低GI杂粮复合烤制馒头工艺配方优化及品质分析

金慧敏， 党 斌,2， 张文刚,2， 张 杰,2， 杨希娟,2

(青海大学农林科学院1，西宁 810016)(青海省青藏高原农产品加工重点实验室2，西宁 810016)

低血糖生成指数(GI)的食品是糖尿病患者的较好选择，有助于降低餐后血糖高峰值。一般认为，低GI食物是指GI<55，其在食用后消化较慢，引起的血糖反应较小,有利于血糖的控制[1]。低GI食品在预防和治疗糖尿病方面具有重要作用，已被作为指导糖尿病人饮食的有效指标，可作为糖尿病人膳食干预的指导依据[2,3]。

馒头是我国传统主食产品，以小麦粉、酵母(或老面)和水，为主要原料，其加工方式以蒸制为主，高温焙烤是常见的面包生产方式，高温焙烤会发生一系列复杂的物理、化学反应，包括美拉德反应，产生特殊风味物质，其产品结构相对也较为膨松[4]。因此，本实验拟通过研究烤制馒头，制备一种口感风味俱佳的主食产品。

普通馒头的原料小麦粉中淀粉含量高，经过发酵熟化之后淀粉糊化程度高，容易被人体消化吸收而导致体内血糖快速升高，不适合糖尿病人食用[5]。目前关于低GI馒头的相关研究较少，已有报道采用高粱粉[6]、山药泥[7]、小米粉、黄豆粉[8]等为主要原料，制得的馒头的GI值为 46.5～54.98，但研究报道多集中于原料配方的筛选，较少研究其产品品质。青稞为一种重要的高原谷类作物， GI值为29，属于低GI值作物，极具有开发成低GI产品的潜力。它具有高蛋白质、高维生素、高纤维、低糖和低脂等优点，且其中的β-葡聚糖具有降胆固醇、降血压、调节血糖的作用[9,10]。研究表明，食用青稞可有效地控制代谢综合征患者的血糖和血脂水平[11]。同时，荞麦营养丰富，其中芦丁具有降低血糖、血脂和胆固醇的功效[12]；藜麦含有丰富的人体必需的氨基酸、多不饱和脂肪酸、维生素、矿物质等营养成分，能够平衡健康人群营养素的摄入状况[13]。因此，本研究选用含有降血糖功能因子的青稞粉、藜麦粉和荞麦粉，优化低GI杂粮复合烤制馒头的配方和工艺，并测定其营养成分及多酚、黄酮和β-葡聚糖含量，对其质构特性和体外抑制α-葡萄糖苷酶活性进行分析，为低GI杂粮复合烤制馒头的工业化生产提供参考，并以期为进一步推进杂粮主食化作出示范引导。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

特制一等粉、青稞粉、荞麦粉、藜麦粉、高活性干酵母、馒头改良剂、泡打粉(复配膨松剂)、瓜尔豆胶、没食子酸、芦丁、蔗糖酶(活性≥10万u/g)、糖化酶(活性≥10万u/g)、葡萄糖含量检测试剂盒、总淀粉和β-葡聚糖试剂盒、胃蛋白酶(活性≥10万u/g)、α-葡萄糖苷酶(活性33 u/mg)、PNPG 、胰酶(活性≥10万u/g); 其他试剂均为分析纯。

SM-668和面机，CK-2型远红外线食品烘炉，JMTY型面包体积测定仪，HH-6数显恒温水浴锅，SHA-C恒温振荡器，电热鼓风干燥箱，DL-5M低速冷冻离心机，N4S紫外可见分光光度计，TMS-Pro质构仪，Vapodest 50s 凯氏定氮仪，Fibretherm FT12 粗纤维定仪测定，SOX412Macro 全自动脂肪提取仪，Multiskan Sky酶标仪。

1.2 方法

1.2.1 馒头的制作

杂粮复合馒头：称取一定量的青稞粉、荞麦粉、藜麦粉、小麦粉和活性干酵母、馒头改良剂和1 g/100 g泡打粉混匀后加入水，充分搅拌和面，成团后反复揉面，直到面团表面光滑。将揉好的面团平均分割成5 份，然后将其揉成馒头坯，放入托盘中，送入发酵箱，在温度为36 ℃和雾化湿度70%的条件下发酵一定时间。最后在底火180 ℃，面火150 ℃的条件下烤制30 min ，取出冷却到室温，得杂粮复合烤制馒头。杂粮复合蒸制馒头是发酵结束后直接在沸水上蒸制30 min制得。

纯小麦粉烤制馒头：全部用小麦粉替代杂粮粉，其余条件同杂粮复合烤制馒头。

1.2.2 配方单因素实验设计

活性干酵母1 g/100 g、馒头改良剂0.5 g/100 g，以感官评分和GI值为指标，考察青稞粉添加量分别为10%、30%、50%、70%、90%时对杂粮复合烤制馒头的影响，选出适宜的青稞粉添加量。

活性干酵母1 g/100 g、馒头改良剂0.5 g/100 g，青稞粉10%，考察荞麦粉添加量分别为10%、30%、50%、70%、90%时对馒头品质的影响。

活性干酵母1 g/100 g、馒头改良剂0.5 g/100 g、青稞粉10%、荞麦粉30%，考察藜麦粉添加量分别为10%、20%、30%、40%、50%时对杂粮复合烤制馒头感官评分和GI值的影响。

1.2.3 配方正交实验设计

在单因素实验基础上，选取青稞粉添加量、荞麦粉添加量和藜麦粉添加量3个因素进行正交实验，见表1，对馒头进行感官评定及eGI值测定。

表1 配方正交实验因素水平表

1.2.4 工艺单因素实验设计

在低GI杂粮复合烤制馒头配方的基础上，分别考察馒头改良剂添加量(0.3%、0.5%、0.7%、0.9%、1.1%)，活性干酵母添加量(0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%)和发酵时间(20、35、50、65、80 min)，对馒头感官品质和eGI值的影响。

1.2.5 工艺正交实验设计

在加工工艺单因素实验基础上，选取馒头改良剂添加量、酵母添加量和发酵时间3个因素进行正交实验，实验因素水平表见表2。对馒头进行感观评价和体外eGI值测定。

表2 工艺正交实验因素水平表

1.2.6 比容测定

馒头比容的测定按照GB/T21118—2007《小麦粉馒头》附录A测定，其中馒头质量用电子天平测定，馒头体积使用面包体积测量仪，采用菜籽置换法测定。

1.2.7 体外eGI值测定方法

馒头体外血糖生成指数参照Englyst等[14]和Chung等[15]的方法测定30、60、90、120、150、180 min时馒头反应液中葡萄糖含量(G)，然后按照式(1)计算样品的水解率(HR)。

HR=G×(7/0.1) × (1.1/0.1)×(1/1 000)×(100%/DM)×(162/180)

(1)

式中: G为葡萄糖质量/μg；7/0.1为不同水解时间体积校正；1.1/0.1为GOPOD步骤体积校正; 1/1000为葡萄糖从微克到毫克的转换; DM为样品干重/mg；162/180为从淀粉获得的游离D-葡萄糖转换到淀粉中存在的脱水D-葡萄糖因子。

以水解时间为横坐标，以HR为纵坐标，绘制得到水解率曲线，采用Origin软件求水解率曲线下面积(AUC), 按照式(2)计算样品的水解指数(HI, %)。

HI=AUC1/AUC0×100%

(2)

式中：AUC1为试样中淀粉的水解率曲线下面积; AUC0为标准样白面包水解率曲线下面积。

最后，依据式(3)得到估计血糖生成指数eGI。

eGI=0.862HI+8. 198 1

(3)

1.2.8 馒头感官品质评价方法

馒头品质采用感观评价方法进行评定，参照李次力等[16]制定的评价尺度稍作改变后对样品进行感官评价，感官评价小组由具有一定感官评价经验的7 人组成，参照表3进行评定，在7 人的评分中去除最高分和最低分，以剩余5 人评分的平均值作为结果。

Eliminating φ, derivating Equation(7) to t, then subtituting into Equation(6) to obtain the point C line velocity in the XOY system about EDC slider crank mechanism as follows

表3 馒头的感官评价标准

1.2.9 质构特性测定方法

馒头的质构评价参考张纷等[17]的测定参数,采用质构仪中的压力测试 TPA 测试模式进行测试，选取冷却后的杂粮复合馒头进行实验，在馒头中心和两侧分别切取厚度为15 mm的馒头片，选用直径为100 mm的圆柱形探头进行馒头的质构测定。质构仪参数如下：测试前速度1.0 mm/s、测试速度1.0 mm/s，测试后速度1.0 mm/s，测试距离20.0 mm，质构力感元为250 N，压缩率60.0%。记录3次测试的结果进行分析。根据馒头的特性，选取以下质构特性参数：硬度、黏附性、内聚性、弹性、胶黏性和咀嚼性。

1.2.10 营养成分测定方法

1.2.10.1 基本营养成分测定方法

参照GB/T 5009.3—2016 直接干燥法测定水分含量；参照GB/T 5009.88—2003食品中纤维的测定方法测定纤维含量；参照GB/T 5009.6—2003索氏提取法测定脂肪含量；参照GB/T 5009.4—2010测定灰分含量；参照GB/T 5009.5—2016测定总蛋白含量；用试剂盒测定总淀粉和β-葡聚糖含量。

1.2.10.2 酚类物质提取

将烤制后的馒头进行干燥，粉碎后提取其中的游离酚和结合酚，参照杨希娟等[18]的方法进行，并测定其多酚含量。

采用Folin-Ciocalten法，以没食子酸为标准品，总酚和黄酮含量以每100 g提取物(干基)中所含相当于食子酸的含量(mg)表示。黄酮含量测定采用NaNO2-AL(NO3)3-NaOH比色法，以芦丁为标准品，黄酮含量以每100 g提取物(干基)中所含相当于芦丁的含量(mg)表示。

1.2.11 体外抑制α-葡萄糖苷酶活性的测定

消化液的制备：取0.5 g馒头样品，加水5 mL进行溶解，然后加入0.5 mL模拟唾液，37 ℃、100 r/min恒温振荡5 min，口腔消化结束后，用4 mol/L HCl调消化液pH至2.0，加入7.5 mL模拟胃液，于37 ℃、100 r/min恒温振荡120 min，待胃消化结束后,用1 mol/L NaHCO3调消化液pH至7.6，加入7.5 mL模拟肠液，于37 ℃、100 r/min恒温振荡120 min，沸水浴5 min进行灭酶处理，然后于3 000 r/min 离心20 min,取上清液于-20 ℃下保存，作为最终消化样品。

体外抑制α-葡萄糖苷酶活性：分别向96孔板中加入40 μL馒头体外消化液与30 μL的α-葡萄糖苷酶溶液(0.2 U/mL)，混匀后37 ℃下孵育10 min，然后每孔加入30 μL的PNPG(5 mmol/L)，混匀后37 ℃孵育30 min，再加入100 μL的Na2CO3(1 mol/L)终止反应，405 nm下测定吸光值，其计算如下：

α-葡萄糖苷酶溶液抑制率=[1-(A1-A2)/A0]×100%

(4)

式中：A0为空白对照吸光值；A1为样品吸光值；A2为磷酸缓冲液代替PNPG溶液的本底吸光值。按照公式(4)计算抑制率，体外消化液浓度为横坐标，抑制率为纵坐标，计算抑制率为50%时馒头消化液的浓度，即半抑制率(IC50)。

1.2.12 数据分析

所有实验重复3次，采用SPSS17.0处理数据，实验结果以平均值±标准差表示，数据进行单因素方差分析和LSD多重比较，P<0.05 表示差异显著。用OriginPro 2019进行绘图。

2 结果与分析

2.1 低GI杂粮复合烤制馒头的配方优化

2.1.1 配方单因素实验

由图1可知，随着青稞粉添加量的增加，馒头中的面筋含量也随之减少，杂粮复合烤制馒头的感官品质和eGI值均呈下降趋势。青稞粉在青稞粉添加量为10%时，烤制青稞馒头的感官评分最高，eGI 值也较低。随着荞麦粉添加量的逐渐增多，杂粮复合馒头的感官品质不断下降，在荞麦粉添加量为30%时，eGI值较低。随着藜麦粉添加量的增加，杂粮复合烤制馒头的感官品质不断下降， eGI值亦呈下降趋势，藜麦具有苦味，添加量越大苦味越重，严重影响感官品质。为了保证青稞馒头的口感和低GI值的要求，本实验选定藜麦粉添加量为10%。

图1 配方单因素实验结果

2.1.2 配方正交实验

根据单因素实验分析结果，选青稞粉添加量、荞麦粉添加量和藜麦粉添加量3个因素，设计L9(34)正交实验，正交实验结果见表4。由极差分析可以看出，影响杂粮复合烤制馒头感官评分的先后次序为RB=RC>RA，其中，荞麦粉添加量和青稞粉添加量影响较大，而藜麦粉添加量影响较小。此时，低GI杂粮复合烤制馒头的最佳加工配方为A1B1C1，即藜麦粉添加量5%，青稞粉添加量5%，荞麦粉添加量20%。影响杂粮复合烤制馒头GI值的次序为RA>RC>RB，其中，藜麦粉添加量影响最大，青稞粉添加量影响最小。此时，低GI杂粮复合烤制馒头最佳加工配方为A1B3C2，即藜麦粉添加量5%，青稞粉添加量15%，荞麦粉添加量30%。

表4 配方正交实验结果

2.1.3 配方验证实验

根据正交实验结果，在杂粮复合烤制馒头中选取高感官评分组合A1B1C1和低GI组合A1B3C2进行验证实验，对馒头配方进行进一步判断，杂粮复合烤制馒头配方验证结果见表5。可知，两种组合的感官评分和eGI值的差异均显著，且A1B1C1组合相对具有较高的感官评分和较低的eGI值。杂粮粉的比例过高，在焙烤的过程中会产生表面形成硬壳，而内部的水分散发不出来的现象，从而使得杂粮复合烤制馒头的瓤黏牙，且弹性极差，影响馒头的感官品质。因此，烤制低GI复合馒头的加工配方为：藜麦粉添加量5%，青稞粉添加量5%，荞麦粉添加量20%。

2.2 低GI杂粮复合烤制馒头的工艺优化

2.2.1 工艺单因素实验

在杂粮复合烤制馒头原料配方确定的情况下，考察改良剂、酵母添加量和发酵时间对杂粮复合馒头的影响。由图2a可知，馒头改良剂添加量在0.7%时，杂粮复合烤制馒头的感官评分最高，且此时馒头的eGI值也最低。馒头改良剂对其弹性、咀嚼性和内部结构的影响较大，改良剂过少馒头的弹性、咀嚼性较差；过多则馒头的外观形状会有塌陷。馒头改良剂的添加量会使杂粮复合烤制馒头的内部结构和口感改变。由图2b可知，杂粮复合烤制馒头的感官评价总分随着酵母添加量的增加呈现出先升高后降低的趋势。酵母的添加量在1.5%时其感官评分最高，eGI值也较低。随着酵母添加量的增加，酵母生长的速度增快，并在生长过程中利用面团中的糖类进行发酵，产生大量的二氧化碳[19]，面团在发酵的过程中形成面筋网络，将产生的二氧化碳保留在组织内部，从而形成馒头疏松多孔的结构，提高了面团的持气能力，馒头的体积随之增大；但由于面筋含量有限，随着酵母添加量的持续增加，馒头内部气孔变大，同时表面出现塌陷的情况，故出现杂粮馒头感官评价总分下降的现象[15]。由图2c可知，杂粮复合馒头的感官评价总分随着发酵时间的增加呈现先增加后下降的趋势。当发酵时间为35 min时杂粮复合馒头的感官评分最高，eGI值也较低。当发酵时间为20 min时，馒头的感官评价总分较低，是由于馒头发酵不完全，导致馒头内部结构紧密，无法形成疏松多孔的结构。当发酵时间大于35 min时，随着发酵时间的延长，感官评价总分下降，是由于过度发酵降低了面团的持气力，导致馒头的品质的降低。发酵时间的延长能增加酵母在面团中的繁殖时间，随着发酵时间的逐渐增加，面团中的产气量变大，面团内的气孔壁因此变薄，面团的持气性也随之增强[20]，但随着时间继续延长，面团成熟过度后，持气性则相对差。只有当酵母的产气力和面团的持气力同时最大时[21]，面制品的体积才能达到最大，同时产品的内部结构，表面色泽都达到最佳[15]。

图2 工艺单因素实验结果

2.2.2 工艺正交实验

根据单因素实验分析结果，选馒头改良剂添加量、酵母添加量和发酵时间3个因素，设计正交L9(34)实验,正交实验结果见表6。可知，影响杂粮复合烤制复合馒头感官评分的先后次序为RC>RA>RB，其中发酵时间的影响最大，酵母添加量对杂粮复合烤制馒头的影响最小。低GI杂粮复合烤制馒头最佳加工工艺为A3B2C1，即改良剂加量0.8%，酵母添加量1.5%，发酵时间25 min。影响杂粮复合烤制馒头GI值的先后次序为RA>RC>RB，馒头改良剂添加量的影响最大，酵母添加量影响最小。此时，低GI杂粮复合烤制馒头最佳加工工艺为A1B2C3，即改良剂加量0.6%，酵母添加量1.5%，发酵时间45 min。

表6 工艺正交实验结果

2.2.3 工艺验证实验

根据正交实验结果，选取高感官评分组合A3B2C1和低GI组合A1B2C3进行验证实验，对馒头工艺进行进一步判断，杂粮复合烤制馒头工艺验证结果见表7。可知，2种组合的感官评分差异不显著，且都高于80分，但eGI值差异显著，且第2种组合的eGI值明显低于第1种组合，因此，烤制低GI杂粮复合烤制馒头的加工工艺为：改良剂加量0.6%，酵母添加量1.5%，发酵时间45 min。此时，制得的馒头外观呈现良好的球状，表面光滑，光泽良好，富有弹性，内部气孔细小均匀，具有较强的嚼咬性，爽口不黏牙。

表7 工艺验证实验结果

2.3 低GI杂粮复合烤制馒头的质构特性

由表8可知，杂粮复合烤制馒头的硬度、弹性、胶黏性和咀嚼性均高于蒸制馒头，弹性高于纯小麦粉烤制馒头。硬度和咀嚼性是评价馒头品质的重要指标，通常硬度和咀嚼性越小，面团越柔软[22]。馒头的硬度和弹性与面团中的麦谷蛋白和麦醇溶蛋白形成的面筋网络结构相关，其中麦谷蛋白提供面团的弹性和筋力，麦醇溶蛋白提供面团的延伸性[23],由于杂粮粉本身所含面筋蛋白较少，吸水后无法形成具有网络结构的面筋体[24]，杂粮复合烤制馒头的口感较硬，耐咀嚼性。

表8 馒头的质构特性

2.4 低GI杂粮复合烤制馒头的成分测定

从表9可以看出, 杂粮复合烤制馒头的eGI值要显著低于杂粮复合蒸制馒头，且低于纯小麦粉烤制馒头，可能是由于杂粮复合馒头的杂粮粉添加量相对较高使得eGI值较低，同时焙烤也会使淀粉的结构发生改变。杂粮复合烤制馒头的灰分比蒸制馒头的低；纤维质量分数为(1.37±0.28)%，是纯小麦粉烤制馒头的4.7倍，较蒸制馒头高；脂肪含量低于杂粮复合蒸制馒头和纯小麦粉烤制馒头；蛋白质要显著高于杂粮复合蒸制馒头和纯小麦粉烤制馒头；总淀粉含量和β-葡聚糖含量均显著高于纯小麦粉烤制馒头；游离酚和结合酚的含量均显著高于纯小麦粉烤制馒头，且游离酚的含量为纯小麦烤制馒头的5.6倍，结合酚含量为纯小麦烤制馒头的1.4倍，游离黄酮和结合黄酮的含量也显著高于纯小麦粉烤制馒头，总酚含量高于陈洁等[25]研究的苦荞馒头(添加30%苦荞粉)多酚含量。本实验制作的低GI杂粮复合烤制馒头与纯小麦烤制馒头比具有丰富的营养及保健成分。

表9 馒头的成分及感官评分和eGI值

2.5 低GI杂粮复合烤制馒头的体外抑制α-葡萄糖苷酶活性

α-葡萄糖苷酶是参与小肠碳水化合物消化降解的关键酶,抑制它们的活性就可以减缓淀粉分解， 降低糖尿病患者餐后血糖水平[26]。馒头模拟体外消化后对α-葡萄糖苷酶抑制作用的结果如图3所示。所有受试组对α-葡萄糖苷酶活性的抑制能力均呈现剂量依赖性关系，可能是由于其含有较为丰富的多酚类物质，Pradeep 等[27]的研究表明，植物酚类化合物能抑制α-葡萄糖苷酶活性，显著降低淀粉水解速率。本研究制作的杂粮复合烤制馒头对α-葡萄糖苷酶的抑制作用(IC50为15.598 mg/mL)要强于纯小麦粉馒头(IC50为29.761 mg/mL)，但和杂粮复合蒸制馒头(IC50为14.071 mg/mL)相比略差。因此本实验制得的杂粮馒头具有一定的体外降血糖作用。

图3 体外模拟消化后对 α -葡萄糖苷酶抑制率的影响

3 结论

低GI杂粮复合烤制馒头的最优配方及工艺条件为，藜麦粉添加量5%，青稞粉添加量5%，荞麦粉添加量20%；改良剂加量0.6%，酵母添加量1.5%，发酵时长45 min。此条件下制得的馒头的感官评分为84.62分，GI值是38.62，其外观呈现良好的球状，表面光滑，光泽良好，富有弹性，内部气孔细小均匀，具有较强的嚼咬性，爽口不黏牙。杂粮复合烤制馒头的纤维含量较高，脂肪含量比纯小麦粉烤制馒头的和杂粮复合蒸制馒头的低，蛋白质含量均显著高于两者；总淀粉含量和β-葡聚糖含量均显著高于纯小麦粉馒头，并且含有多酚类物质，对α-葡萄糖苷酶活性有一定的抑制作用。