复配功能性糖对面包储藏性质的影响及协同作用的研究

卢 洁， 钱海峰， 王 立， 李 言， 张 晖， 齐希光

(江南大学食品学院，无锡 214122)

在面包等焙烤食品生产过程中，蔗糖由于价格便宜且能赋予面包良好的烘焙品质，常被用作主要的甜味剂，但蔗糖的过量摄入量往往会诱发II型糖尿病和肥胖症等代谢综合症，一些研究者提出使用蔗糖替代物以解决这个问题，如用天然甜味剂替代面包中蔗糖可以维持大鼠的血糖平稳，用葡萄糖替代品降低汉堡面包的热量等[1-3]。

此外，蔗糖面包在储藏过程中品质易会发生劣变，因此一些研究者提出用功能糖替代蔗糖以解决面包的储藏问题。Ding等[4]发现麦芽糖醇可以增强面包中“自由水”的转化比例，阻碍了淀粉重结晶，从而延缓面包的老化。Peng等[5]指出海藻糖分子的多羟基结构与面团体系水分子结合更紧密，同时减弱了面筋网络结构的形成，造成面包硬度降低。赵天天[6]指出菊糖的吸湿性较强，可以通过结合自由水降低食品水分活度，延长货架期。然而，比较不同功能性糖对面包储藏特性的影响以及复配后对面包抗老化效果的交互作用的研究较少。因此，本研究比较了麦芽糖醇、菊粉、低聚木糖和海藻糖4种糖不同复配比例替代蔗糖对面包储藏期间的硬度以及老化焓值的影响，且通过Prieto模型[7]对糖类的协同作用或者拮抗作用进行定量分析，以期优化其复配比例，改善面包烘焙性质。

1 材料与方法

1.1 实验材料

小麦粉(高筋粉)、复配酶制剂(S500综合面包改良剂)、干酵母(耐高糖型)、起酥油；盐、鸡蛋、白砂糖；

菊糖(平均聚合度7.5～7.8，纯度>90%)、低聚木糖(平均聚合度为3.2～3.6，纯度 > 90%)、麦芽糖醇(纯度>90%)、海藻糖(纯度>90%)

1.2 实验仪器与设备

TA.XT Plus型物性分析仪，UltraScan Pro1166型高精度分光测色仪，DSC3差示扫描热量仪，WTN-25型和面机

1.3 实验方法

1.3.1 面包的制作方法

面包制作的基本配方：以小麦粉质量计，蔗糖16%、酵母1%、食用盐1.2%、改良剂0.4% ；此配方为对照组面包配方。

以小麦粉500 g为例，基本配方中糖的总质量为80 g。麦芽糖醇、菊粉、低聚木糖和海藻糖的单因素配方剂量比例如下表1。

表1 菊粉、麦芽糖醇、低聚木糖、海藻糖单因素实验设计

以对照组面包制作为例，将基本配方配料，其中包括蔗糖80 g、小麦粉500 g、酵母5 g、食用盐6 g、改良剂2 g放入WTN-25型和面机进行搅拌，加入310 g水，于25 ℃在1档低速模式下搅打成团，然后切换为2档高速搅打模式使面筋充分扩展，再转为1档低速模式，加入黄油搅打2～3 min，再转换为2档高速模式搅打1～2 min，完成和面加水启动和面程序；混合结束后立刻取出面团，25 ℃下松弛15 min，分割成150 g的面团，搓圆、整形；在醒发箱(RH85%，35 ℃)中醒发90 min；于烤箱(型号)上火190 ℃，下火200 ℃烘烤25 min。面包在25 ℃平衡至 1 h(以烘烤结束定义为 0 h的存储)，密闭保存(25 ℃)，以便进一步分析。

1.3.2 面包质构的测定

分别测量面包在储藏0 d和7 d的质构，测定方法为：面包在25 ℃平衡至2 h(以烘烤结束定义为0 h的存储)，用切片机将面包切成厚度为2.5 mm薄片。取中间2片使用TA.XT Plus型物性分析仪进行质构测定，采用 TPA模式，探头型号为P/25，测试前速率5.00 mm/s，测试速率 1.00 mm/s，测试后速率 1.00 mm/s，探头压缩比50%，感应力为5 g，两次压缩间隔时间5 s。重复压缩两次，间隔时间为5 s。记录面包片的硬度等数据，每份样品做3次平行取平均值。

1.3.3 面包比容的测定

按照GB/T 20981—2007测定。采用小米置换法测体积，结果精确到0.1 mL，将面包冷却到室温后，称量面包的质量，精确到0.01 g。体积与质量之比即面包比容，单位为mL/g。

1.3.4 DSC测试

采用差示量热扫描仪测定贮藏0、1、3、5、7 d的面包芯老化焓值。称取3 mg样品，程序设置：升温速率为5 ℃/min，扫描范围为30～100 ℃，氮气流速为20 mL/min[8]。

1.3.5 混料设计(Mixture Design)的建立

根据单因素实验结果，遵循Mixture Design设计原理，运用Design-Expert软件设计原理，筛选对面包硬度影响较大的因子的剂量范围，以面包硬度值为响应值，进行复配比例优化，并确定效应值主因子，初步判断因之间的交互作用。

1.3.6 Prieto模型的建立

建立有、无相互作用的2种糖的剂量响应曲线模型，根据有、无相互作用的模型，计算相互作用的综合指标RUV值，并判断相互作用的类型。

建立无相互作用的2种糖的剂量响应曲线模型：在Prieto模型[9]中，假设2种糖之间无相互作用，只存在浓度叠加情况下，2种糖(x，y)的联合效应可描述为2个不同浓度的同一物质的“混合”效果，不同糖的不同作用强度加入参数p来表示。两种糖的剂量响应曲线表示为：

(1)

公式(1)由Matlab自动归递检验，从参数中选择拟合度较高的组合，理论上涵盖所有可能的结果。

建立有相互作用的2种糖的剂量响应曲线模型：有相互作用的模型，是指当2种功能糖存在相互作用情况时，一种功能糖(x)在某浓度下对另一种功能糖(y)的作用效果具有影响作用。浓度叠加前提下有相互作用的2种糖的剂量响应曲线可表示为：

(1)

ans(x,y)=

(2)

式中：a与响应的最大斜率有关；b、c为拟合系数；k为渐进值；t为达到相同硬度效果时所需要使用的糖的剂量；p为模型作用强度。

此公式由Matlab自动归递检验，从参数中选择拟合度较高的组合，理论上涵盖所有可能的结果。

1.3.7 Prieto模型中复配糖的剂量范围

参考Mao等[10-12]的方法，建立描述混合物中两种物质之间的相互作用的剂量模型以麦芽糖醇(0%、0.5%、1%、2%、3%、4%、5%)、菊粉(0%、0.5%、1%、2%、3%、4%、5%)，每种糖样品的剂量范围以质量表示(以小麦粉质量计)。配方中包括蔗糖、麦芽糖醇、菊粉、低聚木糖和海藻糖，蔗糖质量分数为6%固定，其中麦芽糖醇、菊粉两种糖比例交互，采用6×6阵列制备(共36个剂量组合)，并测定两种糖之间对储存7天的面包硬度的交互作用。

1.3.8 计算相互作用的综合指标

通过对有、无相互作用模型拟合后进行曲面积分，计算无相互作用假设公式拟合模型下的体积和有相互作用假设公式拟合模型下的体积之间的相对体积差(RUV)，以此判断2种糖之间的相互作用，计算公式如下：

(3)

式中：SV1为有交互作用模型产生的表面体积；SV2为有相加作用模型产生的表面体积；RUV值为正，表示2种糖之间的相互作用为协同作用；RUV值为负，表示2种糖之间的相互作用为拮抗作用；RUV值的绝对值越大表示相互作用越强。

2 结果与分析

2.1 不同种类糖对面包烘焙性质的影响

为了探究复配糖中不同功能糖之间的最适比例，首先进行单因素实验的研究，继而进行复配研究，以得到最适复配比例。在后续的复配实验中，4种功能糖(其中包括菊粉、麦芽糖醇、低聚木糖和海藻糖)的复配剂量之和为10%，因此本文中单因素实验的剂量范围采用2%～10%，以考察几种糖对面包储存7 d的硬度值，老化焓值和面包的比容的影响。

硬度是面包重要的质构参数，和老化焓值都可以作为表征面包老化特性的指标[13]。由表2可知，与对照组相比，随着不同种类功能糖添加量的增加，储存7 d的面包的硬度和老化焓值逐渐降低，但效果略有不同，说明在一定的剂量范围下，添加几种功能糖都在不同程度上延缓了面包的老化。

表2 菊粉、麦芽糖醇、低聚木糖、海藻糖对面包烘焙性质的影响

当质量分数为2%～6%时，面包中添加菊粉、麦芽糖醇、海藻糖能在一定程度上延缓面包的老化。当菊粉、麦芽糖醇、海藻糖的质量分数为6%时，面包的硬度分别为对照组的0.77、0.75、0.78倍，面包的老化焓值分别为对照组0.74、0.72、0.78倍。但是，当质量分数为6%～10%时，菊粉、麦芽糖醇、海藻糖的加入对降低面包的硬度和老化焓值的作用逐渐减小。

当低聚木糖质量分数为4%时，面包的硬度和老化焓值分别为对照组的0.78倍和0.77倍；但低聚木糖的质量分数超过4%时，面包的硬度和老化焓值较对照组反而增加了，这可能是由于低聚木糖在较低添加量下具有延缓面包老化的作用，这与解宇晨等[14]研究相一致。

不同种类的功能糖对延缓面包老化的影响不同，这可能与它们自身不同的分子结构与性质有关。Smits等[15]的研究表明，淀粉老化与淀粉分子链的稳定性有关，麦芽糖醇等小分子糖在分子运动中碰撞淀粉分子链，会减弱淀粉分子稳定性，使得直链淀粉的重结晶受到抑制；分子链的运动也是影响回生的重要因素[16]，菊粉等多糖分子则通过渗入淀粉分子链间，加大分子链的空间位阻，抑制淀粉链的迁移[17，18]，分子链间交联作用减少，从而阻碍淀粉的重结晶[19]。糖类与淀粉体系的相容性也会影响淀粉老化，两者具有相容性，则抑制淀粉老化；反之两者不相容，则会促进淀粉老化[20]。

此外，添加菊糖和低聚木糖有增大面包比容的趋势，而添加麦芽糖醇和海藻糖会降低面包的比容。因此为了进一步提高面包的比容等烘焙特性，可将四种功能糖进行复配研究。

根据实验结果，考虑到实际4种糖的总质量分数不超过10%，麦芽糖醇、菊粉、海藻糖的质量分数范围分别选取为2%～6%，低聚木糖的质量分数范围选取为2%～4%，进行后续4种糖复配研究。

2.2 不同比例的4种糖复配对面包烘焙性质的影响

2.2.1 复配糖面包的烘焙性质分析

在复配配方中，蔗糖质量分数保持6%(以小麦粉质量计算)，其余4种糖(其中包括菊粉、麦芽糖醇、低聚木糖和海藻糖)的总质量分数为10%。当菊粉：麦芽糖醇：低聚木糖：海藻糖的复配比例分别为5∶2∶2∶1、2∶2∶4∶2、2∶5∶2∶1、2∶2∶1∶5，考察不同比例的4种糖复配面包对面包储存7 d的硬度值、老化焓值和面包比容的影响。

由表3可知，不同比例的复配糖面包，比容、硬度差别较明显，说明不同比例四种糖复配对于面包的烘焙性质影响显著。与对照组相比，当菊粉：麦芽糖醇：低聚木糖：海藻糖的比例为2∶5∶2∶1时，面包切面比容良好，且气孔更加细密。

表3 不同比例的4种糖复配面包的烘焙性质

与对照组相比，复配组面包在菊粉或低聚木糖的添加量占主导(质量分数>4%)时，面包的比容无显著差异；在海藻糖的添加量占主导时，面包的比容显著降低。当菊粉：麦芽糖醇：低聚木糖：海藻糖的比例为2∶5∶2∶1时，储藏7 d后面包硬度和老化焓值都最低，分别为对照组的0.65倍和0.56倍，显著低于在相同添加量下单独使用菊粉、麦芽糖醇、低聚木糖、海藻糖时面包的硬度及老化焓值。这表明与单独使用菊粉、麦芽糖醇、海藻糖和低聚木糖相比，4种功能糖按一定比例复配后替代蔗糖对改善面包的老化性能的作用更显著。

2.2.2 建立混料设计模型与方差分析

为了探究4种功能糖的不同复配比例对储存7 d的面包硬度的影响，根据Mixture Design(混料设计)实验方法，运用Design-Expert软件设计原理，以面包储存7 d硬度值为响应值，将影响面包的硬度4个因素进行混料设计实验，其因素水平设计及结果见表4。

其中，由于混料设计模型的限制四因子剂量之和恒定，为了维持面包较好的感官评价和发酵特性，在复配配方中，蔗糖质量分数保持6%(以小麦粉质量计算)，其余4种糖(其中包括菊粉、麦芽糖醇、低聚木糖和海藻糖)的复配的质量分数之和恒定为10%。依照混料设计方法，菊粉：麦芽糖醇：低聚木糖：海藻糖的质量分数范围分别选取为2%～5%、2%～5%、1%～4%、2%～5%，4个因素添加比例如表4所示。混料设计模型常用于研究多种因素对响应值的影响，且该实验方法能维持4因素总剂量不变，减少由于4种糖总添加量的变化对实验结果的误差，因此复配实验中使用混料设计的适用性较强。

表4 菊粉(A)、麦芽糖醇(B)、低聚木糖(C)、海藻糖(D)混料设计实验

运用Design-Expert对表4数据进行回归拟合，得到面包硬度的三次多项回归方程：R=569.51A+554.51B+639.51C+618.01D+434.04AB+174.13AC+253.13AD+44.13BC+83.13BD-30.87CD-3 538.02ABC-1 0146.02ABD+4 045.29ACD+4461.29BCD

式中：R为硬度/g；A为菊粉/%；B为麦芽糖醇/%；C为低聚木糖/%；D为海藻糖/%。

表5 混料设计实验中回归模型方差分析

以面包的硬度值作为响应值，该数值越小，表明对面包延缓老化的效果越显著。根据系数值大小可知,A=569.51,B=554.51,C=639.51,D=618.01,影响面包储藏后硬度的主因素由大到小为：麦芽糖醇>菊粉>海藻糖>低聚木糖。

根据F值可知，AB对响应值具有极显著影响(P<0.000 1)，因此菊粉与麦芽糖醇之间的可能存在较强的交互作用。上述实验结果表明，菊粉与麦芽糖醇之间存在协同或拮抗作用，可进行2种糖之间交互作用的后续验证和研究。

2.3 Prieto互作模型分析

不同糖之间对延缓面包老化的协同作用，指的是多种糖复配时，相比较添加单一的某种糖，能在一定程度上提高面包的抗老化性能，实现“1+1>2”的效果[21, 22]。

利用Prieto模型评价菊粉与麦芽糖醇之间的交互作用对储藏7 d面包硬度的影响，对其协同作用或拮抗作用进行定量分析。实验结果如图2所示，左侧为浓度加和假设条件下拟合有相互作用模型，右侧为浓度加和假设条件下拟合无相互作用模型。2个模型的拟合参数结果见表7。

由表6实验结果可知，该模型在低剂量下的交互作用不显著，即表现在，在低剂量下2种糖之间复配对降低面包硬度值的作用效果较小，在接近高剂量条件下对面包硬度值的影响较小较大，面包硬度达到了(521.36±10.78) g。由于麦芽糖醇、菊粉延缓面包老化过程，是延缓淀粉重结晶的过程。用老化动力学方程研究淀粉重结晶时，淀粉的老化速率是一个非线性的变化，通常用老化速率常数表示，表现为老化速率常数的波动，这表明糖类影响面包老化的速率是随剂量浓度变化的。这与交互实验中麦芽糖醇、菊粉两者的不同剂量下对面包老化的影响效果不同的表现相一致[23]。

表6 交互实验中菊粉、麦芽糖醇对面包硬度(g)的影响

如图1所示，2个模型三维图中的点分别包含36个实验点，根据菊粉与麦芽糖醇之间有无相互作用，分别拟合成2个模型曲面，其中纵坐标表示面包储藏7 d的硬度与对照组硬度的差值。

由表7可知，2个模型拟合的修正相关系数(R2)均在0.91～0.99之间，说明此结果的拟合效果较好。其中，2种物质之间的交互作用模型(R2)大于相加作用模型的(R2)，说明两者之间存在有交互作用，反之则具有相加作用。菊粉、麦芽糖醇之间交互作用模型的R2为0.939 89，相加作用模型的R2为0.914 22，这表明菊粉、麦芽糖醇之间存在交互作用，这与混料设计的结果相一致。

表7 两种糖对面包硬度有、无相互作用模型参数

相加作用模型和交互作用模型中的参数k表示响应的渐进值[24]，表示面包储藏7 d的硬度与对照组硬度的最大差值。菊粉、麦芽糖醇之间交互作用的拟合参数中渐进值k为329.29，表明此时菊粉、麦芽糖醇在复配比例为5∶5时，面包储藏7 d的硬度值较对照组降低了329.29 g，具有显著改善面包老化性能的效果。参数t表示面包的储存7 d的硬度与对照组的硬度差值达到k值的一半时所使用糖的剂量[25]，t值越小，糖的剂量越少，则改善老化性能的效果越好。通过对比t值大小，可以直观比较菊粉与麦芽糖醇之间有无交互作用下对面包硬度的影响，此时，两者无交互作用的情况下复配糖的剂量t值为1，而两者有交互作用的情况下复配糖的剂量t值为0.595 1，这说明菊粉与麦芽糖醇之间有交互作用下改善面包老化性能的效果更好。

根据模型的运算结果，菊粉与麦芽糖醇之间的相互作用的综合指标(RUV)为5.155 3%，表明菊粉、麦芽糖醇之间存在显著的协同作用，且在高剂量处表现得尤为显著。

3 结论

麦芽糖醇、菊粉、海藻糖和低聚木糖4种糖都有降低面包硬度和改善面包老化的功能，但是不同种类糖延缓老化的效果不同。复配糖中麦芽糖醇是影响面包储藏后硬度变化的主要因素，并与菊粉之间存在较强的交互作用(P<0.000 1)。在相同的添加量下，与单独使用菊粉、麦芽糖醇、海藻糖和低聚木糖相比，4种糖复配替代蔗糖能更显著改善面包的老化性能，麦芽糖醇和菊粉之间存在协同作用，特别是在接近较高剂量下协同作用效果显著。