改性奇亞籽粕可溶性膳食纖維對韌性餅干品質的影響

韓冉，余倩倩，孔宇，王磊，陳文，康峻博，周家萍，孟夢*

（1.天津科技大學食品科學與工程學院，天津 300457；2.天津科技大學現代分析技術研究中心，天津 300457）

奇亞籽（Salvia hispanica L.）產自美洲，在 2014年被我國國家衛(wèi)生和計劃生育委員會批準為新食品原料[1]。它是優(yōu)質蛋白質、脂肪、碳水化合物、高膳食纖維、維生素和礦物質的潛在替代來源之一，具有抑制肥胖、改善血脂代謝和控制血糖等潛在利用價值[2]。奇亞籽粕是奇亞籽經螺旋擠壓提取油脂后所產生的副產品，膳食纖維是其主要成分之一，所占比例約為總成分的48%，其可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）占總膳食纖維的25%，是SDF的可靠來源[3]。有研究表明，SDF可繞過小腸的消化，并且很容易被大腸中的微生物群發(fā)酵[4]，通過發(fā)酵形成凝膠可延遲胃排空時間和改善胃部松弛，并且抑制營養(yǎng)吸收和膽汁酸結合[5]，從而有助于降低餐后血糖反應、血清和肝膽固醇，降低心腦血管和糖尿病等疾病的發(fā)病風險[6]。

已有研究發(fā)現，超聲波改性（ultrasonic modification）是一種效率高、耗時少的物理改性手段，利用其處理膳食纖維，可以改變膳食纖維的形態(tài)結構、溶解性和功能等。本研究利用超聲波處理奇亞籽粕，得到改性可溶性膳食纖維（ultrasonic modified soluble dietary fiber，U-SDF），一方面提高其可溶性膳食纖維提取率，另一方面提高其熱穩(wěn)定性和抗氧化功能等特性[7-9]。

餅干作為傳統(tǒng)烘焙食品因其口感宜人、易于食用和成本低廉的特點在世界各地被廣泛消費[10]。淀粉是餅干的主要成分之一，其消化率與人體血糖指數（glycemic index，GI）密切相關，因此一些傳統(tǒng)餅干作為高血糖指數食品（GI>70）限制了肥胖、中老年等消費群體的選擇。有研究表明糖尿病患者膳食纖維消耗增加可延緩淀粉消化，從而降低血糖反應[11-12]。因此將膳食纖維成分引入到焙烤食品行業(yè)中以降低GI值，已經成為其發(fā)展的新趨勢。奇亞籽膳食纖維具有良好的吸水吸油能力、乳化性、乳化穩(wěn)定性、凝膠特性等多種功能特性，可用作焙烤食品和油炸食品等的添加劑。本研究在面粉中加入不同比例的U-SDF制備餅干，研究U-SDF對餅干物理特性和淀粉消化特性的影響，為開發(fā)性能優(yōu)良的餅干提供理論和實踐依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

奇亞籽粕：原產自墨西哥南部，經遼寧大連蓓莉萊公司低溫壓榨后得到籽粕；正己烷、無水乙醇（分析純）：天津市江天化工技術有限公司；低筋小麥粉：安琪酵母股份有限公司；玉米油：益海嘉里食品營銷有限公司；全脂純牛奶：蒙牛乳業(yè)（集團）股份有限公司；果膠酶（40 U/mg）、蛋白酶（250 U/mg）、胰酶（250 U/mg）、糖化酶（40 U/mg）：索萊寶生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

TA-XT PLUS型質構分析儀：英國SMS公司；FD-2C冷凍干燥機、BILON10-250C超聲波清洗機：上海比朗儀器制造有限公司；SY-2230水浴搖床：蘇州捷美電子有限公司；V-1100D可見光分光光度計：上海美譜達儀器有限公司；DH-104BS鼓風干燥箱：國藥集團（天津）醫(yī)療器械有限公司；EL20K酸度計：梅特勒托利多儀器有限公司；RE-52AA旋轉蒸發(fā)儀：上海亞榮生化儀器廠；AR2140電子分析天平：奧豪斯國際貿易公司；HM740多功能揉面機：海氏廚電有限公司；TGA TA Q50熱重分析儀：上海萊?？茖W儀器有限公司；SU1510掃描電子顯微鏡：株式會社日立制作所。

1.3 試驗方法

1.3.1 脫脂奇亞籽粕（defatted chia seed meal，DCM）的制備及基本成分的測定

奇亞籽粕經粉碎后過40目篩，加入正己烷[料液比 1∶6（g/mL）]，45 ℃水浴 1 h 后抽濾，得濾渣，浸提 3次，鼓風干燥箱60℃烘干，再次粉碎后過80目篩，所得DCM粉末進行后續(xù)試驗。水分含量的測定參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標準食品中水分的測定》重量法；脂肪含量的測定參照GB 5009.6—2016《食品安全國家標準食品中脂肪的測定》索氏抽提法；蛋白質含量的測定參照GB 5009.5—2016《食品安全國家標準食品中蛋白質的測定》凱氏定氮法；灰分含量的測定參照GB 5009.4—2016《食品安全國家標準食品中灰分的測定》直接灰化法；膳食纖維含量的測定參照GB 5009.88—2014《食品安全國家標準食品中膳食纖維的測定》酶重量法。

1.3.2 U-SDF制備

取DCM 0.25 g，溶解于50 mL磷酸鹽緩沖液（0.01 mol/L，pH 5.8），超聲改性（時間 0、10、20、30、40 min，功率 20、40、60、80、100 W，溫度 20、30、40、50、60℃）后加入400μL果膠酶（50mg/mL）60℃酶解60 min，調節(jié) pH 8.1～8.3后，加入 100 μL 蛋白酶（50 mg/mL）酶解30 min，抽濾，4℃醇沉12 h，3 000 r/min離心10 min取上清，真空冷凍干燥。根據單因素試驗結果，設計三因素三水平的正交試驗，具體因素水平如表1所示。

表1 因素與水平設計Table 1 The design of factors and levels

1.3.3 熱重分析

可溶性膳食纖維樣品取20.00 mg，放置于熱重分析儀載物盤。測試條件：載氣為氦氣（純度>99.999 5%），流量為20mL/min，以10℃/min的加熱速率由室溫28℃升溫至600℃，得到相應熱重數據。

1.3.4 餅干中添加U-SDF的工藝過程

餅干制作的基本成分：低筋小麥粉100 g（淀粉含量 76.4%）、玉米油 35 g、水 42 mL（相當于 42 g）、鹽 3 g和 U-SDF（0、2、6、10、14 g和 18 g，分別占總質量的0%、1.1%、3.2%、5.3%、7.2%和9.1%）。多功能揉面機進行揉面10 min，模具定型為直徑2 cm的圓形餅干，烤箱提前預熱后180℃上下火烘烤10 min。面團取樣，約0.25 cm2、厚度2 mm進行凍干，以供進一步分析。

1.3.5 U-SDF餅干的感官評價

不同添加量U-SDF的餅干進行隨機編號，挑選8位經驗豐富的評委進行感官評價，從色澤、形態(tài)、口感以及組織結構4個指標[13]（每個指標分設3個等級）進行打分，具體評價如表2所示，滿分為100分。

表2 U-SDF餅干的感官評價Table 2 The sensory evaluation for the quality of U-SDF biscuits

1.3.6 U-SDF餅干持水性（water holding capacity，WHC）、持油性（oil holding capacity，OHC）的測定

取0.5 g餅干溶解于10 mL蒸餾水中，37℃下振蕩1 h，4 800 r/min離心10 min后，稱取沉淀物（濕重，WW）并在110℃鼓風干燥箱中干燥至恒重（干重，WD）。計算公式[14]如下。

取0.5 g餅干溶解于10 mL奇亞籽油中，37℃下振蕩1 h，4 800 r/min離心20 min后，稱取沉淀物（濕重，WW），用濾紙吸干未被吸附的油脂，稱重（干重，WD）。計算公式[14]如下。

1.3.7 模擬淀粉體外消化預測血糖指數（predicted glycemic index，pGI）

取0.5g餅干懸浮于10mL醋酸鈉緩沖液（0.2mol/L，pH5.2）中，每根樣品管中分別加入10mL胰酶（320U/L）和4 mL糖化酶（100 U/mL）的混合液后置于37℃150 r/min恒溫振蕩水浴中孵育，從開始反應至120 min每20 min各取1 mL樣品，使用3，5-二硝基水楊酸法（3，5-dinitrosalicylic acid，DNS） 檢測樣品在消化過程中的葡萄糖含量，并根據時間繪制曲線，利用梯形法計算曲線下面積（area under curve，AUC）預測 GI[15]。

1.3.8 餅干的質構分析（texture profile analysis，TPA）

餅干樣品放置24 h后，利用質構分析儀測定餅干相關指標。測試條件：P/35探頭，觸發(fā)力5.00 g，測試前速度2.00mm/s，測試速度1.00mm/s，測試后速度2.00mm/s，應變百分比70.00%，保持時間1.00 s，壓縮度30%，環(huán)境溫度26.00℃。每組測試6次，測試結果取平均值。

1.3.9 掃描電子顯微鏡分析（scanning electron microscopy，SEM）

餅干樣品放置24 h后，固定在樣品臺上進行切割，對截面進行噴碳鍍金處理，于100倍下用掃描電子顯微鏡觀察截面。

1.3.10 數據分析

采用SPSS 21.0進行統(tǒng)計學分析，數據使用方差分析（ANOVA），并用平均值±標準差表示，P<0.05具有統(tǒng)計學意義。

2 結果與討論

2.1 DCM可溶性膳食纖維最佳提取條件

經測定，每100gDCM中含膳食纖維（47.58±0.96）g、SDF（10.18±0.31）g、不可溶膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）（37.40±0.21）g、蛋白質（27.39±0.63）g、灰分（6.27±0.18）g、脂肪（3.74±0.21）g、水分（1.38±0.03）g。DCM中的主要成分為膳食纖維和蛋白質，其中SDF占總膳食纖維的21.4%，IDF占78.6%，本研究通過超聲處理提高SDF提取率。依據單因素試驗的結果，當超聲時間為10 min時可溶性膳食纖維提取率最高，20、30 min次之；當超聲溫度為40℃時可溶性膳食纖維提取率最高，50、60℃時次之；當超聲功率為60 W時可溶性膳食纖維提取率最高，80、100 W時次之。正交試驗結果如表3所示。

表3 正交試驗方案及分析Table 3 The results and analysis of orthogonal test

由表3可知，RB>RA>RC，即對可溶性膳食纖維提取率影響大小依次為：超聲溫度>超聲時間>超聲功率，根據k值得到最優(yōu)組合為A1B2C2，即超聲時間為10 min，超聲溫度為50℃，超聲功率為80 W，經驗證，可溶性膳食纖維提取率為24.8%。有研究表明，利用超聲波的空穴效應、機械效應以及熱效應處理DF，可促進DF分子裂解，從而減小分子粒徑，提高SDF溶解度和抗氧化活性[16-18]。有研究表明超聲波處理后小麥麩皮膳食纖維的木糖含量顯著增加，從而提高了DF的熱穩(wěn)定性[19]。還有研究表明，超聲波處理后的香菇柄膳食纖維，細胞結構變得疏松，并且暴露更多的親水基團，有利于SDF溶出[20]。

2.2 熱重分析

SDF和U-SDF熱重分析見圖1。

圖1 SDF和U-SDF熱重分析Fig.1 Thermogravimetric analysis of SDF and U-SDF

如圖1所示，未經超聲處理的SDF樣品溫度在200℃時，質量為89.01%，300℃時，質量為68.46%；U-SDF樣品溫度達到200℃時，質量維持在94.96%，300℃時，質量為83.96%，說明U-SDF具有更佳的耐熱性，可應用于烘焙食品。在本研究中餅干的焙烤溫度選擇在180℃，樣品質量是95.11%，質量損失不到5%，基本維持了原有U-SDF。

2.3 U-SDF餅干持水性（WHC）、持油性（OHC）

U-SDF餅干的持水性（WHC）和持油性（OHC）測定結果見表4。

表4 U-SDF餅干的持水性（WHC）和持油性（OHC）Table 4 WHC and OHC of U-SDF biscuits

如表4所示，隨著添加量的增加，餅干的WHC有所增加，說明U-SDF擁有更多的親水基團能夠捕獲面團中的水分，從而改變餅干的水分分布；餅干的OHC隨添加量增加而增加，說明U-SDF具有較大的表面積和空隙，從而可以吸納更多的油脂。餅干WHC和OHC的改變將對面團中淀粉的糊化特性和餅干的質構特性造成一定的影響。

2.4 模擬淀粉體外消化測定pGI結果

食品中的碳水化合物對人體血糖濃度的影響可以用血糖生成指數（glycemic index，GI）來衡量，GI高于70可稱為高GI食品，例如糖果、飲料、蜂蜜等；GI在55～70之間可稱為中等GI食品，例如米飯、粗糧面包等；GI低于55可稱為低GI食品，例如蔬菜、牛奶等。因此，如果合理安排飲食習慣，減少高GI食品的攝入，就能起到明顯改善血糖的作用。本試驗通過模擬體外消化含U-SDF的餅干，測定不同階段的葡萄糖釋放量得到pGI值，預測對人體GI的影響。U-SDF餅干體外淀粉消化過程中的葡萄糖釋放曲線見圖2。

圖2 U-SDF餅干體外淀粉消化過程中的葡萄糖釋放曲線Fig.2 Glucose release curve of U-SDF biscuits during starch digestion in vitro

如圖2所示，2 h后，添加了1.1%、3.2%、5.3%和7.2%U-SDF 的餅干 pGI分別為 131.8、123.7、107.2和89.5（組間具有顯著性差異），因此均被歸類為高GI食品；U-SDF含量為9.1%的餅干的pGI為75，可被歸類為中等GI食品。由圖2可知隨著U-SDF添加量的增加，葡萄糖釋放量呈下降趨勢，有研究表明U-SDF通過吸收水分包裹淀粉顆粒，減緩消化酶對淀粉的分解作用，降低淀粉水解率，阻礙葡萄糖分子的釋放，從而降低GI[21]。

2.5 U-SDF餅干的質構分析及其感官評分

添加不同含量U-SDF餅干的質構分析見表5。

表5 添加不同含量U-SDF餅干的質構分析及其感官評分Table 5 Texture analysis and sensory evaluation of biscuits with different contents of U-SDF

由表5可知，與空白組相比較，餅干在添加U-SDF后，硬度、脆度均有所降低。餅干的硬度是由面團內部凝膠的網狀結構決定的，其中的主要基質有蛋白質、脂類和糖類。添加U-SDF后面團的持水性和持油性增加，餅干中保留了較多的水分和油脂，使其孔隙率提高，孔隙率越高[22]，內部結構越疏松，硬度越低，然而過低的硬度會影響餅干的口感，降低酥脆口感。脆度是評價餅干質量的重要指標，與餅干的口感正相關。餅干的網狀結構越緊密，脆度越高，但是脆度過高會導致餅干邊緣角質化，易破碎、不易運輸。如表5所示，U-SDF添加量在3.2%的餅干評分最高，為85±3.6。

2.6 掃描電鏡分析

U-SDF餅干的掃描電鏡結果如圖3所示。

圖3 U-SDF餅干掃描電鏡分析（100×）Fig.3 SEM micrographs of U-SDF biscuits（100×）

餅干的主要原料低筋面粉中含有谷蛋白和醇溶蛋白，這是一類水不溶性蛋白質，揉面過程中，谷蛋白與醇溶蛋白靠機械力結合形成一種具有彈性、黏性和延展性的特殊網絡結構凝膠，可稱為面筋蛋白，面筋蛋白的網絡結構直接影響餅干的微觀形態(tài)[23]。未添加U-SDF的餅干如圖3（A）所示，可以觀察到許多淀粉顆粒，由于淀粉顆粒表面覆蓋有面筋和油脂，面筋網絡比較均勻和牢固。如圖3（B）所示，1.1%U-SDF餅干中大部分的淀粉顆粒仍被面筋和油脂包裹，面筋網絡結構是連續(xù)的，但是由于U-SDF填充在網絡結構中，競爭性地吸收水分后包裹淀粉顆粒，阻止了谷蛋白與醇溶蛋白分子的緊密結合，出現一些松弛的小空隙[24]。當U-SDF的添加量達到5.3%時，U-SDF覆蓋了淀粉顆粒的表面，阻礙了面筋的網絡結構，面筋網絡相對完整，裂紋較少。當U-SDF添加至7.2%和9.1%時，餅干出現了部分撕裂，縫隙明顯，結構變松散。

3 結論

本研究利用超聲改性DCM中可溶性膳食纖維，提取率為24.8%，提高了DCM的利用率。通過熱重分析，U-SDF具有更好的耐熱性，適宜添加至烘焙食品中。隨著U-SDF添加量的增加，餅干持水性和持油性隨之增加，此外，U-SDF的加入也降低了餅干的pGI值。然而，隨著U-SDF添加量的增加，餅干的硬度和脆度呈下降趨勢，餅干的網絡結構變得不連續(xù)，不利于餅干的運輸和儲存，同時也影響了餅干的口感。結合感官評價結果，U-SDF添加量在3.2%時餅干的品質最佳。綜上所述，本研究為開發(fā)富含可溶性膳食纖維的功能性食品提供了一定的理論基礎。