柑橘纖維對面團特性及面包品質的影響

黃夢凡,溫紀平*,展小彬

1(河南工業大學 糧油食品學院,河南 鄭州,450001)2(河南工業大學小麥理論與技術研究所,河南 鄭州,450001) 3(國家小麥加工技術研發專業中心,河南 鄭州,450001)

許多與飲食相關的疾病的風險程度可通過高膳食纖維飲食的攝入來降低,例如肥胖、高血壓、心血管疾病和胃腸道疾病等現代常見疾病。水果副產品已被證實含有高含量的膳食纖維,因此水果類膳食纖維的研究與開發近幾年逐漸豐富起來。柑橘是世界三大加工作物之一,約有33%用于加工成各種柑橘類食品[1],而柑橘食品加工過程中產生的果肉皮渣廢棄物占比高達30%～50%[2],直接廢棄會對生態環境有一定破壞。學者們在不同領域進行了多項努力,將柑橘廢料作為肥料、飼料成分、多種化合物等的提取來源。同時,柑橘廢料也被認為是生物活性化合物的潛在來源,例如膳食纖維及抗氧化物質等[3]。

而目前,大眾對膳食纖維的攝入量不足且種類單一,易引起膳食纖維缺乏,為防止居民飲食過于精細化,進而導致疾病,因此添加谷物麩皮粉[4]、果蔬粉[5]、麥麩膳食纖維[6]等制成膳食纖維食品已成為潮流。韓暢等[4]發現當苦蕎麩皮粉添加量<10%時,饅頭才具有較好的品質,但整體硬度偏高;JUNEJO等[5]發現菠菜粉的加入豐富了面包的功能和營養特性,但面包的感官品質下降;MA等[6]通過添加麥麩膳食纖維發現,不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber,IDF)會引發發酵面團氣體逸散,從而造成饅頭比容降低,硬度變大?？梢园l現,上述物質的添加導致面包品質變化,可能是由于IDF含量較高。根據MARTNEZ等[7]的研究可知,不同纖維組分對面團性質影響不同,IDF組分會導致面團硬度增強,但可溶性纖維(water-soluble dietary fiber,SDF)的存在會改善面包的物理化學特性,使面包具有更大的體積,硬度降低。因此為減少對面團質地的不利影響,通常進行纖維改性手段來達到軟化IDF、增加SDF的目的[8]。而從柑橘果皮渣中提取出的柑橘纖維(citrus fiber,CF)是一種天然性的食品原料,富含IDF與SDF,且其SDF含量遠高于其他膳食纖維。目前市面上膳食纖維食品的制備大多是添加谷物麩皮,就以谷物麩皮為例,谷物類纖維中SDF含量無法與CF比擬,比如柑橘類果渣中SDF最低含量也是谷物麩皮的20倍之多[9],因此在同樣為高膳食纖維食品研發的目的下,CF既省去了繁瑣復雜的改性手段,且其添加對于焙烤食品品質劣變影響可能更小。同時SDF在促進腸道消化,預防高血糖、高血脂及糖尿病等“富貴病”方面具有顯著功效[10],因此CF比谷物膳食纖維具有更好的生理功能。所以,谷物膳食纖維雖比CF更頻繁地被攝入,但CF可作為新型潛在生物活性物質用于食品改良研究。

谷物類產品,尤其是面包,近幾年成為越來越重要的主食產品,同時是豐富營養成分載體的不二之選。利用柑橘加工后果渣廢棄物開發出的CF應用于面包中,果渣資源既充分利用,又潛移默化中增加了日常膳食纖維的攝入,提升食品營養價值,有利于人體生命活動,滿足國內外市場現狀,一舉多得,應用前景廣闊。國外部分學者已將CF應用于焙烤食品中。YILMAZ等[11]研究發現含有橘子籽纖維餅干的抗氧化能力和酚類成分顯著較高,對人體健康具有潛在的積極作用;SPINA等[12]首次對添加CF生產膳食纖維強化全硬粒小麥面包的可能性進行了研究,添加2%的CF可以生產出類似于對照面包品質的小麥全硬面包,不僅賦予面包柑橘風味,而且可有效提升面包貯藏期;OCEN等[13]研究發現CF對冷凍面團的體積變化影響不顯著,但面包的硬度在增加。由于在整個面包制作過程中,面團受到壓力和變形,面團的流變特性與最終產品質量密切相關,但目前國內外關于CF對小麥面團加工性能作用機制的研究鮮有報道,本研究將不同添加比例(質量分數)CF添加于小麥粉,研究CF對混合粉面團特性的影響變化,闡明CF對小麥面團加工性能的作用機制,探究面包品質變化的原因,為CF的應用研究及CF面包的研究開發提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

CF(以柑橘果皮為原料,經過預處理、干燥等特有的專利技術,通過酸提法提取纖維;纖維特征參數如表1所示),河北樂檬生物有限科技公司;高筋小麥粉(水分含量14.28%,灰分含量0.43%,蛋白含量13.09%,濕面筋含量36.40%,面筋指數92),鄭州中糧糧油工業有限公司;起酥油、糖、高活性耐糖干酵母、鹽、奶粉、小米,市售。

1.2 儀器與設備

MiniFlex600型號X-射線衍射儀,日本Rigaku公司;Spectrum TWO型號傅立葉紅外光譜分析儀,美國鉑金埃爾默企業管理有限公司;LXJ-IIB離心機,上海安亭科學儀器廠;質構儀,英國Stable Micro System公司;色差計,北京盛名揚科技發展有限公司;HJ-6 磁力加熱攪拌器,金壇區西城新瑞儀器廠;自動型拉伸儀、粉質儀,德國Brabender公司;F3發酵流變儀,德國哈克公司;MARS60哈克流變儀,美國Thermo Fisher Scientific公司;和面機、醒發箱,北京東孚久恒儀器技術有限公司;高壓蒸汽滅菌鍋,上海申安醫療器械廠。

1.3 實驗方法

1.3.1 指標測定

水分測定:參照GB 5009.3—2016;灰分測定:參照GB 5009.4—2016;蛋白測定:參照GB 5009.5—2016;脂肪測定:參照GB 5009.6—2016;淀粉測定:采用1%鹽酸旋光法;膳食纖維測定:GB 5009.88—2014;鐵含量:GB 5009.90—2016第一法;銅含量:GB 5009.13—2017;鈣含量:GB 5009.92—2016第四法;鈉、鉀含量:GB 5009.91—2017第一法;錳含量:GB 5009.242—2017第一法;鎂含量:GB 5009.241—2017第一法;維生素E:GB 5009.82—2016第一法;粉質測定:GB/T 14614—2019;拉伸測定:GB/T 14615—2019;色澤的測定:色差儀;溶劑保持力的測定:GB/T 35866—2018;糊化特性的測定:GB/T 24853—2010;發酵特性:F3發酵流變儀;面包:GB/T 14611—2008。

1.3.2 CF及小麥粉傅里葉紅外光譜及X射線衍射測定

傅里葉紅外光譜測定參數:波數400～4 000 cm-1,分辨率4 cm-1,連續16 次掃描。每測量5次進行一次空白掃描。X-射線衍射測定參數:掃描頻率4°/min,入射角5°～40°,步長0.06°,利用軟件Jade 6.0計算相對結晶度。

1.3.3 混合粉動態流變測定

參數設定:25 ℃,應變1%,頻率掃描0.1～10 Hz。

1.3.4 混合粉面包比容與質構測定

電子稱測定面包質量,小米置換法測定面包體積,比容為體積與質量的比值。比容測定后,切片機將面包切成1.5 cm薄片,參照朱慧雪等[14]的參數測定質構。

1.4 數據分析

數據分析使用SPSS 25與Excel軟件,P<0.05差異顯著,Origin 2019b軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 CF及小麥粉基本成分及營養物質測定

由表2、表3可以看出,CF中脂肪、SDF、維生素E、鈣、鐵及鈉礦物質含量均顯著高于小麥粉,這是由于柑橘類果渣富含膳食纖維、維生素、礦物質和精油等物質[3]。世界衛生組織建議25～29 g的膳食纖維是每日攝入的最佳量,其中SDF攝入量最好達到7.5～14.5 g[15],CF中SDF含量達到15.10%,證實了CF是攝入天然膳食纖維的良好選擇。CF中鈣含量是面粉的15.03倍;SDF含量是面粉的6.04倍;維生素E是面粉中的5.23倍,同時CF的添加彌補了小麥粉中鐵元素的缺失。CF的菌落總數與霉菌數目較少,這與何李等[1]的結論一致,柑橘屬纖維具有一定的抑菌功能,能夠抑制食品常見污染菌的生長繁殖。有研究表明,添加1.0%的檸檬膳食纖維混合粉面包的保質期延長1 d[16]。因此,CF可作為潛在的生物活性物質強化來源添加到面粉中,可以有效保障營養物質的日常攝入,同時增加焙烤食品貯藏性能。

表2 小麥粉及CF的基本成分及膳食纖維含量Table 2 Basic components and dietary fiber content of wheat flour and CF

表3 小麥粉及CF的維生素E及礦物質含量Table 3 Vitamin E and mineral contents of wheat flour and CF

2.2 CF及小麥粉傅里葉紅外光譜及X射線衍射測定

據文獻記載,800～1 200 cm-1內的峰大多為多糖組分。整體對比可以發現,這2種物質結構上的不同。根本上來說,CF為多糖,主要由水溶性果膠和水不溶性纖維素、半纖維素及木質素等組成,果膠是以半乳糖醛酸殘基以α-(1,4) 糖苷鍵連接的雜多糖;纖維素是以D-葡萄糖以β-(1,4)糖苷鍵連接的分子物質[17]。如圖1所示,CF在891 cm-1處的吸收峰屬于β型糖苷鍵構成的纖維素等[18]物質;在1 237 cm-1處的吸收峰代表的官能團主要為次元醇及酯鍵,表征了半纖維素的大分子結構[19];1 605 cm-1左右的峰則與羧基有關,驗證了CF含有糖醛酸的存在;1 736 cm-1附近具有比面粉明顯的峰存在,說明CF含有低甲基化果膠[20]。面粉中主要含有淀粉,同時淀粉也屬于多糖,其中直鏈淀粉及支鏈淀粉是以D-葡萄糖基以α-(1,4)及α-(1,6)糖苷鍵連接的多糖鏈。在面粉的傅里葉紅外吸收光譜中,1 005 cm-1附近峰為整個譜圖中的最強峰,這是由于糖苷鍵的存在;1 082 cm-1附近尖峰則是由葡萄糖基連接時C—O—H及C—O—C形成;1 643 cm-1附近尖峰則是淀粉無定形區域結合水的O—H彎曲振動,與淀粉中的水分含量相關[21]。根據傅立葉紅外光譜的分析,證明了柑橘纖維與小麥粉成分結構的差異性,表明柑橘纖維內部成分對面團特性改變的可能性,有助于進一步具體解釋柑橘纖維對小麥面團特性影響的原因。

圖1 小麥粉及CF的傅里葉紅外吸收光譜Fig.1 Fourier infrared absorption spectra of wheat flour and CF

如圖2所示,CF在2θ為21.8°、34.7°左右分別有一個明顯的尖峰與一個微弱峰,均為纖維素Ⅰ型的特征峰,說明CF的晶型結構為纖維素Ⅰ型,存在結晶區與非結晶區[22];小麥粉的2θ在15.3°、17.8°、19.9°和23.06°處有明顯的四處尖峰,為典型的A型衍射圖譜,即小麥粉淀粉的晶型結構為A型,在20°也出現的峰值主要是淀粉-脂質復合物的存在。面粉結晶度23.46%遠小于CF的結晶度為35.85%,高結晶度反映晶體間結合力大,鏈內及鏈間氫鍵作用強[23],結合密實。由X-射線衍射表明,CF結構更為穩固。

圖2 CF及小麥粉的X-射線衍射圖及結晶度Fig.2 X-ray diffraction patterns and crystallinity of wheat flour and CF

2.3 CF添加對混合粉溶劑保持力的影響

如表4所示,隨著CF添加量的增加,持水力顯著增加,可能是由于CF中的SDF含量主要為果膠,而其富含極性基團易與水分子結合,且纖維多糖鏈形成的多孔結構吸水膨脹能夠有效保持水分[17]。據前人文獻所知,纖維的結晶度與持水力呈正相關[23],本文持水力與結晶度測定結果與之相對應。蔗糖、碳酸鈉保持力的增加,可能與CF高持水力有關;乳酸的保持力在1%添加量下略有上升,說明少量的纖維對混合粉面筋性能具有一定程度優化,可能是由于果膠形成的凝膠結構一定程度彌補了纖維的破壞程度[24],隨著添加量的繼續增大,乳酸保持力呈下降趨勢;面筋性能指數(gluten performance index,GPI)能夠綜合預測面筋總體性能,由于CF中纖維素及木質素等IDF成分與蛋白競爭吸水,其吸水膨脹阻礙麥谷蛋白與麥醇溶蛋白交聯形成面筋蛋白網絡結構[25],隨著CF添加量的增加,造成面筋蛋白總體性能下降。

2.4 CF添加對混合粉糊化特性的影響

如圖3-A所示,隨CF添加量的增加,峰值黏度及終值黏度顯著增加。峰值黏度與加熱過程中顆粒吸水膨脹程度相關,一方面CF中的果膠吸水膨脹后具有高黏性;另一方面CF與淀粉顆粒共同吸水膨脹,而CF穩定的纖維結構可能在加熱過程中會加速淀粉顆粒破碎和淀粉分子的浸出,協同導致較高的峰值黏度。YILDIZ等[26]研究表明添加纖維會對淀粉基質產生破壞性影響,可能使淀粉顆粒在加熱過程中破裂,從而將更高水平的淀粉分子釋放到系統中。終值黏度的升高可能與峰值黏度的增長相關。當CF添加量大于7%以后,混合粉糊狀物峰值黏度較高,達到了3 200 cP以上。

如圖3-B所示,隨著CF添加量的增加,可能是黏度的增加使施加的機械力增大,崩解值總體呈現增加趨勢。當CF添加量>2%時,崩解值不再發生顯著性變化,說明少量添加CF會顯著增大崩解值,進一步添加時,崩解值沒有顯著變化,說明當CF添加到達一定程度,CF可以保護淀粉顆粒不發生糊化[27]?；厣桥蛎浀牡矸垲w粒的重新結合,代表短期老化的程度?；厣悼傮w相差不大,這與楊藝[23]的研究結果不一致,可能是因為本文中SDF含量較高造成的結果差異。

A-黏度;B-衰減回生圖3 CF添加對混合粉糊化特性的影響Fig.3 Effect of CF addition on pasting properties of mixed powder注:不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),下同。

2.5 CF添加對面團流變學特性的影響

2.5.1 CF添加對混合粉粉質特性的影響

粉質指標能夠有效表征揉混過程中面團的黏彈性與耐揉性、面筋筋力強弱與被破壞程度,是評價面團流變過程中的重要品質指標。由表5可知,吸水率隨CF添加量的增加顯著增加;在0%～1%添加量內,粉質質量指數、穩定時間、弱化度沒有顯著變化,與空白組無差異性,說明少量添加CF對混合粉粉質特性無劣變影響;在2%～6%添加量內,隨著添加量的增加,弱化度顯著增加,說明CF添加量的增加使面團筋力弱化程度加大,這很可能是由于添加CF時面筋蛋白被稀釋,因此蛋白質無法形成連續的強網絡,面團的可操作性能整體變差;穩定時間、粉質質量指數顯著降低,面團穩定性減弱,混合粉質量變差,不利于面團成型加工?？傊?CF的添加使面團品質特性下降,這與何雅靜等[17]的研究結論一致。

在7%～10%添加量內,因為CF的強吸水性使得混合面團黏著性增加,在糊化特性的指標中有所證明,高度膠黏性造成攪拌過程中耐攪性能增加,造成粉質特性指標的不準確性。因此當CF添加量≥7%時,面團黏度變成粉質各指標的總體決定因素,粉質指標已不能準確表征混合粉面團品質特性。這與韓暢等[4]的研究結果相似。

表5 CF添加對混合粉粉質特性的影響Table 5 The effect of CF addition on the silty properties of the mixed powder

2.5.2 CF添加對混合粉拉伸特性的影響

拉伸曲線面積與面團的面筋筋力呈正相關。從表6可以看到,拉伸曲線面積在1%添加量下發生轉變,由無顯著性變化變成顯著降低,說明少量添加CF對面團筋力影響破壞不大,過量添加阻礙面筋網絡結構的充分形成,造成面筋筋力下降,拉伸曲線面積顯著降低。延伸度隨著CF添加量的增大而顯著降低,說明CF添加量的逐漸增大會減弱面團發酵過程中的可塑性及可拉伸性,面團可操作性能降低。且比較3個時間段,在不加酵母發酵情況下,45 min時,整體延伸度為最好。

由表7可以看到,在0%～5%添加量內的拉伸阻力、拉伸比例總體增大但無顯著性差異,增大是由于IDF填充于面筋蛋白中使面團基質硬度增大;無顯著性差異可能是由于7%～10%添加量下拉伸阻力與拉伸比例數值的急速增大,造成0%～5%添加量下數值變化的不顯著。由于CF中果膠的存在,與水分子結合后面團基質具有高黏性,7%～10%添加范圍下的拉伸阻力、拉伸比例整體顯著大于0%～7%添加量內的,與粉質指標影響因素一致,當CF添加比例>7%時,面團黏度替代筋力強度變成拉伸阻力與拉伸比例的總體決定因素,這與韓暢等[4]的研究結果一致;同時,由于柑橘纖維進一步添加破壞了面筋結構,面團彈韌性降低,拉伸阻力與拉伸比例呈顯著下降趨勢。

表6 CF添加對混合粉拉伸曲線面積及延伸度的影響Table 6 The effect of CF addition on the area and elongation of the tensile curve of the mixed powder

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

2.5.3 CF添加對混合粉發酵流變特性的影響

如圖4所示,面團的最大發酵高度、總產氣量、總持氣量、結束時面團發酵高度隨CF添加量的增大均為下降趨勢,說明CF的逐漸加入破壞了面筋-淀粉基質[28],CF的高吸水率導致水分從面筋物質中遷移出來,使面筋網絡無法穩定形成,使CO2氣體容易沖破面團氣孔從面團表面溢出,這是面團持氣能力減弱的主要原因,而CF中的抗氧化物質如維生素E會對面團持氣能力的減弱可能也起到一部分作用[29];同時CF添加量的增多相當于原粉中淀粉含量的減少,酵母可利用分解的營養物質減少[14],也可能導致面團發酵高度降低,氣體產生量降低。

2.5.4 CF添加對混合粉動態流變學特性的影響

在固定應變(1%)作用下,采用頻率掃描探究CF對面團的彈性模量G′和黏性模量G″的影響變化。從圖5中可以看到,CF各種添加量的整體變化都一致,G′和G″隨著頻率的增加整體呈增大趨勢,tanδ均小于1,表明空白組和復合面團都是黏彈性材料,其表現出介于黏性液體和彈性固體之間的類固體流變行為;并且CF的加入使得面團黏彈性增加,表現在混合粉面團的G′和G″均隨著添加量的增加而逐漸增高,說明CF的加入使得復合面團朝固體性質發展,機械強度有所增加,造成面團加工難度加大,可能引起面包硬度增加。根據文獻可知,G′及G″的增加源于聚合物體系的交聯度[30],這一方面歸因于纖維對面團的“增塑效應”,纖維摻入降低了水潤滑性,同時充當面團基質中的填料物質;另一方面與維生素E等酚類化合物有關,蛋白質可以通過肽殘基的羰基和酚的羥基之間的氫鍵與多酚形成復合物[30],從而有效地強化面團中的黏彈性模量。這2個因素都可以增加面團樣品的G′和G″。

2.6 CF添加對面包品質的影響

2.6.1 CF添加對面包芯色度的影響

色度是感官指標中最為直觀的影響指標,顏色的改變會直接影響感官及食用評價。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會使面包顏色變深,一方面是因為CF含有較多色素如胡蘿卜素、黃酮類色素等[1]。另一方面面包焙烤時美拉德反應也會使面包色澤加深。當ΔE<1時人眼觀察到的色差不明顯;1<ΔE<3時人眼可以觀測到小幅度色差;ΔE>3時人眼可明顯觀測到色差,甚至可以被沒有經驗的觀察者檢測到[31]。表8中可以看出,隨著添加量的增加,ΔE逐漸增大,當添加量為4%時,ΔE=3.21>3,說明當添加量<4%時,人眼基本觀測不到面包芯的明顯色差。

表8 CF添加對面包芯色度的影響Table 8 Effect of CF addition on bread core color

2.6.2 CF添加對面包比容及質構的影響

評價面包焙烤品質時,面包比容與質構是具有典型代表性的、重要的客觀指標。面包比容是通過客觀量化的方式反映面團的體積膨脹程度與保持穩定能力以及面包體積大小的指標,是衡量面包品質的重要參數,對消費者的選擇具有直觀影響。如表9、圖6所示,隨著CF添加量的增加,面包比容顯著下降,可能是由于面團發酵特性的變化造成面包膨脹體積減小;面包硬度、彈性、咀嚼性、黏附性顯著增加,內聚性、回復性增加后降低,可能是面團流變學特性變差,加工操作性降低,導致面包的適口性下降,食用品質變差。

添加量0%～1%內,面包品質與空白無差異;添加量在1%～4%時,面包品質尚在可接受范圍內;添加量在4%～7%時,面包感官品質及食用品質劣變但可改良優化;超過7%后的添加量不再適合于做面包?？傊?CF添加量≤4%時,面包比容及質構品質均在可接受范圍內。

表9 CF添加對面包質構的影響Table 9 Effect of CF addition on bread texture

圖6 CF添加對面包比容的影響Fig.6 Effect of CF addition on specific volume of bread

3 結論

CF可作為一種新型生物活性物質補充劑,可添加至小麥粉中補充營養要素;且CF與面粉成分結構性質的差異造成了混合粉面團特性及面包品質變化。0%～1%左右添加量的CF對面團的粉質特性、拉伸特性及發酵流變特性不會有顯著的劣變,但隨著CF添加量的繼續增加,面團流變學特性顯著降低,面團整體加工品質下降;面團流變學特性的改變說明CF添加引起面團基質受到破壞,造成面包硬度變大,品質變差。但在不通過任何改良情況下,將柑橘纖維添加量控制在4%以內時,可以生產出一種品質在可接受范圍內的富含生物活性物質的健康膳食面包。

本研究有助于解釋柑橘纖維對小麥面團特性的作用機制,從而解釋面包品質變化原因,指導后續柑橘纖維在谷物產品開發中的應用。由于CF高添加量(>7%)不再適合做面包,后續可以考慮應用于高纖餅干等硬度較大的食品中進一步研究。