CN102077075A - 一种测量含谷蛋白物质的粘性和弹性性能的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种测量含谷蛋白物质的粘性和弹性性能的方法，此方法包括步骤：将诸如小麦的含谷蛋白物质形成如粗面粉或精面粉的粉末；添加预定剂量的水成液如盐水到预定量的所述粉末；将所述粉末和液体揉成面团——即，增加动能以获得面团并显现面团内谷蛋白的粘弹性特征；以及通过用所述液体漂洗从面团中提取粘弹性谷蛋白。根据本发明，本方法进一步包括的步骤有：将所述谷蛋白成形为预定的形状，将成形的谷蛋白(D)放置于彼此平行的两个平面之间，以恒定的速度和恒定的力将平面向彼此移动，直到在预定的时间段内达到最大压缩力或者最小间隔，由此压缩在所述平面之间放置的谷蛋白，释放所述平面上的力，使得由于压缩谷蛋白的弹性复原，它们可以彼此移开，在谷蛋白的所述压缩过程和弹性复原过程期间测量所述平面之间的距离，存储测量值。

Description

一种测量含谷蛋白物质的粘性和弹性性能的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种测量含谷蛋白物质的粘性和弹性性能的方法和执行这一方法的设备，此方法包括步骤：将诸如小麦的含谷蛋白物质形成为诸如粗面粉或精面粉的粉末，添加预定剂量的诸如盐水的水成液到预定量的所述粉末中，将所述粉末和液体揉成面团——即，增加动能以获取面团并促进面团内谷蛋白的粘弹性特征——并通过用所述液体漂洗而从面团中提取粘弹性谷蛋白。
背景技术
在各种谷粉中，小麦粉具有形成强的粘性好的面团的能力，这样的面团保留有气体，并且能制成轻的通气的焙烤产品。小麦蛋白质和更具体地，谷蛋白蛋白质，被认为是形成小麦的这种特性的主要因素。当小麦粉与水混合时，形成了粘着的、具粘弹性的面团。粘性部分有时被称作可塑性粘性或可塑性。其它的谷粉不能形成具有相似的粘弹性特征的面团。另外，通常公认地，谷蛋白蛋白质决定了各种小麦粉所制造的面包的质量。不同小麦品种磨出的面粉所制作的面包的潜在体积也非常不一样。已经显示，甚至具有恒定的蛋白质含量并使用了同样的烘烤工艺，面包体积仍旧可能存在大的变化。所以，小麦中蛋白质的质量可以变化。蛋白质的质量特征经常被称为功能特性和谷蛋白强度(R.Carl Hoseney，Principles of Cereal Science and Technology，2nd En，1994，by the American Association of Cereal Chemists Inc.)因此，面粉中谷蛋白蛋白质的总量，即蛋白质数量也是重要的，并且其蛋白质质量也是重要的。
事实上，不同类型的小麦，它们除了用于制作面包，同时也是众多不同产品如各种意大利面食产品、面条、蛋糕、饼干和华夫饼干的原材料。同时，对于这些类型的产品，蛋白质或谷蛋白质量以及蛋白质数量都是重要的。例如具有更强谷蛋白质量的硬质小麦一般使意大利面食具有更强的“咬起来硬”的感觉，并且相对强的谷蛋白质量面粉使得烹煮的面条耐嚼并有弹性特征。不同的市场之间，偏好可能是不同的，如在韩国和中国优选具有耐嚼特征的面条，而在日本，要求的是软质的。
随之而来的是：小麦和小麦加工工厂需要提供快速、准确和客观的小麦质量评估，以确保并保持用于具体用途的最优质量，并且在国内和国际贸易中为具体交易中都建立公平的价格。
所谓的流变仪器，如Mixograph(National Manufacturing，Lincoln，NE，USA)，Farinograph(Brabender GmbH，Duisburg，Germany)或者Alveograph(Chopin Technologies，Villeneuve-La-Garenne，Cedex，France)已长时间地在面粉磨制行业中使用，以监测面粉质量，特别地在有关面包制作中。(Tronsmo et al，Cereal Chem.80(5)：575-586)。这些仪器是经验性的，并已经在1930年代引入且典型地应用于面粉，这意味着如果要测试小麦，首先要将小麦样本磨成面粉。
另外，在设备中的测试时间很长并且两个测试之间的仪器清理工作也很费力。
实际上，这意味着每天只能执行很少的测试。因为经验性的特征，结果不能用基础科学单位来表达，但是对生产者是特定明确的，并且能用如Brabender单位表示，此单位通常对于所使用的具体仪器来说是唯一的。这使得仪器的标准化变得困难，而且可能导致对同一类型的设备，不同的使用者得出的结果不一致。
基础流变测量法也是早在1932年引入制作面团的(Schofield and Scott Blair)。基础流变仪器被设计为以科学单位测量粘弹性性能，而且也使得可以在测试中分离材料的粘性成分和弹性成分。例如(Faubion and Hoseney，1990)中描述了应用于面团系统的动态振荡测量法。例如(Launey and Bure，1974)中描述了应用于面粉团的应力松弛技术，并且例如(Bloksma and Bushuk 1988)描述了应用于面粉团的蠕变复原技术。基础技术因此已经很好地应用在研究界，但是在小麦行业尚未得到应用。主要原因是基础流变研究设备非常昂贵，其设计是针对实验室研究环境，使用起来很复杂，需要专门技术人员，而且测量时间很长。仪器本身没有针对小麦质量测量而特别设计和改造，但是其是为各种材料做的通用设计。
为了将小麦分级并收集，以为工业生产过程中提供质量一致的小麦，并且为小麦的供应商和贸易商决定公平的价格，有必要快速地并且以可接受的准确度来决定小麦质量。特别地，需要提供一致质量的小麦，或者由小麦制成的产品，因为不同的最终使用目的或不同的市场偏好需要不同的质量特征，以将优化制造过程，或者优化用户或消费者的满意度。
随之而来的是，小麦和小麦生产行业仍旧需要提供快速、准确和客观的基于基础技术的、可以应用在磨制面粉的工业环境或小麦接收点并且由非专门技术人员使用的小麦质量评估系统。具体地，这样快速的评估系统也可以以已知的方式帮助混合小麦或面粉流，以得到期望的最终产品。此评估系统可以帮助绘制生产线并且帮助精确地控制最终使用质量，避免例如浪费和工厂停工期，因此与现实的功能需求和工业化需求相对应。
本发明的目的是满足这些需求。
发明内容
本目的通过测量含谷蛋白物质的粘性和弹性性能的方法而实现，该方法包括的步骤有：将诸如小麦的含谷蛋白的物质形成如粗面粉或精面粉的粉末；添加诸如盐水的水成液到预定量的所述粉末中；将所述粉末和液体揉成面团——即，增加动能以获得面团并显现(develop)面团中谷蛋白的粘弹性特征；以及通过用所述液体漂洗从面团中提取粘弹性谷蛋白。其特征在于进一步的步骤：
-将所述谷蛋白成形为预定的形状，
-将成形的谷蛋白放置于彼此平行的两个平面之间，
-以控制的速度将平面向彼此移动，直到在预定的时间段内达到最大压缩力或者最小间隔，或者达到所述平面之间的预定最小距离，由此压缩在所述平面之间放置的谷蛋白，
-释放施加在所述平面上的力，使得由于压缩谷蛋白的弹性复原，它们可以彼此移开，
-在谷蛋白的所述压缩过程和弹性复原过程期间测量所述平面之间的距离，和
-存储测量值。
优选实施例中，在预定时间段期间，也在所述预定时间段结束之前如果已达到所述平面之间的所述最小距离，则测量实际施加的力，并保持平面上的力。
将从面团中提取的谷蛋白成形为预定形状，并且成形过程是在成形设备中进行的，谷蛋白在预定的保持时间内被放在成形设备中。
所述的最大压缩力应大于5N，优选地大于8N，并且优选地，大约为9.8N，并且所述平面之间的最小距离应当最多为2mm，优选地为1mm。施加所述力的预定时间段优选地小于60秒，优选地小于45秒。当首次施加所述力时，所述平面之间的距离——即对应于成形谷蛋白高度的距离——至少是所述平面之间最小距离的十倍。
本发明也涉及用于测量含谷蛋白物质的粘性和弹性性能的设备，其包括用以将预定量的含谷蛋白粉末和预定量的水揉成面团并从面团中提取谷蛋白的装置，其特征是用于将所述提取谷蛋白成形的装置，进一步特征在于它包括：两个平行平面板和将所述板以控制的速度移向彼此直到达到最大压缩力或最小间隔的装置；在预定时间段后自所述压缩力释放所述板的装置，用于在所述平面表面之间保持预定最小距离的装置，用于测量所述平面板之间距离的装置，以及存储所测量的值的装置和获取所存储的测量值的装置。
在优选实施例中，平衡的平行臂机构保持所述板之间的平行排列，所述机构通过臂连接到螺旋弹簧，臂将螺旋弹簧给的恒力传送到所述机构，并且设备包括驱动电机，驱动电机用以卷绕所述螺旋弹簧以给所需的力，并用以反绕所述弹簧。
附图说明
现将参照附图描述本发明，其中：
图1示意性地示出了根据本发明实施例的用以测量含谷蛋白物质的粘性和弹性性能的设备的透视图，透视图示出了设备的右侧，
图2示出了图1中设备的相似的透视图，所示为其左侧，
图3示出了图1和图2中的设备的平行臂机构及两个压缩板的侧视图，压缩板彼此隔开，并处于放松状态，
图4示出了与图3相似的侧面，两压缩板朝彼此被推动，
图5示意性地示出了根据图1-4，由谷蛋白试样到用以在设备中使用的试样体的成形过程，
图6示出了不同谷蛋白的压缩过程和复原过程的示意图，这些不同的谷蛋白是通过提取不同类型的小麦面团而做成的。
具体实施方式
在图1-4中，示意性地示出了用以测量含谷蛋白物质的粘性性能和弹性性能的设备1的透视图。本设备分别包括两个压缩板2和3，待测试的含谷蛋白物质的试样在以本身已知的方式加工成粘弹性谷蛋白后被放置在这两个压缩板之间。
上压缩板3由平行臂机构4所保持，平行臂机构4在整个运动范围，例如0-15mm间距中，维持两压缩板之间平行排列。这个机构包括两个平行臂5和6，平行臂5和6可枢转地被支撑在销7和8之上，销7和8被支撑在托架9和10上，托架9和10直立在本设备的箱体11的上壁。臂5和6延伸超出箱体11的前侧，并且穿过支架14上的开口12和13，上压缩板3附连于支架14。这两个臂通过销15和16可枢转地保持在这些开口12和13中。分别地，销15和16之间的距离与销7和8之间的距离相同，销7和15之间的距离与8和16之间的距离也相同。图3中示出了处于上位时的平行臂机构，其中含谷蛋白物质的谷蛋白D可以放置在上压缩板3和下压缩板2之间，并且图4示出了处于下位的平行臂机构，其中谷蛋白D在板2和3之间被压缩。
平行臂机构4通过配重17平衡，使得当如图4所示的作用在平行臂机构以压缩谷蛋白D的载荷被释放时，压缩板3可以停留在其位置而没有在谷蛋白D上造成任何载荷。这是重要的，使得能够通过监测压缩板3的位置而测量弹性复原程度，并因此分离谷蛋白D的粘性性能和弹性性能。配重17定位于平衡臂机构的臂5的延伸部分端部。
为了加载平行臂机构4，使用了螺旋弹簧18，其中螺旋弹簧18可以在压缩位于板2和3之间的谷蛋白过程中在机构4上施加恒定的、特定的力。螺旋弹簧18可以是例如美国All-riteSpring公司的、商品名为2751的螺旋弹簧。驱动电机(为了清晰以轮廓线在图中示出)用于给螺旋弹簧加载所需的力并将该力卸载。驱动电机可以是例如美国W.WGraiger公司的、商品名为2L008的电机。
螺旋弹簧18的外端耦接到传动臂19的端部。此传动臂保持在保持架20中，保持架20可以绕与销7同轴的轴线摆动。当电机加载螺旋弹簧18时，传动臂19将向上摆动并因此以距与销7的枢转连接一定距离处作用在平行臂机构4的延伸的上臂5上。因此，螺旋弹簧18的力将被传送到平行臂机构，并随后传送到压缩板2和3。
下压缩板2由三个杆21-23可调整地支撑，三个杆21-23又由板24支撑。板24作用在测压元件25上，例如，美国Vishay Intertechnology公司的、商品名为Model 1022的测压元件，以测量作用在压缩板上的压缩力。
高分辨旋转传感器26，例如德国Megatron公司的、商品名为MAB25A的传感器，测量平行臂机构4的下臂6绕销8的旋转。然后上压缩板3相对于板2的位置能够基于所测得的臂6的旋转角度容易地被计算出来。
旋转传感器可被选择性地使用，以测量用于加载并卸载螺旋弹簧的电机的轴的位置，以预测弹簧力。
压缩板2和3优选地是透明材料以允许无障碍地看到置于其间的谷蛋白。这种情况下，可以在箱体11内设置照相机，以记录压缩和释放过程中谷蛋白的图像。孔27制作在箱体11的前壁上，镜子28位于压缩板2之下，以方便此记录过程。
数据处理单元或者计算机(未示出)设置在箱体11内，并连接到驱动电机、所有的传感器和可选择的照相机。所有测得的值都存储在此单元中，并且此单元也包含用于对测量和压缩过程进行控制的软件。上压缩板3的位置计算可以在此单元中进行，但可以将此单元连接到外部PC，该外部PC用于计算和显示谷蛋白的压缩和弹性复原的图形。
在使用以上所描述设备进行测量之前，待测试的含谷蛋白物质被压碎或磨碎成为粉末或面粉(除非其已是粉末形式)。其后，将一定量的2％盐溶液加入一定量的粉末中，并且将此混合物揉成面团，然后通过用盐溶液漂洗而从面团提取出粘弹性谷蛋白试样。优选地，通过瑞士Perten Instruments AB，Huddinge公司的、商品名为Glutomatic的专门仪器的辅助实现这个过程，其中10mg的含谷蛋白粉末和大约4.8升的盐水的混合物首先被揉成面团，其后，通过用盐溶液漂洗而提取粘弹性谷蛋白。
然后，将试样形成预定的形状。在所示实施例中，选择圆柱形作为试样，但也可以选择其他的形状，如立方体或平行六面体。图5示意性地示出了圆柱形试样的成形过程。如图中所示，试样被放进立放在平面基板上的开口圆筒中(图5a)。其后，将活塞插进圆筒的开口端(图5b)，并且向下压活塞一直到活塞到达由其上端伸出的凸缘抵接圆筒的上边缘而确定的端位置(图5c)。所选择的圆柱形试样的高度为10mm，直径为15mm。向下压活塞直到凸缘接触到圆筒为止，使得形成恒定体积的试样，因为多余部分在圆筒底部边缘被挤出。然后圆筒的旋转运动将多余的谷蛋白从所保留的试样上切掉。
然后，成形的圆柱形试样在圆筒中如图5c所示的端位置由活塞保持确定的时间段。在所描述的实施例中所使用的时间段为5分钟。通过保持试样的圆柱形状，由于试样的粘性中的塑性成分使得试样“记住”其圆柱形状。
其后，参见图5c，已经从圆筒中漏出的可能剩余的谷蛋白被去除掉，然后谷蛋白D通过合适工具被压出圆筒，其后将之放置于设备1的压缩板2上。
然后压缩板3被移动，以与成形的圆柱形谷蛋白D的平面顶部抵接。
然后通过致动设备1，例如通过压下“运行”按钮，启动压缩程序。然后电机沿卷绕螺旋弹簧18的方向运行，螺旋弹簧18从而使得传送臂19作用在平行臂机构4的上臂5上；因此，绕着销7在顺时针方向上摆动上臂5。这使得压缩板3向下运动，压缩板3以与螺旋弹簧18的力具有恒定关系的力压在谷蛋白上。通过测压元件25测量作用在谷蛋白D和下压缩板2上的力，且当达到预定的或规定的力时，卷绕螺旋弹簧的电机停止工作。可以自由地选择作用在谷蛋白D上的预定力，但是此预定的力应优选地大于5N，更优选地，大于8N，最优选地约为9.8N。已经证明了9.8N的力适合于测试由小麦粉末制成的含谷蛋白物质的粘弹性性能。
在预定压缩时间段内，作用在谷蛋白D上的预定压缩力被保持着。此压缩期应当是短的，以使得测量过程能够快速并适合工业应用。因此选择压缩期少于60秒，优选地少于45秒，并且最优地30秒。由于作用在谷蛋白D上的压缩力，谷蛋白D变形，并且压缩板2和3之间的距离缩短。如果谷蛋白D是粘性的或者有足以减少压缩力的微弱弹性，如由测压元件测得的，电机将再次被短时间激活直到再次达到预定力为止。通过监测由测压元件25测量的力，设备控制器将会按要求间歇地驱动电机以在压缩期间维持预定压缩力。
在压缩期结束以后，立即启动电机以迅速松开螺旋弹簧18，并且移开传送臂19而不与平行臂机构4的上臂5接触。然后压缩板3向上自由移动。
由于平行臂机构4的平衡，在去除压缩力后，压缩板也将保持在与谷蛋白D顶部接触的位置。当谷蛋白D根据其粘弹性性能努力恢复其最初圆柱形并且因此恢复了其最初高度的一定程度时，压缩板3将跟随谷蛋白顶端的向上运动。谷蛋白可以保持其最初高度——即当放在设备1中并在其被压缩之前的圆柱高度——的程度，取决于谷蛋白的质量，即制作谷蛋白D的含谷蛋白物质的粘弹性性能。为了测量复原高度，在预定时间段内测量压缩板的运动。合适的时间段是15-60秒，优选地30秒。
以规则的数据获取间隔，例如每100微秒，记录电机位置、测压元件的力的读数和传感器读数，并存储在数据处理单元。
为了防止包括弱谷蛋白的含谷蛋白物质的过度拉伸，在谷蛋白放在下压缩板2上之前，可将一定高度的垫片29放置在下压缩板2上，该垫片的高度最大2mm，优选地为1mm。此垫片优选地是圆形的并且具有这样的尺寸，使得圆柱形谷蛋白可以在未与此垫片接触的情况下被压缩并径向变形。
图6示出了压缩板2和3之间的距离作为时间函数的曲线图，此曲线图是通过所描述方法以及在根据本发明的设备1中，对一些类型小麦进行的测试中得到的。
三条复原轮廓曲线中的每个至少有四个主要区域，例如有a)在开始压缩后的最初几秒钟内快速变形，b)就发生在开始的快速变形之后的在全部压缩周期中的继续慢速变形。另外，c)当将压缩力释放时的快速复原，d)继续慢速复原直到测试被中断。前两步a和b提供粘性性能的信息，后两步骤c和d提供弹性性能的信息。
从如图6中的曲线或复原轮廓曲线可显然看出，对不同的小麦类型，谷蛋白的粘弹性性能也不相同。因为测试程序是自动的并以同样的方式进行，所以结果仅取决于不同谷蛋白的性能。如果通过上述方法使用根据本发明的设备得出了具有已知的期望性能的小麦类型的曲线，这样的曲线可以用作参考曲线，以从所测试的谷蛋白的粘弹性方面来确定小麦的质量。因此根据本发明的此方法和设备提供了对小麦的功能质量的快速并准确的测试，此测试可以用于面粉磨制工厂或者小麦接收点。另外，此方法的操作不要求任何特殊的教育和技巧，因此可以由非专业技术人员使用。
可以在不离开发明范围的情况下对所描述的实施例的许多方面进行修改。上压缩板的平行运动可以例如用其他方式完成，而不是通过平行臂机构，例如可以去掉下臂6，压缩板3的保持架的运动可以通过仅允许其垂直运动的导引架等进行导引。另外，在圆柱形谷蛋白放在压缩板之前，可以在压缩板上涂覆薄的例如菜籽油的涂层，以确保谷蛋白不粘在板上。用于准备的装置，如压碎含谷蛋白物质以及将含谷蛋白物质揉成面团、漂洗和从面团准备粘弹性谷蛋白、以及用于使谷蛋白成形成圆柱形的人工的或自动的装置，可以与设备1集成在一起。此方法和设备用以测试面团粘弹性性能，而不用制备谷蛋白，也可以用在直接准备的被隔离的活性谷蛋白的试样上，以及用在除了小麦、粗面粉、精面粉的其他物质上，例如玉米谷蛋白、奶酪制品和合成高分子产品，如耳塞。因此，本发明的范围应当仅被所附专利权利要求的内容限制。

Claims (14)

1.一种测量含谷蛋白的物质的粘性和弹性性能的方法，所述方法包括步骤：将诸如小麦的含谷蛋白的物质形成如粗面粉或精面粉的粉末；添加预定剂量的诸如盐水的水成液到预定量的所述粉末中；将所述粉末和所述液体揉成面团——即，增加动能以获得面团并显现所述面团中的谷蛋白的粘弹性特征；和通过用所述液体漂洗而从所述面团中提取粘弹性谷蛋白，其特征在于进一步的步骤：
-将所述谷蛋白成形为预定的形状；
-将所述成形的谷蛋白(D)放置于彼此平行的两个平面(2、3)之间；
-在预定的时间段内，以控制的速度将所述平面(2、3)朝向彼此移动，直到达到最大压缩力或者最小间隔，由此压缩在所述平面之间放置的谷蛋白(D)；
-释放所述平面上的力，使得所述平面由于所述被压缩谷蛋白的弹性复原而可以彼此移开；
-在所述谷蛋白的所述压缩过程和弹性复原过程期间测量所述平面(2、3)之间的距离；
-存储测量值。
2.根据权利要求1中所述的方法，其中，测量实际施加的力。
3.根据权利要求1中所述的方法，其中，当达到所述平面(2、3)之间的预定的最小距离时，阻止所述平面向彼此移动得更近。
4.根据权利要求3中所述的方法，其中，所述平面之间的所述最小距离为至多2mm，优选地是1mm。
5.根据权利要求1、2、3或4中所述的方法，在所述预定时间段中，也在所述预定时间段结束之前如果已达到所述平面(2、3)之间的所述最小距离，保持所述平面上的所述力。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，将所述谷蛋白(D)成形为预定形状，并且在所述谷蛋白(D)被置于所述平面之间之前，所述形状被保持一段时间，以在所述谷蛋白内建立这种形状的较佳的布置。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，所述谷蛋白的成形是在成形设备中进行的，在所述设备中，使所述谷蛋白的恒定体积部分成形，并且，在预定的保持时间期间将已成形的所述谷蛋白留在所述成形设备中。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，所述压缩力大于5N，优选地大于8N，更优选地大约9.8N。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其中，施加所述压缩力的所述预定时间段少于60秒，优选地少于45秒。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中，当首次施加所述压缩力时，所述平面(2、3)之间的距离——即与所述成形谷蛋白(D)的高度相应的距离——至少是所述平面之间所述最小距离的十倍。
11.一种测量含谷蛋白物质的粘性和弹性性能的设备，所述设备包括用以将预定量的含谷蛋白粉末和预定量的水成液揉成面团并通过漂洗从面团中提取谷蛋白的装置，其特征在于将所述谷蛋白成形的装置，并且其进一步特征在于，它包括：两个平行平面板(2、3)和将所述板(2、3)以控制的速度移向彼此直到达到最大压缩力或最小间隔的装置(4、18、19、20)；用于在预定时间段后释放所述板(2、3)上的所述恒定力的装置；用于测量所述平面板(2、3)之间距离的装置(26)；以及用于存储所测量的值的装置和用于获取所存储的测量值的装置。
12.根据权利要求11中所述的设备，其中，平衡平行臂机构(4)保持所述板(2，3)之间的平行排列，所述机构通过臂(19)连接到螺旋弹簧(18)，所述臂(19)将所述螺旋弹簧(18)提供的恒力传送到所述机构。
13.根据权利要求12中所述的设备，其中所述设备包括驱动电机，所述驱动电机用于卷绕所述螺旋弹簧(18)以提供所需的力，并用以松开所述弹簧。
14.根据权利要求10-13中任一项所述的设备，包括用以保持所述平面(2，3)之间预定最小距离的装置(28)。
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