荞麦是一种兼具食用与药用的作物,其生长周期较短,耐旱、适应贫瘠土壤、抗逆性强,是典型的“救灾作物”和“填闲作物”[1]。荞麦被称为“五谷之王”,营养全面且具功能性,蛋白质含量10%～15%,它富含人体所需的全部8种必需氨基酸,是配比均衡的优质蛋白质来源[2]。传统的由小麦粉制成的面制品由于存在醇溶蛋白而对麸质敏感性人群并不友好,而荞麦这种高营养且具功能特性的假谷物原料有助于提升无麸质面制品的品质。与传统的馒头相比,荞麦馒头中富含膳食纤维(9%～11%)、蛋白质(11%～16%)、抗性淀粉(7.5%～35.0%)以及荞麦碱(13.66～19.57 mg/g)等成分,均有助于降低食物的血糖生成指数(glycemic index, GI),因此更适合糖尿病等慢性病患者作为膳食选择[3],但由于荞麦面团在发酵过程中缺乏面筋蛋白,导致面团的持气性和延展性较差,发酵过程中气体保持能力不足,影响发酵产品的体积和质地,使得荞麦发酵食品在品质上难以与传统小麦发酵食品相媲美,限制了荞麦在发酵食品领域的广泛应用。
磁场作为一种新型的非热物理处理方法已在食品加工的多个方面展现出应用潜力。该技术具备操作简便、能耗低、无化学残留的特性,尤其适用于热敏性食品和传统谷物荞麦和青稞制品等食品的加工。其对蛋白质二级结构,淀粉结晶度的定向调节能力,更为低致敏性谷物和高弹性面制品等功能性食品的开发提供了精准的技术路径[4],Song等[5]通过采用磁场辅助技术对马铃薯生浆面团进行发酵处理,发现该技术能有效促进水分与底物的结合,增强面筋网络结构的稳定性。He等[6]的研究表明磁场处理能够通过影响面筋蛋白的分子排列,增强面筋网络结构,从而提升面团的弹性、延展性和持气能力。
课题组前期研究[7]发现,磁场处理可通过调控面团的水分分布状态及均匀诱导面筋蛋白分子结构发生改变,使其更加稳定,持气性更强,从而改善面团的发酵特性及馒头的品质。另有研究表明适当强度的磁场处理可促进酵母细胞的生长和代谢,改变面团中淀粉和蛋白质的理化特性,从而改善面团的发酵性能[8]。本研究拟采用磁场辅助醒发荞麦面团,以期改善其发酵特性,提高馒头品质,为营养主食的开发与设计提供新方法。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
甜荞麦粉,内蒙古格琳诺尔生物股份有限公司;酵母,安琪酵母股份有限公司;戊二醛、罗丹明,上海麦克林生化科技有限公司。
1.2 仪器与设备
MF50磁场试验箱,英都斯特(无锡)感应科技有限公司;NMI-120低场核磁共振成像分析仪,上海纽迈电子科技有限公司;XT plus质构仪、DHR1旋转流变仪,美国TA公司;AL-240电子分析天平,上海梅特勒-托利多有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 荞麦面团的制备
取300 g荞麦面粉、3 g酵母、180 mL置于容器内充分搅拌混合。随后,将混合均匀的面糊转移至和面机,设定为1挡转速(48 r/min),持续搅拌10 min,使面团形成良好的面筋网络结构。待和面工序完成后,将面团取出,放入轧面机中,依次进行6次压制处理,以此改善面团的延展性与致密性。最后,将压制好的荞麦面团封装于保鲜袋中并密封,以待后续实验使用。
在30 ℃条件下置于磁场实验箱中发酵1 h。处理过程中,分别施加0、1、2、3、4 mT不同强度的梯度磁场。
1.3.2 馒头的制备
参照贺子婕[9]的方法并稍作修改:将发酵好的荞麦面团按80 g/份分割、揉搓整形后,置于加有2 L冷水的蒸锅中,大火汽蒸30 min。
1.3.3 面团发酵体积测定
称取15 g和好的面团,轻压在50 mL量筒底部,将量筒放入30 ℃磁场箱,分别在0、1、2、3、4 mT的磁场强度下醒发60 min,记录面团的最终醒发体积。
1.3.4 馒头比容测定
参考陈燕[10]的方法稍作修改,将蒸制好的荞麦馒头于室温下冷却1 h后,称量其质量(精确至0.1 g);随后采用小米置换法测定其体积(精确至5 mL);其比容(C)的计算如公式(1)所示:
(1)
式中:C,馒头比容,mL/g,m,馒头质量g;V,馒头体积,mL。
1.3.5 面团流变特性测定
参照李居阳[11]的方法并稍作修改,使用旋转流变仪测定面团的流变特性。采用40 mm平行板,在25 ℃、1%应变条件下,进行0.1～100.0 Hz的频率扫描,测定储能模量(G′)、损耗模量(G″)和损耗因子(tanδ)。测试前修剪多余样品,并在其边缘涂抹硅油以防止水分挥发。
1.3.6 面团水分分布
利用Q-CPMG脉冲序列对样品进行测定,参照刘长虹等[12]的方法并进行调整。将面团切成长方体(0.8 cm×0.8 cm×3.0 cm)放入磁场核磁管内进行试验。检测参数为:采样点数TD=166 446、重复扫描次数NT=16、TW=2 000 ms、TE=0.208 ms。
1.3.7 蛋白二级结构分析
称取1 mg冻干研磨后的荞麦面团粉末,并与100 mg烘好的KBr研磨混合均匀后用真空压缩机压片。使用傅里叶变换红外光谱仪(Fourier transform infrared spectrometer, FTIR)分析荞麦面团粉片的FTIR光谱,光谱检测范围4 000～400 cm-1。
利用Omnic 8.2与Perkfit 4.0软件对酰胺I带谱图进行基线校正、高斯去卷积处理,并通过二阶导数法识别特征吸收峰,定量分析面筋蛋白中各二级结构的相对含量。
1.3.8 面团微观结构观察
将经过磁场辅助发酵的荞麦面团冻干磨粉后放置在导电硅胶带的载物台上,对样品进行喷金处理,在20 kV的加速电压条件下,利用电子显微镜进行观察,并进行图像拍摄。放大倍数为1 000倍。
1.3.9 馒头质构特性测定
参考李素云等[13]的方法进行荞麦馒头的质构测。做好的馒头冷却1 h后,将其切成尺寸为2 cm×2 cm×1 cm的均匀薄片,确保所切薄片在大小和厚度上的一致性。选取TPA模式,采用TA/36R探头进行压缩实验。实验参数采用:压缩程度50%,压缩间隔5 s,触发力5 g,测试速率1.00 mm/s,测前速率2.00 mm/s,测后速率1.00 mm/s。
1.4 数据处理
数据首先通过Excel 2016完成整理与分析,再使用Origin 2021软件绘制图表;显著性检验采用SPSS 21.0进行,P<0.05表示数据之间存在显著性差异。每组实验重复3次,最终数据以“平均值±标准差”的形式呈现。
2 结果与分析
2.1 磁场处理对面团发酵体积的影响
面团的发酵体积与蛋白网络结构、淀粉可降解性及酵母的产气能力密切相关。由图1可知,在磁场强度递增的过程中,面团的发酵体积展现出先增大后减小的动态趋势,其中,当磁场强度设定为1.0 mT时,可获得最优的发酵效果,此时面团发酵体积为29.3 mL,较对照样品提高了21%。该现象的产生的原因可能为:发酵过程中,不断有气态物质生成并持续填充到面团里。在蛋白网络的介导下,这些气态物质不断积累,引发面团膨胀,最终使面团的体积发生变化[14]。这一结果表明,经过适当磁场处理后的荞麦面团中酵母的生存能力和活性都能够更好地保持,并且适当的磁场处理也可以稳定荞麦面团中的蛋白网络结构,防止结合水向自由水转换,从而让面团的发酵更加充分。
图1 荞麦面团的发酵体积
Fig.1 Fermentation volume of buckwheat dough
注:不同小写字母表示数据之间存在显著性差异(P<0.05)(下同)。
2.2 不同磁场强度对馒头比容的影响
馒头的比容代表了馒头的膨松程度和内部结构的疏密程度,是衡量馒头品质的一个重要指标[14]。由图2可知,随磁场强度的递增,荞麦馒头比容呈现先上升后下降的整体趋势。其中,当磁场强度为1.0 mT时,测得馒头的比容为1.9 mL/g,相较于对照组,其增幅高达18.7%。磁场处理后馒头比容变大的原因可能包括2个方面:首先,磁场处理优化了面团内部的水分分布状态,从而提高了水分分布的均匀性。水分分布的优化增强了面筋蛋白所形成的网络结构,为面团发酵提供了更为有利的条件,使得面团能够更充分地进行发酵,进而导致馒头比容增大[15]。其次是磁场处理能够有效缩短发酵时长,同时提升面团的发酵性能,这两大作用相结合,最终促使荞麦馒头的比容得以增大[16]。然而在磁场强度为2.0 mT时,馒头的比容开始下降。其潜在原因可能为,过强的磁场作用会对蛋白的二级结构及蛋白网络的连续性造成破坏,减弱了蛋白与水分子间的结合能力[17],导致面团的稳定性下降、发酵体积降低,最终导致荞面团的持气能力降低,馒头的比容下降。
图2 荞麦馒头的比容
Fig.2 Specific volume of buckwheat steamed bread
2.3 不同磁场强度对馒头质构特性的影响
如表1所示,当把经过磁场处理的荞麦馒头与未做任何磁场处理的对照组进行对比分析时,能够清晰地发现,磁场处理对荞麦馒头的质构特性产生了显著影响。具体而言,荞麦馒头的硬度和咀嚼性均呈现出明显的降低趋势,同时其黏性也有一定程度的减小;然而,在弹性、内聚性以及回复性这几个方面,经磁场处理后的荞麦馒头与对照组相比,并未表现出明显的差异变化。硬度与咀嚼性数值的下降表明馒头质地变得更加柔软[18]。弹性和内聚性可用于反映馒头结构的稳定性与持气能力[19]。在不同磁场强度处理中,1、3、4 mT条件下馒头的硬度和咀嚼性均较对照组显著下降,而在2 mT时则无显著差异。其中,在1 mT磁场处理下,硬度下降了46.4%,黏性降低了42.3%,咀嚼性降低了30.5%。这些质构特性的改善可能与磁场处理使面团水分分布更均匀、蛋白质网络结构更完整有关,从而赋予馒头更柔软的口感和更优的整体品质。
表1 荞麦馒头质构特性
Table 1 Textural properties of buckwheat steamed bread
注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。
磁场强度/mT硬度/g弹性内聚性黏性咀嚼性/g回复性08 907.43±1 277.62a0.89±0.02a0.77±0.01a6 732.99±899.82ab4 668.98±849.31a0.44±0.02a14 770.61±270.21c0.84±0.02b0.71±0.05a3 884.98±382.65b3 243.38±405.49b0.39±0.03b28 580.97±362.60a0.85±0.03ab0.63±0.06b5 696.84±532.58a4 843.55±555.09a0.36±0.02b35 222.82±187.12c0.84±0.04ab0.75±0.02a3 936.82±142.69b3 337.76±159.01b0.42±0.02a46 881.03±1 083.11b0.80±0.03b0.77±0.04a4 163.62±798.62b3 625.29±353.35b0.43±0.02a
2.4 不同磁场强度对面团流变特性的影响
动态流变学特性反映面团中聚合物的交联程度和类型,面团中的面筋与淀粉或非淀粉多糖形成的三维网络结构是影响面团黏弹性的重要因素[20]。储能模量G′是指面团形变后恢复到初始状态所需的能量,反映面团的弹性,损耗模量G″是指面团因形变而损耗的能量,反映面团的黏性[21]。损耗因子tanδ是损耗模量和储能模量的比值,反映面团的综合黏弹性。如图3所示,随着磁场强度的增加,面团的G′和G″呈现出先增加后降低的趋势,且G′>G″,面团的tanδ始终小于1,说明荞麦面团的弹性模量大于黏性模量,面团偏向于固体弹性属性[22]。这一现象表明,在适宜强度的磁场处理下,荞麦面团中的蛋白可能更倾向于构建一个更为紧密、有序的空间网络结构,从而增强其弹性属性。
a-储能模量;b-损耗模量;c-损耗因子
图3 荞麦面团动态流变特性
Fig.3 Buckwheat dough dynamic rheological properties
2.5 不同磁场强度对面团水分分布的影响
水分对面团的结构、外观、持水性能和面制品品质等有着重要的影响[23]。T21代表体系内强结合水,主要是指与面团中的面筋蛋白、淀粉等大分子物质通过氢键等化学键紧密结合的水分子;T22代表弱结合水,主要是指通过较弱的范德华力等物理作用力与面团中蛋白质和淀粉大分子物质结合的水分子;T23代表自由水,是指在面团中不与其他成分结合,以游离状态吸附在面团表面的自由度较大的水分[24]。如表2所示,未经磁场处理的面团内水分主要以弱结合形态存在,其所占比例为92.3%。随着磁场强度的增加,弱结合水的比例呈现先增加后减少的趋势。磁场强度为1 mT时对荞麦面团中水分分布的调控效果最为突出,表现为强结合水含量最高,弱结合水含量最低。这可能是因为磁场通过影响分子间的作用力,增强了氢键的稳定性[17],从而将部分弱结合水转化为结合更紧密的强结合水。而3 mT强度条件下,弱结合水占比回升至93.6%,这说明过高强度的磁场可能会破坏面团的蛋白网络结构,使蛋白与水的结合能力下降,面团持水能力降低,从而使部分强结合水从被束缚的状态中释放出来,转化为结合力更弱的弱结合水,最终导致弱结合水相对含量上升。表明适当强度的磁场处理可以增强荞麦面团中蛋白的吸水能力,促进蛋白的水合作用,并有助于形成连续的蛋白网络结构,从而提升面团的持水能力并增强其稳定性[25],但磁场强度过高则会产生抑制作用。
表2 荞麦面团水分分布
Table 2 Water distribution in buckwheat dough
磁场强度/mTT21/%T22/%T23/%05.51±1.8a92.32±1.4a2.16±0.2ab1.04.46±0.7a93.40±0.7a2.13±0.1ab2.03.92±1.6a93.99±1.5a2.10±0.2b3.04.40±0.3a93.63±0.2a1.97±0.1b4.04.70±1.0a92.89±1.1a2.42±0.2a
2.6 不同磁场强度对蛋白二级结构的影响
蛋白质二级结构的稳定性主要依赖非共价力维系,其结构特征在一定程度上决定了蛋白质的加工特性。当外部环境条件发生变化时蛋白质分子会发生构象重排以趋向能量最低状态,从而维持自身结构的相对稳定性[26]。面筋蛋白的二级结构主要由α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规则卷曲构成,并且以α-螺旋为主,这也是面团具有柔韧性的主要原因[27]。其中前两者属于有序结构域,后两者属于无序结构特征。通过对荞麦面团蛋白二级结构的分析发现,在1 mT磁场强度下,荞麦面团蛋白的二级结构达到了最优的有序构象。由图4可知,随着磁场强度的增加,α-螺旋和β-折叠的相对百分含量呈现出先增加后减少的趋势,β-转角和无规则卷曲呈先下降后上升的趋势,在磁场强度为1 mT的时候,α-螺旋的相对百分含量最高,为36.5%,无规则卷曲相对百分含量最低,为23.5%。这可能是因为适宜强度的磁场能最有效地诱导蛋白质分子发生构象重排,促进谷蛋白亚基间通过氢键和共价键形成更稳定的交联网络,这直接体现为α-螺旋和β-折叠含量的增加[28]。二级结构的有序化转变强化了蛋白网络的稳定性,这与2.4节观察到面团tanδ始终小于1的流变特性结果一致,也说明一个更稳定、有序的蛋白网络必然具备更强的弹性模量。因此,1 mT强度的磁场辅助醒发荞麦面团通过稳定蛋白二级结构,为构建优质的三维网络奠定了基础,最终改善了面团的宏观流变性能。
a-红外光谱;b-二级结构相对含量
图4 荞麦面团蛋白二级结构
Fig.4 Buckwheat dough protein secondary structure
2.7 不同磁场强度对面团微观结构的影响
面团是由淀粉和蛋白质网络结构组成的混合体系[29],面团的内部结构在很大程度上决定了馒头的品质[30]。图5显示,面团由筋状、片状的蛋白质形成网络结构,其间嵌入并黏连着大小不同的圆形淀粉颗粒,共同构成了完整的蛋白网络体系。未经磁场处理的荞麦面团中的淀粉颗粒比较完整,但是淀粉颗粒大小和分布不均匀,且淀粉颗粒大多数暴露在外面,没有形成紧密的蛋白网络结构。磁场处理后的面团中这一现象有了明显的改善,在磁场处理的情况下淀粉颗粒分布均匀,且蛋白包裹形成了紧密的蛋白网络结构。说明磁场能够促进蛋白网络的形成并且加强了蛋白网络结构[31]。
a-磁场强度为0 mT;b-磁场强度为1 mT;c-磁场强度为2 mT;d-磁场强度为3 mT;e-磁场强度为4 mT
图5 荞麦面团微观结构
Fig.5 Microstructure of buckwheat dough
注:图中放大倍数为1 000倍。
3 结论
本文以荞麦面团为对象,研究了磁场辅助醒发对无麸质荞麦面团及馒头品质的影响,实验结果显示,在1 mT磁场条件下处理的荞麦面团发酵体积最大,且蒸制出的馒头比容也达到最大值,其硬度、黏附性及咀嚼性均显著降低。该条件有利于促进面团中水分的均匀分布,并且使面团中的蛋白质网络结构更加有序且稳定,从而增强了面团的弹性,进而提升馒头产品的整体品质。此外,磁场处理还降低了面团中自由水含量,有效抑制水分迁移,增强了面团的持水能力。然而过高强度的磁场处理会产生负面效应,蛋白网络结构的完整性遭受破坏,持气能力下降,最终导致面团膨胀程度降低与馒头比容下降的双重不良后果。本文为磁场技术在食品加工领域的应用提供了新的理论依据,并为荞麦无麸质产品品质的提升提供了技术手段。
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