搅拌时间和乳化剂对海绵蛋糕表面气泡的影响

王家宝陈 诚王 凤,郝月慧金卫泽陈军民黄卫宁小川晃弘

WANG Jia-bao1 CHEN Cheng1 WANG Feng1,2 HAO Yue-hui2 JIN Wei-ze2 CHEN Jun-min2 HUANG Wei-ning1 AKIHIRO Ogawa3

(1. 江南大学食品科学与技术国家重点实验室，江苏 无锡 214122；2. 无锡麦吉贝可生物食品有限公司，江苏 无锡 214131；3. 三菱化学食品株式会社，日本 东京 100-8251)

(1. State Key of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi, Jiangsu 214122, China; 2. MagiBake International Co., Ltd., Wuxi, Jiangsu 214131, China; 3. Mitsubishi-Chemical Foods Corporation, Tokyo 100-8251, Japan)

传统的海绵蛋糕产品因为风味独特[1]、色泽诱人，深受消费者喜爱。主要原料为鸡蛋、低筋小麦粉、糖、油脂、泡打粉等[2-3]，配方比例需要保持一定的平衡[4]。海绵蛋糕面糊体系是个复杂的水油气三相胶体乳化体系[5]。在海绵蛋糕的生产中，使用乳化剂帮助海绵蛋糕面糊充气与保持气泡稳定性直到蛋糕烘焙定型结束[6]。工业上常用的单甘酯型乳化剂(SP)，可以缩短面糊起泡时间，减少鸡蛋用量，增加面糊的起泡性和稳定性[7]。近年来，深受工业界欢迎的以蔗糖酯为主要成分的MFC是一种新型的高效复配乳化剂[8]，但是MFC在海绵蛋糕体系中的应用尚未见报道。在层状海绵蛋糕生产中，如何减少表面气泡生成，获得表面平整的海绵蛋糕成为生产中亟待解决的关键质量问题之一。

海绵蛋糕的起泡时间显著影响气泡生成[9]，合适的起泡时间有助于提高面糊品质，同时稳定的面糊气泡结构可以改善蛋糕的烘焙特性，但是搅拌时间对海绵蛋糕表面气泡影响的研究尚未见报道。本试验拟系统比较不同乳化剂和搅拌时间组合对海绵蛋糕面糊特性和烘焙特性的影响，研讨包括蛋糕面糊比重、黏度、微观气相研究以及海绵蛋糕质构、比容、感官评定、表面气泡等烘焙特性，为现代烘焙食品加工工业化应用提供新的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜鸡蛋、白砂糖：购自无锡本地市场；

低筋小麦粉：粗蛋白含量为8.2%，江苏南顺面粉有限公司；

葵花籽油：金龙鱼阳光葵花籽油，上海嘉里食品工业有限公司；

双效泡打粉：配料为焦磷酸二氢二钠(<40%)、碳酸氢钠(<25%)、碳酸钙(<5%)、淀粉，广州焙乐道食品有限公司；

新型蛋糕蔗糖酯型起泡乳化剂：RTOYO菱友MFC(简称MFC)，三菱化学食品株式会社；

单甘酯型乳化剂-早苗SP复配糕点乳化剂(简称SP)：上海早苗食品有限公司。

1.2 主要仪器与设备

搅拌机：5K5SS型，美国厨宝公司；

烤箱：SM-503+1S型，新麦机械(无锡)有限公司；

质构分析仪：Brookfield CT3型，美国博勒飞公司；

电子天平：JY2000型，上海良平仪器有限公司；

荧光倒置显微镜：Zeiss Axio Vert.A1型，德国卡尔·蔡司公司；

黏度计：NDJ-5S型，上海微川精密仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 海绵蛋糕配方 海绵蛋糕配方见表1。乳化剂添加量均根据推荐量使用。

表1 海绵蛋糕配方

1.3.2 海绵蛋糕面糊制作工艺 将新鲜全蛋液倒入搅拌缸中，慢速(速度 1，60 r/min)搅拌0.5 min，加入白砂糖，低速(速度2，96 r/min)搅拌1 min，加入水和乳化剂混合物低速搅拌(速度1)2 min，加入葵花籽油低速(速度2，96 r/min)搅拌2 min，加入过筛的低筋粉和双效泡打粉，高速(速度6，192 r/min)搅拌打发起泡，起泡完成后，将面糊进行慢速(速度1，60 r/min)消泡至一定面糊比重。为了更好比较起泡和消泡时间对乳化体系的影响，调整不同搅拌时间组合(不同起泡时间与消泡时间组合)见表2，保证入炉前面糊比重相同。

表2 海绵蛋糕起泡和消泡时间组合

1.3.3 海绵蛋糕的烘烤 取450 g海绵蛋糕面糊，缓慢倒入28 cm×28 cm的烤盘之内，将其摊匀，轻轻震动面糊，震出表面大气泡，然后放入预热至180 ℃的烤箱中，焙烤23 min。将烘焙完成的海绵蛋糕迅速取出，冷却2 h，拍摄海绵蛋糕表面图片。

1.3.4 海绵蛋糕面糊比重分析 采用相对比重法对面糊比重进行测定[10]，试验均重复3次。简易测定法：取一个平底容器并称重，记录注满清水和容器的总质量，用相同的容器盛装面糊并称重，水的密度约为1 g/cm3，按式(1)计算面糊比重。

(1)

式中：

ρ——海绵蛋糕面糊比重，g/mL；

m0——比重杯质量，g；

m1——比重杯中装满蒸馏水质量，g；

m2——比重杯中装满面糊质量，g。

1.3.5 海绵蛋糕面糊黏度分析 使用黏度计测量海绵蛋糕面糊制作过程中的面糊黏度，试验均重复3次[11]。黏度计测试参数修改为：转速6 r/min，最大量程1.0×105MPa·s，4# 转子头。

1.3.6 海绵蛋糕面糊表面气泡特征分析 用荧光倒置显微镜对海绵蛋糕的面糊微观特性进行研究，取小部分面糊放置在自制容器中，容器见图1。使用此装置的原因在于压片会导致面糊气泡破裂或变形。将多余的面糊刮去后放置在荧光倒置显微镜观察，放大倍数10×，得到面糊微观结构图。将图片裁剪成型得到270 μm×270 μm的局部图片。试验测定不同起泡阶段与消泡阶段的面糊显微图片。使用Image Pro Plus进行气泡计数[12]、气泡直径分布[13]与气泡面积分数的计算。其中由于气泡与背景之间存在噪点，对比度不足以使软件自动识别，因此图像是半自动进行，用软件测量每个气泡的直径。

图1 显微镜观察装置图

1.3.7 海绵蛋糕比容 采用油菜籽替换法。在室温下冷却2 h后，测定蛋糕质量与体积，按照式(2)计算海绵蛋糕比容，试验均重复3次[14]。

(2)

式中：

SV——海绵蛋糕比容，mL/g；

V——海绵蛋糕体积，mL；

m——海绵蛋糕质量，g。

1.3.8 海绵蛋糕质构分析 将室温冷却2 h后的海绵蛋糕切成20 mm厚的均匀蛋糕薄片，进行质构分析。采用质构仪的P/35探头，对海绵蛋糕进行连续2次压缩测试。试验参数设定为：测试前速率1.0 mm/s，测试速率1.0 mm/s，测试后速率1.0 mm/s，压缩程度40%，2次压缩间隔时间15 s。测定的指标包括硬度、回复性[15]。

1.3.9 海绵蛋糕感官评定 由江南大学食品科学与工程专业10位经验丰富的感官评定人员(之前经过训练的用于感官评定的人员)对蛋糕品质进行产品感官评定。感官评定评分标准如下。湿润程度：1为干燥，5为湿润；表面评价：1为气泡较多，5为没有气泡。蛋糕在室温[(25±1) ℃]下储存之后，将蛋糕分成多块，每人1片，每个蛋糕片都被标有随机的3位数字代码[14]。

1.3.10 统计分析 采用SPSS 16.0 数据分析软件进行显著性分析和相关性分析，显著性差异水平选取P<0.05。采用Excel 2016 进行数据处理分析。

2 结果与讨论

2.1 起泡时间对面糊乳化体系流变学品质的影响

“一步法”制作海绵蛋糕面糊过程中，起泡时间长短对海绵蛋糕面糊比重有显著性影响。面糊搅拌过程不断充入空气，面糊比重降低[16]。

“一步法”的蛋糕生产过程中，经过起泡处理后，还需要进行消泡处理。其原因是经过起泡之后，乳化体系中的不稳定气泡会导致不均一的海绵蛋糕芯结构与薄层海绵蛋糕表面气泡的出现，表面气泡的出现会导致薄层海绵蛋糕外观接受度降低、海绵蛋糕表面和包装袋表面粘连等不良影响。

在面糊起泡至最低比重后，面糊进行低速搅拌消泡。图2 展示了面糊比重随消泡时间增加的变化。随着消泡时间延长，面糊比重先增加后保持平稳。含有MFC的面糊平稳期比重为0.536 g/mL，相比于含有SP的面糊(0.553 g/mL)较低。消泡10 min之后达到稳定，含有MFC的面糊比重增加8.56%，添加SP的海绵蛋糕面糊比重则增加17.19%，说明含有SP的乳化体系空气溢出较多，因此含有MFC的蛋糕面糊持气能力强于添加SP的。

图3表明，消泡过程中海绵蛋糕面糊黏度持续下降后达到平稳期。含有SP的面糊黏度始终高于含有MFC的。经过10 min消泡后，含有SP的面糊黏度下降了31.08%，而添加MFC的面糊黏度下降24.17%，说明MFC可以相对较好保持原有黏度，侧面说明SP所提供的高黏度乳化体系的稳定性较弱，而含有MFC的面糊乳化稳定性较好。

图2 面糊消泡时间和乳化剂对面糊比重的影响

Figure 2 Effect of defoaming time and different emulsifiers on density of sponge cake batter

图3 面糊消泡时间和乳化剂对面糊黏度的影响

Figure 3 Effect of defoaming time and different emulsifiers on viscosity of sponge cake batter

2.2 起泡时间对面糊乳化体系微观结构的影响

尽管海绵蛋糕的流变学特性，如面糊比重反映海绵蛋糕面糊中空气含量[12]，但未具体展现面糊内部气泡情况，如气泡数量、气泡直径分布与没有乳化完全的异常气泡数量和比例等。气泡是蛋糕面糊的重要组成部分，面糊中不同类型气泡的数量分布、平均大小以及大小的一致性可以评价面糊品质[17]。

图4～6展示了在起泡过程中2种乳化剂对面糊乳化体系微观结构的影响，包括气泡数量、不同直径范围内气泡数目和面积分率值(AF值)。图4表明，随着海绵蛋糕面糊起泡时间延长，气泡数目不断增加，在达到最高值后出现小幅度回落。在起泡过程中，引入MFC的海绵蛋糕面糊总气泡数目最大值达到3 978 个/mm2，含有SP的面糊总气泡数目仅为3 245 个/mm2。含有SP的面糊充气量更高，但是气泡数目较小，平均气泡直径较大。

为了区分各种类型的气泡，本研究根据不同直径大小将各种气泡分成以下几类：异常气泡(d>40.00 μm)、大型气泡(10.00 μm

图4 面糊起泡时间和乳化剂对面糊气泡总数目的影响

Figure 4 Effect of foaming time and different emulsifiers on bubble amount of sponge cake batter

图5 面糊起泡时间和乳化剂对面糊不同大小气泡数量的影响

Figure 5 Effect of foaming time and different emulsifiers on amount of different size bubbles

图6 面糊起泡时间和乳化剂对面糊中不同大小气泡面积分数的影响

Figure 6 Effect of foaming time and different emulsifiers on area fraction (AF) of different size bubbles

从起泡过程来看，在0.0～1.0 min时，顶空空气压力进入到面糊体系中[6]，气泡数量迅速增加，在1.0～2.0 min时，面糊气泡表面张力有限，气泡稳定性较差，大型气泡数量减少。4.0 min之后，微观结构发生变化，乳化体系中的小型气泡破裂，聚合形成中型气泡，中型气泡出现增加的趋势[18]。在破乳化阶段，中型气泡与大型气泡数目增加的原因是小气泡的聚合，而不是顶空空气压力。

从起泡时间对海绵蛋糕的气相分数的影响(图6)可知，大型气泡的气相面积分数占据绝对优势。这同样解释了含有SP的面糊比重低，但是气泡数目少的原因。

结合图4、5分析，在起泡过程中，添加SP和MFC的面糊出现流变学特性区别在于面糊中气相微观结构不同，含有MFC的面糊气泡结构细腻，数量较多，但是最大充气能力低于含有SP的面糊。在乳化稳定的情况下，含有SP的面糊形成大型气泡能力较强，中小型气泡数量不及含有MFC的面糊。

2.3 消泡时间对面糊乳化体系微观结构的影响

在消泡阶段，面糊比重不断增加，但是达到一定消泡时间后，面糊比重基本保持不变。图7展示了海绵蛋糕在经过3.0 min起泡之后，进行长达35 min消泡试验的气泡数量变化。结果表明，随消泡时间延长，气泡数量不断减少，10.0 min 之后，气泡数量基本保持不变。此现象说明随着消泡时间延长，面糊生成气泡速率与气泡破裂速度基本相同。

从微观结构的气泡直径分布角度分析，图8展示了消泡6.0 min之后的海绵蛋糕面糊中的气泡直径分布情况。试验比较起泡3.0 min 后没有消泡与消泡6.0 min之后的气泡直径分布变化。结果表明，经过6.0 min消泡之后，面糊气泡平均直径增加，从5.01 μm上升至7.94 μm。经过消泡之后，面糊气泡出现合并与破裂的现象。其原因在于小型气泡聚合形成新气泡，使得气泡直径更加均匀。经过较长时间消泡之后，面糊气泡平均直径增加，均匀度增加。

图7 面糊消泡时间和乳化剂对面糊气泡总数目的影响

Figure 7 Effect of defoaming time and different emulsifiers on bubble amount of sponge cake batter

图8 面糊起泡时间和乳化剂对面糊气泡直径分布的影响

Figure 8 Effect of foaming time and different emulsifiers on distribution of bubble size

面糊气泡出现此现象可以解释为：随着消泡时间延长，整体气泡不断增大。小气泡比较稳定，因为其表面张力较低，而大型气泡会随着消泡时间延长而破裂，这被称之为Ostwald气泡歧化现象[19]。从热力学角度分析其原因是低速搅拌导致气泡尺寸与气泡表面自由能增加，使得乳化体系系统熵增；熵增使得海绵蛋糕乳化体系变得不稳定，导致没有乳化完全的异常气泡破裂从体系中逸出。在没有乳化剂情况下，由于拉普拉斯压降的存在，气泡发生歧化[18]，但是在有乳化剂存在的情况下，气泡歧化几乎停滞[20]，因此需要外来能量的输入才能发生气泡歧化。

2.4 搅拌组合对海绵蛋糕面糊特性和蛋糕表面气泡的影响

2.4.1 海绵蛋糕表面气泡分析 图9表明，在相同比重(0.536 g/mL)的情况下，M3与S4组表面效果较好。随着搅拌时间组合的变化，长消泡时间可以明显控制表面气泡数量与大小，而短消泡时间导致蛋糕表面气泡较多，同时气泡较大。

2.4.2 面糊显微分析 经过不同搅拌组合搅拌后，海绵蛋糕面糊比重相同，但是海绵蛋糕面糊的显微结构有明显区别。表3展示了不同搅拌时间组合对海绵蛋糕面糊气泡数目与异常气泡数目的影响。各试验搅拌组合的面糊密度相同，而M3组气泡数目比S3多94.2%，说明含有SP的海绵蛋糕面糊气泡平均直径较大。M3、S4搅拌时间组合中的异常气泡数目较少，同时海绵蛋糕表皮气泡现象得到改善。因为烘焙过程中，异常气泡由于未乳化完全，气泡体积较大导致面糊中气泡浮力较大，异常气泡从乳化体系中上升到海绵蛋糕表面，同时面糊黏度较大，在异常气泡尚未完全溢出体系时，面糊温度上升，淀粉糊化与蛋白质变性，蛋糕结构定型[21]，表面形成不规则气泡。因此减少异常气泡数量可以显著改善海绵蛋糕表面气泡众多的现象。

图9 部分搅拌组合海绵蛋糕表面情况

Table3 Effect of different whipping processing on amount of bubbles and abnormal bubbles mm-2

搅拌组合气泡数 异常气泡数M13 018±120b18.65±0.52eM23 155±181b13.65±0.42dM32 689±200a7.56±0.95aM42 593±164a8.64±0.72abM53 086±119b9.35±0.30bcM63 635±152c10.63±0.85cM73 772±120cd12.60±0.73dM83 923±143d18.59±1.25eS13 059±120c28.52±1.31eS22 620±110b15.62±0.93cdS31 385±108a13.21±0.95abcS41 262±130a12.36±0.84abS51 221±20a11.54±0.52aS61 166±120a13.59±0.75abcS71 235±65a14.21±0.96bcS81 303±70a17.60±0.83d

† 同列不同字母表示存在显著性差异(P<0.05)。

2.5 搅拌组合对海绵蛋糕烘焙特性的影响

2.5.1 比容与质构分析 产品比容是烘焙产品重要的烘焙特性之一。表4中展示了不同搅拌时间组合对海绵蛋糕比容的影响。结果表明，含有MFC的海绵蛋糕比容整体要比含有SP的大，M3、M4的蛋糕比容较大(P<0.05)，分别为3.10，3.02 mL/g，其他组别比容没有显著性差异，说明在起发到面糊比重最小值后，再消泡至相同比重的组别气泡比较稳定，烘焙热稳定性较强。在SP组中，S3组海绵蛋糕比容最大，为2.87 mL/g，结果与含有MFC的海绵蛋糕类似，但是含有SP的海绵蛋糕比容较小，可能是面糊中的大型气泡较多，而在烘焙过程中，随着面糊温度上升，面糊乳化体系中的部分大型气泡相对不稳定，发生破裂，从而降低了海绵蛋糕比容。

海绵蛋糕硬度和回复性同样是重要的烘焙特性之一，合理的硬度与回复性是蛋糕绵软口感的保证[22]。表4结果表明，在MFC组中，除了M1组硬度较大，其他组别硬度没有显著性差异，说明在含有MFC的海绵蛋糕中，不同搅拌时间组合对海绵蛋糕硬度没有显著性影响。相比2种乳化剂，MFC组蛋糕硬度较低，Rodríguez-García等[23]认为蛋糕面糊微观气泡均匀性与蛋糕硬度存在相关性，随着起泡均匀性增加，蛋糕硬度降低。从海绵蛋糕回复性的角度来看，所有组别均无显著性差异，说明不同搅拌时间组合对回复性没有显著性影响。

从烘焙特性的角度来看，搅拌时间组合M3(最长的消泡时间)得到的海绵蛋糕的烘焙特性较好，这也正是海绵蛋糕表皮气泡较少的组别。说明长时间慢速消泡可以显著改善海绵蛋糕品质，包括海绵蛋糕比容、表皮气泡数量，同时保证蛋糕依然拥有良好的烘焙品质。烘焙特性的显著性分析仅用于同种乳化剂不同搅拌时间之间的比较。

表4不同搅拌组合对蛋糕烘焙特性及质构的影响†

Table4 Effect of whipping processing on specific volume and texture of sponge cake

搅拌组合比容/(mL·g-1)硬度/g回复性M12.57±0.018a1 365±152b0.84±0.02aM22.87±0.191ab1 201±120ab0.82±0.04aM33.10±0.017c988±81a0.88±0.02aM43.02±0.161c1 003±90a0.88±0.02aM52.89±0.168ab953±95a0.90±0.04aM62.88±0.139ab953±68a0.90±0.04aM72.92±0.048ab1 015±126a0.88±0.02aM82.65±0.133a1 125±117ab0.86±0.02aS12.53±0.090a1 537±61d0.84±0.02aS22.62±0.050abc1 354±104cd0.84±0.04aS32.87±0.090c1 059±82a0.88±0.02aS42.84±0.170bc1 080±35a0.89±0.02aS52.72±0.100abc1 140±99ab0.90±0.04aS62.56±0.070a1 214±29abc0.90±0.04aS72.67±0.040abc1 284±47bc0.86±0.02aS82.58±0.100ab1 328±29bc0.86±0.02a

† 同列不同字母表示存在显著性差异(P<0.05)。

2.5.2 感官评价与相关性分析 海绵蛋糕感官评价分析是选用合理的工艺研究分析的关键之一。表5表明，M3与S3的湿润程度较高，均为4.00分。S1的湿润程度最低，说明海绵蛋糕产品干燥，粉感强，不符合海绵蛋糕湿润绵软口感的要求。从海绵蛋糕表皮气泡评价分析来看，结果与图像分析的结果相仿，M3、M4、S3、S4均有显著性的高分。从感官评价的分析结果来看，S3与M3在各自的组别中有最高的评分，说明控制异常气泡数量可以较好地控制表面气泡数量。

3 结论

从乳化剂方面来看，相比于单甘酯型乳化剂，使用蔗糖酯型乳化剂可以减少面糊中异常气泡数量，增加整体气泡数量，使得面糊气泡尺寸更加均匀，从而减少蛋糕表面气泡的产生，而且依然保持较好的蛋糕比容等烘焙特性。

从搅拌时间来看，合适的搅拌时间组合M3(起泡时间3.50 min，消泡时间6.33 min)可以控制面糊异常气泡数及海绵蛋糕表面气泡，使蛋糕保持较好的品质。合理利用消泡时间可以尽可能地降低异常气泡数量，从而控制表面气泡，保持蛋糕比容、质构等良好的烘焙特性，同时还可以减少机械能的消耗。这也为本领域提出了未来进一步深入研究的新课题。

表5 感官评定结果†

† 同列不同字母表示存在显著性差异(P<0.05)。