海绵蛋糕因其独特的口感受到消费者喜爱,是世界上消费最多的糕点类食品之一[1]。传统的海绵蛋糕制作对生产工艺要求较为严格,且产品存在口感较差、易老化等问题[2]。随着现代食品工业的发展,乳化剂常被用于制作高质量的蛋糕,其具有改善面糊特性、提升蛋糕比容和质地品质等作用[3]。研究发现,乳化剂的作用机制主要是与蛋糕体系中的蛋白质相互作用形成稳定的气泡膜,提高蛋糊的发泡性和稳定性[4]。当前,蛋糕类食品中添加的乳化剂主要为化学合成的表面活性剂,不能够满足人们对天然、营养、多功能食品乳化剂的需求[5]。因此,挖掘新型、安全、绿色、高效的乳化剂对促进蛋糕类食品品质提升和化学合成乳化剂的补充具有重要意义[6]。

作为一种新型的天然糖脂类阴离子生物表面活性剂,鼠李糖脂(rhamnolipids, RLs)具有乳化、无毒、抑菌、抗癌等多种理化特性和生物学活性[7-8]。RLs由鼠李糖和β-羟基脂肪酸通过o-糖苷键和酯键连接组成,因此具有良好的亲水亲油特性[9]。研究表明,RLs可以大幅度降低水-油两相界面张力,促进两相互溶形成乳状液,并产生排斥力来维持乳液的稳定性[10]。目前,RLs已经作为乳化剂、起泡剂应用于石油开采、化工清洁、日用化妆品等领域[11]。2004年,RLs的食用安全性通过美国环保署的认证,其在食品领域中的应用引起越来越多研究人员关注[12]。KIRAN等[13]研究发现,RLs用于松饼制作中,可以有效降低产品硬度和咀嚼力,提高内聚力和弹性,生产出高质量的软质松饼产品。NITSCHKE等[14]研究RLs在乳制品中的应用,发现其可以改善乳制品品质,也具有抑菌保鲜、延长保质期的作用。然而,关于RLs在海绵蛋糕中的应用研究鲜有报道。

基于此,本论文以海绵蛋糕面糊密度、黏度和糊化特性,成品比容、烘焙损失率、质构和感官评价等为评价指标,探究RLs对海绵蛋糕面糊和成品品质的影响,以期为推动RLs在蛋糕类食品中的应用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料

新鲜鸡蛋、白砂糖,郑州本地超市;低筋小麦粉(粗蛋白含量8.92%、面筋指数25.51%、灰分含量0.38%、水分含量12.17%),湖里人家牌,滕州市鑫银丰面粉厂;鼠李糖脂(纯度>90%),湖州紫金生物科技有限公司;蔗糖酯(sucrose ester,SE),杭州瑞霖化工有限公司。

1.2 仪器与设备

AB204-S型分析天平,瑞士Mettler Toledo公司;SM-10型和面机,新麦机械(无锡)有限公司;BVM 6630型体积测定仪,瑞典Perten公司;TA.XT plus型质构仪,英国Stable Micro System公司;NDJ-8S黏度计,广州镌恒仪器设备有限公司;CR-400型色彩色差计,柯盛行(杭州)仪器有限公司;GC-1100型烤箱,瑞士Kolb公司;MSD701显微镜,迈时迪科技有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 海绵蛋糕配方和制作

参考国标GB/T 24303—2009《粮油检验 小麦粉蛋糕烘焙品质试验 海绵蛋糕法》的方法,以全蛋液260 g、低筋粉200 g、白砂糖220 g作为海绵蛋糕的基础配方。以低筋小麦粉湿基质量为基准,分别添加质量分数为0.05%、0.10%、0.15%和0.20%RLs作为实验组,不添加RLs作为对照组,添加质量分数0.10% SE为阳性对照组。

将全蛋液与白砂糖混合倒入搅拌缸,60 r/min搅拌1 min,充分混匀,再以200 r/min搅拌14 min,后加入RLs,200 r/min搅拌5 min,得到打发好的蛋糊。将称好的低筋粉倒入蛋糊中60 r/min搅拌10 s,快速将内壁蛋糊刮至缸底,60 r/min搅拌20 s后取下搅拌缸,以自流淌出方式将面糊倒入蛋糕模具中。每个模具中面糊为70 g,精确到0.01 g。将模具放入烤箱烘烤,上火为180 ℃,下火为160 ℃,烘烤20 min后迅速取出,冷却至室温。

1.3.2 海绵蛋糕面糊的密度测定和微观结构观察

采用相对密度法,在室温条件下,测定等体积的面糊和水的质量。取一个250 mL量筒,称重记录质量为m0(g);向量筒中加入蒸馏水到最大刻度,称重并记录质量为m1(g);将蒸馏水倒出,在同一量筒中加面糊到相同刻度,称重并记录质量为m2(g)。蒸馏水密度ρ水按1 g/mL计算,面糊密度ρ的计算如公式(1)所示:

(1)

参考郝月慧[15]的方法,将制备的新鲜面糊均匀涂在载玻片上,盖上盖玻片放于光学显微镜载物台上,显微镜物镜倍数为“40×”,目镜倍数为“10×”,对面糊的微观结构进行观测并照相,图片保存为1 200×1 000像素。每组蛋糕样品重复取样5次,每次测定随机选取截图区域。

1.3.3 海绵蛋糕面糊黏度的测定

使用黏度计测量海绵蛋糕面糊制成后的黏度。黏度测试参数:转速3 r/min,最大量程200 000 mPa·S,4#转子头[16]。

1.3.4 海绵蛋糕糊糊化特性的测定

称取10 mg制作好的蛋糕糊,置于差示扫描量热仪的铝盒中,铝盖密封,以密封空铝盒作为对照组,其中的升温程序为25～150 ℃,以10 ℃/min的加热。记录并计算吸热曲线上的起始温度(To)、峰值温度(Tp)、终止温度(Tc)和热焓变化(ΔH)。

1.3.5 海绵蛋糕比容和烘焙损失率的测定

参照AACC 10—14.01的方法,将室温放置30 min的蛋糕置于体积测定仪上,测定蛋糕的比容。

海绵蛋糕的烘焙损失率按公式(2)计算:

烘焙损失率

(2)

式中:m0, 烘焙前面糊质量,g;m1, 烘焙后蛋糕的质量,g。

1.3.6 海绵蛋糕色泽测定

测色仪将蛋糕皮和蛋糕芯遮住测量孔,测定L、a、b值,L表示蛋糕的亮度,a表示蛋糕在红绿方向的色度值,b表示蛋糕在黄蓝方向的色度值。实验组与对照组蛋糕样品间的总色泽差异以ΔE表示,计算如公式(3)所示:

(3)

当ΔE<1时,总色泽差异对人眼不显著;1≤ΔE≤3时,人眼可以观察到微小的色泽差异;ΔE>3时,人眼可观察到显著色泽差异。

1.3.7 海绵蛋糕芯切片气孔结构分析

将烘焙后的海绵蛋糕于室温下冷却1 h后进行蛋糕芯切片气孔结构分析,在SNCHEZ-PARDO等[17]的方法上略加改进。每组选3个蛋糕,切成1 cm×3 cm×3 cm的薄片,每个蛋糕选取中心4个切片,每组共12个切片,利用平板扫描仪对蛋糕切片进行扫描,取蛋糕切片扫描图片中心2 cm×2 cm大小,利用Image J图像分析软件对结果图进行处理和分析。对获得的参数气孔密度(cell density, CD)和气孔表面积分率(area fraction, AF)进行分析。

1.3.8 海绵蛋糕全质构测定

烤箱取出的海绵蛋糕室温下冷却1 h后,进行全质构测定。探头选用P/25,测定前、中、后速度均为1.0 mm/s,压缩水平50%,使用2次压缩,时间间隔为30 s,每组样品平行测定8次。

1.3.9 海绵蛋糕及其面糊的X-射线衍射测定

将蛋糕成品和蛋糕面糊冻干成粉末,过100目筛,紧密地装入玻片压实的样品池中,然后用X射线衍射仪测定样品粉末的结晶度。仪器在40 kV和40 mA的Cu-Kα辐射下运行,以2°/min的扫描速度从5°～30°的衍射角(2θ)进行测量。

1.3.10 海绵蛋糕感官评定

选取10位经过训练且参加过食品感官评定的感官评定人员,按照GB/T 24303—2009中A.2.3～A.2.6对制作的海绵蛋糕进行感官评分,其中比容评分标准按照GB/T 24303—2009中A.1.2中方法进行。

1.3.11 数据分析

无特别说明,以上实验均为3次重复。用Origin 8绘制曲线图,SPSS 18.0进行单因素方差分析,P<0.05,差异显著。

2 结果与分析

2.1 RLs对蛋糕面糊特性的影响

2.1.1 对面糊密度的影响

由表1可知,随着RLs添加量增加,蛋糕面糊的密度呈现先减小后增大的趋势,但均小于对照组,其中添加质量分数0.10%RLs时的面糊密度最小。说明RLs可增加面糊的充气能力,有利于蛋糕比容的增加。

2.1.2 对面糊微观结构的影响

海绵蛋糕面糊是一种复杂的水包油乳化液,鸡蛋-糖-水-脂肪混合物组成连续相,面粉颗粒为分散相,气泡使各相分离[18]。因此,气泡是海绵蛋糕面糊中的重要组成部分,气泡的分布、平均直径和大小一致性可用于评价面糊品质特性[19]。利用显微镜观察不同组的蛋糕面糊气泡微观结构,结果见图1,添加RLs的海绵蛋糕面糊中气泡相对较小且密集,气泡大小分布均匀,有利于烘焙过程中蛋糕芯部形成细密的气孔,从而增大海绵蛋糕的体积。而随着RLs的添加量增加,海绵蛋糕面糊中的气泡数量逐渐增加,说明RLs能够提高面糊的起泡性和气泡稳定性,推测是RLs进入蛋白质表面后,促进气泡厚度和刚性增加[20],面糊消泡能力减弱。已有研究表明,作为乳化剂的SE可提升面糊发泡性能[16],有助于松软细腻蛋糕质地的形成。

2.1.3 对面糊黏度的影响

蛋糕面糊黏度是影响搅打过程中空气吸入量和搅打后气泡融合、移动的一个重要因素,较大的面糊黏度可以有效减缓面糊中气泡的迁移和扩散,促使面糊稳定性的增加,能够有效提升海绵蛋糕品质[21-22]。由表2可知,随着RLs的添加量增加,蛋糕面糊黏度表现为先增加后降低的趋势。其中,添加质量分数0.10%RLs制备的面糊黏度最大,约为对照组的2倍。

而添加质量分数0.20%RLs时的面糊黏度大幅度减小,分析认为是RLs添加量超过临界胶束浓度,形成较大的聚集体,且RLs聚集形态由胶束向较大的多层囊泡进行转变[23],导致RLs的乳化效果降低,面糊黏度减小,持气能力降低,与显微镜观察结果一致。

2.1.4 对面糊糊化的影响

如表3所示,添加RLs引起蛋糕面糊的峰值温度升高,可能是因为RLs可以促进支链淀粉的螺旋结构稳定。由表中的糊化焓可知,添加RLs的蛋糕面糊糊化焓值均增大,推测是淀粉与脂质类分子结合成复合物,导致淀粉在糊化时需要吸收更多的热量,其中添加质量分数0.10%RLs的焓值最大,说明此时形成的络合物数量最多且结晶度最高。

2.1.5 X-射线衍射分析

X射线衍射技术可以用于测定淀粉的结晶度,KATZ等[24]根据X射线衍射图将淀粉不同晶型分成A、B、C三种,A型淀粉主要存在于谷物中,B型淀粉主要存在于块茎、根、果实或高直链淀粉中,C型淀粉主要在根茎、豆类、水果中,V型结晶则是由直链淀粉与有机分子的复合物形成的[25]。从图2-a可以看出,对照组蛋糕面糊分别在15°、17°、18°、20°和23°左右处出现了特征衍射峰,主要来源于面糊中的小麦淀粉[24]。添加RLs的蛋糕面糊特征衍射峰未发生明显变化,说明RLs并未使小麦淀粉的晶体形状发生变化。由图2-b、图2-c可知,与对照组和RLs衍射图谱相比,添加RLs制作的蛋糕成品中在12°、13°、24°、25°左右出现新的衍射峰,表明有新物质的产生。已知V型淀粉在13°左右出峰[25],说明RLs和其他乳化剂一样可以与淀粉络合成复合物。结合结晶度分析,对照组蛋糕样品拟合的结晶度为7.68%,添加质量分数0.05%～0.20%RLs制作的实验组蛋糕样品结晶度分别为8.21%、14.80%、10.24%和11.26%。可以看出,添加质量分数0.10%RLs时的蛋糕内部双螺旋结构较多并有序堆积,晶体完善度增加,使得蛋糕组织更加稳定,推测RLs可以阻止可溶性淀粉的释放,而延缓蛋糕的老化。此外,RLs与淀粉形成较强的V型结构可以减缓面筋中水分向淀粉的迁移,进而阻止了面筋相的硬化,使蛋糕更加松软。

2.2 RLs对海绵蛋糕品质的影响

2.2.1 对海绵蛋糕比容和烘焙损失率的影响

SE是烘焙食品中一种常用的乳化剂,可以有效增大蛋糕体积,使蛋糕内气泡均匀细密,质地细嫩柔软,有效改善蛋糕食用品质[26]。研究并分析RLs对蛋糕糊的影响,综合发现添加质量分数0.10% RLs时的效果较好,因此,在成品海绵蛋糕实验中添加质量分数0.10%SE作为阳性对照进行比较。

比容是衡量烘烤后蛋糕体积膨胀和保持能力的重要指标,是影响消费者购买的一种关键因素。由图3可知,相比于对照组,添加RLs制作的海绵蛋糕比容呈现先增大后减小的趋势,其中添加质量分数0.10%RLs制作的蛋糕比容最大,为(4.35±0.04) mL/g,比对照组产品增大约7%,也比添加质量分数0.10%SE制作的蛋糕比容大,说明RLs在增大海绵蛋糕比容方面具有SE的类似效果。进一步分析发现,添加RLs超过质量分数0.10%时,蛋糕比容逐渐减小,且添加质量分数0.20%RLs的蛋糕比容显著小于对照组(P<0.05)。主要原因可能是过量RLs导致面糊黏度小,打发中面糊充气不佳,持气性较差,而且具有亲水保湿性的RLs引起海绵蛋糕吸水较多、质量显著增加[27]。

烘焙损失率主要是蛋糕在焙烤期间水蒸气的散失,水分丧失会直接影响蛋糕的感官品质,丧失量越多,蛋糕的口感越粗糙,从而降低感官品质。由图3可知,添加质量分数0.10%SE制作蛋糕的烘焙损失率最高,而添加RLs制作的蛋糕焙烤损失率均有所下降,其中添加质量分数0.10%RLs时的效果最佳,说明添加RLs具有较好的持水作用,能够有效减少水分损失。

2.2.2 对海绵蛋糕色泽的影响

Lab颜色模型常用于评价食品色泽,由表4可知,所有组的蛋糕表皮和芯部L、a和b值随RLs添加量增加呈现为波动变化且差异较小,主要是蛋糕表面经烘烤过程产生的焦化反应、美拉德反应和受热不均等原因导致的[28]。计算添加RLs实验组与对照组蛋糕表皮和芯部的总色泽差异值ΔE,得到蛋糕芯部与蛋糕表皮ΔE均小于3.0,表明人眼仅能观察到细微差异,说明添加RLs对蛋糕色泽无显著影响。

2.2.3 对海绵蛋糕芯部气孔结构

CD代表在搅拌过程中气泡的生成数量和焙烤过程中面糊体系气孔的保持率,AF表示气孔总表面积和所取图像面积的比值,AF值越大,说明搅拌过程中混入面糊的气体越多。利用相机和Image J软件对切片蛋糕芯部进行拍照和图像处理后,获得CD值和AF值,结果见图4和表5。蛋糕的CD值和AF值在添加SE或RLs时均有所增加,且随着RLs添加量增加呈现先增大后减小的趋势,其中质量分数0.10%RLs制作蛋糕CD值和AF值最大,而且均高于质量分数0.10%SE组的测定值,说明添加RLs可以增强蛋糕面筋网络结构,提升面糊的持气能力,有助于蛋糕体积的增大,促使蛋糕芯部质地变得松软细腻,与SE具有类似作用。此外,添加质量分数0.15%和0.20%RLs制作蛋糕的CD值和AF值降低,主要是因为蛋糕面糊黏度降低导致搅拌和烘焙时大量气体散失,体系内部分气泡消失,与面糊气孔微观结构观察结果一致。

2.2.4 对质构特性的影响

全质构分析通过对样品的2次压缩来测定食品的质构特性,1次实验过程可将多种质构参数定量出来。其中弹性、内聚性和回复性与海绵蛋糕品质呈正相关,硬度和咀嚼性均与海绵蛋糕品质呈负相关[29]。对于蛋糕硬度,最初的硬化是由于淀粉回生,包括冷却过程中的直链淀粉重结晶[30]。由表6可知,添加RLs制作蛋糕的硬度均显著小于对照组,其中添加0.10%RLs的蛋糕硬度最小,而且添加质量分数0.05%～0.20%RLs制作蛋糕硬度均显著小于质量分数0.10%SE组的蛋糕硬度,表明RLs能够较好地改善蛋糕硬度,且添加量可以比SE使用量更少。咀嚼性能够反映海绵蛋糕对咀嚼的持续抵抗性,添加质量分数0.10%RLs的蛋糕咀嚼性最低,可能是RLs和淀粉形成复合物后,淀粉的吸水能力和溶胀度降低,糊化温度升高,更多的水从体系转移到蛋白质中,从而增加蛋糕的柔软度[31]。添加RLs实验组与对照相海绵蛋糕的弹性、内聚性和回复性数值差异不大。总的来看,添加质量分数0.10%RLs改善海绵蛋糕的质构品质效果最好,且成品口感更加细腻松软。

2.3 海绵蛋糕感官评价

对不同组中的蛋糕成品进行感官评价,结果见图5。

可以看出,添加不同比例RLs制作的蛋糕表面状况和弹柔性得分略有差异。添加RLs制作的蛋糕质地呈蜂窝状、更加细腻松软、口感更好,内部结构评分显著增大。口感评分中,质量分数0.10%RLs制作蛋糕得分最高。综合评分来看,对照组蛋糕的评分最低为73分,质量分数0.10%SE制作的蛋糕评分为77分,与质量分数0.05%RLs组得分相同,而添加质量分数0.1%RLs制作蛋糕的感官评分最高为84分,该结果与全质构分析、气孔结构分析等结果一致。表明添加RLs能够显著改善海绵蛋糕的细腻度和蓬松度,且食用品质和可接受度好,未出现令人不愉悦的口感、气味等现象。因此,RLs在改善海绵蛋糕食用品质方面具有良好的潜在应用价值。

3 结论

RLs可以作为乳化剂用于海绵蛋糕的制作中,能够同时改善蛋糕面糊特性和烘培特性,其中添加质量分数0.10%RLs的作用效果最好。在面糊特性方面,RLs具有减小面糊密度和显著提高面糊黏度、增强面糊起泡和持气能力等作用,从而能够改善面糊的乳化特性。在成品品质方面,具有亲水保湿特性的RLs与SE作用效果类似,能够增加蛋糕持水性、减少烘焙损失率、有效改善传统海绵蛋糕比容小和硬度大的缺点。其中,与对照组相比,添加质量分数0.10%RLs制作的蛋糕比容增大了7.14%,硬度降低了34.65%,均优于质量分数0.10%SE的改善效果,与面糊微观结果具有一致性。同时,RLs可以有效提高蛋糕的热稳定性,且与淀粉形成络合物。感官评分方面,添加质量分数0.10%RLs制作的海绵蛋糕食用品质好、感官接受度高,得分最高为84分,而质量分数0.05%RLs组与质量分数0.10%SE组制作蛋糕评价得分相同,表明低添加量RLs有望替代高添加量SE实现相同的品质改善效果,有助于实现海绵蛋糕生产中乳化剂使用量的降低。

本论文主要围绕单独添加RLs对海绵蛋糕的品质影响展开研究,而实际生产中一般为多种乳化剂和添加剂的联合应用。因此,后续仍需围绕RLs与其他添加剂的复配应用对海绵蛋糕品质的影响展开深入研究。

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Effect of rhamnolipids on sponge cake batter and product quality

SUN Yiming1, NIU Yongwu1*, QIAO Shan1, YANG Yanxiao1, ZHAO Renyong1,2, TIAN Shuangqi1,2*

1(College of Food Science and Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China)2(National Engineering Research Center for Wheat&Corn Further Processing, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China)

ABSTRACT Rhamnolipids is a kind of glycolipid biosurfactants with emulsifying, non-toxic, antibacterial and other activities, which has potential application value in food. In order to explore the application prospect of rhamnolipids in sponge cake, the paste density, viscosity, microstructure, specific volume, baking loss rate, color, pore structure and total texture of sponge cake were measured by adding rhamnolipids in different proportions. At the same time, the sensory evaluation of the cakes was carried out. Results showed that the cake batter density decreased significantly, the viscosity increased and the air holding capacity and foaming property of the batter increased, as 0.05%-0.10% (fraction) rhamnolipids added. Similar to the effect of sucrose esters, adding 0.05%-0.20% ( fraction) rhamnolipids could effectively improve cake quality, of which the addition of 0.10% was more prominent. At this time, the specific volume of reached 4.30 mL/g, about 7% higher than that of the control group. At the same time, the baking loss rate of cake was the smallest, and the color of skin and core had no obvious change. Differential scanning calorimetry and X-ray diffraction analysis showed that rhamnolipids could form a complex with starch, increase the crystallinity of the crystal and improve the thermal stability of the cake. The hardness of the cake made with 0.10% rhamnolipids was 34.65% lower than that of the control group, the cohesion and recovery were significantly improved, and the taste was soft. The highest sensory score was 84. These results could provide reference for improving the quality of sponge cake with rhamnolipids.

Key words rhamnolipids; sponge cake; paste; sensory evaluation; quality

DOI：10.13995/j.cnki.11-1802/ts.032993

引用格式：孙艺铭,牛永武,乔杉,等.鼠李糖脂对海绵蛋糕面糊和成品品质的影响[J].食品与发酵工业,2023,49(19):199-206.SUN Yiming, NIU Yongwu, QIAO Shan, et al.Effect of rhamnolipids on sponge cake batter and product quality[J].Food and Fermentation Industries,2023,49(19):199-206.

第一作者：硕士研究生(牛永武讲师和田双起副教授为共同通信作者,E-mail:niuyw@haut.edu.cn;tianshuangqi@haut.edu.cn)

基金项目：河南工业大学高层次人才科研基金项目(2020BS067);国家自然科学基金青年科学基金项目(32100041);河南工业大学自科创新基金支持计划项目(2021ZKCJ12);河南工业大学青年骨干教师培育计划项目(21420188)

收稿日期：2022-07-18,改回日期:2022-08-28