《Grain & Oil Science and Technology》：Multi-scale structural evolution of colored whole-wheat doughs and breads: protein secondary structure, starch crystallinity, and 3D crumb architecture
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本研究以普通小麦面团（NCG）、绿麦面团（GWD）、蓝麦面团（BWD）、紫麦面团（PWD）和红麦面团（RWD）为对象，系统比较了多尺度面团结构与面包crumb孔隙结构。研究人员采用动态流变学、发酵流变学、低场核磁共振（LF-NMR）、质地剖面分析（TPA）、傅
本研究以普通小麦面团（NCG）、绿麦面团（GWD）、蓝麦面团（BWD）、紫麦面团（PWD）和红麦面团（RWD）为对象，系统比较了多尺度面团结构与面包crumb孔隙结构。研究人员采用动态流变学、发酵流变学、低场核磁共振（LF-NMR）、质地剖面分析（TPA）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、巯基/二硫键（SH/S–S）分析、激光扫描共聚焦显微镜（CLSM）及X射线计算机断层扫描（CT），表征了面团网络形成、水分流动性、分子结构、微观结构及面包crumb孔隙特征。小麦品种对面团黏弹性、发酵行为、水分分布、蛋白质二级结构、淀粉结晶结构及最终面包孔隙结构产生了不同程度的显著影响。GWD表现出相对较高的黏弹性模量、最高的强结合水比例、良好的质构特性及相对较高的体积孔隙率，表明其在网络强度、水分结合与孔隙形成之间实现了较优平衡。BWD的总产气量与体积孔隙率均为最高，但其较低的气体保留效率与孔隙密度提示其产气能力未能充分转化为大量细小孔隙。PWD的蛋白质、总酚及花青素含量最高，同时具有相对较高的β-折叠含量、二硫键含量和相对结晶度，但其气体保留能力较差，体积孔隙率最低。RWD形成了以小孔为主的crumb结构，孔隙密度最高。总体而言，彩色全麦面团表现出品种依赖性的多尺度结构差异，并最终反映于发酵性能与成品crumb结构特征。
**研究背景与问题提出**
随着消费者饮食需求从单纯满足能量供给转向均衡营养与天然健康，富含天然色素和生物活性物质的谷物资源日益受到关注。彩色小麦因含有花青素、类胡萝卜素、酚酸及其他多酚类生物活性成分而具有独特的营养潜力，这些成分主要分布于果皮、种皮和糊粉层中。然而，彩色全麦粉在主食加工中的适用性不仅取决于其营养属性，还取决于其加工性能，包括面团流变行为、结构特性以及烘焙后面包内部孔隙结构等。已有研究主要集中于特定彩色小麦类型、特定制粉组分或单一产品中的花青素保留、抗氧化活性及营养品质等方面，而对普通小麦、绿麦、蓝麦、紫麦和红麦等多种彩色全麦粉之间在面团层面的结构和功能性差异缺乏系统比较。彩色全麦粉是一个复杂的多组分体系，蛋白质、淀粉、膳食纤维、酚类化合物和花青素等在混合、发酵和烘焙过程中相互作用，可能通过氢键、疏水作用或氧化还原相关过程影响面筋网络形成、水分重分布、气体保留以及最终面包孔隙结构。因此，从面团流变学、发酵行为、水分分布、蛋白质二级结构、二硫键变化、淀粉结晶结构及微观结构等角度对多种彩色全麦粉进行系统比较，对于理解其加工适应性具有重要意义。
**研究内容与总体结论**
本研究以普通小麦、绿麦、蓝麦（系5）、紫麦（系8）和红麦为原料制备全麦粉，系统比较了五种全麦面团在动态流变特性、发酵流变行为、水分分布、质构特性、蛋白质二级结构、游离巯基与二硫键含量、淀粉结晶结构及微观结构特征方面的差异，并采用X射线计算机断层扫描（CT）表征了烘焙后面包的内部孔隙结构。研究结果表明，小麦品种对面团黏弹性、发酵行为、水分分布、蛋白质二级结构、淀粉结晶结构及最终面包孔隙结构均产生了不同程度的影响。绿麦面团（GWD）在流变模量、强结合水比例、质构特性和体积孔隙率方面表现出较优的综合性能；蓝麦面团（BWD）总产气量最高且体积孔隙率最高，但气体保留效率和孔隙密度较低；紫麦面团（PWD）虽具有最高的蛋白质、总酚和花青素含量以及较高的β-折叠、二硫键含量和相对结晶度，但气体保留能力差、体积孔隙率最低；红麦面团（RWD）则形成了以高密度小孔为主的crumb结构。总体而言，彩色全麦面团的加工适应性不能仅由蛋白质、酚类或花青素含量解释，而是与面团网络强度、水分-基质相互作用、气体保留、面团膨胀及烘焙热定型等综合效应相关。
**关键技术与方法**
研究人员采用多种互补的分析技术对面团和面包进行表征。动态流变学测量采用DHR-2流变仪，在0.1–10 Hz频率范围和0.1%应变条件下测定储能模量（G′）、损耗模量（G″）和损耗角正切（tan δ）。发酵流变特性采用F4流变发酵仪（CHOPIN Technologies）在37°C、85%相对湿度条件下测定180 min内的面团膨胀高度、产气量及气体保留系数。水分分布采用低场核磁共振（LF-NMR）NMI20-015V-I分析仪测定自旋-自旋弛豫时间（T?），并自动解析出三个主要弛豫组分及其积分峰面积。蛋白质二级结构采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析酰胺I带（1610–1700 cm?1），经高斯平滑、基线校正和去卷积后拟合出β-折叠、无规卷曲、α-螺旋和β-转角含量。淀粉结晶结构采用X射线衍射（XRD）测定衍射图谱并计算相对结晶度（RC）。游离巯基和总巯基含量依据Ellman法（DTNB试剂）结合L-半胱氨酸标准曲线测定，二硫键含量根据总巯基与游离巯基差值计算。微观结构采用激光扫描共聚焦显微镜（CLSM）对冷冻切片进行罗丹明B和异硫氰酸荧光素（FITC）双重染色观察。面包crumb孔隙结构采用X射线CT（nanoVoxel 2000）扫描并进行三维重建，计算体积孔隙率、截面孔隙密度、平均等效孔径和孔径分布。所有实验均设三次重复，数据以平均值±标准差表示，采用单因素方差分析（ANOVA）和Duncan多重比较检验（P < 0.05）。
**研究结果**
**动态流变学特性**：所有面团的G′均大于G″，tan δ小于1，表现出弱凝胶状或黏弹性固体行为。GWD的G′和G″最高，BWD次之，NCG居中，PWD和RWD较低，表明不同品种彩色小麦在面团网络强度上存在显著差异，这可能与面粉组成及组分间相互作用的差异有关。
**发酵流变特性**：RWD的最大面团高度（H?）最高（39.67 mm），GWD次之（35.53 mm），NCG最低（20.53 mm）。GWD达到最大高度所需时间（T?）最长（93.3 min），PWD最短（58.5 min）。BWD的最大气体释放高度（H'?）和总产气量（Vt）最高，但PWD的气体保留体积（Vr）和气体保留系数（Rc）最低（56.03%），表明其气体保留能力较弱。
**水分迁移特性**：LF-NMR分析显示所有样品中固定化水（A??）为主要组分（84.99%–89.10%）。GWD的强结合水比例（A??）最高（9.35%），NCG最低（5.98%）。NCG和RWD的自由水或高度可动水比例（A??）较高，表明其水分结合能力相对较弱。
**质构特性**：NCG硬度最高（96.344 g），BWD最低（57.746 g）。GWD和BWD的 cohesiveness 显著较高，GWD的 chewiness 最高（44.090 g），表明其在结构恢复能力和内部结合力方面表现较好。
**FTIR分析**：β-折叠是所有面团中的主要二级结构，彩色小麦面团总体上比NCG具有更高的β-折叠和β-转角比例以及更低的随机卷曲和α-螺旋含量。PWD和BWD的β-折叠含量相对较高（39.40%和39.06%），NCG的随机卷曲含量最高（18.45%），提示部分彩色小麦面团中的蛋白质构象可能趋向于更紧密的状态，但差异未达统计学显著水平。
**XRD分析**：所有面团均呈现典型的A型结晶模式（15°、17°、18°和23°特征峰），PWD的相对结晶度最高（19.68%），GWD次之（18.19%），BWD最低（16.65%），表明淀粉有序结构程度在不同品种间存在差异。
**游离巯基与二硫键含量**：NCG的游离巯基含量最高（9.06 μmol/g）而二硫键含量最低（26.17 μmol/g）。PWD的游离巯基含量最低（6.54 μmol/g）而二硫键含量最高（27.42 μmol/g），BWD也表现出较低游离巯基和较高二硫键含量，提示PWD和BWD中可能存在更高的共价交联或蛋白质聚集程度。
**CLSM微观结构观察**：GWD和BWD呈现出更连续、均一的蛋白质网络，颗粒组分均匀嵌入基质中；NCG蛋白相分散且网络连续性弱；PWD结构致密但存在局部聚集和孔隙；RWD颗粒组分粗大且分布不均匀，网络连续性较差。
**CT孔隙结构分析**：BWD和GWD的体积孔隙率最高（63.62%和62.41%），PWD最低（53.35%）。RWD的孔隙密度最高（288.51 pores cm?2）、平均等效孔径最小，0.5 mm以下的小孔占主导。PWD的平均等效孔径最大且≥2.0 mm的孔隙比例最高，表明其形成了较少但局部较大的孔隙结构。
**总结讨论与结论**
本研究表明，彩色全麦面团的加工性能与最终面包孔隙结构受小麦品种显著影响，且与面团网络强度、水分结合能力、气体保留效率、发酵膨胀能力和微观结构连续性等多种因素协同相关。在统一加水量的加工条件下，GWD在面团黏弹性、水分结合、发酵行为及面包孔隙特征之间表现出相对较优的平衡；BWD产气充足但气体保留效率有限；PWD尽管营养组分含量高，但其较差的气体保留能力和相对致密的结构不利于气孔充分膨胀；RWD虽形成高密度小孔结构，但网络支撑能力有限。研究指出，不同彩色小麦品种可能需要针对性的加工条件优化，包括调整加水量、水合条件、醒发参数、配粉比例或烘焙条件等。本研究的局限性在于采用了统一的加水量和加工流程，且未对粉粒尺寸进行系统控制，未来研究应进一步优化工艺条件并评价粒度分布、面筋质量、损伤淀粉、膳食纤维特性及更多三维孔隙描述参数。总体而言，本研究为彩色全麦粉在营养型发酵小麦制品中的应用提供了理论基础。
