通过结构优化提高无麸质荞麦面团和饼干的品质：评估流变特性、水分动态及微观结构

玉米面筋蛋白与羟丙基甲基纤维素协同优化荞麦制品功能特性的机制研究。通过系统考察不同配比（5%-7.5% zein与1%-3% HPMC）对荞麦面团延展性（提升113.5%）、孔隙率（降低3.2%-10.9%）及饼干质构（特定体积达1.89 mL/g）的影响，发现高比例zein（≥5%）通过自支撑蛋白网络增强结构稳定性，而HPMC在低zein时（<5%）促进纤维化结构形成，但高比例zein下过量HPMC（3%）会破坏网络完整性。最佳配比5% zein+1% HPMC实现面团延展性25.35 mm，孔隙率48.63%，形成连续致密网络。

王珍珍|吴阳|魏玉斌|马森|钱小杰|孙炳华|韩静|李莉

中国河南省郑州市河南工业大学食品科学与工程学院

摘要

为了解决荞麦制品的结构缺陷和加工性能不佳的问题，本研究系统地探讨了zein（2.5%-10%）和羟丙基甲基纤维素（HPMC，1%-3%）对荞麦面团和饼干品质的协同作用。研究发现，zein能够竞争性地结合水分并重新分配其在荞麦面团中的分布。当zein的比例≥5%时，它有助于形成一种自支撑的、类似面筋的蛋白质网络。此外，HPMC的影响取决于zein的比例：在zein比例较低（<5%）时，增加HPMC可以促进zein形成更细密、连续的纤维结构，从而提高荞麦面团的延展性和蠕变恢复性能；而在zein比例较高（≥5%）时，过量的HPMC（例如3%）会导致分子拥挤，削弱蛋白质间的相互作用，最终损害网络的完整性和延展性。最终确定了一种最佳配方，其中zein含量为5%，HPMC含量为1%，该配方使荞麦面团的延展性从11.78毫米增加到25.35毫米。在zein含量为5%-7.5%的范围内，1%的HPMC比3%的HPMC更有效地促进淀粉聚集并形成稳定的网络结构。在这种HPMC水平下，zein含量为5%和7.5%时，还显著降低了荞麦面团的孔隙率（分别从49.32%降至48.63%和43.23%），提高了其结构紧密度。zein和HPMC的协同组合显著改善了荞麦饼干的孔结构、比体积和亮度。当添加7.5%的zein和1%的HPMC时，协同效应最为明显，此时比体积达到1.89 mL/g。同时，质地、孔隙分布和颜色也得到了改善。这些发现表明，zein和HPMC协同作用，构建了一种类似面筋的稳定网络，显著提高了荞麦面团和饼干的质量。

引言

开发高质量的无麸质产品仍然是食品科学中的一个重要挑战，主要是因为缺乏对面团结构和加工性能至关重要的粘弹性面筋网络。荞麦是一种营养丰富的伪谷物，具有出色的营养价值：其蛋白质含量（10-12.5%）与小麦相当（Mir等人，2023年）。它还是膳食纤维、必需氨基酸（尤其是赖氨酸）（Huda等人，2021年）以及生物活性化合物（如黄酮类化合物芦丁）的宝贵来源（Filipcev等人，2011年），芦丁具有抗氧化和心血管健康益处（Biduski等人，2024年；Guo等人，2017年；Zhu，2016年）。尽管有这些优势，但由于荞麦粉中缺乏面筋，导致面团凝聚力差、延展性低、持气能力不足，严重限制了其在传统烘焙工艺中的应用。

为了模拟面筋的功能特性，玉米中主要的贮藏蛋白zein被认为是一种有前景的生物材料。zein独特的两亲性特征（源于极性和非极性氨基酸的平衡组成）使其能够在玻璃化转变温度以上的水合条件下形成可延展的蛋白质网络（Khuzwayo等人，2020年；Mattice & Marangoni，2020a）。这些网络主要通过疏水相互作用和氢键稳定（Zhang等人，2021年）。无麸质面团设计的一种常见方法是将zein与其他面粉或分离的淀粉结合，以开发出具有类似小麦特性的粘弹性面团。例如，zein网络可以作为结构框架，将米粉颗粒结合在一起，从而赋予米粉面团粘弹性和延展性，增强其对外部力的抵抗力（Zhang等人，2023年）。然而，与小麦面团相比，zein与其他面粉（如大米、高粱）或zein与淀粉（Berta等人，2015年，例如zein-玉米淀粉）的组合往往表现出结构不均匀性，制成的面包比体积较低。这一限制源于zein固有的亲水性较弱和吸水能力有限，导致网络不够紧密和弹性不足，从而限制了其在更复杂烘焙产品中的应用。

为了提高zein的功能性能，人们探索了多种策略，包括添加水胶体（Bender & Schönlechner，2020年）、塑化处理（Federici等人，2020年；Mattice & Marangoni，2020b年；Zhang等人，2022年）以及酶处理、碱性处理或热处理（Federici等人，2021年；Glusac & Fishman，2021年；Rolandelli等人，2024年）。其中，添加水胶体——特别是羟丙基甲基纤维素（HPMC）已被证明可以改变基于zein的面团的粘弹性行为，从而提高面包的体积和感官品质（Rosell & Foegeding，2007年）。HPMC具有表面活性剂特性、高保水能力和热凝胶化能力，这些特性共同改善了面团的稳定性和质地（Kampa等人，2023年）。在zein-淀粉系统中，加入HPMC有助于形成更连续、更细密的蛋白质纤维网络（Sadat等人，2023年）。据推测，HPMC调节了zein链之间的相互作用，并增强了与其他面团成分（如淀粉）的氢键结合，从而提高了气泡的稳定性和面团的整体完整性（Akin等人，2019年；Andersson等人，2011年；Schober等人，2008年）。

同时，Andersson等人（2011年）报告称，虽然HPMC和燕麦β-葡聚糖都改善了无麸质zein-淀粉面团的性能，但只有HPMC产生了细腻均匀的面包内部结构。Sadat等人（2023年）进一步证明，在HPMC、瓜尔胶和黄原胶中，HPMC在改善zein-淀粉面团和最终面包的品质方面效果最佳。它促进了zein中连续、细密纤维网络的形成，使面包的质地特性最接近小麦制品。相比之下，瓜尔胶的效果较弱，而黄原胶对比体积有负面影响，可能是由于其与zein分子的相互作用较弱。

监管支持和应用研究进一步验证了HPMC在无麸质系统中的使用。根据GB 2760-2024（中国国家卫生健康委员会；国家市场监督管理总局，2024年），HPMC被允许作为增稠剂用于烘焙产品，使用量不受限制；添加量完全由技术需求决定。Maghsoud等人（2024年）报告称，1-3%的HPMC显著改善了无麸质煎饼的比体积、质地和感官品质。同样，Akin等人（2019年）证明，3%的HPMC显著提高了zein-全高粱面粉面团的强度和面包品质。Djordjević等人（2019年）进一步表明，2-4%的HPMC与膳食纤维结合使用，改善了无麸质玉米面包面团的流变性能，其中4%的HPMC产生了最高的比体积和最低的面包内部硬度。尽管zein-HPMC混合物的协同潜力已在基于淀粉的模型中得到验证，但它们对全荞麦面团和饼干品质特性的具体影响尚未系统研究。

因此，本研究旨在探讨zein和HPMC对荞麦面团和饼干品质特性的协同作用。通过结合宏观流变测量、水分迁移性和微观结构分析以及饼干品质评估，阐明了这种复合网络增强面团功能的机制。这些发现有望为开发营养增强型、加工性能优化的无麸质烘焙产品提供理论基础。

材料

荞麦粉（蛋白质含量11.11%，淀粉含量66.28%，膳食纤维含量7.83%）购自中国山东的Jiatian粗粮有限公司。zein购自上海兴业生物科技有限公司。羟丙基甲基纤维素（HPMC）购自江苏的Jiahe有限公司。黄油购自Anchor公司，盐、糖、小苏打和泡打粉则从当地市场购买。罗丹明B由中国国家

zein和HPMC对荞麦面团拉伸性能的协同作用

面团的拉伸性能与其网络结构密切相关，直接决定了其加工性能。如图1A所示，zein和HPMC均显著改变了荞麦面团的抗拉强度和延展性，且它们的效果高度相互依赖。随着zein比例的增加，荞麦面团的抗拉强度最初下降，随后又上升。

结论

本研究证明，zein和HPMC协同作用，构建了一种类似面筋的稳定网络，从而显著提高了无麸质荞麦面团和饼干的质量。zein是主要的结构成分。当zein的比例≥5%时，它形成了一个连续的、自支撑的蛋白质网络，增强了荞麦面团的凝聚力。这一网络有助于改善面团的理想机械性能：增加了蠕变顺应性（更大的变形能力）和降低了

作者贡献声明

王珍珍：撰写——初稿、研究、数据管理、概念构思。钱小杰：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、研究。孙炳华：可视化、概念构思。韩静：可视化、概念构思。李莉：可视化、监督、资源协调。魏玉斌：撰写——审稿与编辑、软件使用、概念构思。马森：撰写——审稿与编辑、可视化、资金获取、概念构思。吴阳：研究

未引用参考文献

Laguna等人，2014年；中国国家卫生健康委员会&国家市场监督管理总局，2024年；SAMR，2021年；Yang等人，2019年；Zhang等人，2023年；Zhang等人，2022年。

利益冲突表

作者声明没有已知的竞争性财务利益。

致谢

本研究由河南工业大学的青年人才博士后研究启动项目（编号21450125）和河南省自然科学基金（编号252300421032）资助。