行为增加。柠檬酸的加入破坏淀粉结构,使淀粉发生水解,由于这一水解反应发生在无定形区,直链淀粉溶出,影响面团的松弛行为,并随着柠檬酸添加量的增加而持续增加。NaHCO3的加入促进蛋白质的展开,使更多的结合位点暴露,促进淀粉与蛋白质的相互作用,进而增加了面团的E0。添加NaCl与蔗糖后,样品E0下降,最高值与对照组相比降低79.3%,与加入柠檬酸及NaHCO3的原因相同,均是由于增强了分子间作用力所导致。E1为衰变弹性系数,反映面团恢复弹性形变的能力,E1的值越小,则面团恢复弹性形变的能力越大。在酸碱盐糖形成的4种环境体系下,面团恢复弹性形变的能力均有不同程度的提升。阻尼系数η由分子链间的相互移动摩擦引起,反应了面团的黏性,与E0所反映的结果相同,在酸碱盐糖环境体系中,面团的黏性也得到显著提升。应力松弛时间是黏性与弹性的比值[19],所有样品T均有升高,表明面团黏性增大。
2.4 热糊化凝胶电镜结果分析
如图2所示,在所有样品中均可观察到多孔结构,表明样品中的淀粉已完全凝胶化。加热处理使得凝胶中的淀粉完全糊化,失去原有的结构与晶型,冻干后形成多孔结构,而加热处理对蛋白质网络结构的微观形貌所产生的影响相对较小,使得在对热糊化凝胶的微观形貌进行观察时可以减少淀粉颗粒对蛋白质网络结构的干扰,更加清晰地观察到酸碱盐糖对体系中蛋白质网络结构的影响。对照组样品的SEM图中明显可见复杂、均匀交错的网络结构,这是由于马铃薯全粉添加乳清蛋白后引入了额外的巯基基团,超声波所产生的巨大空穴效应使淀粉及蛋白质的结构疏松,也使蛋白质内部暴露出更多的游离巯基基团,这些明显增加的游离巯基在和面的过程中转变为二硫键,使得面团内的蛋白质网状结构得以强化。柠檬酸加入后(0.1%),体系pH降低,并随着添加量的增加,pH值逐渐接近乳清蛋白的等电点(pI≈4.8),蛋白质发生聚集[20],破坏蛋白质网络结构的均匀性,当添加量达到2%时,丝状网络结构崩解,凝胶整体结构变得杂乱。此外,柠檬酸加入促进淀粉水解,导致网格状结构的减少。NaHCO3的加入促进蛋白质展开,增强蛋白质与淀粉的相互作用,因此,从SEM图可以看到完整的网格结构以及与网格相连接的丝状蛋白质网络结构。当NaHCO3添加至2%时,网格孔径增大,蛋白质网络结构消失,BRAVO-N
EZ等[21]也发现碱性条件可以促使玉米淀粉-乳清蛋白复合物凝胶结构的消失。NaCl的加入更大程度影响体系中的蛋白质分子,可见蛋白质网络结构形状改变,均匀覆盖于淀粉表面,这是由于盐离子的加入使蛋白质发生盐溶现象[22]。当NaCl添加过多时,盐离子使得蛋白质发生变性,且盐离子可能会干扰大分子物质之间的静电相互作用[23],进而使凝胶网络结构孔洞增多,结构松散。蔗糖可通过氢键与淀粉分子结合,因此增加了凝胶中网格结构的含量,但在添加过多时同样存在网格孔径增大的现象。
2.5 凝胶强度
凝胶强度是衡量凝胶类食品口感的重要指标。在酸碱盐糖形成的不同环境体系中,样品凝胶的凝胶强度见表2。柠檬酸的加入显著提高凝胶的凝胶强度,由于淀粉在酸性环境中的水解,更多直链淀粉被释放出来,而淀粉的凝胶网络结构更多由直链淀粉构建[24],故而凝胶强度得到显著的提高,此外,pH的降低可以促进磷酸质子化,降低分子间静电斥力,促进强凝胶的形成[25]。但过多柠檬酸的加入,大量直链淀粉及糊精溶出,影响支链淀粉之间的分子间通过双螺旋形成凝胶,一定程度降低凝胶的凝胶强度。NaHCO3的加入也显著提高了凝胶强度,碱中的阴离子可作为质子受体与纤维素等相互作用,破坏原本维持体系结构的氢键,并促进淀粉与蛋白质的相互作用,减少淀粉重排形成凝胶[26],故而过多碱的加入导致凝胶强度发生下降。NaCl的加入由于增强了淀粉与蛋白质之间的相互作用,也使得凝胶强度得到显著提升,而在添加过量时蛋白质的溶解也使得凝胶强度显著下降。蔗糖的加入使凝胶强度增加至对照组的1.78倍,为影响凝胶强度最大的一组,结合电镜的结果可知,蔗糖的加入增加了凝胶中的网格结构,相当于增加体系中的淀粉类物质,进而提高凝胶强度,但加入过多会破坏体系平衡,造成凝胶强度的下降。
表2 不同环境体系下样品凝胶的力学特性参数
Table 2 The parameters of mechanical properties of the gel under different environmental systems
样品凝胶强度/N硬度/g黏附性内聚性回复性对照组3.19±0.09d436.13±20.03a25.401 67±20.22b0.58±0.03b0.33±0.03b柠檬酸0.1%4.73±0.02b381.82±29.47b45.275 33±8.23ab0.65±0.04ab0.40±0.03ab柠檬酸0.2%4.26±0.34c374.51±12.02b36.070 67±19.02ab0.64±0.06ab0.40±0.05abNaHCO3 1%4.84±0.15b261.83±2.39de43.402 33±3.70ab0.64±0.01ab0.40±0.01abNaHCO3 2%4.18±0.19c229.08±1.93f64.444 33±24.07a0.65±0.04a0.39±0..05abNaCl 1%5.73±0.09a283.91±8.82cd31.721 33±17.93ab0.66±0.01a0.42±0.01aNaCl 2%4.34±0.09c239.03±11.41ef46.746 67±13.31ab0.65±0.04ab0.39±0.03ab蔗糖5%5.69±0.21a311.03±15.31c62.066 67±17.22a0.67±0.04a0.42±0.03a蔗糖10%4.83±0.11b286.43±3.19cd55.271 33±4.16ab0.70±0.01a0.44±0.01a
2.6 凝胶质构特性
硬度反映了凝胶的软硬程度,如表2所示不同环境体系下凝胶硬度均产生显著下降,其中柠檬酸对硬度的影响最小,而NaHCO3最大。柠檬酸的加入促进淀粉水解,其所产生的低分子质量糊精利于形成更加柔软的凝胶[27],因此,酸的加入降低了凝胶的硬度。蛋白质会在凝胶的形成过程中干扰淀粉分子的重排,从而影响凝胶的硬度,pH降低造成的蛋白质分子聚集以及超声对蛋白质网络结构强度的促进作用均会加重这种干扰,使得硬度随着柠檬酸添加量的增加而持续下降。与柠檬酸相反,NaHCO3的加入促进蛋白质的展开,提高蛋白质的溶解度,影响超声所形成蛋白质网络结构,造成硬度的下降。与NaHCO3相似,盐的加入造成蛋白质盐溶现象的产生而影响硬度。蔗糖的加入增加淀粉物质相对含量,所形成的凝胶更加软而刚度减少。黏附性反应了凝胶表面的黏度,不同环境体系下的凝胶黏度均显著提升,不同物质的加入均在不同方面造成淀粉的溶出及蛋白质的破坏,低分子质量糊精的溶出以及乳清蛋白网络结构被破坏后乳清蛋白的少量溶出,提高凝胶中小分子质量溶出物的增加,增加凝胶的表面黏度。内聚性反应凝胶内部分子间作用力的强弱,回复性反应凝胶恢复形变的能力以及速度[6],4种样品的内聚性以及回复性均得到显著提升,结合应力松弛的结果可知,不同物质的加入提高了凝胶内部分子间的结合与纠缠,包括淀粉分子间的双螺旋,蛋白质与淀粉之间的非共价结合等,共同促进了内聚性及回复性的提升。
2.7 色差
如表3所示,调制马铃薯全粉凝胶在酸碱盐糖不同的环境体系下其L*(亮度)、a*(红绿值)、b*(黄蓝值)均产生显著改变,所有凝胶样品的红蓝值及黄绿值均有所提升,除NaHCO3组外,亮度均有所提升。亮度提升的主要原因在于,淀粉水解及蛋白质盐溶等现象促进淀粉凝胶的形成,减少体系中未糊化的淀粉颗粒数量,增加了凝胶对光的透过率[28]。NaHCO3的加入使凝胶亮度较对照组减低了11.3%,可能原因是碱性环境促进淀粉与蛋白质发生作用,而阻碍了淀粉与淀粉相互结合形成凝胶,降低了透明度。不同环境体系下样品的a*、b*值均显著提高,有研究认为,凝胶颜色的变化与添加剂本身的颜色有关[29],其中在2% NaHCO3加入的情况下,凝胶的b*值从2.80上升到9.03,这是由于在强碱性条件下,加热会使蛋白质的氨基发生氧化,造成蛋白质聚集,同时,马铃薯中富含酚类物质,酚类物质在此环境下氧化形成黄色的醌类物质[30],造成凝胶黄绿值的显著提升。
表3 不同环境体系下样品凝胶的色差分析结果
Table 3 The results of color difference analysis of gel under different environmental systems
样品L*a*b*对照组70.50±0.79d-2.07±0.06b2.80±0.17e柠檬酸0.1%74.33±0.40a-1.70±0.19a4.77±0.15cd柠檬酸0.2%74.47±0.06a-1.77±0.31ab4.83±0.15cNaHCO3 1%63.60±0.72e-1.67±0.29a7.47±0.21bNaHCO3 2%62.50±0.36f-1.80±0.10ab9.03±0.76aNaCl 1%73.43±0.60ab-1.93±0.06ab4.50±0.10cdNaCl 2%74.07±0.32a-1.87±0.06ab4.83±0.15c蔗糖5%72.57±0.59bc-1.87±0.06ab4.63±0.25cd蔗糖10%71.63±0.61c-1.90±0.10b4.17±0.35d
3 结论
以柠檬酸、NaHCO3、NaCl及蔗糖为代表的酸碱盐糖的加入对调制马铃薯全粉面团的微观结构、力学特性以及热糊化凝胶的微观结构、凝胶特性均有着不同程度的影响,其中,柠檬酸的加入降低静电斥力,造成淀粉分子水解,使热凝胶的E0降低至1.02,凝胶强度提高至4.73 N,并改善降低热糊化凝胶的硬度至374.51 g,提升内聚性及回复性,同时破坏淀粉块结构的完整性以及热凝胶中蛋白质网络结构的完整性。NaHCO3的加入促进蛋白质展开,增强蛋白质与淀粉之间的相互作用从而提高面团的剪切力至对照组的1.97倍,改善热糊化凝胶的力学性质,并促进调制粉中醌类物质的形成造成亮度较对照组下降了11.3%。NaCl的加入可以增加体系离子强度,蔗糖的加入增强体系氢键作用,均提高凝胶的性能,分别体现在NaCl的加入使E0较对照组下降了79.3%,蔗糖的加入显著提升凝胶强度至5.69 N。酸碱盐糖加入所形成的不同环境体系下,调制马铃薯全粉面团的微观结构、力学特性以及热糊化凝胶各项指标的提高也进一步证实了超声处理协同蛋白强化对马铃薯全粉加工性能的提升效应并有助于无麸质面食品的开发与精深加工。
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