在以小麦为主要原料的面包面团制品中,存在老化速度快保质期短、质构特性不佳、营养单一、蛋白质含量低等现象。随着消费者对健康意识的提升,富含纤维和必需营养素的面制品已成为大众的首选。为改善面包面团品质,食品工业领域采用添加酶制剂[1]、黄原胶[2]等改良剂,这些改良剂虽然在各自功能上具有一定优势,能提高面团的持水性和黏度,改善面包的质地,但过量添加会使面包口感黏腻,且无法提升蛋白质含量。添加乳清蛋白、乳酪粉[3]等动物蛋白来增加面筋网络结构、提高营养价值,但成本较高,且不适于所有人群。或者添加一些天然物质的引用例如辣木籽[4]、苦瓜粉[5]、茶叶[6]等,这些天然物质的引入无法实现消费者对于感官和营养价值的双重追求。
大豆分离蛋白(soy protein isolate,SPI)是一种高度精炼或纯化的豆类蛋白质,其蛋白质含量超过90%[7]。它是通过去除大部分非蛋白质成分(如脂肪、淀粉等)从脱脂大豆粉中提取的,没有脂肪和碳水化合物[8]。其主要特性有乳化性、起泡性、凝胶性和吸水性等,大豆分离蛋白在食品加工领域的应用越来越广泛[9]。大豆分离蛋白作为从天然原料中提取的食品配料,不仅含有优质蛋白质,还蕴含多种生物活性物质。并且大豆分离蛋白是一种优质植物蛋白,含有人体必需的8种氨基酸,且氨基酸组成较为合理,营养价值接近动物蛋白,因此大豆分离蛋白可部分替代价格较高的动物蛋白或面筋粉,在保证产品品质的前提下,降低原料成本,同时提升蛋白质的含量[10]。
本研究旨在探讨大豆分离蛋白对面包面团特性的影响。研究了面包面团流变学、水分分布、质构特性与微观结构、蛋白二级结构等方面,揭示其在面包面团中的应用潜力,为其在面包烘焙食品中的应用奠定基础。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
大豆分离蛋白粉由中国临沂山松农业发展有限公司提供;高筋小麦粉(以干基计,蛋白质含量12.95%),中国周口市益海麦业有限公司;白砂糖(纯度99.5%),山东省菏泽玉华堂食品有限公司;食用盐,临安三合园盐食品有限公司;活性酵母粉,湖北安琪酵母股份有限公司;安佳黄油,中国上海恒天然贸易有限公司。
1.2 仪器与设备
U8多功能厨师机,珠海家得宝电器实业有限公司;TA DHR-2食品流变仪,美国沃特斯公司;JJ223BC电子天平,常熟市双杰测试仪器厂;TA DHR-2低场核磁共振(low-field nuclear magnetic resonance,LFNMR),上海纽迈电子科技有限公司;D8ADVANCE X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD),德国布鲁克公司;TM3030Plus台式扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM),日本日立高新技术公司;JF-10 N-50A真空冷冻干燥机,杭州旌婓仪器科技有限公司;FJX-16醒发箱,广东德玛仕智能厨房设备有限公司;SM522烘烤箱,新迈机械有限公司;TA.XT.Express食品物性分析仪,英国Stable Micro Systems公司;VERTEX 70型傅里叶变换中远红外光谱仪(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR),德国Bruker公司。
1.3 实验方法
1.3.1 面包面团的制备
基于卢洁等[11]的方法,对面团的制作过程适当修改。使用大豆分离蛋白代替小麦粉的0.5%、1%、1.5%、2.0%(按干基质量计)。使用100 g高筋小麦粉和大豆分离蛋白、1.2 g活性干酵母、20 g白糖、1 g盐、51 g水放入多功能厨师机中,先以低速搅拌4 min搅打成团,再加入10 g黄油转高速揉面10 min。将面团放入5 ℃冰箱中松弛0.5 h,随后将面团分割成每个50 g的小面团,并用保鲜膜包裹,进行实验。
1.3.2 面包面团流变学的测定
参照崔会娟等[12]的方法略作改动,称取新鲜面团3 g置于流变仪测试平台上。采用动态频率扫描法来测定面团的流变学特性。设置测定温度25 ℃,平板夹具直径40 mm,形变量0.5%,平板间距1 mm,扫描频率范围0.1～80 Hz为实验条件设置。所有测量重复3次,测得每个样品的弹性模量(G′)和黏性模量(G″),用来评估面团的流变特性。
1.3.3 面包面团水分分布的测定
参考田金河等[13]的实验方法并稍作改动,使用LF-NMR可用于测量面团在横向松弛状态下的水分含量。将大约4 g的面团样品包裹在聚四氟乙烯袋中,并放置在直径为15 mm的玻璃管中,测定了结合水、弱结合水和自由水的比例。随后,将样品置于采样频率为2 000 Hz的玻璃瓶中,并设置3 500 ms的采样间隔。测定核磁共振的弛豫时间和峰面积。
1.3.4 面包面团XRD的测定
基于王宏伟等[14]的方法略作改动,对面团中小麦淀粉的XRD图谱进行了测试。从面团中提取用于X射线测试的样品冷冻干燥,然后研磨成粉末,并过100目筛网。分析样品粉末,工作电流和电压分别为40 mA、40 kV。角速度为10°/min,扫描方式为连续扫描。衍射角(2θ)的扫描范围为4～ 40°,用MDI Jade 6.0软件对XRD图谱进行分析。使用Origin 2021软件分析了峰区和非晶区的晶体特性,并通过晶体公式(1)计算相对结晶度:
式中:TC,相对结晶度;lc,晶区衍射峰积分面积(代表结晶部分强度);la,非晶区散射峰积分面积(代表非晶部分强度)。
1.3.5 面包面团微观结构的测定
根据洪婷婷[15]的方法进行修改。面团的微观结构通过SEM进行研究。将揉好的面团切成10 mm的方块,在-60 ℃下通过真空冷冻干燥机将样品冻干。将冻干样品固定,再在其表面撒上金粉。图像放大1 500倍拍摄,结果通过SEM图展示。
1.3.6 面包面团质构的测定
参考邢露露等[16]的方法,使用质构仪对新鲜面团的质构特性进行测定,采用平底柱形探头P 36R进行全质构分析测试,设定测前、测试、测后速率分别为2、1、1 mm/s,设定压缩比70%、触发力5 g和前后间隔时间5 s。测得结果包括硬度、弹性、内聚性及回复性等指标。
1.3.7 面包面团二级结构的测定
使用FTIR测定面团中蛋白质的二级结构。将新鲜面团样品冻干后粉碎研磨过200目筛以备用,各组样品与溴化钾均以质量比1∶100混合,然后在玛瑙研钵中粉碎,压成透明均一的晶片。FTIR测试参数如下:在范围为400～ 4 000 cm-1,分辨率为4 cm-1时,扫描次数为64次。选取酰胺Ⅰ带的吸收峰(1 600～1 700 cm-1)进行分析。用OMNIC 8.2软件对酰胺Ⅰ区进行傅里叶自去卷积,再用Peak Fit 4.0软件进行二阶求导,作高斯曲线拟合。根据各吸收峰的位置及面积计算蛋白质二级结构各组分所占比例。
1.4 数据与分析
所有实验均重复3次。结果以“平均值± 标准差”表示,相关性和显著性分析使用SPSS 22.0软件进行。采用LSD方法评估差异的统计学意义。在P <0.05时,采用Duncan和Walter Duncan方法。GraphPad Prism 8.0软件用于数据映射。
2 结果与分析
2.1 大豆分离蛋白对面包面团流变学特性的影响
利用流变仪可以测定不同大豆分离蛋白的添加量对面团的流变学特性。事实上,复合面团以动态流变扫描为主,是由于其高淀粉含量[17]。测定结果如图1所示。 G′表示材料的弹性行为,即储存的能量,G″(损失模量)表示材料的黏性行为,即能量损失量。目前的研究结果表明,大豆分离蛋白强化面团的G′大于G″,这表明面团弹性的主要影响没有改变。弹性模量(G′)和黏性模量(G″)均随着角频率的增加而增加,这表明所有的面团样品均为类固体样品,其弹性占据主导地位。此外,面团的高G′值可归因于高淀粉含量和低吸水率[18]。
图1 不同比例的大豆分离蛋白对面包面团流变学特性的影响
Fig.1 Effects of different proportions of soybean protein isolate on rheological properties of dough
a-面团的G′特性;b-面团的G″特性;c-面团的tanδ 特性
由图1可知,随角频率的增大,不同大豆分离蛋白替代比例面团的G′、G″均呈上升趋势,体现面团黏弹性随剪切作用增强而强化的特性。对比空白组,大豆分离蛋白粉添加后,G′、G″整体水平提升,且与替代比例的增加成正比。添加质量分数为0.5%和1%大豆分离蛋白替代小麦粉时黏性占比略有提升,1.5%、2%替代量时更突出弹性行为。这可能与大豆蛋白分子间相互作用及网络结构构建有关,大豆分离蛋白含球蛋白等组分,可与小麦面筋蛋白形成复合网络,增强了面团的弹性和黏性支撑,提升动态模量。
所有的正切值tanδ 均小于1,这说明复合面团以弹性为主,面团的损耗角正切值tanδ 随着角频率的增加呈现先上升后回落稳定的趋势,空白组tanδ 整体较低且平缓,添加质量分数为0.5%、1%大豆分离蛋白组tanδ 随添加比例上升而增大,但1.5%和2%组tanδ 值后期回落,这可能是由于因高比例的大豆分离蛋白使网络过度交联,弹性比例占主导。当剪切频率逐步升高时,面筋蛋白更易构建致密的空间网络结构[19]。这与刘兰香等[20]研究花生蛋白粉对小麦面团的影响是一致的。
2.2 大豆分离蛋白对面包面团水分分布的影响
通过LF-NMR测定面团中水分分布的占比断点柱状图以及松弛时间-信号幅值的变化,研究大豆分离蛋白对面团中水分状态、面筋网络结构的影响。 T2松弛时间反映了面团中水分的状态。短的峰弛豫时间表明水与蛋白质或淀粉紧密结合。此实验研究了在小麦面粉中加入大豆分离蛋白后,T2松弛时间的变化情况。小麦面团一般有3个不同的水种群,分别是T21、T22、T23。还使用LF-NMR研究了大豆分离蛋白对小麦面团的水分分布。图2-b分别表示紧密结合、弱结合和游离水的百分比[21]。由图2-b可知,T23 的峰面积占比波动极小。 T21的峰面积占比整体呈小幅度上升趋势,这体现了大豆分离蛋白持水性的特征,增加了结合水的比例。 T22的峰面积值随大豆分离蛋白粉的添加而升高,T22峰值占比先增后稳,大豆分离蛋白与小麦面团中的面筋蛋白交联,强化了网络对水分的束缚,使弱结合水的比例增加,在质量分数为1%时达峰值,证明网络致密性最优,而过量的(2%)大豆分离蛋白粉会稀释面筋,网络缺陷增多,束缚水能力下降,使T22占比回落。如图2-a所示,T22空白组峰较宽,说明面团中面筋网络不均匀,在添加1%(质量分数)时组峰最窄且信号幅度最高,因此反映出面筋网络中水分均匀束缚,分子运动一致性强,2%时组峰宽略增,可能是因为过量大豆分离蛋白的添加稀释了面筋网络,出现微观缺陷,水分束缚状态变复杂。这也证明了与峰面积占比的变化是相同的。
图2 不同大豆分离蛋白添加量对面包面团弛豫时间及水分分布的影响
Fig.2 Effects of different amounts of soybean protein isolate on dough relaxation time and water distribution
a-不同大豆分离蛋白添加量对面团横向弛豫时间的影响;b-不同大豆分离蛋白添加量对面团水分分布的影响
2.3 大豆分离蛋白对面包面团相对结晶度的影响
在加入大豆分离蛋白后的冻干面团中,在15°、17°、18°、23°的位置均有1个显著的峰值,尤其是在15°、23°处的衍射峰值尤为强烈,如图3所示。在17°、18°附近出现了双峰,这是典型的A型结晶,与小麦淀粉晶型一致[12]。这说明大豆分离蛋白的添加没有改变小麦面团的晶体结构。
图3 不同大豆分离蛋白添加量面包面团的XRD谱图
Fig.3 XRD spectra of dough with different amounts of soybean protein isolate
随着大豆分离蛋白添加量的提高,复合型面团的相对结晶度明显下降。这一现象可能归因于大豆分离蛋白是一种高亲水性蛋白,会改变面团中的水分分布,大豆分离蛋白先与面团中的自由水结合,从而使淀粉分子难以有序的排列,降低结晶度。此外大豆分离蛋白的球蛋白与淀粉的羟基通过氢键相连,这种结合阻止了淀粉分子间的疏水作用,进而抑制了淀粉的结晶过程与淀粉分子之间的络合和交联作用,这种作用阻碍了支链淀粉的重结晶过程,从而延缓淀粉的回生。
2.4 大豆分离蛋白对面包面团微观结构的影响
通过SEM放大1 500倍分析添加不同比例大豆分离蛋白的小麦面包面团的微观结构(图4)。空白组呈现出典型的面筋网络结构,有一定连续性,但网络孔隙不规则、分布不均,部分区域因蛋白聚集出现“空洞”的现象。随着大豆分离蛋白的添加,面筋网络开始出现变化。特别是添加1.5%(质量分数)大豆分离蛋白的面包面团,面筋网络结构的连续性增强,孔隙更加均匀、细密。这可能是因为大豆分离蛋白中的球蛋白与面筋蛋白通过疏水作用相互结合,随着大豆分离蛋白的增加,这种结合现象更加协同[22]。添加大豆分离蛋白后,蛋白质在面团中的占比重增大,显露的淀粉颗粒被蛋白质基质更紧密地包裹,结构更加致密。当添加量达到2%时,复合面团中的面筋网状结构出现严重交联,网络致密度过高,气孔被大量填充部分区域蛋白质聚集分布不均[23]。这与上文提到的流变学特性是一致的。
图4 不同大豆分离蛋白添加量对面包面团微观结构的影响
Fig.4 Effect of different amounts of soybean protein isolate on the microstructure of dough
2.5 大豆分离蛋白对面包面团质构特性的影响
由表1可知,随着大豆分离蛋白含量的增加,面包面团的硬度整体呈下降趋势,这可能是由于大豆分离蛋白的持水能力显著高于小麦面筋蛋白,增强了面团的吸水能力。随着大豆分离蛋白添加比例的增加,其弹性呈现上升趋势,这和上文提到的流变特性是一致的。CROCKETT等[24]报道,大豆分离蛋白可以增加二硫键,为烘焙食品提供弹性。这可能是因为大豆分离蛋白含有多种球蛋白,这些蛋白质分子具有独特的氨基酸组成和空间结构。在面团形成过程中,大豆分离蛋白的分子链能够与小麦面筋蛋白相互缠绕、交联,通过分子间作用力形成了更为复杂且紧密的复合网络结构,使得弹性增强。同时,这种坚固的网络结构在咀嚼过程中需要更多能量来破坏,从而导致咀嚼性上升。内聚性体现面团内部各组分间的结合强度,大豆分离蛋白的加入促进了蛋白分子间的相互作用,使得面团内部结构的整体性增强,内聚性因此提高。大豆分离蛋白替代小麦粉可显著改善面团质构特性,1.5%(质量分数)替代比例在提升弹性、内聚性及咀嚼性方面效果最优,且能有效降低硬度,为面包制品质构优化提供参考。
表1 大豆分离蛋白添加量对面包面团质构的影响
Table 1 Effect of soybean protein isolate addition on dough texture
注:同列不同字母表示差异显著(P <0.05)。
2.6 大豆分离蛋白对面包面团蛋白质二级结构的影响
面筋蛋白的二级结构主要依赖氢键、疏水作用等非共价键,以及二硫键等共价键维系。为解析大豆分离蛋白在面团形成过程中对原有面筋蛋白结构的影响机制,选用FTIR技术,通过检测特征吸收峰变化,量化分析面筋蛋白二级结构的演变规律[25]。小麦蛋白在红外区域有多个特征吸收带,其中酰胺Ⅰ带(1 600～1 700 cm-1)对蛋白质二级结构的研究最有价值。以1 610～1 640、1 640～1 650、1 650～1 660、1 660～1 700 cm-1 区域的峰值分别被指定为β-折叠、不规则卷曲、α 螺旋和β-转角[26]。
结果表明,由于大豆分离蛋白逐渐增加,导致α-螺旋的含量降低,而β-折叠的含量升高。首先,从已有的研究中可以看出,α-螺旋一般为紧密的螺旋结构,由面团分子内部的氢键来保持;β-折叠则是由面团分子之间的氢键作用产生的拉伸结构。因此,当β-折叠比率增大时,说明面筋蛋白分子之间的作用力增加,从而产生更加有序的结构。空白组的吸收峰在1 650 cm-1(α-螺旋)处最为强烈,随着大豆分离蛋白的加入,峰值逐渐降低。1 630 cm-1(β-折叠)的吸收峰明显加强,其中2% (质量分数)的含量达到最大值。由此推测,大豆分离蛋白可能通过氢键重排、大豆分离蛋白及谷朊粉交联等途径实现α-螺旋向β-折叠的转变。在范围为3 200～3 400 cm-1(O—H/N—H伸缩振荡),未添加组峰型弱。加入大豆分离蛋白后,峰变窄、强度增加,说明大豆分离蛋白与谷朊粉之间存在较多的氢键作用,其持水能力引起了蛋白质水合层的重组,从而引起了水分分布的变化[27]。由图5-b可知,随着大豆分离蛋白加入比例的提高,β-折叠比率增大,可能是由于大豆分离蛋白可使面团分子间发生交联,使其具有更多的片层结构,这与光谱上1 630 cm-1的峰值相吻合。无规卷曲、β-转角比例随着大豆分离蛋白含量的增加而降低,说明在低浓度(0.5%～1%)条件下,随着α-螺旋的改变,易形成β-折叠,而不是无序结构。当添加量较多时(1.5%～2%),无规卷曲率有所上升,这是因为过量的大豆分离蛋白会引起网络结构局部的无序化。因此,大豆分离蛋白对面团蛋白质的折叠和聚集有影响。此外,在适量大豆分离蛋白的存在下,面团中的蛋白质形成了更致密、更均匀的网络结构。
图5 不同大豆分离蛋白添加量对面包面团二级结构的影响
Fig.5 Effects of different amounts of soybean protein isolate on the secondary structure of dough
a-不同大豆分离蛋白添加量的面团红外光谱图;b-不同大豆分离蛋白添加量的面团二级结构图
3 结论
本文将大豆分离蛋白应用于小麦面包面团中,研究其不同添加量对小麦面包面团流变学、水分分布等特性的影响。研究实验发现,在面包面团流变学性能方面,G′值和G″值随着大豆分离蛋白的添加而增大,说明大豆分离蛋白的添加会使面包面团的弹黏性水平升高。水分分布结果表明,在面团中,大豆分离蛋白能与小麦面筋蛋白发生交联,从而提高了面粉中T22的含量,提高了面粉网络的致密性。结果表明,添加大豆分离蛋白后,面团结晶度明显下降,表现为淀粉老化延迟。显示面团微观结构的结果表明,在一定比例的大豆分离蛋白中,加入适当比例的大豆分离蛋白,可以改善面团的网状结构。当加入1.5%(质量分数)时,面团的硬度和弹性均有所提高。大豆分离蛋白可促使小麦谷蛋白从α-螺旋转变为β-折叠,但过度添加则会导致网络结构的破坏。综合来看,在面粉中添加1.5%(质量分数)左右的大豆分离蛋白,可以改善小麦面包面团的性质,提高其营养价值。实验结果提供了大豆分离蛋白在面包烘焙产品中的开发利用。
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