天津科技大学郭庆彬教授等：部分水解瓜尔胶的酶法制备及其对面包烘焙特性的影响

面包是一种常见的主食及休闲食品,多由精制的小麦粉制成,膳食纤维含量低。随着饮食精细化程度的上升,人们越发关注膳食均衡和膳食纤维的摄入^[1]。膳食纤维的补充有利于降低机体胆固醇水平、调节血糖及增强免疫力^[2]。研究表明,在面包中添加膳食纤维,可以强化面包营养价值,改善风味与品质^[3]。

瓜尔胶(guar gum,GG)是一种重要的多糖类膳食纤维,具有高分子质量、高黏度等特性^[4]。GG主链由D-甘露糖残基经β-1, 4 糖苷键连接而成,侧链由D-半乳糖残基通过α-1, 6 糖苷键连接在主链上,甘露糖和半乳糖的物质的量比为2∶1^[5]。GG具有良好的水溶性、增稠性和胶凝特性,可以作为体系稳定剂、增稠剂和改进剂,广泛应用于烘焙制品、饮料等众多食品中^[6]。但由于GG分子质量大、黏度高,难以充分发挥膳食纤维的功能,而且会对食品的感官品质和加工性能造成不利影响。因此,需要对GG进行酶解,制备分子质量较低的部分水解瓜尔胶(partially hydrolyzed guar gum,PHGG),以提高GG在食品工业中的应用价值。

PHGG是一种低分子质量、低黏度的水溶性膳食纤维,其分子结构与GG相似,表现出和GG相似的生理功能^[7]。PHGG无色、无味,可溶性膳食纤维含量达到80%,添加到食品中不会影响食品原本的色泽、气味和口感,是开发强化膳食纤维食品的独特功能成分^[8]。在强化和富集膳食纤维的同时,PHGG可以改善食品的加工特性。Mudgil等^[9]发现,PHGG可以提高小麦面团体系的吸水率和淀粉糊化率,增加面团的黏弹性。胡慧芳等^[10]发现,添加适量的PHGG能延长面团的形成时间和稳定时间,并显著延缓馒头老化。Hussain等^[11]在酸奶中添加PHGG,可以提高酸奶的酸度,促进2种双歧杆菌的增殖。Mary等^[12]的研究也证实,PHGG的加入改善了酸奶的流变、质地和理化性能,提高了产品竞争力。目前,PHGG用于食品的研究多集中于面粉和乳制品,关于PHGG影响面包烘焙特性的研究相对较少。

研究拟通过酶解、喷雾干燥技术制备PHGG,对GG和PHGG的基本理化指标进行对比。将不同质量分数(0、0.5%、2.5%、4.5%)的PHGG添加到面粉中,经面团发酵后烘焙,研究PHGG对面包烘焙品质、储藏特性和感官评价的影响,旨在为开发高膳食纤维含量的烘焙产品提供参考。

1.1 材料与试剂

GG、β-甘露聚糖酶(酶活8 000 U/g),杭州保安康生物技术有限公司;DNS试剂(分析纯),上海远慕生物科技有限公司;BCA蛋白浓度试剂盒,北京索莱宝生物科技有限公司;硝酸钠(分析纯),天津市化学试剂一厂。

小麦面粉,天津市明耀超市;耐高糖酵母,安琪酵母股份有限公司;日晒自然盐,中盐上海市盐业有限公司;食用油,西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司;实验用水为蒸馏水。

1.2 仪器与设备

H9KT05008型磁力搅拌器,美国Thermo公司;RE-2000型旋转蒸发仪,上海亚荣仪器厂;YC-015型喷雾干燥机,上海雅程仪器设备有限公司;SU1510型真空干燥箱,日立(中国)有限公司;NDJ-8S型黏度计,上海力辰邦西仪器科技有限公司;马弗炉,北京宏大博宇科技有限公司;Infinite 200Pro型酶标仪,上海安景科技有限公司;LC-20A型示差高效液相色谱仪,日本岛津公司;ESC1510型摩卡面包机,美的集团股份有限公司;K35FK602型苏泊尔电烤箱,浙江苏泊尔股份有限公司;Alpha 1-2 Ldplus型色差仪,德国 Marin Christ 公司;TA.XT plus型质构仪,英国 Stable Micro System 公司;Kjeltec 8400型低场核磁共振成像分析仪,丹麦福斯集团公司;DSC Q20型差示扫描量热仪(differential scanning calorimetry,DSC),美国TA公司。

1.3 实验方法

1.3.1 PHGG粉的制备

参考Mudgil等^[13]的研究方法并稍加修改。称取β-甘露聚糖酶,在45 ℃条件下溶于蒸馏水,持续搅拌使其充分溶解,分别过4层与8层纱布且离心,得到均匀澄清酶液。将酶液的pH值调至5.49,预热到57 ℃,向酶液中加入质量浓度为10 g/mL的GG,充分搅拌,使GG与酶液充分反应3.1 h。反应结束后,立即沸水浴15 min灭酶活,得到PHGG酶解液。通过旋转蒸发仪将PHGG酶解液的固形物含量浓缩至6.44%,在进风温度185 ℃、进料速度7.5 mL/min的参数下进行喷雾干燥,得到PHGG粉,置于干燥器中备用。

1.3.2 GG与PHGG理化性质测定

1.3.2.1 水分含量测定

水分含量测定参考GB 5009.3—2016 《食品安全国家标准 食品中水分的测定》。

1.3.2.2 黏度测定

用蒸馏水分别配制质量浓度为1 g/mL的GG和5 g/mL的PHGG溶液,持续搅拌24 h,张角百分比在50%时测定GG和PHGG的表观黏度。

1.3.2.3 灰分含量测定

灰分含量测定参考GB 5009.4—2016 《食品安全国家标准 食品中灰分的测定》。

1.3.2.4 蛋白质含量测定

采用BCA蛋白浓度试剂盒测定GG和PHGG的蛋白质含量。

1.3.2.5 还原糖含量测定

还原糖含量测定参考GB 5009.7—2016 《食品安全国家标准 食品中还原糖的测定》。

1.3.3 GG与PHGG分子质量测定

参照Lin等^[14]的方法并稍加修改。流动相在40 kHz工作频率、480 kW功率下超声30 min。将GG和PHGG粉溶于流动相,配制成1 mg/mL的溶液,充分溶解后,过0.22 μm水系滤膜,收集滤液,测定分子质量。色谱条件:色谱柱为Ultrahydrogel^TM 500 column和Ultrahydrogel^TM DP 120A column水溶性凝胶柱串联,保护柱为Ultrahydrogel^TM DP guard column,柱温40 ℃,流动相为0.1 mol/L硝酸钠溶液,流速0.6 mL/min,进样量20 μL。

1.3.4 PHGG对面包烘焙品质的影响

1.3.4.1 面包制备

按照质量分数0、0.5%、2.5%、4.5%的比例将PHGG粉添加到小麦面粉中,混合均匀备用,不添加PHGG的小麦面粉为对照组。

取100 g混合面粉,依次加入耐高糖酵母1.2 g、食盐1.2 g和温水60 mL,搅拌均匀,再加入4 g油搅拌成团,并分割整形,获得(25.0±0.1)g面团,然后醒发(温度37 ℃、湿度80%,1 h)、焙烤(上、下火180 ℃,18 min),冷却后备用。

1.3.4.2 面包比容的测定

面包烘焙好后冷却至室温,称重。采用小米置换法测量面包体积。比容计算见式(1)。

(1)

式(1)中,SV为面包比容;V为烘焙后冷却至室温的面包体积,mL;m为烘焙后冷却至室温的面包质量,g。

1.3.4.3 面包烘焙损失率的测定

参考imek等^[15]的方法,利用电子天平测定发酵后面团的质量,然后将烘焙后的面包冷却至室温,脱模称重。烘焙损失率计算见式(2)。

烘焙损失率

(2)

式(2)中,m₁为烘焙前加入模具的面团质量,g;m₂为烘焙后冷却至室温的面包质量,g。

1.3.4.4 面包色泽的测定

采用白板对色差仪进行校正。将需要测定的面包皮和面包芯依次对准检测孔,启动仪器测量L^*值、a^*值、b^*值。每个样品测3次,结果取平均值。样品组与对照组间的总色泽差值以ΔE表示,计算见式(3)。

(3)

1.3.5 PHGG对面包储藏特性的影响

1.3.5.1 面包水分含量的测定

将烘焙好的面包密封完整,4 ℃下储藏,分别于第1、7 天取样。参照GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》规定的方法测定面包芯的水分含量,取样时以面包中心部位为准,平行取3个样品。

1.3.5.2 面包质构的测定

参考Nawrocka等^[16]的方法并略加修改。将烘焙好的面包密封完整,4 ℃下储藏,分别于第1、7天取样。将不同储藏时间点的面包切割成30 mm×25 mm×5 mm的均匀薄片,采用质构仪进行TPA全质构分析。实验参数设定:探头P/100,测前速度1 mm/s,测试速度1.7 mm/s,测后速度10 mm/s,压缩程度75%,触发力0.004 9 N。面包质构特性指标包括:硬度、胶黏性、咀嚼性、回复性以及内聚性。

1.3.5.3 面包水分分布及迁移情况的测试

将烘焙好的面包密封完整,4 ℃下储藏,分别于第1、7天取样。准确取小块同等质量的面包芯样品,放在核磁管内,采用CPMG脉冲序列测试面包水分分布及迁移情况。实验参数:连续扫描的持续时间10 000 ms,回波时间0.2 ms,回波数2500,扫描次数16。

1.3.5.4 面包糊化焓的测定

参考Nawrocka等^[16]的方法并稍加修改。将烘焙好的面包密封完整,4 ℃下储藏,分别于第1、7天取样。将面包芯冷冻干燥,研磨成粉。准确称取6.0 mg面包芯粉于小坩埚中,加3 mL超纯水,密封,平衡过夜,采用差示扫描量热仪测定面包的糊化焓。实验参数:流速50 mL/min,升温速率10 ℃/min,温度范围20～120 ℃。

1.3.6 面包的感官评价

面包烘焙后,自然冷却至室温。建立由10人组成的感官评价小组,根据九分嗜好评分法,对面包的外观、色泽、风味、口感和整体可接受度5个方面进行评分,评价分值满分为9分。所得结果去除最大值和最小值后,取平均值。面包的感官评分标准见表1。

表1 面包的感官评分标准

Tab.1 Sensory rating criteria of bread

1.4 数据处理

采用Excel 2010 软件进行数据处理;用Origin 2022软件对数据进行分析和绘图。实验结果用平均值±标准偏差表示,并用IBM SPSS Statistics 26.0软件进行显著性分析,P<0.05时存在显著性差异。

2.1 PHGG理化组成分析

GG和PHGG的理化组成见表2。结果表明,GG经过β-甘露聚糖酶酶解后,分子质量、黏度及蛋白质含量降低,而灰分和还原糖含量显著增加。黏度的下降与分子质量有关,酶解导致GG主链断裂,链长缩短,分子质量降低,黏度随之下降。水分含量的降低可能是由于喷雾干燥的高温环境造成了水分蒸发。PHGG的蛋白质含量低于GG,可能是蛋白质的不溶性导致的。在去除酶解液杂质过程中,GG中的蛋白质从水溶性的PHGG中除去,因此,蛋白质含量降低。还原糖含量显著增加,是酶解过程中,GG分子的主链在β-甘露聚糖酶的作用下发生断裂,暴露出更多的还原性末端引起的,这与Mudgil等^[8]的报道结果一致。

表2 GG和PHGG的理化组成

Tab.2 Physicochemical composition of GG and PHGG

2.2 PHGG添加量对面包烘焙品质的影响

2.2.1 PHGG添加量对面包比容和烘焙损失率的影响

不同添加量PHGG对面包比容和烘焙损失率的影响见图1。由图1可以看出,随着PHGG添加量的增加,面包比容无显著变化;但烘焙损失率显著降低,且在PHGG添加量为质量分数2.5%时达到平稳。这是因为PHGG作为一种膳食纤维,含有大量亲水性基团,会吸收水分^[17],因此在焙烤时减少了面包的水分蒸发。

不同小写字母表示相同指标在不同PHGG添加量时数据差异显著(P<0.05)。

图1 不同添加量的PHGG对面包比容和烘焙损失率的影响

Fig.1 Effect of different dosages of PHGG on bread specific volume and baking loss rate

2.2.2 PHGG添加量对面包色度的影响

不同添加量PHGG对面包皮和面包芯色度的影响见表3。PHGG质量分数为0、0.5%、2.5%和4.5%时面包色泽变化见图2。随着PHGG添加量的增加,面包皮的L^*值从对照组的68.93±0.86降至57.82±1.13,面包芯的L^*值从对照组的80.61±2.67降至75.93±1.40,表明PHGG显著降低了面包表皮和内芯的亮度,且面包皮L^*值降低的幅度较大。a^*值和b^*值随PHGG添加量的增加逐渐上升,表明PHGG的添加使面包的色泽更倾向于红色和黄色。这一结果与产品呈现的色泽相符(图2)。这可能是由于面包在高温烘焙过程中,PHGG与氨基酸或者蛋白质之间发生美拉德反应和焦糖化反应,从而使面包呈现很好的棕黄色^[18]。

图2 不同PHGG添加量的面包色泽

Fig.2 Bread color with different dosages of PHGG

表3 不同添加量的PHGG对面包色度的影响

Tab.3 Effect of different dosages of PHGG on bread chromaticity

不同小写字母表示同一样品在不同PHGG添加量时的数据差异显著(P<0.05)。

色差值ΔE反映了各组面包间的颜色差异大小,ΔE越大,肉眼越能明显观察到色泽的变化^[19]。由表3可得,PHGG添加量(质量分数)为2.5%、4.5%的面包皮的ΔE分别为8.23、13.26。结果表明,与对照组相比,添加量为质量分数2.5%和4.5%的PHGG对面包皮的色泽有明显的影响。

2.3 PHGG添加量对面包储藏特性的影响

2.3.1 PHGG添加量对储藏期面包水分含量的影响

不同添加量PHGG对储藏期面包水分含量的影响见表4。4组面包的水分含量在储藏1～7 d均呈下降趋势。储藏1 d时,与对照组相比,PHGG添加量为质量分数4.5%的面包水分含量最高。储藏7 d时,PHGG组面包的水分含量均高于对照组。其中,添加量(质量分数)为2.5%的面包水分含量最高,保水率也最高,分别为(32.55±0.50)%和(85.58±4.15)%。结果表明,在7 d储藏期内,添加PHGG可以提高面包的持水性和保水性。而PHGG添加量过高,可能会阻碍面筋蛋白的形成,降低吸水率^[20],从而导致添加量(质量分数)为4.5%的面包保水率下降。

表4 不同添加量的PHGG对储藏期面包水分的影响

Tab.4 Effect of different dosages of PHGG on bread moisture during storage

不同小写字母表示同列数据差异显著(P<0.05)。

2.3.2 PHGG添加量对储藏期面包质构特性的影响

面包硬度、胶黏性、内聚性受面团中蛋白质含量、面筋含量等成分影响,决定着面包的质量及口感等^[21]。不同添加量PHGG对储藏期面包质构特性的影响见表5。面包的5个指标在储藏7 d内呈波动变化趋势。储藏1 d时,与对照组相比,PHGG 的添加增加了面包的硬度、咀嚼性和胶黏性,降低了内聚性和回复性。储藏7 d时,与对照组相比,PHGG的添加对面包硬度、咀嚼性和胶黏性影响不明显,提高了面包的内聚性和回复性。其中,PHGG添加量为4.5%的面包内聚性和回复性最大,分别为0.65±0.02和0.35±0.03。结果表明,在7 d储藏期内,PHGG可提高面包的内聚性和回复性,使面包的抗形变能力和形变恢复能力增强。PHGG面包内聚性和回复性增加的原因,可能是由于面筋蛋白网络结构受到一定影响。PHGG中含有较多的亲水性基团,随着PHGG添加量的增加,越来越多的水分与PHGG结合,使面筋蛋白结合水量减少,蛋白质胶粒的相对浓度增加,分子基团结合更紧密^[22]。

表5 不同添加量的PHGG对储藏期面包质构特性的影响

Tab.5 Effect of different dosages of PHGG on texture characteristics of bread during storage

不同小写字母表示在同一时间不同PHGG添加量时数据差异显著(P<0.05)。

2.3.3 PHGG添加量对储藏期内面包水分分布与迁移的影响

利用低分辨率¹H NMR测量了不同添加量的PHGG面包储藏期的内部水分分布与迁移情况。PHGG添加量对储藏期面包T₂的影响见图3,横轴表示样品中水分的可移动性,纵轴表示对应弛豫时间下氢质子信号强度,峰面积表示对应种类水分的相对含量^[23]。图3中每个曲线上都有3个弛豫峰,代表着样品中水分存在的3种形态:T₂₁表示强结合水(弛豫时间为0.01～1 ms),T₂₂表示弱结合水(弛豫时间为1～12 ms),T₂₃表示自由水(弛豫时间为40～250 ms)。T₂越小,水分的可移动性越低,表示水分与其他物质的结合力越强^[23]。储藏7 d时,T₂₂弛豫时间峰向左移动(弛豫时间减小),表明质量分数为4.5%的PHGG的添加可增强面包内部弱结合水与其他物质的结合力,有研究指出,这可能与蛋白质之间的聚集有关^[24],具体原因和作用机制还需要进行深入研究。

图3 不同添加量的PHGG对储藏期面包T₂的影响

Fig.3 Effect of different dosages of PHGG on bread T₂ during storage

各状态水分的峰面积(A₂)见表6。随着储藏时间的延长,A₂₁整体呈下降趋势,A₂₂呈上升趋势。这种变化的原因是面包内部不同种类水分的迁移和重新分布,可能与储藏期内淀粉结晶的产生有关^[25]。在同一储藏期内,各质子的峰面积占比存在差异。与对照组相比,3个PHGG组面包的A₂₁下降,添加质量分数为0.5%和2.5%的PHGG面包中A₂₂上升(储藏1 d),添加质量分数为4.5%的PHGG面包中A₂₃上升(储藏7 d),表明PHGG促进面包内部的强结合水向弱结合水或自由水转变,这与彭博^[22]和Wang等^[26]的结果一致。

表6 储藏期内面包各状态水的峰面积比值

Tab.6 Ratio of peak areas of water content in different states of bread during storage

A₂₁为强结合水的峰面积占比;A₂₂为弱结合水的峰面积占比;A₂₃为自由水的峰面积占比。

2.3.4 PHGG添加量对储藏期内面包老化的影响

面包的变质与面包内淀粉的老化相关。60～120 ℃出现的吸热峰为支链淀粉回生的融解峰,峰面积大小为面包的糊化焓,可反映淀粉的老化程度^[16]。PHGG添加量对面包糊化焓(ΔH)的影响见表7。由表7可知,随着储藏时间的延长,4组面包的ΔH均增大,表明面包老化程度逐渐加深。在同一储藏期,PHGG添加量对面包老化程度的影响也有所不同。储藏1 d时,PHGG的添加增加了面包的ΔH;储藏7 d时,PHGG的添加降低了面包的ΔH,且ΔH随着PHGG添加量的增加而下降,其中PHGG添加量为质量分数4.5%的面包ΔH由对照组的(0.87±0.08) J/g降至(0.38±0.32) J/g,表明 PHGG 在短期储藏中能够抑制淀粉的老化,延缓面包变质。添加质量分数2.5%的PHGG对面包的老化无显著改善作用,可能与其含水量最高有关。含水量越高,水分迁移越快,淀粉溶液中的分子碰撞机会增大,从而易于老化的发生^[27]。而PHGG添加量为质量分数4.5%的面包含水量虽高于添加量0.5%的面包,却能显著抑制面包老化,可能是由于较高的PHGG添加量促进了面包内部强结合水转变为自由水,阻碍了淀粉与水分结合形成结晶^[28]。

表7 不同添加量的PHGG对储藏期面包老化的影响

Tab.7 Effect of different dosages of PHGG on bread aging during storage

不同小写字母表示同一时间不同PHGG添加量时数据差异显著(P<0.05)。

2.4 PHGG添加量对面包感官评价的影响

面包的色泽、口感、风味和整体可接受度反映人们对产品的主观感受和喜爱程度^[29]。面包的感官评价雷达图见图4,PHGG添加量对面包感官评价的影响见表8。与对照组相比,面包配方中PHGG的存在显著影响了5个评估指标的特征,不同PHGG添加量的面包样品之间也存在差异。PHGG的添加显著提高了面包的色泽、口感、风味和整体可接受度,其中PHGG添加量为质量分数2.5%～4.5%的面包评分较高(图4)。PHGG的添加对色泽和整体可接受度有显著影响,这与面包颜色的深度有关,与色差仪测量的结果一致(表2)。此外,PHGG受热后产生了一些挥发性衍生物,在一定程度上丰富了面包的风味。面包的外观呈现出不一样的现象,添加量为质量分数2.5%的PHGG组面包外观得分低于对照组,添加量0.5%的PHGG组面包和对照组差别不大,添加量4.5%的PHGG组面包高于对照组。外观的考察标准为表面是否光滑、塌陷和有裂纹存在,观察发现,添加量2.5%组的面包表面有轻微裂纹(图2),故影响了外观评价的得分。

图4 感官评价雷达图

Fig.4 Radar map of sensory evaluation

表8 不同添加量的PHGG对面包感官评价的影响

Tab.8 Effect of different dosages of PHGG on sensory evaluation of bread

不同小写字母表示同列数据差异显著(P<0.05)。

本研究表明,与GG相比,酶解制备的PHGG黏度和分子质量明显降低,还原糖含量明显提高。PHGG的添加显著改变了面包的烘焙特性。与对照组相比,PHGG对面包比容无显著影响,降低了面包的烘焙损失率,提高了面包的保水性,赋予面包良好的色泽。在7 d储藏期内,PHGG提高了面包的内聚性和回复性,促进面包内部的水分迁移,在一定程度上保持了面包结构的稳定,延缓了面包的老化速度。感官评价结果表明,PHGG组面包的总分高于对照组面包。综合烘焙特性研究结果,PHGG添加量(质量分数)为2.5%～4.5%时可显著改善面包的烘焙品质、储藏特性和感官品质。本研究旨在为食品工业更深入地了解PHGG在面包中的应用及相关影响提供理论参考。关于PHGG如何影响其他类型食品的加工特性、提高食品整体质量有待于更进一步的研究。