食用菌饅頭粉的配方設計及其品質改良

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(1.廣西大學輕工與食品工程學院,廣西南寧 530004; 2.廣西民族大學相思湖學院,廣西南寧 530008; 3.廣西工業職業技術學院,廣西南寧 530003)

食用菌是一種高蛋白、低脂肪、高膳食纖維且氨基酸種類齊全的營養食品資源。目前,我國食用菌總產量全球第一,是世界上最大的食用菌生產國和出口國[1]。我國食用菌主要加工產品包括干制品、鹽漬品、糖漬品、罐頭等初加工產品,以及飲料、調味品、方便食品、休閑食品和保健食品等深加工產品[2]。然而,全國食用菌加工率不足5%,其中深加工產品僅占5%左右[3],這嚴重制約了食用菌工業的發展。饅頭是我國南北皆宜的主食食品,是以精白面粉為原料制作而成的面制品,在人們日常生活中有著不可替代的作用[4]。但是,由于精白面粉缺乏人體所必需的氨基酸(尤其是賴氨酸)和膳食纖維,其加工的饅頭屬于氨基酸限制型且缺乏膳食纖維的營養不均衡食品[5],長期食用會造成營養不良,不符合《中國食物與營養發展綱要(2014-2020年)》推薦的最佳膳食營養比例。因此,開發營養均衡的膳食饅頭是我國主食饅頭工業健康發展的需要。

表1 FAO/WHO 標準氨基酸評分表(mg/g 蛋白質)Table 1 Standard amino acids content of FAO/WHO(mg/g protein)

近些年來,針對饅頭營養缺陷性問題,已有將菊粉、豌豆粉、大麥粉、玉米粉、黑米粉等原料加入到面粉中的研究報道。孫聃等[6]發現當豌豆粉為5%添加量時,饅頭的的感官特性和綜合品質最好。張劍等[7]研究表明,當豆粉的添加量在10%以內時對饅頭的品質影響較弱,還可提高饅頭中賴氨酸含量,提高饅頭營養價值。Lin等[8]研究表明,大麥粉的添加會降低面團的粉質特性,但使得面團的耐揉性增加;并使饅頭的比容、亮度降低,硬度和咀嚼性顯著增大。通過添加這些原料來賦予主食饅頭新的營養和功能,但由于這些原料淀粉和蛋白的種類、含量與面粉相比差異較大,過高的添加量會造成饅頭彈性降低、硬度增大、亮度減小等一系列品質問題,限制了這些原料對饅頭營養的改善效果。食用菌是氨基酸種類齊全且富含多種營養素的食品原料,與面粉的結合可以很好地補充主食饅頭的營養缺陷,符合我國居民膳食寶塔的飲食推薦要求。同時,將食用菌滲透到主食中,開發食用菌營養主食饅頭,依托主食饅頭工業強大的市場空間和發展潛力,將會極大地提高食用菌深加工率,為我國食用菌加工業開辟新的經濟生長點。

然而,由于食用菌含有較豐富的膳食纖維和多糖類物質,會阻礙淀粉的吸水糊化和面團蛋白網絡的形成,且食用菌所含有蛋白質不能形成面筋網絡結構,會降低小麥面團的黏彈性,造成饅頭品質的下降[9]。因此,為了制備出營養均衡且品質較好的食用菌饅頭,需要對食用菌饅頭的品質進行改良。本論文以袖珍菇、海鮮菇、雙孢菇三種食用菌粉和小麥粉為原料,根據均衡營養膳食需求確定食用菌饅頭粉的最佳配方,使其氨基酸組成接近FAO/WHO提出的合理膳食標準模式[10]。在此基礎上探討谷朊粉、單硬脂酸甘油酯、真菌α-淀粉酶、木聚糖酶等四種添加劑對食用菌饅頭的品質影響,并采用響應面試驗優化改良劑的最佳配方,為營養均衡且品質較好的食用菌饅頭的開發提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

袖珍菇粉、海鮮菇粉、雙孢菇粉 廣西大學輕工與食品工程學院農產品加工實驗室提供[11];高筋小麥粉 河北金沙河面業集團有限責任公司;谷朊粉(食品級)、單硬脂酸甘油酯(食品級) 南寧越前食品添加劑有限公司;真菌α-淀粉酶(酶活力2500 FAU/g)、木聚糖酶(酶活力2500 FXU/g) 諾維信(中國)生物技術有限公司。

HWH100和面機 河南新鄉食品機械有限公司;FX-14醒發箱 廣州市鑫南方電熱設備有限公司;蒸鍋 浙江蘇泊爾股份有限公司;TA.XT.Plus物性測定儀 英國Stable Micro System公司;L-8900全自動氨基酸分析儀、S-3400N掃描電子顯微鏡 日本日立公司;101A-2型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海市實驗儀器總廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 食用菌粉和小麥粉氨基酸評分的計算 在測定氨基酸評分之前，先對食用菌粉和小麥粉水分含量(參照GB 5009.3-2016直接干燥法)和氨基酸(參照GB 5009.124-2016水解法)進行測量，然后以原料干基為基準進行氨基酸評分。

1.2.2 食用菌粉和小麥粉氨基酸評分的計算 氨基酸評分(AAS)又叫蛋白質化學評分[10],是目前廣為應用的一種食物蛋白質營養價值評價方法,不僅適用于單一食物蛋白質的評價,還可用于混合食物蛋白質的評價。FAO/WHO標準氨基酸評分見表1,根據食用菌粉和小麥粉的氨基酸測定結果,參照FAO/WHO規定氨基酸組成標準模式,計算食用菌粉和小麥粉的氨基酸評分。

AAS(%)=(AA×100)/(參考蛋白質中每克蛋白質氨基酸含量(mg/g蛋白質))

其中:AA為待測食物每克蛋白質中氨基酸含量(mg/g)。

1.2.3 食用菌饅頭粉的配方設計 根據食用菌粉和小麥粉的氨基酸評分結果,利用Excel線性規劃求解出氨基酸評分值較高的食用菌饅頭粉最優配方,即可得到營養均衡的食用菌饅頭粉配方。

1.2.4 食用菌饅頭的制作 按以上優化的食用菌饅頭粉配方,分別添加不同的比例谷朊粉、單甘酯、真菌α-淀粉酶、木聚糖酶四種改良劑,依照國標GB/T 21118-2007,制作成食用菌饅頭,對食用菌粉饅頭品質特性進行分析,研究改良劑對其品質的影響。

表3 饅頭的評分項目及評分表Table 3 Standard of sensory testing for steamed breads

1.2.4.1 改良劑單因素實驗設計 在饅頭的制作過程中，饅頭的質構特性和內部微觀組織是表征饅頭品質特性的關鍵指標。依次向食用菌粉饅頭中添加不同比例的改良劑，以食用菌粉饅頭質構特性和微觀特性為指標，研究四種改良劑對其品質的影響。具體情況如下：固定硬脂酸甘油酯添加量為0.3%、真菌α-淀粉酶為30 mg/kg、木聚糖酶為30 mg/kg,設置谷朊粉添加量為0、2%、4%、8%、10%、12%(在預實驗時發現當谷朊粉添加量為6%時,食用菌饅頭質量最差。添加量大于或小于6%時,食用菌饅頭質量都將增加,故不設置谷朊粉6%水平);固定谷朊粉添加量為4%、真菌α-淀粉酶為30 mg/kg、木聚糖酶為30 mg/kg,設置硬脂酸甘油酯的添加比例為0、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%;固定谷朊粉添加量為4%、硬脂酸甘油酯添加量為0.3%、木聚糖酶為30 mg/kg,設置真菌α-淀粉酶添加量為10、30、50、70 mg/kg;固定谷朊粉添加量為4%、硬脂酸甘油酯添加量為0.3%、真菌α-淀粉酶為30 mg/kg,設置木聚糖酶添加量為0、10、30、50、70 mg/kg。

1.2.4.2 響應面法優化復合改良劑的配方 在單因素實驗結果的基礎上,選取谷朊粉、單甘酯、真菌α-淀粉酶、木聚糖酶四因素,采用Box-Behnken的四因素三水平設計響應面實驗,每一個因素的低、中、高實驗水平分別以-1、0、1進行編碼,以感官評分(感官評分是饅頭品質的綜合反映)作為響應值,設計實驗因素及水平表見表2,利用Design expert 8.0.5進行數據處理和回歸分析[12],確定食用菌饅頭粉中各改良劑的最佳添加量。

表2 實驗因素及水平表Table 2 Factors and levels of response experimen

1.2.5 饅頭的質構特性 質構測試運用TA.XT.Plus型質構儀,采用TPA測試模式進行測試[13]。將在室溫條件下自然冷卻1 h后的饅頭,水平切割成厚度為20 mm的饅頭片,采用TPA模式,P/36 R圓柱形探頭進行測定(測前、測中、測后速度分別為2、1、2 mm/s,觸發力為5 g),測量饅頭的硬度和彈性。

1.2.6 面團的微觀結構分析 取發酵后的面團(參照饅頭的制作)于-70 ℃速凍,經過真空冷凍干燥后,將所得干燥的發酵面團用小錘將其破裂成約1 cm×1 cm×0.5 cm的小塊,利用導電膠將其粘在樣品臺上,然后經IB-5離子濺射儀鍍金100 A,處理好的樣品立即放入電鏡載物腔體內抽至真空,加壓(10 kV),使用掃描電子顯微鏡(SEM)進行觀察,拍照[14]。

1.2.7 饅頭的感官評定 參照SB/T 10139-93,并稍作改動,選用10名有經驗且經訓練的評價員(其中男性、女性各5名),對食用菌饅頭外部表面及內部結構進行感官綜合評價,取平均值(具體的饅頭品質評分精確到0.1分)。其中,比容的測定參照GB/T 21118-2007。

1.3 數據處理

實驗結果均為三次平行實驗的平均值,利用SPSS 19.0和EXCEL 2017軟件對數據進行統計分析獲得平均值和標準偏差,所有分析采用LSD(最小差異顯著性)法,P<0.05。作圖采用Origin 9.0軟件。

2 結果與分析

2.1 食用菌粉和小麥粉的氨基酸分析

目前評價蛋白質價值常用的方式是將樣品氨基酸組成比例與世界衛生組織(WHO)和聯合國糧農組織(FAO)提出的必需氨基酸模式進行比較,比值越高,表明氨基酸營養價值越高[15]。AAS值低于100的為限制性氨基酸,其中最小的為第一限制氨基酸,其評分即為該食物的氨基酸評分值。如表4,小麥粉的第一限制氨基酸為賴氨酸,氨基酸評分為33.45,第二限制性氨基酸為蘇氨酸62.10,由此可以看出,小麥粉的氨基酸營養不均衡。袖珍菇粉、海鮮菇粉、雙孢菇粉三種食用菌粉的氨基酸評分遠大于小麥粉,且賴氨酸、蘇氨酸評分均超過90分,其中袖珍菇兩者的評分超過110。因此,食用菌粉的氨基酸營養價值遠高于小麥粉,且富含有小麥粉的限制性氨基酸,這使得食用菌粉強化主食饅頭的營養價值的目標成為可能。

2.2 氨基酸評分較高的食用菌饅頭粉配方設計

線性規劃法(LP)屬于運籌學中的一種最實用的求解方法,可以同時滿足多個線性方程的約束,規劃出滿足多個條件的最優解[16]。為提高小麥粉氨基酸營養的均衡性,擬使設計出的復合粉氨基酸評分大于80,即可得到營養均衡的食用菌饅頭粉配方。設復配粉中小麥面粉、袖珍菇粉、海鮮菇粉和雙孢菇粉的含量分別為X1、X2、X3、X4,復配粉中八種必需氨基酸的評分分別為Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y8,氨基酸總評分為Y,氨基氮含量Z,參考表4,則有以下線性方程:

表4 原料的氨基酸評分Table 4 The amio acid score of raw aterial

注:上述含量數據均為干基含量，單位為g/100 g原料。

Z=10.87X1+24.72X2+14.35X3+24.38X4

Y1=(0.40X1+1.05X2+0.56X3+0.88X4)1000×100/(40Z)

Y2=(0.78X1+1.75X2+0.92X3+1.36X4)1000×100/(70Z)

Y3=(0.22X1+1.64X2+0.79X3+1.26X4)1000×100/(55Z)

表5 規劃求解參數的約束條件Table 5 The constraints of the programming solution parametrs

表6 復合粉配方氨基酸評分運算結果Table 6 The operation result report of the wheat flour substitued with edible mushroom powde

Y4=(0.41X1+1.71X2+0.55X3+0.82X4)1000×100/(35Z)

Y5=(0.89X1+1.93X2+1.02X3+1.33X4)1000×100/(60Z)

Y6=(0.27X1+1.11X2+0.59X3+0.94X4)1000×100/(40Z)

Y7=(0.13X1+0.25X2+0.20X3+0.33X4)1000×100/(10Z)

Y8=(0.43X1+1.32X2+0.69X3+1.19X4)1000×100/(50Z)

Y={Y1,Y2,Y3,Y4,Y5,Y6,Y7,Y8}min;Y≥80

X1+X2+X3+X4=1;{ X1,X2,X3,X4}min≥0;

參照以上關系式,在Excel表格中輸入規劃求解參數的約束條件,具體如表5所示。通過Excel軟件運算規劃求解,得到如表6食用菌饅頭粉配方運算結果。

圖1 改良劑對食用菌饅頭硬度和彈性影響Fig.1 Effects of improves on hardness and springiness of composite CSB注:A、B、C、D分別為谷朊粉、單甘酯、真菌α-淀粉酶和木聚糖酶。

由表6可知,在小麥粉氨基酸評分為33.45的基礎上,當設定復合饅頭粉氨基酸評分值為80時,通過Excel線性規劃法求解出的復合粉配方中食用菌粉總取代比例為39.41%,其中袖珍菇粉為23.07%,海鮮菇粉為5.28%,雙孢菇粉為11.06%,相對于小麥粉而言,復合粉的氨基酸營養均衡性得到了極大的提高。按照此配方進行配粉,對復合粉氨基酸進行分析,計算氨基酸評分,如此進行3次驗證試驗,取平均值得到氨基酸評分為78.23,接近線性規劃結果,說明此方法可以應用于食用菌饅頭粉的配方設計。

2.3 改良劑對食用菌饅頭質構特性影響

饅頭的質構特性主要包括硬度和彈性,其中硬度一般與饅頭品質呈負相關,而彈性則與饅頭品質呈正相關[17]。如圖1A,隨著谷朊粉添加量的增大,食用菌饅頭的硬度呈減小趨勢,彈性呈增大趨勢,這與 Roininen K等人[18]的研究結果一致,是因為谷朊粉可增加面團面筋蛋白含量,增強面團網絡結構[19-20]。但當添加量超過10%時,饅頭的硬度增加,原因可能是過多的谷朊粉相互聚集形成小的“面筋球”,反而對面團的加工特性有不利的影響[21]。因此,當谷朊粉添加量為10%時,食用菌饅頭質構特性最佳。

單甘酯可與面粉中的基本成分相互作用,增加面團內部結構的穩定性[22],如圖1B,單甘酯的添加使得食用菌饅頭硬度減小,彈性先增大后減小,當添加量為0.5%時,彈性最大。這表明當單甘酯添加量為0.5%時,食用菌粉饅頭質構特性最佳。

真菌α-淀粉酶可進一步水解破損的淀粉顆粒和部分不溶性淀粉,增加面團中氣室的延伸性,從而增大面制品體積[23],降低食用菌粉饅頭的硬度,增大其彈性。如圖1C,當真菌α-淀粉酶添加量為30 mg/kg時,食用菌粉饅頭的質構特性最佳。當添加量超過30 mg/kg時,饅頭質構特性下降,可能是因為過量的真菌α-淀粉酶會使得過多的淀粉被水解,導致面團粘性增大。木聚糖酶可降解在空間上阻礙面筋網絡結構形成的水不溶性木聚糖,掃除面筋網絡形成的障礙[24],從而改善饅頭的硬度和彈性。

當木聚糖酶過量時,會使得面團中水溶性木聚糖降解,對饅頭產生負面影響[25]。如圖1D,當添加量為50 mg/kg時,饅頭質構特性最佳。

2.4 改良劑對發酵面團微觀結構的影響

饅頭的膨松結構主要由面團醒發階段內部氣孔結構情況決定[26]。采用掃描電鏡分析改良劑對食用菌粉面團微觀結構的影響,如圖2所示,可以看出沒有添加改良劑的食用菌面團內部組織緊密,幾乎觀察不到氣孔。隨著改良劑添加量的增大,食用菌粉面團內部逐漸出現氣孔結構。當谷朊粉添加量為10%時,食用菌粉面團內部出現了大量完整、連續的氣孔,這說明谷朊粉的添加在一定程度上恢復了面團的面筋網絡結構;而當單甘酯的添加量在0.5%時,面團內部出現了一定量的氣孔,這表明單甘脂對食用菌面團組織結構有一定的改善效果;真菌α-淀粉酶和木聚糖酶對食用菌粉面團內部微觀結構有很明顯改善作用[27-28]。淀粉酶可水解面團中淀粉顆粒,增大面團氣室的延伸性,使得饅頭在蒸煮過程中氣孔膨脹度增大。如圖2所示,隨著真菌α-淀粉酶和木聚糖酶添加量的增加,組織緊密的食用菌面團內部逐漸出現了一些氣孔,且當真菌α-淀粉酶添加量為30 mg/kg、木聚糖酶添加量為30 mg/kg時,食用菌粉面團內部出現大量均一、連續的氣孔,表明酶的添加增強了食用菌粉面團面筋網絡結構,使得面團在發酵時產生更多的氣孔。

圖2 改良劑對食用菌粉面團微觀結構的影響Fig.2 Effect of improvers on micrographs of composite CSB注:K代表食用菌粉面團;2GLU～10GLU代表谷朊粉添加量為4%～10%;0.1MAC～0.5MAC代表單甘酯添加量為0.1%～0.5%;10FUN～50FUN代表真菌α-淀粉酶添加量為10～50 mg/kg;10PEN～50PEN代表木聚糖酶添加量10～50 mg/kg。

2.5 響應面試驗優化改良劑的配方

響應面法是優化存在多因素影響實驗條件的尋優方法,通過固定數量的實驗次數可以連續的對實驗因素進行分析,并可得到直觀的3D曲面圖進而評價各因素間的交互作用[29]。實驗結果如表7,利用Design-Expert 8.0.5軟件對表7數據進行多元回歸擬合,得到以感官評分為響應值的二次回歸方程:Y=85.08+3.81A+1.71B+1.80C-0.05D-3.28AB+0.02AC+0.99AD+0.42BC-0.92BD-0.84CD-3.58A2-2.42B2-2.97C2-1.81D2

表7 響應面實驗設計及結果Table 7 Design and results of Box-Behnken

該模型中一次項A、B、C對感官評分影響極其顯著(P<0.01);二次項中A2、B2、C2對Y影響極其顯著(P<0.01);交互相中AB對Y影響極其顯著(P<0.01);而D、AC、AD、BC、BD、CD、C2對Y影響不顯著(P>0.05)。各因素對感官評分的影響大小依次是:谷朊粉>真菌α-淀粉酶>單甘酯>木聚糖。由于AC、AD、BC、BD、CD交互作用的影響不顯著。因此,圖3只給出了交互作用P值較小的前三項,即AB、AD、BD相互作用的響應面圖和等高線圖。

根據響應面優化結果,最佳的改良劑配方為:谷朊粉添加量10.18%,單甘酯添加量0.50%,真菌α-淀粉酶添加量35.85 mg/kg,木聚糖酶添加量51.43 mg/kg,在此條件下,感官評分的最大值為86.37。

將上述最佳試驗點重復3次進行驗證試驗,取平均值得到優化后的感官評分為83.94,接近模型預測值。同時對未添加改良劑的食用菌饅頭進行感官評分,感官評分分別為56.16。因此,優化后的食用菌饅頭感官評分較未優化前提高了近50%,說明回歸方程能夠準確地反映各因素對食用菌復合饅頭感官評分的影響。

表8 回歸方程方差分析表Table 8 Analysis of variance of regression equation

注:*表示顯著水平(P<0.05);**表示極顯著水平(P<0.01)。

圖3 各因素交互作用對食用菌饅頭感官評分影響Fig.3 Effects of interaction of various factors on sensory score of composite CSB

3 結論

以富含多種必需氨基酸的高蛋白食用菌粉為原料補充小麥粉的營養,提高小麥粉的氨基酸評分。利用Excel線性規劃求解出食用菌饅頭粉的最優配方為:小麥粉60.59%,袖珍菇粉23.07%,海鮮菇粉5.28%,雙孢菇粉11.06%。氨基酸評分為78.23。同時使用改良劑改良食用菌饅頭的品質,研究改良劑對食用菌饅頭的質構特性、感官特性和面團微觀結構等品質的影響。通過響應面實驗,優化復合改良劑的配方為:谷朊粉10.18%,單甘酯0.50%,真菌α-淀粉酶35.85 mg/kg,木聚糖酶51.43 mg/kg,在此條件下,感官評分的最大值為86.37,較未優化前提高了近50%。此外,對食用菌饅頭感官評分影響大小順序為:谷朊粉>真菌α-淀粉酶>單甘酯>木聚糖酶,其中谷朊粉和單甘酯的交互作用對感官評分有極顯著影響。本實驗制備的食用菌饅頭相較于小麥粉饅頭,氨基酸更加均衡,營養性更高。此外,制備的食用菌饅頭經過改良后,感官品質接近正常的小麥粉饅頭,內部呈現蓬松多孔的結構。將食用菌滲透到主食中,開發食用菌營養主食,依托主食工業強大的市場空間和發展潛力而發展,應該成為我國食用菌加工業新的經濟增長點。