无麸质玉米馒头配方优化及影响因素分析

苏孟开,罗登林,2,3*,徐云凤,2,3,李佩艳,2,3,向进乐,2,3,徐宝成,2,3,黄继红,张康逸

1(河南科技大学 食品与生物工程学院,河南 洛阳,471023)2(河南省食品原料工程技术研究中心,河南 洛阳,471023) 3(河南省食品绿色加工与质量安全控制国际联合实验室,河南 洛阳,471023) 4(河南工业大学 生物工程学院,河南 郑州,532927)5(河南省农业科学院农副产品加工研究中心,河南 郑州,450008)

麸质是存在于小麦、黑麦及大麦等谷物中的一类水不溶性蛋白复合物。在面制品制作过程中,麸质的存在有助于面团的形成,增加其弹性和韧性,提高发酵面制品的品质。但大量研究表明,饮食中麸质的存在会导致麸质过敏,包括乳糜泻、非乳糜泻的小麦敏感和过敏等病症[1]。近年来,无麸质食品逐渐成为人们关注的热点,它是指不含麸质或麸质含量不超过0.002%的食物。在欧美市场已出现了各种无麸质食品,包括面包、饼干、意大利面、蛋糕、小松饼等。目前我国关于这方面的研究还处于起步阶段。馒头作为我国的主食之一,其制作过程依赖于小麦面粉中的面筋蛋白(麸质),易引发麸质过敏症状。

目前,国内外关于无麸质馒头的研究很少,绝大多数报道集中于无麸质面包和面条。在无麸质面包研究方面,CHAKRABORTY等[2]探索了以小米粉为原料制作无麸质面包过程中不同亲水胶体的影响,认为黄原胶是适合制作无麸质面包的亲水胶体之一。研究发现,在以玉米粉为原料制作的无麸质面包中,与较细的玉米粉相比,使用较粗的玉米粉制作的面包体积更大、硬度更低[3]。还有一些文献探讨了以碎米粉、荞麦、红薯淀粉等为原料制作无麸质面包的可行性,分析了阿拉伯胶、瓜尔豆胶、果胶等亲水胶体对面包品质的影响[4-6]。在无麸质面条研究方面,JAVAID等[7]和GASPARRE等[8]分别研究了以马铃薯淀粉和虎子仁粉等为原料制作面条的工艺。而馒头的生产方法与面包和面条显著不同,面包制作过程中的高温焙烤工艺有利于面团气室的膨胀和面包体积的增大,面条的生产因没有发酵过程因而不关注产品的气孔和体积变化。馒头的生产因采用蒸制方法,所需温度(100 ℃)比面包焙烤温度(170～210 ℃)低。因此,由于无麸质馒头中缺少面筋蛋白,要使其具有均匀、致密和多孔疏松的内部结构要困难得多。目前这方面的研究欠缺,仅见有以马铃薯淀粉、碎米等为原料的相关报道[4,9]。

玉米粉作为一种主要粮食,来源广泛,价格低廉,营养组成与面粉相似,由于其不含麸质,所以在用作无麸质食品生产的主要原料方面具有明显的优势；而菊粉作为目前应用最广的膳食纤维,除了具有许多突出的生理功能外,还可作为一种优良的食品品质改良剂。本研究以全玉米粉为主要原料,探讨了添加菊粉、羟丙基甲基纤维素(hydroxypropyl methylcellulose,HPMC)、黄原胶(xanthan gum,XG)制作无麸质馒头的可行性,详细分析了它们对馒头品质的影响规律,在此基础上采用响应面法对配方进行了优化,以期为富含膳食纤维的无麸质馒头的生产提供指导,最终开发出适合我国人民消费习惯的营养健康主食。

1 材料与方法

1.1 材料

玉米面粉(过80目筛,蛋白质含量为14.0%、水分含量≤14.5%、灰分含量≤3%),河北康冉创鑫生物科技股份有限公司；活性干酵母,安琪酵母股份有限公司；HPMC(纯度≥99%),浙江安详生物科技有限公司；XG(纯度≥99%),淄博中轩生化有限公司；天然菊粉(聚合度2～60,纯度≥86%),比利时CosucraGroupe Warcoing S.A.公司；白糖粉(过80目筛),洛阳大张超市。

1.2 仪器与设备

HM740型和面机,青岛汉尚电器有限公司；TQ-15型发酵箱,广州拓奇厨房设备有限公司；TA.XT Express物性分析仪,英国SMS公司；Minolta CR-400色差计,日本美能达公司。

1.3 实验方法

1.3.1 无麸质馒头的制作

在前期预试验的基础上,确定无麸质馒头的基础配方：全玉米粉200 g、干活性酵母3 g、白糖粉4 g。各试验组中菊粉、HPMC、XG和水分的设计配方见表1,其中各成分添加量均以全玉米粉的质量为基础。对照组无麸质馒头的配方：全玉米粉200 g、水159 mL、酵母3 g、糖粉4 g,制作方法与试验组相同。

表1 无麸质馒头的配方设计组合 单位：%

无麸质馒头的具体制作方法：将全玉米粉、菊粉、HPMC和XG混合后充分混匀,将酵母及糖粉倒入盛有37 ℃蒸馏水的烧杯中,用玻璃棒充分搅匀后与上述混合粉一同倒入和面机的搅拌器内,选择1档搅拌速度搅拌7 min。将搅拌好的面团放入发酵箱中进行第一次发酵,发酵条件为：发酵温度37 ℃,相对湿度83%,时间40 min。第一次发酵完成后取出,将面团(110 g)揉成馒头状放入蒸笼中,然后将蒸笼放入发酵箱中在相同的温度和相对湿度下进行第二次发酵,发酵时间为10 min。第二次发酵完成后直接将蒸笼放入沸水锅上,蒸制30 min后取出馒头并用纱布将其盖住,在室温下冷却1 h后进行各项分析测试。

1.3.2 比容的测定

无麸质馒头的比容为馒头体积与质量的比值。参考国标GB/T 21118—2007《小麦粉馒头》,采用油菜籽置换法测量其体积,用天平测得馒头质量(精确至0.01 g),试验重复测量3次,取平均值,计算其比容。

1.3.3 高径比的测定

馒头的高度和底部直径采用游标卡尺测量,每项指标在不同位置测量3次,取平均值,计算出无麸质馒头的高径比。

1.3.4 物性分析仪测定

参考吴若言等[10]的方法。在无麸质馒头中心处切取边长为2 cm的立方体,用P75探头对样品进行2次压缩试验。试验条件：压缩比60%、测前速度1 mm/s、测后速度1 mm/s、间隔时间5 s、触发力5 g。2次压缩完成后可得TPA曲线,通过该曲线计算馒头的硬度、弹性及凝聚性等参数。

1.3.5 色差的测定

在无麸质馒头芯部取约0.5 cm厚度的馒头块,使用Minolta CR-400色差计进行无麸质馒头色差的测定,并用CIE L*a*b*表色系统对无麸质馒头色差进行评价。每次测量无麸质馒头前用黑板与白板对色差仪进行系统校正。

1.3.6 馒头的综合品质评价

采用综合加权评分法评价馒头的品质,方法参考文献[10]。以硬度、弹性、高径比、比容及凝聚性这5项数据作为加权评分的相关因子,赋予权重分别为40%、20%、20%、10%和10%。其中,硬度权重取负值,其他均为正值。各指标标准值及综合加权评分分别按公式(1)(2)计算：

综合加权评分=w1y′1+w2y′2+…+wiy′i

(1)

(2)

式中：wi,各指标的权重；y′i,各标准值；yi,各指标测得值；yimax,同一指标中的最大值；yimin,同一指标中的最小值。

1.3.7 数据处理与分析

利用Excel 2016对试验数据进行处理,借助SPSS 17.0软件对试验数据进行显著性分析,并采用Duncan检验,显著性差异设为P<0.05。利用Design-Expert软件进行Box-Behnken响应面设计,并进行回归方程的检验和响应面分析。

2 结果与分析

2.1 菊粉对无麸质馒头品质的影响

表1中1～7组试验考察了不同菊粉添加量对无麸质馒头品质的影响,结果见表2。随着菊粉添加量的增加,无麸质馒头的硬度显著下降。当菊粉添加量达10%时,无麸质馒头的硬度达最小值3.89,是对照组硬度的47.8%。这与我们前期发现在由小麦面粉制成的馒头中,菊粉的添加会导致其硬度显著增加(增加了119.0%)的结果相反[11]。其原因可能是两者的体系不同,在由小麦面粉生产的馒头中,麸质(面筋蛋白)形成的面筋网络结构赋予了面团和馒头特有的黏弹性；而玉米面粉中由于不含麸质,在和面过程中不能形成面筋网络结构,其面团如果不添加其他物质(如一些胶体)则黏弹性很差,不易成团和成型,经发酵后生产出来的馒头紧实,气孔少,硬度大,口感差(见图1)。

表2 菊粉对无麸质馒头品质的影响Table 2 Effect of inulin on the quality of gluten-free steamed breads

a-对照组；b-优化组图1 无麸质馒头对照组与优化组的剖面图Fig.1 Profiles of blank and optimized groups of gluten free steamed breads

当在小麦面粉中添加菊粉后,菊粉起到类似小麦淀粉的填充作用,所生产的馒头在冷却过程中易于老化结晶,导致其硬度会增加[11]。而对于由玉米面粉形成的面团,添加的菊粉能与其他亲水胶体(HPMC、XG)间相互作用形成凝胶网络结构,使生产出的馒头具有疏松多孔性的结构。另外菊粉还具有黏聚作用和持水作用,能增强面团的黏结性,延缓产品的失水速率和货架期。研究发现,菊粉具有很强的吸湿性和保湿性,能通过氢键与环境周围水分发生强烈的结合,导致水分子的流动性下降,从而降低了产品的水分活度并延缓了水分蒸发过程[12]。而与水结合后的菊粉在面团的发酵和蒸制过程中失去了分子的致密性和刚性,形成了柔软的凝胶,引起产品硬度下降[13-14]。另外,玉米面粉的发酵性较差,菊粉的加入可以为其面团体系提供一定的糖源(低聚糖和单糖),促进酵母的生长繁殖,增加总产气量,进而增大了馒头的体积和多孔性,使其变得更加松软[3,15-16]。

菊粉对无麸质馒头的弹性影响不显著。结合表3～表5可以发现,菊粉、HPMC和XG对无麸质馒头的弹性影响均不显著。面团及馒头的弹性主要取决于和面过程中二硫键生成的多少,因为生成的二硫键能形成有序的纤维状大分子聚合体,聚合体的体积越大,分子间就越难发生相对滑移,面团的弹性也就越大[17]。由于玉米面粉中不含面筋蛋白,在和面过程中蛋白质分子间(内)不能生成二硫键或生成的很少,所制备的面团和馒头的弹性比由小麦面粉制备的显著下降。对于菊粉、HPMC和XG类多糖物质,分子间或分子内也不会形成二硫键,因而其加入不会影响到玉米面团中二硫键的生成,因此3者的加入对由玉米面粉制备的面团及馒头的弹性影响不显著。

随着菊粉添加量的增加,馒头的比容呈逐渐增大趋势,当菊粉添加量为10%时,馒头的比容达到最大值(1.58 mL/g),与对照组相比增加了14.5%。馒头的高径比随菊粉添加量的增加呈先增加后减小的趋势,当菊粉添加量为8%时达到最大值1.25,与对照组相比增加62.3%。这些都与适量菊粉的添加有利于提高面团的发酵特性有关,但添加过量的天然菊粉时,由于其含有较高的低聚糖和单糖,会导致面团发酵速度过快,在短时间内产生大量CO2气体,其中部分CO2会冲破面团体系而逸出,引起产品体积的下降。菊粉的加入也有利于提高馒头的凝聚性,当菊粉添加量为6%时，凝聚性达最大值0.59,与对照组相比提高了17.3%。根据综合加权评分值来看,当菊粉的添加量为10%时,无麸质馒头的综合评分最高43.43。

2.2 XG对无麸质馒头的影响

表1试验组8～13考察了XG对无麸质馒头相关品质的影响,结果见表3。随XG添加量的增加,无麸质馒头的硬度呈现先减小后增大的趋势。当XG的添加量为1.00%时,无麸质馒头的硬度达到最小值4.36,与对照组相比,硬度减小了27.81%。XG是一种微生物阴离子多糖,在无麸质面团制作过程中,它可以通过氢键和静电作用与全玉米粉中的淀粉、蛋白质等相结合,进而改善无麸质馒头面团的发酵特性[18]。由于XG的三糖侧链与主链平行能形成“棒状”结构,其在无麸质馒头中可填充到膨胀的淀粉三维网状组织中形成膜壁[19]。所以当添加适量XG时,可以改善无麸质面团的结构,促进面团网状结构的形成和维持。但是当添加量过多时,由于其结构特性,XG会增加面团的密度,使无麸质馒头的硬度增加。XG含量的增加对无麸质馒头的弹性影响不显著,但在一定程度上增加了无麸质馒头的凝聚性。这可能是因为XG分子的侧链存在2个带有负电的羧基,这些羧基与水和淀粉间形成氢键,生成刚性凝胶,因此添加XG的无麸质馒头面团更具黏性,但对弹性没有显著影响[2,20]。另外,XG还可以抑制相分离以及由重力所引起的分层,提高面团体系的稳定性[2,20]。

表3 XG对无麸质馒头的影响Table 3 Impacts of XG on gluten-free steamed bread

XG的添加显著增加了无麸质馒头的比容和高径比。当XG的添加量为1%时,无麸质馒头的比容和高径比均达到最高值(1.47和1.13 mL/g),与对照组相比,分别增加了14.84%和48.68%。由于XG具有双螺旋和多螺旋结构,其加入会促进凝胶基质的形成,有利于提高面团的持气性,进而增加无麸质馒头的中空结构和孔隙率,增加其比容和高径比[2,14,21]。另外,XG可以抑制相分离以及由重力等引起的分层,提高面团体系的稳定性[20]。因此,添加一定量的XG有利于降低无麸质馒头的硬度和改善内部结构的多孔性[7,14,19]。当XG添加量为1%时,无麸质馒头的综合加权评分值最高(58.1)。

2.3 HPMC对无麸质馒头的影响

表1试验组14～18考察了HPMC对无麸质馒头相关品质的影响,结果见表4。HPMC对无麸质馒头硬度的影响与XG的影响相似。当HPMC的添加量为0.5%时,无麸质馒头的硬度达到最小值4.97。与对照组相比,无麸质馒头的硬度下降了21.11%。HPMC作为一种亲水胶体,具有良好的持水性和凝胶特性,即使其添加量很低也会显著影响无麸质面团的流动特性,通过提高体系的黏度、絮凝性和聚结性等方面而增强面团的持气性[22-23]。随着HPMC添加量的进一步增加,它们会在淀粉颗粒周围不断聚集,与淀粉分子竞争水分[9]。有研究表明,当玉米醇溶蛋白暴露于亲水的环境中时,其构象将变得更为紧密,由于HPMC的亲水性比玉米醇溶蛋白强,它会降低玉米醇溶蛋白中α螺旋结构所占比例,增加未展开结构的含量,从而增加了面团的致密结构,导致无麸质馒头的硬度开始增加[8-9]。

表4 HPMC对无麸质馒头的影响Table 4 Effects of HPMC on gluten-free steamed bread

与XG相似,HPMC的添加显著增加了无麸质馒头的凝聚性,但是对无麸质馒头的弹性影响不显著。这是因为全玉米粉本身的黏聚能力较差,加入的HPMC能与淀粉、蛋白质、水等发生相互作用而增加了面团的黏度与凝聚性[24]。另外,全玉米粉中分散的直链淀粉与HPMC之间相互作用会增加无麸质面团体系糊化后的黏度[22,25]。当HPMC的添加量为0.5%时,无麸质馒头的凝聚性达到最大值(0.48),随着HPMC添加量的进一步增加,馒头的凝聚性有所下降,但下降趋势不明显(P<0.05)。

HPMC的添加对无麸质馒头的比容和高径比没有显著影响。综合加权评分结果显示,当HPMC添加量为0.5%时,所得无麸质馒头的综合加权评分值最高36.73。吕秋冰等[4]的研究显示,随HPMC的增加,无麸质碎米馒头的比容、弹性和咀嚼性呈先升高后降低的变化趋势,且均在HPMC添加量为3.5%时出现峰值。试验结果不同可能是由制作馒头的原料不同所引起的。

2.4 水分对无麸质馒头品质的影响

表1试验组19～24考察了水分对无麸质馒头品质的影响,结果见表5。随着水分含量的增加,无麸质馒头的硬度逐渐下降,并在82.5%时达最小值3.79。与水分含量较低(70.5%)的馒头相比,硬度减小了39.17%。这可能归因于3个方面的原因：其一,当面团含水量较少时,酵母生长不充分,面团发酵不彻底,导致无麸质馒头的硬度较大,当水分含量适宜时,有利于酵母的生长繁殖,面团发酵充分,馒头硬度降低[26]；其二,由于无麸质馒头的主要原料是淀粉,所以淀粉的糊化也会对馒头的质量产生显著影响,只有当充足的水分存在时,淀粉的糊化才彻底[23]；其三,当面团体系中的水分含量合适时,菊粉、HPMC和XG与全玉米粉中的蛋白质、淀粉之间相互作用形成的三维网状结构更加稳定,面团的持气性更好,但当水分含量过多时,这种稳定结构会被削弱,导致无麸质面团结构发生塌陷,硬度增加[14,27]。

表5 水分对无麸质馒头品质的影响Table 5 Influence of moisture on gluten-free steamed bread

随着水分含量的逐渐增加,无麸质馒头弹性显著性增大。当水分含量达82.5%时,此时馒头的弹性是水分含量为70.5%时的1.29倍；随水分含量的进一步增加,弹性变化不显著。研究发现,玉米醇溶蛋白的黏弹性与β-折叠二级结构的形成有关,在亲水性的溶液体系中,随含水量的增加玉米醇溶蛋白的α-螺旋结构减少,无规卷曲和β-折叠结构增加,从而能增加面团体系的黏弹性[28]。当水分含量为82.5%时,无麸质馒头的比容达到最大值1.44 mL/g,与较低含水量(70.5%)的馒头比容相比增加了13.4%。但是,随着水分含量的进一步增加,无麸质馒头的高径比呈现逐渐减小的趋势。这是因为面团的含水量过高则在其发酵过程中容易出现明显的塌陷,导致面团的立体挺立状态下降,馒头的高径比减小。由表5可知,当水分添加为82.5%时,无麸质馒头的综合加权评分值达到最大值49.24。

2.5 响应面结果与分析

根据上述试验结果,将菊粉、HPMC、XG和水分含量设为自变量,每个自变量以综合加权评分值最高的水平为中心,确定3个水平,采用Box-Behnken方案设计,综合加权评分值设为响应值并进行响应面优化。响应面的编码值以及响应面优化的试验方案和结果分别见表6和表7。

表6 响应面水平编码值表Table 6 Independent variables and respective coded levels

表7 响应面优化方案及响应值Table 7 Response surface optimization scheme and response values

利用Design-Expert软件对表7中的响应值进行多元回归拟合,可以得到无麸质馒头综合加权评分(Y)对菊粉(A)、XG(B)、HPMC(C)以及水分含量(D)的回归方程,如公式(3)所示。对该回归方程进行方差分析,结果如表8。

(3)

Y=32.38+6.4×A+4.32×B-4.52×C-6.4×D-5.01×A×B+3.03×A×C-9.71×A×D+3.09×B×C+5.69×B×D-4.38×C×D-17.26×A2-8.1×B2-7.48×C2-2.39×D2

根据表8,模型的P值<0.001,可知该模型有效。F值为10.59,失拟项P值为0.061 3(P>0.05),表示为不显著。模型的负相关系数为0.913 7,说明仅有约9%的测量数据无法用该模型解释。另外,由表8可知,在响应面优化试验中,根据方差分析结果可知,菊粉、XG、HPMC及水分对无麸质馒头品质的影响大小为：菊粉=水分>HPMC>XG。利用Design-Expert软件进一步对多元回归方程进行优化分析,最终得到利用菊粉、HPMC、XG和不同水含量制作玉米面无麸质馒头的优化配方：菊粉添加11.01%、XG添加0.92%、HPMC添加0.51%、水分添加79.5%。

2.6 模型的验证与结果分析

根据响应面的模型优化结果进行试验验证,当菊粉添加11.01%、XG添加0.92%、HPMC添加0.51%、水分添加79.5%时,模型预测值为40.62,实际测得综合加权评分为39.70,误差为2.32%,表示该回归模型具有一定的可靠性。

表9为对照组与优化组无麸质馒头在质构、色差、高径比及比容等方面的差别。由图1可知,对照组馒头中间产生了明显的沟壑状孔洞,而优化组馒头中间的气孔结构均匀且丰富。这可能是因为对照组面团在发酵时由于缺乏面筋网络结构,持气性和延伸性差,面团无法包裹气体,生产出的无麸质馒头紧实疏松感差；而优化组馒头由于菊粉、HPMC和XG三者间可形成类似面筋的凝胶网络结构,赋予了面团在发酵时良好的持气性,生产出的无麸质馒头与由小麦面粉生产的馒头质地相似。由表9可知,与对照组馒头相比,优化组馒头的硬度下降了17.8%、弹性增加了31.67%、凝聚性增加了136.36%、比容增加了44.04%。色差测定结果显示,优化组馒头(L*值为67.94)比对照组馒头(L*值为60.60)具有更高的亮度,且优化组馒头(b*值为47.47)比对照组馒头(b*值为36.78)具有更高的黄度,表面更加鲜亮光滑。

表9 无麸质馒头对照组与优化组结果对比Table 9 Comparison of blank and optimization results of gluten free steamed bread

3 结论

研究发现,以玉米面粉为主要原料,辅以菊粉、HPMC和XG等辅料制作无麸质馒头是可行的,所生产的无麸质馒头外表呈亮黄色,表皮光滑,内部具有疏松多孔的结构,与由小麦面粉生产的馒头质地相似。无麸质馒头的硬度随菊粉添加量增加呈逐渐下降的趋势,随HPMC和XG的增加呈先减小后增大的趋势,3者的添加对其弹性影响均不显著。与不加菊粉相比,添加10%菊粉的无麸质馒头的硬度减小了52.15%,比容增加了14.49%,高径比增加了61.04%；与不添加HPMC的样品相比,添加0.5%HPMC的无麸质馒头的硬度减小了21.11%,凝聚性增加了39.39%；随着XG含量的增加,无麸质馒头的凝聚性也逐渐增大；添加一定量的水分可以显著增加无麸质馒头的弹性,降低其硬度,当水分从70.5%增加至82.5%时,无麸质馒头的弹性增加了20.9%,硬度减小了39.17%。当在玉米粉中添加菊粉11.01%、黄原胶0.92%、HPMC 0.51%、水分79.5%时,所制得的无麸质馒头综合加权评分最高,具有较高的接受度,且富含菊粉膳食纤维。