随着全球人口老龄化进程的加速,与年龄相关的吞咽障碍已成为日益突出的公共卫生问题[1]。吞咽困难群体包括老年人、术后康复者及神经性疾病患者等,其安全进食与充足营养摄入之间存在严重问题[2]。因此,开发兼具营养性与安全性的质构适宜的食品已成为目前的研究热点。为标准化吞咽障碍人群相关食品的质构特性,国际吞咽障碍饮食标准行动委员会(international dysphagia diet standardisation initiative,IDDSI)针对不同质构等级的固体食品和液体食品提供了标准化的测试方法,以确保吞咽障碍患者的安全。该标准将食物划分为0～7级共8个级别,为全球吞咽困难患者的膳食制备提供了统一的科学标准和交流语言[3]。
小麦全粉保留了麸皮与胚芽,富含膳食纤维、维生素、矿物质及酚类化合物,营养密度远高于精制小麦粉[4]。研究表明,进食精制小麦粉制品可能导致肥胖等非传染性疾病发病率的上升[5-6]。近年来随着消费者对健康饮食需求的日益增长,全麦食品的市场规模持续扩大。然而,全麦粉的高纤维含量也带来了口感粗糙、质构不稳定等问题,这极大地限制了其在吞咽困难人群中的应用。ZHENG等[7]研究发现全麦面粉中的膳食纤维可以增强3D打印样品的水合能力,使其在贮存后更加柔软。
生物发酵技术,作为一种传统且高效的食品质构改良策略,针对上述难题提供了富有前景的解决方案。甜酒曲,作为一种传统发酵剂,富含根霉菌等多种微生物,在发酵过程中,微生物产生的酶可协同作用于淀粉、蛋白质、纤维素等物质[8]。LI等[9]研究发现在白酒酿造过程中发酵处理的样品黏弹性急剧下降。这种多酶体系的协同降解作用,预期能够系统性地重塑全麦粉凝胶的宏观流变特性与质构,改善全麦体系的黏弹性、质构以及口感粗糙等问题。并且较短时间发酵产生的酒精含量也远低于安全阈值,能够安全为吞咽困难人群提供质构合理的新膳食。尽管甜酒曲在米基食品发酵中的应用已广为熟知,并且TIAN等[10]利用酶成功实现了调节大米食品的黏度及质构等级,但其应用于全麦体系,并旨在精准调控IDDSI等级的研究尚属空白。本研究依据IDDSI的检测方法对糊化处理的全麦粉进行质构分级,选取质构等级适中的5级糊化样品,发酵处理不同时间,通过分析其糊化特性、质构特性、流变特性及微观形态等探究发酵处理对全麦食品质构分级的影响,为未来全麦发酵食品的质构分级提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
全麦粉,新乡良润全谷物食品有限公司;安琪甜酒曲,安琪酵母股份有限公司。
1.2 仪器与设备
HWS-160Y智能恒温恒湿培养箱,宁波科晟实验仪器有限公司;RVA-TecMaster快速黏度分析仪,瑞典Perten公司;TA.XT PLUS物性分析仪,英国SMS公司;FEI Q45环境扫描电子显微镜,荷兰FEI公司;D8 Advance X-射线衍射仪,德国Bruker公司;CP 213电子天平(精度0.1 mg),奥豪斯仪器有限公司;Haake-Mars 60旋转流变仪,美国Thermo Scientific公司;DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器,北京市永光明医疗仪器有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 全麦粉的质构分级测定
1.3.1.1 不同质构等级样品的制备
参照田小东等[11]的方法略作修改,称取不同质量的全麦粉于快速黏度分析仪(rapid visco analyzer,RVA)的铝盒中,加入去离子水,保持总质量为28 g进行糊化,通过软件得到不同浓度全麦粉糊化的相关参数:糊化温度、峰值黏度、谷值黏度、终值黏度、崩解黏度和回生值。糊化后的样品于4 ℃冷藏24 h至质构等级稳定。
1.3.1.2 质构分级测定方法
参照IDDSI建立的国际标准测试方法[12]。0～3级采用IDDSI流量测试,4～7级利用叉子滴落测试、勺子倾斜测试、叉子挤压测试和勺子挤压测试。分别对上述糊化后的样品进行质构等级测试。以确定不同质构等级所对应的全麦粉糊化浓度。
1.3.2 全麦粉发酵样品的制备
1.3.2.1 发酵样品制备
通过之前质构分级测试,选取质构等级为5级的全粉浓度进行后续发酵处理,将全麦粉与水混合,配制质量分数10%的浆液于烧杯中,保持总质量为100 g,在95 ℃的水浴中磁力搅拌糊化20 min,糊化后的样品冷却至室温,按全麦粉质量计,添加1%的甜酒曲搅拌均匀,置于30 ℃恒温培养箱中分别密封发酵6、12、18、24 h。
1.3.2.2 冻干样品的制备
将制备好的发酵样品放入-80 ℃冰箱冷冻24 h,然后放入真空冷冻干燥机,真空冷冻干燥48 h。
1.3.3 全麦粉质构性质的测定
1.3.3.1 4～7级全麦质构性质的测定
参照DU等[13]的方法略作修改,取1.3.1.1节糊化后质构等级稳定的样品(直径35 mm、高度10 mm)于物性分析仪中选用P75型探头进行质构特性检测,以确定样品硬度、黏性、咀嚼性和内聚性等。检测参数:测试前、中、后速度分别为1、1、5 mm/s、位移距离3 mm、停留时间5 s、触发力10 g,采用二次压缩模式。
1.3.3.2 0～3级全麦质构性质的测定
参照TIAN等[14]的方法略作修改,量取50 mL发酵后的样品,放在桶状容器中,选用A/BE-d40探头,测中速度1 mm/s,位移距离15 mm触发力5 g。
1.3.4 全麦粉流变特性的测定
参考PAN等[15]的方法略作修改,使用流变仪测定样品的流变特性,将糊化和发酵之后的样品置于旋转流变仪的平行板(直径20 mm,间隙1 mm)上,待探头与样品完成接触后刮去剩余部分样品,在25 ℃下平衡3 min后进行应变扫描,频率扫描,以及稳态剪切试验。具体程序为:
a)稳态剪切:记录表观黏度随剪切速率(0.1～100 s-1)变化的数据,并利用Herschel-Bulkley模型拟合,按照公式(1)计算剪切应力。
τ=τ0+Kεn
(1)
式中:τ,剪切应力,Pa;τ0,屈服应力,Pa;K,稠度系数,Pa·s;ε,剪切速率,s-1;n,流动行为指数,无量纲。
b)频率扫描:设置恒定应变为1.0%,并于0.1～10 Hz的频率范围内进行频率扫描实验,记录储能模量(G′)和损耗模量(G″)随频率变化的情况。
c)应变扫描:在0.1%～1 000%的应变范围内进行应变扫描测试,固定频率为1 Hz。样品的线性黏弹性区由G′和G″的变化来确定。
1.3.5 全麦粉微观结构观察
将冷冻干燥后的样品手动掰断,固定在样品台上,溅射镀金,使用环境扫描电子显微镜观察样品的横截面图像。加速电压设置为15 kV。
1.3.6 全麦粉相对结晶度的测定
取适量全麦粉样品,参照NIU等[16]的方法,使用X射线衍射仪以6 °/min的恒定速率在5～40°(2θ)范围内获取淀粉的衍射图以分析其晶体结构。使用Jade 6.0软件根据公式(2)计算淀粉的相对结晶度:
相对结晶度
(2)
式中:Ic,淀粉结晶区域的相对峰面积;Ia,淀粉非结晶区域的相对峰面积。
1.4 数据处理
所有测试均经过3次重复,并使用SPSS 27.0软件进行处理,以“平均数±标准差”的形式表示数据。通过方差分析确定结果之间的显著差异,P<0.05表示结果之间差异显著。通过Origin 2025软件绘图。
2 结果与分析
2.1 全麦粉质构分级的测定
依据IDDSI的检测方法,对糊化后的全麦样品进行分级测定,4～7级的固体样品采用IDDSI叉子滴落测试、勺子倾斜测试、叉子挤压测试和勺子挤压测试。如表1所示,通过调整全麦粉的糊化浓度,并将糊化后的样品4 ℃静置过夜后测定其质构等级,当全麦粉质量分数在8%～14%时,质构等级为4～7级。
表1 IDDSI质构分级测试结果(4～7级固体)
Table 1 Whole wheat flour IDDSI texture level test results (grades 4-7 solids)
全麦粉质量分数/%叉子滴落测试勺子倾斜测试勺子挤压测试叉子挤压测试质构等级8——4样品特征:样品在餐叉上可以堆成形,不会持续流下或滴落;倾斜中能够保持形状,极少残留。105样品特征:无需使拇指指甲变白的压力就可以将其轻易压扁;在餐叉上可以堆成形,不会在餐叉缝隙中滴落;切斜过程中,样品易滑落,且无残留。12——6样品特征:指甲变白时,样品被压扁从而改变形状,而压力去除后移去餐叉和汤匙,形状无法恢复。14——7样品特征:指甲变白时,样品被压碎或分割,且形状无法恢复;利用汤匙侧面即可将食物切成小块。
注:“—”表示未测试。
2.2 4～7级全麦粉糊化特性分析
如图1所示,4～7级样品的RVA糊化曲线具备明显的糊化特征。可以看出质量分数是影响质构等级及糊化特性的最核心因素,随着质量分数的增加,所有特性的黏度值显著上升,整个曲线的黏度水平整体上移。庞志花等[17]在研究大米淀粉与大豆粉比例对糊化特性及物性学性质的影响时也发现了相同的现象。除此之外,4～7级各样品峰值黏度、谷值黏度、终值黏度、回生值均随着质构等级的增大而显著升高。
浓度越高则样品稠度越高,形成凝胶的潜力也越强,从而形成的样品质构等级更高[18]。糊化特性中终值黏度直接量化了淀粉回生后凝胶的网络强度,目前每一级具体对应的全麦粉黏度范围尚不明确,通过测定可知4～7级的样品终值黏度分别为768、1 800、3 308、5 420 cP。
2.3 4～7级全麦粉糊化样品质构特性分析
将对应浓度的糊化样品4 ℃静置过夜后其质构特性如表2所示,随着质构等级的增大,样品硬度、咀嚼性的变化最为明显,均呈现出增大趋势。但对于吞咽困难者来说,适宜的黏度、硬度以及咀嚼性可以保证他们在吞咽过程中吞咽更容易,减少咀嚼过程中的疼痛以及疲劳[19]。
综合考虑为吞咽障碍人群建立健康、营养、质地适中、利于吞咽的全麦粉发酵食品,选取全麦粉质量分数10%,质构等级为5级的全麦粉浓度进行后续发酵试验,以研究发酵对质构等级的影响。
a-糊化曲线;b-糊化特性
图1 全麦粉不同浓度的糊化曲线及其糊化特性
Fig.1 Gelatinization curves of whole wheat flour at different concentrations and its gelatinization characteristics
注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。
表2 4～7级全麦质构特性
Table 2 Texture characteristics of whole wheat at grade 4-7
质构等级硬度/g黏性弹性内聚性胶着性咀嚼性回复性4133.86±4.56d-45.84±6.45a0.90±0.03b0.60±0.01d79.88±4.03d72.03±5.21d0.14±0.01d5241.69±20.63c-56.50±5.52ab0.95±0.02a0.75±0.02c182.60±19.43c173.01±22.03c0.23±0.02c6351.82±15.27b-65.05±7.81b0.96±0.01a0.81±0.02b286.30±17.25b275.66±19.26b0.29±0.01b7461.25±31.67a-94.19±12.39c0.97±0.01a0.86±0.01a395.63±26.84a382.52±27.19a0.34±0.01a
注:同一列中不同字母表示显著差异(P<0.05,表3同)。
2.4 发酵时间对全麦粉质构分级的影响
参照IDDSI的检测方法对发酵后的全麦粉进行质构等级测试,由于发酵后的样品呈流体状态,因此采取流动测试,取10 mL的样品注入针筒中,10 s过后,剩余体积1 mL以下为0级,1～4 mL为1级,4～8 mL为2级,8～10 mL为3级。如图2所示,发酵6、12、18、24 h后的剩余体积分别为9.5、8.2、6.8、3.7 mL,质构等级从5级分别降低到了3、3、2、1级。这表明发酵可以降低全麦粉糊化样品的质构等级与硬度。增大样品的流动性,发酵后的食品不需要咀嚼和咬合就可食用,这可以显著降低吞咽障碍人群在进食过程中由于过硬或黏度过高食物在咽部残留导致误吸的风险。ZHAO等[20]在研究中也发现自然发酵可以降低凉皮的硬度以及凝胶强度。
图2 发酵时间对全麦粉质构分级的影响
Fig.2 Effects of fermentation time on texture level of whole wheat flour
2.5 发酵时间对全麦粉质构特性的影响
质构特性是评估食品适口性和吞咽特性的重要参数之一,发酵后的样品状态呈流体,具有流动性,而物性分析仪中的A/BE模式可对发酵后的全麦粉样品进行黏度和浓稠度的测定。如图3所示,发酵可以显著降低全麦粉糊化样品的浓稠度与黏度,与糊化后的样品相比,发酵6、12、18、24 h的全麦粉其浓稠度分别降低了54.2%、63.6%、68.1%、70.6%,黏度分别降低了61.8%、76.7%、85.2%、88.1%。这是由于糊化导致直链淀粉从淀粉颗粒中溶出,在体系中相互缠绕形成黏稠的胶体溶液[21]。但随着发酵的进行,微生物产生的酶作用于糊化后的体系,将高分子质量的聚合物降解为中等长度的糊精和寡糖。形成的凝胶结构瓦解,体系的硬度、弹性和内聚力急剧下降变得稀薄[22]。因此,随着发酵时间的延长,体系的浓稠度和黏度越来越低,质构等级也随之下降。
2.6 发酵时间对全麦粉流变特性的影响
为了获得更多关于线性黏弹性的信息,从对糊化及发酵不同时间的样品的频率扫描中获得的储能模量G′和损耗模量G″的结果如图4-a和图4-b所示,糊化的全麦粉在整个频率范围内G′和G″均呈现增加趋势且G′始终大于G″,这表明体系形成了一个三维体系凝胶网络,表现以弹性为主的类固体行为[23]。
a-浓稠度;b-黏度
图3 发酵时间对全麦粉的浓稠度及黏度的影响
Fig.3 Effects of fermentation time on consistency and viscosity of whole wheat flour
发酵之后的样品G′和G″曲线靠近,样品向黏弹性流体形态转变。但样品G′显著下降,这是由于凝胶网络的强度直接依赖于大分子链的长度和相互缠绕,在发酵过程中产生的酶作用于大分子,将构成的网络骨架切断,这些小分子物质无法形成坚固、连续的网络结构,导致凝胶强度崩溃式下降[24]。且G″也显著下降,可能由于发酵使得体系流动性提高,分子移动更自由,提供的黏性阻力也越小。
a-频率扫描的G′;b-频率扫描的G″;c-稳态剪切的黏度曲线;d-应变扫描的G′;e-应变扫描的G″
图4 发酵时间对全麦粉流变特性的影响
Fig.4 Effects of fermentation time on the rheological properties of whole wheat flour
稳态剪切结果如图4-c所示,发酵大幅度降低了样品的表观黏度,发酵时间越长,表观黏度越低,且所有样品的表观黏度随剪切力的增大而降低,最终停留在0附近。通过Herschel-Bulkley方程拟合后的数据如表3所示,屈服应力τ0值和稠度系数K值均随着发酵时间的增大而减小,表明发酵时间对全麦粉体系的表观黏度和结构强度有明显减弱效果。流动行为指数n值随发酵时间的延长而增大,表明发酵时间与流动性呈正相关。LI等[25]在混合发酵剂发酵豆类蛋白和牛奶蛋白的研究时也发现蛋白质聚集体完全破碎分散,难以形成交联凝胶结构。
表3 不同发酵时间全麦粉的稳态剪切特性
Table 3 Steady-state shear characteristics of whole wheat flour at different fermentation times
发酵时间/hτ0/PaK/(Pa·s)nR2s02.24±0.02a15.31±0.32a0.52±0.02d0.999 860.78±0.12b2.70±0.46b0.53±0.02d0.999 8120.17±0.02c0.86±0.15c0.59±0.02c0.999 7180.14±0.04c0.35±0.09cd0.68±0.03b0.999 6240.08±0.01c0.14±0.04d0.76±0.02a0.999 4
应变扫描结果可以更加深入地了解0.1%～1 000%应变幅度下的黏弹性变化,如图4-d和图4-e所示,发酵使全麦粉的黏弹性降低,发酵时间越长,模量越低,黏弹性下降越明显。在0.1%～5%的应变范围内,所有样品的G′和G″保持稳定,超过5%,G′急剧下降,而G″保持稳定或下降幅度很小,这表明超过临界应变水平后样品的结构被破坏。
综上所述,发酵过程中的酶解作用是主导其流变性质变化的决定性因素。这个过程瓦解了构成凝胶的网络结构,这种流变上的变化直接对应质构的改变,也是质构等级降低的主要因素。
2.7 糊化及不同发酵时间对全麦粉微观结构的分析
如图5所示,全麦粉中含有大量光滑,大小不一的球形和卵圆形淀粉颗粒(蓝色箭头),同时淀粉颗粒表面还附着有蛋白质(绿色箭头)和多个不规则层状结构的麸皮碎片(白色箭头)。部分淀粉颗粒被蛋白质所包裹。如图5蓝色方框所示,糊化之后未发酵的全麦粉,淀粉颗粒形状改变失去原有轮廓,颗粒之间相互黏连,这是由于在糊化过程中高温影响糊化淀粉分子和蛋白质间的相互作用,从而融合形成结构比较致密的多孔洞蜂窝状结构[26]。
随着发酵的进行,全麦粉的扫描电镜呈现出不规则片层结构且变得越来越疏松,在发酵至24 h时出现大小不一空腔结构(黄色方框)。这可能是由于在发酵过程中产生的酶作用于淀粉和蛋白,形成的凝胶网络结构被破坏,一些连接点被切断,结构的完整性丧失[27]。因此致密的网络结构变得松散,这也是质构等级降低的原因之一。
a-全麦粉;b-0 h;c-6 h;d-12 h;e-18 h;f-24h
图5 全麦粉、糊化处理及不同发酵时间处理下的全麦粉的扫描电镜图
Fig.5 Scanning electron microscope diagram of whole wheat flour under gelatinization and different fermentation times
2.8 糊化及不同发酵时间对全麦粉结晶特性的分析
未经处理的全麦粉的X-射线衍射图谱在15°、17.1°、18°和23°处出现4个峰,这代表全麦粉中的小麦淀粉为A-型淀粉[28],如图6所示,相对结晶度为37.7%的,与之比较,经过糊化处理后的样品中的4个峰基本消失,并在20°处形成1个弥散峰,相对结晶度为7.6%,这意味着糊化彻底破坏了全麦粉中淀粉的天然结晶,使其从半结晶态转变为无定形态。这是由于在加热过程中水分子进入无定形区,导致氢键断裂,淀粉吸水膨胀结晶区熔解[29]。
图6 糊化及发酵时间对全麦粉结晶特性的影响
Fig.6 Effects of gelatinization and fermentation time on the crystallization characteristics of whole wheat flour
注:WWF:全麦粉;G-WWF:糊化后的全麦粉。
与糊化后的样品相比,随着发酵时间的延长,全麦粉的相对结晶度略微增大,这是由于在发酵过程中,根霉菌分泌的糖化酶作用于糊化后的无定形淀粉凝胶,长链的淀粉被切割成短链与小分子,形成了大量可供重排的碎片。并且由于发酵环境中,水分含量相对较高,被切割出来的小分子可以获得较高的移动性,这些短链相互靠近通过重排形成新的结晶区域。除此之外,发酵后的样品在13°处出现略微的峰,这可能是由于较短的淀粉链与游离的脂质结合形成了V型晶体[8]。这表明发酵可以改变糊化之后淀粉的晶型。
3 结论
本研究表明甜酒曲发酵能够改变糊化后样品的质构等级,以质量分数10%糊化后的全麦粉经6、12、18、24 h发酵后质构等级从5级分别降低至3、3、2、1级,稠度分别降低了54.2%、63.6%、68.1%、70.6%,黏度分别降低了61.8%、76.7%、85.2%、88.1%。全麦糊化体系逐渐转变为强度更弱的流体,并且流动性会随着发酵时间的延长而增大。微观结构观察发现随着发酵的进行,结构变得越来越疏松并在发酵至24 h时出现大小不一空腔结构。这证明发酵过程中,全麦凝胶网络结构被不同程度的破坏,脆弱的网络结构不足以支撑体系导致流动性增加和黏度下降,这种微观尺度的解构是导致宏观机械强度丧失的根本原因。发酵后的食品不需要咀嚼和咬合就可食用,这可以显著降低吞咽障碍人群在进食过程中由于过硬或黏度过高食物在咽部残留导致误吸的风险。本研究为开发基于全谷物的高营养吞咽困难食品提供了创新的加工策略。
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