葡萄籽原花青素和苹果酸对面包抗老化的影响及机制分析

张沁蕊,熊丹妮,周文昊,张海枝,刘刚,秦新光

(武汉轻工大学 食品科学与工程学院,湖北 武汉,430048)

面包是一种由小麦粉作为主要原料,以酵母、糖、黄油、盐等为辅料,经过混合搅拌、醒发和烘烤等制作而成的烘焙食品。随着经济的快速发展,面包因其营养价值高、美味、食用方便而受到广大消费者的喜爱,但在贮藏运输中易发生老化。面包的老化是指面包在贮藏过程中由一系列物理化学变化而引起面包品质的下降,主要表现为水分的减少、硬度的增大、口感变差等[1]。水分的迁移、淀粉的重结晶以及面筋蛋白与淀粉的相互作用是面包发生老化的重要因素[2]。

原花青素作为常见的一种酚类化合物,在饮食中具有巨大的应用潜力[3-5],添加葡萄籽提取物降低了贮藏期间馒头的硬度和咀嚼性,X射线衍射仪(X-ray diffractometer,XRD)结果表明葡萄籽提取物抑制了小麦淀粉的回生[6]。然而原花青素极不稳定,易受温度、光照、pH、氧、抗坏血酸、酶、金属离子,以及加工和贮藏过程中的其他理化因素的影响[7],烘烤的温度和时间均会导致原花青素的含量受到损失[8],因此原花青素在烘烤产品中的应用受到热降解的限制。

研究发现不同种类和浓度的有机酸降低了贮藏期间面包水分含量和硬度的下降速率[9]。淀粉葡萄糖单元结构上的酚羟基可被有机酸取代生成酯化淀粉。XRD结果显示柠檬酸酯化淀粉的结晶度降低[10]。此外,有机酸与花青素结构上的羟基通过酯键结合形成酰基化的花色苷,进而提高花青素的稳定性[11]。LI等[12]在研究不同酸化剂和烘箱类型对蓝玉米曲奇中总花青素含量的影响中发现加入酸性物质可增加蓝玉米曲奇中的花青素保留量。苹果酸(malic acid,MA)不会导致任何营养价值的下降,它是由各种生物自然产生的一种口感柔和、健康无害的食品添加剂,易溶于多种有机溶剂。它属于多羧基,具有与柠檬酸类似的稳定的化学结构[13]。此外,MA作为天然抗菌剂具有比其他有机酸更高的抑菌活性[14],可以有效延长面包的货架期。

本研究以葡萄籽原花青素(grape seed proanthocyanidins,GSP)和MA为原料制作面包,研究GSP和MA对面包抗老化的影响。以贮藏期间水分含量、硬度及水分迁移的变化研究MA和GSP的添加对面包老化的影响,利用快速黏度仪(rapid visco analyzer,RVA)、差示扫描量热仪(differential scanning calorimeter,DSC)和XRD测定淀粉回生特性,进一步分析其对面包抗老化品质的影响机理,研究结果可以为延长面包的货架期提供一些新的思路和参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 主要实验材料

GSP(95%),陕西金润生物科技有限公司;MA(GR 99.5%),上海源叶生物公司;金像牌小麦粉,江苏南顺食品有限公司;面粉的湿面筋含量、蛋白质含量、水分含量和灰分(湿基)分别为38.8%、13.5%、12.8%和0.5%。酵母、黄油,安琪酵母股份有限公司;白砂糖,太古糖业有限公司;海星牌低钠盐,中国盐业集团有限公司。

1.1.2 仪器与设备

FD5-series型冷冻干燥机,上海今昊科学仪器有限公司;RVA-Super4型快速黏度分析仪,瑞典波通公司;TA.XTC质构仪,上海保圣实业发展有限公司;NMI20-040V-I型低场核磁共振成像仪(low field nuclear magnetic resonance, LF-NMR),苏州纽迈分析仪器股份有限公司;Q 2000型DSC,美国TA公司;SmartLab 型XRD,日本Rigaku公司。

1.2 实验方法

1.2.1 糊化特性测试

RVA的测定程序参照先前的研究略作修改[15]。实验前测定添加了不同浓度的GSP和MA的面粉的水分含量。固定25 mL的蒸馏水,在样品桶中加入根据RVA推荐的样品质量,上下快速搅动10次后上样测定。根据糊化特性曲线记录糊化温度、峰值黏度、衰减值和回生值。

1.2.2 面包制作

采用二次发酵法[16]制作面包,对照面包的配方为面粉200 g,酵母2.8 g,糖20 g,水120 g,黄油10 g,盐1.2 g,GSP的添加比例为0.1%(质量分数,下同)、0.3%、0.5%,记为0.1% GSP、0.3% GSP、0.5% GSP(按面粉质量计),在0.3% GSP中复配不同质量分数的苹果酸,记为0.3% GSP-0.1% MA、0.3%GSP-0.3% MA、0.3% GSP-0.5% MA(按面粉质量计),首先称取面粉、糖、酵母,在和面缸中低速混合2 min,然后加入水继续混合3 min,加入黄油后转向高速搅打2 min至面筋形成薄膜,继续加入盐搅打3 min至面团表面光滑后结束和面。面团用保鲜膜覆盖醒发30 min(湿度85%,温度30 ℃);面团被分成40 g的小面团,用擀面杖进行排气整形后用保鲜膜覆盖放入恒温恒湿箱(湿度85%,温度30 ℃)中醒发60 min,发酵后的面团在上层温度190 ℃和下层温度200 ℃下烘烤12 min。待面包完全冷却后装入自封袋保存。

1.2.3 水分含量测试

采用直接干燥法对贮藏期间(0、1、3、5、7 d)面包芯进行水分含量的测定。

1.2.4 质构测试

采用质构仪对贮藏0、1、3、5、7 d后的面包进行全质构测试[17],取面包的中心边长为20 mm的正方体小块,置于P/100探头下进行测试,测试条件为:3 mm/s的测前速度,1 mm/s的测中速度,2 mm/s的测后速度,10 g的触发力,50%的压缩程度,5 s的压缩间隔时间,每组样品进行3个平行测试。

1.2.5 LF-NMR分析

在室温条件下采用低场核磁测定混合了不同浓度的GSP和MA面包的水分分布情况。贮藏0、1、3、5、7 d的面包在40 mm探头下使用CPMG序列进行样品的采集和测定,参数为200 kHz的接收机带宽(SW),0.002 ms的开始采样控制参数,15 db的模拟增益值。每组面包取3份进行平行测试。

1.2.6 DSC分析

采用DSC分析贮藏不同时间(1、3、5 d)的面包芯的回生焓值(ΔH)[18]。称取(3.0±0.2) mg的冻干粉末样品,以1∶2(g∶mL)的比例在铝盒中加入对应体积的蒸馏水,以空铝盒作为对照,4 ℃过夜平衡。在30～90 ℃的扫描范围下以10 ℃/min的升温速率和20 mL/min N2的流速运行程序。样品的起始温度(T0)、峰值温度(Tp)、回生焓值由Universal 5.4A TA软件分析得到。

1.2.7 XRD分析

贮藏0 d和5 d的面包芯冷冻干燥后过200目筛备用。在先前的测试条件基础上略有修改[19],选用Cu-Kα作为特征射线,在40 kV和40 mA的条件下以4 °/min的速率对样品进行了扫描测定。采用Jade 6.0进行数据的处理。

1.2.8 数据分析

所有样品均做3次平行测试。使用SPSS 19进行方差的分析并以平均值±标准差表示最终结果。Duncan’s法进行数据的统计分析,P<0.05被认为具有统计学意义。利用Origin 2021对相关数据进行绘制。

2 结果与分析

2.1 GSP协同MA对面粉糊化特性的影响

添加GSP和MA后面粉的糊化温度、峰值黏度、衰减值和回生值的具体变化如表1所示。添加GSP后,小麦粉的糊化温度逐渐降低,较低的糊化温度表明GSP的加入使小麦粉更易发生糊化,峰值黏度随着GSP的加入有所降低,但差异不显著,GSP可能与面粉中的淀粉结合,抑制了淀粉吸水膨胀,从而导致体系黏度的下降[20]。0.3% GSP和MA复配后峰值黏度整体下降,这很大可能是酸水解造成了黏度的下降[21],但随着MA的质量分数从0.1%增加至0.3%,峰值黏度出现增加的趋势,原因可能是MA降解了面粉中的蛋白质和脂质,从而使淀粉颗粒得到了充分暴露,促进淀粉颗粒的膨胀,导致黏度的增加。衰减值随着MA浓度的增加而增加,回生值呈下降趋势,MA的质量分数增加到0.5%会显著降低淀粉糊化的热稳定性,不利于加工处理,回生值反映的是淀粉的短期回生性质,是最终黏度和最低黏度的差值,回生值的下降表明一定程度上抑制了小麦粉的回生[22]。

表1 小麦粉的糊化特性参数Table 1 Pasting characteristics parameters of wheat flour

2.2 GSP协同MA对贮藏期间面包水分含量的影响

面包在贮藏期间水分含量和水分损失率的变化如图1所示,贮藏期面包水分会发生迁移和重新分布,面包内部的水分逐渐向表皮外部迁移,面筋网络结构结合的水也会缓慢向淀粉转移,最终导致面包的老化。对照组面包芯的水分含量为41.39%,添加GSP后面包的水分含量没有明显变化(P>0.05),面包芯的水分含量随着贮藏时间的延长均呈现下降趋势,对照组的面包芯在前3 d的下降趋势达到10.18%,明显高于添加GSP的面包芯,后面逐渐平缓,在第7天对照组的面包芯的损失率略大于添加GSP的面包芯,这说明GSP的存在可以帮助面包在贮藏过程中锁住水分,GSP含有较多的亲水基团,增加了面团的持水性[23]。

a-GSP添加组;b-GSP-MA添加组图1 贮藏期间面包水分含量和损失率的变化Fig.1 Changes in moisture content and loss rate of bread during storage注:柱状图表示面包的水分含量,折线图表示水分损失率。

在含0.3% GSP的面包中加入不同浓度的MA,水分含量相对于只添加了GSP的面包芯有所下降,贮藏第1天时,GSP和MA复配制作的面包芯水分损失率明显高于单独添加GSP的面包,但随着贮藏期的延长,经GSP和MA复配的面包芯的水分含量下降速率降低,贮藏3～7 d的GSP制作的面包芯的水分含量明显下降,水分损失率均高于添加GSP和MA的面包芯。这说明MA的添加虽然会使水分含量有下降的变化,但同时也使水分损失率明显降低,这一结果与有机酸对水分含量的影响一致[9],因此MA和GSP可以协同缓解贮藏期间水分含量的下降。这可能是因为MA为蛋白酶活性的提高创造适宜的酸性环境并促进面筋蛋白的水解,使面筋蛋白水分结合能力下降,导致水分含量降低,而CURTI等[24]发现面筋蛋白含量较高的面包其面包芯水分含量明显高于普通面包,由此证明面筋蛋白网络对面包水分含量至关重要。

2.3 GSP协同MA对贮藏期间面包硬度的影响

面包硬度的变化是贮藏期间发生老化的一个重要参数。添加GSP和MA后面包的硬度的变化如图2所示。

a-GSP添加组;b-GSP-MA添加组图2 贮藏期间面包硬度的变化Fig.2 Changes in the hardness of bread during storage

GSP的加入使面包具有较大的硬度,这可能是GSP和面包中的面筋蛋白相互作用的结果,GSP具有增强面筋筋力的作用。但随着贮藏时间的增加,对照面包其硬度的增长速度高于GSP制作的面包,添加GSP的面包在3 d开始硬度逐渐低于对照面包。贮藏7 d时添加0.1%、0.3%和0.5% GSP的面包的硬度相对于对照组分别下降了9.91%、9.92%、2.62%。正如报道的那样,酚类化合物能够通过氢键与蛋白质和淀粉形成络合物,GSP和面包中的成分之间的复杂相互作用可能是造成观察到的老化抑制作用的原因[23]。

经GSP烘焙的面包加入不同浓度的MA有助于降低面包的硬度,MA的低pH对面包芯有软化的作用。贮藏期间同时添加了GSP和MA面包硬度始终低于GSP烘焙的面包。贮藏1 d时,与0.3%GSP相比,0.3% GSP-0.1% MA、0.3% GSP-0.3% MA和0.3% GSP-0.5% MA的共同添加使面包的硬度分别下降了1.51%、19.05%、25.61%,贮藏7 d后0.3% GSP-0.1% MA、0.3% GSP-0.3% MA和0.3% GSP-0.5% MA面包的硬度相对于0.3% GSP的面包降低了9.34%、10.49%、8.04%。综上面包中添加MA可以降低贮藏期间面包芯的硬度,从而延缓面包短期老化,这和SU等[9]的研究一致,在面包中添加不同浓度和种类的有机酸可以降低贮藏期间面包硬度。

2.4 GSP协同苹果酸对贮藏期间面包水分分布和迁移的影响

水分迁移是面包老化的重要因素。贮藏0 d和5 d的面包水分分布情况如图3所示。

a-GSP添加组;b-GSP-MA添加组图3 贮藏期间不同浓度的GSP和MA的面包水分分布图Fig.3 Moisture distribution of bread with different concentrations of GSP and MA during storage

T21(<1 ms)、T22(≈10 ms)、T23(>100 ms)分别代表紧密结合水、弱结合水和自由水,A21、A22、A23分别代表这3个峰所占的百分比。GSP和MA的添加均降低了弛豫时间,此时水分的流动性较小,这表明GSP和MA有助于面包保持良好的持水性。随着贮藏时间的增加,信号强度的降低表明水分的流失[25]。在贮藏5、7 d时,添加了GSP的面包的弛豫时间大于对照组,A21和A22分别代表与面筋网络和淀粉结合的那部分水[26],随着GSP的增加,A21和A22的含量也不断增加,这表明GSP和面包中的面筋蛋白、淀粉发生了相互作用,并且随着贮藏时间的增加,添加GSP的面包A21、A22下降速率低于对照,和前期水分含量的变化结果一致,GSP可以降低面包中水分含量的下降速率。图3中可以观察到A21的含量随着不同浓度的GSP中MA浓度的增加而降低,而A22反之。尤其在低浓度的GSP中效果更明显,这说明MA对面筋蛋白的弱化使得面筋网络的持水性降低,面筋蛋白的弱化暴露出了更多淀粉颗粒[27],高浓度的GSP增强面筋的作用使弱化的效果减弱。

2.5 GSP协同MA对贮藏期间面包回生焓值的影响

淀粉的回生会引起面包的老化。以不同浓度的GSP和MA复配的面包芯DSC曲线如图4所示,不同的贮藏期下面包芯的回生焓值如表2所示,随着贮藏时间的增加,面包芯回生焓值的增加表明淀粉回生程度加剧。

a-GSP添加组-5 d;b-GSP-MA添加组-5 d图4 贮藏5 d时不同浓度GSP和MA添加的淀粉DSC曲线Fig.4 DSC curves of starch with different concentrations of GSP and MA at 5 d of storage

表2 不同贮藏时间下面包的回生焓值 单位:J/gTable 2 Retrogradation enthalpy of bread at different storage times

在贮藏5 d时,对照组的回生焓值为2.42 J/g,3种不同浓度的GSP的添加均降低了面包芯的回生焓值,随着GSP浓度的增加,回生焓值分别达到了2.31、2.24、2.20 J/g,这说明GSP对小麦淀粉的回生有抑制作用,这可能是GSP的羟基与淀粉的侧链发生了结合,增加了淀粉的空间位阻,阻碍了淀粉分子间的结合,使其不易排列形成晶体结构[28]。在0.3% GSP中添加MA后观察到峰值温度的略微增加,此现象可能是由于面筋蛋白经有机酸弱化后,持水性有所下降[29],因而嵌入蛋白网络结构内部的淀粉颗粒受热熔融时所能利用的水分减少,只有提高温度才能使无定形区溶解。不同浓度的MA添加到0.3% GSP中也进一步降低了面包芯的回生焓值,这可能是MA对面包的酸化作用,淀粉的酸水解造成低分子质量糊精的形成以及淀粉结晶度的下降,从而延缓面包的老化。

2.6 GSP协同MA对贮藏期间面包结晶度的影响

面包贮藏期间淀粉结晶的变化被用来探究面包老化的机理。图5显示了面包在贮藏0 d和5 d后的XRD图谱。糊化过程破坏了淀粉的结晶结构,因此图中观察不到样品明显的衍射峰。长期回生主要是支链淀粉分子的有序重排,持续时间较长,因此贮藏时支链淀粉的回生可能引起面包的老化[30]。所有样品在接近17°(2θ)处均出现明显的衍射峰,说明面包中支链淀粉在贮藏时回生引起面包的老化。位于20°处出现比较完美的V-型结晶结构,这种衍射峰是由脂肪酸、磷脂和直链淀粉的复合作用形成的[19]。回生0 d和5 d的XRD图谱对比表明随着贮藏时间的增加,淀粉的衍射峰强度增强。贮藏5 d后对照面包的结晶度为17.4%,随着GSP浓度的增加,淀粉的结晶度分别降至15.8%、15.8%和9.6%。0.3% GSP-0.1% MA、0.3% GSP-0.3% MA和0.3% GSP-0.5% MA制作的面包其结晶度相比于0.3%GSP分别下降了33.54%、36.08%和34.18%。糊化后的淀粉分子随着贮藏时间的增加发生淀粉的回生,回生程度增加,结晶度也随之增加[31]。添加GSP和MA后相对结晶度降低表明二者均能通过抑制支链淀粉的回生,进而延缓面包老化。GSP中含有大量的羟基,可能通过氢键与小麦淀发生相互作用,影响支链淀粉的回生[6]。MA处理导致了淀粉的水解,由此降低了淀粉的结晶度,表明MA淀粉具有无定形性质[13]。

a-GSP添加组-0 d;b-GSP-MA添加组-0 d;c-GSP添加组-5 d;d-GSP-MA添加组-5 d图5 面包在不同贮藏时间下的X射线衍射图Fig.5 X-ray diffraction patterns of bread at different storage times

3 结论

综上所述,贮藏期间GSP的亲水基团有效帮助面包锁住水分,MA的加入使水分含量有所下降,但水分损失率明显降低。贮藏7 d后添加了GSP的面包硬度的下降速率低于对照组,而0.3% GSP-0.1% MA、0.3% GSP-0.3% MA和0.3% GSP-0.5% MA面包的硬度相对于0.3% GSP的面包降低了9.34%、10.49%、8.04%。LF-NMR实验中添加GSP后A21和A22的含量增加表明GSP和面包中的面筋蛋白、淀粉发生了相互作用,此时MA的加入使面筋网络的持水性降低,面筋蛋白的弱化暴露出了更多淀粉颗粒。DSC和XRD实验中淀粉回生焓值和结晶度的下降进一步证明了GSP和MA影响了面包中淀粉的回生,GSP的羟基可能通过氢键与小麦淀粉发生相互作用,而MA的加入导致了淀粉的水解,由此降低了淀粉的结晶度,而有关于GSP和MA对面包中面筋蛋白的影响有待研究。