小麦是世界上种植面积最大、总产量最多的粮食作物,也是世界各国战略粮食储备的主要作物之一。小麦富含淀粉、蛋白质、脂肪、矿物质和其他微量营养成分,营养价值丰富,加工品质优良,可制成多种食品。随着我国消费升级,小麦粉市场呈现显著的专用化发展趋势,作为面制品加工的基础原料,其理化特性直接决定最终产品品质特征[1-2]。新疆拉条俗称“拉条子”,是经独特“三揉三醒”工艺制作的非发酵盐面条,具有筋道爽滑的口感,是新疆独具特色的面条种类。该产品的品质表现受原料粉组分、工艺参数及辅料添加的协同调控[3]。其中,面筋蛋白是原料组分中重要的组成部分。
小麦面筋蛋白,俗称谷朊粉或活性小麦面筋,是小麦粉的重要组成部分,约占小麦粉质量的13%。面筋蛋白具有优良的黏弹性、吸水性和延展性等特性。杨洪强等[4]发现不同品种小麦蛋白质含量、湿面筋含量、面筋指数等面筋蛋白特性有显著差异。大量研究表明,小麦面筋蛋白特性与多种面制品品质(面条、面包、速冻水饺等)显著相关[5-6]。但目前其与新疆拉条品质的关系尚未得到充分研究。因此,本文主要以14种不同品种优质面条小麦作为原料,通过测定小麦粉理化特性、谷蛋白溶胀指数(swelling index of glutenin,SIG)、面筋延展性、十二烷基硫酸钠(sodium dodecyl sulfate,SDS)-可萃取蛋白的分子质量分布及谷蛋白大聚体(glutenin macropolymer,GMP)含量,结合醒发前后面团的拉伸特性以及拉条的质构特性,探究面筋蛋白特性对新疆拉条及面团品质的影响,为新疆拉条制作原料的选取提供理论依据。
取自不同地区14种典型优质面条小麦:内蒙1号(巴彦淖尔)、内蒙2号(内蒙40)、内蒙3号(内蒙78)、内蒙4号(农麦125)、内蒙5号(内蒙46-18)、澳麦1号(澳麦APW)、澳麦2号(澳麦AH)、新疆1号(新疆小麦)、新疆2号(新冬小麦)、山东(中麦578)、河北(师栾02-1)、陕西(伟隆169)、河南(百农4199),日中(日中1号)小麦。
SDS,上海麦克林生化科技有限公司;二硫苏糖醇(dithiothreitol,DTT),福州飞净生物科技有限公司。试剂均为分析纯。
布勒-202自动实验磨,无锡布勒机械制造有限公司;JHMZ-200针式和面机,北京东孚久恒仪器技术有限公司;TA-XT plus质构分析仪,英国Stable Micro Systems公司;Agilent 1260高效液相色谱仪,美国安捷伦科技公司;BioSep SEC-s4000(300 mm×7.8 mm,5 μm)色谱柱,美国Phenomenex公司;Foss Kjeltec 8400全自动凯氏定氮仪,福斯分析仪器公司;拉力试验机,深圳艾力固仪器有限公司;SPX生化培养箱,北京鑫润科诺仪器仪表有限公司;SP-18S醒发箱,江苏三麦食品机械有限公司。
1.3.1 小麦粉的制备
清理收集的小麦样品,除去砂石和秸秆等杂质,按照NY/T 1094.1—2006《小麦实验制粉 第1部分:设备、样品制备和润麦》调节水分至15%,润麦24 h,并采用布勒实验磨制粉。
1.3.2 小麦粉理化指标的测定
1.3.2.1 面筋吸水率的测定
按照GB/T 5506.4—2008《小麦和小麦粉 面筋含量 第4部分:快速干燥法测定干面筋》测定小麦粉的面筋吸水率。
1.3.2.2 湿面筋含量的测定
按照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》测定小麦粉的湿面筋含量。
1.3.2.3 面筋指数的测定
按照LS/T 6102—1995《小麦粉湿面筋质量测定方法 面筋指数法》测定小麦粉的面筋指数。
1.3.2.4 SIG的测定。
按照GB/T 26627.1—2011《粮油检验 小麦谷蛋白溶胀指数测定 第1部分:常量法》测定小麦粉的SIG。
1.3.3 小麦面筋蛋白制备
参照徐小青[7]的方法并稍作修改。将500 g小麦粉加入蒸馏水置于和面钵中,调至“1”档搅拌至面团形成,放入2 L的蒸馏水中浸泡20 min,用手揉搓并保持面筋的完整,同时控制蒸馏水的用量,将洗涤液通过32目筛网,将筛上面筋重新加入面团,经过多次蒸馏水揉洗,洗至面筋挤出液加碘液不变蓝为止,用不锈钢板挤压面筋至稍有黏性,冷冻干燥后用万能粉碎机粉碎过80目筛,即得小麦面筋蛋白样品,4 ℃贮存备用。
1.3.4 小麦面筋蛋白延展性的测定
称取5 g小麦面筋蛋白粉于50 mL离心管中,加入10 mL 30~40 ℃蒸馏水,拿玻璃棒搅匀,置于30~40 ℃水浴中保温20 min。然后放入低速离心机875×g离心5 min,去掉多余水分后,将样品夹在拉力机两端,缓慢转动摇杆,直至面筋断裂。量取断裂时面筋两端的距离,即为延展性。
1.3.5 小麦面筋蛋白特性分析
1.3.5.1 SDS-可萃取蛋白的分析
根据SONG等[8]的方法采用高效液相凝胶渗透色谱测定不同小麦面筋蛋白中SDS-可萃取蛋白的含量。将研磨粉碎后的小麦面筋蛋白样品(蛋白质15 mg)溶于15 mL含有10 g/L SDS的磷酸钠缓冲液(0.05 mol/L,pH 6.9),涡旋振荡混合均匀,然后在25 ℃下振荡提取2 h,之后离心(25 ℃,10 000×g,15 min),将上清液通过0.45 μm滤膜后进行分析。为了确定完全还原条件下的蛋白质可提取性,用含有10 g/L DTT的相同SDS缓冲液提取样品。分析条件:色谱柱为BioSep SEC-s4000(300 mm×7.8 mm,5 μm),进样量20 μL,流动相为含有1 g/L三氟乙酸的乙腈和水(1∶1,体积比),流速1 mL/min,柱温30 ℃,紫外检测波长为214 nm。采用非还原条件下峰面积与完全还原条件下总峰面积的百分比表征SDS-可萃取蛋白含量。
1.3.5.2 小麦面筋蛋白GMP含量的测定
参照LIU等[9]的方法,稍作修改。将小麦面筋蛋白样品0.2 g置于20 mL SDS溶液(15 g/L)中,室温振荡60 min,15 500×g离心15 min。丢弃上清液,将沉淀物重悬于SDS溶液中,按上述方法悬浮离心。收集沉淀物,用凯氏定氮法测定氮含量,即为GMP含量。
1.3.6 新疆拉条的制备
将100 g面粉、50 mL温水和1 g食盐放入和面机中和成面团,用保鲜膜包好后在室温条件下静置20 min。把静置好的面团分成4等份,揉至表面光滑后搓成1 cm左右粗细的面条,在面条表面刷上食用油(植物油),用保鲜膜盖好,在室温条件下醒发3 h。用醒好的面条开始拉面,制作直径约为3 mm的拉条。
1.3.7 新疆拉条面团的质构特性测定
根据SCHERF等[10]的方法,使用配备A/KIE探针的TA-XT plus食品物性测定仪来测定面团的延展性和抗拉伸性能。采用TPA模式,试验设置:触发力5.0 g,测试前速度2.0 mm/s,测试速度3.3 mm/s,测试后速度10 mm/s,试验距离50 mm。每组样品重复测试6次。
1.3.8 新疆拉条质构特性测定
参照轩毫毫[11]的方法,稍作修改。取20根拉条置于500 mL沸水中煮1 min后,立即捞出至300 mL温水中冷却30 s,捞出后沥干,随后立即对拉条进行质构特性测定,在10 min内完成测试。
TPA试验:选择HDP/PFS型探头,测前、测中和测后速度分别为2.0、0.8、2.0 mm/s,探头触发力为AuTo-5.0 g,压缩程度70%,2次压缩时间间隔5 s,为减少实验误差,每组样品分别做6次平行测试。
本研究实验结果均以“平均值±标准偏差”表示。采用SPSS 25.0软件对试验数据进行单因素方差分析,以各组数据间P<0.05即为数据存在显著性差异,并利用Origin 2021软件绘制数据图。
粗蛋白含量和湿面筋含量反映面筋蛋白含量,是反映小麦加工特性的重要指标[12]。由表1可知,粗蛋白含量为8.11%~11.78%(变异系数,coefficient of variation,CV=9.95%),内蒙4号最高(11.78%),河南最低(8.11%);湿面筋含量为22.79%~32.69%(CV=10.04%),内蒙4号最高(32.69%),河南最低(22.79%)。
表1 小麦粉理化特性
Table 1 Physicochemical properties of wheat flour
样品粗蛋白含量/%湿面筋含量/%面筋吸水率/%面筋指数SIG/%内蒙1号11.19±0.05b30.07±1.82b179.79±0.63a92.02±0.45def6.97±0.08c澳麦1号9.33±0.07g25.23±0.41ef177.39±0.74a93.40±0.24cd7.02±0.08c澳麦2号10.08±0.32cdef28.07±0.01c177.77±0.91a94.47±0.68bc8.05±0.14ab内蒙2号10.37±0.14cde26.34±0.48cde166.51±0.13de94.21±0.61c6.99±0.07c新疆1号9.94±0.26def27.11±0.17cd172.94±1.06b90.96±0.91ef6.88±0.17c内蒙3号11.51±0.13ab31.10±0.08ab170.80±1.06b97.94±1.06a8.51±0.07a新疆2号8.76±0.02h24.42±0.30fg165.74±0.51de96.85±0.03a7.23±0.11c内蒙4号11.78±0.11a32.69±0.16a167.62±1.03cd96.15±0.15ab7.91±0.28b山东10.13±0.07cde26.61±0.62cde169.80±1.41bc97.70±0.36a8.58±0.17a内蒙5号10.63±0.04c26.17±0.28de163.41±0.56e91.48±0.69def7.23±0.41c河北10.49±0.08cd27.78±0.18cd152.35±0.63g90.13±0.43f6.14±0.15d陕西9.54±0.16fg26.36±0.40cde158.05±2.03f92.18±0.67de7.12±0.02c日中9.81±0.36efg30.51±0.08b153.73±0.23g88.19±0.79g6.77±0.23c河南8.11±0.10i22.79±1.95g153.15±1.29g84.60±0.53h6.65±0.01cd平均值10.1227.52166.3692.887.29标准差1.012.759.153.750.73极差3.8811.3828.5614.932.76最小值8.0121.42151.7284.075.99最大值11.8932.80180.4299.008.75CV/%9.9510.045.504.049.89
注:不同上标小写字母表示不同样品存在显著性差异(P<0.05)(下同)。
湿面筋含量随着粗蛋白含量的升高而升高,这与韩雪等[13]的研究结果一致。面筋吸水率(152.35%~179.79%,CV=5.50%)反映面筋蛋白的持水能力[14],内蒙1号最高(179.79%),河北最低(152.35%)。面筋指数可反映面筋筋力的强弱,指数越高面筋筋力越强,反之越弱[15]。面筋指数变化范围为84.60%~97.94%,变异系数为4.04%。除河南小麦和日中小麦外,均大于90%。SIG反映了面粉中不可溶麦谷蛋白的特性[16],小麦粉中蛋白质的品质可通过SIG的大小进行预测。SIG为6.14%~8.58%(CV=9.89%),山东最高(8.58%),河北最低(6.14%)。这表明不同品种小麦理化指标有差异。
2.2.1 SDS-可萃取蛋白的分子质量分布
面筋蛋白在SDS溶液中的溶解度在一定程度上反映了面筋蛋白的聚合程度。蛋白质的色谱图按分子质量降低的顺序可分为4个部分(图1):大分子聚合蛋白(F1,Mw>130 kDa)、小分子聚合蛋白(F2,Mw: 80~130 kDa)、大分子单体蛋白(F3,Mw 10~80 kDa,主要是醇溶蛋白)、小分子单体蛋白(F4,Mw<5 kDa,主要是清蛋白和球蛋白)。蛋白质的聚合体区域由F1和F2组成,单体蛋白则由F3和F4组成[17]。SDS-可溶性聚合体蛋白(SDS-P)和单体蛋白(SDS-M)的含量通过计算各组分在还原条件下的峰面积占比进行表征,具体表示为相应蛋白峰面积与总蛋白质峰面积的百分比。14种小麦面筋蛋白特性如表2所示。F1变化范围在4.86%~8.05%(CV=15.67%);F2变化范围在1.02%~2.51%(CV=19.26%);F3变化范围在14.28%~21.92%(CV=13.62%);F4变化范围在3.64%~5.14%(CV=12.42%)。这表明14种小麦粉的面筋蛋白聚合程度存在显著差异。
图1 SDS-可萃取蛋白的分子质量分布图
Fig.1 Molecular weight distribution profile of SDS-extractable proteins
表2 面筋蛋白的SDS-可萃取蛋白的分子质量分布
Table 2 Molecular weight distribution of SDS-extractable proteins of gluten protein
样品SDS-P/%SDS-M/%F1F2F3F4内蒙1号4.94±0.30d1.89±0.10bc21.92±0.12a3.64±0.03d澳麦1号7.14±0.19b2.48±0.07a21.47±0.04a5.10±0.65a澳麦2号6.68±0.24b2.51±0.11a18.96±0.13b4.32±0.03bc内蒙2号5.37±0.36cd1.97±0.16bc19.15±0.12b3.71±0.01cd新疆1号6.65±0.11b1.02±0.03d18.45±0.16c4.37±0.12b内蒙3号4.86±0.10d1.86±0.03b17.24±0.23d4.13±0.04bcd新疆2号6.48±0.06b2.19±0.02ab17.34±0.16d3.71±0.02cd内蒙4号6.77±0.05b2.23±0.02ab17.43±0.12d3.89±0.10bcd山东5.47±0.10cd2.09±0.02abc16.28±0.12e3.69±0.01d内蒙5号5.14±0.07cd1.92±0.09bc16.24±0.06e3.94±0.05bcd河北5.51±0.11cd2.20±0.02abc14.44±0.15g3.98±0.01bcd陕西5.70±0.21c2.00±0.03bc15.18±0.05f3.81±0.02bcd日中6.79±0.27b2.12±0.02abc15.02±0.15f5.14±0.10a河南8.05±0.23a1.66±0.45c14.28±0.35g4.11±0.02bcd平均值6.112.0117.394.11标准差0.960.392.370.51极差3.641.638.112.14最小值4.640.9913.933.61最大值8.282.6222.045.75CV/%15.6719.2613.6212.42
2.2.2 面筋蛋白中GMP含量分析
麦谷蛋白可以根据分子质量分为高分子质量亚基和低分子质量亚基,麦谷蛋白亚基通过二硫键相互作用集聚而成的聚合体被称为GMP[18]。GMP含量反映了麦谷蛋白聚集体的聚集程度。GMP在小麦粉中占比较小,但GMP作为面团中面筋结构的重要组成部分,其结构及含量直接影响到面团的黏弹性等理化特质,进而影响面制品的制作及最终感官品质[19]。如图2所示,内蒙3号与新疆2号小麦面筋蛋白中GMP含量较高,分别为61.52%和62.81%。而河北、陕西、日中和河南小麦面筋蛋白中GMP含量较低,均在50%以下,其余8种小麦面筋蛋白中GMP含量在50%~60%。
图2 小麦面筋蛋白中GMP含量
Fig.2 GMP content of wheat flour gluten protein
注:不同小写字母表示不同样品存在显著性差异(P<0.05)(下同)。
延展性是小麦面筋蛋白的重要功能特性之一,它直接影响面团的加工性能和最终产品的品质。小麦面筋蛋白的延展性主要取决于其分子结构中的麦谷蛋白和醇溶蛋白的比例及相互作用,这些特性又受到小麦品种、种植环境、加工条件等原料理化特性的显著影响[20-21]。在面团形成过程中,面筋蛋白的延展性决定了面团的弹性、黏性和可塑性等流变学特性,进而影响面团的持气能力、成型特性以及最终烘焙制品的体积、质构和口感等特性[17]。如图3所示,14种小麦面筋蛋白延展性范围在16.87~27.51 cm之间,除河北、陕西、日中、河南外,其余11种小麦面筋蛋白延展性均在20 cm以上。其中,大部分品种小麦面筋蛋白延展性在20~25 cm之间,内蒙1号和澳麦1号小麦面筋蛋白延展性最好,达25 cm以上,这可能是由于这2种小麦面筋蛋白中醇溶蛋白含量较高,而面筋蛋白的延展性主要由醇溶蛋白决定[22]。河北、陕西、日中和河南小麦面筋蛋白延展性较差,在20 cm以下,这可能是由于GMP含量较低,面筋蛋白之间没有充分聚集,形成的面筋强度较低,导致面筋网络不能充分伸展[23]。
图3 小麦面筋蛋白延展性
Fig.3 Extensibility of wheat gluten protein
面团的拉伸特性反映了面团的韧性和弹性。醒发后面团的弹性显著低于醒发前面团的弹性(图4-a),而醒发后面团延伸度高于醒发前的面团(图4-b)。这可能是由于面团中麦谷蛋白经过自动调节,通过亚基之间相互聚合,面筋网络结构由紧张无序状态转化为舒展有序状态,面团软化,弹性降低,延伸度提高。醒发前后面团弹性与面筋指数和GMP含量变化趋势类似,这与陈妍妍等[24]的研究结果一致。而醒发前后面团延伸度与面筋蛋白延展性变化趋势类似,这说明面筋蛋白延展性越好,面团延伸度越好。
a-面团弹性;b-面团延伸度
图4 醒发前后面团拉伸特性
Fig.4 Dough stretching characteristics before and after proofing
面条的质构特性分析实验准确性高,被广泛用于评价面制品食用品质。通过质构仪探头模拟人口腔的咀嚼运动,将样品进行2次压缩,对其硬度、弹性、咀嚼性及回复性进行分析[25]。如表3所示,不同品种小麦粉拉条之间硬度、咀嚼性差异较为显著,弹性差异较小。就硬度而言,澳麦2号、内蒙2号、内蒙3号、新疆2号及山东小麦硬度较大,在6 500 g以上;内蒙1号、澳麦1号、新疆1号、陕西和日中小麦硬度适中,在5 000~6 000 g之间;内蒙4号、内蒙5号、河北和河南小麦硬度较小,在5 000 g以下。咀嚼性与回复性的变化趋势与硬度变化趋势相似。内蒙1号、澳麦1号、澳麦2号、新疆1号、新疆2号、内蒙4号、内蒙5号和陕西小麦弹性较好,均在0.75或以上;而日中及河南小麦弹性较差,在0.70以下。总体而言,内蒙1号、澳麦1号及新疆1号小麦面团质构表现较好,硬度和咀嚼性适中,弹性和回复性较好。
表3 拉条质构特性分析
Table 3 Texture properties of hand-pulled noodles
样品硬度/g弹性咀嚼性/g回复性内蒙1号5 692.85±31.58fg0.76±0.01abc2 459.38±15.53h0.32±0.01bc澳麦1号5 838.11±77.44ef0.77±0.02abc2 880.72±62.51f0.31±0.02bc澳麦2号7 691.54±12.32b0.76±0.01abc4 410.50±16.91c0.38±0.01a内蒙2号6 757.05±22.60d0.73±0.02c4 431.80±84.09c0.34±0.00ab新疆1号5 539.40±14.02gh0.75±0.00bc2 489.50±111.04h0.32±0.01bc内蒙3号7 985.31±19.57a0.73±0.00c5 695.00±37.60a0.34±0.00ab新疆2号7 032.89±62.83c0.80±0.00a3 865.24±42.52d0.33±0.01b内蒙4号4 050.79±26.65k0.79±0.01ab2 164.92±56.37i0.33±0.01b山东7 652.26±36.85b0.73±0.02c4 711.13±97.03b0.34±0.01ab内蒙5号4 605.20±28.63i0.75±0.01bc2 604.52±70.40gh0.31±0.01bc河北4 359.71±92.34j0.73±0.01c2 760.96±57.12fg0.28±0.02c陕西5 935.33±95.53e0.75±0.02bc2 898.98±57.22f0.31±0.01bc日中5 397.45±73.36h0.67±0.00d3 325.50±80.70e0.31±0.02bc河南4 672.46±34.12i0.67±0.01d2 486.87±38.99h0.30±0.02bc平均值5 943.600.743 370.360.32标准差1 278.460.041 053.240.03极差3 980.740.143 624.050.13最小值4 024.140.662 108.550.26最大值8 004.880.805 732.600.39CV/%21.515.2431.258.30
对小麦粉面筋蛋白特性与面团及面条质构特性进行相关性分析。由图5可知,粗蛋白含量与湿面筋呈显著正相关(P≤0.01),但两者与面团及拉条品质无显著关联。面筋吸水率与面筋指数、拉条弹性及回复性呈正相关(P≤0.05),并与F3含量、GMP含量、面筋延展性及面团延伸度(醒发前后)呈显著正相关(P≤0.01)。面筋指数与GMP含量、醒发前后面团弹性以及拉条弹性呈显著正相关(P≤0.01),与拉条硬度、咀嚼性及回复性呈正相关(P≤0.05)。SIG与拉条硬度及咀嚼性正相关(P≤0.05),与GMP含量、醒发前后面团弹性、拉条弹性及回复性显著正相关(P≤0.01),荆鹏[26]研究表明SIG与面团面条品质呈正相关性。F3含量与面筋延展性及面团延伸度显著正相关(P≤0.01),而GMP含量与醒发后面团弹性、醒发前面团延伸度、拉条硬度和拉条弹性正相关(P≤0.05),与醒发前面团弹性及拉条回复性显著正相关(P≤0.01)。面筋蛋白延展性与醒发前后面团延伸度呈显著正相关(P≤0.01),与拉条弹性呈正相关(P≤0.05)。综上所述,面筋特性指标与面团及拉条的质构特性具有相关性。
图5 小麦面筋特性及其与面制品品质间相关性分析热图
Fig.5 Analysis of wheat gluten properties and their correlation with flour product quality
本研究通过研究14种面条小麦的面筋蛋白特性及其与新疆拉条质构品质的关系,得出以下结论:面团弹性(醒发前后)、拉条硬度及弹性与面筋指数、GMP含量及SIG呈显著正相关(P≤0.05);面团延伸度主要受SDS-可溶性大分子单体蛋白含量及面筋延展性影响。核心品种中,内蒙1号、澳麦1号及新疆1号小麦因面筋吸水率高,面筋指数、SIG及GMP含量均适宜,F3含量较高且面筋延展性好,其面团弹性与延伸度均较好,制得拉条硬度、弹性、咀嚼性及回复性均符合优质标准。对比发现,部分品种(澳麦2号、内蒙2号等)因GMP含量过高导致拉条硬度过高,而河南小麦因面筋指数、GMP含量较低以及面筋蛋白延展性较差,导致面团及拉条质构特性较差。研究表明,面筋指数、GMP含量及SIG适宜,F3含量较高且面筋延展性较好的小麦粉适宜制作拉条,因此在实际加工过程中,可根据不同品种小麦面筋蛋白特性选用较为适合的原料,以制作品质较好的拉条。
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