Effects of Rice Flour Addition on Mechanical Properties of High Gluten Flour Dough
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摘要: 本文采用质构仪和电子型面筋仪Glutograph-E对米-面混合粉面团的质构特性、应力松弛以及面筋筋力的结果进行分析。从力学角度出发，研究不同种类的稻米粉的添加量对高筋小麦粉面团筋力的影响。结果表明：不同品种稻米粉的添加对混合粉面团的质构特性的影响差异性较大；稻米-高筋小麦混合面团随稻米粉添加量的增加，（龙稻5号）LD5和（龙稻19号）LD19的硬度均出现上升的趋势；弹性方面稻米粉添加量在40%，LD23（龙稻23号）出现明显的上升趋势，LD5明显下降，其余品种变化不大；稻米粉添加量在40%时，稻米粉的黏聚性和胶着性除LD5和LJ46（龙粳46号）外，均出现明显的下降；稻米粉的添加量在0%~40%时，各品种的稻米回复性均出现下降的趋势；应力松弛方面，稻米粉添加量增加至40%时，LD5、LD20（龙稻20号）、LD25（龙稻25号）应力松弛时间较长，意味着面团中有大的聚合物生成，面团趋向于刚性；面筋仪测定的拉伸值和回弹值所有稻米品种均呈现下降的趋势，面团弹韧性和筋力增强。该研究为米-面混合制品的开发进一步奠定了良好的基础。Abstract: In this paper, the texture characteristics, stress relaxation and gluten strength of rice flour mixed flour dough were analyzed by texture analyzer and electronic gluten analyzer Glugraph-E. From the point of view of mechanics, the effects of different kinds of rice flour on the gluten of high gluten wheat flour were studied. The results showed that the effects of different varieties of rice flour on the texture characteristics of mixed flour dough were different. The hardness of LD5 (Longdao 5) and LD19 (Longdao 19) of rice high gluten wheat mixed dough increased with the increasing of rice flour addition. In terms of elasticity, when the amount of rice flour added was 40%, LD23 (Longdao 23) showed an obvious upward trend, LD5 decreased significantly, and other varieties had little change. When the 40% rice flour was added, the cohesiveness and adhesiveness of rice flour decreased significantly except LD5 and LJ46 (Longjing 46). When the amount of rice flour was 0%~40%, the rice resilience of all varieties decreased. In terms of stress relaxation, when the amount of rice flour was increased to 40%, the stress relaxation time of LD5, LD20 (Longdao 20) and LD25 (Longdao 25) was longer, which meant that there was large polymer formation in the dough and the dough tended to be rigid. The tensile value and rebound value measured by the gluten meter showed a downward trend for all rice varieties, and the dough elasticity and strength increased. This research would lay a good foundation for further development of rice flour mixed products.
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Keywords:
- rice /
- texture characteristics /
- stress relaxation /
- gluten force
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烘焙食品是世界主流食品，我国烘焙食品行业规模已经处于世界领先地位，传统意义上的面包主要的制作原料为小麦粉，但有许多人对含面筋蛋白的食物异常敏感，这种病症通常叫做麦胶性肠病，又称为乳靡泻[1]，而小麦粉中的麦胶蛋白和麦谷蛋白[2]所形成的面筋网络结构在面包的制作中起着重要的作用。因此除小麦粉外，目前一些其他品种类的谷物被用于代替小麦粉，作为面包的基础成分逐渐成为一种趋势[3-4]，如Kaszuba等[5]在黑小麦粉中添加麸皮粉，并对其面团品质进行研究，结果表明麸皮粉的添加对面团的形成产生了积极的影响。稻米作为主食之一，一直以来都作为主食存在于人们生活当中[6]，同时我国是水稻的主要发源地之一，全球范围内我国的水稻产量与种植面积均排在世界第一，总产量占世界总产量的30%左右[7]。从营养学角度出发，稻米蛋白品质优于小麦蛋白和玉米蛋白[8]，其含有丰富的必需氨基酸[9]和低致敏性[10]，且稻米中不含有面筋蛋白，可以被乳糜泻病人食用。但是由于稻米中面筋蛋白的确是[11]，会导致所形成的米团粘弹性比例失衡，最终成品起发不足、口感粗糙、缺乏嚼劲[12]。而对于面包等发酵类面制品，影响最终产品质量的关键因素就是面团的形成是否良好[13]。
面团的力学特性主要是指在机械力学特性的作用下，面团的各个部分的相对位置发生变化。由于面团的外因或内在缺陷，并产生较为明显的“形变”的过程，通过质构特性、应力松弛以及面筋筋力面团等指标对面团的相关的性质进行测定并分析。Chen等[14]在研究中表示工业面团生产的一个重要环节是压片或滚压过程，并研究开发了一种计算设计工具，改善在这个过程中马铃薯面团的机械性能，以确保马铃薯面团的压片过程顺畅。Mohammed等[15]通过研究面团、面筋和淀粉的机械行为，来讨论面包面团是否可以作为两相（淀粉和面筋）复合材料处理。由此可见，力学特性是面团研究中必不可少且具有说服力的一种研究方式，并在面团中的应用十分广泛。
不同品种稻米的直链淀粉和蛋白含量具有一定的差异性，因此本文选取了6个不同品种的稻米为实验原材料，着眼于稻米粉的添加对高筋小麦粉面团筋力力学特性的影响规律的研究，将稻米粉与小麦粉进行一定比例的混合后，选用质构仪和电子型面筋仪Glutograph-E对混合体系面团的质构特性、面筋筋力和应力松弛的变化进行分析，从而获得不同品种稻米粉对高筋粉面团力学影响的差异性，以及稻米粉的添加对高筋粉面团力学特性的影响规律。黑龙江作为水稻的主产的省份，在此背景下，本文主要选用了黑龙江省常用的6种稻米品种，以期为稻米粉替代或部分代替高筋粉的米面包类制品的开发奠定良好的理论基础。
1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
香雪特精粉 中粮集团（沈阳）有限公司；龙稻5号（LD5） 黑龙江省肇东市；龙稻19号（LD19） 黑龙江省哈尔滨市道外区民主乡；龙稻20号（LD20） 黑龙江省肇东市；龙稻23号（LD23） 黑龙江省哈尔滨市阿城区；龙稻25号（LD25） 黑龙江省肇源县；龙粳46号（LJ46） 黑龙江省齐齐哈尔市；香雪特精粉（小麦粉） 中粮面业（秦皇岛）鹏泰有限公司；不同品种稻米组分及相关研究内容参见课题组前期的研究成果[16]。
Farinograph- E型粉质仪 德国布拉本德公司；TA.new plus质构仪 上海瑞玢国际贸易有限公司；FC2K型砻谷机 日本大竹公司；VP-32型精米机 日本Yamamoto公司；JXFM110型锤式旋风磨 上海嘉定粮油仪器有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 稻米及原辅料预处理
选取不同种黑龙江粳稻先经过砻谷机去壳，然后精米机处理剖光，再由锤式旋风磨磨成粉状，过80目筛，180 μm，用PE自封袋进行封装处理，放在4 ℃冰箱中备用[17]。
1.2.2 混合面团的制备
将稻米粉分别与高筋小麦粉（香雪小麦粉）按以下比例进行混合，稻米粉的占比（湿基）为：0、10%、20%、30%、40%。采用布拉本德粉质仪进行面团调制，其稠度最大值的范围在480~520 FU，将得到的面团经过天平称量后制成7 g，直径20 mm，高20 mm的模型，面团在挤压的情况下探头不会露出。
1.2.3 面团质构特性测定
采用1.2.2方法对面团采用质构仪进行进行质地剖面分析（TPA）测定，在TPA曲线上可以得到以下五个参数值：硬度、弹性、黏聚性、胶着性、回复性。测定参数如下[18]：
测试探头：P/35，操作模式：压力测定，压缩率：50.00%，两次压缩之间时间间隔：5.00 s，测试前速率：1.00 mm/s，测试速率：1.00 mm/s，测试后速率：1.00 mm/s，接触点感应力：5.00 g。
1.2.4 面团应力松弛测定
对于混合面团应力松弛的测定使用的面团大小同1.2.2，对面团进行保鲜膜包裹且在室温下静置5 min。采用质构仪对混合面团松弛实验进行三次平行实验。在压缩量达到60%时，停止探头工作，持续90 s后可以得到压力与时间变化的关系曲线，随着时间的延长曲线逐渐趋于平缓，实验结束。测定参数如下[18]：
测试探头：P/35，操作模式 ：压力测定，试验类型：松弛测试，压缩率：60.00%，释放时间：90.00 s，测试前速率：1.00 mm/s，测试速率：1.00 mm/s，测试后速率：1.00 mm/s，接触点感应力：5.00 g。
1.2.5 面筋筋力的测定
采用的德国Brabender粉质仪进行面团的调制。称取3 g混合后的面团（面团的最大稠度在500±20 FU范围内）采用电子型面筋仪Glutograph-E进行测定，设置参数分别为拉伸角度800 BU（1°=18.868 BU=22.756 Digits），拉伸时间125 s，松弛时间10 s，负荷为200 cmg，而后对松弛20 min的面团样品进行测定。
1.3 数据处理
采用Excel 2007和Origin 8.5对数据进行整理。采用SPASS 12.0进行方差和显著性分析，统计学分析选择Duncan检验，检测水平P<0.05。
2. 结果与分析
2.1 稻米粉的添加对高筋小麦粉面团质构特性的影响
TPA实验过程中会有两次压缩，第一次压缩会使样品发生破裂且变形，会出现第一个明显的峰，此时的峰值为硬度[19]。面团的硬度对于面包的成品具有很大的影响，硬度的大小影响着成品的外观及口感，是十分重要的指标。由图1a可得，不同品种稻米粉混合面团的硬度随着稻米粉的添加量的增加，具有较大差异。其中LD25和LJ46具有较明显差异，随着稻米粉添加量在0%~40%时的混合面团，LD25呈先下降，后明显上升再下降的趋势，在30%处达到顶峰。而LJ46呈现先上升后缓慢下降的趋势，这有可能是由于LJ46为粳米，韧性较强所导致的。在添加量为10%时，LD5、LD19、LD23、LD25的混合面团硬度都有所下降，LD20硬度略微提升，LJ46硬度明显提升且混合面团硬度达到最大值；在添加量上升至20%时，LD23和25混合面团的硬度有所上升，而LJ46混合面团硬度开始下降，其余变化不明显；在添加量达到30%时，除LD23外，其余混合面团硬度都有所上升，此时LD20、25混合面团的硬度达到最大值；当添加量达到40%时，LD25和LJ46混合面团的硬度有所下降，但仍高于空白面团，LD20混合面团硬度也有所下降，其余都略有提升。随着稻米粉添加量增加的过程中，以LJ46的变化尤为显著（P<0.05），这可能是由于LJ46的损伤淀粉含量较少，形成混合面团时，由于淀粉颗粒的膨胀作用，随其添加量的增多，硬度逐渐下降，故LJ46与其他品种相比不适用于米面混合面团。
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图 1 稻米粉添加量对混合面团质构特性的影响注：不同小写字母表示数据间差异性显著（P<0.05）。Figure 1. Effect of rice flour addition on texture characteristics of mixed dough随着压缩的进行，样品呈现出回弹能力[20]在进行第二次压缩时，曲线出现第二个峰值，弹性为第二个峰值与第一个峰值之比。弹性在面包的制作中，是至关重要的指标之一。稻米粉中的蛋白与面筋蛋白不同[13]，无法形成网络结构，这使其无法拥有良好弹性。由图1b可知，稻米粉的添加量对弹性影响较大，在稻米粉添加量在0%~40%时，LD5出现明显的下降趋势，且在40%添加量时比0%添加量更低。LD23在10%~30%添加量时比0%添加量低，但在40%时出现明显的上升趋势。当稻米粉添加量达到10%时，LD20和LD25的弹性有明显上升趋势；当添加量升至20%时，LD19、25和LJ46依旧逐渐上升；当添加量从20%至40%时，除LD5外，其余混合面团弹性逐渐趋于稳定上升趋势，且LD23的上升幅度最为显著（P<0.05），用其他品种的稻米粉制作混合面团，将会获得更好的弹性。总体来说，随稻米粉的添加混合粉面团的弹性略有提升，该实验结果与我们前期的基础流变学的研究结果相一致[21-22]。
黏聚性即将样品进行两次压缩的过程中所做的功进行比值计算，得到的为黏附性[23]，表示形成食品形态所需内部结合力的大小。由图1c可知，随着稻米粉添加量由0%升至30%，各品种黏聚性均有所上升，在添加量为40%时出现骤然性下降，这说明米粉在高添加量时对混合粉面团的黏聚性会有一个质变的影响。LD5除外，一直保持上升的趋势，这与其弹性所得到的实验数据正好相反，分析原因有可能是其质变的拐点在更高的添加量处。LD23、LD25和LJ46随着稻米粉添加量的增加，均呈现先上升后下降的趋势，LD19和LD20稻米粉的混合面团黏聚性都呈现先上升后下降而后上升再下降趋势。
在进行质构的测定时样品主要分为固体和半固体两种，咀嚼性存在于固体和半固体之间，而胶着性则存在于半固体的样品中；胶着性的计算是由硬度和黏聚性乘积而得，咀嚼性则由硬度、黏聚性和弹性乘积得出[24-26]。本研究对象为面团，典型的半固体，因此本次实验选取胶着性为考察指标[27]。由图1d可知，当稻米粉添加量在10%~30%之间时，混合面团的胶着性整体略有升高，但变化不大；随着添加量逐渐趋于40%时，除LD5外，其余品种的混合面团胶着性均迅速递减，说明发生了显著性变化，且胶着性变化趋势与黏聚性相近。
随着压缩过程的进行，样品会呈现出其回弹能力，回复性通常用样品释放的弹性和探头压缩时的能量之比表示。由图1e可知，随着稻米粉添加量的加大，混合面团的回复性逐渐呈下降趋势，可能是由于随着稻米粉添加量的增多，降低了小麦面团的面筋蛋白含量，从而影响其结构与特性，回复性逐渐降低，说明稻米粉的添加对混合面团的回复性影响较大。
2.2 稻米粉的添加对高筋小麦粉面团应力松弛的影响
应力松驰反映了高聚物内部分子的运动的，在外力作用下，高分子链段不得不顺着外力方向被迫舒展因而产生内部应力，与外力相抗衡，但是，链段热运动使有些缠结点散开导致分子链产生相对滑移，分子构象被调整，逐渐恢复其蜷曲状态，内应力逐渐消除，与之相平衡的外力也逐渐衰减，由此维持恒定的形变（详见图2）。添加不同品种的稻米混合面团应力松弛时间如下表1所示。由表1可得出随着稻米粉添加量的增加，混合粉面团应力松弛时间整体呈上升趋势，说明稻米粉的添加会使混合粉中面筋蛋白的质量和数量都发生了变化，由此改变混合粉的质量[28]。Rao等[29]研究表明松弛时间较长意味着面团中有大的聚合物生成。Bhattacharya[30]在研究阿拉伯胶等因素对米团流变学的影响中指出，松弛时间较高通常具有趋向于固体的刚性特征。综上说明稻米粉的添加增加了面团的刚性。
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图 2 线性聚合物应力松弛过程的分子机理Figure 2. Molecular mechanism of stress relaxation process of linear polymer表 1 稻米粉添加量对混合面团应力松弛时间的影响Table 1. Effect of rice flour addition on stress relaxation time of mixed dough品种 添加量（%） 10 20 30 40 LD5 4.00 3.18 4.01 5.32 LD19 3.72 3.80 3.92 4.03 LD20 3.10 2.93 4.47 5.46 LD23 4.39 3.10 6.99 4.78 LD25 3.72 5.04 4.24 5.32 LJ46 2.89 3.87 4.41 4.41 2.3 稻米-小麦混合粉体系筋力的变化规律
由图3和图4f可以看出，小麦粉面团的剪切偏转角度最大，筋力最弱，随稻米粉添加量的增加面团抗扭阻力增大，剪切偏转角度减小，面团筋力增大，当相同品种的稻米粉添加量为50%时，面团抗扭阻力最大，面团筋力最强。LD5号添加量为10%和20%时，面团抗扭阻力变化幅度较小，当稻米粉添加量大于20%时，面团的抗扭阻力大大增加，30%、40%和50%的变化幅度较小。当LD19号添加量20%为和30%时，面团抗扭阻力较小，剪切偏转角度较大，面团筋力较小，在添加量为50%时，面团抗扭阻力最大，剪切偏转角度最小，面团筋力最大。当LD20添加量为10%时，面团抗扭阻力相比较于100%小麦粉的抗扭阻力大大增大，当添加量大于20%时，面团抗扭阻力逐渐增大，剪切偏转角度逐渐减小，面团筋力逐渐增大，但30%、40%和50%的添加量面团筋力变化较小。当LD23添加量为10%和20%时，两者的剪切偏转角度相差不大，并略有起伏，随稻米粉添加量增加，面团抗扭阻力增大，当稻米粉添加量为30%和40%时，两者剪切偏转角度相近，当添加量为50%时，面团抗扭阻力增幅最大，面团剪切偏转角度最小，面团抗扭阻力最大，面团筋力最强。LD25添加量为20%时，面团抗扭阻力最小，当稻米粉添加量大于20%时，随稻米粉添加量的增加，面团抗扭阻力增幅较大，剪切偏转角度较小，面团筋力增强。由图3和图4f可以看出，变化幅度较为规律，随着稻米粉添加量的增大，抗扭阻力增大。当稻米粉添加量为10%和20%时，面团抗扭阻力较小，当稻米粉添加量30%时，面团抗扭阻力增幅较大。由图3可知不同品种相互之间比较时可以看出，添加量50%时，LJ46的拉伸值和回弹值均高于其他品种的稻米粉，这可能是由于不同品种的粳米的其蛋白和淀粉的质量和数量略有差异，导致添加LJ46拉伸值和回弹值相对来说要高，说明面团的抗扭矩阻力较小，面团筋力较弱。
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图 3 稻米粉添加量对混合粉面团筋力的影响Figure 3. Effect of rice flour addition on gluten strength of mixed flour dough综上，不同比例梯度的稻米-小麦混合粉体系形成的面团与100%小麦粉形成的面团相比抗扭阻力增大，拉伸值和回弹值均呈现下降的趋势，剪切偏转角度减小，面团弹韧性和筋力增强。这应该与米粉中含量较多的米谷蛋白有一定的关系[31]。将稻米粉添加到小麦粉中，必然改变其化学成分，如果将面团看成一个黏弹体，小麦粉中决定面团黏弹特性的主要因素为面筋蛋白，因此推断最终使混合粉团黏弹特性改变的应该主要也是其蛋白的作用。该实验结果与Sivaramakrishnan等[32]的研究相一致。
3. 结论
稻米-高筋小麦混合面团随稻米粉添加量的增加，LD5和LD19的硬度均出现上升的趋势、弹性方面除LD5均表现较为良好，添加量在40%时，黏聚性和胶着性LD5和LJ46呈现较高的趋势，而回复性呈现整体下降趋势；应力松弛时间整体呈上升趋势，趋向于刚性增加；面筋仪测定的拉伸值和回弹值均呈现下降的趋势，面团弹韧性和筋力增强。这有可能是由于随着添加量的改变，稻米中的米谷蛋白对其面团的内部结构引起的变化，综合以上结论，稻米粉添加到小麦粉中与其它谷物对小麦粉面团的影响具有差异性，虽然米粉的添加会降低混合粉面团的回复性，说明其回弹性较差，但是面团的韧性和刚性不但不会减少，反而会增加，且研究表明添加LD23后的混合面团，弹性的上升幅度最为显著。该研究可以为稻米粉的改良提供良好的理论基础，以拓宽稻米的精深加工性能，为更进一步的用米粉代替面粉提出更多的想法和建议，延长产业链。
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图 1 稻米粉添加量对混合面团质构特性的影响
注：不同小写字母表示数据间差异性显著（P<0.05）。
Figure 1. Effect of rice flour addition on texture characteristics of mixed dough
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图 2 线性聚合物应力松弛过程的分子机理
Figure 2. Molecular mechanism of stress relaxation process of linear polymer
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图 3 稻米粉添加量对混合粉面团筋力的影响
Figure 3. Effect of rice flour addition on gluten strength of mixed flour dough
表 1 稻米粉添加量对混合面团应力松弛时间的影响
Table 1 Effect of rice flour addition on stress relaxation time of mixed dough
品种 添加量（%） 10 20 30 40 LD5 4.00 3.18 4.01 5.32 LD19 3.72 3.80 3.92 4.03 LD20 3.10 2.93 4.47 5.46 LD23 4.39 3.10 6.99 4.78 LD25 3.72 5.04 4.24 5.32 LJ46 2.89 3.87 4.41 4.41 
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