盧 潔, 錢海峰, 王 立, 李 言, 張 暉, 齊希光
(江南大學(xué)食品學(xué)院,無(wú)錫 214122)
在面包等焙烤食品生產(chǎn)過(guò)程中,蔗糖由于價(jià)格便宜且能賦予面包良好的烘焙品質(zhì),常被用作主要的甜味劑,但蔗糖的過(guò)量攝入量往往會(huì)誘發(fā)II型糖尿病和肥胖癥等代謝綜合癥,一些研究者提出使用蔗糖替代物以解決這個(gè)問(wèn)題,如用天然甜味劑替代面包中蔗糖可以維持大鼠的血糖平穩(wěn),用葡萄糖替代品降低漢堡面包的熱量等[1-3]。
此外,蔗糖面包在儲(chǔ)藏過(guò)程中品質(zhì)易會(huì)發(fā)生劣變,因此一些研究者提出用功能糖替代蔗糖以解決面包的儲(chǔ)藏問(wèn)題。Ding等[4]發(fā)現(xiàn)麥芽糖醇可以增強(qiáng)面包中“自由水”的轉(zhuǎn)化比例,阻礙了淀粉重結(jié)晶,從而延緩面包的老化。Peng等[5]指出海藻糖分子的多羥基結(jié)構(gòu)與面團(tuán)體系水分子結(jié)合更緊密,同時(shí)減弱了面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成,造成面包硬度降低。趙天天[6]指出菊糖的吸濕性較強(qiáng),可以通過(guò)結(jié)合自由水降低食品水分活度,延長(zhǎng)貨架期。然而,比較不同功能性糖對(duì)面包儲(chǔ)藏特性的影響以及復(fù)配后對(duì)面包抗老化效果的交互作用的研究較少。因此,本研究比較了麥芽糖醇、菊粉、低聚木糖和海藻糖4種糖不同復(fù)配比例替代蔗糖對(duì)面包儲(chǔ)藏期間的硬度以及老化焓值的影響,且通過(guò)Prieto模型[7]對(duì)糖類的協(xié)同作用或者拮抗作用進(jìn)行定量分析,以期優(yōu)化其復(fù)配比例,改善面包烘焙性質(zhì)。
小麥粉(高筋粉)、復(fù)配酶制劑(S500綜合面包改良劑)、干酵母(耐高糖型)、起酥油;鹽、雞蛋、白砂糖;
菊糖(平均聚合度7.5~7.8,純度>90%)、低聚木糖(平均聚合度為3.2~3.6,純度 > 90%)、麥芽糖醇(純度>90%)、海藻糖(純度>90%)
TA.XT Plus型物性分析儀,UltraScan Pro1166型高精度分光測(cè)色儀,DSC3差示掃描熱量?jī)x,WTN-25型和面機(jī)
1.3.1 面包的制作方法
面包制作的基本配方:以小麥粉質(zhì)量計(jì),蔗糖16%、酵母1%、食用鹽1.2%、改良劑0.4% ;此配方為對(duì)照組面包配方。
以小麥粉500 g為例,基本配方中糖的總質(zhì)量為80 g。麥芽糖醇、菊粉、低聚木糖和海藻糖的單因素配方劑量比例如下表1。
表1 菊粉、麥芽糖醇、低聚木糖、海藻糖單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
以對(duì)照組面包制作為例,將基本配方配料,其中包括蔗糖80 g、小麥粉500 g、酵母5 g、食用鹽6 g、改良劑2 g放入WTN-25型和面機(jī)進(jìn)行攪拌,加入310 g水,于25 ℃在1檔低速模式下攪打成團(tuán),然后切換為2檔高速攪打模式使面筋充分?jǐn)U展,再轉(zhuǎn)為1檔低速模式,加入黃油攪打2~3 min,再轉(zhuǎn)換為2檔高速模式攪打1~2 min,完成和面加水啟動(dòng)和面程序;混合結(jié)束后立刻取出面團(tuán),25 ℃下松弛15 min,分割成150 g的面團(tuán),搓圓、整形;在醒發(fā)箱(RH85%,35 ℃)中醒發(fā)90 min;于烤箱(型號(hào))上火190 ℃,下火200 ℃烘烤25 min。面包在25 ℃平衡至 1 h(以烘烤結(jié)束定義為 0 h的存儲(chǔ)),密閉保存(25 ℃),以便進(jìn)一步分析。
1.3.2 面包質(zhì)構(gòu)的測(cè)定
分別測(cè)量面包在儲(chǔ)藏0 d和7 d的質(zhì)構(gòu),測(cè)定方法為:面包在25 ℃平衡至2 h(以烘烤結(jié)束定義為0 h的存儲(chǔ)),用切片機(jī)將面包切成厚度為2.5 mm薄片。取中間2片使用TA.XT Plus型物性分析儀進(jìn)行質(zhì)構(gòu)測(cè)定,采用 TPA模式,探頭型號(hào)為P/25,測(cè)試前速率5.00 mm/s,測(cè)試速率 1.00 mm/s,測(cè)試后速率 1.00 mm/s,探頭壓縮比50%,感應(yīng)力為5 g,兩次壓縮間隔時(shí)間5 s。重復(fù)壓縮兩次,間隔時(shí)間為5 s。記錄面包片的硬度等數(shù)據(jù),每份樣品做3次平行取平均值。
1.3.3 面包比容的測(cè)定
按照GB/T 20981—2007測(cè)定。采用小米置換法測(cè)體積,結(jié)果精確到0.1 mL,將面包冷卻到室溫后,稱量面包的質(zhì)量,精確到0.01 g。體積與質(zhì)量之比即面包比容,單位為mL/g。
1.3.4 DSC測(cè)試
采用差示量熱掃描儀測(cè)定貯藏0、1、3、5、7 d的面包芯老化焓值。稱取3 mg樣品,程序設(shè)置:升溫速率為5 ℃/min,掃描范圍為30~100 ℃,氮?dú)饬魉贋?0 mL/min[8]。
1.3.5 混料設(shè)計(jì)(Mixture Design)的建立
根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,遵循Mixture Design設(shè)計(jì)原理,運(yùn)用Design-Expert軟件設(shè)計(jì)原理,篩選對(duì)面包硬度影響較大的因子的劑量范圍,以面包硬度值為響應(yīng)值,進(jìn)行復(fù)配比例優(yōu)化,并確定效應(yīng)值主因子,初步判斷因之間的交互作用。
1.3.6 Prieto模型的建立
建立有、無(wú)相互作用的2種糖的劑量響應(yīng)曲線模型,根據(jù)有、無(wú)相互作用的模型,計(jì)算相互作用的綜合指標(biāo)RUV值,并判斷相互作用的類型。
建立無(wú)相互作用的2種糖的劑量響應(yīng)曲線模型:在Prieto模型[9]中,假設(shè)2種糖之間無(wú)相互作用,只存在濃度疊加情況下,2種糖(x,y)的聯(lián)合效應(yīng)可描述為2個(gè)不同濃度的同一物質(zhì)的“混合”效果,不同糖的不同作用強(qiáng)度加入?yún)?shù)p來(lái)表示。兩種糖的劑量響應(yīng)曲線表示為:
(1)
公式(1)由Matlab自動(dòng)歸遞檢驗(yàn),從參數(shù)中選擇擬合度較高的組合,理論上涵蓋所有可能的結(jié)果。
建立有相互作用的2種糖的劑量響應(yīng)曲線模型:有相互作用的模型,是指當(dāng)2種功能糖存在相互作用情況時(shí),一種功能糖(x)在某濃度下對(duì)另一種功能糖(y)的作用效果具有影響作用。濃度疊加前提下有相互作用的2種糖的劑量響應(yīng)曲線可表示為:
(1)
ans(x,y)=
(2)
式中:a與響應(yīng)的最大斜率有關(guān);b、c為擬合系數(shù);k為漸進(jìn)值;t為達(dá)到相同硬度效果時(shí)所需要使用的糖的劑量;p為模型作用強(qiáng)度。
此公式由Matlab自動(dòng)歸遞檢驗(yàn),從參數(shù)中選擇擬合度較高的組合,理論上涵蓋所有可能的結(jié)果。
1.3.7 Prieto模型中復(fù)配糖的劑量范圍
參考Mao等[10-12]的方法,建立描述混合物中兩種物質(zhì)之間的相互作用的劑量模型以麥芽糖醇(0%、0.5%、1%、2%、3%、4%、5%)、菊粉(0%、0.5%、1%、2%、3%、4%、5%),每種糖樣品的劑量范圍以質(zhì)量表示(以小麥粉質(zhì)量計(jì))。配方中包括蔗糖、麥芽糖醇、菊粉、低聚木糖和海藻糖,蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%固定,其中麥芽糖醇、菊粉兩種糖比例交互,采用6×6陣列制備(共36個(gè)劑量組合),并測(cè)定兩種糖之間對(duì)儲(chǔ)存7天的面包硬度的交互作用。
1.3.8 計(jì)算相互作用的綜合指標(biāo)
通過(guò)對(duì)有、無(wú)相互作用模型擬合后進(jìn)行曲面積分,計(jì)算無(wú)相互作用假設(shè)公式擬合模型下的體積和有相互作用假設(shè)公式擬合模型下的體積之間的相對(duì)體積差(RUV),以此判斷2種糖之間的相互作用,計(jì)算公式如下:
(3)
式中:SV1為有交互作用模型產(chǎn)生的表面體積;SV2為有相加作用模型產(chǎn)生的表面體積;RUV值為正,表示2種糖之間的相互作用為協(xié)同作用;RUV值為負(fù),表示2種糖之間的相互作用為拮抗作用;RUV值的絕對(duì)值越大表示相互作用越強(qiáng)。
為了探究復(fù)配糖中不同功能糖之間的最適比例,首先進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)的研究,繼而進(jìn)行復(fù)配研究,以得到最適復(fù)配比例。在后續(xù)的復(fù)配實(shí)驗(yàn)中,4種功能糖(其中包括菊粉、麥芽糖醇、低聚木糖和海藻糖)的復(fù)配劑量之和為10%,因此本文中單因素實(shí)驗(yàn)的劑量范圍采用2%~10%,以考察幾種糖對(duì)面包儲(chǔ)存7 d的硬度值,老化焓值和面包的比容的影響。
硬度是面包重要的質(zhì)構(gòu)參數(shù),和老化焓值都可以作為表征面包老化特性的指標(biāo)[13]。由表2可知,與對(duì)照組相比,隨著不同種類功能糖添加量的增加,儲(chǔ)存7 d的面包的硬度和老化焓值逐漸降低,但效果略有不同,說(shuō)明在一定的劑量范圍下,添加幾種功能糖都在不同程度上延緩了面包的老化。
表2 菊粉、麥芽糖醇、低聚木糖、海藻糖對(duì)面包烘焙性質(zhì)的影響
當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%~6%時(shí),面包中添加菊粉、麥芽糖醇、海藻糖能在一定程度上延緩面包的老化。當(dāng)菊粉、麥芽糖醇、海藻糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí),面包的硬度分別為對(duì)照組的0.77、0.75、0.78倍,面包的老化焓值分別為對(duì)照組0.74、0.72、0.78倍。但是,當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%~10%時(shí),菊粉、麥芽糖醇、海藻糖的加入對(duì)降低面包的硬度和老化焓值的作用逐漸減小。
當(dāng)?shù)途勰咎琴|(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí),面包的硬度和老化焓值分別為對(duì)照組的0.78倍和0.77倍;但低聚木糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)4%時(shí),面包的硬度和老化焓值較對(duì)照組反而增加了,這可能是由于低聚木糖在較低添加量下具有延緩面包老化的作用,這與解宇晨等[14]研究相一致。
不同種類的功能糖對(duì)延緩面包老化的影響不同,這可能與它們自身不同的分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)有關(guān)。Smits等[15]的研究表明,淀粉老化與淀粉分子鏈的穩(wěn)定性有關(guān),麥芽糖醇等小分子糖在分子運(yùn)動(dòng)中碰撞淀粉分子鏈,會(huì)減弱淀粉分子穩(wěn)定性,使得直鏈淀粉的重結(jié)晶受到抑制;分子鏈的運(yùn)動(dòng)也是影響回生的重要因素[16],菊粉等多糖分子則通過(guò)滲入淀粉分子鏈間,加大分子鏈的空間位阻,抑制淀粉鏈的遷移[17,18],分子鏈間交聯(lián)作用減少,從而阻礙淀粉的重結(jié)晶[19]。糖類與淀粉體系的相容性也會(huì)影響淀粉老化,兩者具有相容性,則抑制淀粉老化;反之兩者不相容,則會(huì)促進(jìn)淀粉老化[20]。
此外,添加菊糖和低聚木糖有增大面包比容的趨勢(shì),而添加麥芽糖醇和海藻糖會(huì)降低面包的比容。因此為了進(jìn)一步提高面包的比容等烘焙特性,可將四種功能糖進(jìn)行復(fù)配研究。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,考慮到實(shí)際4種糖的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)10%,麥芽糖醇、菊粉、海藻糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍分別選取為2%~6%,低聚木糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍選取為2%~4%,進(jìn)行后續(xù)4種糖復(fù)配研究。
2.2.1 復(fù)配糖面包的烘焙性質(zhì)分析
在復(fù)配配方中,蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持6%(以小麥粉質(zhì)量計(jì)算),其余4種糖(其中包括菊粉、麥芽糖醇、低聚木糖和海藻糖)的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。當(dāng)菊粉:麥芽糖醇:低聚木糖:海藻糖的復(fù)配比例分別為5∶2∶2∶1、2∶2∶4∶2、2∶5∶2∶1、2∶2∶1∶5,考察不同比例的4種糖復(fù)配面包對(duì)面包儲(chǔ)存7 d的硬度值、老化焓值和面包比容的影響。
由表3可知,不同比例的復(fù)配糖面包,比容、硬度差別較明顯,說(shuō)明不同比例四種糖復(fù)配對(duì)于面包的烘焙性質(zhì)影響顯著。與對(duì)照組相比,當(dāng)菊粉:麥芽糖醇:低聚木糖:海藻糖的比例為2∶5∶2∶1時(shí),面包切面比容良好,且氣孔更加細(xì)密。
表3 不同比例的4種糖復(fù)配面包的烘焙性質(zhì)
與對(duì)照組相比,復(fù)配組面包在菊粉或低聚木糖的添加量占主導(dǎo)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)>4%)時(shí),面包的比容無(wú)顯著差異;在海藻糖的添加量占主導(dǎo)時(shí),面包的比容顯著降低。當(dāng)菊粉:麥芽糖醇:低聚木糖:海藻糖的比例為2∶5∶2∶1時(shí),儲(chǔ)藏7 d后面包硬度和老化焓值都最低,分別為對(duì)照組的0.65倍和0.56倍,顯著低于在相同添加量下單獨(dú)使用菊粉、麥芽糖醇、低聚木糖、海藻糖時(shí)面包的硬度及老化焓值。這表明與單獨(dú)使用菊粉、麥芽糖醇、海藻糖和低聚木糖相比,4種功能糖按一定比例復(fù)配后替代蔗糖對(duì)改善面包的老化性能的作用更顯著。
2.2.2 建立混料設(shè)計(jì)模型與方差分析
為了探究4種功能糖的不同復(fù)配比例對(duì)儲(chǔ)存7 d的面包硬度的影響,根據(jù)Mixture Design(混料設(shè)計(jì))實(shí)驗(yàn)方法,運(yùn)用Design-Expert軟件設(shè)計(jì)原理,以面包儲(chǔ)存7 d硬度值為響應(yīng)值,將影響面包的硬度4個(gè)因素進(jìn)行混料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),其因素水平設(shè)計(jì)及結(jié)果見表4。
其中,由于混料設(shè)計(jì)模型的限制四因子劑量之和恒定,為了維持面包較好的感官評(píng)價(jià)和發(fā)酵特性,在復(fù)配配方中,蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持6%(以小麥粉質(zhì)量計(jì)算),其余4種糖(其中包括菊粉、麥芽糖醇、低聚木糖和海藻糖)的復(fù)配的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和恒定為10%。依照混料設(shè)計(jì)方法,菊粉:麥芽糖醇:低聚木糖:海藻糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍分別選取為2%~5%、2%~5%、1%~4%、2%~5%,4個(gè)因素添加比例如表4所示。混料設(shè)計(jì)模型常用于研究多種因素對(duì)響應(yīng)值的影響,且該實(shí)驗(yàn)方法能維持4因素總劑量不變,減少由于4種糖總添加量的變化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差,因此復(fù)配實(shí)驗(yàn)中使用混料設(shè)計(jì)的適用性較強(qiáng)。
表4 菊粉(A)、麥芽糖醇(B)、低聚木糖(C)、海藻糖(D)混料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)
運(yùn)用Design-Expert對(duì)表4數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合,得到面包硬度的三次多項(xiàng)回歸方程:R=569.51A+554.51B+639.51C+618.01D+434.04AB+174.13AC+253.13AD+44.13BC+83.13BD-30.87CD-3 538.02ABC-1 0146.02ABD+4 045.29ACD+4461.29BCD
式中:R為硬度/g;A為菊粉/%;B為麥芽糖醇/%;C為低聚木糖/%;D為海藻糖/%。
表5 混料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中回歸模型方差分析
以面包的硬度值作為響應(yīng)值,該數(shù)值越小,表明對(duì)面包延緩老化的效果越顯著。根據(jù)系數(shù)值大小可知,A=569.51,B=554.51,C=639.51,D=618.01,影響面包儲(chǔ)藏后硬度的主因素由大到小為:麥芽糖醇>菊粉>海藻糖>低聚木糖。
根據(jù)F值可知,AB對(duì)響應(yīng)值具有極顯著影響(P<0.000 1),因此菊粉與麥芽糖醇之間的可能存在較強(qiáng)的交互作用。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,菊粉與麥芽糖醇之間存在協(xié)同或拮抗作用,可進(jìn)行2種糖之間交互作用的后續(xù)驗(yàn)證和研究。
不同糖之間對(duì)延緩面包老化的協(xié)同作用,指的是多種糖復(fù)配時(shí),相比較添加單一的某種糖,能在一定程度上提高面包的抗老化性能,實(shí)現(xiàn)“1+1>2”的效果[21, 22]。
利用Prieto模型評(píng)價(jià)菊粉與麥芽糖醇之間的交互作用對(duì)儲(chǔ)藏7 d面包硬度的影響,對(duì)其協(xié)同作用或拮抗作用進(jìn)行定量分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示,左側(cè)為濃度加和假設(shè)條件下擬合有相互作用模型,右側(cè)為濃度加和假設(shè)條件下擬合無(wú)相互作用模型。2個(gè)模型的擬合參數(shù)結(jié)果見表7。
由表6實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,該模型在低劑量下的交互作用不顯著,即表現(xiàn)在,在低劑量下2種糖之間復(fù)配對(duì)降低面包硬度值的作用效果較小,在接近高劑量條件下對(duì)面包硬度值的影響較小較大,面包硬度達(dá)到了(521.36±10.78) g。由于麥芽糖醇、菊粉延緩面包老化過(guò)程,是延緩淀粉重結(jié)晶的過(guò)程。用老化動(dòng)力學(xué)方程研究淀粉重結(jié)晶時(shí),淀粉的老化速率是一個(gè)非線性的變化,通常用老化速率常數(shù)表示,表現(xiàn)為老化速率常數(shù)的波動(dòng),這表明糖類影響面包老化的速率是隨劑量濃度變化的。這與交互實(shí)驗(yàn)中麥芽糖醇、菊粉兩者的不同劑量下對(duì)面包老化的影響效果不同的表現(xiàn)相一致[23]。
表6 交互實(shí)驗(yàn)中菊粉、麥芽糖醇對(duì)面包硬度(g)的影響
如圖1所示,2個(gè)模型三維圖中的點(diǎn)分別包含36個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn),根據(jù)菊粉與麥芽糖醇之間有無(wú)相互作用,分別擬合成2個(gè)模型曲面,其中縱坐標(biāo)表示面包儲(chǔ)藏7 d的硬度與對(duì)照組硬度的差值。
由表7可知,2個(gè)模型擬合的修正相關(guān)系數(shù)(R2)均在0.91~0.99之間,說(shuō)明此結(jié)果的擬合效果較好。其中,2種物質(zhì)之間的交互作用模型(R2)大于相加作用模型的(R2),說(shuō)明兩者之間存在有交互作用,反之則具有相加作用。菊粉、麥芽糖醇之間交互作用模型的R2為0.939 89,相加作用模型的R2為0.914 22,這表明菊粉、麥芽糖醇之間存在交互作用,這與混料設(shè)計(jì)的結(jié)果相一致。
表7 兩種糖對(duì)面包硬度有、無(wú)相互作用模型參數(shù)
相加作用模型和交互作用模型中的參數(shù)k表示響應(yīng)的漸進(jìn)值[24],表示面包儲(chǔ)藏7 d的硬度與對(duì)照組硬度的最大差值。菊粉、麥芽糖醇之間交互作用的擬合參數(shù)中漸進(jìn)值k為329.29,表明此時(shí)菊粉、麥芽糖醇在復(fù)配比例為5∶5時(shí),面包儲(chǔ)藏7 d的硬度值較對(duì)照組降低了329.29 g,具有顯著改善面包老化性能的效果。參數(shù)t表示面包的儲(chǔ)存7 d的硬度與對(duì)照組的硬度差值達(dá)到k值的一半時(shí)所使用糖的劑量[25],t值越小,糖的劑量越少,則改善老化性能的效果越好。通過(guò)對(duì)比t值大小,可以直觀比較菊粉與麥芽糖醇之間有無(wú)交互作用下對(duì)面包硬度的影響,此時(shí),兩者無(wú)交互作用的情況下復(fù)配糖的劑量t值為1,而兩者有交互作用的情況下復(fù)配糖的劑量t值為0.595 1,這說(shuō)明菊粉與麥芽糖醇之間有交互作用下改善面包老化性能的效果更好。
根據(jù)模型的運(yùn)算結(jié)果,菊粉與麥芽糖醇之間的相互作用的綜合指標(biāo)(RUV)為5.155 3%,表明菊粉、麥芽糖醇之間存在顯著的協(xié)同作用,且在高劑量處表現(xiàn)得尤為顯著。
麥芽糖醇、菊粉、海藻糖和低聚木糖4種糖都有降低面包硬度和改善面包老化的功能,但是不同種類糖延緩老化的效果不同。復(fù)配糖中麥芽糖醇是影響面包儲(chǔ)藏后硬度變化的主要因素,并與菊粉之間存在較強(qiáng)的交互作用(P<0.000 1)。在相同的添加量下,與單獨(dú)使用菊粉、麥芽糖醇、海藻糖和低聚木糖相比,4種糖復(fù)配替代蔗糖能更顯著改善面包的老化性能,麥芽糖醇和菊粉之間存在協(xié)同作用,特別是在接近較高劑量下協(xié)同作用效果顯著。