含丙二醇酯低脂蛋糕的流變學、氣泡微結構和烘焙特性研究

王家寶 - 陳 誠 王 鳳, , 郝月慧 -黃金鑫 - 陳軍民 - 黃衛寧 - 小川晃弘

(1. 江南大學食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2. 無錫麥吉貝可生物食品有限公司，江蘇 無錫 214131；3. 三菱化學食品株式會社，日本 東京 100-8251)

隨著飲食健康習慣和消費升級，傳統蛋糕高脂高熱量引發的肥胖、高血脂問題引起消費者的廣泛憂慮[1]。美國食品藥品管理局(FDA)亦計劃嚴格控制烘焙產品使用氫化固體油脂，低固體油脂含量的食品逐漸成為研究熱點。相比于傳統蛋糕，低脂蛋糕面糊因減少油脂無法使空氣均勻分布在乳化體系中[2]，調節油—水界面張力能力弱導致乳化穩定性較差[3]，烘焙后的蛋糕比容和柔軟度欠佳[4-5]。目前工業生產常用的“一步法”工藝制作的低脂蛋糕比容小、易發硬是行業共性問題。

湯曉娟等[6]研究發現使用親脂性的蔗糖脂肪酸聚酯可減少蛋糕的油脂用量。丙二醇酯在烘焙行業是一種新型乳化劑，具有一定的親油性，擁有優良的乳化性能[7-8]。研究[9-10]指出，丙二醇酯可在W/O乳液的油—水界面處結晶形成穩定的界面膜增強穩定性。但其在低脂蛋糕油—水—氣復雜三相乳化體系中的研究尚未報道。

本試驗擬以添加新型丙二醇酯并結合“一步法”制作低脂蛋糕為研究對象，研究不同添加量的丙二醇酯對低脂蛋糕面糊的流變學、微結構以及烘焙特性的影響，為丙二醇酯的現代烘焙食品工業化應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮雞蛋、白砂糖：購自無錫本地市場；

低筋小麥粉：美玫牌，粗蛋白含量8.2%，香港面粉有限公司；

固體油：福臨門烘焙黃油，中糧東海糧油工業(張家港)有限公司；

液體油：菜籽油，中糧糧油工業(巢湖)有限公司；

丙二醇酯：三菱化學食品株式會社合作；

雙效泡打粉：配料為焦磷酸二氫二鈉(<40%)、碳酸氫鈉(<25%)、碳酸鈣(<5%)、淀粉，廣州焙樂道食品有限公司。

1.2 主要儀器與設備

攪拌機：5K5SS型，美國廚寶Kitchen Aid公司；

烤箱：SM-503型，新麥機械(無錫)有限公司；

切片機：SM302N型，新麥機械(無錫)有限公司；

質構分析儀：Brookfield CT3型，美國博勒飛公司；

旋轉流變儀：DHR-3型，美國沃特世公司；

X-射線衍射儀(XRD)：D2 PHASER型，德國布魯克AXS有限公司；

電子天平：JY2000型，上海良平儀器有限公司；

熒光倒置顯微鏡：Zeiss Axio Vert.A1型，卡爾·蔡司公司；

黏度計：NDJ-5S數字旋轉黏度計，上海微川精密儀器有限公司；

全自動表面張力儀：DCAT21型，德國德菲公司。

1.3 方法

1.3.1 低脂蛋糕配方 低脂蛋糕配方如表1所示。乳化劑添加量均根據推薦量使用。

1.3.2 低脂蛋糕“一步法”制作工藝 將新鮮全蛋液倒入攪拌缸中，高速(速度6)分散雞蛋30 s；白砂糖加入蛋液低速(速度2)1 min，中速(速度 4)攪拌2 min至糖完全溶化；粉類過篩后加入蛋液中，低速攪拌1 min，中速打發2 min；低速下加入熔化的固體油、液體油和丙二醇酯混合物，攪拌至完全均勻。取150 g低脂蛋糕面糊，倒入模具中，將低脂蛋糕面糊放入已經預熱到上火200 ℃、下火190 ℃烤箱中，焙烤時間30 min。將烘焙完成的低脂蛋糕迅速取出，冷卻1 h后進行后續研究。

表1 低脂蛋糕配方

1.3.3 油脂表面張力測定 取100 mL油脂樣品放置在平底容器中，靜置至界面光滑平整，然后在表面張力測定儀上進行表面張力測定，至數據穩定到±0.03 mN/m[11]。

1.3.4 油脂晶型測定 油脂樣品均勻平整涂在X-射線衍射玻片上。銅靶管射線源λ=1.540 60×10-10m，功率1 600 W (40 kV×40 mA)。掃描角度2θ為1°～30°，步長0.02°[12]。

1.3.5 低脂蛋糕面糊密度分析 采用相對密度法進行測定，試驗均重復3次[13]。首先取一個平底容器并稱出其質量m0，記下注滿蒸餾水和容器的總質量m1，再用相同的容器盛裝面糊，記為質量m2，水的密度約為1 g/cm3，按式(1)計算出面糊密度(ρ)。

ρ=ρ水×(m2-m0)÷(m1-m0)，

(1)

式中：

ρ——低脂蛋糕面糊密度，g/mL；

m0——密度杯質量，g；

m1——密度杯中裝滿蒸餾水質量，g；

m2——密度杯中裝滿面糊質量，g。

1.3.6 低脂蛋糕流變特性曲線測定 根據湯曉娟等[6]的方法，修改如下：取適量面糊在25 ℃條件下用流變儀流動模式測定面糊流變特性。平板直徑選用40 mm，夾縫距離為1 mm。剪切速率從0.1 s-1線性增加到100 s-1。面糊流變曲線用以下方程描述，并所有曲線符合冪律模型：

η=Kγn-1，

(2)

式中：

η——表觀黏度，Pa·s；

K——稠度系數，Pa·sn；

γ——剪切速率，s-1；

n——流動系數。

1.3.7 低脂蛋糕面糊黏度分析 測量低脂蛋糕面糊制作的起泡結束與消泡結束時刻的面糊黏度，試驗均重復3次。黏度測試參數：轉速6 r/min，最大量程100 Pa·s，4#轉子頭[14]。

1.3.8 低脂蛋糕面糊顯微觀察 用熒光倒置顯微鏡對低脂蛋糕的面糊微觀特性進行研究，放大倍數為100×。使用軟件Image-J進行氣泡計數與圓度分析[15]，采用分形維數分析氣孔粗糙度、變形度[16]。

1.3.9 低脂蛋糕比容測定 采用油菜籽替換法。蛋糕在室溫下冷卻1 h后測定蛋糕質量與體積，依照式(3)計算低脂蛋糕比容，試驗均重復3次。

(3)

式中：

SV——低脂蛋糕比容，mL/g；

V——低脂蛋糕體積，mL；

m——低脂蛋糕質量，g。

1.3.10 低脂蛋糕質構分析 將室溫冷卻1 h后的低脂蛋糕切成高度12 mm，直徑35 mm的圓形薄片。采用質構儀P/36探頭，對蛋糕進行連續2次壓縮測試。試驗參數設定為：測前速率1.0 mm/s，測試速率3.0 mm/s，測后速率1.0 mm/s，觸發感應力5 g，壓縮距離4 mm。2次壓縮間隔時間15 s。低脂蛋糕指標包括硬度、咀嚼性和彈性[17]。

1.3.11 低脂蛋糕感官評定 由食品科學與工程專業10位經驗豐富的感官評定人員(之前經過訓練的用于感官評定的人員)對蛋糕品質進行產品感官評定。感官評定評分標準分別為以下6項。濕潤程度：1為干燥，9為濕潤；口感：1為口感較好，9為口感較差；風味：1為令人不悅的氣味，9為令人滿意的氣味；柔軟度：1為口感干硬，9為口感綿軟；外觀：1為體積較小，9為體積較大；整體可接受度：1為不可接受，9為非常喜歡。將蛋糕分成多塊，每人1片，所有蛋糕片都被標有隨機的3位數字代碼。

1.3.12 統計分析 采用SPSS 16.0 數據分析軟件對變化顯著性分析，顯著差異水平取P<0.05。采用Microsoft Office Excel 2016 進行數據處理分析。

2 結果與討論

2.1 丙二醇酯對油脂物性的影響

2.1.1 表面張力比較 油脂表面張力會顯著影響蛋糕面糊乳化體系穩定性[18]。油脂引入面糊體系后，由于其與水相的不溶性和表面張力差異，從而起到面糊消泡的作用。試驗結果(表2)表明，不含油脂的面糊表面張力為(39.450±0.029) mN/m，加入低表面張力的熔化固體油使得其和純面糊的表面張力的差值過大。Murray等[19]研究指出，在不同大小氣泡的拉普拉斯壓降梯度的影響下，氣泡有朝著相同大小發展的趨勢，導致面糊氣泡發生歧化現象。而P25～P100和未含油脂的面糊表面張力差距較小，表面張力差小有助于增加小型氣泡穩定性[20]，同時還能消除穩定性較差的異常大氣泡。

2.1.2 丙二醇酯對油脂晶型的影響 烘焙油脂通過熔化和結晶來實現固態和液態的相互轉化，這種不完全固態形式存在的特征即塑性，油脂的塑性與其晶型密切相關，借助XRD可以分析晶格幾何形狀的信息以分辨脂類晶型。短間距在4.15×10-10m(2θ在21.5°)附近的單一峰為α晶型，短間距在3.80×10-10m和4.20×10-10m(2θ在23°和20.5°)周圍的強衍射峰對應β′晶型，而短間距在4.60×10-10m(2θ在19.5°)附近的強衍峰則為β晶型[21]。由圖1可見，L0即固體油以β′晶型為主，幾乎檢測不出α晶型和β晶型。隨著丙二醇酯添加量增大，β′晶型對應的衍射峰變小，在L75和L100組中基本觀察不到β′晶型。α晶型對應的衍射峰隨著丙二醇酯添加量增大明顯變得尖銳，說明丙二醇酯促進油脂轉化為α晶型。丙二醇酯對脂類的影響可能是丙二醇酯晶體可以插入甘油單酯晶體內，阻止α晶型向β′和β晶型轉變[22]。據報道[23]，丙二醇酯沒有多晶性，只以α晶型存在，具有趨α晶型傾向性，即能使其它油脂或乳化劑α晶型穩定。α晶型的乳化劑可改變油脂表面排列，穩定油脂晶型以及改善塑性。當乳化劑在油相中達到締合極限時，在界面處形成結晶界面膜[24]。

表2丙二醇酯與固體油混合物表面張力比較(40℃)?

Table2Comparisonofsurfacetensionbetweenpropyleneglycolestersemulsifierandsolidshortening-mixturemN/m

? L0、L25、L50、L75、L100分別為P0、P25、P50、P75、P100對應的油脂與丙二醇酯混合物；同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

2.2 含丙二醇酯的蛋糕的面糊特性

2.2.1 低脂蛋糕面糊密度 蛋糕面糊密度分析是蛋糕研究重點之一，面糊密度反映蛋糕面糊的持氣能力和充氣能力，合理的面糊密度有助于高品質蛋糕的生產。表3結果表明含有丙二醇酯的蛋糕面糊密度出現下降趨勢。相比于單獨加入固體油的P0，加入丙二醇酯和固體油的混合物對體系消除氣泡影響較小，其原因在于添加丙二醇酯的油脂混合物表面張力與未含油脂面糊類似，兩者表面張力差異較小，其消泡現象不明顯。單獨加入熔化后的固體油導致油脂與起泡蛋白質的水相表面張力差距較大，從而使得面糊消泡程度較為嚴重。而隨著丙二醇酯添加量增加，面糊密度明顯下降，其原因在于丙二醇酯良好的乳化性能使得面糊加入油脂后的階段依然有起泡和消除異常氣泡的作用。

2.2.2 低脂蛋糕面糊黏度特性 低脂蛋糕面糊黏度是評價面糊品質的重要參數，合適的蛋糕黏度將不僅可以增加生產過程面糊傾倒的便捷性，而且保證面糊在生產轉移過程中不發生持氣性下降的現象。另外，合理的蛋糕黏度有利于烘焙過程中乳化體系中的氣泡膨脹與定型。表3結果表明隨著丙二醇酯添加量的增加，面糊黏度顯著增加，說明低脂蛋糕面糊的穩定性增加。丙二醇酯的α晶型非多晶態特性，意味著在油脂—氣泡界面處形成表面活性晶體。氣泡外表面的油脂結晶可有助于增加界面黏度來增強穩定性[25]，丙二醇酯于油脂層中結晶，進一步增強氣泡穩定。Llewellin等[14]的研究結果表明面糊黏度與面糊中的氣泡數量呈現正相關現象，P25～P75面糊密度無顯著性差異，說明黏度增加的原因在于原本充入面糊的氣體依舊保持在體系中，Hunter等[26]認為氣泡會在不穩定的情況下自發發生聚集與歧化，從而降低面糊乳化體系的黏度。隨著丙二醇酯添加量增加，氣泡聚集和歧化現象得到抑制。面糊黏度的增加同樣助于提高面糊乳化體系的穩定性，原因在于黏度增大使得體系不易流動，阻礙乳化微結構中的液膜排液，其液膜變薄速率減慢，延緩液膜破裂的時間，從而使乳化體系穩定性提高[27]。

圖1 丙二醇酯對油脂晶型的影響

組別密度/(g·mL-1)黏度/(mPa·s)P00.943±0.004c19 744±704aP250.830±0.009b36 016±2 013bP500.832±0.005b42 779±2 900cP750.829±0.008b53 679±2 140dP1000.706±0.002a86 419±3 097e

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

2.2.3 低脂蛋糕面糊動態流變特性 蛋糕面糊流變特性和面糊品質以及蛋糕烘焙特性密切相關。良好的流變特性有助于提高面糊的充氣與持氣能力。采用冪律模型對流變曲線進行擬合結果如圖2所示，冪律模型對蛋糕面糊體系有較高的擬合精度，決定系數R2>0.99。試驗結果表明，面糊樣品具有剪切變稀和假塑性的特性，其表觀黏度隨著剪切速率增加而降低。Sun等[28]指出面糊的假塑性可歸因于淀粉分子的定向排列，以及剪切作用下直鏈淀粉分子間的氫鍵斷裂。在低剪切速率時，面糊體系中的鏈狀大分子與氣泡相互纏繞，體系黏度表現較為黏稠；當剪切速率增大時，流動層之間的剪切作用使散亂分子鏈和氣泡沿剪切方向變形，纏繞現象減少從而黏度下降。

圖2 低脂蛋糕面糊流變特性曲線

圖2結果表明，剪切模式下黏度都隨著丙二醇酯添加量增加而增大。丙二醇酯的乳化效果主要是由于它們能夠在水—油界面形成具有一定機械強度的結晶膜[9]。丙二醇酯隨著油脂吸附于氣泡外層，從而防止氣泡聚結，維持氣泡數量使得黏度提高。

2.3 低脂蛋糕面糊微觀特性

在低脂蛋糕面糊特性研究中，除流變特性以外，面糊微觀氣泡特性也是評價蛋糕面糊特性的方法之一。氣泡微結構是面糊結構的重要研究部分，通過面糊中面糊氣泡數量(CD值)、面糊氣泡面積分數(AF值)、圓度和分形維數等參數對面糊品質進行評價。面糊氣泡數目和氣泡面積分數值反映面糊起泡能力與持氣能力以及氣泡均勻性和致密程度。

表4中面糊微觀特性結果表明，隨著丙二醇酯添加量增加，氣泡數量逐漸增加，與黏度結果相互印證。說明隨著丙二醇酯含量增加，油脂對面糊的消泡能力減弱，可能是丙二醇酯進入氣泡蛋白質表面，面糊氣泡厚度和剛性增加[15]，從而增加面糊氣泡穩定性。

氣相面積分數(AF值)越大，說明面糊攪拌過程中充入的氣體越多。P0的AF值較小，P25、P50、P75的AF值無顯著性差異，P100的AF值顯著高于其他組(P<0.05)，表明丙二醇酯的引入促進面糊充氣量和氣泡穩定性。氣泡越多、氣泡越小有利于提高蛋糕體積的增大，有助于在烘焙過程中形成細密的氣泡核，從而使蛋糕結構得以擴展。隨著丙二醇酯添加量增大，面糊充氣性整體提高，從而有助于烘焙過程中得到組織蓬松、比容大的蛋糕。

氣泡圓度值是評價氣泡結構的一項參數，其值越接近1則越圓，越接近零則越扁。在臨近球形氣泡聚結時會形成橢圓形氣泡，而低黏度的面糊容易導致氣泡聚結與歧化。隨著丙二醇酯含量的增加，蛋糕的氣泡圓度值增大，與黏度增加防止氣泡聚結的結果相一致。

采用分形維數對氣孔粗糙度、變形度進行分析，分形理論的研究對象是非線性系統的不規則幾何圖形，對幾何維數的定義不再規定為整數維，而出現了分數維[16]。分形維數越大，表明氣泡形狀越復雜。根據消泡理論，低表面張力的油脂吸附于氣泡表面后，鋪展處表面張力降低，液膜內的液體向高表面張力處牽引，使得蛋白膜迅速變薄(Marangoni效應)[29]，從而導致氣泡聚集與歧化，使得氣泡分形維數增加，氣泡變形程度增加。油脂吸附于起泡表面后，丙二醇酯附著于氣泡表面上，由于結晶的性質，不能迅速鋪展在蛋白質界面膜上，從而降低了油脂的消泡作用。隨著丙二醇酯含量增加，面糊氣泡分形維數出現下降的趨勢，說明丙二醇酯可以改善氣泡變形程度，從而有利于改善蛋糕均勻性。

2.4 蛋糕烘焙特性的影響分析

2.4.1 低脂蛋糕比容 比容是判斷蛋糕產品質量的重要指標之一，是決定消費者購買的關鍵因素之一，并且可以反映出配方中所使用的油脂的種類和數量。蛋糕最終體積不僅取決于充入面糊中的空氣量，而且還取決于烘烤過程中面糊乳化體系的持氣能力。攪拌過程中充氣能力越強，烘焙過程中持氣性較好的面糊制作的等質量的蛋糕體積越大，組織也相對較為松軟[15]。

表4 丙二醇酯對面糊微觀結構的影響?

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

圖3 低脂蛋糕面糊微觀圖片

組別比容/(mL·g-1)硬度/g彈性/mm咀嚼性/mJP01.809±0.030a1 761±160c3.55±0.07ab48.5±4.4cP252.210±0.064b1 274±71b3.67±0.10b36.2±4.5bP502.418±0.020c1 405±109b3.33±0.15a33.7±3.5bP752.496±0.024c823±107a3.35±0.17a20.5±2.8aP1002.522±0.059c666±22a3.52±0.11ab17.8±1.0a

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

表5表明，含丙二醇酯的蛋糕比容顯著大于僅使用固體油的低脂蛋糕。丙二醇酯的引入使得面糊攪拌過程中形成更多更細密大小均勻的氣泡，氣泡穩定性較好，因此蛋糕比容較大。

2.4.2 低脂蛋糕質構 硬度是使蛋糕達到一定形變所需要的力，是質構評價中的一個重要指標。硬度值越低，說明蛋糕越柔軟口感越好[6]。表5表明，蛋糕的硬度隨丙二醇酯添加量的增大而減小，說明丙二醇酯與淀粉形成復合物后，淀粉的吸水溶脹能力下降，糊化溫度升高，從而更多的水分向體系中的蛋白質轉移，因而蛋糕柔軟性增加。另一原因是蛋糕的柔軟度與比容呈正相關關系，比容的增大帶來更松軟的質構特性。同時蛋糕微觀氣孔均勻性和硬度存在一定的聯系，氣孔均勻性增加也使得蛋糕硬度下降[30]。隨著丙二醇酯添加量的增加，說明蛋糕的氣孔均勻性改善。從彈性來看，各組蛋糕之間的數值較為接近，無顯著性差異。咀嚼性和蛋糕品質呈負相關，當咀嚼性越大時，說明蛋糕越不容易嚼碎，口感較差。蛋糕的咀嚼性隨丙二醇酯添加量的增大而減小，說明蛋糕品質隨著丙二醇酯的增加而有所提高。

2.5 蛋糕感官評定

蛋糕感官評定結果表明，使用丙二醇酯的蛋糕除了風味方面與使用固體油的蛋糕相比較差，P0較好的風味主要是來自固體油。添加丙二醇酯后，外觀、柔軟度、口感、濕潤度和整體可接受度的得分提高。整體可接受度方面，P100組的蛋糕的得分最高，達到8.2分。

圖4 蛋糕感官評定結果

3 結論

綜合各方面，丙二醇酯在低脂蛋糕中的應用具有明顯的優良特性，其中P100為最優組。添加丙二醇酯能減小油脂與面糊的表面張力差，保護氣泡不受到油脂消泡的影響，改善面糊乳化特性；通過XRD研究發現丙二醇酯可促進油脂轉化為α晶型，維持面糊穩定性。丙二醇酯使低脂蛋糕面糊充氣量提高，最優組氣泡數增加了1.87倍。丙二醇酯可改善一步法制作的低脂蛋糕比容小、硬度大等缺點，相比于不含丙二醇酯的蛋糕組，最優組比容提高了39.4%，硬度降低了62.2%。丙二醇酯可改善油脂物性和面糊穩定性，有效提高低脂蛋糕烘焙品質和感官特性。工業上常使用兩種或多種乳化劑復配，本研究并未涉及到該方面。因此，丙二醇酯和其他乳化劑的復配對蛋糕體系的影響有待進一步深入研究。

致謝：感謝日本三菱化學食品有限公司的國際合作項目，感謝小川晃弘博士及其團隊的積極參與學術交流和指導。