γ-聚谷氨酸(poly-γ-glutamic acid,γ-PGA)是一种天然的阴离子聚合物,由D-谷氨酸或者L-谷氨酸组成,每个氨基酸之间通过γ-酰胺键连接,由微生物发酵产生[1]。γ-PGA广泛应用于食品、药品、环境、农业等多个领域。在食品中添加γ-PGA可以遮掩氨基酸等引起的苦味[2]、减少豆腐脱水收缩[3],可作为防冻剂应用到冷冻食品中[4]等。
在面制品中,γ-PGA可使面包质地膨松、改善挂面品质[5]、减少甜甜圈和油条对油脂的吸收[6]、降低速冻水饺结晶水含量[7]。本实验室在面筋和淀粉中分别添加γ-PGA,发现γ-PGA均能影响面筋和淀粉的原有特性。将γ-PGA 应用在小麦淀粉中,能够增强糊化后的淀粉结构稳定性,使淀粉溶解度升高并且起到延缓淀粉老化的作用[8]。将γ-PGA 应用到小麦面筋中,可以提高面筋的吸水率,增强泡沫的稳定性等[9]。目前,γ-PGA对面团影响的研究较少,其中一部分研究集中在γ-PGA对冷冻面团和发酵面团的影响,另一部分研究集中在γ-PGA对小麦面团经验流变学的影响。面团流变学是由经验流变学和基础流变学组成[10],前人缺乏γ-PGA对面团基础流变学影响的研究,并且已报道的研究存在所使用γ-PGA的添加量(0.00%~0.50%)范围小,面团性质变化不明显和其作用机制不明确等问题。因此本文将从基础流变学、微观结构、糊化特性、水分分布等方面具体研究γ-PGA对面条面团中水分,蛋白和淀粉的作用机制,为γ-PGA在面条制品中的实际应用提供相应的理论依据。
小麦粉(水分13.9%,粗蛋白:14.32%,灰分0.86%,淀粉68.47%),北京古船面粉厂提供;γ-PGA(分子质量101.86 kDa~235.55 kDa,纯度77.35%),实验室自制;食盐,中盐国本盐业有限公司。
JHMZ-200型针式和面机,北京东孚久恒仪器技术有限公司;JXFD-7醒发箱,北京东孚久恒仪器技术有限公司;TA-XT Plus质构仪,英国SMS公司;FLUOVIEWFV300激光扫描共聚焦显微镜,奥林巴斯(中国)有限公司;MARS 60高级旋转流变仪,HAAKE;MicroMR-CL-I变温型核磁共振食品农业成像分析仪,苏州(上海)纽迈电子科技有限公司;P/N7934070真空冷冻干燥机,照生有限公司;RVA-SM2快速黏度分析仪,波通瑞华科学仪器(北京)有限公司。
1.3.1 面条面团的制备
为防止γ-PGA粉末直接添加到面粉中出现吸水结块现象,所以先将其制备成10%(质量分数)γ-PGA溶液。精确称取100 g面粉,以100 g面粉为基准,分别加入2%食盐,32%水和不同添加量的γ-PGA(0%、0.5%、0.75%、1.00%、1.25%、1.50%,质量分数)揉制10 min后,放置于恒温恒湿醒发箱中(30 ℃、相对湿度85%)静置醒发熟化5 min。面絮压延4次(直接压延1次,三折1次,两折1次,不折1次)后再在恒温恒湿醒发箱中(30 ℃、相对湿度85%)静置20 min[11]。
1.3.2 面条面团单轴拉伸测定
选用TA-XT Plus质构仪进行测定,参数设置:测前2.0 mm/s;测中3.3 mm/s;测后10.0 mm/s;测试距离50 mm;触发力5 g。每组样品重复3次[12]。
1.3.3 面条面团动态振荡特性分析(频率扫描)
将现制备的面片(2 mm)置于旋转流变仪测试平台(直径35 mm)上,设定压制后的面片厚度为1.5 mm,密封,在平行板上松弛5 min后测定面片的线性黏弹区,确定应力为50 Pa,温度设定为25 ℃,频率为 0.10~10.00 Hz[13]。
1.3.4 面条面团激光共聚焦扫描电镜分析
将制备好的面条面团置于-20 ℃冰箱过夜保存。用冷冻切片机将预冻的面团切片,薄片厚度设定为10 μm左右,随后放置于载玻片上,在室温下用配制好的混合染液(罗丹明B和FITC)对薄片进行染色,20 min后用蒸馏水轻轻冲洗掉多余染料,冲洗时间 1 min,然后使用激发氪激光照射。罗丹明B和FITC为2种荧光素,发射波长分别为570~620 nm和500~540 nm。每个样品制备3个薄片,每个薄片观测3次[14]。
1.3.5 面条面团粉RVA测定
将1.3.1制备好的面条面团冻干后,研磨成粉,其湿基含量为4%,RVA 参数设置按照国家标准GBT 24853—2010的操作规程,每个样品3次重复测定。
1.3.6 面条面团水分迁移测定
用LF-NMR(LF-nuclear magnetic resonance,LF-NMR)分析仪进行水分迁移研究。将每个样品放入直径为10 mm的玻璃管中,然后用封口膜覆盖。使用CPMG序列确定弛豫时间(T2)。T2值与水和底物的结合程度具有相关性。具体参数设置:回波个数Echo Count=3 000,回波时间Echo Time=0.1 ms,采样点数TD=99 998,采样频率SW=333.33 kHz,采样间隔时间TW=1 500.000 ms,累加次数NS=32。通过T2反演程序得出面条面团横向弛豫时间的反演谱图[15]。
表1 弛豫时间及其意义
Table 1 Definition of relaxation time
弛豫时间意义T21结合水,主要指与蛋白质、糖类等大分子紧密结合的水T22弱结合水,主要指结合于糖类、蛋白质等大分子之间的水T23自由水,游离在其他大分子之外的水
1.3.7 鲜湿面条的制作
将1.3.1制备好的面条面团压至1 mm后,在恒温恒湿箱中(30 ℃、相对湿度85%)静置20 min后,切条,得到面条(厚1 mm,宽2 mm,长250 mm)。
1.3.8 鲜湿面条质构特性分析
将鲜湿面条煮制6 min,捞出,在装有蒸馏水的烧杯中冷却1 min后,捞出放置在纱布上待测,测试需在10 min内完成。使用Code HDP/PFS探头,同时对3根水平的面条进行测定。参数设定:测试模式Measure force in Compression;测前4 mm/s,测中1 mm/s,测后1 mm/s,压缩比70%,触发力5 g,2次压缩时间间隔5 s。
使用Excel 2013软件整理分析数据,采用SPSS 21.0 软件在P<0.05水平上进行显著性分析,每个样品3次平行。
由图1可知,添加0.00%~1.50% γ-PGA,面条面团拉伸最大力和拉伸面积先增大后减小,当γ-PGA添加量为0.75%时,达到最大值,面条面团的抗拉伸性能最好。LINDSAY等提出的面筋蛋白结构模型(backbone):麦谷蛋白起到支撑面筋网络的作用,而麦醇溶蛋白起到填充作用[16],其中麦谷蛋白决定面筋的弹性和抗延伸性[17]。γ-PGA溶于水后形成了具有黏性的胶体,这种胶体可作为增稠剂,成膜剂等使用[18]。因此推测,当添加0.75% γ-PGA时,γ-PGA对麦谷蛋白的弱化作用较小,γ-PGA本身的黏性使得面条面团的抗拉伸性能增强,超过0.75%添加量时,γ-PGA对麦谷蛋白的弱化作用增强,筋力减弱显著,这种减弱作用远远大于γ-PGA本身的黏性对面条面团抗拉伸性能的增强作用,使得面条面团的抗拉伸性能降低。
图1 不同γ-PGA添加量对面条面团拉伸特性的影响
Fig.1 Effect of different concentration of γ-PGA on the stretch properties of noodle dough
注:不同小写字母表示具有显著性差异(P<0.05)
以频率为1 Hz时面条面团的黏弹性作代表,由表2可知,γ-PGA添加量为0.75%时,损耗模量(G″)达到最大值,γ-PGA添加量为1.00%时,储能模量(G′)达到最小值。损耗模量(G″)和储能模量(G′)分别表征面条面团的黏性和弹性。0.75% γ-PGA添加量时,面条面团的黏性最大,1.00% γ-PGA添加量时,面条面团弹性最低,这与0.75% γ-PGA添加量抗拉伸性能最好相符(图1)。通过原始数据计算得出损耗因子(tanδ),tanδ值为耗损模量(G″)与储能模量(G′)的比值,常用来表征面条面团体系中聚合物的含量和聚合度[19]。与空白相比,添加γ-PGA后面条面团G′值减小,tanδ值增大,说明γ-PGA会引起面条面团聚合物含量减少,聚合度变差[20]。
表2 不同γ-PGA添加量面条面团对黏弹性模量的影响(频率为1 Hz)
Table 2 Effect of different γ-PGA additive noodle dough on viscoelastic characteristic parameters
γ-PGA添加量/%损耗模量(G″)/Pa储能模量(G') /Patanδ 0.00294 800.00±2 088.06a770 733.33±61 816.37a0.38±0.03c0.50300 433.33±13 731.11a755 166.67±41 192.52a0.40±0.00bc0.75312 200.00±17 031.74a717 900.00±17 024.39ab0.44±0.01a1.00264 266.67±20 593.77b639 000.00±47 987.60b0.41±0.01abc1.25302 266.67±11 772.99a746 266.67±61 434.22a0.41±0.02abc1.50299 966.67±20 400.33a714 633.33±70 574.88ab0.42±0.01ab
注:不同上标字母表示各列平均值在P<0.05水平上有显著差异(下同)
面条面团的微观结构如图2所示,其中红色区域为面筋网络,绿色区域为淀粉颗粒,黑色区域为孔洞。本文为了便于观察,同一添加量的激光共聚焦图选择2种放大倍数。观察到蛋白网络环绕在淀粉颗粒周围,相互交联[21]。未添加γ-PGA的面条面团,小淀粉分布在大淀粉周围,整体分布致密而均匀。在添加γ-PGA后,淀粉颗粒间隙变大,淀粉颗粒膨大,淀粉结构被破坏,形状变得模糊。当添加量为1.00%~1.50%时,明显观察到淀粉颗粒呈不规则形态。
图2 不同添加量γ-PGA面条面团微观结构图
Fig.2 Microstructure diagram of noodle dough with different additions γ-PGA
空白面条面团的面筋网络之间连接紧密,形成的孔洞分布均匀。添加量为0.50%~1.00%的面条面团,网络逐渐开始变得杂乱,气孔变大,面筋网络开始分散、聚团。尤其在添加量为0.75%时气孔最大,在添加量1.00%时,面筋网络出现片层,当添加量为1.25%~1.50%时,出现大量黑色区域,网络聚集程度变差,连接变弱。表明添加γ-PGA后面筋含量降低,面筋网络被严重破坏,变得稀松[22-23]。面筋网络主要由麦醇溶蛋白和麦谷蛋白组成[24],因此推测,γ-PGA与麦醇溶蛋白和麦谷蛋白之间存在相互作用。
不同γ-PGA添加量对面条面团粉糊化特征的影响如表3所示。
由表3可知,与对照相比,添加γ-PGA的面条面团粉的峰值黏度、衰减值、峰值时间下降,糊化温度则升高。糊化是在水分存在情况下,淀粉与水一起加热,通过一个不可逆的无序化转变,淀粉被破坏,形成一种黏性的糊状溶液[25]。峰值黏度下降主要是因为γ-PGA的羧基结构具有很强的亲水性,γ-PGA与水分子的结合能力强于淀粉分子与水分子的结合能力,淀粉体系中进入淀粉颗粒内部的水减少。而黏度的降低又会阻碍淀粉颗粒糊化,导致糊化温度升高[26]。衰减值越小,淀粉颗粒结构越稳定[27]。添加γ-PGA后衰减值变小,表明淀粉结构越来越稳定,从而防止淀粉颗粒在搅拌和加热过程中被破坏。随着γ-PGA添加量的增加,峰谷黏度和最终黏度先降低后上升。糊化后的淀粉进入降温阶段时,其直链淀粉聚集,形成空间结构,引起黏度回生。回生值越大,淀粉重新结晶的程度越大。γ-PGA添加量在1.00%~1.25%时回生值降低,说明γ-PGA对淀粉的重结晶具有一定的抑制作用[28]。
表3 不同添加量γ-PGA面条面团粉糊化特性的变化
Table 3 Change in gelatinization properties of noodle dough flour added different concentration of γ-PGA
γ-PGA添加量/%0.000.500.751.001.251.50峰值黏度/(mPa·s)2 300.33±36.25a1 989.67±19.55b2 027.00±68.43b1 875.00±16.00c1 842.67±15.31c2 035.00±27.06b峰谷黏度/(mPa·s)1 256.67±14.57ab1 176.33±8.33c1 227.00±32.97b1 083.30±11.02d1 092.60±15.82d1 281.67±28.73a衰减值/(mPa·s)1 043.67±21.94a813.33±25.03b800.00±38.16b791.67±18.58bc750.00±8.00c753.33±8.08c最终黏度/(mPa·s)2 972.33±28.01a2 995.67±19.22a3 030.33±73.55a2 541.00±11.36b2 557.67±35.73b3 003.67±47.65a回生值/(mPa·s)1 715.67±20.50b1 819.33±13.32a1 803.33±45.37a1 457.67±13.28c1 465.00±23.81c1 722.00±19.00b峰值时间/min5.56±0.04a5.42±0.04b5.51±0.04ab5.51±0.08ab5.49±0.04ab5.49±0.04ab糊化温度/℃83.95±0.05d86.40±0.00bc86.72±0.47ab85.85±0.48c87.22±0.03a86.70±0.48ab
表为不同γ-PGA添加量对面条面团水分分布的影响。
由表4可知,在面条面团中存在3种水。弱结合水是面条面团中水分的主要存在形式,其次是结合水和自由水。T2值变小,说明水与底物的结合度越好[29]。面条面团T22值逐渐降低,0.50% γ-PGA添加量的面条面团T23值低于空白值,1.25%γ-PGA添加量的面条面团T23值高于空白值,T21值无显著性差异。表明添加γ-PGA后,面条面团对弱结合水的束缚力增强。γ-PGA会使面条面团中水分子的流动性增强,说明面条面团中水分子与面筋蛋白等其他面团组分的结合能力减弱。
表4 不同γ-PGA添加量对面条面团水分弛豫时间和峰面积比例的影响
Table 4 Changes of transverse relaxation times and peak ratio of noodle dough with different concentration of γ-PGA
γ-PGA添加量/%T21/msT22/msT23/msS21/%S22/%S23/%0.000.11±0.02a4.87±0.19a89.82±15.08ab21.29±3.02a77.17±2.77b1.54±0.26a0.500.12±0.02a4.54±0.18ab85.16±7.01b21.34±1.51a77.02±1.51b1.63±0.05a0.750.13±0.03a4.43±0.18bc100.16±6.98ab18.62±3.11ab79.88±3.01ab1.51±0.15a1.000.13±0.02a4.43±0.18bc100.16±6.98ab16.60±2.63b81.77±2.76a1.63±0.17a1.250.13±0.01a4.04±0.28d104.82±4.17a16.91±2.58ab81.66±2.42a1.43±0.37a1.500.11±0.02a4.13±0.17cd87.54±12.19ab16.90±0.34ab81.38±0.35ab1.73±0.02a
3种水峰面积的百分数代表不同形态水分的相对含量,用符号S21、S22、S23表示相对含量。S22的百分比最大,其次是S21,S23。γ-PGA添加量在0.75%~1.50%时,S21值变小,面条面团中结合水含量降低,S22值变大,其弱结合水含量升高。γ-PGA与蛋白质竞争与水的结合,导致结合水向弱结合水迁移[30]。
质构分析通过模仿人的两次咀嚼动作,从而匹配出与人的感官评价相符的参数[31]。不同γ-PGA添加量对鲜湿面条条质结构性的影响如表5所示。
表5 不同γ-PGA添加量制作的鲜湿面条质构特性分析
Table 5 Texture profile analyses of noodles with different concentration of γ-PGA
添加量/%硬度/g弹性黏聚性咀嚼性/g回复性0.003 209.20±49.01a87.87±5.02a0.76±0.01ab2 136.76±91.92ab56.77±1.03a0.503 223.74±18.49a89.58±2.93a0.76±0.01a2 207.88±115.00ab56.64±0.32a0.753 165.25±12.53ab91.62±3.95a0.77±0.01a2 217.78±117.29a55.62±0.38ab1.003 225.26±51.88a89.19±3.48a0.75±0.00bc2 143.44±67.98ab54.90±1.23b1.253 110.24±55.49b92.75±3.11a0.75±0.01bc2 156.95±94.82ab54.08±0.48b1.503 004.67±52.94c90.09±3.74a0.74±0.01c2 012.37±110.61b52.42±1.26c
由表5可知,添加γ-PGA对面条的弹性无显著性影响,其他指标均存在显著影响。γ-PGA添加量为0.75%时,面条硬度下降,说明蛋白质构建的空间骨架变得不稳定[32]。在γ-PGA添加量为1.25%~1.50%时,面条硬度再次降低。随着γ-PGA添加量的增加,面条的黏聚性和咀嚼性先升高再降低,回复性逐渐下降。由此可见,添加0.75% γ-PGA制得的面条品质最佳。
面条面团中水分主要以弱结合水形式存在,添加γ-PGA使面条面团对弱结合水的束缚力增强,提高了面条面团保水性,添加1.25% γ-PGA时其保水性最好,面条面团中结合水向弱结合水迁移,说明γ-PGA与蛋白和淀粉竞争水分,添加1.00% γ-PGA其竞争作用最强。这种竞争作用能引起淀粉颗粒内部含水量降低,使得淀粉黏度降低,糊化温度升高。根据对淀粉颗粒微观结构的观察发现,添加γ-PGA会使淀粉颗粒膨胀,直至淀粉颗粒形状改变,从而抑制淀粉回生,添加1.00%~1.25% γ-PGA回生值降低。根据对面筋网络微观结构的观察发现,γ-PGA导致蛋白网络疏松,因而面条面团的黏弹性降低,聚合度变差。由于γ-PGA溶液具有胶黏性,添加0.50%~0.75% γ-PGA对面条面团的弱化作用较小,反而会使面团的抗拉伸性能增强。γ-PGA添加量为0.75%时,面条面团的抗拉伸性能最好,且对面条面团的弱化作用适中,对其保水性和淀粉结构稳定性都有改善作用,并结合煮后面条硬度低,咀嚼性和黏聚性好,柔软而筋道,可选取0.75% γ-PGA作为面条制作最适添加量。
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