河南省中强筋小麦的基础理化指标及其与面团流变学特性相关性研究

小麦(Triticum aestivum L.)是我国第二大粮食作物,种植面积占全国耕地总面积的22%～30%,以及粮食作物总面积的22%～27%[1]。馒头和面条是我国传统的面食,市场需求量较大,其主要原料为中强筋小麦粉。中强筋小麦粉具有较高的面筋强度,被广泛用于各类食品的制作中。然而,关于中强筋小麦品种的横向比较研究尚未开展。因此,收集中强筋小麦并对其面粉性质进行比较,对于面制食品的发展具有重要意义。

小麦籽粒的硬度、千粒重和容重是小麦制粉加工的重要评价指标。蛋白质含量、湿面筋含量和流变学特性等指标是面制品加工中面粉原料选择的重要依据[2]。小麦任何一个特性的改变都可能直接或间接影响小麦粉的加工性能。籽粒硬度在制粉中会影响面粉出粉率、颗粒大小、破损淀粉含量及其破损程度等[3]。硬度过高的小麦在制粉时会产生更多的破损淀粉,破损淀粉含量较高的面粉在形成面团时吸水率往往较高,面筋过度水合,导致面团稳定时间和吹泡性能下降,这对部分食品加工是不利的[4]。容重高和千粒重高的小麦在制粉过程中可以有效降低小麦粉的灰分,提高面粉品质[5]。灰分会减弱面粉的耐搅拌特性和发酵特性,降低食品品质[6]。目前,关于硬度、千粒重、容重与面粉流变学特性关系的研究较少。

除此之外,有大量研究表明,面粉的粉质特性和拉伸特性与小麦粉的蛋白质含量、面筋指数呈正相关关系[7-9]。粉质指标在决定小麦烘焙质量方面发挥着关键作用。形成时间和稳定时间长的面粉适用于制作馒头面包等食品。优质面筋可以显著延长稳定时间,提高面团的耐搅拌性能[10]。稳定时间、拉伸性能和面制品品质与面筋指数呈显著正相关关系[11-12]。

综上,大量研究表明小麦粉的各项指标存在一定的内在联系,但尚未出现将所有指标系统全面对比的研究,本文通过对中强筋小麦各项品质指标以及流变学特性进行综合比较,并全面分析各项指标之间的相关性,为明确面粉性质的影响因素以及对面团加工工业的发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

小麦(周麦32号、周麦33号、周麦36号、周麦52号),周口农科院;小麦(郑麦366号、郑麦918号),河南省农业科学院;小麦(新麦26号、新麦45号),新乡农科院;小麦豫农908号,河南农业大学;KI、Na2S2O3、NaCl、H3BO3、NaOH、CuSO4、K2SO4(均为分析纯),国药集团化学试剂有限公司;盐酸、浓硫酸、石油醚(均为分析纯),天津市科密欧化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

MLU-202布勒实验磨,布勒(中国)投资有限公司;CHCS-1000电子容重器,杭州大吉光电仪器有限公司;JYDB100×40小麦硬度指数测定仪、WSF小麦麸星测定仪,无锡穗邦科技有限公司;036135全自动面筋洗涤仪,德国Perten公司;SD MATIC破损淀粉仪、ALVEOLAB 2/2吹泡测定仪,法国Chopin公司;4001113粉质仪、EXEK/6拉伸仪,德国Brabender公司;Kjeltec 8400凯氏定氮仪,丹麦FOSS公司;RVA4800快速黏度分析仪,瑞典波通仪器公司。

1.3 实验方法

1.3.1 小麦籽粒基础指标测定

水分含量参照GB/T 5009.3—2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》的方法;灰分含量参照GB/T 5009.4—2016《食品安全国家标准食品中灰分的测定》的方法;容重参照GB/T 5498—2013《粮油检验容重测定》的方法;硬度参照GB/T 21304—2007《小麦硬度测定硬度指数法》的方法;千粒重参照GB/T 5519—2018《谷物与豆类千粒重的测定》的方法。

1.3.2 小麦粉理化指标测定

水分含量参照GB/T 5009.3—2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》的方法;灰分含量参照GB/T 5009.4—2016《食品安全国家标准食品中灰分的测定》的方法;蛋白质含量参照GB/T 5009.5—2016《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定》的方法;破损淀粉含量参照AACC76—33.01的方法;湿面筋含量参照GB/T 5506.2—2008《小麦和小麦粉面筋含量第2部分:仪器法测定湿面筋》的方法;面筋指数参照LS/T 6102—1995《小麦粉湿面筋质量测定法面筋指数法》的方法;粉色和麸星含量参照GB/T 27628—2011《粮油检验小麦粉粉色、麸星的测定》的方法。

1.3.3 小麦粉糊化特性测定

参照GB/T 24853—2010《小麦、黑麦及其粉类和淀粉糊化特性测定快速粘度仪法》的方法。

1.3.4 面团流变学特性测定

粉质特性参照的GB/T 14614—2019《粮油检验小麦粉面团流变学特性测试粉质仪法》的方法;拉伸特性参照GB/T 14615—2019《粮油检验小麦粉面团流变学特性测试拉伸仪法》的方法;吹泡特性参照GB/T 14614.4—2005《小麦粉面团流变特性测定吹泡仪法》的方法。

1.4 数据处理

每个指标重复测定3次并利用Excel建立数据库。采用SPSS 16.0软件对数据进行单因素方差分析、相关性分析。采用Origin 2021绘制图表。

2 结果与分析

2.1 小麦籽粒品质分析

小麦籽粒特性,除了受基因控制,还受土壤条件、种植气候和种植技术等因素影响。小麦入仓安全水分一般在13.5%以下。表1为不同品种小麦籽粒的基础指标,9种小麦籽粒水分均在12%以下。研究表明,低水分的小麦籽粒在较长的一段时间能保持稳定的加工特性[13]。新麦26和新麦45这2种小麦的初始水分含量较低,都小于10%。因此,与其他7种小麦相比,这2种小麦的入磨前着水量更大,润麦时间更长。9种小麦的容重为816.37～845.37 g/L,均为一等小麦,其中容重最高的是周麦33,最低的是新麦26。容重是小麦品质研究和育种的重要参数,也是我国小麦分类、定等以及加工的重要评价指标[14]。我国国家标准将容重在790 g/L以上的小麦划分为一等小麦。此外,在2023年河南省小麦质量品质报告结果中显示,河南省小麦容重均值755 g/L,本文选用的9种小麦容重远超平均水平。我国将硬度指数大于60%的小麦称为硬麦,结果显示,9种小麦硬度均大于60%。工业制粉中,硬质小麦最佳入磨水分为15.5%～17.5%。由于硬麦胚乳结构紧密,水分渗透速度慢,润麦时往往采用二次润麦的方式,以保证水分充分浸润到胚乳内部,使籽粒结构变得松散,易于研磨和筛理。合理润麦也可以有效降低面粉灰分和麸星含量[15]。有很多研究表明,小麦硬度与面粉的出粉率、破损淀粉率、吸水率、等指标呈正相关关系[16]。千粒重是度量小麦粒度和籽粒饱满程度的直接指标,其数值大小会直接影响小麦产量高低[17]。在相同的水分条件下,千粒重越大,则小麦籽粒越充实饱满,千粒重和容重与小麦籽粒的粒形和大小均呈正相关[18]。此外,硬质小麦的蛋白质含量,湿面筋含量和沉降值等均高于软质小麦和混合小麦,硬质高蛋白小麦常被视为优质小麦[19]。因此,硬质小麦品种制作的面包、馒头等食品品质普遍高于软质小麦。

2.2 小麦粉理化指标分析

表2为不同品种小麦粉的基础指标。我国小麦粉标准中精制粉的灰分含量小于0.70%,9种小麦粉的灰分为0.45%～0.64%,含量最高和最低的品种分别为郑麦918和周麦33,均属于精制小麦粉。面粉灰分含量与面粉加工精度,即面粉中留存麸皮含量和矿物质的含量有关,加工精度越低,留存麸皮含量变高,灰分随着升高[20-21]。我国强筋小麦粉标准规定蛋白质含量大于12.2%,低筋小麦粉标准要求蛋白质含量小于10.0%。9种小麦粉蛋白质含量为11.44%～14.58%,含量最低的周麦33属于中筋小麦粉。湿面筋含量为28.0%～37.6%(≥28.0%),符合我国中强筋小麦粉标准。表2中湿面筋含量随着蛋白质含量的升高而升高,这与马斯霜等[22]、LYU等[23]的研究结果一致。面筋蛋白在面团中能够形成面筋网络,赋予面团弹性和延展性,使其在加工过程中能保持良好的形状。在所有谷物中,只有小麦蛋白质具备这种特殊功能。面筋指数与面团的弹性和延展性有关,可以较好地反映面筋的回弹能力和结构稳定性。表2中面筋指数为74.3%～97.2%,存在显著性差异。这是因为不同小麦品种中醇溶蛋白和谷蛋白含量在面筋中各不相同。

粉色、麸星是衡量小麦粉加工精度的主要指标。表3为不同品种小麦粉的加工精度指标,由表3可以看出,9种小麦粉L*值均大于90,表明小麦粉粉色明亮且麸星含量较低。研究表明,小麦粉之间的颜色差异主要受到麸星、矿物质、色素以及多酚氧化酶等因素的影响[24]。

2.3 小麦粉糊化特性分析

普通小麦粉的糊化温度一般为65.0～68.0 ℃,在水中,淀粉分子随着温度的增加发生溶胀、分解并通过氢键相互作用、范德华力形成胶体溶液,而加热后的淀粉溶液在逐渐冷却的过程中,淀粉分子间重新排序恢复微晶状结构,产生老化现象。不同品种小麦粉糊化特性如表4所示。

峰值黏度为2 289.5～3 175 cP,郑麦366与郑麦918峰值黏度相差近1 000 cP。最低黏度为1 820.0～2 249.0 cP。最终黏度为2 993.5～3 543.0 cP。随着小麦蛋白质的含量升高,小麦粉的峰值黏度整体上逐渐下降。糊化过程中,面筋蛋白形成网状结构将淀粉颗粒包裹其中,阻碍了淀粉颗粒吸水膨胀,导致峰值黏度降低。淀粉颗粒包裹的越多,小麦粉的糊化温度越高。其他研究还表明小麦粉的黏度受直链淀粉含量、淀粉粒径和破损淀粉含量等多种因素影响[25-26]。

峰值黏度与最低黏度的差值即为衰减值。淀粉的衰减值在一定程度上反映了淀粉糊的热稳定性。较小的衰减值表明小麦淀粉在高温下具有更好的耐剪切性和热糊稳定性[25]。9种小麦粉的衰减值为307～1 013 cP;郑麦366的衰减值最大,表明在较高的温度条件下,其小麦淀粉颗粒耐剪切性能较差,比其他小麦淀粉容易破裂。郑麦918的衰减值最小,只有307 cP,表明其淀粉颗粒在高温条件下耐剪切性能好,适用于制作流体类产品。

回生值可以反映淀粉形成凝胶的能力。9种小麦粉的回生值为1 028～1 319 cP。新麦26的回生值最大,表明以新麦26为原料的面制品老化速度最快。面包、馒头类烘焙食品的老化问题,仍是全世界范围内仍在不断解决的难题。但部分食品如粉丝、凉皮等也可以利用老化作用加工而成。在小麦的相关研究中,研究者常选用周麦36、郑麦366、新麦26、新麦45等小麦作为研究对象[27]。企业也常将新麦26、新麦28、郑麦366、郑麦369、郑麦379等优质强筋小麦作为加工原料,用于生产优质专用粉[22]。周麦36、郑麦366、新麦26、新麦45小麦粉的糊化特性与其他研究结果相近。关于其他5种小麦的糊化特性研究较少。表4显示,周麦32、周麦33的糊化特性与周麦36的糊化特性相近,周麦52、豫农908与郑麦366的最终黏度、回生值相近,郑麦918在糊化过程中黏度整体偏低。在应用中,可以考虑多种小麦综合利用。

2.4 面团流变学特性分析

2.4.1 小麦粉粉质特性分析

中强筋小麦粉在面制品加工过程中,形成时间与稳定时间均较长,同时弱化度相对较小,粉质指数较高。不同品种小麦粉的粉质特性如表5所示。

9种小麦粉的稳定时间均大于6 min,吸水率大于58%,符合我国小麦品种品质分类中强筋小麦粉要求。郑麦366、郑麦918、豫农908、新麦26和新麦45吸水率较高,为63.0%～68.0%。面粉中淀粉种类、纤维含量和蛋白质含量的不同会引起面团吸水率的变化,而较高的蛋白质含量是导致小麦粉吸水率增加的主要因素。吸水率可以预测面团加工品质并评价面粉质量。吸水率越高的面粉,其面制品成品率越大,相对而生产成本越低[28]。郑麦918、豫农908和新麦26的形成时间分别为36.0、45.3、27.2 min,稳定时间分别为47.2、42.6、31.8 min,是其他6种小麦的4～7倍,筋力远超强筋小麦标准。表明这3种粉在面团稠度达到最大时所需要的的时间更长,而且在很长的搅拌时间内能保持稳定的高稠度的状态。形成时间和稳定时间往往与面筋指数呈正相关关系,面粉的面筋指数越大表明面包筋力越强,面粉的耐搅拌性越好[8, 10]。弱化度为9.0～66.0 F.U.。除了周麦32,其余小麦粉的弱化度均在正常范围内。弱化度可以反映面团在过渡搅拌后面筋变弱的程度,数值越大,面筋筋力弱化程度越大,面团发软变黏,不宜加工。粉质指数是对面粉质量的综合评价。粉质指数越大表明面团筋力弱化速度越慢,9种小麦粉的粉质指数均大于80,符合我国强筋小麦品质标准。周麦32的弱化度最大,且吸水率、形成时间和稳定时间均为最小。说明周麦32在这9种小麦中,其面粉的耐搅拌性能最差。

2.4.2 小麦粉拉伸特性分析

拉伸曲线面积和拉伸比值是拉伸特性中最为重要的指标[11]。这2个参数对于评估面团的筋力和持气能力具有重要意义。表6为不同品种小麦粉的拉伸特性,数据显示周麦32、周麦33、周麦36和周麦52的小麦粉与其他5种小麦粉相比,其拉伸曲线面积和最大拉伸阻力数值明显偏小,并且最大拉伸阻力增加幅度随着醒发时间的延长而逐渐变小,表明这这4种小麦在发酵过程中持气性能相对较差。

拉伸比值是指最大拉伸阻力与延伸度的比值,能够反映面团的延伸性和抗延伸性。比值小,则面团弹性差;比值大,则延伸性差。由表6可知,周麦32的拉伸比值最小,表明此面粉揉合而成的面团比其他面团流动性强,弹性弱。有大量研究表明,郑麦366、郑麦918、新麦26和新麦45在不同测试中均表现出较好的蛋白质品质[27-29]。在45、90和135 min的拉伸测试中,如果面团的拉伸阻力大幅度增加,则表明该面粉在发酵、揉混和醒发阶段都能够表现出良好的性能,其面团在整个加工过程中都能够保持较高的弹性和韧性,有利于制作出质地均匀、口感出色的面制品[19]。

2.4.3 小麦粉吹泡特性分析

吹泡仪指标中,P值可以评估面团的韧性,P值越大,说明面团能够更好地抵抗外部压力,即面团的韧性越强。L值代表面团膨胀破裂的最大距离;G值代表充气指数;L值和G值可以评估面团的延伸性。较大的L值和G值表明面团在膨胀过程中具有更强的延伸性。W值代表吹泡过程中所消耗的能量,代表面团的烘焙力。W值越大,面包烘焙体积越大。P/L值代表吹泡曲线构形,P/L数值越大,面团则表现为较强的韧性和较差的延伸性;反之,较小的P/L值面团则表现为较强的延伸性和较差的韧性。

表7为不同品种小麦粉的吹泡特性。周麦32和周麦36的L值和G值均大于其他小麦粉,P值、W值和P/L值均小于其他小麦粉。表明周麦32和周麦36这2种面粉的韧性较差,延伸性较好,这与拉伸特性结果一致。而且除周麦32和周麦36以外,其余小麦面团P值均远大于L值。表明周麦33、周麦52、郑麦366、郑麦918、豫农908、新麦26和新麦45面团韧性过强,延伸性较差,与其小麦粉的稳定时间较长结果一致。这是由于不同小麦中蛋白质含量和质量不同,麦谷蛋白含量较高,面团韧性越好,醇溶蛋白和麦谷蛋白的不同构成比例和特性决定了面筋网络结构的质量[29]。

2.5 小麦样品面团流变学特性指标与品质指标的相关性分析

小麦品质指标与粉质特性和吹泡特性的相关性如图1所示。图2为小麦粉小麦品质指标与拉伸特性的相关性分析热图。

在基础指标方面,硬度指数与小麦灰分、蛋白质、破损淀粉含量、面筋指数成正相关关系。这与大量研究结果一致[4-5, 14]。在流变学特性方面,硬度指数与吸水率、稳定时间、粉质指数、拉伸特性、吹泡P值、P/L值和W值呈正相关关系,与弱化度、吹泡L值和G值呈负相关关系。蛋白质含量和面筋指数是影响面团流变学特性的主要因素,通过本文的实验及相关性结果分析可知,小麦硬度可以用于评估两者含量的高低进而判断面粉品质。此外,硬质小麦具有更高的出粉率,磨粉品质也更佳。因此在实际生产中,若小麦收购价格相同,企业可以优先采购硬度较高的小麦籽粒作为优质原料。

小麦粉灰分与蛋白质、破损淀粉和面筋指数呈正相关关系。小麦粉灰分和面团流变学特性的相关性与硬度指数相似,与吸水率、形成时间等呈正相关关系,与弱化度、吹泡L值和G值呈负相关关系。灰分可以反映麸皮与胚乳分离的彻底性。麸皮中矿物质和戊聚糖含量较高。麸皮与胚乳分离效果越差,面粉中麸星含量越大,灰分越高。此外,随着灰分增加,小麦粉中戊聚糖含量可能有所增加,导致小麦粉的形成时间、稳定时间的延长。但在实际小麦粉生产中,灰分含量最高的次粉混入小麦粉中,会降低面团的耐搅拌特性,导致面团弹性变小、筋力变弱、品质出现劣化现象[6]。由高灰分的小麦粉制作的面制品在比容、色泽等方面品质较差。而且灰分过高的小麦粉还存在微生物和重金属超标的隐患。因此,控制好小麦粉灰分,才能在面粉的安全性得到保障的同时提高面制品品质。

破损淀粉、蛋白质含量和面筋指数与面团流变学特性呈正相关关系,其中与吸水率、形成时间、稳定时间、粉质指数、吹泡P值、拉伸面积和拉伸阻力的相关系数较高。但湿面筋含量与面团流变学特性相关性与之相反。且湿面筋含量与面筋指数呈负相关关系,表明9种小麦粉的湿面筋含量虽然大,但面筋筋力整体不强。所以在实际加工中,常会出现湿面筋和蛋白质含量较高,但面粉筋力差,强筋不强的现象。这也侧面反映出我国虽然小麦品种繁多,但品质稳定的优质专用小麦较少[28]。因此,面制品加工中,企业不应只关注面粉的蛋白质和湿面筋含量,更应注重面粉筋力是否符合加工要求。此外,科研者也可以以提高小麦面筋指数与湿面筋含量同步性及落脚点,加大小麦品种的选育和推广种植工作。

3 结论与讨论

综上,9种小麦理化指标均达到我国《小麦品种品质分类》标准中的中强筋小麦品种要求。郑麦366、郑麦918、豫农908、新麦26、新麦45种小麦在流变学特性测试中表现极佳,可以为优质强筋小麦粉原料选择提供新的选择。硬度指数、灰分、蛋白质含量、面筋指数与面团流变学特性成正相关关系。因此,在探究小麦品质指标与面团流变学特性时,可以从小麦籽粒硬度、灰分、蛋白质含量和面筋指数等方面出发,结合利用粉质仪、拉伸仪等流变学特性检测仪器的综合分析。湿面筋含量与蛋白质含量不相关,与面筋指数呈负相关关系。表明小麦存在湿面筋含量与蛋白质含量和面筋指数不同步的现象,间接反映出我国小麦品质不稳定的问题。

对小麦品质进行多角度评价,探索籽粒与面粉之间各项指标的内在联系,是品质研究和品种改良的重要基础。针对不同产品加工要求,企业可以根据硬度、蛋白质含量和面筋指数等指标快速准确地选择原料,这有利于小麦的工业化利用。此外,随着优质专用小麦的市场需求不断增大,提高小麦品质稳定性是必须攻克的难题。

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