氧化魔芋葡甘聚糖对面团特性及面包品质的影响

近年来，随着人们生活水平的不断提高以及代谢综合征、心血管疾病和糖尿病等慢性疾病的频发，高品质、高营养健康食品的需求量日益增加。面包因其易加工性、易消化性及独特口感成为一种重要的方便主食，但存在膳食纤维不足和易老化变质等问题，无法满足人们对高品质健康食品的需求[1]。

魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan, KGM)是一种天然可溶性膳食纤维，是魔芋中的主要活性成分，具有调节血糖血脂与改善肠道功能等生理功效[2]，且已有研究发现KGM能有效延缓面包的老化[3]。然而，KGM分子质量和黏度较高，直接加入面粉中会影响面筋的形成，从而降低面制品的品质[4]。研究表明，降解后的KGM能有效增加面包的弹性，延缓面包的老化并增强面团的面筋结构[5-6]。目前，KGM常用的降解方法包括酸解法、酶解法、化学氧化法等。其中，酸解法的条件剧烈且难以控制，酶解法成本较高，而化学氧化法不仅能有效降解KGM，还可以引入醛基或羧基等亲水基团，其产物氧化魔芋葡甘聚糖(oxidized konjac glucomannan，OKGM)具有更优良的亲水性与生理活性[7-8]。然而，常用氧化剂如高碘酸钠、次氯酸钠等的残留问题难以满足健康食品的要求[9]，而臭氧除具备强氧化力外，还绿色无残留，价格低廉,易制备。

至今，关于臭氧氧化制备的OKGM对面团特性及面包品质影响的研究鲜有报道。因此，本研究采用微波协同臭氧氧化的方法制备不同取代度的OKGM，并将其加入小麦粉中制备面团和面包，旨在探究OKGM对面团特性及面包品质的影响。为了进一步说明OKGM中基团的特殊作用，对比分析了同分子质量OKGM和酶解KGM的对面团、面包品质影响的差异。为了解OKGM对面团加工性能及面包品质的影响，同时为OKGM在面制品中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

KGM(纯度>95%)，湖北十堰花仙子有限公司；β-甘露聚糖酶(酶活性为60 000 U/g)，北京索莱宝科技有限公司；高筋小麦粉(水分含量为13.6%，蛋白质含量为11.0%，脂肪含量为1.6%，湿面筋含量 33.0%)，益海嘉里(重庆)粮油有限公司；干酵母、黄油、食盐、白砂糖等，市售。

1.2 仪器与设备

FL-815Y臭氧消毒机，深圳市飞立电器科技有限公司；XH-300B微波超声波组合催化/合成萃取仪，北京祥鹄科技发展有限公司；LGJ-10真空冷冻干燥机，北京松源华兴科技发展有限公司；NDJ-8S数显黏度计，上海衡平仪器仪表厂；Waters 2414凝胶渗透色谱仪(gel permeation chromatograph，GPC)，美国Waters公司；多功能和面机，广东东菱电器有限公司；BSC恒温恒湿箱，上海博迅实业有限公司医疗设备厂；HL-2DW远红外电热烤箱，广州番禹成功烘焙设备有限公司；Mixolab混合实验仪，法国肖邦公司；TA动态流变仪，英国仪器公司；TA-XT plus质构仪，英国Stable Micro Systems公司。

1.3 实验方法

1.3.1 OKGM的制备与理化性质的测定

1.3.1.1 OKGM的制备

OKGM的制备：根据本实验室已有的方法[10]并稍作修改，采用微波协同臭氧处理的方法制备OKGM，将臭氧处理时间控制在20、40、100 min，样品醇沉后真空冷冻干燥24 h，经粉碎研磨即得到OKGM粉末。不同时间处理的样品分别标记为OKGM-20、OKGM-40、OKGM-100。

酶解KGM的制备：根据前期预试验的结果，确定本方法可制得与OKGM-100同分子质量的酶解KGM。取2 g KGM，置于250 mL烧杯中，加入150 mL蒸馏水，在50 ℃水浴下不断搅拌至完全溶胀。随后加入β-甘露聚糖酶30 U/g，磁力搅拌下反应50 min后，迅速取出，于100 ℃水浴灭活15 min。样品醇沉后真空冷冻干燥24 h，经粉碎研磨即得到酶解KGM粉末，标记为EKGM。

1.3.1.2 OKGM理化性质的测定

分子质量的测定：采用凝胶渗透色谱法测定。检测条件：以超纯水为流动相，示差折光检测器检测，流速1.0 mL /min，柱温35 ℃，进样量20 μL，选用Ultrahydrogel Column(7.8 mm×300 mm)凝胶色谱柱。

表观黏度的测定：参照NY/T 494—2010《魔芋粉》测定。

羧基取代度的测定：参照张锐等[11]的方法测定，取代度(degree of substitution，DS)计算如公式(1)所示：

式中：A为中和OKGM所消耗的NaOH溶液的量，mmol/g；0.162为葡甘聚糖结构单元的毫摩尔质量，g/mmol；0.044为羧基的毫摩尔质量，g/mmol。

红外光谱的测定：参照KURT等[12]的方法并稍作修改，选择波数为650～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1，扫描次数32次。

1.3.2 面包的制作

面包基础配方包括：高筋小麦粉，KGM样品0.2%(空白组不添加)，酵母1.5%，白砂糖10%，食盐1%，黄油8%(均以高筋小麦粉质量计)，水根据测得的最佳吸水率添加。将原料(黄油除外)放入和面机中，低速搅拌5 min，混匀后中速搅拌面团至八成筋，后添加提前软化的黄油，高速搅拌至面筋膜完全形成。将面团置于恒温恒湿箱中(温度35 ℃、相对湿度85%)醒发1 h，分割面团为40 g/个，快速塑型后再次醒发40 min，随后放入烤箱中185 ℃烘烤20 min，冷却1 h后包装、待测。剩余部分面包于4 ℃下贮藏1、3、5、7 d。

1.3.3 面团理化性质的测定

1.3.3.1 粉质特性的测定

在小麦粉中分别添加一定质量分数(0.2%)的KGM样品，混合均匀。以不加KGM样品的小麦粉作为空白对照。参考MENG等[13]的方法，选用Mixolab混合实验仪进行测定，模式选用标准Chopin+模式。

1.3.3.2 动态流变学特性的测定

根据1.3.3.1测得的吸水率确定最佳加水量，将各组KGM样品(0.2%)与小麦粉分别在和面机中混揉8 min形成面团，以不加KGM样品的面团作为空白对照。制得的面团用保鲜膜包裹于25 ℃下放置15 min。测定条件：选择圆形平板探头(直径为25 mm)，应变振幅0.1%，扫描频率范围0.1～20 Hz，间距2 mm，25 ℃下平衡180 s。

1.3.3.3 拉伸特性的测定

面团的制备方法同1.3.3.2将各组面团分别于25 ℃下醒发45、90、135 min。参照郑万琴等[14]的方法，采用质构仪进行拉伸测试，探头型号：A/KIE。

1.3.3.4 发酵体积的测定

参考WANG等[15]的方法稍作修改，取1.3.2中的面团分割为15 g/份，置于预先涂油的100 mL量筒中整平至15 mL，放置于恒温恒湿箱中(温度35 ℃、相对湿度85%)，每隔15 min记录1次发酵体积，总发酵时间为300 min。

1.3.4 面包理化品质的测定

pH的测定：参考

等[16]的方法并稍作修改，将7.5 g新鲜面包芯样品溶于50 mL纯水中，于磁力搅拌条件下混合30 min，混匀后静置15 min，随后用pH计测定上清液的pH值。

比容的测定：采用小米体积替换法测定面包体积，称重，并计算体积与质量的比值得到比容。

保质期的测定：参照BARBER等[17]通过直接观察法来评估面包的保质期。空白组和实验组面包分别以10个为1组，置于恒温恒湿箱中(温度25 ℃，相对湿度45%)，直到面包表皮出现肉眼可见的霉菌菌落。当每组面包中有3个发生明显霉变时，保质期结束。

1.3.5 面包贮藏品质的测定

贮藏期间面包的水分含量参照GB/T 5009.3—2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》测定，面包硬度参照王宝贝等[18]的方法测定。

1.4 数据处理与分析

数据处理与显著性分析分别使用Microsoft Excel 2010与SPSS 19.0软件(P<0.05说明差异显著)，数据结果除分子质量外均表示为平均值±标准偏差(n=3)，所有的图均采用Origin 9.0软件制作。

2 结果与分析

2.1 OKGM理化性质的分析

通过控制氧化时间，分别制得了3种不同取代度的OKGM，其分子质量、表观黏度、羧基取代度测定结果见表1。由表1可知，随着臭氧处理时间的延长，OKGM的分子质量减小，表观黏度降低，羧基取代度增加，说明微波协同臭氧能够有效氧化并降解KGM，使得KGM大分子发生裂解。EKGM与OKGM-100的分子质量非常接近，表观黏度值相差不大。由图1可知，不同取代度OKGM的红外光谱图除部分吸收峰强度稍有差异外基本相同，但与KGM、EKGM略有不同。1 400 cm-1附近出现的吸收峰可能来源于羧基的羟基伸缩振动[19]，与KGM、EKGM相比，OKGM在1 400 cm-1处的吸收峰强度明显增强，可能是因为KGM分子中活跃部位的羟基被臭氧氧化成了羧酸导致[10,20]。

2.2 OKGM对面团理化性质的影响

2.2.1 OKGM对面团粉质特性的影响

如表2所示，添加KGM样品均使小麦粉的吸水率显著提高，其中，KGM使小麦粉吸水率增幅最大，由空白组的59.10%增加到61.13%，这是因为KGM作为亲水性胶体，分子结构中含有大量的羟基，能够产生很强的水合作用[21]。添加KGM的面团表现出最低的形成时间、稳定时间和最高的弱化度值，说明添加KGM使面团稳定性与面筋强度有所下降，弱化了面筋蛋白结构。这与SIM等[22]研究结果一致，可能是因为KGM与面筋蛋白竞争水分子但又无法相容故降低了面筋蛋白的稳定性，KGM胶体分子在面团中的空间位阻效应抑制了面筋蛋白的交联作用[23]。OKGM-20虽然也对小麦粉造成了类似的影响，但影响程度降低。相比KGM，添加OKGM的面团弱化度更低，OKGM-40组面团弱化度最低。OKGM均显著降低了面团的回生值，OKGM-20回生值最低，说明OKGM-20抗老化效果最好。相比EKGM，添加OKGM-100的面团形成时间更低，弱化度更高，说明OKGM-100弱化了面筋蛋白结构，可能是因为过度氧化的OKGM-100中含有较多的羧基基团可电离出大量氢离子，大量净正电荷的产生增大了分子间的静电斥力，促使面筋蛋白的展开和疏水基团的暴露，从而增大了面筋蛋白的溶解度并使其结构弱化[24]。综合来看，OKGM-40对于面团的粉质特性有较好的影响。

2.2.2 OKGM对面团动态流变学特性的影响

如图2所示，所有面团样品的储能模量G′和耗能模量G″均随频率的增加而增加，G′始终高于G″，表明面团弹性性质占主导地位，面团样品表现出典型的类固体行为。除EKGM组外，其余各组面团的G′和G″均大于空白组。OKGM的取代度越小，面团的G′和G″越大，OKGM-20组面团具有最高的G′与G″。这些现象表明，大分子质量的OKGM可明显增大面团的黏弹性，可能是因为淀粉颗粒被OKGM分子链包裹，大量游离水所在区域被高黏度的OKGM分散液取代，使得黏度普遍增加，从而导致面团G′和G″增加[25]。相比KGM，添加OKGM-20、OKGM-40使面团的G′与G″更高，可能是因为OKGM含有具有亲水性的羧基基团，水结合能力提高，可通过与面筋蛋白分子竞争水分使面团不完全水合，故导致面团的G′与G″升高[26]。

2.2.3 OKGM对面团拉伸特性的影响

不同醒发时间段面团的拉伸参数测定结果如表3所示。较大的拉伸能量代表面团具有较强的筋力，较高的拉伸阻力则反映出良好的持气性，面团的延伸度与麦醇溶蛋白有关，延伸度越大说明其延展性越好[27]。醒发45 min时，OKGM-20、OKGM-40组面团的拉伸能量、拉伸阻力和延伸度均显著高于空白组，说明二者均有效增加了面团的筋力、持气性和延展性。醒发90 min时，OKGM-40组面团拉伸能量最高，说明此时OKGM-40组面团依然具有较强的筋力，面团的发酵耐力好。醒发135 min时，各组面团的拉伸能量相较于90 min时都出现了较为明显的下降，可能是因为发酵过度导致面团的筋力变弱，此时KGM组面团的拉伸阻力最大，但延伸度最低，说明添加KGM会使面团的硬度增加，阻碍发酵过程中面团膨胀。与EKGM组面团相比，OKGM-100组面团在醒发中后期(90 min、145 min)时各指标在数值上均有所降低，说明随着醒发时间的延长，OKGM-100对面团拉伸特性产生了不良影响，结合面团的粉质特性结果来看，这可能归因于OKGM-100中羧基营造的较强酸性条件对面筋网络强度的弱化作用。以上结果表明，OKGM-40可有效增大面团的筋力、持气性及延展性，其适宜醒发时间为90 min左右。

2.2.4 OKGM对面团发酵体积的影响

由图3可知，各组面团的发酵体积均随时间的延长先迅速增加，在75 min达到最大值，后逐渐降低。最终发酵体积OKGM-40>OKGM-20>KGM>OKGM-100>EKGM>空白组，说明KGM及其降解产物均有利于促进面团发酵。OKGM-40组面团发酵体积最大，表明添加OKGM-40使面团具有最强的持气性与发酵耐力，进一步证实了拉伸特性与粉质特性分析结果。与EKGM组面团相比，OKGM-100组面团发酵体积更大，可能是因为OKGM-100中羧基营造的酸性条件有利于酵母菌的生长繁殖，从而增加了产气量。

2.3 OKGM对面包理化品质的影响

面包比容反映了面包的烘焙品质，由表4可知，各实验组面包的比容均显著大于空白组，说明KGM及其降解产物均有利于改善面包的比容。其中，OKGM-40改善面包比容的效果最佳，由空白组的4.05 mL/g增大到4.68 mL/g，这与面团发酵体积的结果趋势相同。与空白组相比，OKGM处理组面包的pH显著降低，保质期显著增加。其中OKGM-100对面包酸化作用最明显，pH值由空白组的5.81降低至5.23，保质期延长至空白组的1.6倍，说明添加OKGM可以有效延长面包的保质期。保质期、pH和羧基取代度之间呈现明显的相关性，取代度越高，面包pH越低，面包的保质期越长，推测可能是因为OKGM中的羧基使得面包体系呈现弱酸性，而这样的酸性条件抑制了贮藏过程中部分有害微生物的生长繁殖，酸性越强抑制效果越明显。

2.4 OKGM对面包储藏品质的影响

由图4-a可知，各组面包的水分含量均随贮藏时间的延长而不同程度的降低。除EKGM组以外，其余各实验组面包的水分含量均始终高于空白组，OKGM-100组面包水分含量最高。在贮藏第7天时，空白、KGM、OKGM-20、OKGM-40、OKGM-100和EKGM组面包含水量分别减少了19.2%、18.5%、18.1%、16.5%、16.5%和19.6%(相比第1天)，说明添加OKGM可使面包水分散失量明显减少，其中OKGM-40、OKGM-100的添加明显提高了面包的保水性，推测可能是因为OKGM中的羧基基团具有亲水性，使水分子与蛋白质-淀粉网络结构紧密连接，不易逸出，故有效减少了水分散失[3]。由图4-b可知，各组面包的硬度均随贮藏时间的延长而增大，说明随着时间的延长面包老化程度加剧。各实验组面包在贮藏期间硬度均低于空白组，OKGM-20组面包硬度最低，说明添加KGM及其降解产物均有利于延缓面包的老化，OKGM-20效果最明显。在贮藏7 d时，空白组面包硬度增加了1 699 g，而KGM、OKGM-20、OKGM-40、OKGM-100及EKGM组面包分别增加了1 329、1 380、1 392、1 527、1 577 g(相比第1天)，说明添加KGM、OKGM-20和OKGM-40均可以明显降低面包硬化的速率。综合来看，OKGM-20抗老化效果最明显。

3 结论

采用微波协同臭氧方法制备了3种不同取代度的OKGM(DS=31.29%，43.88%，52.44%)，分子质量分别为1.35×106、7.79×105、4.32×104Da，表观黏度与分子质量呈正相关。粉质特性结果显示，添加OKGM可显著增大小麦粉的吸水率并降低回生值，添加OKGM-40的面团弱化度最低。拉伸特性结果显示，OKGM-40能有效增加面团的拉伸能量、拉伸阻力和延伸度，说明添加OKGM-40有利于面筋网络的形成，使面团具有较强的筋力、持气性和延展性。流变学特性结果显示，OKGM增大了面团的储能模量G′和耗能模量G″，OKGM取代度越低，面团的G′和G″越大，说明OKGM增加了面团的黏弹性。在面团发酵过程中，OKGM-40组面团发酵体积最大，说明OKGM-40增强了面团的发酵耐力。面包品质分析结果显示，添加OKGM能显著增大面包的比容，OKGM-40改善面包比容的效果最佳；添加OKGM可显著延长面包的保质期，其中OKGM-100组面包pH最低，保质期最长；添加OKGM-40、OKGM-100可明显增强贮藏期间面包的保水性；添加OKGM-20能明显减小贮藏期间面包的硬度，说明OKGM-20能有效延缓面包的老化。因此，OKGM较KGM能更好地改善面团特性和面包的烘焙品质及贮藏品质，综合来看，取代度适中的OKGM-40的改善效果尤为明显，在面包及其他面制品的品质改良上具有一定的实际应用前景。

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