食品凝胶添加剂替代明矾对荞酥质构与风味特性的影响

周罗娜， 黄 珊， 刘 辉*， 李 俊， 贺圣凌， 卢 扬， 刘思睿， 曾 勇， 陈昌恒

(1.贵州省生物技术研究所， 贵州 贵阳 550006； 2.贵州省农业生物技术重点实验室， 贵州 贵阳 550006； 3.威宁县蒋凤明苦荞系列食品厂， 贵州 威宁 553100； 4.贵州绫绮源生物科技开发有限责任公司， 贵州 赫章 553200)

0 引言

【研究意义】苦荞学名为鞑靼荞麦(Fagopyrumtataricum)，属一年生或多年生宿根植物，起源于我国西南部，现遍布于亚洲、欧洲和北美洲[1]。苦荞主要成分为淀粉、蛋白质、膳食纤维等，同时含有丰富的微量元素、矿物质[2]以及蒽醌类、酚酸、黄酮类[3]等功能成分，营养均衡，对心血管及生殖、消化、内分泌、神经、肝脏系统具有广泛的调节作用，是药食同源植物[4-7]，常用于加工馒头、馍干、饼干及面包等食品[8-11]。荞酥主要原料为苦荞粉，是贵州省威宁彝族苗族自治县的特色糕点，具有酥脆可口、味道鲜甜、口感清爽等特点，深受消费者青睐。目前，荞酥生产中常添加适量明矾以保持其形状，虽然明矾用作食品添加剂历史悠久，但现代研究发现明矾对人体存在一定程度的危害[12]。因此，开展荞酥中明矾替代物筛选研究对荞酥品质的提升及食品安全具有重要的现实意义。【前人研究进展】因苦荞粉缺少面筋蛋白，不易形成面团，缺乏粘弹性，导致在荞酥制作过程中易松散，所以在传统制作过程中需添加明矾保持荞酥形状[13-14]。有研究表明，明矾含有的铝离子在人体内积累会损害大脑及神经细胞，引起痴呆、记忆力衰退、脑萎缩等症状[12]，为此，国家标准规定面制品中铝含量≤100 mg/kg[15]，以限制食品中含铝添加剂的使用，保证食品安全性。【研究切入点】目前，关于面制食品中明矾替代物的研究鲜有报道，贵州省生物技术研究所在前期研究中发现，在荞酥生产过程中通过添加黄原胶、魔芋胶、瓜尔豆胶及谷朊粉等凝胶添加剂可改善荞酥的感官品质，4种添加剂对荞酥的塑型作用与明矾相似。因此，开展4种添加剂替代明矾生产荞酥的试验研究具有重要意义。【拟解决的关键问题】首先通过单因素试验研究4种添加剂对苦荞粉流变学性质、糊化特性以及凝胶质构性质的影响，再通过正交试验对4种添加剂进行复配代替明矾，对比分析复配添加剂与添加明矾荞酥的微观结构、感官评价和质构特性，旨在筛选出明矾替代添加剂配方，为荞酥品质提升及食品安全提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 荞酥原料及添加剂 荞酥主要原料苦荞粉由贵州省威宁县东方神谷有限责任公司提供，荞酥辅料白砂糖、红糖、鸡蛋及菜籽油购自京东自营超市。添加剂黄原胶、魔芋胶、瓜尔豆胶、谷朊粉和明矾均购自河南万邦实业有限公司，均为食品级。

1.1.2 仪器设备 TA20多功能质构仪(上海保圣实业发展有限公司)，MCR 102型动态流变仪(奥地利Anton Paar有限公司)，BSA224S-CW电子天平〔赛多利斯科学仪器(北京)有限公司〕，LD-DL5212厨师机(广东龙的集团有限公司)，MG38CB-AA多功能电烤箱(美的集团有限公司)，SCIENTZ-10YG/A冷冻干燥机(宁波新芝冻干设备有限公司)，SU8020扫描电镜(日本日立公司)。

1.2 方法

1.2.1 单因素试验 以苦荞粉流变性质、糊化特性、凝胶质构特性为评价指标，以黄原胶(A)、魔芋胶(B)、瓜尔豆胶(C)和谷朊粉(D)作添加剂试验因子，以未加入添加剂的处理作为空白对照(CK1)，以荞酥制作过程中传统添加剂明矾(添加量为0.6%)处理作添加剂对照(CK2)，进行单因素试验，各因子添加量见表1，添加量表示各添加剂占主料苦荞粉的质量百分比。

表1 单因素试验不同水平各添加剂的添加量

1.2.2 添加剂复配正交试验 在单因素试验基础上，以黄原胶、魔芋胶、瓜尔豆胶、谷朊粉添加量为因素，根据4因素3水平正交试验方法进行添加剂复配组合试验，以苦荞粉流变性质、糊化特性、凝胶质构特性为指标，明确最佳明矾代替物的添加剂复配组合。正交试验因素水平见表2，9个复配添加剂组合水平见表3。

表2 正交试验不同水平各添加剂的添加量

1.2.3 指标测定

1) 流变性质。用烧杯称取40 g苦荞粉，加入50 mL蒸馏水充分搅拌溶解，各添加剂按比例添加，取完全溶解的样品5 mL均匀放入流变仪测试平台，选择黏度测试模式，测试温度25℃，测试时间200 s，测试间隔时间1 s，剪切速率200 1/s；取测试时间191～200 s内10个相对稳定点，考察苦荞粉应力、黏度与法向应力，每组测试3次重复。

表3 正交试验各复配处理添加剂的添加量

2) 糊化特性。用烧杯称取40 g苦荞粉，加入50 mL蒸馏水充分搅拌溶解，各添加剂按比例添加，取完全溶解的样品5 mL均匀放入流变仪测试平台，间隙设置为1 000 μm，形变为2%，角频率为5 rad/s。采用动态振荡程序，温度从20℃升温到100℃，考察苦荞粉不同温度条件的损耗模量(G")。

3) 凝胶质构特性。用烧杯称取15 g苦荞粉，加入50 mL蒸馏水充分搅拌溶解，各添加剂按比例添加，充分混匀后沸水浴糊化10 min后装入50 mL烧杯中，4℃冰箱放置24 h。测试时将整个凝胶从烧杯中倒出，在质构仪上进行质构测定。参数设定：质构仪P25探头，探头量程：25 N；测定模式：压缩模式，运行速度：40 mm/min，压缩形变量：50%；触发感应力0.038 N。考察苦荞粉的硬度、粘附性、内聚性、弹性、胶粘性和咀嚼性。每组测试重复3次。

4) 荞酥品质测定。荞酥制作：将质量比为1∶1的白砂糖和红糖放入锅中加热煮化后加入油120℃熬制8 min，将添加剂、蛋液与熬制好的糖和油充分混合后加入苦荞粉，均匀和面，面团放入发酵桶中，25℃发酵7 h。发酵完成的面团充分搅拌均匀后压成直径约5.5 cm、厚度约0.5 cm的饼，放入烤箱，底火、面火230℃烘烤10 min。

以苦荞面粉质量为基准，制作荞酥的基础配方为苦荞粉100%、糖(白砂糖︰红糖=1︰1)15%、油15%、蛋9%、水10%。根据试验设计，分别制作不添加添加剂的荞酥(空白对照CK1)、添加明矾的荞酥(明矾对照CK2)和添加最优复配添加剂的荞酥，对比分析3种荞酥的品质差异。

荞酥微观结构评价。将制作完成的荞酥样品放入冷冻干燥机中进行冷冻干燥，取其表面、截面样品离子溅射喷金后，在扫描电镜下观察微观结构。

荞酥感官评分。通过查阅相关文献，制定荞酥评分标准。选取10位食品专业人员，从外观形态、色泽、风味、组织形态5个方面对荞酥品质进行感官评定，采用百分制评分，每个指标最高分为20分，5个指标满分100分。荞酥感官评分标准见表4。

表4 荞酥感官评分标准

2 结果与分析

2.1 不同添加剂处理苦荞粉的加工性质

2.1.1 苦荞粉流变性质 应力和黏度是反映流变性质的重要指标，应力代表在受外力而产生形变时，物体内各部分之间产生单位面积上的内力；法向应力反映同截面的垂直内力；黏度反映分子间相互吸引力的大小。由表5可知，样品应力、黏度、法向应力CK1分别为84.32 Pa、0.30 Pa·s、-47.39 Pa， CK2分别为139.93 Pa、0.71 Pa·s、38.46 Pa，CK1低于CK2以及其他4种添加剂处理，CK2低于其他4种添加剂处理。表明，黄原胶、魔芋胶、瓜尔豆胶、谷朊粉添加剂能改善苦荞粉流变性质。

表5 不同添加剂处理苦荞粉的流变性质

苦荞粉应力、黏度、法向应力随黄原胶、魔芋胶、瓜尔豆胶、谷朊粉添加量的增加而增高，表明苦荞粉应力、黏度、法向应力与黄原胶、魔芋胶、瓜尔豆胶、谷朊粉的添加量呈正相关。

2.1.2 苦荞粉糊化特性 损耗模量(G")又称黏性模量，表示物料受到力的作用时阻碍其流动的特性，G"越大表明物料受到力的作用时越不易流动，形成的网络结构越致密。从图1看出，加入添加剂的处理(CK2、黄原胶、魔芋胶、谷朊粉)G"较不加入添加剂的处理(CK1)大，随添加量增加，G"呈先增后减趋势。其中，黄原胶处理(图1a)添加量为0.6%时G"最大，魔芋胶(图1b)、瓜尔豆胶(图1c)、谷朊粉(图1d)处理添加量为0.4%时G"最大；4个添加剂处理的G"最高值均高于CK2。表明，黄原胶、魔芋胶、瓜尔豆胶、谷朊粉添加剂能改善苦荞粉糊化特性，增加苦荞粉内部网络结构的效果优于明矾。

从20℃加热到100℃过程中，所有样品的G"在最开始加热的一段时间内基本无明显变化，CK1、CK2、魔芋胶、瓜尔豆胶和谷朊粉处理的样品在温度75℃左右达最大值，黄原胶处理在温度为80℃左右达最大值。说明，不同添加剂苦荞粉适宜的糊化温度存在一定差异。随温度继续升高，G"快速下降，这是由于高温使得形成三维结构的直链淀粉迁移能力增强，凝胶网格中的部分氢键断裂，稳定的结构瓦解，导致G"下降[16]。随添加量增加，G"值先增大后减小，可能是由于添加剂量太大使淀粉分子链间的氢键堆积结晶，从而影响其糊化性质。

2.1.3 苦荞粉质构性质 从表6看出，4种添加剂对苦荞粉的硬度、粘附性、弹性、胶粘性、咀嚼性上均有明显影响，且均随添加量增加呈先升后降趋势，与苦荞粉糊化特性一致。其中，黄原胶和魔芋胶均在添加量为0.4%时，硬度、粘附性、弹性、胶粘性、咀嚼性达最大值，黄原胶处理分别为1.13 N、1.44 mJ、1.74 mm、0.68 N、1.18 mJ，魔芋胶处理分别为1.23 N、1.47 mJ、1.8 mm、0.67 N、1.2 mJ；瓜尔豆胶和谷朊粉分别在添加量为0.8%和0.6%时硬度、粘附性、弹性、胶粘性、咀嚼性达最大值，瓜尔豆胶处理分别为1.12 N、1.47 mJ、1.8 mm、0.66 N、1.9 mJ，谷朊粉处理分别为1.97 N、1.26 mJ、1.73 mm、1.37 N、1.99 mJ。4种添加剂处理苦荞粉质构性质指标的最高值均大于CK2。

表6 不同添加剂处理苦荞粉的质构性质

2.2 不同添加剂复配组合处理苦荞粉的加工性质

结合4种凝胶添加剂单因子添加对苦荞粉流变学性质、糊化性质、凝胶性质的影响结果，并与CK2相应性质进行对比，最终选择黄原胶添加量0.2%、0.3%、0.4%，魔芋胶添加量0.2%、0.3%、0.4%，瓜尔豆胶添加量0.4%、0.5%、0.6%，谷朊粉添加量0.1%、0.2%、0.3%，作为正交试验的因子水平，进行不同因子不同水平的复配组合试验，考察各复配组合对苦荞粉加工性质的影响。

2.2.1 不同复配添加剂处理苦荞粉的流变性质 由图2可知，不同复配添加剂对苦荞粉流变学性质的影响存在明显差异，处理7(A1B2C2D2)苦荞粉的应力、黏度、法向应力分别为137.29 Pa、0.72 Pa·s、36.87 Pa，与CK2(139.93 Pa、0.71 Pa·s、38.46 Pa)最为接近。

2.2.2 不同复配添加剂处理苦荞粉的糊化性质 由图3可知，添加复配添加剂的苦荞粉在升温过程中的损耗模量(G")明显升高，在从20℃加热到100℃的过程中，所有样品在最开始加热的一段时间内基本无明显变化，在75℃左右达最大值。处理7(A1B2C2D2)样品的G"曲线与CK2的吻合度最好。

2.2.3 不同添加剂复配组合处理苦荞粉的质构特性 从表7看出，9个添加剂复配组合处理中，处理3(A3B3C2D1)、处理7(A1B2C2D2)苦荞粉的质构特性表现较好，硬度分别为1.75 N、1.19 N，显著高于其他处理；粘附性分别为1.33 mJ、0.90 mJ，与其他处理差异显著；内聚性分别为0.51 Ratio、0.49 Ratio，与多数处理差异显著；弹性分别为1.66 mm、1.28 mm；胶粘性分别为0.64 N、0.56 N，显著高于其他处理；咀嚼性分别为1.15 mJ、1.03 mJ，显著高于其他处理。总体看，正交试验中处理3、处理7复配添加剂的苦荞粉凝胶性质提升效果较好。

2.2.4 最优复配组合 综合正交试验中苦荞粉的流变性质、糊化性质、凝胶质构特性，处理7(A1B2C2D2)即复配添加剂为黄原胶0.2%+魔芋胶0.3%+瓜尔豆胶0.5%+谷朊粉0.2%的样品各项性质与CK2最为接近，且添加剂的添加量均符合国家标准，是筛选出的最优复配组合，可作为荞酥制作中明矾替代物加以应用。

表7 不同添加剂复配处理苦荞粉的凝胶质构特性

2.3 最优复配添加剂替代明矾制作荞酥的品质

2.3.1 荞酥的微观结构 从图4看出，CK1荞酥内部网状结构不明显(图4a、d)，导致结构不连续；CK2(图4b、e)和最优复配添加剂(黄原胶0.2%+魔芋胶0.3%+瓜尔豆胶0.5%+谷朊粉0.2%)(图4c、f)荞酥的微观结构较CK1得到有效改善，其内部网状结构紧密。表明，最优复配添加剂能够代替明矾，其制作的荞酥不易松散，形状保持效果与明矾相当。

2.3.2 荞酥的感官评分 从表8看出， CK2和最优复配添加剂的荞酥在外观形态、组织形态、口感及总分均显著高于CK1。在口感上，最优复配添加剂的荞酥为15.80分，显著低于CK2，这是由于研究复配添加剂替代明矾时，着重考虑解决荞酥不易松散的问题，未考虑如何增加荞酥的酥脆度。荞酥总分CK2最高，为84.80分，最优复配添加剂为82.90分，二者无显著差异。色泽CK2为17.50分，显著高于CK1和最优复配添加剂处理，这是因为明矾在食品加工过程中常作护色剂使用，对荞酥产品有一定的护色作用。风味CK1、CK2和最优复配添加剂处理3种荞酥的得分分别为15.60分、16.20分、16.70分，CK2与CK1和最优复配添加剂的差异均不显著，而最优复配添加剂显著优于CK1，表明添加剂的合理添加，不仅未对荞酥的风味产生影响，甚至更加突出其风味。

2.3.3 荞酥的质构特性 从表9看出，CK2荞酥的硬度、粘附性、内聚性、弹性、胶粘性、咀嚼性分别为57.88 N、0.33 mJ、0.20 Ratio、3.72 mm、20.53 N、53.22 mJ，最优复配添加剂分别为54.00 N、0.32 mJ、0.18 Ratio、2.54 mm、19.97 N、50.56 mJ，在粘附性和内聚性、胶粘性上二者无显著差异，表明，最优复配添加剂可代替传统荞酥中的明矾；硬度、弹性和咀嚼性二者差异显著，说明最优复配添加剂代替明矾制作的荞酥在酥脆性上还存在一定差异，与感官评分中口感评分结果吻合。

表8 荞酥的感官评分

表9 荞酥的质构特性

3 讨论

通过研究添加剂对苦荞粉流变性质的影响发现，黄原胶、魔芋胶、瓜尔豆胶以及谷朊粉4种添加剂能够作为增稠剂，在添加量为0.2%～1.0%(添加剂占主料苦荞粉的质量百分比)范围内，苦荞粉的应力、黏度、法向应力与其添加量呈正相关，有利于保持苦荞粉的固体特性。李娟[17]研究发现，淀粉-胶体凝胶复合物比单独的淀粉凝胶表现出更强的固体特征。黄原胶坚硬、有序的分子构象结构有利于加强淀粉凝胶的三维网络结构[18]。岳莉娜等[19]研究发现，添加魔芋胶可以使大米抵抗应变的能力增强、凝胶强度提高、体系的类固体行为增强。陈前等[20]报道，添加瓜尔豆胶可增强马铃薯-小麦混合粉面团的聚合度，使面团内部强度增大。王杰琼等[21]研究谷朊粉对高含量荞麦面团的影响发现，添加谷朊粉可一定程度上弥补荞麦面团面筋蛋白含量的不足，使面筋网络能够较好形成。

黄原胶、魔芋胶、瓜尔豆胶以及谷朊粉均能促进苦荞粉形成稳定的三维结构，提高样品的储能模量(G")。其中，黄原胶添加量为0.6%时其G"最大，魔芋胶、瓜尔豆胶、谷朊粉添加量为0.4%时G"最大。有研究表明，在加热过程中，淀粉颗粒迅速吸水膨胀，并伴随直链淀粉浸出和溶解[22]，游离出的直链淀粉内部与外部支链淀粉之间相互链接，形成稳定的三维结构，导致体系的G"增加[23]。HSU等[24]研究表明，G"越大凝胶强度越大，形成的网络结构越致密。因此，加入黄原胶、魔芋胶、瓜尔豆胶及谷朊粉可提高苦荞粉的凝胶强度。

苦荞粉凝胶质构特性指标值随黄原胶、魔芋胶、瓜尔豆胶以及谷朊粉添加量增加，呈先升后降趋势。其中，黄原胶和魔芋胶均在添加量0.4%时苦荞粉的硬度、内聚性、弹性最高；瓜尔豆胶和谷朊粉分别在添加量在0.8%和0.6%时苦荞粉的硬度、内聚性、弹性最高。石彬等[25]研究4种多糖对红薯粉凝胶性质的影响发现，添加0.2%、0.3%、0.4%黄原胶时，样品的硬度、粘附性、弹性、胶粘性、咀嚼性达最大值。岳晓霞等[26]研究证实，在粉丝中添加黄原胶、魔芋胶均可代替明矾提高粉丝的剪切力和弹力；周玉杰等[27]研究发现，向锥栗淀粉中添加瓜尔豆胶后，样品黏弹性更优。张冬梅等[28]研究发现，将谷朊粉添加到紫薯土司面包中，可以增加其弹性、黏聚性和持水性，提高面包的质构。

结合4种添加剂的单因素及正交试验，获得最优添加剂复配组合，即黄原胶0.2%+魔芋胶0.3%+瓜尔豆胶0.5%+谷朊粉0.2%，该处理下苦荞粉的流变学性质为应力137.29 Pa、黏度0.72 Pa·s、法向应力36.87 Pa；质构性质为硬度1.19 N、粘附性0.90 mJ、内聚性0.49 Ratio、弹性1.28 mm、胶粘性0.56 N、咀嚼性1.03 mJ，流变学性质和质构性质指标与添加明矾对照组最为接近；糊化特性G"曲线与明矾对照组吻合度好。最优添加剂复配组合制作的荞酥品质为内部紧密，感官评价82.90分；质构特性为硬度54.00 N、粘附性0.32 mJ、内聚性0.18 Ratio、弹性2.54 mm、胶粘性19.97 N、咀嚼性50.56 mJ，与明矾制作的荞酥相比，除酥脆度有一定差异外，其他指标无明显差异。

4 结论

黄原胶、魔芋胶、瓜尔豆胶以及谷朊粉4种添加剂添加量在0.2%～1.0%时，均可明显提升苦荞粉流变学性质、糊化特性以及质构性质。4种添加剂用量复配试验得出最优组合为黄原胶0.2%+魔芋胶0.3%+瓜尔豆胶0.5%+谷朊粉0.2%，该条件下苦荞粉流变学性质为应力137.29 Pa、黏度0.72 Pa·s、法向应力36.87 Pa；苦荞粉凝胶质构特性为硬度1.19 N、粘附性0.90 mJ、内聚性0.49 Ratio、弹性1.28 mm、胶粘性0.56 N、咀嚼性1.03 mJ，与添加明矾最接近；糊化特性G"曲线与添加明矾吻合度好。

最优复配添加剂制作的荞酥微观结构表现紧密，感官评价为82.90分，荞酥质构特性为表现硬度54.00 N、粘附性0.32 mJ、内聚性0.18 Ratio、弹性2.54 mm、胶粘性19.97 N、咀嚼性50.56 mJ，与传统添加剂明矾制作的荞酥无显著差异。因此，在荞酥制作过程中，最优复配添加剂(黄原胶0.2%+魔芋胶0.3%+瓜尔豆胶0.5%+谷朊粉0.2%)可作为明矾替代品加以应用，减少明矾中铝离子对人体的伤害，对贵州特色食品荞酥的绿色优质安全生产具有重要意义。