X-射線和紅外光譜研究馬鈴薯蛋糕老化特性

張仲柏，牛黎莉，汪 月，張 珍，魏曉巖，張盛貴

（甘肅農(nóng)業(yè)大學 食品科學與工程學院，甘肅 蘭州 730070）

蛋糕（Cake）是以面粉、雞蛋、食糖等為主要原料，經(jīng)攪打充氣，輔以膨松劑，調(diào)制成發(fā)松的面糊，澆入模盤，通過烘烤或汽蒸而使組織松發(fā)的一種疏松綿軟、適口性好、營養(yǎng)豐富且方便的食品，深受國內(nèi)外消費者的青睞。老化是烘焙產(chǎn)品在貯藏過程中發(fā)生的包括物理、化學和感官品質(zhì)等綜合變化的復雜過程[1]，涉及到淀粉回生、水分遷移、淀粉-蛋白質(zhì)之間的相互作用以及在非晶區(qū)內(nèi)淀粉聚合物的重組等[2]，會導致蛋糕和面包等烘焙產(chǎn)品變硬、失去光澤、口感變粗糙、風味發(fā)生劣變等由于淀粉老化而引起的不良變化，從而降低消費者對產(chǎn)品的接受度和造成巨大的經(jīng)濟損失。蛋糕中含有較高比例的蔗糖和油脂，其老化速率慢于面包[3]，隨著人們生活和消費水平的不斷提高，追求低糖低脂、綠色保健的蛋糕已成為一種時尚和趨勢。

目前，國內(nèi)學者對烘焙產(chǎn)品的老化研究較少，而國外學者主要研究了用小麥面粉或大米粉制備的面包/蛋糕的老化，如Ribotta等[4]利用X-射線衍射研究了面包的老化特性；Hesso等[5]利用X-射線和差示掃描量熱儀研究了蛋糕在貯藏期間淀粉和脂質(zhì)的重結(jié)晶；Demirkesen等[1]通過X-射線和FTIR研究了用大米粉和板栗粉制備的無筋面包老化特性；Botosoa等[6]利用熱重和DSC研究了蛋糕在20℃、相對濕度65%貯藏條件下的老化過程；Ji等[7]利用快速黏度儀、FT-IR和X-射線研究了大米蛋糕的老化特性；Curti等[8]通過核磁共振研究了面包在老化過程中水分的變化過程。但是，同時利用X-射線衍射和傅里葉變換紅外光譜研究馬鈴薯蛋糕在貯藏期間的老化以及老化過程對蛋糕品質(zhì)的影響未見有文獻報道。

本文擬以X-射線衍射和紅外光譜研究馬鈴薯蛋糕在貯藏期間（1、24、72、120、168 h）的老化特性，并利用TPA質(zhì)構(gòu)儀和色差計研究老化對蛋糕質(zhì)構(gòu)和色度的影響，以期為烘焙食品的貯藏保鮮加工提供一定的理論研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

馬鈴薯（大西洋品種）、高筋面粉（蛋白質(zhì)含量22%）、雞蛋、白糖、色拉油、蛋糕油、食鹽均購于本地市場。

1.2 儀器與設(shè)備

DW-86L728型烤箱（青島海爾特種電器有限公司）；HA-3157A型號電動打蛋器 （克萊美斯機電科技有限公司）；FA2004B電子天平（上海佑科儀器有限公司）；SCIENTZ-10ND真空冷凍干燥機（寧波新芝生物科技股份有限公司）；DW-86L486超低溫冰箱（上海滬粵明科學儀器有限公司）；D/max 2500型X-射線衍射儀 （日本理學公司）；FTIR-650傅里葉變換紅外光譜（天津港東科技發(fā)展股份有限公司）；TA-XTP1us物性測試儀 （Texture Analyser Stable Micro Systems公司）；CR-10型色差儀（日本柯尼卡美能達公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 馬鈴薯蛋糕配方及制作工藝 蛋糕配方：以高筋面粉100 g、雞蛋3個、白糖60 g、色拉油10 g、蛋糕油2 g、食鹽1 g、自來水37.5 g制作普通蛋糕；以高筋面粉50 g、馬鈴薯泥（含水量約75%）50 g、自來水0 g，其他物料的添加量不變，制作馬鈴薯蛋糕。具體操作要點如下：

1）挑選無病害馬鈴薯，清洗后去皮去芽眼，切塊蒸制30 min，冷卻后搗碎成泥，于4℃冷藏24 h待用；2）將蛋清和蛋黃分離，白糖、食鹽和蛋糕油加入蛋清中，先用打蛋器低速攪打3 min，等蛋清發(fā)白時，高速攪打3 min至干性發(fā)泡倒出備用；3）將蛋黃置于打蛋機中打散，然后將馬鈴薯泥、色拉油加入繼續(xù)攪打至均勻，緩慢加入面粉，攪打均勻，取1/3打發(fā)的蛋白加入面糊中低速攪拌均勻，最后加入剩余蛋白混合均勻；4）將已預(yù)熱的蛋糕烤盤刷油，將調(diào)配好的蛋糕糊加注到模具總?cè)萘康?/3，放入烤箱烘烤，開始階段底火、面火控制在180℃，烘烤15 min，后期底火不變，將面火升至200℃，繼續(xù)烘烤10 min。烘烤后的蛋糕在室溫下冷卻1 h后用聚丙烯保鮮袋（PP）密封，在室溫條件下貯藏待用。

1.3.2 樣品的制備 將貯藏到不同時間段（1、24、72、120、168 h）的蛋糕樣品置于-80℃超低溫冰箱中冷凍，然后在冷凍干燥機中冷凍干燥48 h，冷凍干燥完的樣品在研缽中研磨并過212 μm網(wǎng)篩[1]，用于測定X-射線和紅外光譜。

1.3.3 X-射線衍射 采用日本理學公司D/max 2500型X-射線衍射分析儀，衍射條件為銅靶，電壓40 kV，電流 40 mA，CuKα（λ=1.540 56?）輻射，衍射角掃描區(qū)域 2θ=10～40°，掃描速度 4 （°）/min[1，4，7]。

1.3.4 傅里葉紅外光譜 采用KBr壓片法，按照1%的比例與KBr充分混合、研磨、壓片后置于紅外光譜儀上測試，掃描波數(shù)范圍4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，采用DTGS檢測器，以空氣為空白[9-10]。

1.3.5 蛋糕質(zhì)構(gòu)測定 參照孫彩玲等[11]的方法，并略作修改，測定其在貯藏期間（1、24、72、120、168 h）硬度、咀嚼性、黏聚性和膠著性等質(zhì)構(gòu)特性的變化。試驗參數(shù)設(shè)定如下：選用TPA壓縮模式，探頭型號P50，測試前速率 2.0 mm/s，測試速率 1.0 mm/s，測試后速率1.0 mm/s，兩次壓縮間隔時間2 s，壓縮程度60%，感應(yīng)力5g，數(shù)據(jù)提取速率200 pps，每個樣品在相同條件下測量12組數(shù)據(jù)，選取8組相近數(shù)據(jù)求平均值。

1.3.6 色差測定 蛋糕色差測定參考Matos等[12]的方法，并略作調(diào)整。測定蛋糕在貯藏期間（1、24、72、120、168 h）蛋糕芯L*、a*、b*值的變化，其中，L*代表樣品顏色亮度；a*、b*代表顏色色方向，+a*為紅色方向，+b*為黃色方向。

1.3.7 數(shù)據(jù)分析 采用Excel 2007軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，用SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 X-射線衍射分析

由圖1可知，蛋糕在烘焙結(jié)束1 h后，在2θ 12.5°和 20°出現(xiàn)峰衍射峰，當貯藏時間達到120 h時，在2θ 17°出現(xiàn)衍射峰，隨著貯藏時間的增加，衍射峰峰形不變但強度增加，與普通蛋糕相比，馬鈴薯蛋糕降低了 2θ 12.5°、17°和 20°衍射峰的強度。 蛋糕中的直鏈淀粉通常在焙烤結(jié)束1 h后發(fā)生回生，在2θ 20°形成V-型結(jié)晶[1]，而支鏈淀粉在冷卻貯藏過程中會發(fā)生較慢的回生，在 2θ 15°、17°、22.2°、24°會出現(xiàn)衍射峰，形成由支鏈淀粉回生產(chǎn)生的B-型結(jié)晶[1，4-5]，禾谷類淀粉的無定形峰出現(xiàn)在 2θ 12.5°[13]。因此，12.5°的衍射峰可能是由直鏈淀粉回生引起，而17°和20°的衍射峰分別是由支鏈淀粉回生和直鏈淀粉-脂質(zhì)復合物所引起。馬鈴薯淀粉的直鏈淀粉含量（22%）低于小麥淀粉（24%），且其所含直鏈淀粉的鏈較長，聚合度約為1 000～6 000，故馬鈴薯淀粉回生慢[14]，此外，馬鈴薯泥富含纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等膳食纖維[15]，添加到蛋糕中后使蛋糕具有較高的水合速率[16]，能夠增加蛋糕的持水性、改善蛋糕質(zhì)構(gòu)[17]，而淀粉的糊化和回生程度取決于貯藏溫度和體系中的水分含量[18]，因此膳食纖維的持水特性會減少蛋糕中水分的向外擴散，Lebesi等[19]將燕麥麩皮用木聚糖酶處理后加入到蛋糕中，發(fā)現(xiàn)其能夠延緩蛋糕的老化速率，Curti等[20]的研究結(jié)果表明，在面包中添加馬鈴薯纖維有助于減緩面包的老化，究其原因可能與馬鈴薯纖維的保水性和其能夠減少體系中淀粉之間的相互作用有關(guān)，從而會減少淀粉的回生。

2.2 紅外光譜分析

由圖2可知，蛋糕貯藏1 h后，F(xiàn)T-IR波譜在1 350～750 cm-1區(qū)域出現(xiàn)7個吸收峰，分別在925、995、1 025、1 047、1 079、1 155 和 1 243 cm-1附近，吸收峰的強度隨貯藏時間 （1、24、72、120、168 h）的增加而加強。1 155和1 079 cm-1附近的吸收峰為C-O-H基團的C-O伸縮振動[21-22]；1 025和1 047 cm-1附近的吸收峰為脫水葡萄糖環(huán)中C-O-C基團的CO伸縮振動[22]，分別對應(yīng)淀粉的非結(jié)晶區(qū)特征和結(jié)晶區(qū)特征[9，23]，（1 047/1 025） cm-1峰強度比值能夠反映淀粉分子的有序程度，其比值越大，有序度越高[7，24]，由圖 3 可知，普通蛋糕的（1 047/1 025） cm-1比值從貯藏1 h的1.000增至貯藏168 h的1.059，變化明顯，而馬鈴薯蛋糕從貯藏1 h的0.984增至168 h的0.997，增加幅度小于普通蛋糕；925 cm-1附近的吸收峰為C-H彎曲振動[25]；995 cm-1附近的吸收峰是由C-OH的彎曲振動引起，對水分子很敏感，對應(yīng)于淀粉大分子的羥基間所形成的氫鍵結(jié)構(gòu)[9]。本試驗表明，馬鈴薯蛋糕在試驗期內(nèi)的紅外吸收峰強度以及能夠反映淀粉回生程度的 （1 047/1 025）cm-1比值均小于普通蛋糕，表明其老化速度慢于普通蛋糕，這與XRD測試結(jié)果一致。

圖1 馬鈴薯蛋糕在不同貯藏時間的X-射線衍射圖譜Fig.1 X-ray diffraction diagrams of potato cake stored at different storage time

圖2 馬鈴薯蛋糕在不同貯藏時間的傅里葉變換紅外光譜圖Fig.2 FT-IR spectra of potato cake stored at different storage time

圖3 馬鈴薯蛋糕不同貯藏時期（1 047/1 025）cm-1的峰強度比值Fig.3 Ratios of the band intensities at 1 047 and 1 025 cm-1of potato cake at different storage time

2.3 質(zhì)構(gòu)

由圖4可知，隨著貯藏時間從1 h增至168 h，蛋糕的硬度、咀嚼性和膠著性呈增加趨勢，而黏聚性呈下降趨勢，與普通蛋糕相比，在焙烤結(jié)束1 h后，馬鈴薯蛋糕的硬度、咀嚼性和膠著性顯著低于普通蛋糕，且在貯藏期間其值增加或下降的幅度均弱于普通蛋糕。蛋糕老化速度與其在貯藏期間的硬度變化密切相關(guān)，在貨架期，蒸汽壓的不同會驅(qū)使水分從“內(nèi)部—表皮—空氣”轉(zhuǎn)移[26]，水分遷移會導致蛋糕水分減少，從而使蛋糕硬度、咀嚼性和膠著性增加，黏聚性降低。黏聚性與蛋糕的芯部結(jié)構(gòu)、口感呈顯著正相關(guān)，與外觀呈顯著負相關(guān)，黏聚性越大，蛋糕吃起來越綿軟、細膩，口感越好。膠著性與蛋糕的百克質(zhì)量、口感呈顯著負相關(guān)[27-28]。本試驗表明，老化過程會導致蛋糕的硬度、咀嚼性和膠著性增加，黏聚性降低，從而會使蛋糕的口感變粗糙、風味發(fā)生劣變。

圖4 馬鈴薯蛋糕貯藏期間質(zhì)構(gòu)的變化Fig.4 Changes in texture of potato cake during storage

2.4 色差

由圖5可知，馬鈴薯蛋糕的L*和a*值低于普通蛋糕，而b*值高于普通蛋糕，表明用馬鈴薯泥代替部分面粉制作蛋糕，其本身較暗的色澤會使蛋糕芯的顏色向暗、黃色轉(zhuǎn)變，隨著貯藏時間的增加，普通蛋糕和馬鈴薯蛋糕的L*值都呈下降趨勢，而a*和b*值呈增加趨勢。Nguyen等[29]的研究結(jié)果表明，賴氨酸是食品中發(fā)生美拉德反應(yīng)的前體物質(zhì)；馬鈴薯中含有豐富的在面粉中為第一限制氨基酸的賴氨酸，能夠促進體系中美拉德反應(yīng)的發(fā)生，增加蛋糕的b*值，此外，Park等[15]的研究表明植物性的膳食纖維能夠改善焙烤面包的顏色；馬鈴薯富含纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等膳食纖維[30]，對蛋糕的色澤也會有一定的影響，從而使馬鈴薯蛋糕本身的L*和a*值低于普通蛋糕，b*值高于普通蛋糕，而蛋糕在貯藏過程中發(fā)生的老化現(xiàn)象則會使蛋糕的L*值逐漸降低，a*和b*值逐漸增加，使蛋糕失去光澤，降低消費者對產(chǎn)品的接受度。

圖5 馬鈴薯蛋糕貯藏期間蛋糕芯色差的變化Fig.5 Changes in cake crumb color of potato cake during storage

3 結(jié)語

X-射線衍射和紅外光譜測試結(jié)果表明，蛋糕在貯藏1 h后， 在X-射線2θ 12.5°和20°附近出現(xiàn)衍射峰，分別是由禾谷類淀粉中的直鏈淀粉回生產(chǎn)生的無定形峰和由直鏈淀粉與脂肪酸形成的螺旋形復合物——V-型結(jié)晶，隨著貯藏時間增至120 h，在2θ 17°附近出現(xiàn)由支鏈淀粉回生產(chǎn)生的B-型結(jié)晶。蛋糕貯藏 1 h 后，F(xiàn)T-IR 在波數(shù) 925、995、1 025、1 047、1 079、1 155 和 1 243 cm-1附近出現(xiàn)吸收峰，隨著貯藏時間的增加，峰的峰形不變，但強度增加。馬鈴薯蛋糕在貯藏試驗期的X-射線衍射峰強度、FT-IR吸收峰強度和（1 047/1 025）cm-1峰強度比值以及變化幅度顯著弱于普通蛋糕。這表明，馬鈴薯蛋糕在貯藏期間的淀粉回生度低于普通蛋糕，因此，其老化速度慢于普通蛋糕。蛋糕在貯藏期間的質(zhì)構(gòu)和色差測試結(jié)果表明，老化會導致馬鈴薯蛋糕的硬度、咀嚼性、膠著性、a*和b*值增加，黏聚性和L*值降低，從而使蛋糕失去光澤、口感變粗糙、風味發(fā)生劣變。