可溶性纤维：调节面团流变学与面筋结构的 “幕后英雄”—— 基于氢键密度和 Flory-Huggins 水相互作用参数的研究

为解决可溶性纤维与面筋相互作用及对面团流变学影响未完全明晰的问题，研究人员开展了可溶性纤维对小麦面团流变学及面筋结构影响的研究。结果表明，Φw,eff和 χeff可调节面团特性，且纤维结构影响面筋网络。该研究为面包产品研发提供依据。

　　在当今注重健康饮食的时代，膳食纤维对人体健康的重要性日益凸显。可溶性纤维，像果胶、阿拉伯木聚糖、β- 葡聚糖等，不仅能促进肠道健康，还对预防冠心病、糖尿病和肥胖症等有积极作用。然而，在将可溶性纤维添加到面包等食品中时，却遇到了技术难题。因为这些纤维会与面筋发生相互作用，改变面筋的聚集状态和生物聚合物的相转变，进而影响面团的流变学特性、烘焙性能以及面包的最终品质。目前，虽然知道分子重量（M_w）等因素会影响纤维与面筋的相互作用，但对于氢键结合能力、吸湿性等分子特性的影响，还缺乏全面深入的了解。在这样的背景下，为了探究其中的奥秘，来自国外的研究人员开展了一项关于可溶性纤维对小麦面团流变学和面筋结构影响的研究。该研究成果发表在《Current Research in Food Science》上，为面包等食品的研发提供了重要的理论依据，有助于开发出更健康、品质更优的食品。

研究人员采用了多种关键技术方法来开展研究。通过差示扫描量热法（DSC）分析面团的热转变，以探究淀粉糊化等相转变过程；利用动态机械热分析（DMTA）研究面团的热机械行为；借助 Kieffer 试验进行面团拉伸流变学测试，评估面团的拉伸性能；运用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察面筋网络的微观结构，并结合图像分析对其结构特征进行量化；还使用了主成分分析（PCA）和多元线性回归等统计方法，分析各参数之间的关系。

研究结果如下：

• 可溶性纤维的结构和理化性质：研究发现，不同的可溶性纤维具有不同的结构和理化性质。例如，随着果糖寡糖 M_w和 T_g的增加，其 N_OH,s也会升高。葡萄糖糖浆 Mylose 虽 M_w较低，但因其高 T_g，N_OH,s比一些果糖寡糖高。通过 FHFV 理论对纤维的吸附等温线进行建模，得到了纤维的水相互作用参数 χ_s。部分纤维在吸附等温线数据上存在偏差，如 TEX 可能因形成结晶域而导致偏差。此外，研究还发现不同纤维的吸湿性存在差异，Myl、FOS 和 OFP 等具有较好的吸湿性，而 TEX 吸湿性最差。
• 对面粉吸水性的影响：添加可溶性纤维通常会减少面团所需的加水量，但这一现象不能仅用纤维的 M_w来解释。低 M_w的纤维，如 Mylose、FOS 和 OFP，虽然具有较高的增塑功能，但由于其与面筋竞争水分，导致面团加水量略有增加。而高 M_w的纤维，如 TEX，可能会发生相分离，需要更多的水来保证面筋的水化。
• 对小麦面团相转变的影响：研究证实，小麦面团中与淀粉糊化相关的相转变受水 - 纤维混合物的有效体积分数 Φ_w,eff控制。通过 DSC 分析得到的面团熔化转变与淀粉糊化有关，且 T_onset和 T_peak是 Φ_w,eff的函数，这与之前的研究结果一致。
• 对小麦面团热机械行为和拉伸流变学的影响：PCA 分析表明，理化参数对热转变和面团流变学有显著影响。添加可溶性纤维会使 T_pDSC 和 T_onDMTA 增加，不同纤维对面团流变学的影响存在差异。高 M_w的菊粉（如 IQ 和 TEX）会增加 G′并降低 tan (δ)，而其他纤维的影响则与对照面团相似。在拉伸行为方面，含 TEX 的面团与其他纤维面团表现不同。
• 面团流变学与理化参数的定量关系：多线性回归分析显示，相转变和面团流变学在很大程度上受 Φ_w,eff、χ_eff和 N_OH,s/v_s的组合控制，其中 Φ_w,eff和 χ_eff起主要作用。这表明溶剂的增塑性能和水分分布是控制面团性质的主要机制。
• 对面筋网络微观结构的影响：通过 CLSM 和图像分析发现，添加不同的可溶性纤维会对面筋网络结构产生不同影响。低 M_w的纤维如 OFP 和 CLR 对面筋结构影响较小，高 M_w且高度分支的 PDX 会使蛋白质分布不均，而高 M_w的纤维（如 IQ、TEX 及其混合物）会使面筋网络更加均匀，增加面筋链之间的连接。
• 面团流变学与面筋微观结构的相关性：PCA 和相关性分析表明，面筋的微观结构特征与面团的流变学性质密切相关。高 M_w的纤维（如 TEX 和 IQ）增强了 G′并降低了 tan (δ)，这与面筋网络结构特征的变化有关，如分支率增加、平均蛋白质长度增加和孔隙率降低。
• 纤维结构中有效氢键位点 N_OH,s与面筋相互作用的相关性：高 M_w的菊粉（如 IQ 和 TEX）通过其高 N_OH,s与面筋形成稳定的氢键相互作用，促进了 β- 折叠结构的形成，使面筋网络更致密均匀。而 PDX 虽 M_w与 IQ 相似，但 N_OH,s较低，对面筋网络结构的影响不同，这表明 N_OH,s在面筋相互作用中比 M_w更关键。
• 可溶性纤维与面筋相互作用的机制：低 M_w的寡糖具有较高的 N_OH,s/v_s，能有效增塑面筋，但对面筋结构影响有限。高 M_w的线性纤维会减少面筋与溶剂的氢键相互作用，部分会发生相分离，促进面筋网络的形成。高 M_w的高度分支纤维会限制面筋水化，改变面筋网络结构。

综上所述，该研究表明，理化参数 Φ_w,eff和 χ_eff在很大程度上调节了富含可溶性纤维面团的相转变、热机械行为和拉伸性能。通过对不同结构纤维的研究，揭示了纤维与面筋相互作用的机制，为设计纤维混合物以优化面包面团的流变学和面筋结构提供了理论指导。这有助于开发出更健康、品质更好的面包类产品，对人类健康和营养具有重要意义。同时，研究人员也指出，未来还可以将这些理化原理应用于其他可溶性纤维来源的研究，进一步拓展该领域的认知。