无麸质面包加工技术改良新进展

徐梦雨,武 涌,袁娟丽,陈红兵,*

(1.南昌大学,食品科学与技术国家重点实验室,江西南昌 330047;2.南昌大学食品学院,江西南昌 330047;3.南昌大学中德联合研究院,江西南昌 330047;4.南昌大学药学院,江西南昌 330006)

无麸质(gluten-free,GF)食品是一类麸质蛋白含量低于20 ppm且可供麸质不耐受患者食用的食品[1]。麸质蛋白指的是某些谷物的醇溶蛋白,即小麦、黑麦、大麦及其杂交谷物中可能存在的醇溶性蛋白[2]。无麸质饮食是麸质不耐受患者唯一有效的“治疗”方法,常见的麸质不耐受的疾病有乳糜泻、小麦过敏、非乳糜泻麸质不耐受、谷蛋白共济失调等[3]。此外,无麸质食品也越来越受到健康人群的青睐。据报道,9.953%健康人群选择避免摄入麸质,他们认为无麸质饮食可以减少摄取过多不必要碳水化合物,更益于健康[4]。根据Xhakollari等[5]统计,无麸质食品市场份额逐年增长,预计2020年将达到47亿美元。由此可见,无麸质食品有望成为食品工业新的经济增长点。面包作为世界上销售量最大的食品,是许多国家的主食,其方便美味也倍受我国消费者喜爱。无麸质面包则是无麸质食品中最重要的组成部分,吸引了大批学者从事相关研究。本文主要从无麸质原料与添加剂的选择、原料预加工、面团制备、面包焙烤等4个方面回顾了无麸质面包品质改良技术新进展,期待为无麸质面包的研究开发提供参考。

1 无麸质面包生产工艺与品质

根据GB/T 20981-2007[6]的定义,面包是一类以小麦粉、酵母、食盐、水为主要原料,加入适量辅料,经搅拌面团、发酵、整形、醒发、焙烤等工艺制成的松软多孔的食品(如图1A)。无麸质面包则是由不含麸质蛋白原料加工而成,因发酵面团结构不稳定,一般采用一次发酵法[7](如图1B)。

图1 小麦面包与无麸质面包工艺流程图Fig.1 Technical flowchart for making wheat bread and gluten-free bread

由于不含麸质蛋白,无麸质面包在加工过程中面临着诸多挑战,主要表现在两个方面:品质与价格。在品质方面,一是营养丢失:原料粉剔除麸质蛋白造成了营养缺失,而且进行脱蛋白工艺会造成膳食纤维及微量元素的流失[8]。二是感官质量差:制作的面团往往过软不易成型,持水性、持气性、粘弹性、拉伸性和延展性差;焙烤的面包外皮粗糙干裂、硬度高,内部气孔稀疏、质构不均匀,整体比容小、香气寡淡、风味不佳;面包老化速度快,对货架期也造成了影响[9]。在价格方面,由于工艺优化,无麸质面包加工成本提高,售价更昂贵,给消费者增加了经济压力[10]。

2 无麸质面包品质改良技术

为了制作出高质低价的无麸质面包,国内外学者相继探索了一些新型技术,包括无麸质原料与添加剂的选择[8-17]、无麸质原料预加工[18-39]、无麸质面团制备[40-47]、无麸质面包焙烤[48-54]。

2.1 无麸质原料与添加剂的选择

传统面包加工过程中,淀粉与麸质蛋白相互作用对面包结构的定型产生了重要影响[11]。无麸质原料一般由淀粉和其它无麸质粉组成,利用淀粉的糊化特性改善无麸质粉的吸水性,改良面团持水性及烘焙特性,常用的淀粉有小麦淀粉、马铃薯淀粉[9]等。其它无麸质原料有大米[8]、假谷物(藜麦、荞麦[10]、苋菜籽等)、杂粮谷物(高粱、玉米、小米等)、豆类(鹰嘴豆、豌豆等)、块茎类(木薯、马铃薯等)、坚果类(栗子、杏仁)、动物类(蟋蟀粉[12])以及膳食纤维(菊粉、苹果纤维[13])等。这些原料具有开发成本低廉、营养丰富、综合利用价值高等优势。

单纯的无麸质原料粉加工适应性较差,但通过添加一些功能性添加剂可以改善。常用的添加剂包括有食用胶体[14]、酶制剂[15]、外源蛋白[16]、乳化剂[17]等(见表1)。大量研究表明,加入适当的添加剂可作为麸质蛋白的替代品,能成功制作出具有良好品质的无麸质面包。

表1 食品添加剂对面包品质的影响Table 1 Effect of food additives on bread quality

此外,已有研究表明,通过对原料进行一定的预加工可以最大限度提高其加工性能,进一步促进无麸质原料的开发与利用。

2.2 无麸质原料预加工

对原料进行预加工是提高无麸质面包品质的有效方法。目前对无麸质原料进行预加工的技术主要包括碾磨[18-22]、热加工[23-31]、微波[32-34]、高压[35-36]、发芽[37-39]等。

2.2.1 碾磨 碾磨可以影响原料的性能,特别是原料的粒径、受损淀粉的含量、淀粉颗粒的状态[18]等。如,Hera等[19]对比不同粒径玉米粉制作的无麸质面包,发现粗粒径(180～200 μm)制作的面包体积最大、硬度最低。Hera等[20]进一步发现,粗粒径(132～200 μm)大米粉在90%～110%加水量下制作的无麸质面包具备最佳的质地和更高的抗性淀粉含量。此外,Yano[21]选取低损伤淀粉(<5%)的大米粉在不添加任何改良剂下成功制作出了无麸质面包,面包比容大,加工成本低、实用性高。Wu等[22]则对比湿磨、旋风机干磨、超细机碾磨三种方式处理大米粉制作无麸质面包,发现淀粉受损程度:湿磨<旋风机干磨<超细机碾磨,淀粉受损程度高的面粉制作的面包在烘烤中坍塌,无法成形。干磨的面粉颗粒形状不规则,制得的面包会形成不均匀的气泡,比容低。而湿磨法制备的米粉淀粉受损程度最低,淀粉颗粒最完整,糊化温度和吸热焓较高,凝胶强度较高,加工出的面包质地与外观符合消费者期望。因此,选择合适的碾磨技术可以加工出性能更佳的无麸质面包。

2.2.2 热加工预处理 热加工处理可分为干热处理和湿热处理。对于一些谷物原料,如高粱粉,干热处理可有效去除其自身的苦涩味,是面包加工过程中必不可少的工艺[23]。湿热处理则可以提高谷物、豆类和块茎淀粉的糊化温度和结合水能力,使面团黏度增加[24]。此外,湿热处理的面粉和淀粉也有很高的乳化能力,能增强面团持气能力,提高面包品质[25]。而且面粉在湿热加工过程中还发生了美拉德反应、蛋白质变性和酶激活等变化,影响面包风味[26]。

在无麸质面包加工过程中,湿热处理常与挤压加工联用使淀粉预糊化。研究发现,加入挤压加工的原料后制作的面团结构致密,能防止发酵过程中气崩,增加持气性与持水性,提高面包比容、降低硬度。如挤压黑米粉[27]、高粱粉[28]、小米粉[29]等。Martínez等[30]则发现加入挤压大米粉制作的无麸质面包老化更慢。在生产中,选择湿热为主、干热为辅的加工方式可以在保留营养成分的情况下生产出让消费者接受认可的无麸质面包。Torbica等[31]将黑麦、燕麦、高粱和小米经140 ℃热风干燥15 min后,在含水量为27%的情况下挤压热处理,以30%的添加量加入无麸质粉中,在不添加任何添加剂的情况下制作了无麸质黑麦、燕麦、高粱和小米面包,面包外观与普通的小麦面包相似,纤维更丰富,面包芯柔软,气孔发达。

2.2.3 微波预处理 Villanueva等[32]发现微波可以增加大米粉的吸水率与膨化力,制作的米粉面团具有较高的稠度、较强的弹性和抗变形能力。Villanueva等[33]进一步研究发现,在大米粉中添加30%微波处理的米粉制作的无麸质面包比容更高、硬度更低、老化更慢。此外,面包的形状、面包皮的颜色和面包芯气孔分布也得到了很大的改善。Perez-Quirce等[34]则发现微波处理可以使米粉中β-葡聚糖酶失活,在很大程度上保留了β-葡聚糖的含量,焙烤的无麸质米粉面包营养性更高。由此可见,微波预处理对无麸质原料的功能具有改善作用。

2.2.4 高压预处理 高压可以作用于食品原料中的大多数成分,包括水、蛋白质和淀粉。Cappa等[35]发现将玉米淀粉和米粉在600 MPa 40 ℃处理5 min后,制作的面团结合水能力更强,焙烤的无麸质面包比容高、柔软性良好,而且面包储藏72 h后仍具有较高的保水能力、较低的水活性和较慢的老化动力学性质。但是高压处理的效果依赖于所使用的原料,特别是直链淀粉/支链淀粉含量。对于直链淀粉含量极低的糯米粉,处理条件与原料糊化性能无关[36]。因此,在选择高压处理之前需要对原料的性质有充分了解,以便发挥工艺的最佳性能。

2.2.5 发芽预处理 Cornejo等[37]研究发现发芽糙米可以改善无麸质大米面包的营养特性,焙烤的面包蛋白质、脂质和生物活性化合物(GABA和多酚)含量均得到提高,抗氧化活性增强,植酸含量和血糖指数降低。此外,Horstmann等[38]挑选七种发芽种子(苋菜、糙米、玉米、小扁豆、羽扇豆、豌豆、藜麦)磨粉,并以5%比例添加到无麸质面粉中。与不含发芽面粉的对照组相比,所有面团发酵过程体积更大,面包比容更大。其中,羽扇豆芽粉的纤维和蛋白质含量最高,水化性能最高,面团具有最高的粘弹性。糙米芽粉制作的面包硬度则最高。苋菜芽粉显著增加了面包的比容,降低了硬度,具备进一步优化研发潜力。但是,Ouazib 等[39]研究了不同方式处理(发芽、蒸煮、焙烤)的鹰嘴豆粉对无麸质面包的品质影响,结果发现发芽鹰嘴豆制成的面包在感官特性上的整体接受度最低。由此可见,虽然发芽预处理会改善原料的营养特性,但不同原料经发芽处理后的加工适应性也应该重点考虑。

2.3 无麸质面团制备

在无麸质面团制备过程中,产气能力不足和持气能力不佳是影响面团成型最重要的两个问题。一些学者发现,改变面团制备方式可为解决这些问题增添新的方案,如酸面团发酵[40-45]和化学膨松法[46-47]。

2.3.1 酸面团发酵 酸面团乳酸菌合成的胞外多糖可作为增稠剂、稳定剂和胶凝剂改善面团流变学性质和面包的质地[40]。如Nami等[41]对比四种乳酸菌发酵小米粉制作无麸质面包,发现用乳酸菌发酵的面团弹性增加、硬度降低。而且添加L.brevis制作的面包比容最大、孔隙率和含水量最佳。Bender等[42]利用7种不同的乳酸菌菌株与商业发酵剂生产无麸质小米和荞麦面包,筛选出L.sanfranciscensisDSM20663、L.paralimentariusLMG19152、L.pentosusLMG10755、L.hammesiiDSM16381作为无麸质小米或荞麦面包的潜在发酵剂,在仅采用酸面团发酵技术下改善无麸质面包质量。此外,乳酸菌发酵还可以改善无麸质原料营养特性。Sozer等[43]将乳酸菌发酵的大豆粉与玉米淀粉1∶1混合制作无麸质面包,检测到发酵后豆粉的各营养指标均有提高,而且面包中蛋白体外消化率由53.9%提升至72.3%。另外,乳酸菌发酵可以降低淀粉的消化率从而影响餐后血糖。如Rinaldi等[44]发现经酸面团发酵后的无麸质面包体外模拟消化后升糖指数较低。乳酸菌发酵过程中生成的有机酸等物质还可以增加焙烤产品的风味,抑制腐败微生物的生长和延长无麸质面包货架期。Ceballos-Gonzalez等[45]利用植物乳酸菌发酵藜麦粉,在不加任何添加剂下制作无麸质面包,发现发酵后面团中可溶性蛋白含量增加,面包硬度降低,老化速度减慢,外皮L*(亮度)减小且香气优于小麦面包。

酸面团发酵技术可以增加无麸质原料中营养物质的利用率,减少或替代食品添加剂的使用,改善面团流变学特性,提高面包感官品质并延长货架期,显示出了巨大的应用价值。但相关的研究成果主要局限于实验室,如何将它与工厂接轨并实现工业化生产是未来研究的重点。

2.3.2 化学膨松法 化学膨松法因产气快、效率高在传统面包加工中占有一席之地,而在无麸质面包加工中却少有报道。Akin等[46]将大米粉、木薯粉或马铃薯淀粉与高粱粉复配为原料,加入3%双效泡打粉(磷酸二氢钙和磷酸铝钠)仅需2 min膨松面团制备无麸质面包,大大缩减了加工时间。Akin等[47]进一步对面包感官特性及品质进行评价,发现面包芯气孔均匀、大小合适。由此可见,化学膨松法可制作无麸质面包,值得进一步研究。

2.4 无麸质面包焙烤

传统面包的焙烤是将含水量约为55%～60%的小麦面团在烤箱中(190～240 ℃)烘烤大约0.5～1.0 h。这一过程外部热量从外向内传递,内部水分由内向外分布,最终在面包外层形成一层无水的面包壳。但无麸质面团基质过软不易成型,持水性、持气性差,对焙烤技术有更高的要求。

2.4.1 真空焙烤 Rondeau-Mouro等[48]研究发现,与常压焙烤面包相比,将无麸质面团在205 ℃、20 kPa条件下焙烤55 min制作的面包,质构更松软,外壳更平整,面包芯气孔更大,具“蜂窝状”。但当含水量不足48%时,真空焙烤与传统焙烤无明显差别。真空可促使面团中的气体向外释放,在加热使气体膨胀的同时促进了产品体积膨胀。真空还可以降低水的沸点,减少焙烤过程中面包颜色和风味的退化,而且影响面团中的水分重新分布,进一步影响淀粉的糊化及老化。但是目前相关工作较少,值得关注和继续深入研究。

2.4.2 欧姆加热焙烤 欧姆加热将物料作为电路中的一段导体,在50～60 Hz的低频交流电流下,直接将电能转化成热能,加热快、效率高。Masure等[49]将欧姆加热装置与焙烤过程中面团高度、粘度和二氧化碳释放量的在线测量相结合,研究无麸质面包结构的形成,发现当面包外壳在面团开始释放CO2之前形成,能生产出高比容、结构均匀的面包,通过欧姆加热就可以监控面包外壳的形成,从而能有效避免面包在烘烤过程中坍塌。此外,Bender等[50]发现欧姆加热的无麸质面包淀粉消化率低于常规焙烤,而且常规焙烤的失水率(13.97%)至少是欧姆加热(1.92%～4.31%)的3倍。由于无麸质面团具有高含水量和适当的电导率,适合欧姆加热。升温均匀且快速可以更好地稳定面团结构,加强气体滞留,降低成本。预计该技术的应用将为无麸质面包的焙烤提供新的发展方向。

2.4.3 微波辅助焙烤 微波加热时物料内的传热方式是由内向外,与红外、热风等由外向内传热方式的联用可以达到互补[51]。研究发现,采用微波-红外联用焙烤可以改善无麸质面包内部的水分分布,增加气孔数[52]。Srikanlaya等[53]则发现微波-热风联用可以减少焙烤时间和预测血糖指数,生产的无麸质面包具有高比容,不过在储藏7 d后,面包老化速度更快。研究还发现,微波可提高面包的烘烤温度,影响无麸质面包的蛋白-淀粉基质。如Therdthai等[54]发现微波焙烤的面包淀粉消化率较低,但焙烤出的大米面包外皮L*值(亮度)相对于热风焙烤更高,颜色更苍白。可见,微波辅助焙烤在无麸质面包加工中的应用值得肯定,但工艺条件仍需进一步优化。

3 结论与展望

随着科技进步与发展,越来越多新兴技术用于改良无麸质面包,而且在实践应用中也卓有成效。但因为无麸质原料选择多样化,其加工适应性存在较大差异,生产中需要使用个性化的工艺方案。因此,首先需要全面研究各无麸质原料成分及特性,然后阐明不同加工方式对原料加工性能的影响机制。如直链淀粉占比高的原料可尝试高压预处理,豆类及谷物原料考虑发芽预处理等,才能让这些前沿技术更好地被利用。

此外,已有的技术往往都处于探索阶段,没有全面评估其应用于产品生产的性能。一款合格的无麸质面包在风味、结构、外观、营养等各个方面均有要求。因此,后续仍需要不断完善各加工技术,并结合麸质不耐受患者的特殊需求,制作出让消费者满意的面包。另一方面,一系列加工新技术仅局限于实验室阶段,只有真正应用于工业化才能实现其价值,而实现工业化需要相应的设备投入与产业化条件。由此建议,选择校企合作协同创新,可以推动新技术在无麸质面包加工领域的应用。

无麸质食品在国外已有许多成功的研究成果,但我国却仍处于起步阶段,未来可以借鉴国外成功的经验,并结合本国饮食文化选择无麸质原料,根据它们的原料特性研发有针对性的加工技术,在最大限度提高原料加工性能的条件下生产出高品质的无麸质面包。随着科学技术的不断创新与应用转化,可以不断改进和完善无麸质面包加工技术,更好地造福于麸质不耐受患者及消费者。