دانلود رایگان مقاله تعامل بین ترکیبات اصلی آرد در رفتار رئولوژیکی خمیر آرد گندم

چکیده

          هنوز بحث قابل توجهی در مقالات در مورد نقش های مربوط به نشاسته و گلوتن در هر دو حالت رئولوژی خطی و غیرخطی خمیر آرد گندم وجود دارد. از این رو، برای روشن تر کردن نقش های انفرادی گلوتن و نشاسته در رفتار کلی خمیر، خواص رئولوژیکی خمیر و ترکیبات گلوتن نشاسته با نسبت های مختلف به طور سیستماتیکی در حالت برش و گسترش، با استفاده از جعبه کمک ابزار رئولوژیکی مناسب متشکل از دامنه کوچک خطی آزمون برش نوسانی و آزمون غیر خطی مانند خزش بازیابی در فرمت برشی و تک محوره مورد بررسی قرار گرفت. نشاسته یک نقش محوری در رئولوژی خطی خمیر بازی می کند. با افزایش مقدار نشاسته، محدوده ی خطی مشاهده شده در آزمون برش نوسانی به عنوان یک تابع قانون قدرت کاهش می یابد. همچنین نشاسته آشکارا بر ویسکوزیته کششی در محدوده های کوچک تاثیر می گذارد. به تبع آن، در منطقه خطی تفاوت های بین سیستم های مختلف گلوتن با حضور نشاسته ممکن است ناپدید شود. . چنانچه شاخص های کیفیت تهیه نان ذاتا با شبکه گلوتن مرتبط شناخته شده است، بررسی رفتار غیر خطی خمیر به منظور افشای تفاوت در کیفیت آرد ضروری به نظر می رسد. تفاوت های کیفی بین انواع آرد قوی و ضعیف به وضوح در ارزش شاخص سختی تنش در آزمون تک محوره و انطباق بهبود کل در آزمون خزش بازیابی غیر خطی نشان داده شد. با وجود کاربردهای قبلی موفقیت آمیز در ژل گلوتن خالص، دقت مدل ژل بحرانی در پیش بینی خواص رئولوژیکی خطی خمیر، به علت داشتن محدوده ی خطی کوچک و نیاز به طولانی ترین زمان استراحت برای خمیر محدود بود.

بحث و نتایج

ترکیبات گلوتن نشاسته در رفتار کلی خمیر در رژیم خطی

           محدوده ی فرکانس خمیر بیلاکس، گلوتن و نشاسته در شکل 2 نشان داده شده است. برای هر سه ماده، در محدوده فرکانس تحت بررسی ضریب ذخیره سازی G^' (ω) بالاتر از ضریب اتلاف G^'' (ω) است، که این ویژگی یکی از مشخصه های مواد با ساختار بالاست (لتانگ و همکاران 1999). مقدار G^' (ω) تقریبا در فرکانس مستقل نمونه نشاسته است، که نشان می دهد که نشاسته به عنوان یک شبه بسته بندی منسجم و یا کاغذ خودنمایی تعلیق رفتار می نماید. برعکس منحنی G^' (ω) برای خمیر و گلوتن یک شیب کوچک و مثبتی نشان می دهد. لازم به ذکر است که، به دلیل تفاوت در مقدار آب، مقایسه مقادیر مطلق G^' (ω) و G^'' (ω) در سیستم های مختلف دشوار است ، در حالیکه شیب G^' (ω) نسبت به ω در برابر تغییرات کوچک در مقدار آب بیتاثیر شناخته شده است (داده ها نشان داده نشده است). برای خمیر بیلاکس مقادیر G^' (ω) و G^'' (ω) در ω=10 رادیان بر ثانیه به ترتیب مساوی با 10^4 پاسکال و 4×10^3 پاسکال می باشد، که با نتایج گزارش شده پیش از این در مقالات برای سیستم های خمیر آرد گندم با مقدار آب مشابه سازگاری دارد. 

           در شکل 2 منحنی های G^' (ω) و G^'' (ω) خمیر بیلاکس اساسا به نظر می رسد که به صورت موازی حرکت می کند، که این حالت یکی از ویژگی هایی است که می تواند با مدل ژل بحرانی حاصل شود. اساسا، وینتر و شامبون (1986) این مدل برای توصیف خواص ویسکوالاستیک خطی در یک سیستم پلیمری در نقطه ژلی آن توسعه دادند، اما مدل برای بسیاری از سیستم های مواد غذایی (از جمله خمیر آرد گندم) نیز قابل اجراست؛ به عنوان مثال آنها همچنین ممکن است حاوی ساختارهای ابرمولکولی شامل زیر واحدها (قطرات، ذرات، و غیره) نیز باشند که توانایی برهم کنش در مقیاسهای طولی مختلف را داراست (گابریل و همکاران 2001). بزرگترین مزیت مدل ژل بحرانی در این است که تنها دو پارامتر سفتی ژل (S) و قدرت ژل (n) برای توصیف رفتار خطی مواد مورد نیاز است.که در آن Γ(n-1) تابع گاماست. برازش این معادلات به منحنی های خمیر بیلاکس در شکل 2 در محدوده ی فرکانس 1-10 رادیان بر ثانیه، S = 5100 پاسکال s0.22 و N = 0.22 به دست می آید. این مقادیر نشان می دهد که خمیر به عنوان یک ژل نسبتا ضعیف (از لحاظ فیزیکی) رفتار می کند. برای خمیر گاومیش کوهان دار امریکایی ضعیف S = 6140 پاسکال s0.19 و N=0.19 به دست می آید. به طور کلی، مقادیر سفتی ژل S شاید بطور قابل توجهی برای انواع مختلف آرد و مقادیر آب تغییر کند، در حالی که مقادیر N همیشه بسیار مشابه است (ان جی 2007). در رکانس های بالا، منحنی های G^' (ω) و G^'' (ω) معمولا شروع به انحراف از تابع پاسخ ژل بحرانی پیش بینی شده می کنند. این انحراف به طور کلی به فرآیندهای آرامش در رژیم راوس (از خواب بیدار شدن) نسبت داده است (ان جی و مک کینلی 2008). با این حال، حتی در ω = 100 رادیان بر ثانیه، شیب G^' (ω) است همچنین بسیار پایین تر از مقدار پیش بینی شده توسط رژیم آرامش راوس است (G^' (ω)~ω^0.5). همچنین در فرکانس های پایین، خمیر دقیقا همانند یک ژل بحرانی رفتار نمی کند، از اینرو مقادیر G^'' (ω) تمایل به انحراف از خط مستقیم دارن، که خمیدگی به سمت بالا ظریفی را از خود نشان می دهند (ان جی 2007؛ تانر و همکاران 2008). ان جی (2007) این انحراف را به آرامش نمونه تابع گام در حال بارگذاری در رئومتر نسبت می دهد. با این حال حتی پس از زمان استراحت طولانی مدت نیز (5/1 ساعت)، منحنیG^'' (ω)  هنوز هم این روند رو به بالا را نشان می دهد، بنابراین می توان نتیجه گیری کرد که این ویژگی از خود مواد ناشی می شود. در زمان های به اندازه کافی طولانی، ژل به صورت فیزیکی باید جریان یابد، که این حالت نشان می دهد که منحنی های G^' (ω) و G^'' (ω) باید همدیگر را در یک فرکانس بسیار پایین قطع کنند. به عبارت دیگر، هرچند مغایر با ژل بحرانی حقیقی، خمیر آرد گندم زمان استراحت محدود، البته بسیار بزرگ دارد (گابریل و همکاران 2001). روشن است که تقاطع منحنی¬های G^' (ω) و G^'' (ω) در خارج از محدوده فرکانسی که قابل دسترس توسط رئومتر است، واقع شده است. اما با این حال شروع تقاطع در حال حاضر نیز می تواند با مشاهده¬ی خمیدگی به سمت بالا منحنی G^'' (ω) برای ω کوچکتر از 1 رادیان بر ثانیه تشخیص داده شود. تلاش ما برای گسترش محدوده فرکانس به مقادیر پایین تر به چند دلیل ناموفق بوده اند. اولا، اصل برهمنهی زمان دما تنها می تواند بر خمیر در یک طیف درجه حرارت نسبتا کوچکی اعمال شود (گابریل و همکاران 2001). دوما، اصل برهمنهی فرکانس فشار نرخ  (ویس و همکاران 2007) با توجه به محدوده¬ی خطی کوچک  خمیر شکست خورد. در نهایت، آزمایش خزش خطی نشان داد که حتی پس از 4 ساعت، یک تغییر شکل حالت پایدار هنوز به طور کامل محقق نشده است، که این نشان می دهد که تقاطع در مقدار فرکانس کوچکتر از 10^(-4) رادیان بر ثانیه واقع شده است. لوفور (2006) یک رویکرد مشابهی را برای پیداکردن نقطه تقاطع مورد استفاده قرار داد و همچنین دریافت که نقطه ω_intersection برای سیستم خمیر او  10^(-4) رادیان بر ثانیه است.

           داده های رفت و برگشت کششی در فرکانس 1 رادیان بر ثانیه در شکل 3 ارائه شده است. حدود خطی γ_c می تواند به عنوان تعریف دامنه کشش که در آن مقدار G^' (γ_0) تا 95 درصد 〖G^'〗_0 کاهش می یابد. از این تعریف، واضح است که برای خمیر بیلاکس قوی مقدار γ_c 09/0 %، در حالی که برای خمیر ضعیف گاومیش کوهان دار امریکایی محدوده ی خطی حتی کوچکتر است(06/0 ٪، داده ها نشان داده نشده است). مقادیر مشابه برای محدوده ی خطی توسط سایر گروه های تحقیقاتی گزارش شده است (آممیا و منجیوار 1992، برلاند و لانای 1995). 

           بالاتر از حد خطی، خمیر تحت کشش نرم شدگی قرار می گیرد، که به احتمال زیاد می توان به تفکیک تراکم نشاسته (اسمیت و همکاران 1970) و از دست دادن چسبندگی بین پروتئین گلوتن و گرده ی نشاسته نسبت داد (واتانابه و همکاران 2002). شکل 3 نشان می دهد که نشاسته دارای محدودیت خطی بسیار کوچک است (042/0 %) که هر دو مدول دینامیکی آن کاهش قابل ملاحظه ای می یابد. در مقابل، برای گلوتن خالص حد خطی بسیار بزرگتر است (در حدود 2/3 ٪) و مدول دینامیکی اساسا تا بزرگترین دامنه کشش ثابت باقی می ماند. مشخص است که نشاسته برای محدود کردن خطی کوچک از خمیر مسئول است (اسمیت و همکاران 1970، لارسون و همکاران 2000، خطکار و اسکوفیلد 2002a، واتانابه و همکاران 2002؛ اوت هایاکوماران و همکاران 2002). شکل a4حدود خطی را به عنوان تابعی از محتوای نشاسته نشان می دهد. با افزودن نشاسته، حد خطی مخلوط گلوتن نشاسته کاهش قابل ملاحظه ای می یابد. اگر چه تمام مخلوط ها با مقادیر مختلفی از آب آماده شده، هنوز هم ممکن است محدوده خطی مقایسه شود، چرا که تایید شد که γ_c تنها به صورت خیلی ضعیفی وابسته به آب است (داده ها نشان داده نشده است). برای محتویات نشاسته ی بالاتر از حدود 75 درصد وزنی، γ_c به عنوان یک قانون توان با توجه به محتوای نشاسته تکامل می یابد(در درصد وزنی؛ شکل a4). برای ژل کلوئیدی خیلی بیشتر از غلظت ژلی و سفتی ، شی و همکاران (1990) استدلال نمودند که محدوده ی خطی باید مقیاسی از نسبت حجمی به عنوان قانون توان باشد. در نتیجه، خمیر را می توان به عنوان یک پراکنش متمرکز گرده های نشاسته در ماتریس پروتئین گلوتن مورد بررسی قرار داد، حداقل تا آنجا که بر رفتار خطی آن تمرکز می شود (اوت هایاکوماران و همکاران 2002). در برخی موارد (اسمیت و همکاران 1970؛ پان تین و سافاری-آردی 1998) این رفتار سوسپانسیون در میدان کششی خمیر آشکار می شود، همانطور که منحنی G^'' (γ_0) گاهی اوقات نشان می دهد نزدیک شدن حداکثری سطحی به حد خطی، منعکس کننده فروپاشی شبکه ذرات است. در حالی که این حداکثر نقطه ای در G^'' (γ_0)  در هر دو سیستم خمیری ما وجود ندارد، اما آن در ترکیب 10 درصد وزنی گلوتن و 90 درصد وزنی نشاسته قابل مشاهده است (نتایج نشان داده نشده است) و آشکارا در 100 درصد وزنی نمونه نشاسته نیز می توان دید(شکل 3). اگر چه از طرفی تاثیر تفاوت در مقدار آب پنهان شده است، اما افزایش مقدار نشاسته منجر به افزایش G^' می شود (شکل 4b). اوت هایاکوماران و همکاران (2002) در هنگام استفاده از سطوح مطلوب آب برای هر یک از مخلوط های نشاسته-گلوتن به همان نتیجه رسیدند. با این حال، در سطح ثابت آب (10 میلی لیتر آب اضافه شده به 10 گرم پودر گلوتن نشاسته) رتبه بندی مقادیر G^' معکوس شد. در مقابل، واتانابه و همکاران (2002) افزایش قابل توجهی در G^' با افزایش نشاسته، حتی در سطح ثابت آب گزارش کرده اند (95/5 میلی لیتر آب اضافه شد به 10 گرم پودر گلوتن نشاسته). در نهایت، آزمون SAOS ما  بر روی مخلوط گلوتن نشاسته نشان داد که با افزایش نسبت گلوتن نشاسته، G^' (ω) وابستگی فرکانس قوی تری را نشان می دهد (شکل 4b)، که این نتایج توسط هابرد (1970) و اسمیت و همکاران (1970) نیز گزارش شده است و در سازگاری با مشاهده قبلی ما کهG^' (ω) بیشتر وابسته به فرکانس خمیر و گلوتن است تا فرکانس نشاسته (شکل 2 را ببینید). 

رژیم غیرخطی

           اگرچه آزمون SAOS برای به دست آوردن اطلاعات در مورد زمان و حساسیت کششی خمیر بسیار مفید می باشد، ارتباط عملی آن ها محدود است، همانطور که تغییر شکل عملی به نوع تغییر شکلی که در روند تهیه نان مواجه می شود مربوط نیست. در طول مخلوط کردن، تخمیر و افزایش دمای اجاق گاز، خمیر کشش و تغییر شکل کششی بیشتری را نسبت به کشش پایین در جریان برشی تجربه خواهد کرد. از این رو  مطالعه رفتار خمیر تحت کشش ضروری است. راه اندازی روش EVF به منزله یک روش به خوبی تثبیت یافته برای توصیف مواد تحت کشش تک محوره است. نتایج حاصل از آزمایش کشش تک محوره بر روی خمیر بیلاکس و گلوتن در شکل 5 نشان داده شده است. با توجه به شکل روشن است که شباهت قابل توجهی در رفتار بین خمیر و گلوتن تحت تغییر شکل کششی وجود دارد  (اسکوفیلد و اسکات بلر 1937). در کشش های بسیار بزرگ، هر دو ماد ه کشش سخت شدگی از خود نشان می دهند، یعنی استرس بیش از آنچه که متناسب با کشش است، در نرخ کشش ثابت افزایش می یابد. همچنین شکل 5 نشان می دهد که در کشش های پایین تمام منحنی های گلوتن کم و بیش منطبق بر حلقه ی ویسکوالاستیک خطی (LVE) هستند، اما منحنی خمیر این گونه نیست. 

Abstract

           There is still considerable debate in the literature about the respective roles of starch and gluten in both the linear and non-linear rheology of wheat flour dough. Hence, to elucidate the individual contributions of gluten and starch to the overall dough behaviour, the rheological properties of dough and mixtures of different gluten-starch ratios were studied systematically in shear and extension, by means of an adequate rheological toolbox consisting of linear small amplitude oscillatory shear tests and non-linear tests such as creep-recovery in shear and uniaxial extension. The starch component plays a pivotal role in linear dough rheology. With increasing starch content, the linearity limit observed in oscillatory shear tests decreases as a power-law function. Starch also clearly affects the extensional viscosity at small strains. Consequently, in the linear region differences between different gluten systems may become obscured by the presence of starch. As breadmaking qualities are known to be intrinsically linked to the gluten network, it is imperative to probe the non-linear behaviour of dough in order to expose differences in flour quality. The quality differences between a strong and a weak flour type were revealed most clearly in the value of the strain-hardening index in uniaxial extension and the total recovery compliance in non-linear creep-recovery tests. Notwithstanding its earlier successful application to pure gluten gels, the accuracy of the critical gel model in predicting the linear rheological properties of dough was found to be limited, due to dough having a small linearity limit and a finite longest relaxation time.

Introduction

            Among the cereal flours, only wheat flour has the ability to form a viscoelastic dough that is able to retain gas, which is crucial for the production of light, leavened products (Goesaert et al. 2005). Wheat flour dough is a composite material, consisting of a continuous protein phase, in which starch granules, lipids and gas cells are dispersed (Bloksma 1990). About 85 wt% of the proteins contained in wheat are gluten proteins (Jekle and Becker 2015). When mixed with water, these gluten proteins will swell and interact with each other, leading to the formation of a gluten network that gives wheat flour dough its distinct viscoelastic nature (Goesaert et al. 2005). Based on their extractability in aqueous alcohols, the gluten proteins can be subdivided into two categories, gliadins and glutenins, which occur in roughly equal amounts (Veraverbeke and Delcour 2002). The gliadins are single-chained proteins with a molar mass between 30,000 and 75,000 g/mol. The molar mass of the glutenin fraction ranges from about 50,000 g/mol upwards. In contrast to the gliadins, glutenins are multi-chain structures: a glutenin molecule can be regarded as an assembly of several polypeptide chains, held together by interchain disulfide (SS) bonds (Jekle and Becker 2015). The starch granules come in two types and sizes: the lenticular starch granules have a longest dimension of approximately 25 to 40 μm, whereas the spherical granules have a diameter of 5–10 μm (Delcour and Hoseney 2010).

           The breadmaking performance of wheat flours is largely determined by the gluten network, and may differ significantly from one wheat variety to another. In addition to gluten quantity, gluten quality was also found to be an important factor (Veraverbeke and Delcour 2002). Differences in gluten quality are mostly related to differences in glutenin quality (Kontogiorgos 2011). An insufficient amount of high molecular weight glutenins will result in a loss of dough cohesiveness and elasticity, whereas a too high amount of these long protein chains will impede the expansion of the gas cells. In both cases, only very small bread volumes will be obtained. In addition, gluten quality may also be affected by the glutenin-gliadin ratio, which determines the balance between dough elasticity and viscosity (Veraverbeke and Delcour 2002).

             It is widely recognised that the rheological properties of dough are somehow related to the final product quality (for a good overview of the commonly used rheological test methods for dough and some typical results, see Dobraszczyk and Morgenstern 2003). Dough is known to behave as a relatively weak physical gel of a predominantly elastic nature (Gabriele et al. 2001). The complex dough microstructure also gives rise to highly non-linear, thixotropic behaviour. In uniaxial and biaxial extension, dough typically exhibits substantial strain-hardening, which is the main reason for the general belief that dough behaviour is primarily determined by the gluten network, even though several studies have hinted that starch (Amemiya and Menjivar 1992; Larsson and Eliasson 1997; Edwards et al. 2002; Uthayakumaran et al. 2002; Watanabe et al. 2002) and other, minor protein fractions (albumins, globulins) (Weegels et al. 1995; Tomic et al. ´ 2013) may also play an important role. In addition, there is no consensus on the exact nature of the gluten network (Jekle and Becker 2015). In the past, it was often assumed that the entire gluten network (i.e. both the glutenin and the gliadin fractions) was mainly held together by covalent SS cross-links (Bloksma 1990). It has indeed been shown that the creation or disappearance of SS cross-links has an important effect on dough structure and properties (Veraverbeke and Delcour 2002). However, the ability of dough to flow under a constant stress in creep tests clearly indicates that either these cross-links are not permanent (Lefebvre 2006), or their contribution has been overestimated (Belton 1999). Authors adhering to the first view have suggested that SH/SS interchange reactions might allow for relative movement within the gluten matrix without compromising its stability (Bloksma 1975). The ability of the gluten network to incorporate compounds that contained either free thiol groups (Villegas et al. 1963) or disulfide bonds (Jones and Carnegie 1971) indicates that SH/SS interchange reactions do indeed occur in dough. On the contrary, the second school of thought suggests that the continuity of the gluten network also strongly depends on hydrogen bonds, hydrophobic interactions and chain entanglements (Jekle and Becker 2015; Kontogiorgos et al. 2016). The primary function of the SS cross-links would then be to hold the (unbranched) polypeptide chains together within each glutenin molecule (Bloksma 1990). According to this view, the SS cross-links are thus mainly intramolecular, whereas the glutenin molecules themselves tend to interact with each other and with the gliadin molecules mainly through non-covalent cross-links. The viscous deformation of dough can then be explained by the fact that, given the lack/low number of intermolecular covalent cross-links, the glutenin molecules are able to slide one along the other, temporarily breaking some of the non-covalent interactions (Bloksma 1990).

            The glutenin molecules are certainly also largely responsible for the observed elasticity of wheat flour doughs, yet again the exact underlying mechanism is still under debate (Veraverbeke and Delcour 2002). Belton (1999) has developed an interesting molecular theory in line with the views of the second school of thought. His loop-and-train model attributes the observed elasticity of glutenin proteins to a combination of entropic and enthalpic changes associated with the creation and destruction of hydrogen bonds between the aligned glutenin subunits, thereby leading to an elastic restoring force. Edwards et al. (2003) observed that the globular gliadin proteins mainly act as a viscosity modifier, probably because they interfere with the alignment and movement of the glutenin proteins.

              Finally, in view of their high concentration in the gluten network (60 vol% according to Bloksma (1990)), the starch granules can also be expected to contribute significantly to dough viscoelasticity. It has already been established that the starch particles do not merely act as an inert filler, but have the ability to interact with the gluten matrix (Yang et al. 2011). Indeed, altering the characteristics of the starch granular surface turned out to have a profound impact on the linear viscoelastic properties of dough (Larsson and Eliasson 1997; Edwards et al. 2002). Edwards et al. (2002) observed a significant reduction in dough elasticity following the partial replacement of starch granules by glass beads of similar size and shape. Dough reconstitution experiments using starches of different varietal origin revealed significant rheological differences, which highlight again the importance of the starch structure and surface characteristics (Petrofsky and Hoseney 1995). The starch-starch and starch-gluten interactions are typically of the van der Waals/hydrogen bond type, and will thus mostly be active at small distances and hence at small deformations (Amemiya and Menjivar 1992). Under large deformations, the addition of small quantities of starch to wheat flour was found to have a diluting effect on the gluten proteins, resulting in much lower shear and extensional viscosity values (Larsson et al. 2000; Uthayakumaran et al. 2002).

             Although the viscoelastic properties of wheat flour doughs have already been studied by many researchers, numerous questions as well as contradictions remain. In this work, the behaviour of dough is studied with fundamental rheological techniques, rather than empirical ones. By developing a standardised rheological toolbox, the aim of this work is to contribute to the discussion on how the overall dough behaviour is influenced by the major flour constituents (gluten and starch). Although the effect of the minor protein fractions (albumins, globulins) on the dough behaviour is also still under debate (Tomic et al. ´ 2013), this aspect is beyond the scope of the present study. As a representative example, the potential of different rheological tests to distinguish between two flours with different breadmaking performance, which is obviously of major interest for the industry, is studied. Small amplitude oscillatory shear measurements (SAOS) are used to obtain information on the dough structure in the linear region. However, from a practical point of view, these tests are not very relevant, as the deformations experienced by dough during mixing, sheeting and baking are far larger than those encountered in SAOS tests (Amemiya and Menjivar 1992). Consequently, the dough rheology is also studied under large deformations, by means of non-linear creep-recovery tests in shear, and extensional viscosity fixture (EVF) tests in uniaxial extension. As will be discussed below, the EVF setup is much more suited for applying a pure extensional flow field than the more commonly used Kieffer extensibility rig.

چکیده
بحث و نتایج
ترکیبات گلوتن نشاسته در رفتار کلی خمیر
در رژیم خطی
رژیم غیرخطی
تمییز دادن خمیر آرد ضعیف و قوی
رژیم خطی
رژیم غیرخطی
نتیجه گیری
منابع

Abstract
Results and Discussion
Contributions of Gluten and Starch to the Overall Dough Behaviour
In the Linear Regime
In the Non-linear Regime
Distinguishing Strong from Weak Flour Dough
In the Linear Regime
In the Non-linear Regime
Conclusions
References