天然菊粉對面團發(fā)酵流變學和面包品質的影響

羅登林，趙 影，徐寶成，許 威，李佩艷，任廣躍，袁云霞，劉建學

（1.河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽 471023；2.河南省食品原料工程技術研究中心，河南 洛陽 471023；3.信陽師范學院生命科學學院，河南 信陽 464000）

菊粉又稱菊糖，是D-呋喃果糖經β-（2,1）糖苷鍵聚合而成的一種果聚糖，在菊芋和菊苣中含量豐富[1-2]。菊粉作為一種膳食纖維，不僅具有益生元的生理功能，而且其一定的水溶性、良好的色澤、特異的凝膠性能以及與面粉相似的粉體特性，使其與其他膳食纖維相比，在改善食品質構性狀、提高其加工性能和營養(yǎng)價值等方面更具優(yōu)越性[3-6]。

目前，我國關于菊粉的應用研究相對滯后，國內對菊粉的研究主要集中在產菊粉酶菌株的選育、菊粉的提取與分離等方面，較少涉及菊粉在面制品方面的應用，尤其在焙烤食品中的應用研究極少[7]。國內范文靜等[8]研究了菊粉的添加對面包品質的影響，得出菊粉添加量為6%時，面包的綜合品質達到最佳狀態(tài)，但未說明菊粉類型。張珍等[9]將短鏈菊粉和木糖醇作為甜味劑以67∶33的比例添加到雜糧面包中，研制出一種低糖營養(yǎng)面包。國外關于菊粉應用于烘焙制品的研究相對較多，但多為對短、長鏈菊粉添加到烘焙制品的研究。Hager[10]和R??le[11]等研究發(fā)現(xiàn)短鏈菊粉添加到面包中會增加其芯的硬度和體積。Peressini等[12]也認為添加5%～7%的短鏈菊粉會明顯增加面包的體積，但添加長鏈菊粉時則剛好相反。Praznik等[13]的研究進一步證明，短鏈菊粉可以增大面包體積，且添加8%時面包品質最好。Frutos等[14]的實驗表明，添加了菊粉的面包口感略下降，但明顯好于添加其他膳食纖維的面包；而Poinot等[15]的研究則顯示，菊粉的添加對面包品質并無不良影響，且菊粉添加可以加速焙烤過程中表皮色澤及風味物質形成，縮短烘焙時間。

加權評分法是將多指標實驗的結果，根據每個指標的權值（重要程度），進行加權求和從而轉化為單一指標（綜合加權評分值）進行評價的一種方法[16-17]。這種分析方法可根據各指標的貢獻大小進行權重分配，且保證了數據指標的全面性，該方法具有可靠、客觀、合理等優(yōu)點[18]。本實驗以面包的彈性、硬度、比容及感官評價4 個指標進行綜合評分，根據4 個指標因素重要程度給予相同的權重，并進行加權求和得到綜合評分，從而獲得直觀的分析。本實驗將天然菊粉添加到高筋面粉中制作面包，考察菊粉對面團流變學特性的影響，并采用加權評分法對面包的質構特性和感官評價做進一步分析，為菊粉在烘焙制品中的實際應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黃油、糖粉、食鹽、雞蛋 市購；高筋小麥粉（水分12.7%、蛋白質15.9%、脂肪1.6%、濕面筋35.9%） 益海嘉里（安陽）食品工業(yè)有限公司；天然菊粉（純度＞86%） 比利時Cosucra（Belgium）公司；即發(fā)干酵母 安琪酵母股份有限公司。

1.2 儀器與設備

HM750攪拌機 青島漢尚電器有限公司；W15P醒發(fā)箱 深圳拓奇實業(yè)有限公司；SM 522烤箱 新麥機械（無錫）有限公司；F3發(fā)酵流變儀 法國Chopin公司。

1.3 方法

1.3.1 面團發(fā)酵流變學特性

采用F3發(fā)酵流變儀模擬面團的發(fā)酵過程，提供面團發(fā)酵過程中各時間點的發(fā)酵參數，直觀地反映面筋網絡結構的特性，參考Adam等[19]的實驗方法。測試條件：實驗溫度28.5 ℃，樣品質量315 g，測試配質量0.5 kg，標準配質量片×4、總計2 kg，測試周期3 h。

1.3.2 天然菊粉面包的制作

天然菊粉面包制作的配方：高筋粉質量分數90%～100%，天然菊粉0%～10%，酵母、雞蛋（攪拌均勻）、糖、鹽、黃油的添加質量分數分別為0.6%～1.4%、15%、1.0%、0.9%、7.4%，加水量由粉質儀測定的吸水率確定（添加質量分數為36.2%～41.9%），均以高筋粉和菊粉的總質量為基準。制作方法：先將除黃油外的原料混合，慢速攪拌成團，在20 min時加入黃油，繼續(xù)慢速攪拌至面筋網絡形成，取面團在室溫條件下松弛8 min，然后切割、整形，并于溫度35 ℃、相對濕度80%條件下發(fā)酵90 min，最后進行烘焙12 min（面火180 ℃、底火200 ℃）[20]。

1.3.3 面包的比容測定

比容測定參考GB/T 20981—2007《面包》，采用油菜籽替代法[21]。面包烘焙完成后，在室溫放置1 h，稱質量，測體積，按照公式（1）計算比容。每個樣品重復測定3 次，取平均值。

1.3.4 面包的質構分析

質構的測試方法參考文獻[22]及AACC 74-09方法。將室溫條件下放置1 h的面包切去兩末端，從中間部位切取厚度為20 mm的均勻薄片，用質構儀對其進行測試，測試參數設為：探頭直徑13 mm，測試前速率60 mm/min，測試速率100 mm/min，測試后速率180 mm/min，壓縮程度50%，重復3 次，取平均值。

1.3.5 面包感官品質評定

由專業(yè)技術人員10 名及身體健康、感覺正常、無過敏癥狀及無服用影響感官靈敏度藥物史的無經驗人員10 名共20 名人員在專用的感官分析實驗室內（室溫21 ℃、相對濕度63%）進行評定，評分標準參考中國農業(yè)科學院《面包烘焙品質評分標準》和美國谷化協(xié)會審批方法?？偡譃?00 分，其中面包外觀10 分、紋理結構45 分、芯色澤10 分、芯質地25 分、口感10 分。

1.3.6 面包品質指標加權綜合評分測定

加權評分計算方法參考文獻[23]。本實驗中，面包比容、感官評定、質構測定所得硬度、彈性對面包品質的評定同樣重要，所以加權系數均定為0.25。松軟且富有彈性是面包的重要品質屬性，而面包硬度數值越小、彈性及比容越大的面包吃起來越軟且更富有彈性和爽口性[24]。所以彈性、比容及感官的評分均為欲達到最大的指標，硬度為欲達到最小的指標，加權評分一定程度上能反映面包品質，按公式（2）～（4）計算。

對于正向指標：

式中：Y為加權評分；A為測定值；A0為測定最小值；A1為測定最大值。

1.3.7 單因素試驗設計

考察菊粉添加量（菊粉取代面粉質量分數0%、2.5%、5.0%、7.5%、10.0%、12.5%）、發(fā)酵時間（60、75、90、105、120 min）、酵母添加量（0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%）對面包品質的影響。在進行菊粉添加量的單因素試驗時，選取酵母添加量1.0%、發(fā)酵時間90 min進行試驗。當進行發(fā)酵時間和酵母添加量的單因素試驗時，選取上一個單因素試驗最優(yōu)參數值進行試驗。

1.3.8 響應面試驗設計

根據單因素試驗結果，采用中心組合試驗設計原理，以加權綜合評分為響應值，用Design-Expert 8.05軟件對試驗數據進行多項回歸擬合及對模型進行方差分析。采用三因素三水平的中心組合試驗設計，如表1所示，試驗重復3 次，取平均值，總試驗組數為20 組。

表1 響應面中心組合試驗因素和水平Table 1 Coded values and corresponding actual values of independent variables used for CCD design

1.4 數據處理

各指標均重復測定3 次，采用Origin 8.05、SPSS、Design-Expert 8.05軟件及Excel 2007軟件進行數據統(tǒng)計分析，運用方差分析（ANOVA）進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 天然菊粉對高筋面團發(fā)酵流變學特性的影響

表2 不同添加量菊粉對面團發(fā)酵流變學特性的影響Table 2 Effect of inulin on rheological properties of dough

由表2可知，面團的總產氣量隨菊粉添加量的增大而增加，這主要歸因于天然菊粉中含有一定量單糖和低聚糖，它們可以作為糖源被酵母發(fā)酵所利用。面團的最大膨脹高度隨菊粉添加量的增大而減少，尤其當添加量為10%時，面團最大膨脹高度較空白降低了69.5%。一般認為面團高度的減少歸結于3 個方面：產氣量減少，面團韌性過大阻止擴展，或者較少面筋網絡形成使持氣量減少[25]。菊粉導致面團最大膨脹高度減小的原因主要歸因于菊粉的加入稀釋了面筋蛋白的含量，減少了面筋網絡結構的形成，并增大了面團的抗延伸性能[26]。當添加菊粉后，氣體釋放曲線的最大高度均有增加，但菊粉添加量的大小對其影響不明顯；菊粉的添加引起面團出現(xiàn)空洞的時間明顯縮短，即使當菊粉添加量為2.5%時，出現(xiàn)空洞的時間由空白組的126.0 min下降至57.0 min，相比降低了54.8%，這也與菊粉中含有一定量的單糖和低聚糖有關，引起酵母發(fā)酵速度加快。氣體保留系數在菊粉添加量為2.5%～7.5%范圍內有所下降，隨菊粉添加量的增大而略有增加，但當菊粉添加量達10%時，保留系數升高，且高于未添加菊粉的空白組（升高了18.0%），這與菊粉增加了面團的抗延伸阻力和總產氣量有關。前期實驗表明，菊粉能顯著增加面團的抗延伸阻力，而抗延伸阻力與面團發(fā)酵過程中持氣性密切相關，面團具有一定的抗延性時才能保持住CO2氣體[26]。當菊粉添加量較低（≤7.5%）時，由于其菊粉的添加引起總產氣量的升高率明顯大于引起保留系數的下降率，例如當菊粉添加量為2.5%時，相對空白組面團的總產氣量升高了17.1%，而保留系數只下降了11.1%，因此，實際面團的持氣能力是增強的；但當菊粉添加量較高（＞7.5%）時，相對空白組添加量為10%的菊粉面團的總產氣量升高了32.3%，但保留系數只升高了18.0%，實際上為面團的持氣能力下降了。宋歡[27]的研究表明，添加膳食纖維提高了面團的發(fā)酵產氣量，但降低了面團的持氣性，這與本研究結果相似。

2.2 單因素試驗結果

2.2.1 菊粉添加量對面包品質的影響

表3 菊粉添加量對面包品質的影響Table 3 Effect of inulin on the quality of bread

由表3可知，添加5%天然菊粉面包加權綜合評分最高。當菊粉添加量在0%～5.0%時，隨菊粉添加量的增加面包硬度呈顯著下降趨勢，在添加量為5.0%時，面包的硬度相比空白下降了38.0%；隨著菊粉添加量的進一步增加，面包的硬度呈現(xiàn)明顯的增大趨勢；當菊粉添加量不超過7.5%時，所制得的面包硬度仍然比空白?。坏斁辗厶砑恿吭黾又?0%時，面包的硬度顯著大于空白組，相比增加了22.4%，這可能與菊粉的持水性和抗淀粉老化有關。前期實驗結果測得菊粉的持水力在常溫條件下可達181.8%，這有利于延緩面包在焙烤和貯藏過程中的失水速率，保持面包的新鮮度和柔軟性[28]。天然菊粉中含有小分子糖和多糖，在較低的添加量條件下，小分子糖類具有抑制淀粉回性的作用，而多糖與水形成的水合層能抑制淀粉糊中分子鏈的遷移重排，也具有一定的抗淀粉老化的效果[19,29]；但當菊粉添加量較高時（＞7.5%），其自身發(fā)生重結晶程度顯著增強，同時也可作為一種增塑劑，增加了體系的流動性，利于淀粉分子的重排和結晶老化[30]。

圖1 未添加菊粉（A）、添加5%菊粉（B）和添加10%菊粉（C）的面包對比Fig. 1 Differences in the appearance among breads unfortified and fortified with 5% and 10% inulin

菊粉添加量對面包彈性影響不顯著，面包的比容隨菊粉添加量的增加而略有增大。當菊粉的添加量在5.0%～7.5%時，面包的比容相比空白有顯著性增加，這與菊粉能增加面團的總產氣量和持氣性有關，但當菊粉的添加量過大時（＞7.5%），一方面會導致面筋蛋白含量顯著下降而引起面筋網絡結構的劣變，另一方面由于面團產氣量過大而沖破面筋網絡結構引起面包的塌陷。感官評價和加權綜合評分均表明，菊粉添加量在5.0%時得分最高，此時所獲得的面包質構柔軟，內部氣孔較小且均勻、體積大、口感好。添加5%菊粉、10%菊粉和未添加菊粉面包切面照片如圖1所示，可以明顯看出添加5%菊粉比未添加菊粉的面包氣孔更加細密均勻，外形更加美觀；添加10%菊粉的面包頂部出現(xiàn)明顯不均勻孔洞和塌陷，且表皮顏色過深。

2.2.2 發(fā)酵時間對面包品質的影響

表4 發(fā)酵時間對面包品質的影響Table 4 Effect of fermentation time on the quality of bread

選取菊粉添加量5%、酵母添加量1.0%條件下考察發(fā)酵時間對面包品質的影響，結果見表4。隨發(fā)酵時間的延長，面包的硬度呈先下降后上升的趨勢，其比容、感官評價和加權綜合評分均呈先增加后下降的趨勢，其彈性變化不顯著，在發(fā)酵90 min時面包品質最好。實驗發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵時間小于90 min時，面包比容較小，且呈現(xiàn)出不同程度大小的緊實部分，這是由于面團未充分發(fā)酵，此時酵母的產氣量和面團的持氣量均未達到最佳值；而發(fā)酵時間過長，會導致面筋網絡持氣性變差，出現(xiàn)不均勻大空洞和嚴重皮瓤分離的現(xiàn)象。蘇東民等[31]在研究發(fā)酵條件對饅頭的影響時發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵時間對饅頭的感官品質及質構特性影響顯著，合適的發(fā)酵時間可使饅頭獲得較高的感官品質，較小的硬度和較高的彈性。

2.2.3 酵母添加量對面包品質的影響

表5 酵母添加量對面包品質的影響Table 5 Effect of inoculum level of dry yeast on the quality of bread

選取菊粉添加量5%、發(fā)酵時間90 min條件下考察酵母添加量對面包品質的影響，結果見表5。隨著酵母添加量的增加，面包的加權綜合評分呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。酵母添加量為1.0%時，菊粉面包的綜合評分最高。實驗發(fā)現(xiàn)，酵母添加量過少，會導致面團發(fā)酵不充分，表現(xiàn)為面包發(fā)酵效果差，內部質地密實，體積減小；酵母添加量過多，面包內部的組織紋理會出現(xiàn)較多不均勻大孔洞，表面塌陷，且有較濃的面包酵母味，其原因是過多的酵母使面團的產氣量過快，與面筋網絡的形成過程不能同步，導致面團成熟過度，持氣性變差。所以酵母的用量對面包的口感及體積起著至關重要的作用，只有當酵母添加量適當、酵母的產氣量與面團的持氣量同時達到最大時，烘焙出的面包內部組織和體積才最理想。王樹林等[32]發(fā)現(xiàn)，活性干酵母的添加量對面包感官品質及比容均有較大影響，在酵母添加量為1.0%時，面包獲得最佳品質。

2.3 響應面優(yōu)化試驗結果

表6 不同試驗參數對菊粉面包品質影響的響應面試驗結果Table 6 CCD design in terms of experimental data with response variable

響應面試驗結果如表6所示。用Design-Expert 8.05軟件對試驗結果進行二次多元回歸擬合，對數據進行方差分析后得到結果見表7。

表7 響應面試驗方差分析Table 7 Analysis of variance of regression model equation

對試驗結果進行多元回歸分析，擬合得到因素與響應值之間的回歸方程如式（5）所示。

從表7可以看出，回歸模型的P值小于0.000 1，即該模型是有效的。模型的復相關系數為0.956 8，表明僅有不到5%的測量數據用該模型無法解釋。同時預測復相關系數與調整復相關系數值非常接近（絕對值相差小于0.20），說明了實際測得值與模型預測值高度相關，即回歸模型很好地解釋了各因素與加權綜合評分之間的關系。另一方面，從對回歸模型的方差分析也可以看出，對加權綜合評分影響較大的幾個因素為菊粉添加量（A）、酵母添加量（C）、菊粉添加量與酵母添加量的交互作用（AC）、發(fā)酵時間與酵母添加量的相互作用（BC）等，影響大小順序為：C＞BC＞A＞AC，發(fā)酵時間（B）對加權綜合評分影響不顯著。同時可得出各因素對面包品質的影響有交互作用，并非簡單的線性關系。

2.4 各因素對面包品質的影響

圖2 各因素交互作用綜合評分的響應面圖Fig. 2 Response surface plots showing the interactive effects of variables on weighted average score

從圖2a可以看出，當發(fā)酵時間較短時，加權綜合評分隨著酵母添加量增加而增加；當發(fā)酵時間較長時，加權綜合評分隨著酵母添加量增加先增加后減小，且發(fā)酵時間越長，加權綜合評分隨著酵母添加量變化越明顯。從圖2b可以看出，當菊粉添加量較小時，加權綜合評分隨酵母添加量增加而增加；當菊粉添加量較大時，加權綜合評分變化趨勢不明顯。

2.5 模型的實驗驗證

根據擬合的結果進行驗證實驗，優(yōu)化參數為：菊粉添加量4.43%、發(fā)酵時間86.07min、酵母添加量1.08%，此時菊粉面包綜合評分為92.51?？紤]到實際可操作性，將優(yōu)化參數修正為菊粉添加量4.43%，發(fā)酵時間86 min，酵母添加量1.08%，按此優(yōu)化配方制作的菊粉面包綜合評分為94.17，誤差為2.5%，在合理范圍內，進一步驗證了回歸模型的可靠性，可用于指導生產實踐。

3 結 論

隨天然菊粉取代面粉質量分數的增加，面團的總產氣量增加，而最大膨脹高度減少，面團出現(xiàn)空洞的時間縮短。在菊粉添加量為2.5%～7.5%范圍內，隨添加量的增加氣體保留系數略有升高，但均低于空白組，但當添加量達10%時，保留系數顯著增加，相對空白組升高了18.0%。菊粉的取代導致氣體釋放曲線的最大高度均有增加，但添加量的大小對其影響不明顯。

在菊粉添加量為5.0%時，面包的硬度最小，相比空白下降了38.0%。菊粉添加量對面包彈性影響不顯著，面包的比容隨菊粉添加量的增加而略有增大。感官評價和加權綜合評分均表明，菊粉添加量在5.0%時得分最高，此時所獲得的面包質構柔軟，內部氣孔較小且均勻，體積大，口感好。

單因素和響應面試驗表明，各因素對加權綜合評分影響顯著順序依次為：酵母添加量、發(fā)酵時間與酵母添加量的交互作用、菊粉添加量、菊粉添加量和酵母添加量的交互作用，而發(fā)酵時間影響不顯著；當菊粉添加量4.43%、發(fā)酵時間86 min、酵母添加量1.08%時，制作的菊粉面包綜合評分最高（94.17），擬合得到的模型回歸方程預測值與實測值吻合良好，相關系數達0.956 8。

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