阿拉伯胶和羧甲基纤维素钠对荞麦面团发酵流变学及烘焙特性的影响

刘 彦1，黄卫宁1,*，贾春利1，王 凤2，RAYAS-DUARTE Patricia3

(1.江南大学 食品科学与技术国家重点实验室，江苏 无锡 214122；2.无锡麦吉贝可生物食品有限公司，江苏 无锡 214131；3.美国俄克拉荷马州立大学农产品与食品研究中心，俄克拉荷马州 斯蒂尔沃特 74078-6055，美国)

摘 要：以含有30%荞麦粉的荞麦面包为基质，研究阿拉伯胶(AG)和羧甲基纤维素钠(CMC)对荞麦面团流变学特性以及面包烘焙特性的影响，添加量分别为质量分数0.5%、1.0%和1.5%(以高筋粉和荞麦粉的总质量为基准)。两种亲水胶体对面团的动态流变学特性影响不同，AG添加后面团的黏性模量和弹性模量均降低；CMC添加后面团的黏性模量和弹性模量均增加，并随着添加量的增加逐渐增加。与空白组样品相比，含AG和CMC的面团总产气量(VT)变化不大，但是面团最大膨胀高度(Hm)、气体释放曲线的最大高度(H’m)、面团出现孔洞的时间(Tx)(面团开始泄漏CO2的时间)以及面团的持气率(R)均增加，特别是CMC作用更加明显。随着AG和CMC添加量的增加，面包的比容由空白组的4.20mL/g分别增加到4.47mL/g和4.78mL/g；当添加量达到1.5%时，面包的硬度分别下降了27.9%和51.5%，面包的内聚性和回复性均得到提高。此外，亲水胶体还使得荞麦面包的气孔表面分率和气孔稠密度增加。

关键词：亲水胶体；荞麦面团；发酵流变学；烘焙；气孔成像分析

Effects of Arabic Gum and Carboxymethylcellulose(CMC) on Rheological and Baking Properties of Buckwheat Dough

LIU Yan1，HUANG Wei-ning1,*，JIA Chun-li1，WANG Feng2，RAYAS-DUARTE Patricia3

(1. State Key Laboratory of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China；2. MagiBake International Co. Ltd.,

Wuxi 214131, China；3. Food and Agricultural Products Research Center, Oklahoma State University, Stillwater 74078-6055, USA)

Abstract：Buckwheat bread was made with 30% flour substitution. The effects of arabic gum (AG) and sodium carboxymethylcellulose (CMC) on rheological properties of dough and baking properties of breads were investigated, with the addition of 0.5%, 1.0% and 1.5% of AG and CMC respectively. The two gums had different effects on rheological properties. Both viscous modulus and elastic modulus of buckwheat dough were decreased after AG was added, while the results showed a positive correlation with CMC. Compared with the control, the total volume of buckwheat dough did not change much after AG and CMC were added, whereas maximum fermentation height (Hm), maximum gas production height (H’m) and retention coefficient (R) were elevated and the start time for dough to lose CO2 (Tx) was delayed. Those results were more significant when CMC was added. With the increase of AG and CMC, the specific volume of bread was elevated from 4.20 mL/g for the control to 4.47 mL/g and 4.78 mL/g, respectively. As the substitution was up to 1.5%, the hardness of bread was decreased by 27.9% and 51.5%, and the cohesiveness and resilience were also improved. Besides the area fraction and cell density of buckwheat bread became higher when hydrocolloids were added.

Key words：hydrocolloid；buckwheat dough；rheology；baking；image analysis

中图分类号：TS201.7 文献标志码：A 文章编号：1002-6630(2013)17-0005-05

doi:10.7506/spkx1002-6630-201317002

荞麦有很高的营养价值，除拥有淀粉可以作为能源物质外，还含有丰富的蛋白质、膳食纤维以及不饱和脂肪酸[1-2]。此外，荞麦含有丰富的芦丁和槲皮黄酮-3-芦丁糖苷等物质，具有抗氧化、抗炎症和抗癌等作用，并且可以降低高血压的患病几率。Sedej等[3]研究添加荞麦粉的小麦粉的抗氧化性，发现荞麦粉的添加使得混合物有较好的抗氧化性，而这主要是由于荞麦粉中芦丁等物质的含量高。在小麦面包中添加荞麦粉可以增加面包中的抗氧化物质(芦丁、3-黄酮醇、酚酸及其衍生物)的含量，赋予面包产品抗氧化性[4]。面包结构的承载体主要由面筋蛋白组成，形成面包的各种特性。由于荞麦粉中没有面筋蛋白，导致其烘焙品质下降，制作的面包比容小、易破碎、颜色较差[5]。

亲水胶体被广泛用于面包制作中来改善面包的品质[6-9]。Rosell等[10]研究不同的胶体对面团流变学特性和面包烘焙学特性的影响，发现卡拉胶和羟丙基甲基纤维素(HPMC)可以增加面包的比容，减小面包的硬度。Armero等[11]用羧甲基纤维素钠(CMC)和HPMC改善白面包和全麦面包的品质。还有研究者将亲水胶体用于无筋体系的改良中，包括增加持水性和改善烘焙特性。研究发现果胶、CMC、琼脂糖和β-葡聚糖等可以显著改善无筋面包的品质，增加面包的比容、减小面包硬度、增加多孔性和弹性[12]。而HPMC和β-葡聚糖可以作为玉米无筋面包的改良剂，增加面团的黏弹性，改善面包的品质[13]。Peressini等[14]发现亲水胶体还可用于提高大米-荞麦混合粉的烘焙特性。但是关于亲水胶体在荞麦面包中的应用研究报道目前还很少。

本实验主要研究AG和CMC对含30%荞麦粉的面团流变学特性的影响，包括动态流变学和发酵流变学特性；并通过对面包比容、质构以及面包芯结构进行分析，研究其对面包烘焙特性的影响，以期为开发营养健康的荞麦面包烘焙食品提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

荞麦粉(水分13.71%、灰分1.24%、脂肪10.27%、蛋白质16.01%) 内蒙古赤峰乡野公司；高筋粉(水分14.12%、灰分0.26%、脂肪3.46%、蛋白质12.45%) 中粮面业鹏泰有限公司。

CMC(FH9，耐酸型) 北京矿冶研究院；阿拉伯胶AG(黏度在25%水溶液，25°/h条件下70～1.4Pa•s) 天津安文水溶胶科技有限公司；即发干酵母 广东梅山马利酵母有限公司；白砂糖、起酥油、精盐等均为食用级。

1.2 仪器与设备

SM-25搅拌机、SPC-40SP醒发箱、SM-503＋1S烤炉、SM-302N型切片机 新麦机械(无锡)有限公司；TA-XT2i质构仪 英国Stable Micro System公司；F3发酵流变仪 法国Chopin公司；动态流变仪 美国TA仪器公司。

1.3 方法

1.3.1 荞麦面包的制作

荞麦面包的制作配方为：高筋粉质量分数70%、荞麦粉30%，酵母、糖和起酥油添加质量分数分别为1.5%、6%和6%(以高筋粉和荞麦粉的总质量为基准)。各种亲水胶体采用3种不同的添加梯度，分别为0.5%、1.0%和1.5%。面包制作的加水量由酶流变分析仪Mixolab测定的最佳吸水率确定(数据未显示)：空白为53%，添加AG 0.5%、1.0%和1.5%时的加水量分别为54%、55%和57%，添加CMC 0.5%、1.0%和1.5%时的加水量分别为54%、55.5%和57%。将所有原料混合，慢速搅拌成团，再快速搅拌至面筋网络结构形成，取面团在室温条件下覆膜静置松弛10min。然后切割、整形，并于温度38℃、相对湿度85%的条件下发酵1.5h。最后进行烘焙22min(上火170℃、下火210℃)。

1.3.2 面团动态流变学特性的研究

面团的制作与面包面团相同，但由于在有酵母添加的情况下面团易醒发，影响面团的流变学特性，因此，在测定流变学特性的面团中不含酵母。将搅拌好的面团分割成质量为2.5g的小块，采用安装有直径为40mm的平板动态流变仪对面团流变学特性进行研究，各参数是25℃、扫描频率0.1～40Hz、应变0.5%。

1.3.3 面团发酵流变学特性的研究

使用F3发酵流变仪对面包的发酵流变学进行分析。面团的制作与面包面团的制作相同，测定条件为：面团250g、砝码质量1kg、温度38℃、测定时间3h。每个样品重复2次，取平均值。

1.3.4 面包的比容测定

比容测定采用油菜籽替代法。面包在完成烘焙后，在室温放置1h，进行测定，按照下式进行计算。

1.3.5 面包质构的分析

将室温条件下放置1h的面包切成厚度为20mm的厚薄均匀的薄片，取中间2片用质构仪对其进行质构分析，参数为：探头型号P/25，测试前速率1.0mm/s，测试速率3.0mm/s，测试后速率3.0mm/s，压缩程度50%，重复4次，取平均值。

1.3.6 面包芯气孔成像分析

该技术为面包芯气孔成像并分析其结构的方法，将面包切片，用平面扫描仪进行扫描，设定分辨率为600dpi。在扫描所得到的面包图像的不同位置取3cm×3cm大小的图像4次，用Image J软件进行分析，阈值选择Otsu thresholding[15]技术，分析方法在Ozkoc等[16]的方法上略有改进，测定直径范围在0.1～100mm之间气泡的个数、平均面积(AS)、气孔表面分率(AF)和气孔稠密度(CD)等参数，求平均值。

1.4 数据分析处理

采用SPSS 16.0及Excel 2007进行数据统计分析。运用方差分析方法(ANOVA)进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 亲水胶体对荞麦面团动态流变学特性的影响

图 1 不同亲水胶体对荞麦面团黏性模量(a)和弹性模量(b)的影响

Fig.1 Effects of different hydrocolloids on G“ (a) and G' (b) of buckwheat dough

由图1可知，面团体现的是一种类似胶体的现象，因为在整个剪切频率范围内弹性模量(G′)总是大于黏性模量(G″)，并且两者是与频率相关的。图1a显示的是两种亲水胶体对面团G″的影响，可以看出AG和CMC均会对面团的G″产生明显的作用。与空白样品相比，加入AG会使得面团的G″降低；而含CMC的面团的G″显著增加，并且随着其添加量的增加面团的G″增加。面团的G′随着亲水胶体添加也会发生明显变化(图1b)，整体变化趋势与G″相似。亲水胶体的聚合或是自身的链接可增加面团的强度，而亲水胶体与淀粉及面筋蛋白的相互作用也会对面团的黏弹性产生不同程度的影响[14]。Correa等[17]发现在有盐存在的情况下，CMC的加入使得面团的弹性增加。在Barcenas等[18]的研究中报道了AG可以增加面筋蛋白的黏弹性模量，与本研究结果不同，这可能由于采用了不同的加水量，前者为固定加水量，而后者则根据亲水胶体对吸水率的影响，采用了不同的水分添加量。而面团中水分含量对面团的黏弹性影响很大 [12,19]。

AG与CMC对荞麦面团体系黏弹性的影响差异可能是由于两种亲水胶体的不同特性引起的。AG是树胶醛糖、半乳糖和葡萄糖醛等小分子聚合物，与蛋白质中的基团产生氢键或非氢键结合，流动性较强，Bhattacharya等[20]发现AG与面粉中的可溶性成分和浸出的部分链接，但是链接非常松弛。而CMC为阴离子纤维素醚，在添加后亲水部分与蛋白质中的基团产生氢键或非氢键结合，增加面筋网络结构的强度。

tanδ=G″/G′用来描述面团体系中的高聚物的含量和聚合度，其值越小则高聚物的含量越多，聚合度越大。由图2可知，添加亲水胶体后面团的tanδ都比空白组有所减小，说明亲水胶体的加入使得面团中高聚物含量增加，可能导致聚合度增大。其中AG加入后面团的tanδ随着添加量的增加而降低，这与Bárcenas等[18]的报道一致；含CMC的面团其tanδ值与空白组样品比要低得多，但随着添加量的增加有所上升，这可能是由于CMC对面团黏性模量的增加程度比弹性模量大。Lazaridou等[12]发现添加CMC后面团的tanδ降低。

字母不同表示差异显著(P≤0.05)。下同。

图 2 不同亲水胶体对荞麦面团tanδ的影响(频率为1Hz)

Fig.2 Effects of different hydrocolloids on tanδ of buckwheat dough(frequency was 1 Hz)

2.2 亲水胶体对荞麦面团发酵流变学特性的影响

表 1 不同亲水胶体对荞麦面团发酵流变学特性的影响(

x

±s)

Table 1 Effects of different hydrocolloids on rheological properties of buckwheat dough (

x

±s)

注：同列字母不同表示差异显著(P≤0.05)。下同。

F3发酵流变仪原理是模拟面团的发酵过程，可以提供面团发酵全程中各时间点的发酵参数，可以直观地反映面筋蛋白网络结构的特性。由表1可知，面团的持气率(R)普遍较低，这是由于面团中添加了30%的无面筋蛋白的荞麦粉。与空白组样品相比，含亲水胶体的面团总产气量(VT)变化不大。添加亲水胶体后，面团最大膨胀高度(Hm)、气体释放曲线的最大高度(H′m)和面团出现孔洞的时间(Tx)(面团开始泄漏CO2的时间)增加，在AG和CMC添加量为1.5%时，Tx分别由空白组的49.5min增加到了57.5min和62.0min，R也增大，特别是CMC在添加量为1.5%时R增大到76.3%，其对面团的发酵流变学特性的改善作用比AG更明显，随着其添加量的增加，发酵流变学参数都有显著增加。这可能是因为面团中高聚物含量的增加导致面团面筋网络结构强度增加，从而增大了面团的持气率。此外，Lazaridou等[12]研究发现在大米无筋体系(含玉米淀粉)中多糖派生物如CMC，除了含有亲水基团可以增加持水率外还含有疏水基团，这些基团可以增加面团醒发中的表面活力，还可以在烘焙中形成凝胶网络，这些网络可以增加黏弹性和气泡扩展中的界面张力，从而增加持气率。Rosell[10]、Correa[17]等研究发现在小麦面团中添加胶体可以延长面团出现孔洞的时间。

2.3 亲水胶体对荞麦面包烘焙特性的影响

2.3.1 亲水胶体对荞麦面包比容的影响

图 3 不同亲水胶体对荞麦面包比容的影响

Fig.3 Effects of different hydrocolloids on specific volume of buxkwheat bread

由图3可知，在不含亲水胶体的空白组中，面包的比容较小，为4.20mL/g，而在引入AG和CMC这两种亲水胶体后面包的比容都有明显增加，且随着添加量的增加而增大，特别是含有CMC的面包。当添加量为1.5%时，含有AG和CMC的面包的比容分别为4.47mL/g和4.78mL/g。这是因为亲水胶体与蛋白质基团发生氢键或非氢键结合，改善面团的形成和面团的持气率，增加面筋网络结构的黏弹性[20]。

2.3.2 亲水胶体对荞麦面包质构的影响

表2中硬度、胶黏性和咀嚼性的数据与面包的品质成负相关，数值越大面包的口感越差；内聚性和回复性与面包的品质成正相关，数值越大面包的口感越好。可以看出，随着AG和CMC添加量的增加，面包的硬度减小，与空白组样品相比，含1.5% AG和CMC的面包样品的硬度分别下降了27.9%和51.5%。这可能是因为亲水胶体加入后面包比容增加，并且亲水胶体增加了面团的吸水量，二者都可以使得面包的硬度减小。胶黏性值随着亲水胶体含量的增加而变小。添加亲水胶体后，面包的咀嚼性降低，咀嚼性越小，面包口感越柔软，弹性和柔韧性增加。AG使得面包的内聚性升高，但是不同添加量之间的差异不显著；随着CMC的添加，面包的内聚性逐渐升高。两种亲水胶体的加入都会使面包的回复性上升，但是同类亲水胶体组间差异并不显著。

表 2 不同亲水胶体对荞麦面包全质构的影响(

x

±s，n=8)

Table 2 Effects of different hydrocolloids on TPA of buckwheat bread(

x

±s，n=8)

2.3.3 亲水胶体对荞麦面包芯气孔成像分析的影响

表 3 不同亲水胶体对面包芯气孔的影响(

x

±s，n=8)

Table 3 Effects of different hydrocolloids on image analysis of buckwheat bread crumb (

x

±s，n=8)

注：AS值为气泡的平均面积；AF值为气孔表面分率，是气孔总表面积与图像面积的比值；CD值为气孔稠密度，即气孔个数与图像面积的比值。

气孔的分布是面团组分综合作用的结果，好的面包，面包的气孔分布比较均匀，气孔的平均表面积适中。面包中气孔率和气泡分布的均一性对面包的品质有重要影响。由表3可知，除含0.5% AG的面包样品外，在添加各种亲水胶体后面包芯图像中气孔个数均有显著增加，这可能是因为亲水胶体的加入可形成厚的气泡外壁，减少单独气泡的合并。亲水胶体的加入使得AS值增加，在AG和CMC添加量为1.5%时，AS分别由空白组的523183.39μm2增大到了569720.07μm2和630148.73μm2，这反映出气孔的持气率增加，可以包住更多的气体[16]，该结果与面团发酵流变学特性的研究结果一致。在加入AG和CMC后，面包样品的AF值和CD值都增加，在AG和CMC添加量为1.5%时，AF分别由空白组的33.65%增加到37.23%和42.54%，CD值分别从64.22cells/cm2增加到68.00cells/cm2和67.44cells/cm2，这与面包的比容增加一致。

3 结 论

在含有30%荞麦粉的小麦面包中添加亲水胶体可以显著改善面团和面包的品质。AG和CMC均会对面团的黏弹性模量产生明显的作用，当面团中添加AG后，面团的黏弹性模量降低，添加CMC后面团的黏弹性模量均增加，但与未添加亲水胶体的空白组样品相比，二者均使面团的tanδ值变小；AG和CMC对面团总产气量(VT)的影响不大，面团的最大膨胀高度(Hm)和气体释放曲线的最大高度(H′m)均增加，面团出现孔洞的时间(Tx)显著延长，在AG和CMC添加量由0%增至1.5%时，Tx分别由49.5min增加到了57.5min和62.0min，面包的持气率(R)增加，在AG和CMC添加量增至1.5%时，面团的R分别增加到73.1%和76.3%；面包的比容增加；面包的硬度、胶黏性和咀嚼性减小，内聚性和回复性增加，与空白组样品相比，含1.5% AG和CMC的面包样品的硬度分别下降了27.9%和51.5%；面包图像内气泡的个数增加，气泡平均面积(AS)增大，在AG和CMC添加量由0%增至1.5%时，AS分别由523183.39μm2增大到了569720.07μm2和630148.73μm2，气孔表面分率(AF)和气孔稠密度(CD)值也均增加。

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