小麦是青海省的主要粮食作物之一,长期以来由于育种工作更注重产量提高以及青海省特定的地理环境因素造成青海省小麦品质较差,主要表现为筋力较弱,蛋白质含量较低且质量较差,限制了其在食品工业中的应用[1]。小麦粉作为食品制造业中的关键基础原料,其质量特性对最终食品的风味、组织结构及营养构成具有直接影响。因此,如何改善小麦粉的品质,对于提升青海省小麦粉的市场竞争力和应用价值具有重要的意义。
传统的小麦粉改性方法,如化学改性、酶解改性等,虽然能够改善小麦粉的某些特性,但可能带来化学残留,对小麦粉天然特性产生不利影响[2]。磁场改性技术作为一种新兴的物理改性手段,具有无化学添加、操作简便、环境友好等优点。近年来,磁场技术在农产品加工中的应用研究逐渐增多。研究表明,适宜的磁场参数如强度、频率、波形等对农产品原料可产生特异性的非热效应[3]。在改性方面,磁场处理已被证明可以改变预胶化木薯淀粉的结构,促进分子链的断裂和重组,增强分子的有序性[4];同时,磁场还可以通过改变鸽子铁-硫蛋白分子振动的排列和扭曲,从而影响构象变化[5];经磁场辅助冻融循环处理的面团,其谷蛋白大分子聚合物的解聚得到了有效的抑制,使得面筋蛋白的二级结构更加有序,增强面筋网络的强度和稳定性[6]。但关于磁场是否能有效改善小麦粉的新鲜面团特性及提升生鲜面条品质的研究报道较少。因此,本研究旨在通过对小麦粉进行磁场处理,解析其面团和面条品质特性,探讨磁场处理对提高小麦粉品质的可行性,为小麦粉的开发利用,产后增值增效,以及磁场技术在食品领域的深入研究和应用提供理论参考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
阿勃春小麦粉(水分含量11.46%,蛋白含量10.01%,湿面筋含量24.61%),西北高原生物研究所;食用盐,市售。
1.2 仪器与设备
MFF10磁场辅助冷冻冷藏箱,无锡英都斯特感应科技有限公司;MesoMR23-060V-I核磁共振成像分析仪,上海纽迈电子科技有限公司;Mixolab2实验混合仪,法国肖邦技术公司;MCR302旋转流变仪,奥地利安东帕公司;TA-XT plus物性分析仪,英国SMS公司;GZX-9246 MBE数显鼓风干燥箱,上海一恒科学仪器有限公司;FKM-150家用电动压面机,浙江俊媳妇厨具有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 小麦粉的磁场处理
小麦粉经120目过筛后,将6组用聚乙烯袋密封的小麦粉分别放入不同强度磁场(0、2、4、6、8、10 mT)培养箱中处理96 h,保持25 ℃的恒定温度。培养箱中心20 cm×20 cm×20 cm的空间用于放置样品。
1.3.2 面团水分分布的测定
参照张艳艳等[7]的方法采用低场核磁共振仪对面团的水分分布进行测量,并稍作修改。按小麦粉、水质量比2∶1和面,制得小麦面团。取5 g面团样品,用生料带将其包裹,放置于专用的检测管内,并随后将检测管置于核磁共振设备的永久磁场中心检测室内,采用Carr-Purcel1-Meiboom-Gil1(CPMG)脉冲序列测定样品的自旋-自旋弛豫时间T2。实验的具体参数设置如下:采样点数199 990,回波个数8 000,重复扫描次数12,半回波时间0.08 ms,衰减弛豫时间2 000 ms。
1.3.3 面团混合特性的测定
采用混合实验仪的标准“Chopin+”协议测定小麦粉面团的热机械特性[8]。实验采用的具体参数配置为:水分含量14%(湿基)、面团质量75 g、目标扭矩(1.1±0.05) Nm、转速恒定维持在80 r/min;整个测定过程分为3个阶段:面团的形成阶段在30 ℃恒定温度下进行,持续8 min,升温阶段以4 ℃/min的速率逐步上升,直至90 ℃,并在此温度下维持7 min,最后冷却阶段以4 ℃/min的速率逐步下降,直至50 ℃,并在此温度下维持5 min。
1.3.4 面团动态流变学特性的测定
参考CHEN等[9]的方法稍作修改。采用实验混合仪制备新鲜面团,使其扭矩达到(1.1±0.05) Nm后,精确称取5 g面团样品。选择PP50探头,设置测试间隙为2 mm,实验温度为25 ℃,并将面团样品压制成2 mm厚的面片。样品装载完成后,轻轻刮掉边缘多余的面团,在样品台上静置5 min达到平衡状态。随后,以1 Hz的频率从0.001%到100%进行应变扫描测试,旨在确定面团的线性黏弹性区域。最终在0.1%恒定应变下,进行0.01～100 Hz的频率扫描实验。测定新鲜面团贮存模量和损失模量的差异,这2个模量分别缩写为G′和G″。
1.3.5 面条的制作
小麦粉、水、盐分别按100∶35∶2的质量比称取,放入和面容器中保持一个方向搅拌使其呈絮状,放入密封袋,在恒温培养箱中35 ℃醒发20 min。调整电动压面机,第1次反复压延5次得到8 mm厚的面片,第2次反复压延5次得到4 mm厚的面片,第3次反复压延5次得到2 mm厚的面片,完成压片后,将其均匀切成1 cm宽的面条,封袋备用。
1.3.6 面条蒸煮特性测定
参考YU等[10]的方法,首先取5 g生鲜面条,放入300 mL沸水中煮制,从2 min开始,每15 s从沸水中捞出3根面条夹在2片透明玻璃板之间,观察面条中部白芯的变化,白芯刚好完全消失的时间即为面条的最佳蒸煮时间。将面条捞出并放在滤纸上,将多余水分吸干后称重(m2)。收集剩余的面汤,用蒸馏水稀释至500 mL,混匀后,取100 mL稀释面汤转移至已恒重烧杯(m3)中,将其放在电炉上加热蒸发至面汤接近黏稠状,随后将其放入105 ℃烘箱烘干,恒重后对残渣进行称量(m4)。吸水率及蒸煮损失根据公式(1)和公式(2)计算:
吸水率
(1)
蒸煮损失率
(2)
式中:m1,面条煮前质量,g;m2,面条煮后质量,g;m3,干燥至恒重后空烧杯质量,g;m4,干燥至恒重后含残渣烧杯质量,g。
1.3.7 面条全质构特性的测定
参照任元元等[11]的测定方法,并稍作修改。取出5根面条样品,将其置于500 mL沸水中煮制,直至煮至最佳蒸煮时间。随后将面条挑出于蒸馏水中冷却1 min后捞出,并沥干多余水分。使用P/36R探头进行测定,依次取出每根面条放置于载物台上。为确保数据的可靠性,对每个样品做5次平行。其中,参数设置为:测前速度2 mm/s;测试速度1 mm/s;测试后速度2 mm/s;压缩比70%;两次压缩之间的时间间隔1 s;触发力5 g。
1.3.8 面条拉伸特性的测定
参照杨芝[12]的测定方法,并稍作修改。采用CodeA/SPR型号探头测定,将煮好的面条两端用纸进行包裹,以防止在固定及实验过程中面条因直接受力被夹断。随后,将包裹好的面条固定在质构仪2个拉伸轮之间,上轴以恒定速度向上拉伸面条,直至面条发生断裂。每个样品做5次平行。拉伸参数设置为:测前速度2 mm/s;测试速度2 mm/s;测试后速度10 mm/s;应变高度为50 mm;触发力5 g。
1.4 数据分析与处理
采用SPSS 26.0对以上数据进行相关性分析,P<0.05表示差异显著,利用Origin 2021作图。
2 结果与分析
2.1 磁场改性小麦粉对面团水分分布的影响
面团的T2图谱根据弛豫时间主要分为3个峰区(图1-a):T21(0.1～4 ms)、T22(4～40 ms)和T23(50～200 ms)。其中,T21对应结合水,即与蛋白质分子表面极性基团紧密结合的水分;T22对应半结合水,即与淀粉和糖类等大分子结合的水分;T23对应游离的自由水[13]。不同面筋面团样品所对应的弛豫时间(T21、T22和T23)和所对应的峰面积百分比(A21、A22和A23),如图1-b、图1-c和图1-d所示。随着磁场强度由0 mT增加到8 mT,面团的强结合水和自由水含量呈增长趋势,其中,强结合水含量的上升趋势更为显著;而弱结合水含量呈逐步下降的趋势。这可能是由于磁场通过影响分子间的相互作用,增强了氢键的稳定性[14]。使得面团中淀粉、面筋蛋白等分子通过氢键紧密结合,促进了面团的水合作用,形成更加连续和稳定的面筋网络结构。而当磁场强度继续增加到10 mT时,面团的强结合水含量降低,过强的磁场可能会破坏面筋蛋白的二级结构,减弱面筋蛋白与水分子间的结合能力。张艳艳等[7]研究也发现磁场可以加速面团中的水分分布,降低面团中自由水的含量。强结合水含量的增加使得面筋网络变得更加稳定,有助于提高面团的弹性和韧性[15]。说明磁场处理通过影响小麦粉中大分子物质与水分子的相互作用力,增强了面团的稳定性。
a-T2分布图;b-T21和A21的变化;c-T22和A22的变化;d-T23和A23的变化
图1 磁场处理对小麦粉面团水分分布的影响
Fig.1 Effect of magnetic field treatment on water distribution of wheat flour dough
注:图中不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。
2.2 磁场改性小麦粉对面团混合特性的影响
通过混合实验仪对面团形成和发展过程中混合特性的变化进行测定。由表1可知,随着磁场强度的增加,小麦粉的面筋弱化谷值C2及回生值C5～C4呈先升高后降低的趋势,面筋弱化谷值和回生值的显著提高证明磁场处理增强了面筋的耐高温搅拌特性,并使得面团冷却过程中淀粉分子的再聚集程度提高,导致面团的质地变得更加紧实[16]。与未经磁场处理的面团相比,经过磁场处理的小麦粉面团的峰值黏度C3、保持黏度C4、弱化度C1～C2和黏度崩解值C3～C4均显著降低,最终黏度C5升高,说明磁场处理有效提升了小麦淀粉颗粒的糊化性能,并增强了面筋蛋白结构的稳定性,促进了蛋白质与淀粉之间的相互作用[17]。而在磁场强度增强到10 mT时,这些趋势变得缓慢甚至起到相反的作用,这可能是由于磁场强度过高导致面筋蛋白的过度交联或部分结构被破坏。综合来看,8 mT磁场强度处理小麦粉对于面团的混合特性具有更加积极的影响。
表1 磁场处理对小麦粉面团混合特性的影响
Table 1 Effect of magnetic field treatment on mixing characteristics of wheat flour dough
注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。
指标磁场强度/mT0246810C2/(N·m)0.349±0.001d0.354±0.001cd0.360±0.004bc0.362±0.003ab0.367±0.002a0.360±0.004bcC3/(N·m)1.861±0.006b1.778±0.004c1.753±0.004d1.778±0.002c1.787±0.006c1.894±0.010aC4/(N·m)1.752±0.017b1.729±0.008bc1.706±0.001c1.735±0.006b1.749±0.009b1.808±0.013aC5/(N·m)3.353±0.015d3.367±0.001cd3.382±0.006c3.443±0.001b3.446±0.007b3.472±0.006aC1^C20.765±0.002a0.762±0.006a0.747±0.001b0.742±0.005bc0.738±0.001c0.757±0.002aC3^C40.109±0.011a0.049±0.005c0.047±0.003c0.043±0.004c0.039±0.004c0.087±0.004bC5^C41.601±0.002d1.638±0.010c1.676±0.008b1.708±0.006a1.698±0.002a1.664±0.007b黏度指数766677
2.3 磁场改性小麦粉对面团流变学特性的影响
面粉与水混合均匀后,会形成具有一定流动性和黏弹性的面团,面团的流变学特性在一定程度上能反映终产品的品质[18]。图2为不同强度磁场处理对面团的流变学特性影响的结果。在测定频率范围内,弹性模量G′均大于黏性模量G″,弹性在面团中占据主导地位,表明面团主要体现类似固体的特征。随着磁场强度的增加,面团的G′和G″呈先上升后下降的趋势,这说明磁场可能促进了小麦粉中蛋白质分子的有序排列,增强了面筋网络的形成,这与先前的面团水分分布结果一致[19]。结果表明,经过6 mT磁场强度处理的小麦粉样品,其面团黏弹性达到最大值。因此,施加适当的磁场强度处理小麦粉能够增加面团的黏弹性。
a-G′随角频率的变化曲线;b-G″随角频率的变化曲线
图2 磁场处理对小麦粉面团的动态流变学特性的影响
Fig.2 Effect of magnetic field treatment on dynamic rheological properties of wheat flour dough
2.4 磁场改性小麦粉对面条蒸煮特性的影响
面条的蒸煮特性是评价面条质量的一个重要参数,它主要与面筋网络结构以及淀粉与面筋网络结合程度有关[20]。当面筋网络结构受损,或者淀粉与面筋网络的相互作用削弱时,面条在蒸煮过程中的质量损失以及水分吸收量将趋于增加,具体表现为面条的软塌或断裂倾向加剧。由图3可知,2 mT磁场强度下处理的样品,其面条蒸煮后的吸水率与未经磁场处理的对照组相比,并未呈现出显著差异。而随着磁场强度的增加,这些小麦粉所制成面条的吸水率和蒸煮损失率均显著降低,当磁场强度增加到8 mT时,吸水率和蒸煮损失率分别降低26.02%、20.76%。这可能是由于磁场处理后,促进了面团中水分的重新分布,使得水分与面筋和淀粉的结合更加紧密,形成更加稳定的凝胶结构,从而降低蒸煮损失率;更致密的网络结构阻挡了水分子的进入,这也是吸水率降低的主要原因。
图3 磁场处理对小麦面条蒸煮特性的影响
Fig.3 Effect of magnetic field treatment on cooking characteristics of wheat noodles
2.5 磁场改性小麦粉对面条全质构特性的影响
全质构测试是一种客观模拟人口腔对面条品质感知的技术,通常其评价指标与感官评定的韧性、适口性、黏性和总体可接受度呈高度相关[21]。由表2可知,与空白对照组相比,磁场改性小麦粉面条的硬度、黏附力和咀嚼性均显著降低(P<0.05)。这种变化在磁场处理强度为6 mT时最显著,其中硬度、黏附力以及咀嚼性分别降低了29.67%、47.87%、21.50%。磁场处理后面条的弹性,凝聚力和回复性均显著增强(P<0.05)。
表2 磁场处理对小麦面条全质构特性的影响
Table 2 Effect of magnetic field treatment on total texture characteristics of wheat noodles
磁场强度/mT硬度/g黏附力/(g·s)弹性凝聚力咀嚼性回复性04 004.145±48.731a-275.271±7.616e0.872±0.001d0.685±0.002e2 388.670±34.535a0.236±0.000e23 143.399±15.908b-249.653±3.630d0.942±0.001b0.684±0.001e2 025.402±17.479c0.245±0.001d43 171.878±22.356b-219.807±1.884c0.925±0.003c0.693±0.001d2 031.819±22.608c0.248±0.001cd62 816.046±5.945d-143.503±1.944a0.947±0.001b0.704±0.005c1 875.083±7.834d0.251±0.001bc83 113.973±22.356bc-208.001±6.148b0.979±0.010a0.743±0.001a2 263.671±41.295b0.264±0.006a103 059.918±34.498c-206.622±2.770b0.925±0.004c0.696±0.003b2 018.380±17.037c0.254±0.001b
这可能是由于磁场处理后,增强了蛋白质之间的相互作用,使得面筋网络结构更加致密稳定。观察面条质构的变化趋势,结合面团的流变特性分析结果可知,面团黏弹性与面条质构特性存在一定相关性。小麦粉经过磁场改性后,其面条口感变得更加细腻爽滑,偏软但富有弹性。
2.6 磁场改性小麦粉对面条拉伸特性的影响
小麦粉在8 mT磁场强度下处理后,其面条的拉伸强度和拉伸断裂距离显著提高(P<0.05),拉断伸长率由175.71%增加到201.67%(图4)。推测其原因可能是磁场可以诱导淀粉颗粒及蛋白质结构发生改变,增强淀粉及蛋白质的分子间相互作用,形成更加稳定紧密的网络结构。先前的研究也证实磁场强度的增加对淀粉的空隙结构有压缩作用,使得淀粉具有更好的热稳定性和抗剪切性[22]。此外,当磁场强度进一步提升到10 mT后,这种促进效果反而被削弱,这可能是由于高强度磁场破坏了面筋网络的连续性,网络结构有序化程度降低,导致其稳定性下降,削弱了面条的拉伸特性。
图4 磁场处理对小麦面条拉伸特性的影响
Fig.4 Effect of magnetic field treatment on tensile characteristics of wheat noodles
3 结论
通过分析不同强度磁场条件对小麦粉的面团水分分布、混合特性、流变特性以及面条的蒸煮品质,质构特性的影响,发现磁场处理是提高小麦粉加工品质的有效方法。尤其在8 mT磁场强度下处理小麦粉,显著提升了其面团的强结合水比例、面筋弱化谷值,增强了其面团的网络结构稳定性,降低了面条的蒸煮损失率,并使得其面条的口感更爽滑且富有弹性。
由于带电粒子的运动会改变分子间的电子云分布,影响分子间作用力的形成。因此,在磁场改性小麦粉过程中,磁场可能通过磁弹性耦合产生局域的晶格畸变,即改变面筋蛋白和淀粉分子的排列方式,这种改变可能使得氢键的平行取向具有更低的能量,从而促进氢键的有序排列。在此作用下,磁场诱导小麦粉中大分子进行分子重排,增强了水分子与淀粉及蛋白质之间的相互作用,促进了面团的水合作用,使得面团网络结构更加稳定致密,进而表现出更具有弹性的凝胶结构。此外,与未处理小麦粉相比,磁场处理改善了面条的质构品质,使其在面制品加工中展现更高的可接受度。综上,不同磁场强度处理小麦粉可以为生产高质量的小麦面条提供一定的理论依据。
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