柑橘纤维对面团特性及面包品质的影响

黄梦凡,温纪平*,展小彬

1(河南工业大学 粮油食品学院,河南 郑州,450001)2(河南工业大学小麦理论与技术研究所,河南 郑州,450001) 3(国家小麦加工技术研发专业中心,河南 郑州,450001)

许多与饮食相关的疾病的风险程度可通过高膳食纤维饮食的摄入来降低,例如肥胖、高血压、心血管疾病和胃肠道疾病等现代常见疾病。水果副产品已被证实含有高含量的膳食纤维,因此水果类膳食纤维的研究与开发近几年逐渐丰富起来。柑橘是世界三大加工作物之一,约有33%用于加工成各种柑橘类食品[1],而柑橘食品加工过程中产生的果肉皮渣废弃物占比高达30%～50%[2],直接废弃会对生态环境有一定破坏。学者们在不同领域进行了多项努力,将柑橘废料作为肥料、饲料成分、多种化合物等的提取来源。同时,柑橘废料也被认为是生物活性化合物的潜在来源,例如膳食纤维及抗氧化物质等[3]。

而目前,大众对膳食纤维的摄入量不足且种类单一,易引起膳食纤维缺乏,为防止居民饮食过于精细化,进而导致疾病,因此添加谷物麸皮粉[4]、果蔬粉[5]、麦麸膳食纤维[6]等制成膳食纤维食品已成为潮流。韩畅等[4]发现当苦荞麸皮粉添加量<10%时,馒头才具有较好的品质,但整体硬度偏高;JUNEJO等[5]发现菠菜粉的加入丰富了面包的功能和营养特性,但面包的感官品质下降;MA等[6]通过添加麦麸膳食纤维发现,不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber,IDF)会引发发酵面团气体逸散,从而造成馒头比容降低,硬度变大。可以发现,上述物质的添加导致面包品质变化,可能是由于IDF含量较高。根据MARTNEZ等[7]的研究可知,不同纤维组分对面团性质影响不同,IDF组分会导致面团硬度增强,但可溶性纤维(water-soluble dietary fiber,SDF)的存在会改善面包的物理化学特性,使面包具有更大的体积,硬度降低。因此为减少对面团质地的不利影响,通常进行纤维改性手段来达到软化IDF、增加SDF的目的[8]。而从柑橘果皮渣中提取出的柑橘纤维(citrus fiber,CF)是一种天然性的食品原料,富含IDF与SDF,且其SDF含量远高于其他膳食纤维。目前市面上膳食纤维食品的制备大多是添加谷物麸皮,就以谷物麸皮为例,谷物类纤维中SDF含量无法与CF比拟,比如柑橘类果渣中SDF最低含量也是谷物麸皮的20倍之多[9],因此在同样为高膳食纤维食品研发的目的下,CF既省去了繁琐复杂的改性手段,且其添加对于焙烤食品品质劣变影响可能更小。同时SDF在促进肠道消化,预防高血糖、高血脂及糖尿病等“富贵病”方面具有显著功效[10],因此CF比谷物膳食纤维具有更好的生理功能。所以,谷物膳食纤维虽比CF更频繁地被摄入,但CF可作为新型潜在生物活性物质用于食品改良研究。

谷物类产品,尤其是面包,近几年成为越来越重要的主食产品,同时是丰富营养成分载体的不二之选。利用柑橘加工后果渣废弃物开发出的CF应用于面包中,果渣资源既充分利用,又潜移默化中增加了日常膳食纤维的摄入,提升食品营养价值,有利于人体生命活动,满足国内外市场现状,一举多得,应用前景广阔。国外部分学者已将CF应用于焙烤食品中。YILMAZ等[11]研究发现含有橘子籽纤维饼干的抗氧化能力和酚类成分显著较高,对人体健康具有潜在的积极作用;SPINA等[12]首次对添加CF生产膳食纤维强化全硬粒小麦面包的可能性进行了研究,添加2%的CF可以生产出类似于对照面包品质的小麦全硬面包,不仅赋予面包柑橘风味,而且可有效提升面包贮藏期;OCEN等[13]研究发现CF对冷冻面团的体积变化影响不显著,但面包的硬度在增加。由于在整个面包制作过程中,面团受到压力和变形,面团的流变特性与最终产品质量密切相关,但目前国内外关于CF对小麦面团加工性能作用机制的研究鲜有报道,本研究将不同添加比例(质量分数)CF添加于小麦粉,研究CF对混合粉面团特性的影响变化,阐明CF对小麦面团加工性能的作用机制,探究面包品质变化的原因,为CF的应用研究及CF面包的研究开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

CF(以柑橘果皮为原料,经过预处理、干燥等特有的专利技术,通过酸提法提取纤维;纤维特征参数如表1所示),河北乐檬生物有限科技公司;高筋小麦粉(水分含量14.28%,灰分含量0.43%,蛋白含量13.09%,湿面筋含量36.40%,面筋指数92),郑州中粮粮油工业有限公司;起酥油、糖、高活性耐糖干酵母、盐、奶粉、小米,市售。

1.2 仪器与设备

MiniFlex600型号X-射线衍射仪,日本Rigaku公司;Spectrum TWO型号傅立叶红外光谱分析仪,美国铂金埃尔默企业管理有限公司;LXJ-IIB离心机,上海安亭科学仪器厂;质构仪,英国Stable Micro System公司;色差计,北京盛名扬科技发展有限公司;HJ-6 磁力加热搅拌器,金坛区西城新瑞仪器厂;自动型拉伸仪、粉质仪,德国Brabender公司;F3发酵流变仪,德国哈克公司;MARS60哈克流变仪,美国Thermo Fisher Scientific公司;和面机、醒发箱,北京东孚久恒仪器技术有限公司;高压蒸汽灭菌锅,上海申安医疗器械厂。

1.3 实验方法

1.3.1 指标测定

水分测定:参照GB 5009.3—2016;灰分测定:参照GB 5009.4—2016;蛋白测定:参照GB 5009.5—2016;脂肪测定:参照GB 5009.6—2016;淀粉测定:采用1%盐酸旋光法;膳食纤维测定:GB 5009.88—2014;铁含量:GB 5009.90—2016第一法;铜含量:GB 5009.13—2017;钙含量:GB 5009.92—2016第四法;钠、钾含量:GB 5009.91—2017第一法;锰含量:GB 5009.242—2017第一法;镁含量:GB 5009.241—2017第一法;维生素E:GB 5009.82—2016第一法;粉质测定:GB/T 14614—2019;拉伸测定:GB/T 14615—2019;色泽的测定:色差仪;溶剂保持力的测定:GB/T 35866—2018;糊化特性的测定:GB/T 24853—2010;发酵特性:F3发酵流变仪;面包:GB/T 14611—2008。

1.3.2 CF及小麦粉傅里叶红外光谱及X射线衍射测定

傅里叶红外光谱测定参数:波数400～4 000 cm-1,分辨率4 cm-1,连续16 次扫描。每测量5次进行一次空白扫描。X-射线衍射测定参数:扫描频率4°/min,入射角5°～40°,步长0.06°,利用软件Jade 6.0计算相对结晶度。

1.3.3 混合粉动态流变测定

参数设定:25 ℃,应变1%,频率扫描0.1～10 Hz。

1.3.4 混合粉面包比容与质构测定

电子称测定面包质量,小米置换法测定面包体积,比容为体积与质量的比值。比容测定后,切片机将面包切成1.5 cm薄片,参照朱慧雪等[14]的参数测定质构。

1.4 数据分析

数据分析使用SPSS 25与Excel软件,P<0.05差异显著,Origin 2019b软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 CF及小麦粉基本成分及营养物质测定

由表2、表3可以看出,CF中脂肪、SDF、维生素E、钙、铁及钠矿物质含量均显著高于小麦粉,这是由于柑橘类果渣富含膳食纤维、维生素、矿物质和精油等物质[3]。世界卫生组织建议25～29 g的膳食纤维是每日摄入的最佳量,其中SDF摄入量最好达到7.5～14.5 g[15],CF中SDF含量达到15.10%,证实了CF是摄入天然膳食纤维的良好选择。CF中钙含量是面粉的15.03倍;SDF含量是面粉的6.04倍;维生素E是面粉中的5.23倍,同时CF的添加弥补了小麦粉中铁元素的缺失。CF的菌落总数与霉菌数目较少,这与何李等[1]的结论一致,柑橘属纤维具有一定的抑菌功能,能够抑制食品常见污染菌的生长繁殖。有研究表明,添加1.0%的柠檬膳食纤维混合粉面包的保质期延长1 d[16]。因此,CF可作为潜在的生物活性物质强化来源添加到面粉中,可以有效保障营养物质的日常摄入,同时增加焙烤食品贮藏性能。

表2 小麦粉及CF的基本成分及膳食纤维含量Table 2 Basic components and dietary fiber content of wheat flour and CF

表3 小麦粉及CF的维生素E及矿物质含量Table 3 Vitamin E and mineral contents of wheat flour and CF

2.2 CF及小麦粉傅里叶红外光谱及X射线衍射测定

据文献记载,800～1 200 cm-1内的峰大多为多糖组分。整体对比可以发现,这2种物质结构上的不同。根本上来说,CF为多糖,主要由水溶性果胶和水不溶性纤维素、半纤维素及木质素等组成,果胶是以半乳糖醛酸残基以α-(1,4) 糖苷键连接的杂多糖;纤维素是以D-葡萄糖以β-(1,4)糖苷键连接的分子物质[17]。如图1所示,CF在891 cm-1处的吸收峰属于β型糖苷键构成的纤维素等[18]物质;在1 237 cm-1处的吸收峰代表的官能团主要为次元醇及酯键,表征了半纤维素的大分子结构[19];1 605 cm-1左右的峰则与羧基有关,验证了CF含有糖醛酸的存在;1 736 cm-1附近具有比面粉明显的峰存在,说明CF含有低甲基化果胶[20]。面粉中主要含有淀粉,同时淀粉也属于多糖,其中直链淀粉及支链淀粉是以D-葡萄糖基以α-(1,4)及α-(1,6)糖苷键连接的多糖链。在面粉的傅里叶红外吸收光谱中,1 005 cm-1附近峰为整个谱图中的最强峰,这是由于糖苷键的存在;1 082 cm-1附近尖峰则是由葡萄糖基连接时C—O—H及C—O—C形成;1 643 cm-1附近尖峰则是淀粉无定形区域结合水的O—H弯曲振动,与淀粉中的水分含量相关[21]。根据傅立叶红外光谱的分析,证明了柑橘纤维与小麦粉成分结构的差异性,表明柑橘纤维内部成分对面团特性改变的可能性,有助于进一步具体解释柑橘纤维对小麦面团特性影响的原因。

图1 小麦粉及CF的傅里叶红外吸收光谱Fig.1 Fourier infrared absorption spectra of wheat flour and CF

如图2所示,CF在2θ为21.8°、34.7°左右分别有一个明显的尖峰与一个微弱峰,均为纤维素Ⅰ型的特征峰,说明CF的晶型结构为纤维素Ⅰ型,存在结晶区与非结晶区[22];小麦粉的2θ在15.3°、17.8°、19.9°和23.06°处有明显的四处尖峰,为典型的A型衍射图谱,即小麦粉淀粉的晶型结构为A型,在20°也出现的峰值主要是淀粉-脂质复合物的存在。面粉结晶度23.46%远小于CF的结晶度为35.85%,高结晶度反映晶体间结合力大,链内及链间氢键作用强[23],结合密实。由X-射线衍射表明,CF结构更为稳固。

图2 CF及小麦粉的X-射线衍射图及结晶度Fig.2 X-ray diffraction patterns and crystallinity of wheat flour and CF

2.3 CF添加对混合粉溶剂保持力的影响

如表4所示,随着CF添加量的增加,持水力显著增加,可能是由于CF中的SDF含量主要为果胶,而其富含极性基团易与水分子结合,且纤维多糖链形成的多孔结构吸水膨胀能够有效保持水分[17]。据前人文献所知,纤维的结晶度与持水力呈正相关[23],本文持水力与结晶度测定结果与之相对应。蔗糖、碳酸钠保持力的增加,可能与CF高持水力有关;乳酸的保持力在1%添加量下略有上升,说明少量的纤维对混合粉面筋性能具有一定程度优化,可能是由于果胶形成的凝胶结构一定程度弥补了纤维的破坏程度[24],随着添加量的继续增大,乳酸保持力呈下降趋势;面筋性能指数(gluten performance index,GPI)能够综合预测面筋总体性能,由于CF中纤维素及木质素等IDF成分与蛋白竞争吸水,其吸水膨胀阻碍麦谷蛋白与麦醇溶蛋白交联形成面筋蛋白网络结构[25],随着CF添加量的增加,造成面筋蛋白总体性能下降。

2.4 CF添加对混合粉糊化特性的影响

如图3-A所示,随CF添加量的增加,峰值黏度及终值黏度显著增加。峰值黏度与加热过程中颗粒吸水膨胀程度相关,一方面CF中的果胶吸水膨胀后具有高黏性;另一方面CF与淀粉颗粒共同吸水膨胀,而CF稳定的纤维结构可能在加热过程中会加速淀粉颗粒破碎和淀粉分子的浸出,协同导致较高的峰值黏度。YILDIZ等[26]研究表明添加纤维会对淀粉基质产生破坏性影响,可能使淀粉颗粒在加热过程中破裂,从而将更高水平的淀粉分子释放到系统中。终值黏度的升高可能与峰值黏度的增长相关。当CF添加量大于7%以后,混合粉糊状物峰值黏度较高,达到了3 200 cP以上。

如图3-B所示,随着CF添加量的增加,可能是黏度的增加使施加的机械力增大,崩解值总体呈现增加趋势。当CF添加量>2%时,崩解值不再发生显著性变化,说明少量添加CF会显著增大崩解值,进一步添加时,崩解值没有显著变化,说明当CF添加到达一定程度,CF可以保护淀粉颗粒不发生糊化[27]。回生是膨胀的淀粉颗粒的重新结合,代表短期老化的程度。回生值总体相差不大,这与杨艺[23]的研究结果不一致,可能是因为本文中SDF含量较高造成的结果差异。

A-黏度;B-衰减回生图3 CF添加对混合粉糊化特性的影响Fig.3 Effect of CF addition on pasting properties of mixed powder注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05),下同。

2.5 CF添加对面团流变学特性的影响

2.5.1 CF添加对混合粉粉质特性的影响

粉质指标能够有效表征揉混过程中面团的黏弹性与耐揉性、面筋筋力强弱与被破坏程度,是评价面团流变过程中的重要品质指标。由表5可知,吸水率随CF添加量的增加显著增加;在0%～1%添加量内,粉质质量指数、稳定时间、弱化度没有显著变化,与空白组无差异性,说明少量添加CF对混合粉粉质特性无劣变影响;在2%～6%添加量内,随着添加量的增加,弱化度显著增加,说明CF添加量的增加使面团筋力弱化程度加大,这很可能是由于添加CF时面筋蛋白被稀释,因此蛋白质无法形成连续的强网络,面团的可操作性能整体变差;稳定时间、粉质质量指数显著降低,面团稳定性减弱,混合粉质量变差,不利于面团成型加工。总之,CF的添加使面团品质特性下降,这与何雅静等[17]的研究结论一致。

在7%～10%添加量内,因为CF的强吸水性使得混合面团黏着性增加,在糊化特性的指标中有所证明,高度胶黏性造成搅拌过程中耐搅性能增加,造成粉质特性指标的不准确性。因此当CF添加量≥7%时,面团黏度变成粉质各指标的总体决定因素,粉质指标已不能准确表征混合粉面团品质特性。这与韩畅等[4]的研究结果相似。

表5 CF添加对混合粉粉质特性的影响Table 5 The effect of CF addition on the silty properties of the mixed powder

2.5.2 CF添加对混合粉拉伸特性的影响

拉伸曲线面积与面团的面筋筋力呈正相关。从表6可以看到,拉伸曲线面积在1%添加量下发生转变,由无显著性变化变成显著降低,说明少量添加CF对面团筋力影响破坏不大,过量添加阻碍面筋网络结构的充分形成,造成面筋筋力下降,拉伸曲线面积显著降低。延伸度随着CF添加量的增大而显著降低,说明CF添加量的逐渐增大会减弱面团发酵过程中的可塑性及可拉伸性,面团可操作性能降低。且比较3个时间段,在不加酵母发酵情况下,45 min时,整体延伸度为最好。

由表7可以看到,在0%～5%添加量内的拉伸阻力、拉伸比例总体增大但无显著性差异,增大是由于IDF填充于面筋蛋白中使面团基质硬度增大;无显著性差异可能是由于7%～10%添加量下拉伸阻力与拉伸比例数值的急速增大,造成0%～5%添加量下数值变化的不显著。由于CF中果胶的存在,与水分子结合后面团基质具有高黏性,7%～10%添加范围下的拉伸阻力、拉伸比例整体显著大于0%～7%添加量内的,与粉质指标影响因素一致,当CF添加比例>7%时,面团黏度替代筋力强度变成拉伸阻力与拉伸比例的总体决定因素,这与韩畅等[4]的研究结果一致;同时,由于柑橘纤维进一步添加破坏了面筋结构,面团弹韧性降低,拉伸阻力与拉伸比例呈显著下降趋势。

表6 CF添加对混合粉拉伸曲线面积及延伸度的影响Table 6 The effect of CF addition on the area and elongation of the tensile curve of the mixed powder

表7 CF添加对混合粉拉伸阻力及拉伸比例的影响Table 7 Effect of CF addition on tensile resistance and tensile ratio of mixed powder

2.5.3 CF添加对混合粉发酵流变特性的影响

如图4所示,面团的最大发酵高度、总产气量、总持气量、结束时面团发酵高度随CF添加量的增大均为下降趋势,说明CF的逐渐加入破坏了面筋-淀粉基质[28],CF的高吸水率导致水分从面筋物质中迁移出来,使面筋网络无法稳定形成,使CO2气体容易冲破面团气孔从面团表面溢出,这是面团持气能力减弱的主要原因,而CF中的抗氧化物质如维生素E会对面团持气能力的减弱可能也起到一部分作用[29];同时CF添加量的增多相当于原粉中淀粉含量的减少,酵母可利用分解的营养物质减少[14],也可能导致面团发酵高度降低,气体产生量降低。

2.5.4 CF添加对混合粉动态流变学特性的影响

在固定应变(1%)作用下,采用频率扫描探究CF对面团的弹性模量G′和黏性模量G″的影响变化。从图5中可以看到,CF各种添加量的整体变化都一致,G′和G″随着频率的增加整体呈增大趋势,tanδ均小于1,表明空白组和复合面团都是黏弹性材料,其表现出介于黏性液体和弹性固体之间的类固体流变行为;并且CF的加入使得面团黏弹性增加,表现在混合粉面团的G′和G″均随着添加量的增加而逐渐增高,说明CF的加入使得复合面团朝固体性质发展,机械强度有所增加,造成面团加工难度加大,可能引起面包硬度增加。根据文献可知,G′及G″的增加源于聚合物体系的交联度[30],这一方面归因于纤维对面团的“增塑效应”,纤维掺入降低了水润滑性,同时充当面团基质中的填料物质;另一方面与维生素E等酚类化合物有关,蛋白质可以通过肽残基的羰基和酚的羟基之间的氢键与多酚形成复合物[30],从而有效地强化面团中的黏弹性模量。这2个因素都可以增加面团样品的G′和G″。

2.6 CF添加对面包品质的影响

2.6.1 CF添加对面包芯色度的影响

色度是感官指标中最为直观的影响指标,颜色的改变会直接影响感官及食用评价。由表8可看出,面包芯的L*值下降,a*值、b*值升高,表明添加CF会使面包颜色变深,一方面是因为CF含有较多色素如胡萝卜素、黄酮类色素等[1]。另一方面面包焙烤时美拉德反应也会使面包色泽加深。当ΔE<1时人眼观察到的色差不明显;1<ΔE<3时人眼可以观测到小幅度色差;ΔE>3时人眼可明显观测到色差,甚至可以被没有经验的观察者检测到[31]。表8中可以看出,随着添加量的增加,ΔE逐渐增大,当添加量为4%时,ΔE=3.21>3,说明当添加量<4%时,人眼基本观测不到面包芯的明显色差。

表8 CF添加对面包芯色度的影响Table 8 Effect of CF addition on bread core color

2.6.2 CF添加对面包比容及质构的影响

评价面包焙烤品质时,面包比容与质构是具有典型代表性的、重要的客观指标。面包比容是通过客观量化的方式反映面团的体积膨胀程度与保持稳定能力以及面包体积大小的指标,是衡量面包品质的重要参数,对消费者的选择具有直观影响。如表9、图6所示,随着CF添加量的增加,面包比容显著下降,可能是由于面团发酵特性的变化造成面包膨胀体积减小;面包硬度、弹性、咀嚼性、黏附性显著增加,内聚性、回复性增加后降低,可能是面团流变学特性变差,加工操作性降低,导致面包的适口性下降,食用品质变差。

添加量0%～1%内,面包品质与空白无差异;添加量在1%～4%时,面包品质尚在可接受范围内;添加量在4%～7%时,面包感官品质及食用品质劣变但可改良优化;超过7%后的添加量不再适合于做面包。总之,CF添加量≤4%时,面包比容及质构品质均在可接受范围内。

表9 CF添加对面包质构的影响Table 9 Effect of CF addition on bread texture

图6 CF添加对面包比容的影响Fig.6 Effect of CF addition on specific volume of bread

3 结论

CF可作为一种新型生物活性物质补充剂,可添加至小麦粉中补充营养要素;且CF与面粉成分结构性质的差异造成了混合粉面团特性及面包品质变化。0%～1%左右添加量的CF对面团的粉质特性、拉伸特性及发酵流变特性不会有显著的劣变,但随着CF添加量的继续增加,面团流变学特性显著降低,面团整体加工品质下降;面团流变学特性的改变说明CF添加引起面团基质受到破坏,造成面包硬度变大,品质变差。但在不通过任何改良情况下,将柑橘纤维添加量控制在4%以内时,可以生产出一种品质在可接受范围内的富含生物活性物质的健康膳食面包。

本研究有助于解释柑橘纤维对小麦面团特性的作用机制,从而解释面包品质变化原因,指导后续柑橘纤维在谷物产品开发中的应用。由于CF高添加量(>7%)不再适合做面包,后续可以考虑应用于高纤饼干等硬度较大的食品中进一步研究。