面包是一种广受大众喜爱的食品,其主要原料为小麦粉。随着精加工小麦粉产业的发展,小麦粉膳食纤维流失严重,导致面包的营养失衡。因此,在面包中添加适量的膳食纤维是平衡其营养成分的有效手段[1]。魔芋葡甘露聚糖(konjac glucomannan,KGM)是从魔芋块茎中提取的一种水溶性膳食纤维,因其具有良好的保水、溶胀、增稠等性能被广泛地添加到面制品中[2]。然而,KGM的分子质量高,吸水能力强,将其直接掺入面粉中会影响面筋网络结构的形成,使其在面制品中的应用受到限制[3]。因此,对KGM进行改性处理并将其添加至面制品中成为了关注焦点。罗清楠[4]采用酸水解法降低KGM分子质量,并将其加入到面包中,发现添加KGM片段可在一定程度上减缓面包老化。CUI等[5]发现酶解KGM通过提高面筋蛋白的分子质量,增加二硫键和β-折叠结构,从而增强面筋结构,尤其是酶解15 min的KGM效果良好。

除了分子质量大小,KGM的性质还与其分子骨架上的乙酰基团含量有关,脱乙酰会影响KGM的性质与功能,如黏度、持水能力、溶解度等[6]。有研究表明,KGM分子链脱去乙酰基后,分子链缠绕能力加强[7]。ZHANG等[8]发现在高温(120 ℃)加热条件下添加脱乙酰魔芋葡甘露聚糖(deacetylated konjac glucomannan,DKGM)可保护肌原纤维蛋白的主要二级结构。LIN等[9]发现,随着KGM脱乙酰度的增加,其热稳定性和流变特性都得到显著提高,使KGM在高温食品加工过程中更加稳定。近年来,对KGM进行脱乙酰的方法主要为醇碱法、机械力化学法,其中醇碱法能够简单高效地脱除KGM骨架上的乙酰基,是目前对KGM进行脱乙酰改性的主要方法[10]。此外,关于DKGM在面制品中的应用研究较少,有研究发现面条中加入DKGM后,面团的吸水率及硬度显著增加,面条的延伸度逐渐减小[11],但相关机理尚不清楚。重要的是,现有研究缺乏从KGM脱乙酰度的角度研究其对面包品质的影响,DKGM对面包的品质是否产生了积极的影响不得而知,需要进一步探索。因此,本研究采用醇碱法制备了一系列脱乙酰度的DKGM,并探究其对小麦面团特性和面包品质的影响。旨在为KGM在面制品生产中的应用和推广提供新的参考。

1 材料与方法

1.1 材料

纯化魔芋精粉(纯度≥86%),湖北十堰花仙子魔芋制品有限公司;高筋小麦粉(蛋白质含量为12.7%,淀粉含量为72%,湿面筋含量为33%),益海嘉里(重庆)粮油食品工业有限公司。黄油、白砂糖、酵母、食用盐,市售。

1.2 仪器与设备

RVA-TecMaster快速黏度分析仪,瑞典波通仪器有限公司;Mixolab混合实验仪,法国肖邦公司;TA-XT plus质构仪,英国Stable Micro Systems公司;DHR-1流变仪,美国TA公司;Phenom Pro-17A0040型扫描电镜,荷兰Phenom World公司;DSC 4000型差示扫描量热仪,珀金埃尔默公司;BrukerD8 Advance型X射线衍射仪,德国布鲁克分析仪器公司;BSC-150恒温恒湿箱,上海博迅实业有限公司医疗设备厂;TRF42S烤箱,佛山市伟仕达电器实业有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 不同脱乙酰度DKGM的制备

参考LI等[12]的方法,略作修改。准确称取12 g KGM与360 mL 30%(体积分数,下同)的乙醇溶液混合,在50 ℃下恒温振荡30 min,之后加入不同体积(12、20、28、36 mL)0.1 mol/L的NaOH溶液于50 ℃下反应30 min,待脱乙酰基反应完成后,使用梯度乙醇溶液(50%、75%、95%、100%)进行脱水,所得产物经真空冷冻干燥得到DKGM。参考XIAO等[13]的方法测定DKGM的脱乙酰度。经测定,4种DKGM脱乙酰度分别为:35.58%、53.82%、72.12%、86.32%,分别命名为DK-1、DK-2、DK-3、DK-4。

1.3.2 DKGM-小麦混合粉及面团的制备

将不同脱乙酰度的DKGM和小麦面粉混合均匀,制备成混合粉。称取100 g混合粉及水(以混合实验仪测得的各自最佳吸水率计)置于和面机中,搅拌10 min后取出面团,静置待测。

1.3.3 面包的制备

取混合粉200 g,酵母1.4%、白砂糖10%、食盐1%、黄油10%(均以混合粉质量计),水(以混合实验仪测得的各自的最佳吸水率计)。将所有原料置于和面机低速搅拌成团后高速搅拌,直至形成均匀的面筋膜。将和好的面团放在醒发箱(温度38 ℃、湿度85%)静置醒发60 min,分割面团35 g/个,搓圆并成型后置于醒发箱二次醒发30 min,随后置于烤箱中上/下火(180 /160 ℃)烘焙20 min,面包出炉冷却1 h后,用塑料袋密封,于常温贮藏1、3、5、7 d,待测。

1.3.4 混合粉糊化特性测定

参照郑万琴等[14]的方法,并略作修改。使用快速黏度分析仪测定混合粉的糊化特性。

1.3.5 面团粉质特性测定

使用混合实验仪测定面团粉质特性,模式选择Chopin+标准协议模式。

1.3.6 面团发酵体积测定

取1.3.3制备的面团分割成15 g每份放入100 mL的量筒中,置于恒温恒湿箱中发酵240 min,每15 min测定1次面团的体积。

1.3.7 面团拉伸特性测定

参照LAPKOV等[15]的方法,略作修改。取1.3.2制备的面团置于模具中制成长条状样品放置在质构仪的测试区域内,测试所用探头为A/KIE。

1.3.8 面团流变学特性测定

取1.3.2制备的面团用保鲜膜包裹后在25 ℃下松弛15 min,剪取约3 g面团放置在流变仪平台上,并在样品边缘覆盖二甲基硅油以避免水分损失。采用PP25圆形检测探头,间隙设置为1 mm,在0.1～20 Hz的频率范围内以1%的应变振幅值进行频率扫描。

1.3.9 面团微观结构分析

参考LI等[16]的方法,并略作修改。将1.3.2制备的面团切成小块,4 ℃下置于4%戊二醛中固定12 h,然后用0.1 mol/L磷酸盐缓冲液(pH 7.2)洗涤3次。随后,使用梯度乙醇溶液(从30%到100%;每次15 min)逐级脱水。通过冷冻干燥,将脱水的面团敲碎,并以内表面朝上的方式采用扫描电镜(2 000倍)观察其表面结构特征。

1.3.10 面包品质测定

比容:参照GB/T 20981—2007《面包》测定新鲜面包体积(V),再称量面包质量(m),面包的比容按V/m计算。

高径比:用游标卡尺分别测出面包不同部位的高和直径,高/直径的值即为高径比。

水分含量:参照GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》利用直接测定法测定贮藏期面包水分含量。

硬度:取面包中心部分切成4个3 cm×3 cm×3 cm的立方体,选用P/36R探头,进行TPA实验测定贮藏期面包硬度。

1.3.11 面包回生焓值与结晶度测定

回生焓值:参照SUWANNARONG等[17]的方法,并略作修改。面包芯样品经真空冷冻干燥、研磨和过筛(孔径0.15 mm)后得到均匀的粉末样品,将m(粉末样品)∶m(水)=1∶2的浆液放入坩埚中使用压片机密封,4 ℃过夜平衡,以空白坩埚作为对照,使用差示扫描量热仪分析不同面包样品贮藏7 d后的回生焓值。

结晶度:使用X射线衍射图谱表征。测试参数:在室温下以反射模式在40 kV、40 mA下进行,衍射角(2θ)扫描范围为4°～40°,扫描速度为4°/min。使用JADE 6.0软件通过样品峰面积与总衍射图面积的比率计算不同面包样品贮藏7 d后的结晶度。

1.4 数据处理与分析

采用SPSS 26.0和Origin 8.5对实验数据进行计算处理以及图表的绘制,采用ANOVA对所得数据进行显著分析,确定差异是否具有统计学意义(P<0.05),所有值均以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 不同脱乙酰度DKGM对混合粉糊化特性的影响

由表1可知,KGM及DK-1、DK-2、DK-3均明显增加了混合粉的峰值黏度。黏度的增加一方面归因于KGM的高吸水性使其与小麦面粉中的淀粉颗粒竞争吸水,导致淀粉颗粒的有效水分子减少;另一方面,KGM是一种低支化度的膳食纤维,有利于与浸出的直链淀粉和淀粉颗粒中的低分子质量支链淀粉相互作用,导致系统黏度增加[18]。

KGM的吸水性随着脱乙酰度的增加而降低,DK-4经高度脱乙酰后吸水能力下降,因此DK-4组黏度与空白组差异不显著。崩解值反映加工过程中淀粉颗粒的稳定性,与空白组相比,KGM组、DK-1组、DK-2组及DK-3组混合物的崩解值显著升高,即淀粉的耐剪切性变弱,这可能是由于KGM的高吸水性导致在加热过程中渗透到淀粉颗粒中的水分子减少,体系中淀粉抗机械剪切的能力越弱,淀粉颗粒越容易发生破裂[19]。回生值理论上反映淀粉短期老化程度,与KGM组相比,DK-2显著降低了淀粉的回生值,其余DKGM组差异不显著,张帅[20]指出RVA所测得的淀粉回生值在添加亲水性胶体的体系中并不能准确反映淀粉回生现象,因此还需后续回生实验进一步验证。

2.2 不同脱乙酰度DKGM对面团粉质特性的影响

由表2可知,添加KGM和DKGM均使面团吸水率显著增加,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,提高混合粉的吸水率。面团吸水率增加有利于提高面制品的出品率,抑制面制品因失水产生的干裂等不良现象。其中,DK-1、DK-2组的吸水率与KGM相似,而DK-3、DK-4组低于KGM,说明KGM过度脱乙酰不利于面团的持水性。

面团形成时间越长,表明面粉筋力越强。加入KGM后,面团形成时间和稳定时间较空白组减少,这可能是KGM使混合粉蛋白质空间结构被破坏,麦谷蛋白的二硫键断裂,面筋强度变小。而加入DGKM后,面团形成时间及稳定时间明显增加,随着KGM脱乙酰度的增加,呈先上升后下降的趋势。这可能是由于DKGM适当与面筋蛋白竞争水分子延缓了面筋网络形成[14];面团的稳定时间增加可能是由于DKGM参与了面筋网络的形成使得蛋白质之间的结合更紧密,增强了面筋蛋白之间二硫键的稳定性,从而延长了面团的稳定时间[21]。

C1-C2值代表面筋蛋白弱化度,弱化度小表示面团中面筋强度较强。KGM组的C1-C2值高于空白组,表明KGM降低了面团的稳定性和面筋强度。而DK-2、DK-3、DK-4组C1-C2值均比空白组更低,这说明KGM经脱乙酰后使面团筋力增强,面筋网络结构越牢固、耐搅拌性能越强,即面团的加工性能越好。C5-C4值代表淀粉回生度,这与淀粉的重结晶特性有关,与空白组相比,KGM、DK-1、DK-2和DK-3显著降低了面团C5-C4值,并且随着KGM脱乙酰度增加,抑制效果逐渐减弱。综合来看,低脱乙酰度的DKGM对于面团的粉质特性具有更加积极的影响。

2.3 不同脱乙酰度DKGM对面团发酵体积的影响

由图1可知,面团发酵大致分为2个阶段,在75 min之前为快速发酵阶段,面团快速发酵产气,发酵体积迅速增加;75 min后为缓慢发酵阶段,面团发酵减缓,发酵体积逐渐变小。与空白组相比,在快速发酵阶段KGM和DKGM加快了面团的发酵速度,各组面团发酵体积在75 min时达到最大,最大发酵体积依次为DK-1组>DK-2组>DK-4组>空白组>KGM组>DK-3组。面团发酵特性主要受酵母活性和面团结构的影响,这表明添加DKGM对酵母活性和产气量具有一定影响,LI等[16]研究也表明,KGM能够改善面团的发酵性能,提高面团孔隙率稳定性和保气性。

2.4 不同脱乙酰度DKGM对面团拉伸特性的影响

由表3可知,当醒发时间为45 min时,KGM组面团的拉伸能量和拉伸阻力显著低于DKGM组,这说明KGM使面团筋力减弱,导致面团易拉伸断裂。而DKGM显著增加了面团的拉伸能量和拉伸阻力,DK-3组拉伸能量达最大,这可能是由于KGM脱去乙酰基团后分子结构更为有序,分子间作用力增强,因此可能增强了其对面筋蛋白的作用力,促进了面筋蛋白分子的交联和内部网络结构的形成[22]。当醒发时间为90 min时,DKGM组拉伸比均显著高于KGM组,拉伸比越大表明面团筋力越强,烘焙质量越好,这说明DKGM提高了面团的发酵耐力。当醒发时间为135 min时,随着醒发时间延长,面筋体系发生水分迁移和重新分布,导致各项指标呈下降趋势,即KGM的脱乙酰度对面团拉伸特性的影响效果变弱[23]。

2.5 不同脱乙酰度DKGM对面团流变学特性的影响

由图2可知,随着扫描频率的增加,所有组面团的G′始终大于G″,表明所有面团样品都表现出类固体特性。与空白组相比,KGM降低了面团的G′和G″,这与张帅[20]的研究结果一致。而DKGM显著提高了面团的G′和G″,且DK-2组G′和G″最大,表明DKGM有助于提高面团的黏弹性,这可能是由于适度脱去KGM的乙酰基团后使得淀粉有限膨胀,从而改善了面团的流变特性;同时浸出的直链淀粉和DKGM之间的相互作用也可能降低了溶胀淀粉颗粒的损失,导致G′增加[24]。因此,在面团中添加DKGM能够增加面团的黏弹性,有助于改善面团的气体滞留能力。

2.6 不同脱乙酰度DKGM对面团微观结构的影响

由图3可知,面团是由面筋网络、小淀粉颗粒和大淀粉颗粒组成的连续基质,在面筋基质中可以观察到这些颗粒。空白组样品呈现出连续的面筋膜结构,覆盖淀粉颗粒,KGM和DKGM组面团面筋结构的完整性和连续性变得较弱,但未严重破坏面筋基质,这与GUO等[18]研究结果一致。同时在KGM组和DKGM组观察到一些丝状和薄层状凝胶结构,LINLAUD等[25]发现,在存在黄原胶和瓜尔豆胶的情况下,面团中会形成更具弹性的网络。因此,凝胶结构可能是由水化后的KGM构建的,这反过来又对面团的粉质特性(表2)和流变学特性(图2)产生了一定影响。

2.7 不同脱乙酰度DKGM对面包品质的影响

比容和高径比是面包的重要品质属性,面包的比容和高径比越高,说明面包起发程度和形状愈好。由图4-a可知,与空白组和KGM组相比,DKGM显著增加了面包的比容,这可能是由于DKGM对面包中面筋网络的强化作用,从而使面包持气能力增强[18];由图4-b可知,随着KGM脱乙酰度的增加,面包高径比呈现先增加后下降的趋势,这说明低脱乙酰度DKGM能够更好起到增加面包高径比的作用。

由图4-c可知,与空白组相比,DKGM组在7 d的储存期间显示出比空白组更高的水分含量,其中DK-2持水效果最好。乙酰基赋予了KGM水溶性,但乙酰基的空间位阻效应阻碍了KGM本身分子间作用力的形成,脱去乙酰基后,含有部分乙酰基的KGM因为较弱的疏水相互作用,相对较强的与水结合及增强氢键的能力从而增加面包在贮藏期的水分含量[26]。由图4-d可知,KGM和DKGM组面包在贮藏7 d后的硬度分别比空白组降低了20.38%、25.75%、25.75%、23.66%、16.60%,其中DK-2延缓硬度增加效果最好。面包在储存过程中硬度的降低一方面可能是由于KGM对水分子的吸收强于基质中的淀粉和面筋,对淀粉-面筋网络的形成有阻滞作用,这种作用机制可能弱化淀粉-面筋网络从而使得面包硬度降低[23]。另一方面,KGM对淀粉重结晶的抑制可能是降低面包硬度的另一个因素[27]。

2.8 不同脱乙酰度DKGM对面包回生焓值与结晶度的影响

由图5-a可知,在7 d的贮藏期后,空白组回生焓值达(0.999±0.01) J/g,回升焓值增加表明需要更多的能量来破坏储存过程中形成的支链淀粉结晶,即面包老化越严重[28]。而KGM组以及DKGM组回升焓值分别比空白组降低了52.6%、44.7%、41.5%、29.5%、17.3%,其中KGM组最低,这可能是由于KGM的高保水能力会与淀粉争夺水分子,从而延缓淀粉重结晶。随着KGM脱乙酰度增加,回生焓值逐渐增加,这可能是由于KGM经脱乙酰后水溶性逐渐降低,延缓淀粉重结晶能力减弱。

由图5-b可知,所有样品在接近20°和17.5°的衍射角处出现2个峰,分别为V型和典型的B型晶型[29],这说明KGM和DKGM并未改变衍射峰的位置,对淀粉晶体形成的类型没有影响。同时,在7 d贮藏期后,KGM组和DKGM组淀粉结晶度均低于空白组。一方面,可能是适度的乙酰基团比例既能降低KGM的吸水性,对面筋网络结构的负面影响降低;另一方面,适度的乙酰基团比例,使KGM在面团体系中的分散性更好,与淀粉颗粒竞争水分能力降低的同时,可更好地与支链淀粉产生互作,进而阻碍支链淀粉之间的重聚集,最终降低了淀粉的老化度。而过度脱乙酰会使KGM失去大量亲水基团,KGM分子间的重聚集作用增强,自身会形成较大颗粒,溶解性降低,在面团中呈颗粒状分布,难以与淀粉颗粒产生互作,抑制淀粉老化的能力降低[30]。结果表明DKGM对支链淀粉结晶有缓解作用,与回生焓值数据一致。

3 结论

本研究探讨了不同脱乙酰度DKGM对于面团特性和面包品质的影响,并得出以下结论:

与空白组相比,KGM和DKGM增加了混合粉的峰值黏度、面团的吸水率以及面包的比容以及高径比,降低了贮藏期面包的回升焓值和结晶度。KGM和DKGM减弱了面团面筋结构的完整性和连续性,但增加了更具有弹性的凝胶结构。说明KGM和DKGM均能在一定程度上改善面团的流变特性以及延缓面包老化。

相比KGM,DKGM显著延长了面团形成时间和稳定时间,降低了面筋蛋白弱化度,增加了面团的拉伸能量和延展度,以及面团的黏弹性和发酵体积。同时,DKGM对面包的比容及在贮藏期的硬度的改善作用更优。说明脱乙酰有利于KGM在面包中的应用。

不同DKGM组中,DK-1虽能增加面团的发酵体积以及面包的比容和高径比,但面团粉质特性较差。DK-3和DK-4虽显著提高了面团的拉伸能量以及延展度,但对面包回生焓值和结晶度的影响较小。DK-2既能增加混合粉的粉质特性以及面团的黏弹性,又能较好地保持面包在贮藏期的水分含量以及延缓面包硬度增加。

因此,DKGM能更好地改善面团特性和面包品质,尤以脱乙酰度适中的DK-2为宜。

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Effects of konjac glucomannan with different degrees of deacetylation on dough properties and bread quality

GUAN Xiaoyao1, XIE Yong1, CHEN Zhaojun1, ZHANG Shenglin2, TANG Yulan3, LIU Xiong1*

1(College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China)2(Institute of Konjac Research, Southwest University, Chongqing 400715, China)3(Chongqing Sino Konjac Biological Technology Co.Ltd, Chongqing 400715, China)

ABSTRACT The present study aimed to evaluate the effect of deacetylated konjac glucomannan (DKGM) on the quality of wheat dough and bread. DKGM with different degrees of deacetylation (DK-1=35.58%, DK-2=53.82%, DK-3=72.12%, DK-4=86.32%) was prepared by alcohol-alkali assisted method. The effects of natural KGM and DKGM with different degrees of deacetylation on wheat dough characteristics and bread quality were also studied. Compared with the control group, both KGM and DKGM significantly increased the peak viscosity of the mixed flour, the water absorption of the dough, and the specific volume and height-diameter ratio of the bread, and delayed the ageing of the bread. Further, the DK-1 group showed the largest dough fermentation volume, bread-specific volume, and height-diameter ratio compared to the KGM group, but the farinograph properties of the dough were not favorable. DK-3 and DK-4 increased the tensile energy and ductility of the dough, they had poor effects on reducing the enthalpy of bread regeneration and inhibiting starch crystallization during storage. DK-2 could not only increase the farinograph properties and viscoelasticity of the dough but also better maintain the moisture content of the bread during the storage period and delay the increase of the bread hardness. All over, DK-2 had the best effect on improving the properties of wheat dough and bread quality. Hence, moderate deacetylation of KGM is beneficial to its application in bread processing.

Key words deacetylated konjac glucomannan; dough properties; microstructure; bread quality; storage properties

DOI：10.13995/j.cnki.11-1802/ts.031583

引用格式：官孝瑶,谢勇,陈朝军,等.不同脱乙酰度魔芋葡甘露聚糖对面团特性和面包品质的影响[J].食品与发酵工业,2023,49(9):221-228.GUAN Xiaoyao, XIE Yong, CHEN Zhaojun, et al.Effects of konjac glucomannan with different degrees of deacetylation on dough properties and bread quality[J].Food and Fermentation Industries,2023,49(9):221-228.

第一作者：硕士研究生(刘雄教授为通信作者,E-mail:liuxiong848@hotmail.com)

收稿日期：2022-03-17,改回日期:2022-03-31