改性奇亚籽粕可溶性膳食纤维对韧性饼干品质的影响

韩冉，余倩倩，孔宇，王磊，陈文，康峻博，周家萍，孟梦*

（1.天津科技大学食品科学与工程学院，天津 300457；2.天津科技大学现代分析技术研究中心，天津 300457）

奇亚籽（Salvia hispanica L.）产自美洲，在 2014年被我国国家卫生和计划生育委员会批准为新食品原料[1]。它是优质蛋白质、脂肪、碳水化合物、高膳食纤维、维生素和矿物质的潜在替代来源之一，具有抑制肥胖、改善血脂代谢和控制血糖等潜在利用价值[2]。奇亚籽粕是奇亚籽经螺旋挤压提取油脂后所产生的副产品，膳食纤维是其主要成分之一，所占比例约为总成分的48%，其可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）占总膳食纤维的25%，是SDF的可靠来源[3]。有研究表明，SDF可绕过小肠的消化，并且很容易被大肠中的微生物群发酵[4]，通过发酵形成凝胶可延迟胃排空时间和改善胃部松弛，并且抑制营养吸收和胆汁酸结合[5]，从而有助于降低餐后血糖反应、血清和肝胆固醇，降低心脑血管和糖尿病等疾病的发病风险[6]。

已有研究发现，超声波改性（ultrasonic modification）是一种效率高、耗时少的物理改性手段，利用其处理膳食纤维，可以改变膳食纤维的形态结构、溶解性和功能等。本研究利用超声波处理奇亚籽粕，得到改性可溶性膳食纤维（ultrasonic modified soluble dietary fiber，U-SDF），一方面提高其可溶性膳食纤维提取率，另一方面提高其热稳定性和抗氧化功能等特性[7-9]。

饼干作为传统烘焙食品因其口感宜人、易于食用和成本低廉的特点在世界各地被广泛消费[10]。淀粉是饼干的主要成分之一，其消化率与人体血糖指数（glycemic index，GI）密切相关，因此一些传统饼干作为高血糖指数食品（GI>70）限制了肥胖、中老年等消费群体的选择。有研究表明糖尿病患者膳食纤维消耗增加可延缓淀粉消化，从而降低血糖反应[11-12]。因此将膳食纤维成分引入到焙烤食品行业中以降低GI值，已经成为其发展的新趋势。奇亚籽膳食纤维具有良好的吸水吸油能力、乳化性、乳化稳定性、凝胶特性等多种功能特性，可用作焙烤食品和油炸食品等的添加剂。本研究在面粉中加入不同比例的U-SDF制备饼干，研究U-SDF对饼干物理特性和淀粉消化特性的影响，为开发性能优良的饼干提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

奇亚籽粕：原产自墨西哥南部，经辽宁大连蓓莉莱公司低温压榨后得到籽粕；正己烷、无水乙醇（分析纯）：天津市江天化工技术有限公司；低筋小麦粉：安琪酵母股份有限公司；玉米油：益海嘉里食品营销有限公司；全脂纯牛奶：蒙牛乳业（集团）股份有限公司；果胶酶（40 U/mg）、蛋白酶（250 U/mg）、胰酶（250 U/mg）、糖化酶（40 U/mg）：索莱宝生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

TA-XT PLUS型质构分析仪：英国SMS公司；FD-2C冷冻干燥机、BILON10-250C超声波清洗机：上海比朗仪器制造有限公司；SY-2230水浴摇床：苏州捷美电子有限公司；V-1100D可见光分光光度计：上海美谱达仪器有限公司；DH-104BS鼓风干燥箱：国药集团（天津）医疗器械有限公司；EL20K酸度计：梅特勒托利多仪器有限公司；RE-52AA旋转蒸发仪：上海亚荣生化仪器厂；AR2140电子分析天平：奥豪斯国际贸易公司；HM740多功能揉面机：海氏厨电有限公司；TGA TA Q50热重分析仪：上海莱睿科学仪器有限公司；SU1510扫描电子显微镜：株式会社日立制作所。

1.3 试验方法

1.3.1 脱脂奇亚籽粕（defatted chia seed meal，DCM）的制备及基本成分的测定

奇亚籽粕经粉碎后过40目筛，加入正己烷[料液比 1∶6（g/mL）]，45 ℃水浴 1 h 后抽滤，得滤渣，浸提 3次，鼓风干燥箱60℃烘干，再次粉碎后过80目筛，所得DCM粉末进行后续试验。水分含量的测定参照GB 5009.3—2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》重量法；脂肪含量的测定参照GB 5009.6—2016《食品安全国家标准食品中脂肪的测定》索氏抽提法；蛋白质含量的测定参照GB 5009.5—2016《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定》凯氏定氮法；灰分含量的测定参照GB 5009.4—2016《食品安全国家标准食品中灰分的测定》直接灰化法；膳食纤维含量的测定参照GB 5009.88—2014《食品安全国家标准食品中膳食纤维的测定》酶重量法。

1.3.2 U-SDF制备

取DCM 0.25 g，溶解于50 mL磷酸盐缓冲液（0.01 mol/L，pH 5.8），超声改性（时间 0、10、20、30、40 min，功率 20、40、60、80、100 W，温度 20、30、40、50、60℃）后加入400μL果胶酶（50mg/mL）60℃酶解60 min，调节 pH 8.1～8.3后，加入 100 μL 蛋白酶（50 mg/mL）酶解30 min，抽滤，4℃醇沉12 h，3 000 r/min离心10 min取上清，真空冷冻干燥。根据单因素试验结果，设计三因素三水平的正交试验，具体因素水平如表1所示。

表1 因素与水平设计Table 1 The design of factors and levels

1.3.3 热重分析

可溶性膳食纤维样品取20.00 mg，放置于热重分析仪载物盘。测试条件：载气为氦气（纯度>99.999 5%），流量为20mL/min，以10℃/min的加热速率由室温28℃升温至600℃，得到相应热重数据。

1.3.4 饼干中添加U-SDF的工艺过程

饼干制作的基本成分：低筋小麦粉100 g（淀粉含量 76.4%）、玉米油 35 g、水 42 mL（相当于 42 g）、盐 3 g和 U-SDF（0、2、6、10、14 g和 18 g，分别占总质量的0%、1.1%、3.2%、5.3%、7.2%和9.1%）。多功能揉面机进行揉面10 min，模具定型为直径2 cm的圆形饼干，烤箱提前预热后180℃上下火烘烤10 min。面团取样，约0.25 cm2、厚度2 mm进行冻干，以供进一步分析。

1.3.5 U-SDF饼干的感官评价

不同添加量U-SDF的饼干进行随机编号，挑选8位经验丰富的评委进行感官评价，从色泽、形态、口感以及组织结构4个指标[13]（每个指标分设3个等级）进行打分，具体评价如表2所示，满分为100分。

表2 U-SDF饼干的感官评价Table 2 The sensory evaluation for the quality of U-SDF biscuits

1.3.6 U-SDF饼干持水性（water holding capacity，WHC）、持油性（oil holding capacity，OHC）的测定

取0.5 g饼干溶解于10 mL蒸馏水中，37℃下振荡1 h，4 800 r/min离心10 min后，称取沉淀物（湿重，WW）并在110℃鼓风干燥箱中干燥至恒重（干重，WD）。计算公式[14]如下。

取0.5 g饼干溶解于10 mL奇亚籽油中，37℃下振荡1 h，4 800 r/min离心20 min后，称取沉淀物（湿重，WW），用滤纸吸干未被吸附的油脂，称重（干重，WD）。计算公式[14]如下。

1.3.7 模拟淀粉体外消化预测血糖指数（predicted glycemic index，pGI）

取0.5g饼干悬浮于10mL醋酸钠缓冲液（0.2mol/L，pH5.2）中，每根样品管中分别加入10mL胰酶（320U/L）和4 mL糖化酶（100 U/mL）的混合液后置于37℃150 r/min恒温振荡水浴中孵育，从开始反应至120 min每20 min各取1 mL样品，使用3，5-二硝基水杨酸法（3，5-dinitrosalicylic acid，DNS） 检测样品在消化过程中的葡萄糖含量，并根据时间绘制曲线，利用梯形法计算曲线下面积（area under curve，AUC）预测 GI[15]。

1.3.8 饼干的质构分析（texture profile analysis，TPA）

饼干样品放置24 h后，利用质构分析仪测定饼干相关指标。测试条件：P/35探头，触发力5.00 g，测试前速度2.00mm/s，测试速度1.00mm/s，测试后速度2.00mm/s，应变百分比70.00%，保持时间1.00 s，压缩度30%，环境温度26.00℃。每组测试6次，测试结果取平均值。

1.3.9 扫描电子显微镜分析（scanning electron microscopy，SEM）

饼干样品放置24 h后，固定在样品台上进行切割，对截面进行喷碳镀金处理，于100倍下用扫描电子显微镜观察截面。

1.3.10 数据分析

采用SPSS 21.0进行统计学分析，数据使用方差分析（ANOVA），并用平均值±标准差表示，P<0.05具有统计学意义。

2 结果与讨论

2.1 DCM可溶性膳食纤维最佳提取条件

经测定，每100gDCM中含膳食纤维（47.58±0.96）g、SDF（10.18±0.31）g、不可溶膳食纤维（insoluble dietary fiber，IDF）（37.40±0.21）g、蛋白质（27.39±0.63）g、灰分（6.27±0.18）g、脂肪（3.74±0.21）g、水分（1.38±0.03）g。DCM中的主要成分为膳食纤维和蛋白质，其中SDF占总膳食纤维的21.4%，IDF占78.6%，本研究通过超声处理提高SDF提取率。依据单因素试验的结果，当超声时间为10 min时可溶性膳食纤维提取率最高，20、30 min次之；当超声温度为40℃时可溶性膳食纤维提取率最高，50、60℃时次之；当超声功率为60 W时可溶性膳食纤维提取率最高，80、100 W时次之。正交试验结果如表3所示。

表3 正交试验方案及分析Table 3 The results and analysis of orthogonal test

由表3可知，RB>RA>RC，即对可溶性膳食纤维提取率影响大小依次为：超声温度>超声时间>超声功率，根据k值得到最优组合为A1B2C2，即超声时间为10 min，超声温度为50℃，超声功率为80 W，经验证，可溶性膳食纤维提取率为24.8%。有研究表明，利用超声波的空穴效应、机械效应以及热效应处理DF，可促进DF分子裂解，从而减小分子粒径，提高SDF溶解度和抗氧化活性[16-18]。有研究表明超声波处理后小麦麸皮膳食纤维的木糖含量显著增加，从而提高了DF的热稳定性[19]。还有研究表明，超声波处理后的香菇柄膳食纤维，细胞结构变得疏松，并且暴露更多的亲水基团，有利于SDF溶出[20]。

2.2 热重分析

SDF和U-SDF热重分析见图1。

图1 SDF和U-SDF热重分析Fig.1 Thermogravimetric analysis of SDF and U-SDF

如图1所示，未经超声处理的SDF样品温度在200℃时，质量为89.01%，300℃时，质量为68.46%；U-SDF样品温度达到200℃时，质量维持在94.96%，300℃时，质量为83.96%，说明U-SDF具有更佳的耐热性，可应用于烘焙食品。在本研究中饼干的焙烤温度选择在180℃，样品质量是95.11%，质量损失不到5%，基本维持了原有U-SDF。

2.3 U-SDF饼干持水性（WHC）、持油性（OHC）

U-SDF饼干的持水性（WHC）和持油性（OHC）测定结果见表4。

表4 U-SDF饼干的持水性（WHC）和持油性（OHC）Table 4 WHC and OHC of U-SDF biscuits

如表4所示，随着添加量的增加，饼干的WHC有所增加，说明U-SDF拥有更多的亲水基团能够捕获面团中的水分，从而改变饼干的水分分布；饼干的OHC随添加量增加而增加，说明U-SDF具有较大的表面积和空隙，从而可以吸纳更多的油脂。饼干WHC和OHC的改变将对面团中淀粉的糊化特性和饼干的质构特性造成一定的影响。

2.4 模拟淀粉体外消化测定pGI结果

食品中的碳水化合物对人体血糖浓度的影响可以用血糖生成指数（glycemic index，GI）来衡量，GI高于70可称为高GI食品，例如糖果、饮料、蜂蜜等；GI在55～70之间可称为中等GI食品，例如米饭、粗粮面包等；GI低于55可称为低GI食品，例如蔬菜、牛奶等。因此，如果合理安排饮食习惯，减少高GI食品的摄入，就能起到明显改善血糖的作用。本试验通过模拟体外消化含U-SDF的饼干，测定不同阶段的葡萄糖释放量得到pGI值，预测对人体GI的影响。U-SDF饼干体外淀粉消化过程中的葡萄糖释放曲线见图2。

图2 U-SDF饼干体外淀粉消化过程中的葡萄糖释放曲线Fig.2 Glucose release curve of U-SDF biscuits during starch digestion in vitro

如图2所示，2 h后，添加了1.1%、3.2%、5.3%和7.2%U-SDF 的饼干 pGI分别为 131.8、123.7、107.2和89.5（组间具有显著性差异），因此均被归类为高GI食品；U-SDF含量为9.1%的饼干的pGI为75，可被归类为中等GI食品。由图2可知随着U-SDF添加量的增加，葡萄糖释放量呈下降趋势，有研究表明U-SDF通过吸收水分包裹淀粉颗粒，减缓消化酶对淀粉的分解作用，降低淀粉水解率，阻碍葡萄糖分子的释放，从而降低GI[21]。

2.5 U-SDF饼干的质构分析及其感官评分

添加不同含量U-SDF饼干的质构分析见表5。

表5 添加不同含量U-SDF饼干的质构分析及其感官评分Table 5 Texture analysis and sensory evaluation of biscuits with different contents of U-SDF

由表5可知，与空白组相比较，饼干在添加U-SDF后，硬度、脆度均有所降低。饼干的硬度是由面团内部凝胶的网状结构决定的，其中的主要基质有蛋白质、脂类和糖类。添加U-SDF后面团的持水性和持油性增加，饼干中保留了较多的水分和油脂，使其孔隙率提高，孔隙率越高[22]，内部结构越疏松，硬度越低，然而过低的硬度会影响饼干的口感，降低酥脆口感。脆度是评价饼干质量的重要指标，与饼干的口感正相关。饼干的网状结构越紧密，脆度越高，但是脆度过高会导致饼干边缘角质化，易破碎、不易运输。如表5所示，U-SDF添加量在3.2%的饼干评分最高，为85±3.6。

2.6 扫描电镜分析

U-SDF饼干的扫描电镜结果如图3所示。

图3 U-SDF饼干扫描电镜分析（100×）Fig.3 SEM micrographs of U-SDF biscuits（100×）

饼干的主要原料低筋面粉中含有谷蛋白和醇溶蛋白，这是一类水不溶性蛋白质，揉面过程中，谷蛋白与醇溶蛋白靠机械力结合形成一种具有弹性、黏性和延展性的特殊网络结构凝胶，可称为面筋蛋白，面筋蛋白的网络结构直接影响饼干的微观形态[23]。未添加U-SDF的饼干如图3（A）所示，可以观察到许多淀粉颗粒，由于淀粉颗粒表面覆盖有面筋和油脂，面筋网络比较均匀和牢固。如图3（B）所示，1.1%U-SDF饼干中大部分的淀粉颗粒仍被面筋和油脂包裹，面筋网络结构是连续的，但是由于U-SDF填充在网络结构中，竞争性地吸收水分后包裹淀粉颗粒，阻止了谷蛋白与醇溶蛋白分子的紧密结合，出现一些松弛的小空隙[24]。当U-SDF的添加量达到5.3%时，U-SDF覆盖了淀粉颗粒的表面，阻碍了面筋的网络结构，面筋网络相对完整，裂纹较少。当U-SDF添加至7.2%和9.1%时，饼干出现了部分撕裂，缝隙明显，结构变松散。

3 结论

本研究利用超声改性DCM中可溶性膳食纤维，提取率为24.8%，提高了DCM的利用率。通过热重分析，U-SDF具有更好的耐热性，适宜添加至烘焙食品中。随着U-SDF添加量的增加，饼干持水性和持油性随之增加，此外，U-SDF的加入也降低了饼干的pGI值。然而，随着U-SDF添加量的增加，饼干的硬度和脆度呈下降趋势，饼干的网络结构变得不连续，不利于饼干的运输和储存，同时也影响了饼干的口感。结合感官评价结果，U-SDF添加量在3.2%时饼干的品质最佳。综上所述，本研究为开发富含可溶性膳食纤维的功能性食品提供了一定的理论基础。