黑全麦馒头工艺优化及消化特性分析

刘旭华, 孙强强, 杨丽萍, 王俊颖, 丁志刚, 翟立公

(安徽科技学院 食品工程学院,安徽 凤阳 233100)

《中国居民膳食指南(2022)》建议居民坚持谷类为主的平衡膳食模式。每天的膳食应包括谷薯类、蔬菜水果、畜禽肉、鱼蛋奶和豆类食物,每天摄入谷类食物200～300 g,其中包含全谷物和杂豆类50～150 g。数据显示,我国成年人全谷物摄入量低于推荐值,摄入量严重不足[1]。国内居民吃的大多是精加工的粮食谷物,造成非常多的营养成分浪费,也导致人们对微量元素的摄取远远不够,患中风、心血管、肥胖等病的可能性大大增加。有研究表明,长期食用精加工食品容易患糖尿病、心血管病等慢性疾病[2]。

近年来,随着生活水平的不断提高,人们也越来越注重合理膳食和均衡饮食。全麦粉是指在磨粉工艺中,不脱去小麦最外层的麸皮,将小麦完全碾碎,所得的麦粉包含了麸皮、胚芽与胚乳等小麦全部组织[3]。全麦粉也是最常见的全谷物食品之一,相较于小麦粉其营养价值更全面,膳食纤维含量更高,富含矿物质、维生素B1、B2、B6、泛酸等。因此,全麦粉相比传统的小麦粉而言食用价值更高。馒头作为我国北方的主食,其消费含量占面食食品的35%。我国居民不喜欢食用全麦馒头,是由于全麦粉中膳食纤维含量较高,致使全麦馒头的口感比较粗糙,不如小麦馒头的消费者认可度高,推广难度较大。本研究通过探究酵母添加量、发酵时间、发酵温度、发酵湿度对改善黑全麦馒头口感的影响,结合响应面优化加工工艺,改善黑全麦馒头的硬度、弹性、咀嚼性、高径比,使黑全麦馒头的食用感受更佳,提高居民对黑全麦馒头的接受度。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 材料 黑全麦面粉(益海嘉里食品有限公司);白面包(江苏桃李面包有限公司);泡打粉(安琪酵母股份有限公司);酵母(安琪酵母股份有限公司)。

1.1.2 试剂 甲基红试剂(天津市永大化学试剂有限公司);胃蛋白酶、葡萄糖苷酶(上海麦克林生化科技有限公司;乙醇、乙醚、盐酸、氢氧化钠、氯化钠(AR,国药集团化学试剂有限公司);磷酸(CP,国药集团化学试剂有限公司);葡萄糖测定试剂盒(上海荣盛生物药业股份有限公司)。

1.1.3 仪器 JM-A电子天平(上海静天电子仪器有限公司);XY10MB电子称(常州市幸运电子设备有限公司);醒发箱(广州旭众食品机械有限公司);紫外可见分光光度计(广州旭众食品机械有限公司);HH数显恒温水浴锅(金坛市全程国胜实验仪器厂);CT-3质构仪(美国Brookfield公司)。

1.2 试验方法及工艺流程

称取150 g黑全麦粉、2.25 g泡打粉,混合均匀,温水活化酵母5 min,并加入适量的水和面,将面团揉搓成型,成型后自然发酵5 min,揉搓排气。将面团称重,均分为4份。对面团压面、折面,揉搓整形使其成为形状均匀的圆形。放入预热好的发酵箱中发酵,待蒸锅上汽后蒸30 min,然后关火闭盖焖煮5 min。取出晾凉后切成20 mm的馒头片(图1),测其质构。

图1 工艺流程图Fig.1 Process flow chart

1.3 工艺优化

1.3.1 生产工艺的单因素试验 在确定黑全麦馒头基本试验工艺的基础上,保持泡打粉的添加量为1.5%,依次考察酵母的添加量(0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%)、发酵温度(27、31、35、39、43 ℃)、发酵时间(20、30、40、50、60 min)、发酵相对湿度(65%、70%、75%、80%、85%)对黑全麦馒头的硬度、弹性、咀嚼性、高径比的影响。

1.3.2 比容的测定 参照徐箐[4]的方法进行测定。

1.3.3 馒头质构的测定 馒头出锅后晾凉20 min,切成20 mm的馒头片,进行质构测定[5]。使用TA4/1000探头,质构测定条件为：出发点负载7 g,测试速率2 mm/s,循环次数2次。

1.3.4 响应面法优化试验设计 采用Design-Expert 8.0.6软件以及Box-Behnken模型,选取酵母质量分数(A)、发酵温度(B)、发酵时间(C)等对全麦馒头制作工艺具有显著影响的因素(表1),采用三因素三水平的响应面工艺优化试验[6]。

表1 响应面因素和水平Table 1 Factors and levels of response surface test

1.3.5 感官评价指标 设置10人评分小组,各成员对全麦馒头感官评价,评分范围为32～100分,以平均分为参考[7]。重复评分3次,取平均值。具体感官评价标准见表2。

表2 全麦馒头的感官评价标准Table 2 Sensory scoring criteria for whole wheat steamed buns

1.4 黑全麦馒头消化特性分析

1.4.1 淀粉含量测定 根据GB/T 5009.9—2016 食品中淀粉的测定 酸水解法测量黑全麦馒头淀粉含量。

1.4.2 体外消化试验 黑全麦馒头血糖生成指数参照Edwards等[8]和Tian等[9]方法测定。称取5 g样品于50 mL离心管中,加入20 mL 0.3 mol/L氯化钠,均质机研磨均匀,放入恒温水浴振荡器中40 ℃预热5 min,再加入0.4 mL 0.1 g/mL胃蛋白酶,振荡摇匀,于40 ℃、150 r/min中水浴震荡1 h。然后加入pH为6.8的磷酸盐缓冲溶液至50 mL,然后加入1 mL的2 500 U/mL葡萄糖苷酶,在40 ℃、150 r/min的水浴摇床中摇动记时。分别在0、10、20、30、60、90、120、180 min时取1 mL上清液于1.5 mL离心管中,沸水浴5 min。于4 000 r/min离心8 min,取上清液,用试剂盒进行测定。根据式(1)计算GI值。快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)的含量根据式(2)～(4)计算。

eGI=39.71+0.549HI

(1)

其中,eGI为血糖生成指数;HI为试样水解曲线下的面积与白面包水解曲线下的面积之比。

(2)

(3)

(4)

其中,G0、G20、G120为0、20、120 min时的葡萄糖含量;TS为总淀粉的含量。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果分析

2.1.1 酵母质量分数对黑全麦馒头品质的影响 通过对全麦馒头中酵母添加量因素进行单因素试验,得出具体的评价结果(表3)。当酵母质量分数从0.6%升至1.2%时,咀嚼性和硬度逐渐降低[10]。酵母通过微生物发酵产生CO2气体,使馒头蓬松柔软且多孔,表面饱满。随着发酵过程的进行,CO2气体产生过多,面团的面筋蛋白被破坏,面筋网络的形成受到影响,弹性和高径比则随之升高[11]。在此范围内,随着酵母添加量增加,酵母的产气作用逐渐增强。此后,当酵母质量分数高于1.2%时,馒头发酵产气过多,内部气孔过多造成馒头塌陷[12]。馒头内部组织蛋白结构被破坏,导致馒头的硬度和咀嚼性升高,弹性和高径比降低。因此,酵母质量分数为1.0%～1.2%,馒头发酵的最好最蓬松。此时,馒头的小麦香气十足,咀嚼不黏牙。因此确定最佳比例范围在0.9%～1.3%。

表3 酵母质量分数对馒头品质的影响Table 3 Effects of yeast addition on the quality of steamed buns

2.1.2 发酵温度对黑全麦馒头品质的影响 由表4可知,当发酵温度在35 ℃时,馒头的硬度、咀嚼性最小,弹性、高径比较大。这是由于发酵温度过低时,酵母活性不高,发酵产生的气体少,因为产生的气孔少并且密集,故硬度低、咀嚼性高。温度对酵母的生长具有重要作用,随着温度不断接近酵母的最适生长温度,馒头的硬度、咀嚼性降低,馒头发酵的最饱满[11,13]。发酵温度高于35 ℃时,部分酵母可能无法适应温度而丧失活性甚至死亡,使得发酵过程减慢甚至停止。因此,发酵温度在31～39 ℃时,馒头发酵的效果最好、最蓬松。此时的馒头光滑又饱满,且有弹性。因此确定最佳温度范围在32～36 ℃[14]。

表4 发酵温度对馒头品质的影响Table 4 Effects of fermentation temperature on the quality of steamed buns

表5 发酵时间对馒头品质的影响Table 5 Effect of fermentation time on the quality of steamed buns

2.1.3 发酵时间对黑全麦馒头品质的影响 发酵时间对全麦馒头的品质有着一定的影响,随着发酵时间的增加,酵母产生的气体量变多,馒头得以延展开来。馒头的硬度和弹性先降低,高径比先缓慢降低再迅速降低。这是由于在一定时间范围内随着发酵时间的增加,酵母产气量增加,面筋网络结构被破坏[11]。发酵时间在30 min之前时,酵母的生长时间过短,产气量不足,面团不能充分醒发。成品质地较硬,内部气孔较少[14]。发酵时间在50 min之后,由于发酵的时间过长,酵母产气量充足,使得面团塌陷,成品的颜色较深。因此,发酵时间为30～50 min,馒头发酵的最好最蓬松[15]。此时,馒头的香气十足,口感绵软又不失嚼劲。当发酵时间为30～45 min,因此确定最佳发酵时间为30～45 min。

2.1.4 发酵相对湿度对全麦馒头的影响 由表6可知,随着相对湿度的增加,馒头的高径比无明显变化,说明湿度对馒头的高径比影响不大。当发酵相对湿度从60%增加到80%时,馒头的硬度、湿度、咀嚼性变化不大。试验发现,当发酵湿度过低时,馒头发酵完之后出现表皮裂开的情况,可能是由于环境相对湿度过低时,影响馒头内部水分的的流动。比对其他3个因素,相对湿度对馒头品质的影响不大[16-17]。

表6 发酵相对湿度对馒头品质的影响Table 6 Effect of fermentation humidity on the quality of steamed buns

2.2 响应面法优化全麦馒头制作工艺

2.2.1 响应面设计及方差分析 通过参考试验数据,以酵母的质量分数(A)、发酵温度(B)、发酵时间为自变量(C),弹性(Y)为因变量进行响应面试验。响应面试验结果如表7所示。

表7 全麦馒头响应面试验设计及结果Table 7 Response surface test design and results of diagram of whole steamed bread

表8 全麦馒头响应面试验设计及结果Table 8 Whole wheat steamed bun response surface test design and result

2.2.2 各因素的交互作用分析 为进一步探讨因素间交互作用的影响,通过软件固定其中的一个因素,观察其他两个因素对其的影响。如图2所示,当固定发酵温度为34 ℃时,酵母添加量与发酵时间的交互作用对弹性有显著影响,面团的弹性随着酵母填加量和发酵时间的增加先变大后变小[19]。如图3所示,当固定酵母添加量为1.1%时,酵母添加量与发酵时间的交互作用对弹性的影响不明显。如图4所示,当固定发酵时间为37.5 min时,酵母添加量与发酵温度的交互作用对面团弹性的影响有较显著影响[20]。

图2 酵母添加量和发酵时间的相互作用对全麦馒头弹性的响应面图及等高线图Fig.2 Response of the interaction of yeast addition amount and fermentation time to the elasticity of whole wheat steamed buns, surface map and contour map

图3 发酵温度和发酵时间的相互作用对全麦馒头弹性的响应面图及等高线图Fig.3 Response of the interaction of fermentation temperature and fermentation time to the elasticity of whole wheat steamed buns, surface diagram and contour map

图4 发酵温度和酵母添加量的相互作用对全麦馒头弹性的响应面及等高线图Fig.4 Response of the interaction of fermentation temperature and yeast addition amount to the elasticity of whole wheat steamed buns and contour diagram

2.2.3 验证试验 由响应面优化结果可知最优方案为：酵母质量分数为1.18%;发酵温度为34 ℃;发酵时间为36 min;预计组硬度为2 384.68 g;预计组弹性为5.87 mm。按照上述因素水平,进行3组平行验证试验,结果如表9所示。

表9 验证试验结果Table 9 Verification the test results

试验结果显示,全麦馒头硬度为2 137.00 g,弹性为5.84 mm,弹性与预计结果5.87 mm相差0.03 mm。弹性试验结果与预计结果相近,因此,通过响应面优化试验得到的最优因素水平可指导全麦馒头制作工艺。

2.3 黑全麦馒头消化特性

黑全麦馒头的GI值为49.41,属于低GI食物。小麦馒头的GI值为79.15,属于高GI食物。由图5可知,小麦馒头和黑全麦馒头在被消化0～30 min时,淀粉消化速率最快,但黑全馒头的淀粉消化速率比小麦馒头低。随着消化的不断进行,淀粉消化的速率逐渐变慢,黑全麦馒头在120 min时淀粉几乎被分解完,小麦馒头在90 min时淀粉几乎被分解完[21]。在整个消化过程中,相较于小麦馒头黑全麦馒头使血糖升高的速度更平缓,主要原因是黑全麦粉的麸皮含量更高,麸皮含有大量的膳食纤维,能够减缓碳水化合物被消化吸收的速度,维持更长时间的饱腹感,更适合高血糖及减肥人群使用[22]。

图5 黑全麦馒头和小麦馒头消化过程Fig.5 Digestion process of black whole wheat steamed bread and wheat steamed bread

表10显示,黑全麦馒头和小麦馒头的快消化淀粉含量(RDS)分别为62.87%、74.48%,慢消化淀粉含量(SDS)分别为33.77%、23.97%,抗性淀粉含量(RS)分别为3.36%、1.55%,黑全麦馒头的慢消化淀粉、抗性淀粉含量均高于小麦馒头,而快消化淀粉含量低于小麦馒头。慢消化淀粉能被小肠完全吸收但是消化的速率比较缓慢,释放能量的时间更长,能带来更强的饱腹感。

表10 淀粉类型及含量Table 10 Starch type and content

3 结论与讨论

通过单因素试验和响应面优化试验,得出优化后的全麦馒头生产方案：酵母添加量为1.18%,发酵温度为34 ℃,发酵时间为36 min,发酵相对湿度为80%。此时的馒头颜色呈棕灰色,外观呈现饱满的半球状,表面光滑平整,内部气孔细小且分布均匀,具有浓郁的全麦气味,口感爽口不弹牙。黑全麦馒头的GI为49.41,属于低GI食物,且快消化淀粉含量为62.87%,慢消化淀粉含量为33.77%,抗性淀粉含量为3.36%。

近年来,随着人们对于健康饮食的追求,全麦产品越来越被消费者关注和喜爱,但当今市面上的全麦制品食品大多达不到标准。添加过多量的麸皮和胚芽的全麦产品会降低产品的口感,消费者难以接受。本试验在制作工艺的酵母添加量、发酵时间、发酵温度和发酵相对湿度等4个方面对黑全麦馒头生产工艺进行了优化,使得黑全麦馒头的硬度、弹性、咀嚼性、高径比得到了很大的提升,食用口感得到了很大的改善,但是与小麦馒头相比仍有一定的差距。后期可以通过麦麸改性[23]、菌种发酵[24]、改良剂改良[25]等方法继续优化,使黑全麦馒头的食用口感更佳。