面包作为便捷早餐和休闲食品已成为全球广受欢迎的产品之一。传统面包的原料以小麦粉、糖和油脂为主,存在面包柔软度和保湿性差、易老化、保质期短及营养成分较为单一的问题。通过添加特定改良剂改善面包品质。例如玉米抗性淀粉[1]、阿拉伯木聚糖[2]、鹰嘴豆粉[3]等,虽能在改善面包质地上发挥一定作用,但这类改良剂营养成分单一,导致面包营养价值提升有限;添加刺槐豆胶[4]、壳聚糖[5]等改良剂可有效延缓面包劣变,却存在添加成本偏高的问题;此外,壳聚糖、谷氨酰胺转胺酶[6]等改良剂在使用时,需关注其可能引发的过敏风险等安全问题。
大豆卵磷脂作为一种天然、安全且功能多样的原料,从大豆加工副产物中被高效提取,是一种甘油醇磷脂,与脑磷脂、肌醇磷脂、磷脂酸等共同构成大豆磷脂混合物,又称磷脂酰胆碱[7]。大豆卵磷脂具备乳化、溶解、润湿、抗氧化、抗冻性、发泡、晶型控制、结合蛋白质及延缓淀粉老化等理化特性,因而在食品中可作为安全可靠的天然乳化剂、湿润剂和软化剂[8]。在面包中添加大豆卵磷脂,可显著改善面包的比容、高径比、硬度及感官评价[9]。但大豆卵磷脂对面包水分分布、相对结晶度及微观结构等特性的影响,目前鲜有报道。
为了探讨大豆卵磷脂对面包品质的改善作用,本文采用低场核磁共振成像分析仪(low-field nuclear magnetic resonance imaging analyser,LF-NMR)、傅里叶中远红外光谱仪(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)、X-射线多晶衍射仪(X-ray diffractometry,XRD)及扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)等分析方法,研究了大豆卵磷脂的添加对面包的水分分布、相对结晶度、微观结构和蛋白质二级结构。此外,对添加大豆卵磷脂的面包色差变化、比容、孔隙率、质构及感官评价等特性也进行了分析。
1 材料与方法
1.1 主要原材料
大豆卵磷脂(磷脂酰胆碱≥25%),陕西米尔先生物科技有限公司;高筋面粉(蛋白质含量12.2%、脂肪含量1.6%),河南新乡小麦工业有限公司;绵白糖(蔗糖含量≥99.5%),甘汁园股份有限公司;精制碘盐,河南省盐业集团有限公司;活性干酵母,安琪酵母有限公司;牧恩黄油(脂肪含量≥82%),中国内蒙古金山分公司。
1.2 仪器与设备
NMI20-015V-I型LF-NMR,上海纽迈公司;Vertex 70 FTIR,德国Brucker公司;TM 3030 Plus型SEM,日本日立公司;Color i5色差仪,美国X-rite公司;TA.XT Express物性分析仪,英国SMS公司;10 N-50A真空冷冻干燥机,杭州旌斐仪器科技有限公司;SmartLab SE型XRD,日本理学株式会社;PE4680多功能搅拌机,广东立然电器工业有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 面包制作过程
实验设置质量分数分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%大豆卵磷脂替代面粉为实验组,以不添加大豆卵磷脂组为对照。鉴于大豆卵磷脂含亲水性磷脂基团,在潮湿环境中易吸湿结块,将其经50目筛预处理以确保与面粉混合均匀。面团基础配方为:高筋小麦粉120 g、高活性干酵母1 g、绵白糖20 g、精制碘盐1 g、牧恩黄油10 g、水60 g。
除黄油外,先将干料混匀,再使用多功能搅拌机低速加入去离子水揉捏4 min成团。随后包裹黄油,中速搅拌3 min,最后高速揉制9 min。制备好的面团于4 ℃冰箱静置10 min,转至38 ℃醒发箱醒发80 min。最后置于烘箱中(上火160 ℃,下火180 ℃)烘烤12 min,取出室温冷却60 min后测定。
1.3.2 面包比容和孔隙率
面包比容测定参照魏超昆等[10]方法。采用ImageJ 1.52a软件分析面包孔隙率,获取面包中心切块图像,经灰度转换、对比度调整等预处理增强孔隙结构清晰度后进行分析。
1.3.3 面包的色差
参考YANG等[11]方法,获取待测面包样品,切取中心部位2 cm×2 cm×2 cm的立方体。首先校准色差仪以确保测量准确性。将色差仪测量头紧密贴合面包表面,避免外界光干扰,保证光线均匀照射。仪器自动分析反射光并输出以亮度(L*)、红绿度(a*)、黄蓝度(b*)表示的L*、a*、b*。按公式(1)计算色差(ΔE):
(1)
1.3.4 物性指标的测定
将上述2 cm×2 cm×2 cm面包切块居中放置在物性分析仪测试平台上。启动仪器,依次进行重量校准和高度校准,并输入测量参数。选用P75探头[12],设置预测试速度2 mm/s、测试速度1 mm/s、回程速度2 mm/s、触发力5.0 g、起始压力0.01 N、压缩程度60%。探头下压并对样品施加作用力,记录所测数据及曲线。
1.3.5 LF-NMR
参照张华等[13]实验方法,使用LF-NMR测定面包样品的水分分布及流动性。校准仪器后设置参数:采样频率200 kHz、采样间隔3 500 ms、回波时间0.2 ms,以获取横向弛豫时间数据。取约1.5 g新鲜面包样品置于核磁进样瓶中开始测定。
1.3.6 XRD
XRD可用于研究面包等食品中的结晶成分(如淀粉晶体),将面包样品切块,经冷冻干燥去除水分后研磨成细粉,将粉末压成平整片状,固定于样品台。设置测试参数:扫描范围(2θ)5°～40°,工作电流40 mA,电压40 kV,反射模式,扫描速率5°/min[14]。
1.3.7 微观结构
将冷冻干燥的面包样品用导电胶固定于SEM样品台,表面喷镀薄金层。在SEM下,选择合适放大倍数(如500×和1 000×)观察样品表面形貌,分析气孔分布、淀粉颗粒排列及面筋蛋白网络结构[15]。
1.3.8 FTIR
取冷冻干燥研磨过100目筛的面包细粉0.003 g,与0.3 g溴化钾进行混匀[16]。使用压片机压成透明薄片,在FTIR上扫描64次采集光谱。
1.3.9 蛋白消化率
参考程新[17]研究方法,并做出一定的修改。取1 g研磨好的面包冻干样品,取20 mg/mL的胃蛋白酶溶液15 mL与面包样品于离心管混合后,放置摇床中,条件为37 ℃,振荡2.5 h。振荡结束后,将其pH值调节至7.0,然后取质量浓度为5 mg/mL的胰蛋白酶溶液15 mL至离心管中,继续在同等条件下孵育3 h。振荡结束后,向混合液中加入5 mL质量浓度为100 g/L的三氯乙酸溶液,充分混匀后静置1 h,再以5 000 r/min的转速离心15 min,收集上清液。最后,采用BCA试剂盒对上清液中的蛋白质含量进行测定。再用凯氏定氮仪计算出面包冻干样品初始的蛋白质含量,按公式(2)计算蛋白质消化率:
蛋白消化率
(2)
式中:m1,初始蛋白质质量,g;m2,上清液蛋白质质量,g。
1.3.10 感官评价
本次感官评估中的所有面包均采用相同的配料(大豆卵磷脂的添加量除外)、发酵时间和烘焙条件,参考GB/T 20981—2021《面包质量通则》进行。每个面包样品都被切成均匀的小块(大小为2 cm×2 cm×2 cm),并对其进行编码。正式评估开始时,每次评估1个样品,在30 cm的距离内目测颜色(20分)、表皮外观(20分)和形状(20分);评估组织结构(20分),看孔隙分布是否均匀;通过咀嚼30 s评估风味和口感(20分)。
1.4 数据处理
使用MDI Jade 6软件计算XRD结晶度;OMNIC 8.0软件进行FTIR光谱基线校正、平滑及峰位识别;PeakFit 4.0软件分峰拟合定量分析酰胺Ⅰ带(1 600～1 700 cm-1)二级结构比例;Origin 2022软件绘图(如比容-添加量曲线、FTIR光谱图);SPSS 27软件进行感官评分、质构参数等数据的方差分析(ANOVA)及显著性检验。
2 结果与讨论
2.1 面包的比容和孔隙率分析
由图1和表1可知,随着大豆卵磷脂添加量的增加(0%～1.0%,质量分数),面包的比容逐渐增大,并在添加量为1.0%时达到最大值;当添加量超过1.0%时,面包比容开始下降。这可能是因为适量的大豆卵磷脂作为一种两亲性乳化剂,能够增强面筋的延展性和弹性并形成更加均匀致密的网络结构,而这种结构能够抵抗气泡的合并与破裂,延长气体的保留时间,使面包体积膨胀得更加充分。然而,当添加量超过1.0%时,由于过量的大豆卵磷脂乳化作用导致面团变得过软,面筋结构松散,持气能力下降,最终面包比容下降。
表1 大豆卵磷脂对面包品质的影响
Table 1 Effect of soy lecithin on bread quality
指标大豆卵磷脂添加量/%00.51.01.52.0比容/(cm3/g)2.17±0.01e2.56±0.02b2.68±0.10a2.45±0.01c2.41±0.02d孔隙率/%48.01±0.76d66.53±1.38b71.67±0.20a72.96±0.74a53.97±1.60c面包色差L∗71.69±1.47b75.28±0.72a72.34±0.13b65.53±0.44c60.96±1.14da∗-1.26±0.04b-1.09±0.01b-0.77±0.14a-0.60±0.05a-0.75±0.02ab∗10.80±0.02b11.53±0.22ab12.42±0.26a11.39±0.02ab11.81±0.91abΔE4.69±0.67b2.38±0.30c5.18±0.40b9.77±1.22a相对结晶度36.89±0.50a24.44±0.78c15.94±0.92d27.01±0.57b28.21±0.31b
注：表中不同的上标字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。
图1 大豆卵磷脂对面包外观和孔径分布的影响
Fig.1 Effect of soy lecithin on bread appearance and pore size distribution
面包的孔隙率由表1可知,随着添加大豆卵磷脂的增加(0%～1.5%),面包孔隙率呈现增大的趋势,并在1.5%时达到最大值。这是因为适量添加大豆卵磷脂可优化面筋网络结构、稳定气泡界面以及增强持气能力,从而改善面包的孔隙结构[18]。当添加量为1.5%时,乳化剂的面筋强化作用与气泡稳定效应达到平衡,孔隙率最大化。当添加量超过1.5%时,过量的大豆卵磷脂可能干扰面筋网络的形成,引发气体逸出或气孔合并,最终使孔隙率降低或气孔分布不均。因此,相对于对照组来说,在面包中添加不超过1.5%(质量分数)的大豆卵磷脂,可以一定程度改善其孔隙率,高孔隙率通常对应更柔软的面包瓤和更轻盈的质地,同时均匀的气孔结构有助于减少淀粉老化导致的硬度上升,延长货架期。
2.2 面包的色差分析
面包色泽对其品质及消费者接受度至关重要,可反映烘焙条件(温度、时间)及热传递效率(如美拉德反应和焦糖化程度)[19],这些颜色值包括亮度L*、红度和绿度a*以及黄度和蓝度b*,还有颜色变化(ΔE)值。由表1可知,在添加0%～0.5%的大豆卵磷脂时,面包的L*值逐渐上升并在0.5%时L*值达到最大值;当添加量超过0.5%时,L*值开始下降。原因在于大豆卵磷脂可能因乳化作用促进均匀褐变,使表皮颜色均匀且亮度适中;但过量添加导致油脂分布过多,表皮过厚或焦化,亮度降低。相较于对照组,a*和b*值逐渐升高,这可能是因为大豆卵磷脂本身含有类胡萝卜素、其他脂溶性色素及美拉德反应产物(如类黑精)的积累使黄度值和红度值逐渐升高。
2.3 面包的质构分析
由图2可知,与对照组相比,添加0%～1.0%的大豆卵磷脂使得面包硬度降低。这是因为大豆卵磷脂作为乳化剂,其磷脂分子可与面筋蛋白的巯基(—SH)结合,减少蛋白质间的聚集,从而增强面筋的延展性和弹性,所以面包硬度下降[20];但是过量的大豆卵磷脂会破坏面筋交联,导致结构松散化,同时淀粉回生加速,硬度回升。添加量为0%～1.0%时,优化的面筋网络赋予更高回弹能力,弹性逐渐上升;在添加量超过1.0%时,面筋过度塑化,网络刚性丧失,弹性下降。面包的内聚性先增大后降低,可能是因为面筋-卵磷脂复合物增强内部结合力,而当过量大豆卵磷脂竞争结合水分子,削弱蛋白质-淀粉相互作用,结构易碎裂。面包咀嚼性和硬度呈正相关的趋势,硬度降低,同时弹性和内聚性适中,咀嚼性表现为柔软且有韧性[21]。因此,大豆卵磷脂添加量为1.0%时面筋网络延展性最佳,气泡分布均匀。硬度降低与弹性提升协同作用,使咀嚼时既不过于费力,又保留适当韧性,内部结构松软细腻,口感更易被消费者接受。
a-内聚性;b-硬度;c-弹性;d-胶黏性;e-咀嚼性;f-恢复力
图2 不同添加量大豆卵磷脂的面包质构分析
Fig.2 Texture analysis of bread with different amounts of soy lecithin addition
注:图中不同的小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。
2.4 面包的水分分布分析
LF-NMR可非破坏性、快速、精准检测面包中水分状态。T21、T22、T23的含义是结合水、弱结合水和自由水的弛豫时间;而A21、A22、A23可理解为结合水、弱结合水和自由水的相对含量[22]。
如图3所示,添加过大豆卵磷脂之后,T2的时间缩短,这表明大豆卵磷脂的添加使分子排列更加有序,水分子动受阻增强[23]。与对照组相比,T21的峰逐渐向左偏移,这意味着结合水的弛豫时间缩短,说明大豆卵磷脂促使面团中的蛋白质和淀粉等成分形成更紧密的网络结构,使得结合水被限制在更小的空间内,分子运动受限。添加0%～1.0%的大豆卵磷脂时,A21(结合水含量)逐渐增大。这是因为大豆卵磷脂的疏水尾部与面筋蛋白的疏水区域结合,这种结构更紧密地束缚水分,增加结合水(A21)含量[24]。当添加量为1.0%～2.0%时,过量的大豆卵磷脂覆盖面筋蛋白表面,削弱面筋链间的氢键和疏水相互作用,导致网络松散,持水能力下降,A21降低。此外,形成的网络结构可以包裹自由水,降低水分子流动性,更多的水分子转变为弱结合水(A22),所以A22也呈上升趋势,添加量为1.0%时,A22含量最高,呈现出更强的乳化作用,从而有利于水分在面团中的均匀分布,进一步促进了不易流动水的形成。因此,在1.0%时,弱结合水被限制在面团的微观结构中,能够增加面团的韧性和弹性,又因为水分与面团成分的结合较为紧密,这样在面包贮存过程中,减少贮存过程中散失,能够有效延缓面包的老化速度并延长面包的货架期。
a-自旋弛豫时间;b-水分子峰面积比例
图3 大豆卵磷脂对面包水分分布的影响
Fig.3 Effect of soy lecithin on moisture distribution in breads
2.5 面包的结晶度分析
XRD在面包样品分析中主要用于研究晶体结构、淀粉老化及成分分布。如图4所示,在对照组的样品中,在17°和20°附近分别出现典型的B型淀粉(老化淀粉结晶)和V型淀粉(淀粉-脂质复合物)衍射峰。在面包贮存过程中,直链淀粉分子重排形成有序B型晶体并形成紧密的氢键网络,B型晶体通过氢键束缚水分,导致淀粉颗粒吸水膨胀后脱水收缩,面包内部水分分布不均,质地变硬、掉渣、弹性下降。大豆卵磷脂中的脂肪酸链嵌入直链淀粉螺旋内部形成稳定的V型复合物,阻止直链淀粉分子重新排列成B型晶体,V型结构并通过锁定直链淀粉及抑制水分流失维持面包柔软度[25]。
图4 不同添加量的大豆卵磷脂的面包X射线衍射图
Fig.4 Bread X-ray diffractograms of soy lecithin with different additives
由表1可知,当大豆卵磷脂的添加量为0%～1.0%时,相对结晶度逐渐下降并在1.0%时达到最低;当添加量为1.0%～2.0%时:相对结晶度重新上升。相对结晶度初期下降这是因为V型复合物形成,V型复合物通过物理包裹直链淀粉,阻止其在贮存过程中重新排列成高结晶度的B型结构;当添加量为1.0%～2.0%时,相对结晶度上升是由于过量卵磷脂引发相分离、支链淀粉再结晶,因此,添加1.0%大豆卵磷脂能够有效延缓面包的老化。
2.6 面包的SEM分析
SEM可揭示面筋网络形态、分布及交联程度[26]。通过图5展示了不同大豆卵磷脂添加量下面包样品的SEM结果显示气孔分布、淀粉颗粒排列及面筋网络的变化。在500×放大倍数下,与对照组相比,当大豆卵磷脂的添加量为0%～1.0%时,气孔逐渐变小且分布均匀,淀粉颗粒被面筋均匀包裹,排列紧密。颗粒间空隙减小,呈现有序镶嵌结构;当添加量超过1.0%时,出现巨型气孔,淀粉颗粒重新暴露,排列松散,网络逐渐松散,出现大面积空洞。在1 000×放大倍数下,相比对照组,添加量为0%～1.0%时气孔壁表面光滑,面筋-淀粉复合物均匀覆盖,淀粉颗粒表面被面筋蛋白紧密包裹,与卵磷脂形成光滑复合层;当添加量为1.0%～2.0%时,面筋连接断裂,面筋纤维变细,扭曲断裂。这是因为在添加量为0%～1.0%时,大豆卵磷脂中的磷脂酰胆碱使得气孔稳定,磷脂酰乙醇胺和磷脂酰肌醇优化面筋网络,增强网络延展性和连接性。当添加量超过1.0%时,过量卵磷脂破坏面筋交联,界面膜失稳导致气体逃逸,干扰面筋与淀粉结合,脂质相分离导致淀粉裸露;同时过量的大豆卵磷脂疏水端插入面筋疏水区,破坏二硫键交联。
图5 不同添加量的大豆卵磷脂面包SEM图像
Fig.5 Scanning electron microscope images of soy lecithin bread with different additions
2.7 面包的蛋白二级结构分析
FTIR通过检测中红外区(4 000～400 cm-1)分子振动提供官能团信息[27],可有效反映大豆卵磷脂添加对面包组分的化学影响,其添加量对面包变化可通过特征峰强度及谱形变化捕捉。通过图6与对照组相比,添加大豆卵磷脂的面包的α-螺旋占比增加(α-螺旋占比从19%增加到32%),在添加量为1.0%时达到最大;当添加量超过1.0%时候,α-螺旋占比开始下降。实验组β-折叠占比比对照组高,在0.5%时为峰值随后开始下降。无规卷曲和β-转角以一定的比例存在。随着大豆卵磷脂添加量从0%升至1.0%,α-螺旋比例逐步增加,这是因为卵磷脂的疏水尾部与面筋蛋白的疏水区域结合,增强其螺旋结构的稳定性[28];同时也因为大豆卵磷脂的乳化作用,使面筋蛋白周围的水分子更均匀,减少局部缺水导致的螺旋结构破坏。β-折叠占比增加是源于添加的大豆卵磷脂通过增强面筋蛋白有序排列和优化二硫键交联。正如夏萌萌等[29]研究发现,α-螺旋和β-折叠可以使面筋形成较为坚韧的网络结构,有助于保持面包在发酵和烘焙过程中的形状。
图6 大豆卵磷脂对面包蛋白质二级结构的影响
Fig.6 Effect of soy lecithin on the secondary structure of bread proteins
2.8 蛋白质的消化率分析
测定面包的蛋白质消化率是评价其营养价值的关键指标之一[30],能够为食品加工、特殊人群提供相应的理论指导,满足消费者的多样需求。由表2可知,面包的蛋白质消化率随大豆卵磷脂添加量增加呈先升后降趋势,并于1.0%时达到峰值。这是因为低添加量的大豆卵磷脂可改善面团的延展性和气体保持能力,其保湿性可减少冻干过程中的冰晶破坏,形成更均匀的多孔结构,这种疏松结构更易被消化酶渗透,加快淀粉和蛋白质的分解,同时,磷脂酰胆碱等成分可能调节消化环境,促进酶在底物表面的吸附,提高催化效率,因此,低添加量的大豆卵磷脂加入到面包中会使得面包的蛋白质消化率更高。当大豆卵磷脂添加量超过1.0%时,面包的蛋白质消化率开始降低,这可能是因为过量的大豆卵磷脂过度结合可能导致蛋白质聚集体被脂质包裹,减少酶活性位点暴露,从而使得面包的蛋白消化率降低。因此,将大豆卵磷脂的添加量控制在1.0%时最好,提高面包的蛋白质消化率能直接改善人体对蛋白质的吸收效率。
表2 大豆卵磷脂对面包蛋白消化率的影响
Table 2 Effect of soy lecithin on bread protein digestibility
大豆卵磷脂添加量/%00.511.52蛋白消化率/%58.63±13.23b63.88±3.59ab68.49±1.34a63.57±1.01ab64.33±2.11a
2.9 感官评价
通过观察图7发现,与对照组相比,当大豆卵磷脂的添加量为1.0%时,各项指标(色泽、形状、杂质、组织结构、风味口感)均得到改善。1.0%添加量的大豆卵磷脂面包表皮呈现均匀的金黄色,可能是卵磷脂的抗氧化作用延缓美拉德反应过度导致的焦化,同时其乳化特性促进脂质均匀分布,增强光泽度[31];大豆卵磷脂的乳化作用改善面团延展性,使面包在烘焙膨胀均匀,外形饱满度显著提高;加入大豆卵磷脂后,维持面包湿润柔滑的口感,抑制脂质氧化异味,风味纯净度优于对照组;添加量超过1.0%时,面包的色泽、形状、杂质、组织结构及风味口感均开始下降,这可能归因于过量卵磷脂干扰面筋网络,并引入轻微豆腥味。总体而言,在大豆卵磷脂添加量为1.0%时,面包的各项评分较高。
图7 大豆卵磷脂对面包感官评分的影响
Fig.7 Effect of soy lecithin on sensory scores of breads
3 结论
本文探究了大豆卵磷脂对面包水分分布、老化特性、微观结构、蛋白质二级结构及体外消化的影响,并分析了面包的比容、孔隙率、色泽、质构、感官评价。大豆卵磷脂的添加提高了面包中结合水与弱结合水含量,降低面包相对结晶度,抑制面包的老化。大豆卵磷脂实验组面包蛋白质二级结构中α-螺旋与β-折叠占比增加,表明面筋网络结构增强。与对照组相比,添加大豆卵磷脂的面包比容增大,孔隙结构得到改善,细化气孔并使其分布均匀,其硬度、胶黏性及咀嚼性均有所降低,表明适量添加可提升面包柔软度。实验组面包体外蛋白质消化率也相对提高,此外,在1.0%添加量下的面包色泽、风味、组织结构得到改善,感官综合评分优于对照组。大豆卵磷脂在面包等烘焙食品中,可作为天然的改良剂发挥较好的应用潜力。
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