不同大豆蛋白对小麦面条加工品质和血糖生成指数的影响
2020-04-02,*
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(1.吉林农业大学食品科学与工程学院,吉林长春 130118;2.吉林省农业科学院农产品加工研究所,吉林长春 130033)
面条作为我国的传统面制主食,对我国居民的营养和健康具有重要作用。但小麦制粉过程去除了营养价值较高的麸皮和胚芽,仅保留了以淀粉为主要成分的胚乳,导致面制品的营养价值降低,且大部分面条制品的血糖生成指数(glycemic index,GI)[1]较高,不适宜糖尿病等特殊人群食用。大豆是一种优质植物蛋白资源,1999年美国食品与药物管理局(FDA)报道大豆蛋白可以降低心脑血管病风险,近年来也有报道称,大豆蛋白具有降血脂、降血压、降血糖等保健功能[2-3]。大豆蛋白氨基酸平衡特性较好,且赖氨酸含量相对较高,半胱氨酸和蛋氨酸含量较低,正好与小麦蛋白在营养特性上形成互补[4]。将大豆蛋白与小麦粉按一定比例混合,以期提高小麦粉的综合营养价值已经成为国内外研究学者和面制品加工业共同关注的课题。郭波莉等[5]、郭兴凤等[6]研究表明添加一定量的大豆分离蛋白,在优化条件下制作的面条可以兼顾面条的蒸煮品质和营养品质。郑刚等[7]研究表明少量的脱脂豆粉添加有助于改善面团流变学特性。吴素萍[8]研究认为在面粉中加入8%的全脂大豆蛋白可改善面条的韧性和口感。质构化和凝胶化大豆蛋白也被应用到面条中,用于改善面条的加工品质和营养价值[9-11]。
随着现代大豆蛋白工业的发展,市场上可利用的大豆蛋白种类和产品日益增多,如脱脂大豆粉、大豆分离蛋白、大豆浓缩蛋白及大豆组织蛋白等,其中大豆分离蛋白,蛋白含量高于90%,功能性良好;大豆浓缩蛋白,蛋白含量高于70%,功能特性较大豆分离蛋白差,但具有价格上的优势,也具有较大的经济价值[12];组织化大豆蛋白是指通过挤压膨化等方式改变蛋白质的组织结构,形成具有一定弹性和纤维状的大豆蛋白制品,具有营养价值好、消化吸收率高等优点[13];全脂豆粉是利用大豆为原料直接加工成的一种粉状产品,蛋白质含量不低于40%;脱脂豆粉是用脱脂豆粕粉粹而成的,蛋白质含量高于50%。将大豆蛋白添加到面粉中制成面条,对于人们合理饮食、均衡膳食及糖尿病人群专用主食的开发具有重要的意义。然而,不同大豆蛋白的结构性质与其含量不同,使其添加到面条中对面条的影响规律不同。关于不同大豆蛋白对面条加工品质和血糖生成指数的影响规律还鲜有报道,制约着大豆蛋白在面条工业中的应用,因此本研究旨在比较不同大豆蛋白及其不同梯度对面条拉伸特性、蒸煮特性、微观结构及血糖生成指数的差异性,为高营养价值和特定人群专用主食的开发提供相关理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
小麦面粉 五得利面粉集团;低温脱脂豆粕 山东禹王实业有限公司;大豆浓缩蛋白粉、大豆分离蛋白粉、大豆组织蛋白粉 武汉信之德生物科技有限公司;大豆 市售;白面包 市售;α-淀粉酶(8 U/mg) Sigma公司;葡萄糖淀粉酶(3260 U/mL) 美国爱尔兰公司;DNS试剂 上海源叶生物公司。
TA.XT Express物性分析仪 英国Stable Micro Systems公司;JHMZ 200和面机、JXFD 7醒发箱、JMTD 168/140试验面条机 北京东孚久恒仪器技术有限公司;D-7紫外可见分光光度计 让奇(上海)仪器科技有限公司;SIGMA 300扫描电镜 德国卡尔蔡司公司。
1.2 实验方法
1.2.1 全脂豆粉的制作 根据李俊华[14]的试验方法并做适当改动:挑选后的黄豆→放入烘箱(50 ℃,7 h)→粉碎(1 min)→过筛(100目)→全脂豆粉
1.2.2 脱脂豆粉的制作 低温脱脂豆粕→粉碎(1 min)→过筛(100目)→脱脂豆粉
1.2.3 不同大豆蛋白面条的制作 搅面:分别在小麦粉中加入不同质量的全脂豆粉、脱脂豆粉、大豆浓缩蛋白粉、大豆分离蛋白粉、大豆组织蛋白粉(大豆蛋白占总质量0%、5%、10%、15%、20%),调整大豆蛋白粉或豆粉与小麦粉的总质量为100 g,充分混匀后加入40%的水,用和面机搅面15 min至成松散的面絮状;熟化:将搅好的面絮置于醒发箱,设置温度30 ℃、湿度75%、熟化30 min;压片、切条:将熟化后的面絮置于试验面条机上,设定初始轨距1.2 mm压延两次、1.0 mm压延两次,最后将压延成1.0 mm的面片用切刀切条(宽度为2.0 mm)并装入密封袋。
1.2.4 拉伸性能的测定 参考冯一丹[15]的试验方法并做适当改动。将面条沸水煮制2 min,立即捞出放在冷水下冲洗两次,取1根熟面条,将其两端分别缠绕于探头的上下臂,使面条固定,测定拉断力与拉断距离。探头型号:A/SPR,参数设定:模式:Tension;测试速度:3 mm/s;距离:100.00 mm;起始间距:10 mm。
1.2.5 面条吸水率、膨胀率、烹煮损失率的测定 参照Krishnan、Aydin、Chillo等[16-18]研究方法:称取10 g干面条(记为m1),放入200 mL沸水中,煮制2 min,煮后用漏勺捞出,称重(m2),称量后的面条置于105 ℃干燥箱烘至恒重(m3);将冷却至室温的面汤用蒸馏水定容至250 mL,取25 mL面汤倒入已称重的铝盒(记为m铝盒)中,铝盒置于105 ℃干燥箱烘至恒重(m4)。面条的膨胀率(Swelling index,SI,%)、吸水率(Water absorption,WA,%)、烹煮损失(Cooking losses,CL,%)分别按公式(1)～(3)计算:
式(1)
式(2)
式(3)
1.2.6 断条率的测定 参照范会平等[19]研究方法。取20根长度均匀的面条放入1000 mL沸水中,加热10 min,用漏勺捞出并用冷水冲洗两次,按下列公式(4)计算:
式(4)
式中:S为熟断条率,%;N为断面条根数。
1.2.7 不同大豆蛋白面条微观结构(SEM)的测定 参照胡思[20]的方法,稍做改动。取冷冻干燥后生面条样品,选取横断面较为平整的样品用于观察微观结构。处理好的样品放入电镜载物腔内抽真空,加压,调节倍数进行扫描、观察、记录图像。
1.2.8 面条血糖生成指数的测定
1.2.8.1 葡萄糖标准曲线的绘制 参照黄晓钰等[21]试验方法。分别取葡萄糖标准液(1 mg/mL)0.1、0.2、0.4、0.6、0.8 mL,用蒸馏水稀释至1 mL,在波长520 nm下测定各管吸光度,以葡萄糖含量(mg)为横坐标,相应各管光密度值为纵坐标绘制标准曲线。
1.2.8.2 总淀粉含量的测定 参照马雨洁等[22]的试验方法。面条总淀粉含量按酸水解法处理,将沸水煮制2 min后的面条利用均质机形成匀浆,用30 mL乙醚分次洗涤震荡,用滤纸过滤,除去脂肪,然后用80%乙醇150 mL分次洗涤残渣,去除可溶性糖类后,再进行水解,收集滤液,以葡萄糖分析纯为标准品作标准曲线,采用3,5-二硝基水杨酸法(DNS法)对还原糖含量进行测定,总淀粉含量计算公式如(5):
总淀粉含量=葡萄糖当量×0.9
式(5)
1.2.8.3 面条血糖生成指数的测定 面条血糖生成指数参考赵娜等[23]的方法测定。称取一定量的熟面条加水均质,吸取相当于50 mg 面条的样液,加入Tris-Maleate缓冲液(pH=6.9)10 mL,再加入含有α-淀粉酶的Tris-Maleate缓冲液(包含酶活力2.6 IU)5 mL,置于37 ℃恒温水浴振荡。0～180 min内每隔30 min取1 mL样品,然后将样品于100 ℃水浴5 min,使酶失活,随后冷却至室温,放入冷藏直至培育结束。再向样品中分别加入3 mL,0.4 mol/L,pH=4.75醋酸钠缓冲液和60 μL葡萄糖苷酶,60 ℃恒温振荡45 min。用DNS法对取出的水解样品进行葡萄糖含量测定,每个样品测定三个平行。淀粉水解率满足公式(6):
淀粉水解率(%)=(取样时间点葡萄糖当量(%)×0.9)/总淀粉含量(%)
式(6)
以淀粉水解率为纵坐标,时间为横坐标,绘制淀粉水解曲线,该曲线遵循由Goni等[24]建立的非线性模型,用来描述淀粉水解的动力学。一阶方程的形式如式(7):
C=C∞(1-e-kt)
式(7)
式中:C为在时间t时水解淀粉的百分比,%;C∞为180 min后水解淀粉的平衡百分比,k为动力学常数;t为时间,min。
对淀粉水解方程式的数据进行拟合,可求得C∞及k值,使用式(8)计算水解曲线下面积(AUC)。
AUC=C∞(t∞-t0)-(C∞/k){1-exp[-k(t∞-t0)]}
式(8)
式中:C∞是反应平衡时的浓度;t∞为最终时间(180 min);t0为反应初始时间(0 min);k为动力学常数。
根据Goni等[24]方法设定白面包为参照样品,按照式(9)得出样品的淀粉水解指数(hydrolysis index,HI),并按照式(10)计算血糖生成指数(GI):
HI=AUC样品/AUC参考样品(白面包)
式(9)
GI=(0.549×HI)+39.71
式(10)
1.3 数据处理
所得数据利用SPSS Statistics软件进行分析,Origin 2017软件进行绘图处理,重复3次。
2 结果与分析
2.1 不同大豆蛋白对面条拉伸性能的影响
图1、图2显示,随着脱脂豆粉、全脂豆粉添加量的增加,熟面条的拉断力呈明显上升的趋势,拉伸距离分别在15%、10%时上升到最大后下降。屈小燕、王娜[25-26]等研究结果表明脱脂豆粉、全脂豆粉的加入使面条中脂肪氧化酶增多,适量的脂肪氧化酶产生的过氧化氢可氧化面筋蛋白中的-SH而形成-S-S-,二硫键增多从而加固了面筋网络结构,增强了面筋筋力,改善了面条的加工性能。然而添加量过多,大豆蛋白、粗纤维稀释了面筋网络结构,使面条拉伸品质受到影响[7]。面条中添加10%全脂豆粉或脱脂豆粉较为合适,超过10%添加量,面条拉伸性能下降,这与李俊华等[27]研究结果基本一致。大豆分离蛋白、大豆浓缩蛋白的添加使拉断力在10%时上升到最大后下降,拉伸距离呈下降的趋势,主要是由于大豆蛋白与小麦面筋蛋白之间相互交联太少[28],同时大豆蛋白的添加阻碍了面筋蛋白与水的结合以及水分向面条表面迁移,破坏了面筋网络结构,使面条的质地变差。大豆浓缩蛋白是以脱脂豆粕为原料,除去豆腥异味及部分可溶性糖和杂质而制得的,蛋白质含量为60%～70%,脱脂豆粉是大豆经过去油脂,轻度加热、磨碎而制成的产品[29],因此脱脂豆粉面条的质构强于大豆浓缩蛋白面条。大豆分离蛋白因蛋白含量高(≥90%),具有更高的吸水性,使其破坏结构的程度更大,因此其拉伸特性低于大豆浓缩蛋白制作的面条。随着大豆组织蛋白添加量的增加,面条的拉断力、拉伸距离都逐渐降低,与添加大豆分离蛋白和大豆浓缩蛋白面条相比,其拉伸性能劣变更为明显。
图1 不同大豆蛋白的添加对面条拉断力的影响Fig.1 Effects of different soy protein additionon the breaking force of noodles
图2 不同大豆蛋白的添加对面条拉伸距离的影响Fig.2 Effects of different soy protein additionon the stretching distance of noodles
综上所述,脱脂豆粉和全脂豆粉可以改善混合粉面条的拉伸性能,当脱脂豆粉或全脂豆粉添加量在10%时,面条拉伸性能最优。
2.2 不同大豆蛋白对面条蒸煮特性的影响
面条的吸水率是煮制过程中,面条吸入的水分质量与生面条自身质量的比值。膨胀率受面制品所含的淀粉、蛋白质含量及组成影响,淀粉含量较高的面条,煮制后膨胀率高[30]。烹煮损失率一般以煮后面汤中的干物质总量来衡量,烹煮品质好的面食品,由于内部结构较致密,煮制过程中淀粉等小分子颗粒紧紧镶嵌在面筋蛋白中不易溶出,使得面汤浑浊度下降,故烹煮损失率较低。如表1,脱脂豆粉添加量的增加(0～20%),面条的吸水率从40.28%增到45.00%,断条率从6.67%上升到28.33%,膨胀率从125.11%上升到136.49%,蒸煮损失率从4.39%上升到6.73%;全脂豆粉添加量的增加(0～20%),面条吸水率从40.28%下降到38.28%、膨胀率从125.11%下降到121.59%,蒸煮损失率与断条率均上升,分别从4.36%上升到6.74%、6.67%上升到26.67%。全脂豆粉和脱脂豆粉的添加都增加了二硫键的含量,但是全脂豆粉中油脂的作用大于二硫键的作用,脂类不仅能够通过与直链淀粉结合形成复合物来降低淀粉的吸水率,并且在面团形成时,脂类物质随机吸附在空气界面和面团流体界面之间,改变面团搅拌过程中内部气体的吸入量、气泡分布情况及稳定性等,使面筋网络结构的粘着性较大[31],因此添加全脂豆粉后的面条的吸水率下降,并且油脂的添加使面条的网络结构更坚固,与其他大豆蛋白相比,断条率相对较小。随着大豆浓缩蛋白、大豆分离蛋白、大豆组织蛋白添加量的增加,面条的断条率、膨胀率、吸水率和烹煮损失率均明显上升,并且可以看出添加大豆分离蛋白面条的蒸煮特性是五种大豆蛋白中最差的,这是因为大豆分离蛋白吸水性较高,其含量的增加使面条的吸水率增加,从而阻碍了面筋网络结构的形成,使淀粉颗粒和蛋白质大量落入面汤中,导致面条的损失率也随之增加。
表1 不同大豆蛋白对面条蒸煮特性的影响Table 1 Effects of different soy protein on cooking characteristics of noodles
注：不同小写字母代表相同大豆蛋白不同添加量的同一指标差异显著(P<0.05),表2同。
综上所述,与未添加大豆蛋白的对照组相比,不同大豆蛋白的添加对混合粉面条断条率有一定影响,当不同大豆蛋白的添加量低于10%时,混合粉面条可接受程度较高。因此选择大豆蛋白添加量为10%的混合粉面条进行微观结构分析和血糖生成指数的测定。
2.3 微观结构分析
图3a为小麦粉制作的面条,横截面比较紧密,淀粉颗粒均匀的分布在面条的表面,只有少部分淀粉颗粒暴露在外面;图3b、图3c可以看出添加脱脂豆粉和全脂豆粉后,由于巯基向二硫键的转变[32],结构由松散变着紧凑,淀粉颗粒都淹没在蛋白中,形成了紧密的、连续的面筋网络结构,拉伸性能得到了强化,质构强于小麦粉制作的面条,这与2.1拉伸试验所得结论一致;图3(d～f)明显看出,添加大豆分离蛋白、大豆浓缩蛋白、大豆组织蛋白后,面筋结构受到严重的破坏,大量淀粉颗粒暴露。
图3 不同大豆蛋白面条和小麦面条的微观结构(500×)Fig.3 Microstructure of different soy proteinnoodles and wheat noodles(500×)注:a:小麦面条;b:添加10%脱脂豆粉面条;c:添加10%全脂豆粉面条;d:添加10%大豆分离蛋白面条;e:添加10%大豆浓缩蛋白面条;f:添加10%大豆组织蛋白面条。
由蒸煮特性结果可知(表1),随着大豆分离蛋白、大豆浓缩蛋白、大豆组织蛋白添加量的增加,吸水率显著增加(P<0.05),在加水量一致的情况下,添加较多的大豆蛋白对面筋的形成有阻碍作用,并且对面筋蛋白有一定的隔离作用,导致面筋蛋白不能较快地充分结合形成面筋[33],面条的品质变差,蒸煮损失率提高。
2.4 不同大豆蛋白对面条血糖生成指数的影响
2.4.1 葡萄糖标准曲线的绘制 葡萄糖的标准曲线如图所示,标准方程y=1.8446x+0.0034(R2=0.9993),通过葡萄糖的标准曲线方程可以确定消化体系中淀粉水解生成的葡萄糖含量。
图4 葡萄糖标准曲线Fig.4 Glucose standard curve
2.4.2 淀粉体外消化动力学 如图5所示,在0～30 min内,各种淀粉的水解速率均较高,而后呈现缓慢上升的趋势,在90 min后趋于稳定。以白面包为计算体外GI的参照食物,以小麦面条为对照组,从图中可以看出,小麦面条的最终水解率为52.11%,在整个消化过程中,大豆分离蛋白、大豆浓缩蛋白、大豆组织蛋白制作的面条水解率相近,最终水解率分别为35.47%、37.39%、37.59%,脱脂豆粉面条的最终水解率高于全脂豆粉面条的最终水解率,分别为44.41%、41.46%,均低于小麦粉面条的最终水解率。由此可见,添加不同大豆蛋白均能抑制淀粉的水解率,对180 min后淀粉水解率的抑制效果依次为分离蛋白>浓缩蛋白>组织蛋白>全脂豆粉>脱脂豆粉。
图5 不同大豆蛋白面条的总淀粉水解率Fig.5 Total starch hydrolysis rate ofdifferent soy protein noodles
2.4.3 不同大豆蛋白面条的血糖生成指数 GI值在75以上的食品为高GI食品,50～75为中GI食品,50以下的为低 GI 食品。从表2中数据可以得出,小麦面条GI值为76.97,属于高GI食品,添加大豆分离蛋白、大豆浓缩蛋白、大豆组织蛋白面条的GI值接近,分别为65.39、66.17、66.19,均为中GI食品。淀粉颗粒在糊化的过程中晶体结构会被破坏,这使得它对消化酶的敏感性增加,更容易被水解成葡萄糖,所以小麦熟制食品餐后血糖升高较快[34]。蛋白质能降低食物的血糖生成指数,原因可能是蛋白质能刺激人体分泌胰岛素,降低血糖应答水平,因此在小麦粉中添加大豆浓缩蛋白、大豆分离蛋白、大豆组织蛋白后,面条的GI值降低。Ye等[35]发现将原大米的蛋白质去除后,大米的GI值升高,与本研究结果相似。脂肪亦能降低食物的GI,可能是由于脂肪能降低淀粉凝胶化,延缓食物在胃的排空,阻碍淀粉与淀粉酶的结合,并对淀粉酶产生一定抑制作用,从而影响体内血糖反应[36-37],因此添加全脂豆粉后,使面条的血糖生成指数低于添加脱脂豆粉面条的GI值。面条血糖生成指数依次为:小麦粉>脱脂豆粉>全脂豆粉>大豆组织蛋白>大豆浓缩蛋白>大豆分离蛋白。
表2 面条的血糖生成指数Table 2 Glycemic index of noodles
3 结论
不同大豆蛋白的添加,会引起混合粉面条品质特性的明显变化。试验结果表明,面条中添加10%全脂豆粉或脱脂豆粉较为合适,可以改善混合粉面条微观结构以及蒸煮特性,结构由松散变着紧凑,淀粉颗粒都淹没在蛋白中,形成了紧密的、连续的面筋网络结构,质构性能得到了强化;超过10%添加量,面条拉伸性能下降。大豆分离蛋白、大豆浓缩蛋白以及大豆组织蛋白的添加会一定程度上破坏混合粉面条的加工品质和微观结构,使大量淀粉颗粒暴露,结构由紧凑变为松散,面条的质构特性变差。
血糖生成指数研究结果表明,添加大豆分离蛋白、大豆浓缩蛋白、大豆组织蛋白、脱脂豆粉、全脂豆粉面条的GI值分别为65.39、66.17、66.19,71.38、69.32,属于中GI食物(55
