無麩質玉米饅頭配方優化及影響因素分析

蘇孟開,羅登林,2,3*,徐云鳳,2,3,李佩艷,2,3,向進樂,2,3,徐寶成,2,3,黃繼紅,張康逸

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(河南省食品綠色加工與質量安全控制國際聯合實驗室,河南 洛陽,471023) 4(河南工業大學 生物工程學院,河南 鄭州,532927)5(河南省農業科學院農副產品加工研究中心,河南 鄭州,450008)

麩質是存在于小麥、黑麥及大麥等谷物中的一類水不溶性蛋白復合物。在面制品制作過程中,麩質的存在有助于面團的形成,增加其彈性和韌性,提高發酵面制品的品質。但大量研究表明,飲食中麩質的存在會導致麩質過敏,包括乳糜瀉、非乳糜瀉的小麥敏感和過敏等病癥[1]。近年來,無麩質食品逐漸成為人們關注的熱點,它是指不含麩質或麩質含量不超過0.002%的食物。在歐美市場已出現了各種無麩質食品,包括面包、餅干、意大利面、蛋糕、小松餅等。目前我國關于這方面的研究還處于起步階段。饅頭作為我國的主食之一,其制作過程依賴于小麥面粉中的面筋蛋白(麩質),易引發麩質過敏癥狀。

目前,國內外關于無麩質饅頭的研究很少,絕大多數報道集中于無麩質面包和面條。在無麩質面包研究方面,CHAKRABORTY等[2]探索了以小米粉為原料制作無麩質面包過程中不同親水膠體的影響,認為黃原膠是適合制作無麩質面包的親水膠體之一。研究發現,在以玉米粉為原料制作的無麩質面包中,與較細的玉米粉相比,使用較粗的玉米粉制作的面包體積更大、硬度更低[3]。還有一些文獻探討了以碎米粉、蕎麥、紅薯淀粉等為原料制作無麩質面包的可行性,分析了阿拉伯膠、瓜爾豆膠、果膠等親水膠體對面包品質的影響[4-6]。在無麩質面條研究方面,JAVAID等[7]和GASPARRE等[8]分別研究了以馬鈴薯淀粉和虎子仁粉等為原料制作面條的工藝。而饅頭的生產方法與面包和面條顯著不同,面包制作過程中的高溫焙烤工藝有利于面團氣室的膨脹和面包體積的增大,面條的生產因沒有發酵過程因而不關注產品的氣孔和體積變化。饅頭的生產因采用蒸制方法,所需溫度(100 ℃)比面包焙烤溫度(170～210 ℃)低。因此,由于無麩質饅頭中缺少面筋蛋白,要使其具有均勻、致密和多孔疏松的內部結構要困難得多。目前這方面的研究欠缺,僅見有以馬鈴薯淀粉、碎米等為原料的相關報道[4,9]。

玉米粉作為一種主要糧食,來源廣泛,價格低廉,營養組成與面粉相似,由于其不含麩質,所以在用作無麩質食品生產的主要原料方面具有明顯的優勢；而菊粉作為目前應用最廣的膳食纖維,除了具有許多突出的生理功能外,還可作為一種優良的食品品質改良劑。本研究以全玉米粉為主要原料,探討了添加菊粉、羥丙基甲基纖維素(hydroxypropyl methylcellulose,HPMC)、黃原膠(xanthan gum,XG)制作無麩質饅頭的可行性,詳細分析了它們對饅頭品質的影響規律,在此基礎上采用響應面法對配方進行了優化,以期為富含膳食纖維的無麩質饅頭的生產提供指導,最終開發出適合我國人民消費習慣的營養健康主食。

1 材料與方法

1.1 材料

玉米面粉(過80目篩,蛋白質含量為14.0%、水分含量≤14.5%、灰分含量≤3%),河北康冉創鑫生物科技股份有限公司；活性干酵母,安琪酵母股份有限公司；HPMC(純度≥99%),浙江安詳生物科技有限公司；XG(純度≥99%),淄博中軒生化有限公司；天然菊粉(聚合度2～60,純度≥86%),比利時CosucraGroupe Warcoing S.A.公司；白糖粉(過80目篩),洛陽大張超市。

1.2 儀器與設備

HM740型和面機,青島漢尚電器有限公司；TQ-15型發酵箱,廣州拓奇廚房設備有限公司；TA.XT Express物性分析儀,英國SMS公司；Minolta CR-400色差計,日本美能達公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 無麩質饅頭的制作

在前期預試驗的基礎上,確定無麩質饅頭的基礎配方：全玉米粉200 g、干活性酵母3 g、白糖粉4 g。各試驗組中菊粉、HPMC、XG和水分的設計配方見表1,其中各成分添加量均以全玉米粉的質量為基礎。對照組無麩質饅頭的配方：全玉米粉200 g、水159 mL、酵母3 g、糖粉4 g,制作方法與試驗組相同。

表1 無麩質饅頭的配方設計組合 單位：%

無麩質饅頭的具體制作方法：將全玉米粉、菊粉、HPMC和XG混合后充分混勻,將酵母及糖粉倒入盛有37 ℃蒸餾水的燒杯中,用玻璃棒充分攪勻后與上述混合粉一同倒入和面機的攪拌器內,選擇1檔攪拌速度攪拌7 min。將攪拌好的面團放入發酵箱中進行第一次發酵,發酵條件為：發酵溫度37 ℃,相對濕度83%,時間40 min。第一次發酵完成后取出,將面團(110 g)揉成饅頭狀放入蒸籠中,然后將蒸籠放入發酵箱中在相同的溫度和相對濕度下進行第二次發酵,發酵時間為10 min。第二次發酵完成后直接將蒸籠放入沸水鍋上,蒸制30 min后取出饅頭并用紗布將其蓋住,在室溫下冷卻1 h后進行各項分析測試。

1.3.2 比容的測定

無麩質饅頭的比容為饅頭體積與質量的比值。參考國標GB/T 21118—2007《小麥粉饅頭》,采用油菜籽置換法測量其體積,用天平測得饅頭質量(精確至0.01 g),試驗重復測量3次,取平均值,計算其比容。

1.3.3 高徑比的測定

饅頭的高度和底部直徑采用游標卡尺測量,每項指標在不同位置測量3次,取平均值,計算出無麩質饅頭的高徑比。

1.3.4 物性分析儀測定

參考吳若言等[10]的方法。在無麩質饅頭中心處切取邊長為2 cm的立方體,用P75探頭對樣品進行2次壓縮試驗。試驗條件：壓縮比60%、測前速度1 mm/s、測后速度1 mm/s、間隔時間5 s、觸發力5 g。2次壓縮完成后可得TPA曲線,通過該曲線計算饅頭的硬度、彈性及凝聚性等參數。

1.3.5 色差的測定

在無麩質饅頭芯部取約0.5 cm厚度的饅頭塊,使用Minolta CR-400色差計進行無麩質饅頭色差的測定,并用CIE L*a*b*表色系統對無麩質饅頭色差進行評價。每次測量無麩質饅頭前用黑板與白板對色差儀進行系統校正。

1.3.6 饅頭的綜合品質評價

采用綜合加權評分法評價饅頭的品質,方法參考文獻[10]。以硬度、彈性、高徑比、比容及凝聚性這5項數據作為加權評分的相關因子,賦予權重分別為40%、20%、20%、10%和10%。其中,硬度權重取負值,其他均為正值。各指標標準值及綜合加權評分分別按公式(1)(2)計算：

綜合加權評分=w1y′1+w2y′2+…+wiy′i

(1)

(2)

式中：wi,各指標的權重；y′i,各標準值；yi,各指標測得值；yimax,同一指標中的最大值；yimin,同一指標中的最小值。

1.3.7 數據處理與分析

利用Excel 2016對試驗數據進行處理,借助SPSS 17.0軟件對試驗數據進行顯著性分析,并采用Duncan檢驗,顯著性差異設為P<0.05。利用Design-Expert軟件進行Box-Behnken響應面設計,并進行回歸方程的檢驗和響應面分析。

2 結果與分析

2.1 菊粉對無麩質饅頭品質的影響

表1中1～7組試驗考察了不同菊粉添加量對無麩質饅頭品質的影響,結果見表2。隨著菊粉添加量的增加,無麩質饅頭的硬度顯著下降。當菊粉添加量達10%時,無麩質饅頭的硬度達最小值3.89,是對照組硬度的47.8%。這與我們前期發現在由小麥面粉制成的饅頭中,菊粉的添加會導致其硬度顯著增加(增加了119.0%)的結果相反[11]。其原因可能是兩者的體系不同,在由小麥面粉生產的饅頭中,麩質(面筋蛋白)形成的面筋網絡結構賦予了面團和饅頭特有的黏彈性；而玉米面粉中由于不含麩質,在和面過程中不能形成面筋網絡結構,其面團如果不添加其他物質(如一些膠體)則黏彈性很差,不易成團和成型,經發酵后生產出來的饅頭緊實,氣孔少,硬度大,口感差(見圖1)。

表2 菊粉對無麩質饅頭品質的影響Table 2 Effect of inulin on the quality of gluten-free steamed breads

a-對照組；b-優化組圖1 無麩質饅頭對照組與優化組的剖面圖Fig.1 Profiles of blank and optimized groups of gluten free steamed breads

當在小麥面粉中添加菊粉后,菊粉起到類似小麥淀粉的填充作用,所生產的饅頭在冷卻過程中易于老化結晶,導致其硬度會增加[11]。而對于由玉米面粉形成的面團,添加的菊粉能與其他親水膠體(HPMC、XG)間相互作用形成凝膠網絡結構,使生產出的饅頭具有疏松多孔性的結構。另外菊粉還具有黏聚作用和持水作用,能增強面團的黏結性,延緩產品的失水速率和貨架期。研究發現,菊粉具有很強的吸濕性和保濕性,能通過氫鍵與環境周圍水分發生強烈的結合,導致水分子的流動性下降,從而降低了產品的水分活度并延緩了水分蒸發過程[12]。而與水結合后的菊粉在面團的發酵和蒸制過程中失去了分子的致密性和剛性,形成了柔軟的凝膠,引起產品硬度下降[13-14]。另外,玉米面粉的發酵性較差,菊粉的加入可以為其面團體系提供一定的糖源(低聚糖和單糖),促進酵母的生長繁殖,增加總產氣量,進而增大了饅頭的體積和多孔性,使其變得更加松軟[3,15-16]。

菊粉對無麩質饅頭的彈性影響不顯著。結合表3～表5可以發現,菊粉、HPMC和XG對無麩質饅頭的彈性影響均不顯著。面團及饅頭的彈性主要取決于和面過程中二硫鍵生成的多少,因為生成的二硫鍵能形成有序的纖維狀大分子聚合體,聚合體的體積越大,分子間就越難發生相對滑移,面團的彈性也就越大[17]。由于玉米面粉中不含面筋蛋白,在和面過程中蛋白質分子間(內)不能生成二硫鍵或生成的很少,所制備的面團和饅頭的彈性比由小麥面粉制備的顯著下降。對于菊粉、HPMC和XG類多糖物質,分子間或分子內也不會形成二硫鍵,因而其加入不會影響到玉米面團中二硫鍵的生成,因此3者的加入對由玉米面粉制備的面團及饅頭的彈性影響不顯著。

隨著菊粉添加量的增加,饅頭的比容呈逐漸增大趨勢,當菊粉添加量為10%時,饅頭的比容達到最大值(1.58 mL/g),與對照組相比增加了14.5%。饅頭的高徑比隨菊粉添加量的增加呈先增加后減小的趨勢,當菊粉添加量為8%時達到最大值1.25,與對照組相比增加62.3%。這些都與適量菊粉的添加有利于提高面團的發酵特性有關,但添加過量的天然菊粉時,由于其含有較高的低聚糖和單糖,會導致面團發酵速度過快,在短時間內產生大量CO2氣體,其中部分CO2會沖破面團體系而逸出,引起產品體積的下降。菊粉的加入也有利于提高饅頭的凝聚性,當菊粉添加量為6%時，凝聚性達最大值0.59,與對照組相比提高了17.3%。根據綜合加權評分值來看,當菊粉的添加量為10%時,無麩質饅頭的綜合評分最高43.43。

2.2 XG對無麩質饅頭的影響

表1試驗組8～13考察了XG對無麩質饅頭相關品質的影響,結果見表3。隨XG添加量的增加,無麩質饅頭的硬度呈現先減小后增大的趨勢。當XG的添加量為1.00%時,無麩質饅頭的硬度達到最小值4.36,與對照組相比,硬度減小了27.81%。XG是一種微生物陰離子多糖,在無麩質面團制作過程中,它可以通過氫鍵和靜電作用與全玉米粉中的淀粉、蛋白質等相結合,進而改善無麩質饅頭面團的發酵特性[18]。由于XG的三糖側鏈與主鏈平行能形成“棒狀”結構,其在無麩質饅頭中可填充到膨脹的淀粉三維網狀組織中形成膜壁[19]。所以當添加適量XG時,可以改善無麩質面團的結構,促進面團網狀結構的形成和維持。但是當添加量過多時,由于其結構特性,XG會增加面團的密度,使無麩質饅頭的硬度增加。XG含量的增加對無麩質饅頭的彈性影響不顯著,但在一定程度上增加了無麩質饅頭的凝聚性。這可能是因為XG分子的側鏈存在2個帶有負電的羧基,這些羧基與水和淀粉間形成氫鍵,生成剛性凝膠,因此添加XG的無麩質饅頭面團更具黏性,但對彈性沒有顯著影響[2,20]。另外,XG還可以抑制相分離以及由重力所引起的分層,提高面團體系的穩定性[2,20]。

表3 XG對無麩質饅頭的影響Table 3 Impacts of XG on gluten-free steamed bread

XG的添加顯著增加了無麩質饅頭的比容和高徑比。當XG的添加量為1%時,無麩質饅頭的比容和高徑比均達到最高值(1.47和1.13 mL/g),與對照組相比,分別增加了14.84%和48.68%。由于XG具有雙螺旋和多螺旋結構,其加入會促進凝膠基質的形成,有利于提高面團的持氣性,進而增加無麩質饅頭的中空結構和孔隙率,增加其比容和高徑比[2,14,21]。另外,XG可以抑制相分離以及由重力等引起的分層,提高面團體系的穩定性[20]。因此,添加一定量的XG有利于降低無麩質饅頭的硬度和改善內部結構的多孔性[7,14,19]。當XG添加量為1%時,無麩質饅頭的綜合加權評分值最高(58.1)。

2.3 HPMC對無麩質饅頭的影響

表1試驗組14～18考察了HPMC對無麩質饅頭相關品質的影響,結果見表4。HPMC對無麩質饅頭硬度的影響與XG的影響相似。當HPMC的添加量為0.5%時,無麩質饅頭的硬度達到最小值4.97。與對照組相比,無麩質饅頭的硬度下降了21.11%。HPMC作為一種親水膠體,具有良好的持水性和凝膠特性,即使其添加量很低也會顯著影響無麩質面團的流動特性,通過提高體系的黏度、絮凝性和聚結性等方面而增強面團的持氣性[22-23]。隨著HPMC添加量的進一步增加,它們會在淀粉顆粒周圍不斷聚集,與淀粉分子競爭水分[9]。有研究表明,當玉米醇溶蛋白暴露于親水的環境中時,其構象將變得更為緊密,由于HPMC的親水性比玉米醇溶蛋白強,它會降低玉米醇溶蛋白中α螺旋結構所占比例,增加未展開結構的含量,從而增加了面團的致密結構,導致無麩質饅頭的硬度開始增加[8-9]。

表4 HPMC對無麩質饅頭的影響Table 4 Effects of HPMC on gluten-free steamed bread

與XG相似,HPMC的添加顯著增加了無麩質饅頭的凝聚性,但是對無麩質饅頭的彈性影響不顯著。這是因為全玉米粉本身的黏聚能力較差,加入的HPMC能與淀粉、蛋白質、水等發生相互作用而增加了面團的黏度與凝聚性[24]。另外,全玉米粉中分散的直鏈淀粉與HPMC之間相互作用會增加無麩質面團體系糊化后的黏度[22,25]。當HPMC的添加量為0.5%時,無麩質饅頭的凝聚性達到最大值(0.48),隨著HPMC添加量的進一步增加,饅頭的凝聚性有所下降,但下降趨勢不明顯(P<0.05)。

HPMC的添加對無麩質饅頭的比容和高徑比沒有顯著影響。綜合加權評分結果顯示,當HPMC添加量為0.5%時,所得無麩質饅頭的綜合加權評分值最高36.73。呂秋冰等[4]的研究顯示,隨HPMC的增加,無麩質碎米饅頭的比容、彈性和咀嚼性呈先升高后降低的變化趨勢,且均在HPMC添加量為3.5%時出現峰值。試驗結果不同可能是由制作饅頭的原料不同所引起的。

2.4 水分對無麩質饅頭品質的影響

表1試驗組19～24考察了水分對無麩質饅頭品質的影響,結果見表5。隨著水分含量的增加,無麩質饅頭的硬度逐漸下降,并在82.5%時達最小值3.79。與水分含量較低(70.5%)的饅頭相比,硬度減小了39.17%。這可能歸因于3個方面的原因：其一,當面團含水量較少時,酵母生長不充分,面團發酵不徹底,導致無麩質饅頭的硬度較大,當水分含量適宜時,有利于酵母的生長繁殖,面團發酵充分,饅頭硬度降低[26]；其二,由于無麩質饅頭的主要原料是淀粉,所以淀粉的糊化也會對饅頭的質量產生顯著影響,只有當充足的水分存在時,淀粉的糊化才徹底[23]；其三,當面團體系中的水分含量合適時,菊粉、HPMC和XG與全玉米粉中的蛋白質、淀粉之間相互作用形成的三維網狀結構更加穩定,面團的持氣性更好,但當水分含量過多時,這種穩定結構會被削弱,導致無麩質面團結構發生塌陷,硬度增加[14,27]。

表5 水分對無麩質饅頭品質的影響Table 5 Influence of moisture on gluten-free steamed bread

隨著水分含量的逐漸增加,無麩質饅頭彈性顯著性增大。當水分含量達82.5%時,此時饅頭的彈性是水分含量為70.5%時的1.29倍；隨水分含量的進一步增加,彈性變化不顯著。研究發現,玉米醇溶蛋白的黏彈性與β-折疊二級結構的形成有關,在親水性的溶液體系中,隨含水量的增加玉米醇溶蛋白的α-螺旋結構減少,無規卷曲和β-折疊結構增加,從而能增加面團體系的黏彈性[28]。當水分含量為82.5%時,無麩質饅頭的比容達到最大值1.44 mL/g,與較低含水量(70.5%)的饅頭比容相比增加了13.4%。但是,隨著水分含量的進一步增加,無麩質饅頭的高徑比呈現逐漸減小的趨勢。這是因為面團的含水量過高則在其發酵過程中容易出現明顯的塌陷,導致面團的立體挺立狀態下降,饅頭的高徑比減小。由表5可知,當水分添加為82.5%時,無麩質饅頭的綜合加權評分值達到最大值49.24。

2.5 響應面結果與分析

根據上述試驗結果,將菊粉、HPMC、XG和水分含量設為自變量,每個自變量以綜合加權評分值最高的水平為中心,確定3個水平,采用Box-Behnken方案設計,綜合加權評分值設為響應值并進行響應面優化。響應面的編碼值以及響應面優化的試驗方案和結果分別見表6和表7。

表6 響應面水平編碼值表Table 6 Independent variables and respective coded levels

表7 響應面優化方案及響應值Table 7 Response surface optimization scheme and response values

利用Design-Expert軟件對表7中的響應值進行多元回歸擬合,可以得到無麩質饅頭綜合加權評分(Y)對菊粉(A)、XG(B)、HPMC(C)以及水分含量(D)的回歸方程,如公式(3)所示。對該回歸方程進行方差分析,結果如表8。

(3)

Y=32.38+6.4×A+4.32×B-4.52×C-6.4×D-5.01×A×B+3.03×A×C-9.71×A×D+3.09×B×C+5.69×B×D-4.38×C×D-17.26×A2-8.1×B2-7.48×C2-2.39×D2

根據表8,模型的P值<0.001,可知該模型有效。F值為10.59,失擬項P值為0.061 3(P>0.05),表示為不顯著。模型的負相關系數為0.913 7,說明僅有約9%的測量數據無法用該模型解釋。另外,由表8可知,在響應面優化試驗中,根據方差分析結果可知,菊粉、XG、HPMC及水分對無麩質饅頭品質的影響大小為：菊粉=水分>HPMC>XG。利用Design-Expert軟件進一步對多元回歸方程進行優化分析,最終得到利用菊粉、HPMC、XG和不同水含量制作玉米面無麩質饅頭的優化配方：菊粉添加11.01%、XG添加0.92%、HPMC添加0.51%、水分添加79.5%。

2.6 模型的驗證與結果分析

根據響應面的模型優化結果進行試驗驗證,當菊粉添加11.01%、XG添加0.92%、HPMC添加0.51%、水分添加79.5%時,模型預測值為40.62,實際測得綜合加權評分為39.70,誤差為2.32%,表示該回歸模型具有一定的可靠性。

表9為對照組與優化組無麩質饅頭在質構、色差、高徑比及比容等方面的差別。由圖1可知,對照組饅頭中間產生了明顯的溝壑狀孔洞,而優化組饅頭中間的氣孔結構均勻且豐富。這可能是因為對照組面團在發酵時由于缺乏面筋網絡結構,持氣性和延伸性差,面團無法包裹氣體,生產出的無麩質饅頭緊實疏松感差；而優化組饅頭由于菊粉、HPMC和XG三者間可形成類似面筋的凝膠網絡結構,賦予了面團在發酵時良好的持氣性,生產出的無麩質饅頭與由小麥面粉生產的饅頭質地相似。由表9可知,與對照組饅頭相比,優化組饅頭的硬度下降了17.8%、彈性增加了31.67%、凝聚性增加了136.36%、比容增加了44.04%。色差測定結果顯示,優化組饅頭(L*值為67.94)比對照組饅頭(L*值為60.60)具有更高的亮度,且優化組饅頭(b*值為47.47)比對照組饅頭(b*值為36.78)具有更高的黃度,表面更加鮮亮光滑。

表9 無麩質饅頭對照組與優化組結果對比Table 9 Comparison of blank and optimization results of gluten free steamed bread

3 結論

研究發現,以玉米面粉為主要原料,輔以菊粉、HPMC和XG等輔料制作無麩質饅頭是可行的,所生產的無麩質饅頭外表呈亮黃色,表皮光滑,內部具有疏松多孔的結構,與由小麥面粉生產的饅頭質地相似。無麩質饅頭的硬度隨菊粉添加量增加呈逐漸下降的趨勢,隨HPMC和XG的增加呈先減小后增大的趨勢,3者的添加對其彈性影響均不顯著。與不加菊粉相比,添加10%菊粉的無麩質饅頭的硬度減小了52.15%,比容增加了14.49%,高徑比增加了61.04%；與不添加HPMC的樣品相比,添加0.5%HPMC的無麩質饅頭的硬度減小了21.11%,凝聚性增加了39.39%；隨著XG含量的增加,無麩質饅頭的凝聚性也逐漸增大；添加一定量的水分可以顯著增加無麩質饅頭的彈性,降低其硬度,當水分從70.5%增加至82.5%時,無麩質饅頭的彈性增加了20.9%,硬度減小了39.17%。當在玉米粉中添加菊粉11.01%、黃原膠0.92%、HPMC 0.51%、水分79.5%時,所制得的無麩質饅頭綜合加權評分最高,具有較高的接受度,且富含菊粉膳食纖維。