酶对饼干粉及韧性饼干品质的影响

张康逸,张 灿,郭东旭,温青玉,赵 迪

(河南省农业科学院农副产品加工研究中心,河南郑州 450008)

根据配方和工艺的不同,可将饼干分为酥性饼干、韧性饼干、发酵饼干等几大类[1],其中韧性饼干因其需长时间调粉,以形成韧性极强的面团而得名。

减筋剂常用在生产饼干、蛋糕的软麦粉中来弱化面粉中的面筋,改善面粉的品质使得饼干、蛋糕等产品口感松脆、柔软[2]。此类减筋剂一般使用焦亚硫酸钠和L-半胱氨酸盐酸盐(CYS),其中,焦亚硫酸钠分解时放出的二氧化硫,可降低面筋的弹性,提高面筋的可塑性。但是焦亚硫酸钠受热分解产生的二氧化硫,一方面会残留在饼干中会导致饼干易受潮,影响风味和储存期,另一方面二氧化硫长期摄入会危害人类健康[3]。CYS通过断开谷蛋白和醇溶蛋白之间的二硫键达到弱化面筋的目的,虽没有副作用,但价格昂贵,会增加饼干的生产成本。而蛋白酶是一种采用现代生物科学技术开发形成的活性酶体系,可对面团进行综合调理,减少饼干中糖粉和油脂的使用,价格适中,绿色安全,在糕点和饼干中使用比较广泛[4]。

关于蛋白酶对饼干改良作用的研究国内外均有相关报道,而且目前市场上已有市售的韧性饼干专用酶。姚晓丹等[5]探究了蛋白酶与焦亚硫酸钠和L-半对韧性饼干品质的影响,表明蛋白酶可有效弱化面筋,改善饼干品质,尤其是木瓜蛋白酶效果最佳。Kara等[6]研究发现两种蛋白酶酶解麦醇溶蛋白和麦谷蛋白的效果比较好,可有效改善曲奇饼干的延展性,增加其适口性。夏恩琴等[7]通过添加中性蛋白酶修正无糖饼干缺陷,开发出适合糖尿病人群食用的无糖剑花饼干。李娟[8]通过添加木聚糖酶,改善了全麦苏打饼干的品质。陆晓滨等[9-10]通过加入中性蛋白酶对韧性饼干的自然断裂现象有一定改善,并采用戊聚糖酶和中性蛋白酶复合酶对无糖大豆纤维饼干工艺进行改进。

但关于酶对饼干粉及饼干品质影响的综合评价还未见相关报道,本试验研究CYS和酶对韧性饼干品质、饼干粉质构和溶剂保持力的影响差异,分析彼此之间的相关性,采用主成分分析评价CYS和酶的综合效果,为酶制剂在韧性饼干中的应用提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

金龙鱼糕点用低筋小麦粉(蛋白质含量为8.1%,湿面筋含量为22.3%)、金龙鱼食用植物调和油 益海嘉里有限责任公司;白砂糖 郑州家乐福超市;CYS 食品级,河北华阳生物科技有限公司;中性蛋白酶(100 U/mg)、木瓜蛋白酶(800 U/mg)、菠萝蛋白酶(300 U/mg)、木聚糖酶(6000 U/mg) 食品级,上海源叶生物科技有限公司。

AL204电子天平 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;FKM-160小型压面机 浙江俊媳妇厨具有限公司;FJ-YH高级面包醒发箱 广东乐创电器有限公司;烤箱 广州优连食品加工机械有限公司;Universal TA质构仪 上海腾拔仪器科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 饼干粉的制备 分别称取15 mg的中性蛋白酶、木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、木聚糖酶和CYS,同时以空白面粉作为对照组,分别加入30 mL的50 ℃的温水,混合均匀,加入100 g的低筋粉,和面2 min,揉成面团,室温下静置30 min,冷冻干燥24 h,磨粉,备用。

1.2.2 饼干的制作方法 饼干的基本配方为低筋粉100.0%(以低筋粉100 g计),水20.0%,糖粉20.0%,植物油20.0%,小苏打0.5%,食盐1.0%,中性蛋白酶、木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、木聚糖酶和CYS的添加量均为梯度添加,依次为0、50、150、250、350 mg/kg。称取上述基本配方配料:糖粉、植物油、小苏打、食盐、酶或CYS,加入50 ℃水中,搅拌至完全溶解,加入低筋粉,和面2 min,揉成面团,室温下静置30 min,将压面机的辊筒间距调至2 mm,将面团压成光滑完整的面片,每次旋转90 °,辊轧8～10遍。用模具成型,上火185 ℃,下火165 ℃,烘烤8 min(烤至4 min时烤盘调整方向,保证均匀烤制),冷却。

1.2.3 饼干比容的测定 参考李娟[8]的方法并做一定修改,随机选取5片饼干叠加在一起,用游标卡尺测定其长、宽、高,比容计算公式如下:

式中:L-长度,cm;W-宽度,cm;H-宽度,cm;SV-比容,cm3/g;M-质量,g。

1.2.4 饼干质构的测定 参考苟青松等[11]的方法做一定的修改,用质构仪测定饼干的硬度、咀嚼性和胶黏性,测定条件为:TA探头型号P/2,测试前中后速率分别为5.00、2.00、5.00 mm/s,感应力为2 N,形变量为30%。

1.2.5 饼干色泽的测定 用色差仪测定饼干的L*、a*、b*、ΔE,每个样品测三次,结果取平均值。

1.2.6 面筋质构的测定 用质构仪测定添加不同添加剂的饼干粉中面筋的硬度、弹性和胶黏性,用2%的盐水将饼干粉中的面筋洗出,将面筋放入质构仪黏着力测定装置的模具中,挤成厚度为2 mm的面筋,测定时以此模具为平台进行测定。测定条件为:TA探头型号P/2,测试前后速度分别为1.00 mm/s,感应力为5 N,形变量20%。

1.2.7 饼干粉溶剂保持力(Solvent Retention Capacity,SRC)的测定 按AACC56-11测定[12]。

1.2.8 饼干粉碱水保持力(Alkali Water Retention Capacity,AWRC)的测定 按AACC56-10测定[13]。

1.3 数据处理

2 结果与分析

2.1 CYS及酶的添加量对饼干比容的影响

比容是评价饼干品质的重要指标之一,尤其是对于韧性饼干而言,比容大,质地疏松,是优质韧性饼干的重要特征。由表1数据可知,加入添加剂后,饼干的比容均有所增加,尤其是中性蛋白酶、菠萝蛋白酶和木聚糖酶。与空白组相比,添加50 mg/kg的菠萝蛋白酶比容增加了10.65%,与CYS组相比,添加50 mg/kg的菠萝蛋白酶比容增加了5.06%。添加量为150 mg/kg时,添加菠萝蛋白酶的饼干的比容增加量最大。添加量为250 mg/kg时,添加中性蛋白酶的饼干的比容增加量最大,与空白组相比,增加了20.71%,与CYS组相比,增加了10.87%。菠萝蛋白酶组较空白组比容增加了11.83%,较CYS组增加了2.72%,木瓜蛋白酶、木聚糖酶和CYS组之间无显著性差异。与250 mg/kg的添加量对比,添加量为350 mg/kg时,木瓜蛋白酶增加饼干比容的效果已不明显,中性蛋白酶效果略有下降,与相同添加量的CYS组相比,菠萝蛋白酶与CYS之间差异不明显,木聚糖酶较CYS比容增加了3.12%。与CYS相比,添加相同量的酶制剂,增大比容的效果均要优于CYS,即若要达到与CYS组饼干比容一致,所需酶的添加量更小,150 mg/kg的添加量,除菠萝蛋白酶外,CYS和其他蛋白酶的效果无明显差异性。

表1 CYS和酶的添加量对饼干比容的影响(cm3/g)Table 1 Effects of the add amount of CYS and enzymes on the specific volume of biscuits(cm3/g)

表4 CYS和酶对饼干粉溶剂保持力的影响(%)Table 4 Effects of CYS and enzymes on the solvent retention capacity of biscuit flour(%)

2.2 CYS及酶的添加量对饼干质构的影响

对于饼干而言,除比容外,口感是评价其品质的另一重要指标,饼干在焙烤过程中,其中添加的小苏打会因受热而分解产生二氧化碳,使形成的面筋网络包裹住这些气体,从而使饼干的体积增大,反映在口感上饼干酥松[14]。本研究通过添加CYS和酶制剂达到减筋的目的,化学添加剂CYS可以断开谷蛋白和醇溶蛋白之间的二硫键,蛋白酶分解蛋白链,同样的,木聚糖酶会影响谷蛋白大分子的聚集。

由图1～图3可知,与空白饼干对比,随着CYS和酶添加量的增加,饼干的硬度、咀嚼性和胶黏性均呈现下降的趋势,饼干的质构特性均有一定的改善。当添加量为50 mg/kg时,饼干硬度、咀嚼性和胶黏性从大到小为:中性蛋白酶、木聚糖酶、CYS、木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶,即在相同添加量的情况下,木瓜蛋白酶和菠萝蛋白酶降低饼干硬度、咀嚼性和胶黏性的效果优于CYS。当添加量为150 mg/kg时,饼干硬度、咀嚼性和胶黏性从大到小为:中性蛋白酶、CYS、木瓜蛋白酶、木聚糖酶、菠萝蛋白酶,即在相同添加量的情况下,木瓜蛋白酶、木聚糖酶和菠萝蛋白酶降低饼干硬度、咀嚼性和胶黏性的效果优于CYS,其中菠萝蛋白酶的效果最佳。添加量为250 mg/kg时,木瓜蛋白酶改善饼干质构的效果弱于CYS。添加量为350 mg/kg时,饼干硬度、咀嚼性和胶黏性从大到小为:菠萝蛋白酶、CYS、木聚糖酶、中性蛋白酶、木瓜蛋白酶。

图1 CYS和酶的添加量对饼干胶黏性的影响Fig.1 Effects of the add amount of CYSand enzymes on the adhesiveness of biscuits

图2 CYS和酶的添加量对饼干咀嚼性的影响Fig.2 Effects of the add amount of CYSand enzymes on the chewiness of biscuits

图3 CYS和酶的添加量对饼干硬度的影响Fig.3 Effects of the add amount of CYSand enzymes on the hardness of biscuits

由2.1和2.2不同添加量的CYS和酶对饼干比容和质构的影响试验确定150 mg/kg为本试验合理添加量。因此,后文均研究此添加量下,各组酶及CYS对饼干及饼干粉的品质的影响。

2.3 CYS及酶对饼干色泽的影响

表2为添加150 mg/kg CYS和酶对饼干色泽的影响,与空白组对比,添加CYS和酶后饼干的亮度无差异显著。添加中性蛋白酶和木聚糖酶之后,饼干的红度略有增加。而添加CYS和酶后,饼干的黄度均显著增加,其中CYS实验组对黄度影响最大。从色差值ΔE来看,色差值小于1.0,是在可接受范围的,无明显差异。

表2 CYS和酶对饼干色泽的影响Table 2 Effects of CYS and enzymes on the color of biscuits

饼干的色泽主要是通过焦糖化反应和美拉德反应呈现,反应体系中使用的白砂糖主要成分是蔗糖,属于非还原糖,还原糖的含量比较少,故此反应体系以焦糖化反应为主,美拉德反应为辅,添加化学添加剂和酶制剂虽然将蛋白分解,但对还原糖的含量无明显影响,故对整个反应体系无明显影响,即在试验条件不变的情况下,添加化学添加剂和酶制剂对饼干的色泽无明显影响[15]。

2.4 CYS及酶对饼干粉面筋质构的影响

由表3可知,与空白组相比,加入蛋白酶后,饼干粉面筋的硬度、弹性和胶黏性均显著下降(CYS和木聚糖酶除外),其中菠萝蛋白酶和木瓜蛋白酶的作用效果突出。饼干粉中的主要物质是淀粉和蛋白质,蛋白酶的加入减少了饼干粉中蛋白聚合体的含量,弱化了面筋结构,而CYS在降低面筋硬度方面效果不佳,但可以降低面筋的弹性的胶黏性,另外木聚糖酶主要作用于木聚糖类,且木聚糖在面粉中占得比例较低,因此木聚糖酶在弱化面筋方面效果不大。

表3 CYS和酶对饼干粉面筋质构的影响Table 3 Effects of CYS and enzymeson texture of biscuit powder gluten

2.5 CYS和酶对饼干粉溶剂保持力和碱水保持力的影响

由表4可知,与空白组对比,实验组的水SRC、乳酸SRC和蔗糖SRC均有所下降,水SRC反映饼干粉的综合特性,乳酸SRC代表了饼干粉的面筋特性,蔗糖SRC反映的是饼干粉中戊聚糖和醇溶蛋白的特性。另外,碳酸钠SRC有所上升,和空白组相比,木瓜蛋白酶实验组显著(P<0.05)上升,碳酸钠SRC反映饼干粉中破损淀粉的含量,破损淀粉含量增加,谷蛋白含量减少,表明淀粉表面的结合蛋白被破坏,淀粉更易损伤,乳酸SRC和蔗糖SRC下降,表明CYS和酶的加入均弱化了面筋结构,提升了整体的烘焙特性,预测饼干的品质得到改善[16]。

由图4可知,与空白组相比,各实验组碱水保持力明显下降,菠萝蛋白酶效果最佳,碱水保持力代表的是饼干粉的吸水能力,表明加入CYS和酶之后,饼干粉的吸水率有所下降,饼干粉的吸水率与饼干的口感有很大的联系,吸水率下降间接反映出饼干口感品质的上升[17]。

图4 CYS和酶对饼干粉碱水保持力的影响Fig.4 Effects of CYS and enzymes on thealkali water retention capacity of biscuit flour注:不同字母表示差异显著(P<0.05)。

2.6 相关性及主成分分析

首先采用SPSS软件对各种指标原数据进行正向化和标准化处理,再对其进行相关性和主成分分析。

2.6.1 相关性分析 表5为经过SPSS软件处理分析得到的各指标之间的相关系数,由表中数据可知,韧性饼干的比容与饼干的胶黏性、咀嚼性和硬度等指标之间呈现正相关性,相关系数分别为0.954、0.975和0.981,表明在一定范围内,比容越大饼干的口感越好。另外,饼干的比容、胶黏性、咀嚼性和硬度等指标与饼干粉面筋弹性指标之间相关系数分别为0.808、0.810、0.810和0.810,面筋是由麦胶蛋白和麦谷蛋白组成的软胶体,且具有一定的粘弹性,面筋含量过高,面团的弹性过大,在面团调制过程中容易起筋,造成面团过硬,进而导致焙烤的饼干口感不佳,这一试验结果也恰巧证明了这一点。面筋的弹性和胶黏性均与饼干粉的蔗糖保持力和碱水保持力呈现正相关关系,蔗糖保持力代表饼干粉中戊聚糖和醇溶蛋白的特性,小麦醇溶蛋白使面筋具有黏性和延伸性,即其含量越高,面筋的黏弹性越大,由于蛋白酶的酶解作用降低了醇溶蛋白的含量,进而降低了面筋的黏弹性,使饼干粉更适宜饼干的制作。碱水保持力反映的是饼干粉的吸水能力,饼干粉吸水能力越强,越易形成面筋,故吸水率低的饼干粉适宜饼干的制作。同时,饼干的比容和质构特性与溶剂保持力和碱水保持力之间的相关性也表明专用饼干粉的品质影响饼干的好坏。

表5 各指标间相关性分析Table 5 Correlation analysis among indicators

2.6.2 主成分分析 主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)利用降维的原理将大量的变量减少到较小数量,利用几个较少的综合指标来反映原来指标的一种统计方法。张怀予等[18]通过主成分分析对改良枸杞面包和空白面包的感官、质构和理化品质进行量化比较,结果表明改良组面包的综合品质相比于空白组面包表现出优良特性。Saavedra等[19]使用主成分分析在非常复杂的情况下识别染料降解产物。本试验通过主成分分析探究不同的酶对饼干及饼干粉的综合影响。

由表6可知,表中前三个成分的贡献率分别为67.891%、17.993%和10.247%,累计贡献率达96.131%。按照选取主成分原则,选取三个主成分。由表7可知,饼干比容、饼干胶黏性、饼干咀嚼性、饼干硬度、水分保持力、乳酸保持力、蔗糖保持力、碱水保持力、面筋弹性和面筋胶黏性等成分在第一主成分上有较高载荷,故第一主成分承载了这10个指标的信息,同理,第二主成分反映面筋硬度的信息,第三主成分反映了碳酸钠保持力的信息。

表6 主成分特征值及累计贡献率Table 6 Principal component eigenvaluesand cumulative contribution rates

表7 三个主成分的荷载Table 7 The loadings of the firstthree rotated principal components

采用软件SPSS 17.0 得到主成分的特征向量,根据表8,得到每个主成分的得分表达式,如下所示:

表8 主成分特征向量Table 8 Feature vector of principal components

Y1=0.3209X1+0.3290X2+0.3290X3+0.3290X4+0.3290X5+0.2473X6+0.2316X7+0.3059X8+0.2911X9+0.1090X10+0.3367X11+0.2645X12

Y2=-0.1266X1-0.1613X2-0.1647X3-0.1729X4-0.2191X5-0.3743X6-0.0796X7+0.2198X8+0.3035X9+0.6030X10+0.1300X11+0.4308X12

Y3=-0.2678X1-0.1794X2-0.1821X3-0.2119X4+0.2191X5+0.3868X6+0.6267X7-0.1830X8-0.2678X9+0.3084X10+0.1524X11+0.0685X12

综合得分 Z 可以通过主成分得分和三个主成分的贡献率得到,表达式如下:

Z=0.67891Y1+0.17993Y2+0.10247Y3

由表9综合得分可以看出菠萝蛋白酶对韧性饼干的影响效果最好,可以有效改善韧性饼干比容小,口感不佳的缺点,鉴于酶制剂的自身的优势,在一定程度上可以代替化学添加剂。

表9 六种处理方法的主成分得分及综合得分Table 9 Principal component scores andcomposite scores of six treatments

3 结论

韧性饼干的品质好坏主要取决于饼干粉的品质,相关企业常用一些改良剂来改善面粉的品质。比容、质构、色泽是评价韧性饼干品质的重要感官指标,比容、质构、色泽试验表明蛋白酶可以有效改善韧性饼干的品质且对其色泽无明显影响,由饼干粉的质构和溶剂保持力试验表明,蛋白酶可以有效改善饼干粉的品质,降低饼干粉面筋的硬度、弹性,由相关性分析可知,饼干粉的品质决定饼干质量好坏,吸水率低、面筋含量低、面筋粘弹性小的面粉适宜韧性饼干的制作。另外由主成分分析可知,蛋白酶的效果优于CYS和木聚糖酶的效果,尤以菠萝蛋白酶的效果最佳。本试验仅对CYS和酶对韧性饼干的影响做了探究,关于其机理还需要做进一步的探讨。