木聚糖酶对全麦面团特性的影响研究

王佳玉 陈凤莲 汤晓智

(哈尔滨商业大学食品工程学院1，哈尔滨 150076)(南京财经大学食品科学与工程学院;江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心;江苏高校粮油质量安全控制及深加工重点实验室2，南京 210023)

全麦粉包含了胚乳、麸皮与胚芽，富含膳食纤维和各种微量元素，经常食用全谷物类食品能有效降低慢性疾病的发生率[1-2]。然而，全麦粉中大量纤维的存在会导致全麦食品的质构及感官品质下降，消费者接受程度降低[3]。研究者们尝试了不同粉碎粒度[4]、超微粉碎、麸皮挤压微膨化回添等方式以改善全麦面团的特性以及相应的全麦食品的品质[5]。酶制剂作为天然添加物，常用于改善小麦面团的特性，其中木聚糖酶尤其受到广泛关注。木聚糖酶能够通过将水不溶性阿拉伯木聚糖水解成水溶性木聚糖而有效改善高含量纤维食品的性质，如面团的流变学特性和相应烘焙食品的质量[6]。张成龙等[7]使用木聚糖酶处理小麦麸皮，结果显示，全麦面团拉伸曲线面积、拉伸阻力减小，有效改善全麦面团的延伸度，得到的全麦面包和馒头表现出比容增大、硬度减小，使含有麸皮的产品品质得到很大改善。Caballero等[8]使用木聚糖酶、转谷氨酰胺酶、葡萄糖氧化酶、漆酶等酶制剂添加到小麦粉中以此来改善面团的流变特性，提高小麦粉的加工特性。Schoenlechner等[9]通过添加木聚糖酶和乳化剂来优化由小麦-小米复合面粉改善面包质量，提高其感官可接受性。基于此，本研究将木聚糖酶添加到全麦粉中，研究木聚糖酶对全麦面团的混合特性、流变特性、拉伸特性及面团微观结构的影响，为生产高品质的全麦食品提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

全麦粉；木聚糖酶50 000 U/g，适宜温度20～60 ℃，最适pH 4.0～5.5；硫酸铜、硫酸钾、硫酸、硼酸、氢氧化钠、硫酸、氢氧化钾、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、无水乙醇。

K-360凯氏定氮分析仪；B-811索氏抽提仪；Anton Paar MCR 302动态流变仪；冷冻干燥机；TM-3000扫描电镜；TA-XT2i 型质构分析仪。

1.2 方法

1.2.1 原料制备

木聚糖酶添加到全麦粉中，添加量为0%、0.03%、0.06%、0.10%、0.20%、0.40%，混合均匀后使用。

1.2.2 原料组分测定

水分含量(GB 5009.3—2016)、脂肪含量(GB 5009.6—2016)、灰分含量(GB 5009.4—2016)、蛋白质含量(GB 5009.5—2016)、粗淀粉含量(GB 5009.9—2008)、粗纤维含量(GB/T 5009.10—2003)、湿面筋含量(GB/T 5506.1—2008)。

1.2.3 面团混合特性

采用Mixolab实验仪研究不同木聚糖酶添加量的全麦面团在搅拌形成、加热糊化以及冷却过程中的变化。参照刘俊飞等[10]的方法，将肖邦协议(Chopin+)中面团质量定为75 g。测定程序：先在30 ℃下恒温8 min，再以4 ℃/min的速率升至90 ℃，保持7 min后以4 ℃/min的速率降温至50 ℃，保持5 min，总时间为45 min，其搅拌速度始终为80 r/min。其中每个样品重复3次。

1.2.4 拉伸特性

参考Liu等[11]的方法。样品采用Mixolab混成的面团，在扭矩达1.1 Nm时取出面团，放入质构仪SMS/ KIE拉伸测定探头的面团制备槽中，并用非黏性的聚四氟乙烯材料板压制成2 mm× 60 mm的面团条。快速将面团条从面团制备槽中取出(槽中余下面团使用保鲜膜覆盖，防止面团条水分散失)，放在质构仪面团的拉伸位置，探头上升直到面团条断裂，得到面团的抗拉伸力(g)及拉伸距离(mm)。

1.2.5 流变特性

不同木聚糖酶添加比例、不同酶反应时间对全麦面团流变特性影响的测定参考Torbica等[12]的方法，并做修改。样品取1.2.3中Mixolab制备的面团。在扭矩达1.1 Nm时取出面团，保鲜膜包裹静置15、45、60、90、120 min。使用Anton Paar MCR 302流变仪，采用平板直径为25 mm(转子：PP25)，设定平板间距为1 mm，装载后，将面团样品静置10 min，以使残余应力放松，同时使用矿物油密封面团边缘，防止水分散失。测得样品线性粘弹区为0.01%～1%，样品测试温度为25 ℃，频率变化范围为0.1～20 Hz，测定样品的弹性模量(G′)、黏性模量(G″)和黏性角正切值(tanδ=G′/G″)的变化。

1.2.6 扫描电镜

参照汤晓智等[13]的方法，取Mixolab混合的面团样品，在扭矩达1.1 Nm时取出，面团样品用保鲜膜包裹，静置90 min。静置后面团处理：①2.5%戊二醛固定；②0.1mol·L-1的磷酸缓冲液冲洗；③30%、50%、70%、90%和100%的乙醇梯度洗脱；④冷冻干燥(-80 ℃，40 h)；⑤离子溅射喷金后扫描电子显微镜下观察。

1.3 数据收集和统计

采用Origin 8.5 和SPSS 16.0 数据处理软件对数据进行分析，并用Duncan法进行显著性分析(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 木聚糖酶对全麦面团混合特性的影响

全麦粉基本组分见表1。木聚糖酶对全麦粉的混合特性影响的结果见表2，由Mixolab结果可知，随着木聚糖酶添加量的增加，全麦面团的吸水率、面团形成时间逐渐降低，面团稳定时间、呈现先减少后增加的趋势，蛋白质弱化度上升，峰值黏度降低。Laurikainen等[14]研究发现添加木聚糖酶，吸水率、面团稳定性降低，并增加了软化度，这些结论与本研究结果一致。水不溶性多糖会与面筋蛋白竞争水合，使得面筋蛋白水合不充分，从而减弱了面筋蛋白的交联，不利于面筋蛋白网络结构的形成。木聚糖酶能够将水不溶性阿拉伯木聚糖水解成小分子的水溶性木聚糖，减弱了水不溶性多糖的水合能力，在混合过程中表现出吸水率下降，由于木聚糖酶的作用，使得面筋蛋在水合过程中阻碍减小，使得形成时间降低。但由于全麦粉中纤维大分子对面筋网络的破坏严重，少量添加木聚糖酶对缓解其破坏作用不明显，反而会一定程度降低面团的稳定时间。但当木聚糖酶添加量继续增加时，稳定时间有所回升。由于吸水率降低，同时蛋白质充分水合后结合了体系中大部分水，在后期加热过程中淀粉糊化可利用水减少，导致峰值粘度减小[15、16]。回生值在0.1%木聚糖酶添加量时最低，当添加量为0.4%时有显著上升，有报道指出，木聚糖酶添加量过大会增大回生，然而其机制尚不清楚[17]。

表1 原料的基本组分质量分数(湿基/%)

表2 木聚糖酶对全麦面团混合特性的影响

注：同一列中所带字母不同表示差异性显著(P<0.05)，余同。

2.2 木聚糖酶对全麦面团拉伸特性的影响

木聚糖酶对全麦面团拉伸特性影响结果见表3。由拉伸结果可知，木聚糖酶添加后可以显著(P<0.05)影响全麦面团的拉伸距离和抗拉伸力，添加量为0.10%时，较未添加木聚糖酶的全麦面团拉伸距离增加了36.06%，抗拉伸力降低了35.22%，这与Liu等[11]报道结果相似。Katina等[18]指出，木聚糖酶可以降低麸皮较高的吸水性。本研究结果表明添加木聚糖酶后吸水率下降，由于水不溶性多糖在酶的作用下降解为小分子，减弱了水合竞争，水在淀粉、蛋白质和麸皮颗粒之间的分布更加均衡，使得面筋网络结构形成更加充分，分布也更均衡，从而减缓面团体系内面筋局部聚集，有效降低面团强度，增加其延伸性，并利于全麦面团在实际生产加工中的应用。

表3 木聚糖酶对全麦面团拉伸特性的影响

2.3 木聚糖酶对全麦面团流变特性的影响

通过在线性黏弹性范围内进行的振荡频率扫描实验来研究木聚糖酶对全麦面团样品黏弹性的影响，结果如图1～图3所示。图1、图2中显示了木聚糖酶不同添加量及不同酶反应时间后全麦面团弹性模量G′和黏性模量G″变化的结果。从图1、图2 中可以看出，相比于未添加木聚糖酶的全麦面团，添加木聚糖酶后，酶反应时间在15～60 min内，所有添加水平均显示出更高的G′(图1a～图1c)和G″(图2a～图2c)，随着酶反应时间的增加，所有添加量下的全麦面团弹性模量G′和黏性模量G″均逐渐下降，且变化范围差异越来越小。

注：a～e分别代表酶反应15、45、60、90、120 min，余同。

图2 不同木聚糖酶添加量及不同酶反应时间全麦面团黏性模量(G″)测定

图3 不同木聚糖酶添加量及不同酶反应时间全麦面团的损耗角正切值(tanδ)

tanδ值反映了全麦面团的综合黏弹性，tanδ值小通常代表硬的刚性面团，而tanδ值高则代表黏性面团[19]。图3显示了木聚糖酶不同添加量及不同酶反应时间后全麦面团tanδ变化的结果。观察图3，综合酶反应时间及不同添加量来看，在添加量为0.03%时，全麦面团在不同酶反应时间均显示出了较好的黏弹性，最有利的酶反应时间在90 min以内。酶反应时间过长，添加量过大，均会对全麦面团的黏弹性产生不利的影响。Martínez等[20]和Redgwell等[21]提出淀粉和非淀粉水解酶导致游离水的释放并改变面团体系中的可溶性部分，这种效应在混合后立即显现，并且在静置松弛期间继续反应，使得水分被面筋蛋白充分利用，进而改变了面团的黏弹性。木聚糖酶可以水解全麦粉中水不溶性阿拉伯木聚糖，释放可溶性阿拉伯木聚糖并降低其分子量。木聚糖的大量水解使水在阿拉伯木聚糖、面筋和淀粉重新分配，得到具有适宜黏弹性的全麦面团，增加其加工利用性[22]。

图4 添加0.03%木聚糖酶不同反应时间后全麦面团微观结构扫描电镜图

2.4 木聚糖酶对全麦面团微观结构的影响

由面团的热机械特性和流变特性可得，木聚糖酶在添加量为0.03%时，对全麦面团的改善效果较好，选择木聚糖酶添加量为0.03%，控制酶反应时间90 min为基础进行全麦面团微观结构观察。

木聚糖酶对全麦面团微观结构的影响结果如图4所示，从面团扫描电镜的结果看，未添加木聚糖酶的全麦面团(图4a)结构中有很多裂痕和大的孔洞，可见麸皮的存在严重破环了面筋的连续性，面筋结构破坏严重，这与Gan等[23]的观察结果一致。当木聚糖酶添加量为0.03%时，面团(图4b)的电镜显示出比图4a中的结构略好一点，但仍清楚可见面筋结构的断裂和孔洞。在酶反应90 min后(图4c)显示出较图4a更连续，孔洞更少的面筋结构。由以上结果可知，全麦粉中大量纤维的存在可能导致其与其他聚合物极大地竞争水分，破坏面团的连续性，并导致面团变弱[24]，而木聚糖酶的加入能有效改善全麦面团的面筋结构，改变面团的黏弹特性。同时，有利于面团后期的加工利用，从而赋予产品更好的品质。

3 结论

研究木聚糖酶对全麦面团的混合特性、流变特性、拉伸特性和微观结构影响，结果表明，随着木聚糖酶添加量的增加，全麦面团的吸水率、面团形成时间降低，面团稳定时间呈现先减少后增加的趋势，弱化度上升，峰值粘度降低，延展性增加，因此，木聚糖酶添加可以赋予全麦面团较优的延伸性能，有效降低面团的硬度；在木聚糖酶添加量为0.03%时，全麦面团的弹性模量G′和黏性模量G″均有提高，tanδ降低，表明此添加量下可以改善面团的黏弹特性；扫描电镜结果显示，木聚糖酶添加量为0.03%，酶反应时间90 min时，面团面筋结构能得到有效改善。在实际生产加工中，由于不同面制品对面团特性要求有所不同，木聚糖酶对全麦面团产生的影响需要符合目标产品的生产要求，以此来选择合适的添加量，因此，进一步需要对具体全麦产品有针对性的研究。