葡萄糖氧化酶,戊聚糖氧化酶,溴酸钾对面团品质影响的显微学研究.docx

酶制剂及溴酸钾对面团流变学性质及显微结构的影响

王学东1 李庆龙1 张声华2
（武汉工业学院食品科技学院1，武汉，430023）
（华中农业大学食品科技学院2，武汉，430070）

摘 要 本文研究了葡萄糖氧化酶、戊聚糖酶、脂肪酶和溴酸钾单独使用及复合使用时对面团流变学性质及面团内部显微结构的影响，分析了面团流变学性质和显微结构间的内在联系。同时，对在小麦粉品质改良中以酶制剂替代溴酸钾的可行性进行了简要讨论。
关键词 葡萄糖氧化酶 戊聚糖酶 脂肪酶 溴酸钾 面团 流变学性质 显微结构

0 前言
随着食品安全意识的不断提高，世界上对于食品添加剂的要求和限制越来越严格，其趋势是限制人工合成添加剂的使用或减少其允许添加量，寻求纯天然的无害的添加物[1,2]。在这种情况下，人们必然要寻找安全而有效的新型添加剂，酶制剂就是其中最受关注的改良剂之一。酶制剂属于蛋白质，是一种纯天然生物制品，在食品加工热处理后变性，无毒无害，是标准的绿色食品添加剂，符合崇尚天然食品这一食品业发展的必然趋势[3]。当前，以酶制剂为主要成分，研制开发新的小麦粉品质改良剂来替代溴酸钾（KBrO3）的工作，是各国食品科技工作者都在积极攻关，而我国刚刚起步的世界性研究课题[4-7]。
葡萄糖氧化酶（GOD）、戊聚糖酶和脂肪酶均是小麦粉品质改良中使用的新型酶制剂，并已在改良面包专用粉品质上显示了良好的效果[8]。有关上述酶制剂对面团流变学性质及制品品质影响的报道较多[8-12]，但目前未见关于其对面团显微结构影响的正式报道。本文研究了GOD、戊聚糖酶、脂肪酶和KBrO3单独使用及复合使用时对面团流变学性质及面团内部显微结构的影响，分析了面团流变学性质和显微学特征间的内部联系。同时，对在小麦粉品质改良中以酶制剂替代KBrO3的可行性进行了简要分析。

1. 实验材料与方法.
1. 1实验材料:
试剂：戊二醛、锇酸、丙酮、乙酸异戊酯、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠等均为分析纯。
小麦粉：普通面包粉原粉，水分13.4%，湿面筋34.1%，蛋白质14.2灰分0.62%
酶制剂：实验所用酶制剂及KBrO3均由武汉市大丰食品科技有限责任公司提供，其中酶制剂为丹麦诺维信中国公司（Novozyme China）产品。其性质说明见表1。
表1实验用酶制剂的性质
酶制剂中文名
酶制剂英文名
商品名
简称
活性
制备来源菌种
GOD
glucose oxidase
Gluzyme
G
1000GODUF/g
黑曲霉
戊聚糖酶
pentosanase
Pentopan
P
2500FXU/g
米曲霉
脂肪酶
lipase
Lipopan
L
50KLU/g
米曲霉
丹麦诺维信中国公司的酶制剂活性的测定均采用Novozyme China公司的企业内部标准。
1. 2实验设备
粉质仪：BRABENDER FARINOGRAPH
拉伸仪：BRABENDER EXTENSOGRAPH
真空冷冻干燥机：军事医学科学院实验仪器厂
扫描电镜：AMRAY-100B，中科院北京科学仪器研制中心
临界点干燥仪： HCP-5 HITACHI
离子溅射仪：IB-2 HITACHI
1.3测定方法
面团粉质测定：国标GB/T14614-93
面团拉伸测定：国标GB/T14615-93
扫描电子显微镜制样及观察：实验用面团取自拉伸测定中（按国标GB/T14615-93进行），将90min醒发的面团拉伸后搓圆，从面团光滑面取3～5mm3左右的小面团作为测试样，立即浸泡于用0.2M PH7.2的磷酸缓冲液（PBS）配置的3%戊二醛中，于4℃中固定24h。然后以0.1M的PBS清洗三次，再用2%锇酸固定1.5h，之后重新用0.1M的PBS清洗三次。依次以30%、50%、70%、90%、100%的丙酮脱水，每次20min。样品以HCP-2临界点干燥仪干燥后，将其用双面胶带粘在样品台上，经IB-5离子溅射仪镀金100Å后以扫描电镜观察拍照，加速电压15KV，照片放大倍数为200倍和1000倍两种。

2结果与讨论
在本实验前，笔者通过预实验（单因子粉质实验和拉伸实验）确定了针对实验用小麦粉各酶制剂及KBrO3的最适添加水平，即GOD 20μg/g（酶/小麦粉，下同），戊聚糖酶60μg/g，脂肪酶30μg/g，KBrO350μg/g，实验中经上述剂量处理的各组面团分别简称为G20、P60、L30和K50。实验设计了两个复合组，其中由20μg/gGOD、60μg/g戊聚糖酶和30μg/g脂肪酶组成的复合改良剂在实验中简称为GPL；由50μg/g KBrO3、60μg/g戊聚糖酶和30μg/g脂肪酶组成的复合改良剂在实验中简称为KPL。另外，本实验安排了添加100μg/gGOD的组（实验中简称G100），以研究GOD过量添加的情况。
2.1 酶制剂及KBrO3对面团粉质特性的影响
表2是GOD、戊聚糖酶、脂肪酶及KBrO3单独使用和复合使用时对面团粉质指标影响的结果。
表2 GOD、戊聚糖酶、脂肪酶及KBrO3单独使用和复合使用时对面团粉质指标影响的结果
项目
空白组
G20
G100
K50
P60
L30
GPL
KPL
吸水率（%）
66.1
66.1
66.9
66.1
65.8
66.2
66.0
66.0
形成时间（min）
3.9
6.2
6.5
3.9
5.5
3.8
6.7
5.3
稳定时间（min）
5.4
9.9
7.7
5.5

6.3
5.2
13.3
6.1
弱化度（Fu）
76
37
191
74
68
88
39
72

由实验结果可以看出，各组酶制剂对面团吸水率影响较小，较空白组上升或下降均不足1%，故不再作详细分析。从形成时间、稳定时间和弱化度的角度分析各处理组对面团粉质的影响可见：G20组中，上述三项指标均得到较大改善，其中形成时间提高了2.3min，稳定时间提高了4.5min，弱化度减小了39Fu，说明适量添加GOD可显著改善面团粉质特性； G100组与G20相比，形成时间提高了0.3min，但稳定时间降低了2.2min，弱化度上升了154Fu，这说明过量添加GOD反而会使面团品质降低；K50组的粉质各项指标较空白组变化均不明显，这显然与KBrO3是慢性改良剂有关； P60组的其形成时间、稳定时间较空白组分别提高了1.6min和0.9min，而弱化度较空白下降了8Fu，这说明适量添加戊聚糖酶可以改善小麦粉的粉质；L30组的面团粉质稍有下降的趋势，具体表现为形成时间和稳定时间分别较空白组下降了0.1min和0.2min，而弱化度较空白组上升了12Fu；三种酶制剂复合使用的GPL组，其面团形成时间与稳定时间均为各组最大值，仅弱化度较G20组高出2Fu，说明GOD与戊聚糖酶复合使用产生了较好的协同增效作用，而脂肪酶对粉质的不利影响也基本被消除；KPL组与GPL组相比，前者仅以50μg/gKBrO3代替了后者中的20μg/g GOD，但KPL组中粉质指标的改善远不及GPL组，此现象同样表明慢速氧化剂KBrO3在粉质测定时未发挥作用。
综合上述可见，适量添加GOD（20μg/g）或戊聚糖酶（60μg/g）均可提高面团粉质指标；而脂肪酶（30μg/g）对粉质有一定的恶化作用，但与GOD及戊聚糖酶复合使用时，这种恶化作用被消除；酶制剂复合使用对面团粉质可产生良好的协同改良效果；KBrO3是慢速氧化剂，在粉质测定中未显示对面团粉质的改良作用。
2.2 酶制剂及KBrO3对面团拉伸特性的影响
表3是GOD、戊聚糖酶、脂肪酶及KBrO3单独使用和复合使用时对面团拉伸指标影响的结果。
表3 GOD、戊聚糖酶、脂肪酶及KBrO3单独使用和复合使用时对面团拉伸指标影响的结果
项目
空白组
G20
G100
K50
P60
L30
GPL
KPL
抗拉力（Eu）
239
358
494
697
201
265
343
654
延伸性（mm）
174
164
144
121
192
170
177
143
粉力（㎝2）
90
109
112
120
96
99
126
134

由拉伸实验结果可见：G20组较空白组面团的抗拉力提高了119Eu，延伸性减小了10mm，而粉力提高了19cm2，说明适量GOD强化了面团；G100组与G20组比较，面团的抗拉力提高了136Eu，延伸性降低了20mm，而粉力也提高了3cm2，说明此时面团得到了进一步强化；K50组中，面团抗拉力值为各组最大（697Eu），延伸性为各组最小（121mm），而粉力值居中（112㎝2），可见，在拉伸测试时，KBrO3开始发挥作用，并显示了极好的强筋效果；P60组与空白组相比较，抗拉力反而下降了38Eu，延伸性提高了18mm，而粉力上升了6cm2，说明戊聚糖酶有弱化面团的作用；L30组的面团得到了一定强化，与空白组比较，其抗拉力上升了104Eu，延伸性下降了4mm，而粉力上升了9cm2；三种酶制剂复合使用的GPL组，其抗拉力值较P60组提高了142Eu，而延伸性较G20组和L30组分别提高了13mm和7mm，粉力值则较单独添加任何一种酶时均高。该现象提示，酶制剂的复合使用可以达到良好的协同效果，使得面团的抗拉力、延伸性和粉力指标得到全面的改善；复合组KPL与GPL组比较，抗拉力有大幅上升（311Fu），粉力值也有一定上升(8cm2)，而延伸性值有一定下降（34 mm）。可见，KBrO3与酶制剂间也有很好的协同增效的作用。
综上可见，实验条件下，GOD、KBrO3和脂肪酶均有强化面筋作用，其中KBrO3和 GOD的效果较好，。戊聚糖酶具有弱化面筋的作用，但仍可使粉力得到提高，说明对面团总体品质有一定改善。酶制剂间及KBrO3与酶制剂复合使用均能产生良好的协同增效作用。另外，从强筋角度讲，GOD无论添加水平高低均不可完全替代KBrO3。另外，将GPL组与K50组相比较发现，前者除抗拉力较后者低外，延伸性和粉力指标均大于后者，这提示酶制剂复合使用具有替代KBrO3的潜力。
2.3 酶制剂及KBrO3对面团显微结构的影响
图版Ⅰ中1～8是各处理组面团放大200倍的显微照片，从中可概观样品全貌；图版Ⅱ中1′～8′是各处理组面团放大1000倍的显微照片，从中可观察面团结构的局部细节。
显微照片显示,空白组面团表面十分不规则，未见到层片状面筋，面团内的淀粉粒很少，面团表面呈蜂窝状（图版Ⅰ，1；图版Ⅱ，1′）。可见，由于空白组未能形成良好的面筋膜结构，面团的组织结构较差，使得大量淀粉在制样时被洗脱掉，造成了面团表面出现蜂窝状结构。观察G20组面团的显微图片可见,与空白组比较，面团表面原来的蜂窝状结构消失，低倍镜下可以清晰地看到片状面筋膜的存在；高倍镜下观察，可见到许多大小不同的淀粉颗粒附着于面筋膜上，淀粉粒分布也较均匀（图版Ⅰ，2；图版Ⅱ，2′）。这说明，添加20μg/g GOD后面团整体组织结构得到了改善，这一现象可作为面团粉质和拉伸指标得到改善的显微学证据。观察G100组面团的显微图
图版Ⅰ（×200）

1 空白 2 添加20μg/g GOD 3添加100μg/g GOD 4 添加50μg/gKBrO3

5 添加60μg/g戊聚糖酶 6添加30μg/g脂肪酶 7 添加复合改良剂GPL 8添加复合改良剂KPL

图版Ⅱ（×1000）

1′空白 2′添加20μg/g GOD 3′添加100μg/g GOD 4′添加50μg/gKBrO3

5′添加60μg/g戊聚糖酶 6′添加30μg/g脂肪酶 7′添加复合改良剂GPL 8′添加复合改良剂KPL

片，低倍镜下发现此时面筋出现了集结现象。高倍镜下观察可清晰见到结成束状的面筋，面团中出现了大而深的洞穴（图版Ⅰ，3；图版Ⅱ，3′）。此结果提示，添加高水平的GOD造成了面筋过度氧化，破坏了面筋膜，恶化了面团的组织结构。这一显微观察结果一方面体现出GOD过量时仍在强化面团，提高面团的抗拉力，另一方面也与GOD过量对粉质起负面作用的流变学结果相一致。K50组的面团中，低倍镜下观察可见，面团中面筋束相互绞绕在一起形成交错的网络结构，但未见G100组中面筋的大量集结现象。高倍镜下观察显示，面团中的面筋呈片状存在，且表面平滑，淀粉颗粒则存在于交错的面筋网络之间（图版Ⅰ，4；图版Ⅱ，4′）。该组中面筋网络的立体结构较G20组更好。可见，拉伸实验中KBrO3对面团的强筋效果在面团显微结构中得到了体现。P60组面团在低倍镜和高倍镜下观察，均可清晰地观察到大量淀粉颗粒的存在，且淀粉粒的分布很均匀。高倍镜下观察可见到面团中某些部位的面筋膜，这些面筋膜表面比较平展（图版Ⅰ，5；图版Ⅱ，5′）。结合粉质实验和拉伸实验分析：粉质实验表明戊聚糖酶可改善面团粉质，这有利于面团组织结构的改善，防止淀粉粒在制样时被洗脱；拉伸实验显示戊聚糖酶弱化了面团，这使得面团的粘性更强，因而更利于淀粉粒的附着，减少淀粉粒制样时的损失。将L30组与空白组面团的显微图像比较发现，添加脂肪酶后，低倍镜下观察仍可见到面团表面有蜂窝状结构，但面团内淀粉粒较空白组有一定的增加。高倍镜下观察，发现面团的组织结构得到了显著的改善，面团内有束状面筋存在，其间填充着淀粉颗粒（图版Ⅰ，6；图版Ⅱ，6′）。可见，虽然脂肪酶对粉质会有一些负面影响，但由于醒发阶段脂肪酶可以强化面筋，因而最终对面团显微结构有一定的改善。观察复合改良剂GPL组的显微图像，低倍镜下可见，面团中面筋形成了交错的纤维状网络结构，这是空白组以及单独使用一种酶制剂各组显微图像中未出现的现象。高倍镜下面团内的面筋膜清晰可见，而不同部位的面筋膜相互交叉，这也是酶制剂单独使用时未发现的（图版Ⅰ，7；图版Ⅱ，7′）。此现象提示，复合酶制剂较单一酶制剂对面团结构的改良效果更显著，这与本文中面团粉质和拉伸实验中得到的结论相一致。经复合改良剂KPL处理后，面团在低倍镜下的显微图像显示，此时面筋膜呈片状层叠状存在，面团整体结构较为紧密。高倍镜下观察发现，面团内出现典型的面筋膜夹淀粉粒的多层结构，各层面筋膜间存在一定交错现象，可见面团结构被高度组织化。KPL组与GPL组在改良剂成分上相比，差异仅在于前者以50μg/g KBrO3代替了后者中20μg/g GOD，而在面团组织结构上，前者较后者更具组织规律性，面筋成膜性能更好，且淀粉粒分布更均匀。此点提示，在复合使用改良剂中，单独使用GOD也难以完全替代KBrO3。本文中拉伸实验显示，KPL组较GPL组有更大的抗拉力和粉力，提示前者可能对面团的品质改善更好，且复合使用改良剂时，GOD也难以完全替代KBrO3，这些结果与面团显微结构的变化存在着密切的联系。
另外，将GPL组与K50组面团的显微图像相比较发现，前者面筋膜的质地更好，面筋膜的组织结构也优于后者，这提示酶制剂复合使用具有替代KBrO3的潜力。这与拉伸实验中的结论是一致的。

3 结论
综上所述，GOD、戊聚糖酶、脂肪酶和KBrO3均具有改善面团流变性质的作用；过量使用GOD反而对面团品质不利；单独使用GOD尚无法完全替代KBrO3，但各种酶制剂的复合使用则显示了替代KBrO3的良好前景；面团流变学性质的改变在其显微结构上得到了良好的反映，此点为今后开展小麦粉品质改良中应用显微学方法提供了重要参考。

参 考 文 献

[1] 张元培． 以科学的态度发展专用小麦一兼谈面粉添加剂的合理使用． 粮食与饲料工业，1995，1：6-9
[2] 张守文． 论研制、开发、应用面粉品质改良剂的必要性和发展趋势． 粮食与油脂，2001，6：2-5
[3] 李庆龙．我国入世（WTO）后面粉工业的发展趋． 粮食与油脂，2000，4：20-23
[4] 张守文，李丹． 应用混合酶制剂进行面粉品质改良的基础研究． 中国粮油学报，2002，17（1）：16-21
[5] 周素梅，王璋 ，许时婴． 戊聚糖酶与氧化酶对面团流变性质的影响． 食品工业科技，2002，23（8）：15-18
[6] 邵秀芝，于晚霞，边建华． 复合酶制剂改良面粉质量的研究． 粮油食品科技， 2002， 2：11-12
[7] 杨鹃华. 以酵素为基质之溴酸钾取代物. 烘焙工业(中国台湾省)， 1994，5:38-40
[8] 王学东，李庆龙，张声华． 酶制剂在我国面粉工业中的应用及研究进展． 粮食与饲料工业，2002，1：1-4
[9] Martinez A. M.，Devesa A．，Influence of enzymes in sourdough wheat breadmaking． Food Science and Technology International． 2000，6(2)：109-116
[10] Rouau X.， EL-Hayek M.L. and Moreau D．， Effect of an enzyme preparation containing pentosanases on the bread-making quality of flour in relation to changes in pentosan properties． Journal of Cereal Science， 1994(19):259-272
[11] Van D.H.W.and Hille J.D.R.,Yeast and enzymes in break-making． Cereal Foods World， 1992(37):245-252
[12] Wikstrom K. and Eliasson A. C., Effect of enzymes and oxidizing agents on shear relaxation of wheat flour dough: Addition of protease，glucose oxidase，ascorbic acid，and potassium bromate． Cereal Chem．， 1998(75):331-337

Effect of Enzyme Preparations and Potassium Bromate on the Rheological Properties and Microstructure of Dough

Wang Xuedong1 Li Qinglong2 Zhang Shenghua1
(College of food science and technology, Huazhong Agricultural University1, Wuhan 430070)
(College of food science and technology, Wuhan Polytechnic University2, Wuhan 430023)

Abstract Effect of glucose oxidase, pentosanase, lipase and potassium bromate on the rheological properties and microstructure of dough was studied in this paper. The internal relationship between the rheological properties and microstructure of dough was analyzed .A brief discussion on the feasibility of using enzymes to substitute potassium bromate on improving the quality of wheat flour was also made.
Key Words glucose oxidase, pentosanase, lipase, potassium bromate, dough, rheological properties, microstructure