外源酶對(duì)大米面團(tuán)性能和米面包品質(zhì)的影響

劉曉飛，吳浚瀅，戚月娜，趙香香，劉暢，張智，張娜*

（1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院，黑龍江省普通高等學(xué)校食品科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江省谷物食品與資源綜合加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150028；2.黑龍江省北大荒米業(yè)集團(tuán)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

麩質(zhì)過敏癥是食用小麥、大麥、黑麥等含麩質(zhì)谷物及其制品時(shí)，腸道發(fā)生自體免疫反應(yīng)的消化道疾病，其發(fā)病率在中國呈逐年上升趨勢(shì)，暫無有效藥，給患者食用無麩質(zhì)食物是一種可行且有效的緩解方法[1]。Hager等[2]的研究表明，與玉米、大豆和黑豆等無麩質(zhì)谷物相比，大米作為一種易于消化和吸收、低致敏性、產(chǎn)量高和較為實(shí)用的經(jīng)濟(jì)型食品更加適合患者食用。麩質(zhì)過敏癥患者可以食用由大米深加工制成的米面包，近年來，國內(nèi)外對(duì)米面包的研究廣泛，但大米因缺少面筋蛋白、沒有筋性，口感無法與面包相比，需要對(duì)其進(jìn)行改性，據(jù)報(bào)道，外源酶[3]的添加可以減緩淀粉老化過程，進(jìn)而改善面包質(zhì)地，使其結(jié)構(gòu)柔軟、彈性增強(qiáng)、比容增加，促使其發(fā)生美拉德反應(yīng)，延長面包保質(zhì)期[4]。Kim等[5]的研究發(fā)現(xiàn)，1.5%蛋白酶使米面包的比容最大，內(nèi)孔徑較大且數(shù)量多，加入0.5%蛋白酶彈性好，保水能力提高，不易老化；孟燕楠等[6]探討α-淀粉酶、脂肪酶、谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶、漆酶4種酶制劑對(duì)大米面包的感官特性及質(zhì)構(gòu)特性的影響，結(jié)果表明，這4種酶制劑均可以顯著提高米面包的外觀、色澤和口感，使其紋理疏松、體積增大、彈性增加。

本文以碎米為原料制作米面包，探究添加α-淀粉酶、脂肪酶、谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶和復(fù)合酶制劑（α-淀粉酶和脂肪酶復(fù)配）對(duì)米面團(tuán)糊化特性和質(zhì)構(gòu)特性的影響，選取試驗(yàn)效果最好的酶對(duì)米面團(tuán)進(jìn)行改性。研究酶添加量、醒發(fā)時(shí)間、醒發(fā)溫度和pH值對(duì)米面團(tuán)糊化特性和綜合評(píng)分的影響，在此基礎(chǔ)上采用響應(yīng)面優(yōu)化，以米面團(tuán)綜合評(píng)分為響應(yīng)值，得出最佳面團(tuán)后制成米面包，為米面包開發(fā)和碎米的深度加工與綜合利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

碎米：黑龍江省五常金禾米業(yè)有限責(zé)任公司；雞蛋、綿白糖、黃油、牛奶、豆油、食鹽、安琪酵母：市售。

α-淀粉酶（2 000 U/g）、脂肪酶（2 000 U/g）、谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶（2 000 U/g）：北京博奧拓達(dá)科技有限公司；氫氧化鉀、碘、碘化鉀、HCl（均為分析純）：天津市凱通化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

BSM-120-4電子天平：上海卓精電子科技有限公司；DC-1500A粉碎機(jī)：浙江武義鼎藏日用金屬制品廠；TD5A離心機(jī)：湖南凱達(dá)科學(xué)儀器有限公司；MG38CBAA電烤箱：廣東美的廚房電器制造有限公司；DZKWD-2電熱恒溫水浴鍋：天津天泰儀器有限公司；UV-5200紫外可見分光光度計(jì)：上海元析儀器有限公司；TA-XT2i質(zhì)構(gòu)儀：英國Stable Micro System公司；JSM-6510掃描電鏡：日本電子公司。

1.3 方法

1.3.1 米粉的制備

將除去雜質(zhì)的碎米用粉碎機(jī)粉碎，過120目篩，得到樣品米粉備用。

1.3.2 米面包的制作

米面包制作步驟：稱量→和面→發(fā)酵→揉壓→固定成型→醒發(fā)→焙烤。制作米面包的原料及含量見表1[7]。

表1 米面包成分Table 1 Rice bread ingredients list

1.3.3 最優(yōu)酶的選取

準(zhǔn)確稱取10 g米粉，分別加入α-淀粉酶、脂肪酶、谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶和質(zhì)量比為1∶1復(fù)配的α-淀粉酶和脂肪酶各0.008 g，其余原料按表1添加，用水把酵母和綿白糖化開，加入牛奶、黃油、雞蛋和鹽與米粉混合制作米面團(tuán)，醒發(fā)時(shí)間為90 min，醒發(fā)溫度為60℃，醒發(fā)時(shí)pH值為7，醒發(fā)完成后進(jìn)行糊化度及面包質(zhì)構(gòu)特性分析并計(jì)算質(zhì)構(gòu)評(píng)分。

1.3.4 單因素試驗(yàn)

選取1.3.3確定的最優(yōu)酶進(jìn)行單因素試驗(yàn)，固定其它基礎(chǔ)配方。以10g米粉為基準(zhǔn)，考察酶添加量（0.004、0.006、0.008、0.010、0.012 g）、醒發(fā)時(shí)間（50、70、90、110、130 min）、醒發(fā)溫度（40、50、60、70、80 ℃）、pH 值（5、6、7、8、9）對(duì)米面團(tuán)的糊化度及質(zhì)構(gòu)評(píng)分的影響。

1.3.5 響應(yīng)面分析試驗(yàn)

綜合考慮單因素試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，舍棄影響最小的條件[8]，以酶添加量、醒發(fā)時(shí)間、醒發(fā)溫度為因素，米面團(tuán)綜合評(píng)分（Y）為響應(yīng)值，進(jìn)行三因素三水平響應(yīng)面分析試驗(yàn)，確定最佳工藝參數(shù)，試驗(yàn)因素與水平見表2。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平Table 2 Response surface test factors and levels

1.3.6 米面團(tuán)的性質(zhì)分析

1.3.6.1 糊化度的測定

參照Haghighat-Kharazi等[9]的方法，測定米面團(tuán)的糊化度。

1.3.6.2 質(zhì)構(gòu)特性的測定

選取米面團(tuán)的中心部分，切成2 cm×2 cm×2 cm小塊，測定面包的質(zhì)構(gòu)指標(biāo)（硬度、彈性、膠著性和回復(fù)性）。質(zhì)構(gòu)儀參數(shù)：選取P/50的探頭，測試前速率為2.00 mm/s，測試中速率為1.00 mm/s，測試后速率為1.00 mm/s，壓縮程度為50%，停留間隔為5 s。

1.3.6.3 質(zhì)構(gòu)評(píng)分和糊化度得分測定

質(zhì)構(gòu)評(píng)分和糊化度得分參照王會(huì)然等[10]的方法進(jìn)行計(jì)算，并稍作修改。質(zhì)構(gòu)評(píng)分（100分）=硬度（25分）+彈性（25分）+膠著性（25分）+回復(fù)性（25分）。糊化度滿分為100分。

各指標(biāo)的得分計(jì)算方法如下。

式中：D為該指標(biāo)對(duì)應(yīng)的評(píng)分；C為此指標(biāo)的滿分值（即100或者25）；A為該指標(biāo)最大值與最小值之差；B為該指標(biāo)測定值與最小值之差。

由于米面團(tuán)的硬度指標(biāo)與口感呈負(fù)相關(guān)，所以硬度值對(duì)應(yīng)的評(píng)分?jǐn)?shù)值計(jì)算公式如下。

1.3.6.4 綜合評(píng)分測定

采用加權(quán)系數(shù)法，將糊化度的權(quán)重設(shè)為0.5，質(zhì)構(gòu)評(píng)分的權(quán)重設(shè)為0.5，系數(shù)總和為1。綜合評(píng)分=糊化度得分×0.5+質(zhì)構(gòu)評(píng)分×0.5。

1.3.6.5 掃描電鏡測定

采用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）對(duì)米面團(tuán)的微觀形態(tài)進(jìn)行觀察。

1.3.7 米面包品質(zhì)測定方法

1.3.7.1 米面包的感官評(píng)價(jià)

參照Zarringhalami等[11]的方法對(duì)米面包進(jìn)行感官評(píng)價(jià)。由從事食品加工、無特殊嗜好的15名專業(yè)人員組成評(píng)定小組，對(duì)制得的米面包進(jìn)行感官評(píng)定，分別從面包形狀、適口性、表皮色澤、紋理結(jié)構(gòu)、香味、口感6個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)每項(xiàng)進(jìn)行評(píng)分，取其平均分。米面包的感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 米面包的感官評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Sensory evaluation criteria for rice bread

1.3.7.2 米面包的質(zhì)構(gòu)評(píng)價(jià)

自然冷卻1 h后的面包取內(nèi)芯，切成2 cm×2 cm×2 cm的面包塊，進(jìn)行質(zhì)構(gòu)分析。選擇P/36R圓柱形探頭，采用質(zhì)構(gòu)分析（texture profile analysis，TPA）模式，測前速度、測中速度和測后速度均為1 mm/s，觸發(fā)力5 N、形變量30%、間隔時(shí)間2 s，重復(fù)測定3次[12]。

1.3.7.3 米面包的比容評(píng)價(jià)

采用小米置換法測定米面包的比容[7]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

所有結(jié)果均表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。采用Excel 2010、SPSS Statistics 26.0、Design-Expert 8.0.6 和 Origin 2017軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理分析，以評(píng)估平均值之間的顯著性差異（p＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 最優(yōu)酶的確定

不同種類酶對(duì)米面團(tuán)糊化度及質(zhì)構(gòu)評(píng)分的影響見圖1。

圖1 不同種類酶對(duì)米面團(tuán)糊化度及質(zhì)構(gòu)評(píng)分的影響Fig.1 Effects of different enzymes on gelatinization degree and texture score of rice dough

由圖1可知，與空白面團(tuán)相比，添加酶均使米面團(tuán)的糊化度和質(zhì)構(gòu)評(píng)分升高，添加谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶的米面團(tuán)糊化度和質(zhì)構(gòu)評(píng)分最高，其次為添加復(fù)配酶的米面團(tuán)，添加α-淀粉酶的米面團(tuán)糊化度和質(zhì)構(gòu)評(píng)分最低。添加谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶的米面團(tuán)糊化度及質(zhì)構(gòu)特性效果最好可能是它與米面團(tuán)產(chǎn)生的共價(jià)交聯(lián)，增加了米面團(tuán)的持水力、硬度降低、體積增大和提升面團(tuán)的加工性能[13]。因此，選取谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶進(jìn)行單因素和響應(yīng)面試驗(yàn)。

2.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 酶添加量對(duì)米面團(tuán)品質(zhì)的影響

酶添加量對(duì)米面團(tuán)糊化度及質(zhì)構(gòu)評(píng)分的影響見圖2。

圖2 酶添加量對(duì)米面團(tuán)糊化度及質(zhì)構(gòu)評(píng)分的影響Fig.2 Effect of enzyme dosage on gelatinization degree and texture score of rice dough

由圖2可知，隨著酶添加量的增加，米面團(tuán)糊化度逐漸升高，當(dāng)酶添加量達(dá)到0.008 g時(shí)，糊化度達(dá)到較高水平，繼續(xù)添加酶，糊化度沒有明顯升高，質(zhì)構(gòu)評(píng)分先增大后減小，酶添加量為0.008 g時(shí)，質(zhì)構(gòu)評(píng)分出現(xiàn)峰值，可能是因?yàn)槊复俜磻?yīng)速度與酶分子的濃度成正比，當(dāng)?shù)孜锓肿訚舛仍黾訒r(shí)，酶分子越多，底物的轉(zhuǎn)化速度越快，當(dāng)酶濃度過高時(shí)，會(huì)有許多的酶抑制劑限制其發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致曲線逐漸趨向平緩。因此，酶的最佳添加量為0.008 g。

2.2.2 醒發(fā)溫度對(duì)米面團(tuán)品質(zhì)的影響

醒發(fā)溫度對(duì)米面團(tuán)糊化度及質(zhì)構(gòu)評(píng)分的影響見圖3。

圖3 醒發(fā)溫度對(duì)米面團(tuán)糊化度及質(zhì)構(gòu)評(píng)分的影響Fig.3 Effect of waking temperature on gelatinization degree and texture score of rice dough

由圖3可知，隨著醒發(fā)溫度的升高，米面團(tuán)的糊化度和質(zhì)構(gòu)評(píng)分先增大后減小，在60℃時(shí)達(dá)到峰值。其原因可能是谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶的最適溫度在60℃左右；低溫影響酶的活性，但不會(huì)破壞酶的空間結(jié)構(gòu)，溫度升高后，酶仍能恢復(fù)活性，但高溫會(huì)導(dǎo)致酶變性，使其失去活性[14]。因此，最佳醒發(fā)溫度為60℃。

2.2.3 醒發(fā)時(shí)間對(duì)米面團(tuán)品質(zhì)的影響

醒發(fā)時(shí)間對(duì)米面團(tuán)糊化度及質(zhì)構(gòu)評(píng)分的影響見圖4。

圖4 醒發(fā)時(shí)間對(duì)米面團(tuán)糊化度及質(zhì)構(gòu)評(píng)分的影響Fig.4 Effect of waking time on gelatinization degree and texture score of rice dough

由圖4可知，隨著醒發(fā)時(shí)間的延長，米面團(tuán)的糊化度和質(zhì)構(gòu)評(píng)分先增大后減小，在90 min時(shí)達(dá)到峰值。原因可能是在醒發(fā)過程中，米面團(tuán)的體積、風(fēng)味、內(nèi)部結(jié)構(gòu)有較大變化，酶缺乏與底物的反應(yīng)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致糊化度和質(zhì)構(gòu)評(píng)分低，隨著醒發(fā)時(shí)間的延長，酶與底物可充分混合糊化，但時(shí)間過長時(shí)，水分會(huì)減少，從而糊化度和質(zhì)構(gòu)評(píng)分下降。因此，最佳醒發(fā)時(shí)間為90 min。

2.2.4 pH值對(duì)米面團(tuán)品質(zhì)的影響

pH值對(duì)米面團(tuán)糊化度及質(zhì)構(gòu)評(píng)分的影響見圖5。

圖5 pH值對(duì)米面團(tuán)糊化度和質(zhì)構(gòu)評(píng)分的影響Fig.5 Effect of pH on gelatinization degree and texture score of rice dough

由圖5可知，隨著pH值的升高，米面團(tuán)的糊化度和質(zhì)構(gòu)評(píng)分先增大后減小，pH值為7時(shí)達(dá)到峰值，但整體變化幅度較小。pH值對(duì)米面團(tuán)的糊化度和質(zhì)構(gòu)綜合評(píng)分影響較小，因此最佳醒發(fā)pH值為7。

2.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 響應(yīng)面分析數(shù)學(xué)模型的建立

響應(yīng)曲面法試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 4 Design and results of Box-Behnken center combination test

以綜合評(píng)分（Y）為響應(yīng)值，利用響應(yīng)面軟件對(duì)表4進(jìn)行回歸擬合，得出二次多項(xiàng)回歸方程 Y=90.26-0.67A-1.78B+2.87C-2.42AB-0.57AC-1.72BC-4.50A2-5.56B2-6.16C2。對(duì)該模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，得到的方差分析結(jié)果見表5。

表5 回歸方程的方差分析Table 5 Analysis of variance（ANOVA）for the developed regression equation

由表5可知，模型p＜0.000 1，差異極顯著；回歸方程的失擬項(xiàng)p=0.069 6＞0.05，差異不顯著；R2=0.998 5，擬合度＞90%，說明該模型能較好地解釋響應(yīng)值的變化，理論值與實(shí)際數(shù)值能有很好的擬合性，試驗(yàn)誤差小、相關(guān)性高、數(shù)據(jù)真實(shí)，因此能夠應(yīng)用此方程對(duì)試驗(yàn)結(jié)果做出分析。影響綜合評(píng)分的先后順序?yàn)樾寻l(fā)溫度＞醒發(fā)時(shí)間＞酶添加量；B、C、AB、BC 影響極顯著；A影響顯著。

2.3.2 響應(yīng)面分析

在米面包的生產(chǎn)條件方面，為進(jìn)一步驗(yàn)證影響因素交互項(xiàng)的作用機(jī)理，根據(jù)二次模型所得到的等高線及響應(yīng)曲面可以評(píng)價(jià)試驗(yàn)因素之間的交互作用強(qiáng)度，以及確定各因素的最佳水平范圍[15]。各因素交互作用的等高線和響應(yīng)面見圖6。

圖6 各因素交互作用的等高線和響應(yīng)面Fig.6 Contour and response surface plots of the interaction of various factors

由圖6可知，當(dāng)一個(gè)因素固定，隨著另兩個(gè)因素的增加或延長，綜合評(píng)分均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)；響應(yīng)面圖均凸面朝上，存在極大值；等高線均呈橢圓形，表明兩種因素間交互作用顯著[16]。

通過Design Expert軟件可得到該模型的最優(yōu)條件：酶添加量0.008 g、醒發(fā)時(shí)間86.50 min、醒發(fā)溫度62.75℃，預(yù)測的綜合評(píng)分為90.708 6。為檢驗(yàn)該生產(chǎn)條件對(duì)米面團(tuán)制作的效果、響應(yīng)模型的準(zhǔn)確性和可靠性，采用上述優(yōu)化條件進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)[17]。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件，將制備工藝條件修正為酶添加量0.008 g、醒發(fā)時(shí)間87 min、醒發(fā)溫度63℃，此條件下生產(chǎn)的米面包綜合評(píng)分為90.71，結(jié)果與理論預(yù)測值接近。

2.4 米面團(tuán)的掃描電鏡結(jié)果

不同米面團(tuán)微觀結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖見圖7。

圖7 不同米面團(tuán)微觀結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖Fig.7 Scanning electron microscope images of the microstructure of different rice dough

如圖7A所示，空白米面團(tuán)可以看出明顯的淀粉顆粒，米面團(tuán)的結(jié)構(gòu)松散，顆粒間隙較大，沒有形成面團(tuán)具有的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致了米面團(tuán)的黏彈性和持氣性較差；如圖7B所示，添加谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶后，米面團(tuán)的淀粉顆粒變少，大部分顆粒被包裹在其中，形成凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[18]，促進(jìn)米面團(tuán)保存發(fā)酵過程中產(chǎn)生的氣體[19]，出現(xiàn)一些大小較均勻的氣室，使米面團(tuán)體積增大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶與米面團(tuán)中的蛋白質(zhì)發(fā)生交聯(lián)，使米面團(tuán)的持氣性能增強(qiáng)，面包比容增大，有助于形成強(qiáng)有力的大米凝膠，從而改善米面團(tuán)的品質(zhì)[20]。說明谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶可以改善大米面團(tuán)成型困難的問題，可以應(yīng)用于米制品的加工。

2.5 米面包的評(píng)價(jià)結(jié)果

選取與面包感官品質(zhì)密切相關(guān)的硬度、彈性、膠著性和回復(fù)性作為衡量面包質(zhì)構(gòu)特性的指標(biāo)，最優(yōu)工藝的米面包與未經(jīng)過酶處理的米面包質(zhì)構(gòu)特性、比容和感官評(píng)分見表6。

表6 空白米面包與最優(yōu)米面包的質(zhì)構(gòu)評(píng)價(jià)Table 6 Texture evaluate of enzymatic and unenzymatic rice bread

由表6可知，酶解米面包與未酶解米面包相比，硬度降低，膠著性增大，彈性和回復(fù)性略有升高，比容變大，感官評(píng)分從65.2提高到80.7。烘烤后，內(nèi)部組織均勻細(xì)膩、松散柔軟、彈性較大，略黏牙，但口感松軟適口，方便食用，整體評(píng)分較高。這是因?yàn)楣劝滨０忿D(zhuǎn)氨酶能誘導(dǎo)蛋白質(zhì)之間形成共價(jià)交聯(lián)，能夠改善面包的持氣性能，使面包更加蓬松，富有彈性，口感更好。上述結(jié)果說明，谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶的加入有助于米面包的制備。

3 結(jié)論

本文選取大米粉為主要原料，添加外源酶作為改良劑制作米面包。由單因素試驗(yàn)及響應(yīng)面的優(yōu)化試驗(yàn)可知，對(duì)米面團(tuán)的綜合評(píng)分的影響大小順序?yàn)樾寻l(fā)溫度＞醒發(fā)時(shí)間＞酶添加量；通過響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)可知，米面團(tuán)的最佳工藝條件為酶添加量0.008 g、醒發(fā)時(shí)間87 min、醒發(fā)溫度63℃，此條件下生產(chǎn)的米面團(tuán)綜合評(píng)分最高為90.71，感官評(píng)分從65.2提高到80.7，比容從1.97 mL/g增加到3.01 mL/g，米面團(tuán)微觀結(jié)構(gòu)中能觀察到較均勻的氣室，硬度從994.6 g降低到756.5 g，符合現(xiàn)代人的健康需求。優(yōu)化米面包有助于無麩質(zhì)食品的研究，有助于我國無麩質(zhì)食品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為碎米的深度加工與綜合利用提供一定的理論依據(jù)。