微波预膨发工艺对青稞戚风蛋糕品质的影响

阮征 张驰 李丹丹 张延杰 夏雨 李汴生†

(1.华南理工大学 食品科学与工程学院，广东 广州 510640；2.广东省天然产物绿色加工与产品安全重点实验室，广东 广州 510640；3.咀香园健康食品(中山)有限公司，广东 中山 528400)

青稞具有高蛋白、高纤维、高维生素及低脂、低糖的成分特点[1]，富含多种生理活性物质，如β-葡聚糖、维生素E、γ-氨基丁酸等[2]，有极高的营养和食疗价值。戚风蛋糕是一种结合面糊类与乳沫类蛋糕特点的植物油脂型膨松点心[3]，具有结构细腻柔软且孔隙均匀的特点，广受消费者青睐，产品的粉料组成主要是小麦粉。若将青稞粉部分(≥50%)或全部替代小麦粉，可丰富蛋糕营养功能成分，同时为青稞精、深加工开辟新方向[4]。

戚风蛋糕通常采用热风烘烤工艺，由于青稞独特的粉料特性，热风烘烤制备戚风蛋糕加工时间长、能耗高，且可能对产品质量和营养造成损害，如比容降低、挥发性风味成分减少[5]，组织结构及口感较差，因此市面上少有高青稞粉含量的戚风蛋糕销售。

微波作为一种节能的烘焙方式，加热速率快、有利于保留食品营养，易于控制，但单一的微波烘焙仍存在很多质量缺陷，如产品质地粗糙或坚硬、风味损失严重、缺乏烘焙产品需要的褐变反应等[6]。

近年来微波组合烘焙工艺受到更多关注，有报道将微波同步或分段与其它加热技术进行结合，如Ozkahraman等[7]采用微波-红外组合烘烤的鹰嘴豆蛋糕，与热风烘烤蛋糕相比有更高的比容和烘焙损失率，更低的硬度值；Sevimli等[8]利用响应面法优化的卤素灯-微波组合烘烤小麦蛋糕工艺，所制备的产品除色泽外， 其它品质可与热风烘烤蛋糕媲美，同时缩短约79%的烘焙时间。

Garg等[9]基于微波及热风烘烤对松饼品质特性的影响，提出可在保证产品质量的前提下，设计出更高效的烘焙工艺，如热风烘烤与微波加热的协同。将微波与热风烘烤相结合，可在提高加热速度的同时，对水分扩散及产品品质提供更多调控途径。

目前在青稞戚风蛋糕上将微波预膨发处理与热风烘烤相结合的工艺研究较少。本文中选择高青稞粉含量(50%)的戚风蛋糕为研究对象，通过含水率和比容的变化遴选合适的微波预膨发时间，并以蛋糕完全熟化为工艺终点，探究微波预膨发结合热风烘烤对青稞蛋糕成品高度、色泽、感官、质构、内部气孔大小分布，以及空泡壁孔隙结构等品质的影响，并与单一微波熟化及热风烘焙工艺做比较，以期为微波结合热风烘焙工艺在高青稞粉含量烘焙产品中的应用提供借鉴和参考。

1 材料与方法

1.1 材料

西藏青稞粉(粒度：100目)，由咀香园健康食品(中山)有限公司提供；其它原料均为市售食品级。

1.2 仪器与设备

UKOEO E1200 E1250热风烤炉，珠海家宝德电气有限公司；M1-L213B微波炉，美的集团；5K5SS多功能搅拌机，美国厨宝Kitchen Aid公司；电子天平(准备等级VI)，上海精密科学仪器有限公司；CR- 400便携式色差仪，日本Konica Minolta公司；TA-XT2物性测试仪，英国Stable Micro System公司；VolScan Profiler Model VSP 300体积测定仪，英国Stable Micro System公司；CanoScanLiDE 120平板扫描仪，日本Canon公司；EM- 30 Plus台式扫描电镜，韩国COXEM公司；Alphal- 4Lplus真空冷冻干燥机，德国Christ公司。

1.3 实验方法

1.3.1 戚风蛋糕的制备

青稞戚风蛋糕配方及工艺参照文献[10](Kim等)并进行适当修改：先低速搅打蛋黄83.33 g、牛奶150 g和玉米油40 g制备蛋黄面糊，再中速搅打蛋清166 g和白砂糖66.67 g制备蛋白霜，最后加入青稞粉50 g、小麦粉50 g、泡打粉1.0 g和盐1.0 g到蛋黄面糊中与蛋白霜翻拌混合均匀，装模(30 g/个，模具尺寸：上底直径7 cm，下底直径6 cm，高7 cm)进行熟化处理。

分别采用单纯热风、单纯微波和微波预膨发结合热风烘烤的熟化方式，以蛋糕完全熟化且达到36%的湿基含水率为工艺终点。热风烘烤温度170 ℃，风速1.0 m/s，荷载量1.75×103J·kg-1·s-1，微波输出功率800 W，荷载量14.4×103J·kg-1·s-1。固定微波功率主要基于前期研究结果，功率过高，蛋糕内部会出现大的空泡，短时间内局部焦化明显，而功率过低，蛋糕膨发体积不稳定。为讨论方便进行编号，以M和H分别表示微波和热风处理，字母后边紧接的数字表示相应的处理时间，微波时间单位是“s”，热风时间单位是“min”。单纯热风烘烤50 min记作M0-H50，单纯微波熟化95 s记作M95-H0.微波预膨发20 s结合热风烘烤 35 min记作M20-H35。

1.3.2 湿基含水率的测定

取蛋糕充分粉碎后随机称取2.0 g，根据GB 5009.3—2016测定其湿基含水率(%)，样品平行6次。

1.3.3 蛋糕比容及高度测定

将样品迅速放置于VolScan Profiler Model VSP 300体积测定仪下，在0.5 mm激光距离下自动测量青稞戚风蛋糕的体积(mL)及重量(g)，并按图1位置测量蛋糕高度(mm)，包括HC、HC+3和HC-3，平行测定6次，蛋糕比容计算式为：

(1)

实线圆为蛋糕上底轮廓，虚线圆为蛋糕下底轮廓

1.3.4 蛋糕色泽分析

采用CR- 400色差仪测定蛋糕的上表面及内部蛋糕芯的L*、a*和b*值(L*、a*和b*值分别定义为亮值、红-绿值和黄-蓝值)，每个样品选取9个点，每组测定3个样品，蛋糕间总色差(ΔE*)的计算式为

(2)

1.3.5 蛋糕感官分析

在测试前将戚风蛋糕芯的中心部位切成3.0×3.0×3.0 cm3的立方块并进行随机编号，挑选20名经过专业培训的感官评定人员(10名男性、10名女性)，采用质地剖面检验法，以随机的呈送顺序和品评顺序对戚风蛋糕进行感官评定。其中质地剖面检验法参照Chuemchaitrakun等[11]的方法对戚风蛋糕的产品质地特性进行系统分类和描述，采用 0～15点的评分标尺，所使用的描述词汇、定义及参照物见表1。

表1 戚风蛋糕感官质构评定描述词汇、定义及参照物

1.3.6 质构剖面分析(TPA)

青稞戚风蛋糕室温冷却30 min后，采用不锈钢刀将蛋糕中心切成3.0 cm×3.0 cm×3.0 cm立方块并进行TPA测试。采用TA-XT2物性测试仪P/36R探头对蛋糕进行连续2次压缩测试，测前速度1.0 mm/s，测试速度1.0 mm/s，测后速度3.0 mm/s，压缩比50%，触发力5 g，2次压缩间隔5 s。测量指标包括硬度(N)、弹性、凝聚性、回复性及胶黏性(N)，样品平行6次。

1.3.7 蛋糕切片气孔结构分析

采用Rodríguez-García等[12]的方法对蛋糕芯进行气孔成像分析。将蛋糕横切成厚度5 mm的片状，采用平板扫描仪进行扫描，设置分辨率为600 dpi，取图像中心部位2.5 cm×2.5 cm，使用Image J软件进行图像分析，计算单位面积气孔个数CD(Cell Density，cell/cm2)及气孔表面积占有率CTAR(Cell-to-Total Area Ratio，%)，每组数据取3～4个平行样。

1.3.8 空泡壁孔隙结构分析

根据Sowmya等[13]的方法：将室温下冷却20 min的蛋糕用不锈钢刀片切成长宽高4.0 mm×4.0 mm×3.0 mm的长方体，先经正己烷脱脂，再经冷冻干燥后用导电胶固定在样品架上，使用离子溅射仪(2 min，2 mbar)对样品横截面进行喷金处理，最后在EM- 30 Plus台式扫描电镜下观察其网络结构(加速电压20 kV)，选择放大×200倍和×1000倍的视野进行拍摄。

将拍摄的× 200倍电镜照片转换为8级灰度图，并运用Image J软件对其进行黑白二值处理和孔隙分析，得出样品的空泡壁孔隙面积A(μm2)、空泡壁孔隙周长L(μm)和空泡壁等效孔隙直径D(μm)，并采用小岛法[14]对孔隙数据进行拟合计算，求出样品的空泡壁孔隙截面边界分形维数D1(见式(3))和空泡壁孔隙尺寸分布分形维数D2(见式(4))，拟合相关系数分别为R1和R2。

(3)

(4)

1.4 数据处理

测定和分析结果采用SPSS21.0、Excel2016和Origin9.1进行处理，方差分析采用新复极差分析法Duncan，取95%置信区间(P<0.05)，相关性分析采用Pearson相关系数。图片处理应用Adope Photoshop CS5 及Image J 软件。

2 结果与讨论

2.1 微波预膨发时间对蛋糕含水率的影响

蛋糕含水率直接影响产品品质及稳定性，且加工过程中水分变化速率能间接反映出面糊形态的变化(如固化或膨发等)[15- 16]。戚风蛋糕属于高蛋白高淀粉低脂肪的复杂食品体系，各组分对微波能选择性吸收。微波加热速率取决于蛋糕中各成分的介电特性及比热性质，在加热过程中各组分的比热及蛋糕温度、水分、密度都会发生变化，导致各组分间介电特性相互干扰，表现出不恒定的水分脱除模式。

如图2(a)所示，单纯微波熟化，青稞面糊含水率在处理0～20 s时基本稳定，到20～45 s稍有下降，而在45～100 s期间迅速减少。究其原因，可能是青稞面糊在微波前期(0～45 s)主要发生蛋白质、淀粉等多聚物的变性糊化，到后期(45～100 s)蛋糕结构固化，孔隙中残留游离水分较多，介质损耗因子较大，水分下降明显。

与单独微波加热的水分脱除效果不同，图2(b)显示了不同时间(0、10、20、30 s)微波预膨发结合热风烘烤对蛋糕水分的影响。随烘烤时间延长，各种组合条件下的蛋糕含水率几乎呈线性下降，且分别在热风烘烤50、40、35和30 min时含水率达到36%的同一水平，与单独微波95 s的蛋糕水分相同。微波预膨发时间越长的样品，水分下降速率越快，表明青稞面糊在经微波处理后，乳清蛋白都发生了不同程度的交联固化，从流体态逐渐向半固体态转变，内部气孔膨大，导致热气流与蛋糕接触面增大，脱水加快。

(a)单纯微波处理下青稞戚风蛋糕湿基含水率的变化

(b)微波预膨发不同时间的蛋糕在热风烘烤时湿基含水率的变化

2.2 微波预膨发时间对蛋糕比容的影响

比容是评价蛋糕质量的重要特性，其变化可以反映出蛋糕气孔膨大或收缩的状态[17]。如图3(a)所示，蛋糕在微波0～20 s比容迅速上升，在20～45 s变化不明显，而在45～100 s上升显著。结合图2中水分的变化，可以解释：青稞面糊吸收的微波能在微波前期(0～20 s)主要用于气孔的增长，在20 s面糊体积达到最大，进行至微波中期(20～45 s)时其体积发生稍微收缩，而在微波后期(45～100 s)，水分急剧减少，从而导致蛋糕比容迅速增加。不同的是，经微波预膨发的蛋糕在热风烘烤中比容呈先上升后下降再平缓的趋势(图3(b))，同Whitaker等[18]采用高度剖面法测试的规律相似，这可能是在热风烘烤后期，蛋糕表层硬壳形成，使得内部膨发受阻，不利于比容增加。

(a) 单纯微波处理下青稞戚风蛋糕比容的变化

(b)微波预膨发不同时间的蛋糕在热风烘烤时的比容变化

综上所述，基于蛋糕烘烤过程中的水分含量和比容变化，遴选一个合适的微波预膨发结合热风烘烤工艺，其原则是蛋糕终点产品能保持足够的膨胀度和良好稳定的组织结构。未经微波处理或处理只有10 s的青稞面糊，预膨发体积不足，分别在热风烘烤25 min和20 min时比容发生下降，到达熟化终点时体积已明显收缩。若是微波预处理时间达到或超过30 s，虽然面糊体积迅速增大，但表面已产生严重的起泡现象。而微波预膨发20 s配合热风烘烤35 min，达到熟化终点的同时仍能维持比容在较高水平，蛋糕内部空泡结构收缩也不明显。因此选择微波预膨发20 s结合热风烘烤35 min(即M20-H35)作为优选组合，同时与单纯微波和单纯热风处理进行比较，进一步探讨青稞戚风蛋糕在不同烘烤条件下的品质变化。

2.3 不同烘烤工艺对蛋糕膨发高度的影响

蛋糕的高度差异反映蛋糕表层轮廓的变化。如图4所示，3种加工方式的蛋糕轮廓具有显著差异(P<0.05)。从蛋糕的轮廓数据及实物图可看出：M0-H50的HC高于H+3和H-3，M20-H35的HC、H+3和H-3较为接近，M95-H0的HC明显低于H+3和H-3，说明M20-H35表面轮廓较平，虽无M0-H50顶端凸起的形貌，但一定程度上也改善了M95-H0由于微波“棱角效应”引起的顶端凹陷轮廓。

1)柱状图中的竖线代表正负标准差，同一指标上标字母不相同表示差异显著(P<0.05)，字母相同表示差异不显著(P>0.05)；2)A：M0-H50，B：M20-H35，C：M95-H0

2.4 不同烘烤工艺对蛋糕色泽的影响

在焙烤中氨基酸和还原糖引起的美拉德反应，以及糖脱水降解引起的焦糖化反应形成蛋糕皮的色泽[19]。表2中，随微波时间增加，蛋糕皮L*值增加，a*值降低，同时 M95-H0的ΔE*值最大，b*值最小。原因是M95-H0表面温度不足以产生进一步的褐变和颜色变化，导致蛋糕皮明亮程度增加，色泽偏绿，类似的结果Bilgen等[20]也有报道；另一方面，在3种工艺中微波处理的时间越久，蛋糕芯的L*、a*、b*和ΔE*值越大，与蛋糕皮的a*值差异表现出相反趋势。这是由于微波能够穿透蛋糕内部，避免了M0-H50由于面糊气囊结构所引起的隔热问题[21]，使蛋糕内部快速达到蛋白变性的温度，同时引起褐变反应增强。

表2 不同烘烤方式对青稞戚风蛋糕色泽的影响

2.5 不同烘烤工艺的感官评定结果

如图5所示，相比于M0-H50、M20-H35的弹性、易嚼性和压缩性评分无明显差异，粘聚性、柔软度评分更高，而湿润感、残余颗粒及粗糙度评分更低，说明M20-H35有利于改善M0-H50的粗糙感及湿黏性。这可能是青稞面糊中含有较高的可溶性β-葡聚糖，在M0-H50中表现出较高胶凝性和增黏性，而一定程度的微波处理能改变β-葡聚糖结构，进而影响其在蛋糕中的功能特性[22- 23]，同时M0-H50和M20-H35较高的压缩性及弹性评分反映了其具有较为致密的气孔分布和更具韧性的孔壁结构。另外，在易嚼性及柔软度评分上M95-H0较高，在湿润感及残余颗粒评分则较低，表明M95-H0质地较为坚硬，口感较干，咀嚼颗粒感较弱。一方面可能是M95-H0脱水速率快，淀粉颗粒吸水溶胀时间短，颗粒表面仍暴露较多的羟基，蛋糕吸水性增加；另一方面也可能是长时间微波处理促使青稞粉中难溶性膳食纤维溶解。蛋糕颗粒感变弱[24]。

图5 不同烘烤方式下戚风蛋糕质地感官评价结果

2.6 不同烘烤工艺对蛋糕质构的影响

从表3可知，M0-H50与M20-H35在回复性和凝聚性上无显著差异，但都显著高于M95-H0(P<0.05)，这可能与蛋糕气孔结构相关。弹性是评价戚风蛋糕品质特性的重要指标。M95-H0的弹性显著低于M0-H50和M20-H35，与感官评价的弹性评分一致，说明微波处理会一定程度降低青稞戚风蛋糕结构的弹性性能。另外，随微波时间增加，蛋糕硬度及胶黏性显著增加(P<0.05)，一方面是在微波加热中，蛋糕升温速率快，自由水流失严重，淀粉糊化不充分，同时促进支链淀粉之间或与直链淀粉发生交联聚合[25]，另一方面可能是经微波处理的青稞淀粉，老化特性受到影响[25]，在冷却过程中结构强度增大。

表3 不同烘烤方式对青稞戚风蛋糕质构的影响

2.7 不同烘烤工艺对蛋糕气孔结构的影响

蛋糕的CD值反映单位面积中多孔结构的数量，而CTAR值指蛋糕单位面积中多孔表面积所占份额，CD/CTAR可进一步反映蛋糕的气孔分布均匀性，CD/CTAR 越大，蛋糕内部组织结构越好[12]。由图6可看出，M20-H35和M0-H50气孔较小且分布均匀，而M95-H0内部孔洞不规则，均匀性较差。这是由于M95-H0的微波处理强度高，而配方中油脂含量较低，致使气泡在蛋糕结构形成中易膨胀破裂[26]，进而形成不规则或不均匀的气孔。

从图6中CD值差异(M20-H35 > M0-H50 > M95-H0)和CTAR值差异(M95-H0> M20-H35 >M0-H50)可看出：M20-H35气孔稠密度最高，M95-H0最低，气孔表面积占有率随工艺中微波加热时间增加而增加。通过对比CD/CTAR差异(M0-H50 ≈ M20-H35> M95-H0)进一步验证了M0-H50、M20-H35和M95-H0在气孔结构成像图中呈现的气孔差异，表明M95-H0的水分快速蒸发使组织粗糙，气孔稠密度及分布均匀性下降，而M20-H35能有效避免上述问题。

2.8 不同烘烤工艺对内部空泡壁结构的影响

从蛋糕芯×200倍(图7(A1)、(B1)和(C1))和×1000倍(图7(A3)、(B3)和(C3))SEM图看出，M20-H35和M95-H0皆存在明显裸露的游离淀粉颗粒，凝胶孔隙结构疏松分散，成蜂窝状，M95-H0尤其明显。M0-H50凝胶网状结构错落有致，淀粉颗粒几乎包裹于蛋白基质中，蛋白薄膜平滑无明显孔洞分布。这是因为M0-H50的热源由外向内，使淀粉聚合物链间氢键断裂，外壳弱化变形，成薄片状(图7(A3))，Turabi等[27]亦发布了相似研究结果。而对于微波处理，是内外同时加热。淀粉粒从中心凹陷，并发生急剧破裂，微波时间越长，破裂程度越高。

1)柱状图中同一指标上标字母不相同表示差异显著(P<0.05)，字母相同表示差异不显著(P>0.05)；2)A：M0-H50；B：M20-H35；C：M95-H0；3)A、B、C的下标1：表示平板扫描图；下标2：表示经黑白二值处理(气孔扫描，黑色代表气孔)

如表4所示，运用分形理论对孔隙数据进行线性回归分析，相关系数均在0.90以上，说明M0-H50、M20-H35和M95-H0空泡壁孔隙结构都存在明显分形特征。其中M0-H50与M20-H35的A、L和D值无显著差异(P>0.05)，但都显著低于M95-H0，反映M95-H0具有更为疏松的空泡壁结构。D1是表征空泡壁孔隙形状规则程度的物理量，D1越大，孔隙截面形状越不规则；D2反映空泡壁孔隙尺寸分布的均匀程度，D2越大，孔隙尺寸分布越不均匀。从表4中3种蛋糕的D1值差异(M95-H0>M20-H35>M0-H50)和D2值差异(M95-H0>M0-H50>M20-H35)可以看出：随着工艺中微波处理时间的增加，蛋糕空泡壁孔隙截面形状规则程度显著降低，M20-H35具有改善青稞戚风蛋糕空泡壁孔隙分布均匀性的优点。

A、B、C的下标1表示放大200×的显微图；下标2表示黑白二值处理(放大200×)；下标3表示放大1000×的显微图

表4 不同烘烤方式对青稞戚风蛋糕空泡壁微观孔隙结构的影响

3 结论

在单纯微波(800 W)处理条件下，随时间延长，青稞面糊含水率呈现稳定(0～20 s)→略有下降(20～45 s)→快速降低(45～100 s)的变化趋势，在20 s时膨发体积最大。微波预膨发结合热风烘烤，样品的预膨发时间越长，在随后热风烘烤中水分下降速率越快。预膨发过快(如10 s)会致使面糊膨胀度不足，在熟化终点前明显收缩，而过久(如30 s)则可能产生严重的表层起泡。综合优选出微波预膨发20 s配合热风烘烤35 min的工艺组合(M20-H35)，在达到熟化终点时仍能使蛋糕保持较大比容，内部空泡结构的收缩也不明显。与单纯热风(170 ℃，50 min)和单纯微波(800 W，95 s)工艺相比，M20-H35组织细腻、气孔稠密度高且分布均匀，一方面有利于改善单一热风烘烤蛋糕的比容、粗糙感及内部粘稠性，另一方面提升了微波熟化蛋糕在外观、色泽、质地、口感、气孔均匀性及空泡壁孔隙分布均匀性等方面的品质。微波预膨发结合热风烘烤工艺在富含青稞粉的蛋糕类等烘焙产品中具有广阔的应用和发展前景。