响应面优化无麸质大米面包复合改良剂配方的研究

李 丹,王 敏,唐 玲,吕秋冰

(四川旅游学院食品学院,四川成都 610100)

麸质主要存在于小麦等谷物中,在面团中可形成面筋结构。无麸质食品就是指规范地加工不含麸质的原料生产出的食品[1],主要用于作为乳糜泻与麸质过敏患者[2]的主食辅助治疗。近年来,随着乳糜泻患者日益增多,无麸质食品的需求不断增大[3],研究提高无麸质食品的种类及品质变得更加紧迫。大米是一种天然的无麸质食品原料。目前我国大米产量位居世界第一,但主要以满足口粮需求为主,缺乏深加工产品[4]。同时,中国无麸质食品的开发才刚刚起步,相对滞后于国外。将大米制成适合中国人群消费习惯的大米面包,不但能丰富大米食品的种类,还能提供一种新型无麸质的产品来满足乳糜泻等患者的饮食需求。单甘酯作为食品改良剂,无臭无味,在食品中应用广泛,对面包的质构特性与比容均具有积极影响[8];沙蒿胶是一种非水溶性胶体,在水中可均匀分散,吸水溶胀成蛋清样胶体,黏度远大于明胶,应用在面团和面糊中能显著改善面团的延展性[9]。目前,沙蒿胶在面包中的应用较少,对于大米面包品质的影响也尚不可知;羟丙基淀粉呈白色粉末状,无特殊气味,加热时,可糊化成胶体,有利于面包网络结构的形成,对面包的品质有显著影响[10];乳清蛋白是一种优质蛋白质,主要从牛奶中提取,张中义等关于牛乳蛋白对无麸质面包烘焙特性的影响的研究表明牛乳蛋白对无麸质面包的烘焙特性有较好的影响[11]。

目前,我国关于无麸质食品方面的研究文献较少。2016年于明玉等人在对无麸质小米面包复合改良剂的优化研究中,发现黄原胶、可得然胶和大豆分离蛋白对于面包的感官评分有极显著的影响[5];2017年王立等在《无麸质大米面包的研究进展》中提到,大米面包的成型困难和老化是目前大米面包加工时存在的主要问题[6];2019年马洁等的研究表明添加纤维或多糖可有效提高面团的发酵性能和持气性,添加蛋白质可有效强化面团的网络结构,而使面包的体积增加[7]。目前国内关于无麸质大米面包的品质改良多数采用黄原胶、羟甲基纤维素等单一添加剂,对于复合改良剂在无麸质面包的应用较少涉及。

本文以大米粉为原料,研究沙蒿胶、单甘酯、羟丙基淀粉、乳清蛋白等食品改良剂对无麸质大米面包品质的影响,并通过响应面优化其复合改良剂配方,以期能为无麸质大米面包的品质改良提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

大米粉 80目过筛,阜新佳麦粮品有限公司;沙蒿胶、单甘酯、羟丙基淀粉、乳清蛋白 河南万邦实业有限公司;酵母 安琪酵母有限公司;花生油、红薯淀粉、食用盐、蔗糖 成都市售。

TMS-Pro质构仪 北京盈盛有限公司;FX-26A恒温发酵箱 广东恒联食品机械有限公司;HMJ-A50B1和面机小熊电器 股份有限公司;YP-N电子天平 上海精密仪器仪表有限公司;AT32烤箱 中山市保仕琦电器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 无麸质大米面包的基础工艺 原料混合均匀→和面机中速搅拌10 min→加入15 mL花生油→和面机高速搅拌5 min→装入模具成型→恒温发酵→烤箱焙烤→成品

将75 g大米粉、25 g红薯淀粉、1 g酵母、100 g水、6 g蔗糖、1 g食盐[12]于搅拌机中混合,中速搅拌10 min,直到面缸中无干面存在[13],放入30 ℃,相对湿度80%发酵箱,发酵30 min,取出,上下火190 ℃,焙烤20 min。室温冷却60 min后,对成品进行指标测定。

1.2.2 单因素实验 固定其他基础配方(以大米粉、淀粉质量之和为质量参比,各成分总百分比大于100%),分别添加单甘酯0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%(不添加其他三种添加剂,下同);沙蒿胶0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%;羟丙基淀粉1%、2%、3%、4%、5%;乳清蛋白5%、10%、15%、20%、25%,研究在无麸质大米面包中添加沙蒿胶、单甘脂、羟丙基淀粉、乳清蛋白对其感官品质、比容、质构特性的影响。

1.2.3 响应面试验设计 根据响应面试验设计原理,以沙蒿胶、单甘脂、羟丙基淀粉、乳清蛋白的添加量为因素变量,采取4因素3水平的响应面法,经过相关性分析及显著性分析,最终选择以面包的比容为指标,对复合改良剂进行响应面优化试验,试验因素与编码如表1所示。

表1 因素水平编码表Table 1 Factor level codingTable

1.2.4 评价方法

1.2.4.1 面包的比容测定 采用小米置换法测定面包体积。

1.2.4.2 面包的质构测定 待面包自然冷却1 h后,取其内芯,切成厚度为2 cm的面包块,用TMS-Pro型质构仪,选择P/36R圆柱形探头,在TPA模式下测试面包的质构,以1 mm/s的测前速度、1 mm/s的测中速度、1 mm/s的测后速度、5 N的触发力、30%的形变量、2 s的间隔时间为测试参数,重复测定3次[14-16]。

1.2.4.3 感官评价 参考国标GB 7099-2015《食品安全国家标准糕点、面包》,围绕面包的组织结构,色泽,形状,弹性,粘性等方面,制作感官评分标准如表2,选择10名专业评价员进行评定,结果取平均值[17-18]。

1.3 数据处理

使用SPSS 22.0数据处理软件,对数据进行回归分析、方差分析与邓肯检验,以3次平行实验的均值为使用数据[19-20]。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 单甘酯添加量对面包品质的影响 由表3可知,单甘酯对大米面包的质构特性的影响明显。在添加单甘酯0～0.2%时,面包的硬度及内聚性均呈增大的趋势,大于0.2%后开始减小。在添加量为0.4%时面包的硬度和内聚性都有最小值,分别为5.197 N、0.593,较空白组有明显下降。添加量大于0.4%后,大米面包的硬度及内聚性不发生显著变化。面包的弹性和咀嚼性随单甘酯添加量的增大,先减小后增大再减小,在添加至0.4%时,达到弹性最大值87.417 mm、咀嚼性最大值37.850 mJ。实验表明,适量添加单甘酯可有效降低大米面包的硬度和内聚性、增强面包的弹性和咀嚼性,可能是因为单甘酯作为一种乳化剂,可让面团中含有的油脂均匀分布,发生稳定的乳化反应,而使面包内部气孔均匀,面包富有弹性、硬度降低。

表2 无麸质大米面包感官评分表Table 2 Sensory scores of gluten free rice bread

表3 单甘酯添加量对无麸质大米面包品质的影响Table 3 Effects of monostearin on the quality of gluten free rice bread

由表3中比容数据可得,随着单甘酯添加量逐渐增大,大米面包的比容在添加单甘酯0.2%～0.4%时逐渐增大,在添加单甘酯0.4%～0.6%时逐渐减小。当单甘酯添加量为0.4%时,大米面包的比容达到最大值2.2 cm3/g。单甘酯的添加能使大米面包的比容得到不同程度的提高,其原因可能是单甘酯作为乳化剂,有利于面团形成稳定的网络结构,促使面团膨胀,面包的比容增大[21]。

由感官数据可得,随单甘酯逐渐增加,大米面包的感官评分在0～0.4%时增大,之后减小。在添加量为0.4%时,感官评分达峰值78。当添加单甘酯大于0.4%后,无显著变化;这与单甘酯对大米面包比容及质构的影响结果一致。

表3表明,添加单甘酯的量发生变化,大米面包的质构、比容及感官均发生显著变化。添加单甘酯0.4%时,大米面包的综合品质最佳。结合面包质构、比容及感官评分,得出单甘酯添加量的适宜范围为0.3%～0.5%。

2.1.2 沙蒿胶添加量对面包品质的影响 由表4可知,随着沙蒿胶的添加,大米面包的质构有显著变化(P<0.05)。随着沙蒿胶的增加,大米面包的硬度在添加量为0.5%～1.5%呈减小的趋势,添加1.5%时,硬度有最小值5.987 N,之后开始增大。面包的弹性随单甘酯添加量增大先增大后减小,添加单甘酯2%弹性有最大值82.510 mm。而面包的咀嚼性随沙蒿胶添加量的增加呈现先减后增的趋势,添加量为1.5%有最小值15.506 mJ。面包的内聚性在添加量为1%达到峰值0.806后,随沙蒿胶添加量的增大无显著差异;实验结果表明,添加适量沙蒿胶,大米面包的硬度及咀嚼性均有所降低,面包的弹性与内聚性有所增大。其原因可能是沙蒿胶具有较好的持水性,在面包发酵及烘焙过程中,可有效减少水分的流失,使面包的硬度、咀嚼性降低。而沙蒿胶粘稠性较大,使大米面包的弹性及内聚性增大。

表4 沙蒿胶添加量对无麸质大米面包品质的影响Table 4 Effect of Artemisia annua gum on the quality of gluten free rice bread

由比容数据可得,随着沙蒿胶添加量的增大,大米面包的比容均有不同程度的增大。在添加沙蒿胶1.5%时,比容最大2.37;这可能是因为沙蒿胶吸水溶胀能力较强,可有效吸收面团中的水分,使面包的延展性得以提升,从而使面包的比容增大。当添加沙蒿胶到一定值后,沙蒿胶对大米面团的吸水溶胀能力达到限度,从而对大米面包的比容影响变小[22]。

由感官评分数据可得,沙蒿胶能使大米面包的感官评分提高。大米面包的感官评分在添加沙蒿胶0～1.5%时增大,后在1.5%～2.5%时减小。当沙蒿胶添加量达到1.5%时,大米面包的感官评分达到最大75,当添加量达到2%后,感官评分无显著变化,这与沙蒿胶对大米面包比容的影响结果相互映证。

表5 羟丙基淀粉添加量对无麸质大米面包品质的影响Table 5 Effect of hydroxypropyl starch addition on the quality of gluten free rice bread

表4表明,沙蒿胶添加量不同,大米面包的质构、比容及感官均发生显著变化(P<0.05),在添加量为1.5%时,得到的大米面包的综合品质最优。结合面包的质构、比容及感官评分,得出沙蒿胶添加量的适宜范围为1%～2%。

2.1.3 羟丙基淀粉添加量对面包品质的影响 由表5可知,添加羟丙基淀粉对大米面包的质构有显著影响。随着羟丙基淀粉的增加,大米面包的硬度在1%～2%时先减小,后在3%～5%时增大。在添加量达到2%时,硬度最小4.303 N,与空白组呈显著差异(P<0.05),当添加羟丙基淀粉3%～5%,面包的硬度无显著性差异。面包的弹性、咀嚼性及内聚性均随羟丙基淀粉增加而先增大后减小。在添加量为3%时,弹性有最大值84.366 mm,在添加量为4%时达到咀嚼性最大值24.213 mJ,在添加量为3%时,内聚性有最大值0.793;结果显示,适量羟丙基淀粉可使大米面包的硬度减小,弹性、咀嚼性及内聚性增大。羟丙基淀粉对大米面包比容及感官评分的影响可能是因为羟丙基淀粉可作为增稠剂,在面包焙烤的过程中,与面团中的大米粉发生相互作用,增强大米面团网络结构的稳定性,使面包弹性、咀嚼性增大[23]。同时随着羟丙基淀粉的添加,大米面团内部网络结构变得更加紧密,大米面团的粘稠性增大、内聚性增大。当羟丙基淀粉添加至3%时,对面团的改善能力达到最大,而添加量超过3%后,羟丙基淀粉的添加对大米面包的影响就开始减小。

由比容数据可得,羟丙基淀粉在添加量为3%时有最大比容2.14,当添加量大于4%后,面包的比容随羟丙基淀粉的增加无显著性变化。羟丙基淀粉可使大米面包的比容增大,其原因是羟丙基淀粉作为一种变性淀粉,加热可糊化。糊化时,能形成连续的具有一定粘弹性的凝胶网络结构,从而增强面团的持气能力,使面包比容增大。添加过量时,面团的粘性增大,面包的比容减小。

由感官评分数据可得,羟丙基淀粉添加量增大,面包的感官评分也逐渐增大。在添加量达到3%时,大米面包的感官评分达到峰值74。这与羟丙基淀粉对大米面包比容的影响结果一致。

表5表明,添加不同量的羟丙基淀粉,对大米面包的质构、比容及感官均有显著影响,在添加量为3%时,大米面包的综合品质可达到最优。结合面包质构、比容及感官评分,挑选出羟丙基淀粉的适宜范围为2%～4%。

2.1.4 乳清蛋白对无麸质大米面包品质的影响 由表6可知,随着乳清蛋白的添加,大米面包的质构变化显著(P<0.05)。在乳清蛋白添加量为10%时,硬度有最小值5.140 N,在添加乳清蛋白5%、15%、20%、25%时均无显著性差异。面包的弹性和咀嚼性、内聚性均随乳清蛋白添加量的增加呈现出先增大后减小的趋势,添加量为15%时有弹性的峰值82.646 mm,添加量为10%时有咀嚼性最大值21.986 mJ,添加量为15%时内聚性有最大值0.806。结果表明,适量乳清蛋白可使大米面包的硬度减小,弹性和咀嚼性、内聚性增大。这可能是因为乳清蛋白可作为乳化剂,具有使面团中油和水之间的界面张力降低的效用,而使面团中的油和水均匀地混合到一起,形成稳定的乳浊液,使得面包的稳定性增强,面包的品质提高[24]。当乳清蛋白添加至一定量后,乳化剂的作用能力达到限度,其对面包感官评分的影响减小。

表6 乳清蛋白添加量对无麸质大米面包品质的影响Table 6 Effect of whey protein content on the quality of gluten free rice bread

由比容数据可得,乳清蛋白的添加量对大米面包的比容的影响具有显著性(P<0.05),乳清蛋白的添加使大米面包的比容先增大后减小。在添加量为10%时,面包比容有峰值2.4。当添加量达到20%后,面包的比容不发生显著变化;添加不同量乳清蛋白,大米面包的比容均会有不同程度的增大。其原因是乳清蛋白在面包制作的过程中结构会遭到破坏,与面团中淀粉大分子成分发生相互作用,有助于面团形成网络结构,使面包的比容增大[25];当乳清蛋白添加到一定量后,乳清蛋白与面团中大分子之间的交互作用达到限度,面团内部网络结构形成,面团体积不再发生变化,而面团质量随乳清蛋白的添加而增大,因而面包比容又开始减小。

由感官评分数据可得,乳清蛋白增加,大米面包的感官评分也会逐渐增大。添加乳清蛋白达到10%时,面包的感官评分可达到峰值68,之后开始减小。这与乳清蛋白对大米面包比容的影响结果可相互映证。

表6表明,添加不同量乳清蛋白,大米面包的质构、比容及感官均有显著变化,在添加量为10%时,大米面包的综合品质可达到最优。结合面包质构、比容及感官评分,可得出乳清蛋白的适宜范围为5%～15%。

2.2 响应面试验结果

表7 响应面设计与结果Table 7 Response surface design and results

2.3 模型的建立与显著性检验

用Design-Expert 8.0.3对表6中的试验数据进行回归分析后得到响应面模型方程:Y=3.52-0.18A-0.14B+0.22C-0.15D+0.000AB-0.35AC+0.085AD+0.30BC-0.13BD-0.037CD-0.76A2-0.62B2-0.70C2-0.33D2。

表8 回归模型的方差分析结果Table 8 Analysis of variance of regression model

图1 单甘酯与沙蒿胶的交互作用Fig.1 Interaction between monoglyceride and Artemisia annua gum

由图2可知,单甘酯添加量和羟丙基淀粉添加量交互作用的曲线相对坡度最陡。响应面坡度越陡,各因素对比容的影响越显著,走势越平滑,影响越不显著[27]。因此可以得出其对于大米面包比容的影响最显著,而图3单甘酯添加量和乳清蛋白添加量的交互曲线相对较为平滑,即对于面包比容的影响也就相对较小。且响应面图皆存在最高点,即响应值存在最大值。

图2 单甘酯与羟丙基淀粉的交互作用Fig.2 Interaction between monoglyceride and hydroxypropyl starch

图3 单甘酯与乳清蛋白的交互作用Fig.3 Interaction between monoglyceride and whey protein

图4 沙蒿胶与羟丙基淀粉的交互作用Fig.4 Interaction between Artemisia annua gum and hydroxypropyl starch

图5 沙蒿胶与乳清蛋白的交互作用Fig.5 Interaction between Artemisia annua gum and whey protein

图6 羟丙基淀粉与乳清蛋白的交互作用Fig.6 Interaction between hydroxypropyl starch and whey protein

由软件Design-Expert 8.0.3,计算出该模型下理论无麸质大米面包的最大比容为3.5794,理论试验条件为:单甘酯0.38%,沙蒿胶1.48%,羟丙基淀粉3.21%,乳清蛋白8.68%,为了便于实际操作,故修正为单甘酯0.4%、乳清蛋白1.5%,羟丙基淀粉3.2%,乳清蛋白8.7%,平行试验3次,无麸质大米面包的比容为3.54,与预测值3.579十分接近,模型可信,可用于无麸质大米面包复合改良剂的最佳配方。普通小麦面包的比容在2.9～5.1之间,我国小麦品种面包比容平均在3.9[28],经优化后的无麸质大米面包比容小于普通小麦面包,但有提高。对优化后的无麸质大米面包测定其质构和感官评分,其硬度为4.675 N,弹性86.710 mm,内聚性0.603,咀嚼性0.806 mJ,感官评分88。

3 结论

通过单因素研究发现,单甘酯、沙蒿胶、羟丙基淀粉、乳清蛋白对无麸质大米面包的比容、硬度、弹性、咀嚼性、内聚性等均有改善作用,通过响应面试验得到无麸质大米面包复合改良剂的最佳配方:单甘酯0.4%,沙蒿胶1.5%,羟丙基淀粉 3.2%,乳清蛋白8.7%,与不添加改良剂的大米面包相比,改良后的无麸质大米面包比容、硬度、弹性、咀嚼性、内聚性以及感官品质得到了明显的改善,且具有大米面包的特征,可为无麸质面包的研发提供一定的依据,但由于原料大米粉的特性,无麸质大米面包存在老化速率快的问题,其对无麸质大米面包品质的影响,还有待做改善研究。