發芽高粱無麩質蛋糕的制備及品質優化

張俊，張三杉，余夢玲，葉丹，雷激*

1(西華大學 食品與生物工程學院，四川 成都，610039)2(四川天味食品集團股份有限公司，四川 成都，610200)

麩質，即面筋蛋白，是小麥、黑麥、大麥、燕麥及其雜交種和衍生種中含有的一類蛋白質片段[1]。部分人群對麩質先天過敏，攝入含麩質的食品會破壞他們的腸道表皮細胞，從而誘發乳糜瀉疾病[2]。近年來，隨著病理學研究的深入和診斷手段的更新，我國乳糜瀉病發案例報道不斷增加，尤其是以小麥為主食的北方地區居民[3]。目前，治療乳糜瀉的唯一方式就是嚴格控制含麩質食品的攝入。國際食品法典委員會(Codex Alimentarius Commission，CAC) 規定，不含小麥(即所有小麥品種)、黑麥、大麥、燕麥及其雜交品系的食品組分所制成的食品；或者是含有上述組分，但經加工處理已去除麩質或麩質含量低于20 mg/kg即為無麩質食品[4]。

當前國外市場上已有較成熟的無麩質食品，而我國對無麩質食品的研究仍處于起步階段。高粱，不含麩質，是世界上產量僅次于稻米、小麥、玉米及大麥的第五大糧食作物，它不僅可為人體提供所需營養物質，還有一些保健功能。中醫認為，高粱性味甘、澀、溫，有和胃、消積、溫中、止瀉等功效，主治脾虛濕困、消化不良、小便不利等病癥[5]。但目前我國高粱仍以飼用和釀造為主，在食用方面仍停留于傳統的加工方式，利用價值較低。一方面是由于高粱自身抗營養因子單寧含量高、賴氨酸缺乏、蛋白質品質不佳以及食味性較差[6]，使其在食品方面的加工應用受到限制，加工技術的研究遠遠滯后于其他糧食作物。另一方面，高粱不含面筋蛋白，它的缺失會影響無麩質食品的成型，造成產品結構疏松，口感、質地以及感官品質較差。本課題組前期研究表明，將高粱發芽處理可提高氨基酸和γ-氨基丁酸含量，降低抗營養因子單寧和植酸含量，有效改善了高粱營養品質。因此，本實驗將發芽高粱粉用于制作無麩質蛋糕，并針對其缺乏面筋蛋白帶來的品質問題，探討大米粉和不同添加劑對無麩質蛋糕的品質改良作用，以期利用不同輔料和復合添加劑的協同增效作用，開發出一款健康美味的無麩質高粱蛋糕，為高粱在食品加工方面的應用及無麩質食品的開發提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

白高粱種子產自江蘇省沭陽縣新河鎮，市售；雞蛋、玉米油、大米粉，成都市沃爾瑪超市(紅光店)；大豆卵磷脂、羥丙基甲基纖維素(hydroxypropyl methyl cellulose，HPMC)，浙江一諾生物科技有限公司；木糖醇，山東龍力生物科技股份有限公司。

NDJ-1 旋轉黏度計，浙江力辰儀器科技有限公司；TA-XT2i質構儀，英國 Stable Micro System有限公司；DDQ-B01K1打蛋器，小熊電器股份有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 發芽高粱的制備

參考易翠平等[7]的高粱發芽實驗：挑選高粱籽粒，確保沒有破損顆粒和其他雜質。將浸泡20 h后的高粱用7.0%的H2O2溶液消毒15 min，再用去離子水反復沖洗。然后將高粱籽粒平鋪于雙層紗布之間，于30 ℃、無光條件下發芽48 h，為防止發霉，每隔12 h清洗高粱和紗布并灑水。發芽完成后置于40 ℃烘箱中干燥，待水分含量降至13%左右，取出粉碎過120目篩，于4 ℃冷藏保存、備用。

1.2.2 無麩質蛋糕配方及工藝流程

通過預實驗確定小麥粉蛋糕配方(對照1)：小麥粉100 g，玉米油30 g，雞蛋200 g，白砂糖60 g，牛奶50 g。

無麩質高粱蛋糕基礎配方(對照2)：高粱粉100 g，玉米油30 g，雞蛋200 g，白砂糖60 g，牛奶50 g。

無麩質高粱蛋糕改良配方：高粱粉與大米粉共100 g，玉米油30 g，雞蛋200 g，白砂糖與木糖醇共60 g，牛奶50 g，HPMC 0.3 g，大豆卵磷脂0.3 g。

工藝流程參照王雪[8]的蛋糕糊制作步驟，將得到的蛋糕面糊注模后置于蒸鍋中蒸制25 min。

1.2.3 無麩質蛋糕工藝配比優化設計

1.2.3.1 單因素試驗設計

按1.2.2的改良配方：

(1)固定木糖醇10 g, 改變大米粉添加量(0、10、20、30、40、50 g)，探討大米粉添加量對蛋糕面糊及蛋糕品質的影響。

(2)固定大米粉30 g，改變木糖醇添加量(0、10、20、30、40、50、60 g)，探討木糖醇添加量對蛋糕面糊及蛋糕品質的影響。

(3)固定大米粉30 g、木糖醇30 g，改變HPMC添加量(0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 g)，探討HPMC添加量對蛋糕面糊及蛋糕品質的影響。

(4)固定大米粉30 g、木糖醇30 g、HPMC 0.4 g，改變大豆卵磷脂添加量(0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 g)，探討大豆卵磷脂添加量對蛋糕面糊及蛋糕品質的影響。

1.2.3.2 正交試驗設計

在單因素試驗結果的基礎上，采用 L9(34)表通過正交試驗設計確定無麩質高粱蛋糕最佳工藝配方，實驗因素水平見表1。

表1 正交試驗因素水平表 單位：g

1.2.4 蛋糕面糊黏度測定

采用數字式黏度儀在室溫下測量蛋糕面糊黏度，選用2號轉子，轉速6 r/min，待讀數穩定時讀取蛋糕糊的黏度值。

1.2.5 蛋糕面糊密度測定

采用相對密度法[9]進行測定。按公式(1)計算：

(1)

式中：ρ，面糊密度，g/mL；m0，密度杯質量，g；m1，裝滿蒸餾水的密度杯質量，g；m2，裝滿面糊的密度杯質量，g；ρ水，水的密度為1.0 g/mL。

1.2.6 蛋糕比容的測定

采用油菜籽替換法[10]，將蒸制好的蛋糕在室溫下冷卻1 h后進行測定，按公式(2)計算：

(2)

式中：SV，蛋糕比容，mL/g；V，蛋糕體積，mL；m，蛋糕質量，g。

1.2.7 蛋糕質構的測定

蛋糕室溫冷卻1 h后，將其切成15 mm的正方體，采用 TA.XT2i 型質構儀進行TPA 測試。測定條件：探頭型號為P/36，測試前、中、后速度分別為1.0、3.0、1.0 mm/s，觸發感應力5 g，壓縮比40%。

1.2.8 蛋糕感官品質的測定

參照文獻[11]的方法，挑選10位經培訓的感官評定成員，采用九分評價法對蛋糕口感、柔軟度、外觀、色澤和整體可接受度5個指標進行評定。1為非常不喜歡，5為既不喜歡也不討厭，9為非常喜歡。

1.2.9 統計分析

所有實驗數據用Excel 2010分析處理，利用Origin 8.5作圖，通過SPSS 19.0進行顯著性檢驗(P<0.05)，結果以均值±標準差表示。

2 結果與討論

2.1 改良前無麩質高粱蛋糕與小麥粉蛋糕品質對比

由表2可知，高粱蛋糕(對照2)面糊的黏度和密度顯著(P<0.05)低于小麥蛋糕(對照1)面糊；高粱蛋糕比容略低于小麥粉蛋糕(P>0.05)，硬度和咀嚼性顯著高于小麥蛋糕(P<0.05)，需進一步改善；彈性優于小麥粉蛋糕；在感官品質上，高粱蛋糕口感、柔軟度、外觀、色澤以及整體可接受性均顯著低于小麥粉蛋糕。綜上所述，無麩質高粱基礎配方蛋糕與小麥粉蛋糕進行品質對比，發現無麩質高粱蛋糕相比小麥粉蛋糕存在較多不足之處，還需進一步的改良。

表2 無麩質高粱蛋糕與小麥粉蛋糕品質對比Table 2 Quality comparison between gluten-free sorghum cake and wheat cake

2.2 改良無麩質高粱蛋糕制作工藝及配方單因素分析

2.2.1 大米粉添加量對高粱蛋糕品質的影響

大米是目前應用最多的優質無麩質原料之一，將其與其他無麩質原料復合使用可改善產品品質特性。由圖1可知，隨著大米粉添加量的增加，蛋糕面糊黏度和密度都呈先降后升的趨勢。這可能是因為高粱中粗纖維含量較米粉高，保水性好[12]，米粉添加后纖維含量相對降低，保水性減弱，導致水分溢出，面糊流動性變大，黏度降低(P>0.05)；發芽高粱粉淀粉含量較低，隨著大米粉添加量的繼續增大，淀粉比例增加，使得面糊黏度增加(P<0.05)。面糊的黏度會影響面糊中氣泡的移動和融合，進而影響面糊密度，面糊黏度過低，流動性變大，進而引起面糊消泡，導致面糊密度增加；面糊黏度過大，蛋白霜內部氣泡難以融入蛋黃糊中，使得面糊內部氣泡量減少，從而導致其密度的增加[8]。面糊密度體現雞蛋液混合面粉、油、水攪拌過程中的持氣和充氣能力，進而影響蛋糕的比容[13]。

圖1 大米粉添加量對高粱蛋糕面糊品質的影響Fig.1 Effect of rice flour on the quality of sorghum cake batter

由表3可知，隨著大米粉添加量的增加，蛋糕比容先增后降，大米粉添加量為30 g時，比容最大為2.838 2 mL/g。比容越大，單位質量蛋糕的體積越大，蛋糕越松軟。質構特性包括硬度、彈性、咀嚼性等指標，是衡量蛋糕品質的重要指標。硬度和咀嚼性越低，蛋糕越松軟，口感越好；彈性表示蛋糕變形后能恢復的程度，彈性越大，蛋糕越柔軟。隨著大米粉添加量的增加，彈性先升后降，硬度和咀嚼性正好相反，這是因為適量的米粉添加可提高蛋糕糊的起泡性和泡沫穩定性[14]；當大米粉添加過多，淀粉含量增大會使面糊的黏度增加，大量的蛋白質分子會吸附到界面上較難展開，進而影響攪打時蛋白質形成較大界面面積和泡沫體積的能力，使蛋糕硬度增大[15]。同時，過多的淀粉會降低蛋白的起泡性，蛋糕面糊內泡沫減少，從而使得蛋糕彈性變差。

表3 大米粉添加量對高粱蛋糕比容和質構特性的影響

如圖2所示，適當的大米粉添加量可改善高粱蛋糕品質，但添加量過高，品質出現了下降趨勢。大米粉添加量對蛋糕口感、柔軟度、外觀和色澤均有很大的影響，添加量為30 g時，高粱蛋糕整體可接受性最高為7.6分。口感和柔軟度與蛋糕質構有一定的相關性，硬度越低、彈性越大，蛋糕更加松軟可口；與高粱粉相比，大米粉色澤光潔，可改善蛋糕色澤；外觀的變化可能與面糊黏度相關，面糊黏度過大，蛋糕硬度增加，表面出現細微裂紋；面糊黏度過低，蒸制過程中會造成氣泡上浮到表面并很快逸出，不利于蛋糕組織結構的形成，蛋糕表面塌陷，形狀不規整。

圖2 大米粉添加量對高粱蛋糕感官評分的影響Fig.2 Effect of rice flour on sensory score of sorghum cake

綜上所述，大米粉添加量為30 g(大米粉與發芽高粱粉共100 g)時，高粱蛋糕感官整體可接受性最高，比容最大，質構特性較好。

2.2.2 木糖醇添加量對高粱蛋糕品質的影響

木糖醇是目前市場上最常用的功能性糖醇，熱量較低，甜度與白砂糖相當，它還可通過影響蛋液功能特性來改善蛋糕面糊以及蛋糕產品品質[16]。由圖3可知，隨著木糖醇添加量增加，面糊黏度下降，密度先降后升。與蔗糖相比，糖醇黏度較低，添加木糖醇后，相同攪打條件下，會降低雞蛋液黏度，但不影響起泡性和泡沫穩定性，在攪拌過程中有利于氣體充分進入到面糊體系中，并能夠較好的保持[16]，密度也隨之下降；但面糊黏度過低，會造成面糊持氣性和穩定性下降，面糊密度增加[17]。

圖3 木糖醇添加量對高粱蛋糕面糊品質的影響Fig.3 Effect of xylitol on the quality of sorghum cake batter

表4是高粱蛋糕比容和質構測定結果。隨著木糖醇添加量的增加，比容先增后降，木糖醇添加30 g時，比容最大為2.865 4 mL/g。但木糖醇添加過多，過低的面糊黏度會降低面糊的持氣性，使得蒸制過程中氣泡在浮力的作用下不斷上浮并逸出表面；面糊黏度過低，氣泡上升速度就大，影響蛋糕結構的形成，因而蛋糕比容減小[18]，彈性也因此下降。質構測定結果發現高粱蛋糕彈性呈先升后降的趨勢，硬度呈波動上升趨勢，這可能是因為添加木糖醇后，雞蛋液受熱形成凝膠的硬度增加引起的[16]；咀嚼性無顯著變化(P>0.05)。

表4 木糖醇添加量對高粱蛋糕比容和質構特性的影響Table 4 Effect of xylitol on specific volume and texture characteristics of sorghum cake

由圖4可知，適當的添加木糖醇，蛋糕整體可接受性提高，添加量為30 g時，整體可接受性最高為7.9分。木糖醇的添加對蛋糕色澤無明顯影響(P>0.05)；口感和柔軟度與蛋糕比容和彈性變化趨勢基本一致，比容和彈性越大，蛋糕的口感和柔軟度也更好；外觀在開始無太大變化，之后可能是因為過量木糖醇使黏度過低導致蒸制過程中氣泡逸出，蛋糕塌陷，形狀不規整。綜上所述，木糖醇添加量為30 g(白砂糖與木糖醇共60 g)時，高粱蛋糕感官整體可接受性最高，比容最大，質構特性較好。

圖4 木糖醇添加量對高粱蛋糕感官評分的影響Fig.4 Effect of xylitol on sensory score of sorghum cake

2.2.3 HPMC添加量對高粱蛋糕品質的影響

親水性膠體可模擬面筋蛋白網絡以增強黏彈性，從而彌補無麩質食品中面筋缺乏帶來的不良影響。如圖5所示，隨著親水膠體HPMC添加量的增加，面糊黏度顯著上升(P<0.05)，密度先下降后升高。這是因為HPMC與淀粉鏈結構相似，相容性好；且HPMC具有良好的持水性和黏稠性，能黏結淀粉顆粒并降低其流動性，使得面糊黏度增加[19]。適當的面糊黏度可降低面糊密度；當HPMC添加過多，面糊太過黏稠，限制氣泡的膨脹，面糊密度增大[20]。

圖5 HPMC添加量對高粱蛋糕面糊品質的影響Fig.5 Effect of HPMC on quality of sorghum cake batter

高粱蛋糕比容和質構特性變化如表5所示，適當添加HPMC有助于增加蛋糕比容，添加量為0.4 g時，比容最大為2.925 1 mL/g。這是因為HPMC屬于纖維素衍生物類親水膠體，具有結晶的網絡結構，能夠較好地保持面糊中的氣體，避免蒸制過程中氣泡的擴散消失，以保證蛋糕具有更高的比容；但是，當HPMC添加量超過0.4 g，由于其吸水性和黏稠性太強，使得高粱蛋糕在蒸制過程中難以膨脹，比容降低[21]。隨著HPMC添加量增加，彈性先上升后下降，硬度和咀嚼性呈相反趨勢。這說明適量添加HPMC可以改善高粱蛋糕質構特性；添加量超過0.4 g之后，由于黏度過高，蛋糕糊中融入的氣泡減少和淀粉糊化程度降低[22]等原因間接導致蛋糕硬度的增加。

表5 HPMC添加量對高粱蛋糕比容和質構特性的影響

圖6 HPMC添加量對高粱蛋糕感官評分的影響Fig.6 Effect of HPMC on sensory score of sorghum cake

圖7 大豆卵磷脂添加量對高粱蛋糕面糊品質的影響Fig.7 Effect of soybean lecithin on quality of sorghum cake batter

添加HPMC后高粱蛋糕感官品質的變化如圖6所示，適當添加HPMC有利于提高高粱蛋糕感官品質，添加量為0.4 g時，蛋糕整體可接受性最高為8.2分。不同HPMC添加量的高粱蛋糕色澤沒有明顯差異(P>0.05)；口感、柔軟度的變化同樣和比容和彈性變化趨勢一致；外觀得分先增后降，這與大米粉添加量變化造成蛋糕外觀變化的原因一致，與面糊黏度有關。綜上所述，HPMC添加量為0.4 g時，高粱蛋糕感官整體可接受性最高，比容最大，質構特性較好。

2.2.4 大豆卵磷脂添加量對高粱蛋糕品質的影響

乳化劑是一種表面活性物質，具有促進乳液或充氣食品穩定的作用。在烘焙行業中，大豆卵磷脂是常見的一種乳化劑。如圖7所示，隨著大豆卵磷脂添加量的增加，面糊黏度不斷增加(P<0.05)，這是因為乳化劑的添加能夠增強與水的結合能力，減少游離水的含量，從而減低面糊流動性，面糊黏度增加[23]；這將有助于面糊在攪拌過程中充氣，并降低泡沫從面糊中擴散出來的速度，有助于提高泡沫的穩定性，這也正是密度下降的原因。另外，乳化劑可以通過降低液相和氣相之間的張力來輔助曝氣，從而減少產生更大的界面面積所需的能量，有利于泡沫的形成和穩定[24]，使得面糊密度下降。

在蛋糕加工中，乳化劑可以促進油脂乳化分散，使產品體積膨脹，結構疏松[18]。不同的乳化劑添加量會影響蛋糕品質，若添加量較低，雞蛋蛋白分子與乳化劑分子在水和空氣界面上會相互競爭、難以相容，從而降低蛋白的起泡性，泡沫穩定性也會下降；乳化劑添加量過高，會增大面糊體系的內聚力，不利于蛋糕組織結構的形成，體積反而會有所降低[25]。而適宜的添加量會使乳化劑分子在空氣-水界面上形成完整緊密的膜層，在膜層外面再覆蓋一層蛋白質分子，這種雙重膜層的泡沫結構具有更好的穩定性，即使受到不斷攪打，泡沫也不易破裂消失，保證蛋糕具有較高的比容[26]。如表6所示，比容隨著大豆卵磷脂添加量的增加而增加，添加量為0.5 g時比容最大為3.035 8 mL/g；添加量超過0.5 g之后，比容有所下降。蛋糕硬度和咀嚼性呈下降趨勢，彈性增加，添加量為0.5 g時彈性最大，這可能是因為乳化劑與淀粉形成復合物，降低了淀粉的吸水溶脹能力，糊化溫度升高，使得體系中的大量水分向蛋白質遷移，從而增加蛋糕的柔軟性[9]。

表6 大豆卵磷脂添加量對高粱蛋糕比容和質構特性的影響

圖8 大豆卵磷脂添加量對高粱蛋糕感官評分的影響Fig.8 Effect of soybean lecithin on sensory score of sorghum cake

乳化劑能改善體系各組分間的表面張力，使之形成均勻分散的乳化體，從而改善食品的組織結構、口感和外觀。如圖8所示，大豆卵磷脂添加量為0.5 g時，感官整體可接受性最高為8.4分。色澤依然無明顯變化；口感、柔軟度與蛋糕比容和彈性有關，比容和彈性越大，蛋糕的口感和柔軟度也更好；外觀的變化依然與黏度有一定關系。綜上所述，大豆卵磷脂添加量為0.5 g時，高粱蛋糕感官整體可接受性最高，比容最大，質構特性較好。

2.3 無麩質高粱蛋糕工藝配方多因素分析

在單因素試驗的基礎上得出大米粉、木糖醇、HPMC和大豆卵磷脂的最佳添加比例，將這4個因素進行 L9(34)正交試驗，以蛋糕比容和感官整體可接受度為標準進行研究，實驗結果見表7。

通常來說，硬度和咀嚼性與蛋糕品質呈負相關，硬度、咀嚼性越小，蛋糕越松軟可口，品質越好；彈性與蛋糕品質呈正相關，彈性越大，蛋糕松軟度越高，比容增大[27]。因此，正交試驗以比容和感官整體可接受性為指標確定高粱蛋糕最佳工藝配方。由表7可以看出，各因素對高粱蛋糕比容和感官整體可接受性影響的主次順序為D>C>A>B，即大豆卵磷脂添加量對比容和感官整體可接受性的影響最大，其次是HPMC和大米粉，木糖醇的影響最小。各因素對比容影響的最優水平組合為A3B1C2D2，即大米粉40 g，木糖醇20 g，HPMC 0.4 g，大豆卵磷脂0.5 g；各因素對感官整體可接受性影響的最優水平組合為A3B1C2D3，即大米粉40 g，木糖醇20 g，HPMC 0.4 g，大豆卵磷脂0.6 g。

由于上述兩組最優組合并不在9次實驗中，需對其進行驗證。分別按照最優水平組合A3B1C2D2和A3B1C2D3制作高粱蛋糕，測定其比容和感官品質，比容和感官整體可接受性分別為3.081 3 mL/g、8.5分和3.032 4 mL/g、8.3分，兩者之間沒有明顯的差異。綜合考慮各因素對高粱蛋糕比容和感官品質的影響，最終確定無麩質高粱蛋糕工藝配方最優配比為A3B1C2D2，即大米粉40 g，木糖醇20 g，HPMC 0.4 g，大豆卵磷脂0.5 g。在此工藝條件下做驗證實驗，蛋糕松軟、比容大；表面色澤均勻，外形規整；口感綿軟、細膩，無粗糙感，略有大米的米香味，其比容和感官整體可接受性均高于改良前的高粱蛋糕(2.621 3 mL/g、7.1分)(P<0.05)，而略低于此配方下的常規小麥粉蛋糕(3.103 7 mL/g、8.7分)，但差異不大(P>0.05)。

表7 正交試驗結果Table 7 Orthogonal experiment results

3 結論

針對發芽高粱蛋糕與普通小麥粉蛋糕之間的差距，選擇添加大米粉、木糖醇、HPMC和大豆卵磷脂對無麩質高粱蛋糕進行品質改良。結果表明，適量的大米粉和3種添加劑可增大蛋糕比容和彈性，降低硬度，產品感官整體可接受性提高，但添加量過大會造成面糊黏度和密度變化而引起蛋糕品質下降。無麩質高粱蛋糕的最佳配方為：大米粉40 g，發芽高粱粉60 g，木糖醇20 g，白砂糖40 g，HPMC 0.4 g，大豆卵磷脂0.5 g，玉米油30 g，雞蛋200 g，牛奶50 g。以此配方制得的無麩質高粱蛋糕松軟、比容大；表面色澤均勻，外形規整；口感綿軟、細膩，無粗糙感，略有大米的米香味。相比改良前，蛋糕比容和感官整體可接受性增加，與此配方下的常規小麥粉蛋糕無顯著差異，說明將大米粉和3種添加劑復合添加到無麩質高粱蛋糕中具有良好的效果，顯著改善了蛋糕品質。