| 主题 | 猕猴桃淀粉部分替代小麦粉：面团流变学、微观结构变化及面包品质特性 | ||
| 题目 | Partial substitution of wheat flour with kiwi starch: Rheology, microstructure changes in dough and the quality properties of bread | ||
| 期刊 | Food Chemistry: X | ||
中科院 分区 | 1区 | 影响因子 | 6.5 |
| 第一作者 | Zhenyun She | 通讯作者 | Tingting Ma |
| 单位 | College of Food Science and Engineering, Northwest A&F University, Yangling, 712100, China | ||
| 原文链接 | https://doi.org/10.1016/j.fochx.2024.101614 | ||
小麦面包是许多国家的主食之一，也是欧美饮食结构下的主要碳水来源。长期食用高血糖指数 (Glycemic index, GI)的精制碳水化合物与罹患2型糖尿病密切相关。预防2型糖尿病是世界卫生组织，国际糖尿病联合会的主要目标，而食用引起较低GI和胰岛素反应的食物可能有助于应对这些不良慢性代谢疾病。因此，开发低GI的面包对于预防2型糖尿病等慢性代谢疾病具有重要意义。
近些年来，研究者们主要通过改变或部分替代原料、增加膳食纤维或活性物质、开发高直链淀粉小麦粉等方法调节面包的餐后血糖反应。然而由于消费者接受度不高以及商业化推广不足等原因，这类面包并未被大众所熟知，因此，为了获得较低GI值并且品质良好、可商业化推广的面包，仍需探索新的解决方案。
猕猴桃淀粉 (Kiwi starch, KS)是解决猕猴桃产业固体废弃物问题过程中产生的高值化副产物，它是一种量大、质优的新型果蔬来源淀粉，富含多酚和膳食纤维，具有低pH、高抗氧化活性、较高的直链淀粉 (Amylose, AM) 和抗性淀粉(Resistant starch, RS)含量等特点，是一种具有良好发展前景的淀粉基食品原料。将KS添加到淀粉基食品原料中可能为低GI食品的开发提供一种新途径。而目前对KS的研究仅停留在理论阶段，还尚未有研究将KS应用于食品加工中。先前的研究表明面包中掺入其他成分时，在显著改善面包血糖反应和营养特性的同时，也可能会对面包品质产生一些负面影响，并且该影响在很大程度上取决于取代水平。由此可见，通过KS部分替代小麦粉调节面包的餐后血糖反应时，替代水平也会显著影响面包品质，进而影响消费者的接受度。因此，探究不同的KS替代比例对于面包消化率以及品质的影响对低GI面包的开发很有必要。
本研究采用不同比例KS (10%、15%、20%) 替代小麦粉制作面包，探究了KS替代对复合粉的水合特性，糊化特性以及面团的流变特性，揉混特性，微观结构的影响，在此基础上进一步探究不同比例的KS替代对成品面包品质及储藏特性的影响，以期获得感官品质优良，消费者接受度高的低GI面包。
3.1 KS替代对混合面粉性能的影响
3.1.1 水合特性
如表1所示，10-20%的KS替代显著提升了混合粉的吸水率(WA, Water absorption)和吸水指数(Water absorbance index, WAI)(p<0.05)，这表明KS较小麦粉具有更强的吸水性，而吸水率增强意味着面包有更高的出品率。与WF(wheat flour)相比，KF组(KS replacement wheat flour)的水溶性指数(Water solublility index, WSI)均显著降低(p<0.05)，KS的高AM含量(表S1)使得替代后混合粉的AM含量显著增加(p<0.05), 而AM的存在会抑制淀粉颗粒的膨胀，从而导致AM浸出量减少，WSI下降。这也可能是由于KS是典型的小颗粒淀粉，有较大的比表面积，更容易和脂肪形成直链淀粉-脂肪复合物，从而阻碍了AM的浸出，导致混合粉WSI下降。此外，发现在本试验的KS替代范围内，对混合粉的溶胀力(Swelling power, SP)无显著影响(p>0.05)，这表明20%以下的KS替代并不影响混合粉的溶胀能力。
表1 KS替代对面粉水合特性、糊化特性的影响。
注：结果以均数±标准差(n=3)表示，同一行的不同字母表示数值之间存在显著性差异(p < 0.05)。
3.1.2 糊化特性
不同淀粉样品糊化特性见表1。由表1可知，10%的KS替代对混合粉的峰值粘度时间(Peak time, Ptime)和糊化温度(Pasting temperature, PT)没有显著影响(p>0.05)，当KS替代量为15%和20%时，PT和Ptime分别显著降低(p<0.05)，这主要与WF的蛋白质含量较高(表S1)有关，以上结果说明了KS更容易发生糊化，且糊化过程迅速，表明在面包的工业生产时加入一定比例的KS可缩短产品的焙烤时间，有利于节省能耗。
此外，与WF相比，KS替代后混合粉的峰值黏度(Peak Viscosity, PV), 谷值粘度(Trough viscosity, TV), 最终粘度(Final Viscosity, FV)总体上显著增加。BD反映混合粉在高温和高剪切力下的热糊稳定性和糊化过程中淀粉颗粒的受损程度。KS替代大于15%时，混合粉的崩解值(Breakdown , BD)显著提升(p<0.05)，这表明大于15%的替代会导致混合粉的热糊稳定性降低并且加剧了淀粉颗粒的受损程度。回生值(Setback, SB)反映淀粉的老化程度，AM含量高的淀粉有助于形成有序的刚性结构往往更容易老化，因此不同比例KS替代后混合粉的SB总体呈剂量依赖性显著增加 (p<0.05)，同时也表明了KS在制作凉粉、凉皮等需要适度老化的食品方面具有潜在的应用价值。
表S1 KS和WF的化学成分。
注：结果以均数±标准差(n=3)表示，同一列的不同字母表示数值之间存在显著性差异(p < 0.05)。
3.2 KS替代对面团性质的影响
3.2.1 质构特性
由表2可知，与WF相比，KF15、KF20的硬度(hardness)显著增加(p<0.05)，增强了面团的刚性。随着替代量的增大，面团的内聚性(cohesiveness)和回复性(resilience)呈现先增加而后下降的趋势，这主要是由于少量KS替代时，KS颗粒填充了面筋网络中的孔隙，增强了淀粉与面筋网络之间的物理相互作用，这使得面团刚性增大、抗形变能力增强；但添加量过多时，由于面团中蛋白质含量显著降低(表S1)，面筋网络结构完整性大大下降，面团的抗形变能力减弱。
表2 KS替代对面粉质构特性和mixolab参数及面包烘焙特性和质构特性的影响。
注：结果以均数±标准差(n=3)表示，同一行的不同字母表示数值之间存在显著性差异(p < 0.05)。
3.2.2 混揉特性
Mixolab具体参数见图1(C)和表2。其中，C1 (N·m)为混合时的目标扭矩，用于测定混合粉吸水率；C2 (N·m)表征蛋白质弱化程度，值越小代表弱化越严重；C3 (N·m)表征粘度峰值；C4 (N·m)数值越大表明热糊稳定性越差且抗酶解能力强。C1-C2 (N·m) 则表示混合过程中混合粉的蛋白质总弱化值，此值越大，表示混合粉筋力越小；TF (min) 为面团中面筋形成的时间，其数值越大，表明面粉筋力越强；TS (min)为稳定时间，数值越大表明面团越耐搅拌且面筋网络越不易被破坏。
与WF相比，KS替代后混合粉的C2值呈剂量依赖性显著下降，同时TF、TS也显著降低(p<0.05)。相关性分析结果显示(图6)，面团硬度与C1-C2呈显著正相关(r=0.81, p<0.01)，这表明hardness的增加与蛋白质网络结构的破坏密切相关。随KS替代比例的增加，C3呈逐渐上升的趋势。KS替代比例大于15%时，C4显著增加(p<0.05)，表明KS替代降低了混合粉的热糊稳定性并且有助于提高其抗酶解性。
图1 (A)储能模量(G′)和损耗模量(G′′)随频率(ω)的变化；(B)动态损耗角正切tan δ随频率的变化；(C)不同KS替代量的面团揉混曲线。
3.2.3 流变特性
如图1(A)所示，随着KS替代量的增加，所有面团样品的储能模量G′和损耗模量G′′均随着角频率ω的增加而增加，表明KS替代改善了面团的粘弹性；并且G′始终大于G′′，这表明KS替代后的面团弹性特征占主导。这主要是由于KS为小颗粒淀粉，其倾向于形成致密的堆积结构，有利于增强淀粉颗粒在蛋白质网络中物理填充作用，增强面团结构的均匀和致密性，进一步提升面团的整体弹性。
tanδ (G′′/G′)可反映面团体系的综合粘弹性。由图1(B)可知，所有面团样品的tan(δ)<1，即所有面团样品均表现为弹性大于粘性，呈现出典型的类固体特性。以上表明KS替代后面团的粘弹性得到一定改善，但并未改变面团原来的类固体状态。
3.2.4 扫描电镜
为了清晰地观察KS替代小麦粉后面团微观结构的变化，首先观察了小麦粉和KS的形态结构。图2(A)是小麦粉的微观结构，观察到小麦粉主要由大A型小麦淀粉颗粒(绿色圆圈)和小B型小麦淀粉颗粒(紫色圆圈)和麸质（黄色圆圈）组成。由图2(B)可以观察到KS呈现不规则的多边形且表面光滑、部分颗粒破损。
图2(C)-(F)显示了不同面团样品的SEM微观结构。如图2(C)所示，WF组面筋网络结构连续致密且淀粉颗粒包裹状态良好，多孔结构少且有大小不一的孔隙(红色圆圈)，而10%KS替代后面筋网络出现部分断裂现象(图2(D)，黄色圆圈)，另外，由于小颗粒的KS填充在面筋网络中，可以观察到面筋网络间孔隙减小且数量增多(红色圆圈)；随着KS替代量增加到15%，面筋网络进一步断裂(图2(E)，黄色圆圈)并且网络间孔隙进一步缩小、部分孔隙深度减小，小麦淀粉颗粒以KS淀粉颗粒开始暴露在面筋网络中；当替代量增加到20%时，面筋网络几乎大面积崩溃，大部分淀粉颗粒暴露在网络结构的表面，孔洞变得更小且分布更广泛，并且孔洞深度(图2 (F)，红色圆圈)明显减小。
图2 (A)小麦粉和(B)猕猴桃淀粉的SEM图(× 3000)；(C)、(D)、(E)和(F)分别WF、KF10、KF15和KF20面团的SEM图 (× 1000)；(G)、(H)和(I)表示WF、KF10、KF15和KF20的外观和横截面图像，以及用Image J (用于计算孔隙率)处理的面包横截面图像。
3.3 产品质量
3.3.1 烘焙特性
面包的烘焙特性如表2所示，与WF相比，KS替代后面包的径高比(Width/Height)显著下降，并且孔隙率(Air cell ratio)呈剂量依赖性增加(p<0.05)。从图2(G)-2(I)的面包的外观及截面图中也可以清晰地观察到这一变化趋势。因此，随着KS替代量的增大，面包的体积、高度显著下降，同时面包的孔隙更加均匀致密。
此外，当KS替代量大于15%时，面包的比容(Specific volume, SV)显著下降 (p<0.05)。因此，在后续的研究中应优化酵母用量和酵母发酵时间使面包达到理想的SV。相似地，KS替代后面包的烘烤损失(Baking loss)也表现出与SV相似的趋势。相关性分析发现baking loss与SV呈高度正相关(图6，r=0.93, p<0.01)，即面包SV越高，可用于水分蒸发的表面积更大，烘烤过程中的水分损失就越高。在10-20%的替代范围内，面包质量(bread mass)总体呈现增加的趋势，表明KS的加入有利于提高面包的出品率，提高生产效益。
3.3.2 质构特性
不同面包的质地特性如表2所示。与WF相比，KS替代总体上显著增加了面包的硬度(hardness), 胶着性(gumminess), 咀嚼性(chewiness), 显著降低面包的弹性(springiness) (p<0.05)。KF组的内聚性(cohesiveness)和回复性(resilience)整体呈现逐渐降低的趋势，并且当KS替代量到20%时，面包的cohesiveness和resilience显著降低(p<0.05)。KF15和KF20较高的chewiness和gumminess表明其在咀嚼和吞咽时需要消耗更多的能量。而KF20显著降低的cohesiveness和resilience意味着面包更容易发生断裂掉渣现象，并且受外力挤压时更难恢复其原来的形状，这可能会降低消费者在食用面包时的感官体验。
由图6可知，面包的hardness与air cell ratio呈显著正相关(r=0.88, p<0.01);而与SV呈显著负相关(r= -0.94, p<0.01)，这进一步证明了面包硬度的变化与面包的air cell ratio和SV密切相关。值得注意的是，面团的硬度和面包硬度呈现显著正相关(r= 0.88, p<0.01)，可见面团的加工特性会对面包的质构特性产生显著影响。
3.3.3 颜色特征
从图2(G，H)和图3(B)可以看出KS替代显著影响面包的颜色，并且面包的顶部、外壳的底部与WF相比有明显的差别，图3(C)中KF组面包的外壳较WF组ΔE均大于3，表明KS替代导致的外壳颜色变化是人肉眼可识别的。由图3(B)观察到KS替代后，面包顶部颜色逐渐变浅，而底部颜色逐渐加深。当10%KS替代时，面包的SV并无显著变化，几乎不会影响顶部的受热和上色，因此KF10组面包顶部颜色上色均匀。而当替代量大于15%时，由于面包的SV显著降低，面包顶部与模具上端接触不均匀导致其颜色逐渐变浅且上色不均匀。美拉德反应和焦糖化反应是面包在烘烤过程中上色的主要原因。由于KS自身的黄绿色，随着其替代量的增大，面包的外壳呈现b*、C*以及h°逐渐增加而L*逐渐降低的趋势(见图3(B)和(C))，这表明KS替代会使面包的外壳颜色逐渐向黄绿色迁移,这有可能会更加吸引消费者。
图3 面包的色泽和感官特性。(A)整体色度分布图；(B)色度分布的局部放大，a *的显著性差异由不同的小写字母标记，而b *的显著性差异由不同的大写字母(p<0.05)标记，且点越分散，颜色越不均匀；反之，圆点越集中，颜色越均匀；(C) 外壳的L *、C *、H *、Δ E；(D)人工感官评价玫瑰图，其中同一指标下不同字母在列上的数值存在统计学上的显著性差异(p<0.05)。
3.3.4 感官特征
人工感官评价试验结果如图3(D)所示。结果发现，KF10和WF在颜色(color)、外观(appearance)、质地(texture)、滋味(taste)方面评分均无差异显著性(p>0.05)。在风味(flavor)方面，10-15%的KS替代赋予面包独特的猕猴桃果香，丰富了面包的风味，其风味评分较WF显著提升(p<0.05)，但KS替代为20%时，果香气太过浓重而覆盖了原本的小麦面包香味，导致其风味评分下降。在质地方面，20%KS组的质地评分较其他组显著下降(p<0.05)，这主要是由于高比例的KS替代使得面包质地变硬并且食用时发生明显的掉渣现象。总体来看，当KS替代量大于15%时，面包的色泽、外观、口感和整体可接受度均显著降低(p<0.05)，这主要是由于面包SV降低、整体颜色不均匀以及其容易发生掉渣断裂现象，影响了评价员的食用感受。总之，KF10组面包的总体可接受度最高(8.50分)，在保证了WF原有的appearance、texture、taste的基础上，同时又赋予了面包独特的果香和具有吸引力的黄绿色调，获得评价员的一致好评。
3.4 体外消化
淀粉按消化酶水解时间可将其分为快消化淀粉(Rapidly digestible starch, RDS)、慢消化淀粉(Slowly digestible starch, SDS)和 抗性淀粉(Resistant starch, RS)，其中RDS会被人体快速消化吸收，从而导致血糖迅速升高；SDS在整个小肠中缓慢消化，有助于预防心血管疾病；RS可增强胰岛素敏感性、降低血糖水平并改善肠道健康。如图4(A)所示，所有面包样品的水解曲线均呈典型的指数增长,遵循一级动力学。与WF组相比，10-20%的KS替代有助于降低面包的淀粉消化率，图4(C)中KS替代后显著降低的C∞ (p<0.05)和HI也印证了这一点。如图4(B)所示，与WF相比，不同比例KS替代组的RDS从24.99%显著降低至19.63%-21.32%，而RS以剂量依赖性的方式显著提升。图4(B)可知，WF组的eGI为78.18，属于高GI食物，而KF15和KF20的eGI分别为68.19和63.45，它们属于中等GI食物。因此，使用KS改良面包配方可有效抑制面包中的淀粉消化，有利于维持血糖水平稳定，以上结果均表明KS是一种有前景的低GI食品开发原料。
图4 面包样品的体外消化率。(A)淀粉水解率( CK :白面包)；(B)淀粉组成( RDS、SDS、RS)；(C)面包样品的HI、eGI、C∞。
3.5 贮藏特性
3.5.1 货架期评估
作者探究了面包在25℃中储存6 d期间的霉菌菌落生长情况。如图5(A)所示，在常温储存第4 d时，WF出现肉眼可见的菌落，而KF组面包无明显的菌落；到第6 d时，KF组均生长出了一定数量、大小不一的菌落，但菌落数量明显少于WF组。这可能是由于KS的加入(表S1，pH = 3.51)降低了面包的整体pH，有利于抑制霉菌的生长繁殖。另外，KS中含有的具有抑菌活性的多酚和类抗氧化物质也有利于延长面包的常温货架期。综上所述，KS替代可抑制霉菌生长繁殖，一定程度上延长了面包的常温货架期，这表明KS是一种极具潜力的具有抑菌特性的清洁标签成分。
3.5.2 水分
由于到第6 d时，所有面包均有明显的菌落出现，因此，后续试验仅监测了其在常温储存0-4 d的Moisture变化，结果见图5(B)。随着储存时间的延长，所有组别面包的Moisture均显著降低(p<0.05)。KS组的面包在第0、2、4 d Moisture均显著大于WF组的，表明KS的加入有利于改善面包的持水能力和保水能力。
图5 (A)面包样品的微生物保质期，(B)X射线衍射图谱，(C)水分含量，(D)淀粉结晶度的变化。不同面包在相同储藏时间下的显著性差异表现在不同小写字母(p<0.05)的数值上。同一面包在不同储藏时间之间的显著变化是由不同大写字母(p<0.05)的值显示的。
3.5.3 X-射线衍射图谱
图5(D)显示了面包在常温储藏0、2、4 d的XRD谱图变化。第0 d时，WF组和KF组在2θ = 17°处无明显特征峰，而在2θ = 19.5°处均有明显的特征峰，这表明新鲜面包的老化主要发生在烘焙和冷却过程中。随着储存时间的延长，所有面包样品在2θ = 17°处的峰强度均逐渐增强，且KF组峰强增强程度大于WF组，而在2θ = 19.5°处的峰强均无明显变化。在储藏期间，所有组都在22°、24°(2θ)处出现新的峰且KF20组最为明显，而2θ = 17°、22°、24°处的峰为典型的B型结晶特征峰，这表明面包在储藏过程中老化主要是由于B型结晶的生成，并且KS的加入加剧了这一过程。图5(C)显示了面包在储藏期间结晶度的变化，所有组别的结晶度随着储藏时间的增加均显著增加(p<0.05)；在25℃储藏期间，随着KS替代量的增加，结晶度呈现显著增加趋势(p<0.05)，这表明KS替代后面包更容易老化，与上文SB和XRD图谱结论一致。
图6 面团和面包所选参数的相关性分析。图中(D)表示面团的参数(为了区分面团和面包的质构参数)。
本研究系统探究了10-20% KS替代对于成品面包的品质和贮藏特性的影响。结果发现10-20%的KS替代使混合粉的水结合能力显著提升，WSI显著降低，15%及以上的KS替代会导致混合粉体系的热糊稳定性降低并且加剧了淀粉颗粒损伤程度，使其更容易发生糊化，从而降低加工能耗。同时，KS替代增大了体系的蛋白质弱化程度，削弱面筋网络导致面团中连续的网络结构被破坏，进而影响面团的加工性能和成品面包的品质。随着KS替代量的增大，面包的孔隙更加均匀致密，15%的替代量使面包的比容和烘烤损失显著降低，而质量呈现显著增加趋势，表明KS的加入有利于提高面包的出品率。KS替代有利于焙烤过程中美拉德反应的进行，不仅赋予了面包独特的果香，并且使面包的外壳颜色逐渐向更加吸引消费者黄绿色迁移，其中KF10组具有最高的感官评分。此外，使用10-20%的KS改良面包配方可有效抑制面包的淀粉消化率，使高GI面包变成中等GI，有利于维持餐后血糖稳定。KS的加入有利于改善面包的持水能力和保水能力，可抑制霉菌生长繁殖，一定程度上延长了面包的常温货架期，然而也会导致面包更容易老化。
综上所述，KS是一种极具潜力的低GI食品开发原料和清洁标签食品原料，今后的研究应着眼于工艺优化与配方改进，以获得各方面表现更佳的面包。研究结果可为低GI面包的研制提供理论依据，同时可为KS在其他产品中的应用提供重要研究基础。
本文图表均来自本文献
文献解读：佘珍云
编辑：佘珍云
校稿：赵沁雨
审核：马婷婷
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