張影全,王 遠(yuǎn),郭波莉,張 波,魏益民,張國(guó)權(quán)
掛面(Chinese dried noodles,CDN)指以小麥面粉為主要原料,通過(guò)添加適量飲用水、食用鹽或堿、其它輔料,經(jīng)和面、熟化、壓延、切條、干燥、切斷、包裝等工序加工的,具有一定長(zhǎng)度的干面條。中國(guó)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,2018年全國(guó)主要24 家掛面行業(yè)龍頭企業(yè)年產(chǎn)量為340.9萬(wàn)t。以此估算,全行業(yè)總產(chǎn)量為812 萬(wàn)t。掛面約占工業(yè)化生產(chǎn)面條的26%[1]。近十年來(lái),隨著食品設(shè)備制造業(yè)的快速發(fā)展,掛面生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)水平也得到快速發(fā)展,掛面產(chǎn)業(yè)已初步具備現(xiàn)代食品工業(yè)的特征[2-3]。
干燥工藝是影響掛面產(chǎn)量、成本、質(zhì)量的重要工序之一,是生產(chǎn)自動(dòng)化和智能化遇到的主要技術(shù)問(wèn)題。干燥工序是掛面生產(chǎn)過(guò)程中能量消耗最大的生產(chǎn)環(huán)節(jié),約占整個(gè)掛面生產(chǎn)過(guò)程的60%[4]。在實(shí)際生產(chǎn)中,影響掛面干燥特性及產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素是烘房?jī)?nèi)干燥介質(zhì)的溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速等工藝參數(shù)[5-8]。合理的干燥溫度不僅促進(jìn)面條水分蒸發(fā),提高面條品質(zhì),而且能縮短干燥時(shí)間,降低生產(chǎn)成本[9]。目前,中國(guó)掛面生產(chǎn)企業(yè)普遍采用基于空氣熱力學(xué)的中、低溫(干燥溫度低于45℃)干燥工藝,工藝參數(shù)主要是依靠人為經(jīng)驗(yàn)對(duì)烘房?jī)?nèi)溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速進(jìn)行調(diào)控[10]。關(guān)于中國(guó)掛面干燥工藝、干燥動(dòng)力學(xué)等的研究,最近幾年才逐漸被國(guó)內(nèi)學(xué)者、企業(yè)生產(chǎn)者、設(shè)備制造者所重視,并開(kāi)展了系列研究。其重點(diǎn)主要集中在干燥工藝參數(shù)(溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速等)對(duì)掛面干燥特性和產(chǎn)品質(zhì)量的影響等方面[5-7,11-15]。
小麥面筋蛋白作為自然界中已知分子質(zhì)量最大的蛋白質(zhì)[16],是小麥獨(dú)特加工質(zhì)量形成的物質(zhì)和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。小麥蛋白質(zhì),尤其是面筋蛋白的數(shù)量和質(zhì)量與面條加工過(guò)程及產(chǎn)品質(zhì)量密切相關(guān)[17-23]。Guerrieri 等[24]發(fā)現(xiàn),在大約45 ℃時(shí),面筋疏水性增加,構(gòu)象改變導(dǎo)致醇溶蛋白和谷蛋白的疏水基團(tuán)暴露出來(lái)。超過(guò)50 ℃時(shí),蛋白交聯(lián)形成。溫度顯著影響面團(tuán)整體的流變學(xué)特性和濕面筋中的氫鍵[25]。在加熱條件下,大多數(shù)面筋蛋白通過(guò)二硫鍵的形成發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。Bruneel 等[26]研究表明,良好的面條烹調(diào)質(zhì)量取決于干燥過(guò)程形成的適當(dāng)面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),以及該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在隨后的煮制過(guò)程中抵制淀粉糊化膨脹對(duì)其造成破壞的能力。然而,掛面加工過(guò)程中,尤其是不同干燥條件參數(shù)如何影響小麥面筋蛋白組成和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),以及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化與產(chǎn)品質(zhì)量的構(gòu)效關(guān)系,還有待進(jìn)一步討論和總結(jié)。本文依據(jù)研究資料,重點(diǎn)綜述干燥過(guò)程中溫度、相對(duì)濕度與掛面蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的關(guān)系,面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品質(zhì)量的構(gòu)效關(guān)系,為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)干燥過(guò)程蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化、干燥工藝設(shè)計(jì)、產(chǎn)品質(zhì)量控制提供理論依據(jù)。
溫度是影響掛面干燥過(guò)程的重要因素,也是生產(chǎn)中較易調(diào)節(jié)和控制的因素。合理的干燥溫度不僅促進(jìn)面條水分蒸發(fā),提高面條質(zhì)量,還能縮短干燥時(shí)間,降低生產(chǎn)成本[9]。王春等[12]研究了40~80 ℃干燥條件對(duì)掛面產(chǎn)品質(zhì)量特性的影響,認(rèn)為高溫干燥對(duì)掛面干面和煮后質(zhì)量特性影響不盡相同,當(dāng)烘干溫度70 ℃時(shí),面條的扭斷力、拉伸力較強(qiáng),彎曲度良好,然而對(duì)于掛面的色澤、烹調(diào)損失會(huì)產(chǎn)生一定的不良影響。整體考慮后認(rèn)為,70 ℃干燥條件較好。郭穎等[14]研究了60~100 ℃干燥溫度對(duì)掛面質(zhì)量特性的影響,發(fā)現(xiàn)掛面最佳蒸煮時(shí)間隨烘干溫度的升高而升高,認(rèn)為烘干溫度為60~70 ℃,掛面質(zhì)量較好。魏益民等[6,8]認(rèn)為,掛面干燥介質(zhì)溫度越高,相對(duì)濕度越低,掛面的干燥速率越大。相對(duì)濕度對(duì)掛面干燥過(guò)程的影響大于溫度的影響。于曉磊等[15]研究了加工工藝對(duì)干掛面產(chǎn)品質(zhì)量特性的影響,結(jié)果表明,和面加水量對(duì)干燥及產(chǎn)品質(zhì)量有極顯著影響,其次為干燥溫度。劉銳等[27]研究發(fā)現(xiàn),掛面干燥過(guò)程蛋白質(zhì)含量、谷蛋白大聚體含量無(wú)顯著變化。不同小麥品種的蛋白組分在整個(gè)干燥過(guò)程中的變化趨勢(shì)不盡一致。
溫度顯著影響面團(tuán)的流變學(xué)特性和濕面筋中的氫鍵[25]。在加熱條件下,大多數(shù)面筋蛋白通過(guò)二硫鍵的形成發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。溫度超過(guò)40 ℃就可誘導(dǎo)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。Guerrieri 等[24]發(fā)現(xiàn),大約45 ℃時(shí),面筋疏水性增加,構(gòu)象改變,導(dǎo)致醇溶蛋白和谷蛋白的疏水基團(tuán)暴露出來(lái)。超過(guò)50 ℃時(shí),蛋白交聯(lián)形成。意大利面干燥過(guò)程中,淀粉仍保持它的顆粒狀特性[28],而蛋白質(zhì)在溫度超過(guò)60 ℃開(kāi)始交聯(lián)。當(dāng)溫度提高到80 ℃以上時(shí),麥谷蛋白和醇溶蛋白的提取率降低[29]。與面包烘焙過(guò)程一樣,干燥時(shí),麥谷蛋白首先因游離SH 基團(tuán)被氧化而發(fā)生聚合交聯(lián)[30],部分單體醇溶蛋白與不溶性麥谷蛋白交聯(lián)。60 ℃以上干燥時(shí),蛋白質(zhì)的聚合反應(yīng)不會(huì)因含水量的降低而受到影響[29],這是因?yàn)楦稍镞^(guò)程蛋白質(zhì)始終保持在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之上[31]。高溫干燥條件下,麥谷蛋白和醇溶蛋白發(fā)生聚合交聯(lián),包裹部分淀粉顆粒,形成連續(xù)致密的面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[29,32]。Verbauwhede 等[33]研究發(fā)現(xiàn),溫度超過(guò)40 ℃,蛋白網(wǎng)絡(luò)寬度開(kāi)始下降;60 ℃以上,蛋白網(wǎng)路分枝數(shù)增加;溫度超過(guò)75 ℃,蛋白網(wǎng)路結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯變化。
Inazu 等[34-35]研究表明,烏冬面干燥過(guò)程中,溫度對(duì)水分?jǐn)U散速率的影響大于相對(duì)濕度。Mercier等[36]通過(guò)對(duì)66 篇營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化類(lèi)意大利面(enriched pasta)文獻(xiàn)的Meta 分析,發(fā)現(xiàn)干燥溫度與意大利面平衡含水量呈負(fù)相關(guān)(r=-0.91),較高的溫度可以改善意大利面的烹調(diào)特性。Padalino 等[37]研究表明,意大利面(spaghetti)感官質(zhì)量隨干燥溫度的升高而得到改善,并推測(cè)產(chǎn)品烹調(diào)特性的改善與淀粉顆粒物理交聯(lián)和蛋白大聚體的化學(xué)交聯(lián)增多直接相關(guān)。劉銳等[27]研究表明,面條加工制作過(guò)程中,蛋白質(zhì)含量無(wú)顯著變化。在和面和煮制兩個(gè)環(huán)節(jié),蛋白質(zhì)組成變化明顯。小麥粉和面形成面團(tuán)后,面筋蛋白和谷蛋白含量無(wú)變化,而醇溶蛋白和GMP 含量明顯下降。干燥后,面條中GMP 含量增加。不同小麥品種的蛋白組分在整個(gè)加工過(guò)程中的變化趨勢(shì)不盡一致。
隨著溫度的升高,面筋蛋白質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的變化,當(dāng)干燥溫度高于40 ℃時(shí),會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)產(chǎn)生膜狀變性。當(dāng)溫度超過(guò)50 ℃時(shí),蛋白質(zhì)因發(fā)生熱變性而凝固,劣化面筋的品質(zhì),面條發(fā)脆,強(qiáng)度降低,且面條煮熟后的硬度也隨烘干溫度的升高而逐漸增加,影響其食用品質(zhì)[38-39]。70 ℃以上的高溫干燥可促使意大利面中蛋白質(zhì)的凝集,有利于加強(qiáng)面筋的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使面條表面的淀粉發(fā)生糊化,產(chǎn)品色澤更佳;同時(shí)煮面不易糊湯,使烹調(diào)性得到改善,并起到一定的殺菌作用,利于產(chǎn)品的安全儲(chǔ)藏。
相對(duì)濕度是掛面干燥過(guò)程中影響產(chǎn)品質(zhì)量形成的另一個(gè)重要因素。干燥過(guò)程要求遵循“保濕干燥”的原理,使?jié)駫烀娴乃衷谝欢ǖ南鄬?duì)濕度下緩慢蒸發(fā),保持外擴(kuò)散與內(nèi)擴(kuò)散速度的基本平衡,防止?jié)衩鏃l表面結(jié)膜,影響脫水速率和產(chǎn)品質(zhì)量。另外,相對(duì)濕度較高的熱空氣焓值較高,有利于熱擴(kuò)散,能夠加快掛面內(nèi)外的熱傳遞。在實(shí)際掛面生產(chǎn)過(guò)程中,絕大多數(shù)企業(yè)僅根據(jù)操作人員的經(jīng)驗(yàn),通過(guò)調(diào)整烘房?jī)?nèi)排潮口的數(shù)量、開(kāi)口大小等措施對(duì)烘房?jī)?nèi)相對(duì)濕度進(jìn)行調(diào)控,控制手段和精度相對(duì)較粗放。
前人研究大多集中在干燥過(guò)程相對(duì)濕度變化與干燥速率和產(chǎn)品含水率的關(guān)系方面。沈再春[40]提出,主干燥前期相對(duì)濕度控制在75%左右,可以避免掛面結(jié)膜和酥面現(xiàn)象的發(fā)生。陸啟玉[39]研究發(fā)現(xiàn),相同溫度條件下,相對(duì)濕度越低,表面水分的蒸發(fā)速度越快。李華偉等[41]研究表明,預(yù)干燥階段的相對(duì)濕度為90%±2%時(shí),掛面干燥效果最佳。高飛等[11]研究認(rèn)為,升溫干燥階段起始相對(duì)濕度95%較適宜,恒溫干燥階段和完成干燥階段適宜的相對(duì)濕度分別為75%和60%。王杰等[5]研究表明,隨著相對(duì)濕度的增加,掛面水分含量、色澤a*值和b*值逐漸增大,L*值和抗彎強(qiáng)度逐漸減小,掛面產(chǎn)品不易彎曲變形。魏益民等[6]研究表明,相對(duì)濕度對(duì)掛面干燥過(guò)程的影響大于溫度的影響,特別是在產(chǎn)品質(zhì)量特性方面。
相對(duì)濕度的高、低可直接影響空氣的吸水能力,決定掛面表面水分的蒸發(fā)速度,從而影響水與面筋蛋白的結(jié)合,間接影響面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化[34-35]。Umbach 等[43]研究表明,面團(tuán)中的水分主要與蛋白質(zhì)結(jié)合,烘焙過(guò)程水分從蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移向淀粉。在較高的水分含量下,面筋蛋白處于革質(zhì)(leathery)狀態(tài),當(dāng)水分含量超過(guò)35%時(shí),面筋蛋白完全水合,面筋形成橡膠狀(rubbery),且具有一定黏彈性的聚合物[44]。根據(jù)Belton[45]提出的環(huán)形-隊(duì)列模型(loop and train model),面筋蛋白水合程度越高,環(huán)狀結(jié)構(gòu)區(qū)域(loops)越多,面團(tuán)彈性越大。
掛面在制作過(guò)程中,通常是面粉加水和面,形成含水量低于35%的面絮,面絮經(jīng)進(jìn)一步的醒發(fā)、壓延,被切成不同規(guī)格的濕面條;濕面條經(jīng)干燥,制得掛面產(chǎn)品。加水主要是對(duì)小麥蛋白質(zhì)起塑化作用,使其可以通過(guò)擠壓或壓延形成面條。在隨后的干燥過(guò)程中,產(chǎn)品從橡膠狀(rubbery)轉(zhuǎn)變?yōu)椴A睿╣lassy),因而得到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)[29,46]。在壓延、干燥和煮沸過(guò)程中,蛋白質(zhì)通過(guò)形成一個(gè)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò),最終決定產(chǎn)品的特性或質(zhì)量。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)形成的主要機(jī)制可能是SH-SS 交換反應(yīng)和麥谷蛋白亞基的相互糾纏[48]。
干燥過(guò)程中,面筋部分發(fā)生了與面包烘焙類(lèi)似的化學(xué)變化。形成的面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在很大程度上影響面條表觀質(zhì)量、烹飪損失和食用品質(zhì)。Wang 等[10]研究表明,面筋含量主要影響掛面干燥中期的干燥速率。意大利面干燥過(guò)程中高溫使蛋白質(zhì)發(fā)生氧化交聯(lián),導(dǎo)致蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的巨大變化[49]。加熱處理提高了蛋白質(zhì)的連接性,并形成額外的二硫鍵,從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)聚集增加[50]。當(dāng)干燥溫度從60 ℃提高到90 ℃,導(dǎo)致單體蛋白質(zhì)減少,而大分子蛋白質(zhì)聚合物(UPP)含量增加。干燥溫度55 ℃以上時(shí),麥谷蛋白亞基主要參與二硫鍵-游離巰基(disulfide-sulfhydryl)交換反應(yīng),產(chǎn)生鏈間SS 鍵;溫度70℃以上,醇溶蛋白等參與發(fā)生類(lèi)似的反應(yīng)[30]。
在隨后的煮制過(guò)程中,淀粉顆粒吸收水分,膨脹和糊化,隨著煮制過(guò)程,蛋白質(zhì)提取率迅速減少,表明蛋白質(zhì)發(fā)生進(jìn)一步的聚合[26,28]。煮熟的面條形成一個(gè)以淀粉和蛋白質(zhì)為主要結(jié)構(gòu)的混合聚合物體系。優(yōu)質(zhì)的面條通??梢猿惺芤欢ǖ倪^(guò)度煮制,烹調(diào)損失較小,產(chǎn)品具有光滑的表面,有一定的緊實(shí)度和彈性[47]。烹調(diào)損失和表面黏性是由于淀粉過(guò)度膨脹引起的,可以利用蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)預(yù)防和阻止。面條煮制質(zhì)量很大程度上取決于蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)能否承受煮制過(guò)程中淀粉膨脹所帶來(lái)的破壞[28]。從這個(gè)角度看,面條烹調(diào)過(guò)程,蛋白質(zhì)聚合交聯(lián)形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),與淀粉膨脹對(duì)結(jié)構(gòu)有破壞作用之間存在微妙的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。最佳的蛋白質(zhì)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能夠包裹一些淀粉顆粒,阻止淀粉膨脹以及滲出,提高煮后面條的緊實(shí)度。如果煮制過(guò)程蛋白質(zhì)交聯(lián)不足,蛋白質(zhì)就會(huì)形成不連續(xù)的離散團(tuán)塊,導(dǎo)致煮后面條出現(xiàn)烹飪損失大,面條變軟、變黏。然而,過(guò)度干燥會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)過(guò)度交聯(lián),煮制過(guò)程中蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)承受淀粉膨脹的能力變?nèi)?,這對(duì)煮制質(zhì)量造成不利影響。Bruneel等[26]認(rèn)為,良好的面條烹調(diào)質(zhì)量取決于干燥過(guò)程形成的適當(dāng)面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),以及該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在隨后的煮制過(guò)程中抵制淀粉糊化膨脹對(duì)其造成破壞的能力。
面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是掛面質(zhì)量構(gòu)成的重要因素。在掛面生產(chǎn)過(guò)程中,面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐步形成,貫穿于面條生產(chǎn)的整個(gè)過(guò)程。干燥過(guò)程中面筋蛋白會(huì)發(fā)生解聚、聚合等一系列的變化,干燥后蛋白質(zhì)聚合和面筋網(wǎng)絡(luò)形成程度是決定掛面產(chǎn)品表觀質(zhì)量、烹調(diào)損失和食用品質(zhì)的關(guān)鍵。
溫度和相對(duì)濕度是掛面干燥過(guò)程中影響面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化的主要工藝條件。其中,溫度直接影響面筋蛋白分子結(jié)構(gòu)形成與變性;相對(duì)濕度主要通過(guò)影響空氣的吸水能力和熱傳導(dǎo),間接影響面筋蛋白與水結(jié)合的能力及其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。干燥過(guò)程由于溫度、相對(duì)濕度工藝條件的改變,可能導(dǎo)致面筋蛋白不恰當(dāng)?shù)淖冃跃奂?,從而使得掛面產(chǎn)品發(fā)生變形、劈條、酥條等質(zhì)量缺陷。目前,有些理論和推測(cè)尚缺乏進(jìn)一步的科學(xué)驗(yàn)證。
干燥過(guò)程應(yīng)以蛋白質(zhì)聚集度達(dá)到最佳水平為目標(biāo),而不是以達(dá)到最大的聚集度為目標(biāo)。系統(tǒng)研究干燥過(guò)程面筋蛋白分子質(zhì)量及分布、分子鏈構(gòu)象及分子尺寸,以及面筋蛋白分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律,探究這些變化與掛面產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)特性和感官質(zhì)量特性的關(guān)系,有助于從分子水平探討掛面干燥過(guò)程產(chǎn)品質(zhì)量形成機(jī)理,進(jìn)一步明確面筋蛋白結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品質(zhì)量的構(gòu)效關(guān)系,為掛面原料選擇、干燥工藝設(shè)計(jì)、工藝控制及穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量提供理論依據(jù)。