葡萄籽原花青素和蘋果酸對面包抗老化的影響及機制分析

張沁蕊,熊丹妮,周文昊,張海枝,劉剛,秦新光

(武漢輕工大學 食品科學與工程學院,湖北 武漢,430048)

面包是一種由小麥粉作為主要原料,以酵母、糖、黃油、鹽等為輔料,經過混合攪拌、醒發和烘烤等制作而成的烘焙食品。隨著經濟的快速發展,面包因其營養價值高、美味、食用方便而受到廣大消費者的喜愛,但在貯藏運輸中易發生老化。面包的老化是指面包在貯藏過程中由一系列物理化學變化而引起面包品質的下降,主要表現為水分的減少、硬度的增大、口感變差等[1]。水分的遷移、淀粉的重結晶以及面筋蛋白與淀粉的相互作用是面包發生老化的重要因素[2]。

原花青素作為常見的一種酚類化合物,在飲食中具有巨大的應用潛力[3-5],添加葡萄籽提取物降低了貯藏期間饅頭的硬度和咀嚼性,X射線衍射儀(X-ray diffractometer,XRD)結果表明葡萄籽提取物抑制了小麥淀粉的回生[6]。然而原花青素極不穩定,易受溫度、光照、pH、氧、抗壞血酸、酶、金屬離子,以及加工和貯藏過程中的其他理化因素的影響[7],烘烤的溫度和時間均會導致原花青素的含量受到損失[8],因此原花青素在烘烤產品中的應用受到熱降解的限制。

研究發現不同種類和濃度的有機酸降低了貯藏期間面包水分含量和硬度的下降速率[9]。淀粉葡萄糖單元結構上的酚羥基可被有機酸取代生成酯化淀粉。XRD結果顯示檸檬酸酯化淀粉的結晶度降低[10]。此外,有機酸與花青素結構上的羥基通過酯鍵結合形成?；幕ㄉ?進而提高花青素的穩定性[11]。LI等[12]在研究不同酸化劑和烘箱類型對藍玉米曲奇中總花青素含量的影響中發現加入酸性物質可增加藍玉米曲奇中的花青素保留量。蘋果酸(malic acid,MA)不會導致任何營養價值的下降,它是由各種生物自然產生的一種口感柔和、健康無害的食品添加劑,易溶于多種有機溶劑。它屬于多羧基,具有與檸檬酸類似的穩定的化學結構[13]。此外,MA作為天然抗菌劑具有比其他有機酸更高的抑菌活性[14],可以有效延長面包的貨架期。

本研究以葡萄籽原花青素(grape seed proanthocyanidins,GSP)和MA為原料制作面包,研究GSP和MA對面包抗老化的影響。以貯藏期間水分含量、硬度及水分遷移的變化研究MA和GSP的添加對面包老化的影響,利用快速黏度儀(rapid visco analyzer,RVA)、差示掃描量熱儀(differential scanning calorimeter,DSC)和XRD測定淀粉回生特性,進一步分析其對面包抗老化品質的影響機理,研究結果可以為延長面包的貨架期提供一些新的思路和參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 主要實驗材料

GSP(95%),陜西金潤生物科技有限公司;MA(GR 99.5%),上海源葉生物公司;金像牌小麥粉,江蘇南順食品有限公司;面粉的濕面筋含量、蛋白質含量、水分含量和灰分(濕基)分別為38.8%、13.5%、12.8%和0.5%。酵母、黃油,安琪酵母股份有限公司;白砂糖,太古糖業有限公司;海星牌低鈉鹽,中國鹽業集團有限公司。

1.1.2 儀器與設備

FD5-series型冷凍干燥機,上海今昊科學儀器有限公司;RVA-Super4型快速黏度分析儀,瑞典波通公司;TA.XTC質構儀,上海保圣實業發展有限公司;NMI20-040V-I型低場核磁共振成像儀(low field nuclear magnetic resonance, LF-NMR),蘇州紐邁分析儀器股份有限公司;Q 2000型DSC,美國TA公司;SmartLab 型XRD,日本Rigaku公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 糊化特性測試

RVA的測定程序參照先前的研究略作修改[15]。實驗前測定添加了不同濃度的GSP和MA的面粉的水分含量。固定25 mL的蒸餾水,在樣品桶中加入根據RVA推薦的樣品質量,上下快速攪動10次后上樣測定。根據糊化特性曲線記錄糊化溫度、峰值黏度、衰減值和回生值。

1.2.2 面包制作

采用二次發酵法[16]制作面包,對照面包的配方為面粉200 g,酵母2.8 g,糖20 g,水120 g,黃油10 g,鹽1.2 g,GSP的添加比例為0.1%(質量分數,下同)、0.3%、0.5%,記為0.1% GSP、0.3% GSP、0.5% GSP(按面粉質量計),在0.3% GSP中復配不同質量分數的蘋果酸,記為0.3% GSP-0.1% MA、0.3%GSP-0.3% MA、0.3% GSP-0.5% MA(按面粉質量計),首先稱取面粉、糖、酵母,在和面缸中低速混合2 min,然后加入水繼續混合3 min,加入黃油后轉向高速攪打2 min至面筋形成薄膜,繼續加入鹽攪打3 min至面團表面光滑后結束和面。面團用保鮮膜覆蓋醒發30 min(濕度85%,溫度30 ℃);面團被分成40 g的小面團,用搟面杖進行排氣整形后用保鮮膜覆蓋放入恒溫恒濕箱(濕度85%,溫度30 ℃)中醒發60 min,發酵后的面團在上層溫度190 ℃和下層溫度200 ℃下烘烤12 min。待面包完全冷卻后裝入自封袋保存。

1.2.3 水分含量測試

采用直接干燥法對貯藏期間(0、1、3、5、7 d)面包芯進行水分含量的測定。

1.2.4 質構測試

采用質構儀對貯藏0、1、3、5、7 d后的面包進行全質構測試[17],取面包的中心邊長為20 mm的正方體小塊,置于P/100探頭下進行測試,測試條件為:3 mm/s的測前速度,1 mm/s的測中速度,2 mm/s的測后速度,10 g的觸發力,50%的壓縮程度,5 s的壓縮間隔時間,每組樣品進行3個平行測試。

1.2.5 LF-NMR分析

在室溫條件下采用低場核磁測定混合了不同濃度的GSP和MA面包的水分分布情況。貯藏0、1、3、5、7 d的面包在40 mm探頭下使用CPMG序列進行樣品的采集和測定,參數為200 kHz的接收機帶寬(SW),0.002 ms的開始采樣控制參數,15 db的模擬增益值。每組面包取3份進行平行測試。

1.2.6 DSC分析

采用DSC分析貯藏不同時間(1、3、5 d)的面包芯的回生焓值(ΔH)[18]。稱取(3.0±0.2) mg的凍干粉末樣品,以1∶2(g∶mL)的比例在鋁盒中加入對應體積的蒸餾水,以空鋁盒作為對照,4 ℃過夜平衡。在30～90 ℃的掃描范圍下以10 ℃/min的升溫速率和20 mL/min N2的流速運行程序。樣品的起始溫度(T0)、峰值溫度(Tp)、回生焓值由Universal 5.4A TA軟件分析得到。

1.2.7 XRD分析

貯藏0 d和5 d的面包芯冷凍干燥后過200目篩備用。在先前的測試條件基礎上略有修改[19],選用Cu-Kα作為特征射線,在40 kV和40 mA的條件下以4 °/min的速率對樣品進行了掃描測定。采用Jade 6.0進行數據的處理。

1.2.8 數據分析

所有樣品均做3次平行測試。使用SPSS 19進行方差的分析并以平均值±標準差表示最終結果。Duncan’s法進行數據的統計分析,P<0.05被認為具有統計學意義。利用Origin 2021對相關數據進行繪制。

2 結果與分析

2.1 GSP協同MA對面粉糊化特性的影響

添加GSP和MA后面粉的糊化溫度、峰值黏度、衰減值和回生值的具體變化如表1所示。添加GSP后,小麥粉的糊化溫度逐漸降低,較低的糊化溫度表明GSP的加入使小麥粉更易發生糊化,峰值黏度隨著GSP的加入有所降低,但差異不顯著,GSP可能與面粉中的淀粉結合,抑制了淀粉吸水膨脹,從而導致體系黏度的下降[20]。0.3% GSP和MA復配后峰值黏度整體下降,這很大可能是酸水解造成了黏度的下降[21],但隨著MA的質量分數從0.1%增加至0.3%,峰值黏度出現增加的趨勢,原因可能是MA降解了面粉中的蛋白質和脂質,從而使淀粉顆粒得到了充分暴露,促進淀粉顆粒的膨脹,導致黏度的增加。衰減值隨著MA濃度的增加而增加,回生值呈下降趨勢,MA的質量分數增加到0.5%會顯著降低淀粉糊化的熱穩定性,不利于加工處理,回生值反映的是淀粉的短期回生性質,是最終黏度和最低黏度的差值,回生值的下降表明一定程度上抑制了小麥粉的回生[22]。

表1 小麥粉的糊化特性參數Table 1 Pasting characteristics parameters of wheat flour

2.2 GSP協同MA對貯藏期間面包水分含量的影響

面包在貯藏期間水分含量和水分損失率的變化如圖1所示,貯藏期面包水分會發生遷移和重新分布,面包內部的水分逐漸向表皮外部遷移,面筋網絡結構結合的水也會緩慢向淀粉轉移,最終導致面包的老化。對照組面包芯的水分含量為41.39%,添加GSP后面包的水分含量沒有明顯變化(P>0.05),面包芯的水分含量隨著貯藏時間的延長均呈現下降趨勢,對照組的面包芯在前3 d的下降趨勢達到10.18%,明顯高于添加GSP的面包芯,后面逐漸平緩,在第7天對照組的面包芯的損失率略大于添加GSP的面包芯,這說明GSP的存在可以幫助面包在貯藏過程中鎖住水分,GSP含有較多的親水基團,增加了面團的持水性[23]。

a-GSP添加組;b-GSP-MA添加組圖1 貯藏期間面包水分含量和損失率的變化Fig.1 Changes in moisture content and loss rate of bread during storage注:柱狀圖表示面包的水分含量,折線圖表示水分損失率。

在含0.3% GSP的面包中加入不同濃度的MA,水分含量相對于只添加了GSP的面包芯有所下降,貯藏第1天時,GSP和MA復配制作的面包芯水分損失率明顯高于單獨添加GSP的面包,但隨著貯藏期的延長,經GSP和MA復配的面包芯的水分含量下降速率降低,貯藏3～7 d的GSP制作的面包芯的水分含量明顯下降,水分損失率均高于添加GSP和MA的面包芯。這說明MA的添加雖然會使水分含量有下降的變化,但同時也使水分損失率明顯降低,這一結果與有機酸對水分含量的影響一致[9],因此MA和GSP可以協同緩解貯藏期間水分含量的下降。這可能是因為MA為蛋白酶活性的提高創造適宜的酸性環境并促進面筋蛋白的水解,使面筋蛋白水分結合能力下降,導致水分含量降低,而CURTI等[24]發現面筋蛋白含量較高的面包其面包芯水分含量明顯高于普通面包,由此證明面筋蛋白網絡對面包水分含量至關重要。

2.3 GSP協同MA對貯藏期間面包硬度的影響

面包硬度的變化是貯藏期間發生老化的一個重要參數。添加GSP和MA后面包的硬度的變化如圖2所示。

a-GSP添加組;b-GSP-MA添加組圖2 貯藏期間面包硬度的變化Fig.2 Changes in the hardness of bread during storage

GSP的加入使面包具有較大的硬度,這可能是GSP和面包中的面筋蛋白相互作用的結果,GSP具有增強面筋筋力的作用。但隨著貯藏時間的增加,對照面包其硬度的增長速度高于GSP制作的面包,添加GSP的面包在3 d開始硬度逐漸低于對照面包。貯藏7 d時添加0.1%、0.3%和0.5% GSP的面包的硬度相對于對照組分別下降了9.91%、9.92%、2.62%。正如報道的那樣,酚類化合物能夠通過氫鍵與蛋白質和淀粉形成絡合物,GSP和面包中的成分之間的復雜相互作用可能是造成觀察到的老化抑制作用的原因[23]。

經GSP烘焙的面包加入不同濃度的MA有助于降低面包的硬度,MA的低pH對面包芯有軟化的作用。貯藏期間同時添加了GSP和MA面包硬度始終低于GSP烘焙的面包。貯藏1 d時,與0.3%GSP相比,0.3% GSP-0.1% MA、0.3% GSP-0.3% MA和0.3% GSP-0.5% MA的共同添加使面包的硬度分別下降了1.51%、19.05%、25.61%,貯藏7 d后0.3% GSP-0.1% MA、0.3% GSP-0.3% MA和0.3% GSP-0.5% MA面包的硬度相對于0.3% GSP的面包降低了9.34%、10.49%、8.04%。綜上面包中添加MA可以降低貯藏期間面包芯的硬度,從而延緩面包短期老化,這和SU等[9]的研究一致,在面包中添加不同濃度和種類的有機酸可以降低貯藏期間面包硬度。

2.4 GSP協同蘋果酸對貯藏期間面包水分分布和遷移的影響

水分遷移是面包老化的重要因素。貯藏0 d和5 d的面包水分分布情況如圖3所示。

a-GSP添加組;b-GSP-MA添加組圖3 貯藏期間不同濃度的GSP和MA的面包水分分布圖Fig.3 Moisture distribution of bread with different concentrations of GSP and MA during storage

T21(<1 ms)、T22(≈10 ms)、T23(>100 ms)分別代表緊密結合水、弱結合水和自由水,A21、A22、A23分別代表這3個峰所占的百分比。GSP和MA的添加均降低了弛豫時間,此時水分的流動性較小,這表明GSP和MA有助于面包保持良好的持水性。隨著貯藏時間的增加,信號強度的降低表明水分的流失[25]。在貯藏5、7 d時,添加了GSP的面包的弛豫時間大于對照組,A21和A22分別代表與面筋網絡和淀粉結合的那部分水[26],隨著GSP的增加,A21和A22的含量也不斷增加,這表明GSP和面包中的面筋蛋白、淀粉發生了相互作用,并且隨著貯藏時間的增加,添加GSP的面包A21、A22下降速率低于對照,和前期水分含量的變化結果一致,GSP可以降低面包中水分含量的下降速率。圖3中可以觀察到A21的含量隨著不同濃度的GSP中MA濃度的增加而降低,而A22反之。尤其在低濃度的GSP中效果更明顯,這說明MA對面筋蛋白的弱化使得面筋網絡的持水性降低,面筋蛋白的弱化暴露出了更多淀粉顆粒[27],高濃度的GSP增強面筋的作用使弱化的效果減弱。

2.5 GSP協同MA對貯藏期間面包回生焓值的影響

淀粉的回生會引起面包的老化。以不同濃度的GSP和MA復配的面包芯DSC曲線如圖4所示,不同的貯藏期下面包芯的回生焓值如表2所示,隨著貯藏時間的增加,面包芯回生焓值的增加表明淀粉回生程度加劇。

a-GSP添加組-5 d;b-GSP-MA添加組-5 d圖4 貯藏5 d時不同濃度GSP和MA添加的淀粉DSC曲線Fig.4 DSC curves of starch with different concentrations of GSP and MA at 5 d of storage

表2 不同貯藏時間下面包的回生焓值 單位:J/gTable 2 Retrogradation enthalpy of bread at different storage times

在貯藏5 d時,對照組的回生焓值為2.42 J/g,3種不同濃度的GSP的添加均降低了面包芯的回生焓值,隨著GSP濃度的增加,回生焓值分別達到了2.31、2.24、2.20 J/g,這說明GSP對小麥淀粉的回生有抑制作用,這可能是GSP的羥基與淀粉的側鏈發生了結合,增加了淀粉的空間位阻,阻礙了淀粉分子間的結合,使其不易排列形成晶體結構[28]。在0.3% GSP中添加MA后觀察到峰值溫度的略微增加,此現象可能是由于面筋蛋白經有機酸弱化后,持水性有所下降[29],因而嵌入蛋白網絡結構內部的淀粉顆粒受熱熔融時所能利用的水分減少,只有提高溫度才能使無定形區溶解。不同濃度的MA添加到0.3% GSP中也進一步降低了面包芯的回生焓值,這可能是MA對面包的酸化作用,淀粉的酸水解造成低分子質量糊精的形成以及淀粉結晶度的下降,從而延緩面包的老化。

2.6 GSP協同MA對貯藏期間面包結晶度的影響

面包貯藏期間淀粉結晶的變化被用來探究面包老化的機理。圖5顯示了面包在貯藏0 d和5 d后的XRD圖譜。糊化過程破壞了淀粉的結晶結構,因此圖中觀察不到樣品明顯的衍射峰。長期回生主要是支鏈淀粉分子的有序重排,持續時間較長,因此貯藏時支鏈淀粉的回生可能引起面包的老化[30]。所有樣品在接近17°(2θ)處均出現明顯的衍射峰,說明面包中支鏈淀粉在貯藏時回生引起面包的老化。位于20°處出現比較完美的V-型結晶結構,這種衍射峰是由脂肪酸、磷脂和直鏈淀粉的復合作用形成的[19]?；厣? d和5 d的XRD圖譜對比表明隨著貯藏時間的增加,淀粉的衍射峰強度增強。貯藏5 d后對照面包的結晶度為17.4%,隨著GSP濃度的增加,淀粉的結晶度分別降至15.8%、15.8%和9.6%。0.3% GSP-0.1% MA、0.3% GSP-0.3% MA和0.3% GSP-0.5% MA制作的面包其結晶度相比于0.3%GSP分別下降了33.54%、36.08%和34.18%。糊化后的淀粉分子隨著貯藏時間的增加發生淀粉的回生,回生程度增加,結晶度也隨之增加[31]。添加GSP和MA后相對結晶度降低表明二者均能通過抑制支鏈淀粉的回生,進而延緩面包老化。GSP中含有大量的羥基,可能通過氫鍵與小麥淀發生相互作用,影響支鏈淀粉的回生[6]。MA處理導致了淀粉的水解,由此降低了淀粉的結晶度,表明MA淀粉具有無定形性質[13]。

a-GSP添加組-0 d;b-GSP-MA添加組-0 d;c-GSP添加組-5 d;d-GSP-MA添加組-5 d圖5 面包在不同貯藏時間下的X射線衍射圖Fig.5 X-ray diffraction patterns of bread at different storage times

3 結論

綜上所述,貯藏期間GSP的親水基團有效幫助面包鎖住水分,MA的加入使水分含量有所下降,但水分損失率明顯降低。貯藏7 d后添加了GSP的面包硬度的下降速率低于對照組,而0.3% GSP-0.1% MA、0.3% GSP-0.3% MA和0.3% GSP-0.5% MA面包的硬度相對于0.3% GSP的面包降低了9.34%、10.49%、8.04%。LF-NMR實驗中添加GSP后A21和A22的含量增加表明GSP和面包中的面筋蛋白、淀粉發生了相互作用,此時MA的加入使面筋網絡的持水性降低,面筋蛋白的弱化暴露出了更多淀粉顆粒。DSC和XRD實驗中淀粉回生焓值和結晶度的下降進一步證明了GSP和MA影響了面包中淀粉的回生,GSP的羥基可能通過氫鍵與小麥淀粉發生相互作用,而MA的加入導致了淀粉的水解,由此降低了淀粉的結晶度,而有關于GSP和MA對面包中面筋蛋白的影響有待研究。