乳化劑和保泡型流態(tài)起酥油對海綿蛋糕面糊及其烘焙特性的影響

鄒奇波 - 王家寶 - 陳 誠 梁麗婷 -曹偉超 - 陳軍民 - 黃衛(wèi)寧 - 小川晃弘

(1. 江南大學食品科學與技術(shù)國家重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2. 江南大學福臨門烘焙研究所，江蘇 無錫 214122；3. 張家港福吉佳食品股份有限公司，江蘇 蘇州 215600；4. 無錫麥吉貝可生物食品有限公司，江蘇 無錫 214131；5. 三菱化學食品株式會社，日本 東京 1008251)

蛋糕柔軟可口，由于其特殊的風味和口感深受消費者喜愛[1]。海綿蛋糕由雞蛋、低筋小麥粉、糖、油脂、泡打粉等制備而成[2]，在海綿蛋糕的工業(yè)化生產(chǎn)中，乳化劑有助于改善海綿蛋糕面糊充氣性能和持氣穩(wěn)定性[3]。流態(tài)起酥油(LS)是一類乳化劑懸浮分散在液態(tài)油之中、具有流動性的油脂，在工業(yè)生產(chǎn)中可通過泵送與面糊混合，大大提高了操作便捷性，是烘焙行業(yè)的新興原料，功能性的保泡型流態(tài)起酥油LS03中含有丙二醇酯[4]，丙二醇酯通過改善油脂晶型從而增加面糊穩(wěn)定性。蔗糖酯型乳化劑是一種以蔗糖酯為主要成分的新型高效復配乳化劑[5]，可以增加氣泡數(shù)量，近年來在中國市場得以推廣。

陳誠等[6]研究表明蔗糖酯型乳化劑可改善海綿蛋糕的儲藏特性，同時也可以減少薄層海綿蛋糕的表面氣泡數(shù)量[7]，但流態(tài)起酥油與蔗糖酯型乳化劑聯(lián)用在海綿蛋糕體系中的應用研究較少，同時僅使用蔗糖酯型乳化劑的海綿蛋糕體積相對較小。而在海綿蛋糕的實際生產(chǎn)過程中，如何獲得表面平整且表面氣泡凸起數(shù)量減少的海綿蛋糕，為工業(yè)化生產(chǎn)中亟待解決的關(guān)鍵質(zhì)量問題之一。試驗擬比較兩種類型的乳化劑與含有丙二醇酯的流態(tài)起酥油LS03聯(lián)用對海綿蛋糕面糊特性及烘焙特性的影響，以期為烘焙加工工業(yè)化應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮白砂糖、雞蛋：市售；

低筋小麥粉：美玫牌，粗蛋白含量8.2%，江蘇南順面粉有限公司；

菜籽油：中糧糧油工業(yè)(巢湖)有限公司；

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；

流態(tài)起酥油：LS03，內(nèi)含丙二醇酯，三菱化學食品株式會社合作；

蔗糖酯型乳化劑：菱友MFC-68，三菱化學食品株式會社合作；

單甘酯型乳化劑：SP蛋糕油，上海早苗食品有限公司。

1.2 儀器與設備

面糊攪拌機：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；

旋轉(zhuǎn)流變儀：DHR-3型，美國沃特世公司；

平板掃描儀：KX-MB228CN型，松下電器(中國)有限公司；

食品質(zhì)構(gòu)分析儀：Brookfield CT3型，美國Brookfield工程實驗室；

表面張力測定儀：DCAT21型，德國德菲公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 海綿蛋糕配方 海綿蛋糕基礎配方如表1所示。不同乳化劑的使用量根據(jù)推薦量來進行添加，其中每組的基礎配料相同，分別是全蛋液200 g，白砂糖190 g，低筋小麥粉200 g，泡打粉2 g，水60 g[6]。

1.3.2 海綿蛋糕面糊的制備 根據(jù)文獻[6]修改如下：取蛋液將其30 s中速(速度4)分散，將糖加入蛋液，慢速(速度2)攪拌2 min至糖完全溶化，加入單甘酯型乳化劑或蔗糖酯型乳化劑慢速攪拌1 min，加入菜籽油或菜籽油和流態(tài)起酥油混合物慢速攪拌2 min，然后加入過篩低筋粉和雙效泡打粉，高速(速度6)打發(fā)起泡3 min，低速(速度1)攪拌1 min，取450 g面糊緩慢倒入28 cm×28 cm烤盤中，然后放入190 ℃烤箱中烘焙23 min，出爐后于室溫冷卻1 h進行后續(xù)試驗[6]。

表1 海綿蛋糕配方?

? S代表單甘脂型乳化劑，M代表蔗糖酯型乳化劑，數(shù)字代表流態(tài)起酥油對菜籽油的替代率。

1.3.3 海綿蛋糕面糊表面張力的測定 根據(jù)王家寶等[4]的方法。

1.3.4 海綿蛋糕面糊比重分析 參考湯曉娟等[8]的方法，按式(1)計算海綿蛋糕面糊比重。

ρ=1×(m2-m0)/(m1-m0)，

(1)

式中：

ρ——海綿蛋糕面糊比重，g/mL；

m0——容器質(zhì)量，g；

m1——容器裝滿蒸餾水的質(zhì)量，g；

m2——容器中裝滿面糊的質(zhì)量，g。

1.3.5 海綿蛋糕面糊流變特性曲線分析 參考湯曉娟等[8]的方法，取適量蛋糕面糊于25 ℃下用流變儀流動模式測定面糊流變特性。海綿蛋糕面糊曲線符合冪律模型：

η=Kγn-1，

(2)

式中：

η——表觀黏度，Pa·s；

K——稠度系數(shù)，Pa·sn；

γ——剪切速率，s-1；

n——流動系數(shù)。

1.3.6 海綿蛋糕面糊微觀結(jié)構(gòu)分析 采用王家寶等[7]的方法。使用Image Pro Plus軟件進行氣泡計數(shù)，進而獲得氣孔密度值(CD值)和氣泡面積分數(shù)(AF值)。

1.3.7 海綿蛋糕比容的測定 采用Hao等[9]的方法。20 ℃ 冷卻1 h后，測定海綿蛋糕體積與質(zhì)量，按式(3)計算海綿蛋糕比容。

SV=V/m，

(3)

式中：

SV——海綿蛋糕比容，mL/g；

V——海綿蛋糕體積，mL；

m——海綿蛋糕質(zhì)量，g。

1.3.8 海綿蛋糕質(zhì)構(gòu)分析 將室溫冷卻2 h后的海綿蛋糕分割成圓形均勻蛋糕薄片(直徑為35 mm)，進行質(zhì)構(gòu)分析。質(zhì)構(gòu)儀探頭P/36，樣品進行2次壓縮測試。試驗參數(shù)設定為：測前速率1.0 mm/s，測試速率1.0 mm/s，測后速率1.0 mm/s，樣品壓縮程度40%，2次壓縮間隔時間15 s，根據(jù)Hao等[9]的方法進行質(zhì)構(gòu)分析，其中測定的主要指標為硬度。

1.4 統(tǒng)計分析

采用Excel 2016 進行數(shù)據(jù)處理分析。用SPSS 16.0 數(shù)據(jù)分析軟件對海綿蛋糕面糊和烘焙特性參數(shù)進行顯著性分析，顯著差異水平取P<0.05，每次測試均設3次平行試驗。使用Origin 8.5軟件進行圖像繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 海綿蛋糕面糊特性分析

2.1.1 比重 由圖1可知，隨著流態(tài)起酥油替代率的增加，單甘酯型乳化劑、蔗糖酯型乳化劑組面糊比重顯著減小，說明流態(tài)起酥油有助于面糊體系充入空氣。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.1.2 流變特性 由圖2可知，面糊黏度隨流態(tài)起酥油替代率的增加而上升，由于丙二醇酯有助于面糊充氣，面糊內(nèi)氣泡數(shù)量越多，面糊黏度越大。面糊黏度增加可阻礙乳化體系液膜排液，減緩液膜變薄速率，從而提高乳化體系穩(wěn)定性。

圖2 乳化劑對海綿蛋糕面糊黏度的影響

圖2表明，所有樣品均顯示剪切稀化和假塑性，隨著剪切速率的增加，表觀黏度逐漸降低。采用冪律模型對流變曲線進行擬合，結(jié)果見表2。由表2可知，冪律模型對海綿蛋糕面糊體系的擬合度較好，決定系數(shù)R2>0.99。Sun等[10]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(xiàn)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(xiàn)象減少，從而黏度下降。

表2 乳化劑對海綿蛋糕面糊特性的影響?

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

所有面糊的流體特征指數(shù)n<1，表現(xiàn)為典型的假塑性流體，流體特征指數(shù)n偏離1越遠，流體越偏離牛頓理想狀態(tài)。具有柔性的高分子流體一般為假塑性流體，其流體特征指數(shù)n越小表示其流體分子柔性越大，流體越偏離牛頓流體，蔗糖酯型乳化劑組的n均大于單甘酯型乳化劑組的。稠度系數(shù)K是黏度的量度，通常黏度越大，K值越大。結(jié)合圖2、表2可知，黏度與稠度系數(shù)均隨流態(tài)起酥油添加量的增加而增大，與Jyotsna等[11]研究結(jié)果相同。丙二醇酯的乳化效果主要由于其能在兩相界面形成具有一定機械強度的結(jié)晶膜，并隨油脂吸附于氣泡外層，從而防止氣泡聚結(jié)，維持氣泡數(shù)量使得黏度提高。

2.2 海綿蛋糕面糊微觀氣泡結(jié)構(gòu)及乳化劑協(xié)同作用機理

2.2.1 微觀氣泡結(jié)構(gòu) 由圖3、表3可知，含有保泡型流態(tài)起酥油的海綿蛋糕面糊氣泡相對較小且密集，氣泡大小與分布更加均勻，有助于烘焙過程中形成細密的氣泡核，從而使蛋糕結(jié)構(gòu)得以擴展；氣泡數(shù)量隨保泡型流態(tài)起酥油替代率的增加逐漸增加，與黏度結(jié)果相同；聯(lián)用蔗糖酯和含丙二醇酯保泡型流態(tài)起酥油的海綿蛋糕面糊氣泡數(shù)量最多，說明蔗糖酯和含丙二醇酯保泡型流態(tài)起酥油聯(lián)用能提高面糊起泡性和氣泡穩(wěn)定性，有助于烘焙后蛋糕結(jié)構(gòu)更加細膩。氣相面積分數(shù)(AF值)越大，說明面糊攪拌過程中充入的氣體越多[12]。隨著流態(tài)起酥油添加量的增加，AF值增大，表明保泡型流態(tài)起酥油的引入能促進面糊整體充氣性和氣泡穩(wěn)定性，從而獲得組織蓬松、比容大的蛋糕。

結(jié)合面糊氣泡數(shù)及氣相面積分數(shù)，蔗糖酯型乳化劑結(jié)合含丙二醇酯的流態(tài)起酥油的起泡能力增加，由于丙二醇酯進入氣泡蛋白質(zhì)表面，面糊氣泡厚度及剛性增加[13]，添加丙二醇酯保泡型起酥油使油脂對面糊的消泡能力減弱，從而增加面糊氣泡穩(wěn)定性。研究[7]表明，蛋糕面糊的氣泡直徑分布整體呈對數(shù)正態(tài)分布。僅含單甘酯型乳化劑的海綿蛋糕面糊氣泡平均直徑為16.59 μm，平均直徑隨著含丙二醇酯保泡型流態(tài)起酥油替代率的增加逐漸減小到9.54 μm，降低了20%；在保泡型流態(tài)起酥油添加量相同的情況下，蔗糖酯型乳化劑組的平均直徑小于單甘酯型乳化劑組的，表明蔗糖酯型乳化劑和含丙二醇酯保泡型流態(tài)起酥油聯(lián)用有助于維持小氣泡結(jié)構(gòu)，從而抑制氣泡歧化、聚結(jié)。

圖3 不同乳化劑的海綿蛋糕面糊微觀結(jié)構(gòu)圖

表3 乳化劑對海綿蛋糕面糊氣泡的影響?

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

2.2.2 表面張力 液體油脂會顯著影響蛋糕面糊乳化體系穩(wěn)定性，油脂引入面糊體系后，包裹在氣泡表面，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。而海綿蛋糕面糊氣泡形成和穩(wěn)定得益于乳化劑的加入，乳化劑通過降低液相和氣相之間的表面張力來幫助充氣，減少產(chǎn)生更大界面區(qū)域所產(chǎn)生的能量[14]。試驗結(jié)果表明，不含乳化劑的面糊表面張力為37.071 mN/m，添加乳化劑后表面張力顯著降低；加入單甘酯或蔗糖酯可有效降低表面張力，提高起泡性，但面糊表面張力過小容易導致消泡，加入丙二醇酯反而能提高單甘酯組和蔗糖酯組的表面張力，Murray等[15]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(fā)展的趨勢，從而導致面糊氣泡發(fā)生歧化現(xiàn)象。結(jié)合圖3可知，丙二醇酯可通過提高面糊表面張力而提高面糊穩(wěn)定性。

表4乳化劑對海綿蛋糕面糊表面張力的影響?

Table 4 Surface tension of sponge cake batter containing different emulsifiers and bubble-retaining type liquid shortening

mN/m

? CG. 未加乳化劑；同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

2.2.3 丙二醇酯與蔗糖酯協(xié)同作用機理探究 保泡型流態(tài)起酥油中含有一定的丙二醇酯，試驗結(jié)果表明，流態(tài)起酥油和蔗糖酯型乳化劑聯(lián)用的M40面糊氣泡數(shù)量多、氣相面積分數(shù)大，可能是流態(tài)起酥油中的丙二醇酯與蔗糖酯間存在一定的協(xié)同效應。有研究[16]表明兩種或多種乳化劑可大大增強泡沫的穩(wěn)定性。

蔗糖酯大量地分散于面糊中增加了表面膜的黏度，且其良好的起泡性能使得面糊更好地充氣；研究[17]表明疏水性的乳化劑可加速乳液中脂肪結(jié)晶，丙二醇酯作用機理可通過“楔形定向排列”模型解釋。如圖4所示，丙二醇酯隨油脂吸附于氣泡外層，以α晶體存在，其晶粒由于具有較高的表面能，能穩(wěn)定粘附在氣泡表面，與油脂形成的結(jié)晶膜具有黏性甚至剛性，表現(xiàn)為面糊表面張力提高從而維持穩(wěn)定性。由于氣泡表面是彎曲的，不規(guī)則的晶粒大的一端朝向液面，小的一端朝向氣相，在界面形成類似于“磚墻”結(jié)構(gòu)緊密的楔形定向排列，從而降低氣液的接觸面積。這層磚墻結(jié)構(gòu)阻礙了氣泡接觸和氣體通過液膜擴散，因此抑制氣泡聚結(jié)。此外，磚墻結(jié)構(gòu)降低了液膜的排液速度，提高了氣泡的穩(wěn)定性。綜上，丙二醇酯的親油性和蔗糖酯的雙親性有助于水油兩相的乳化體系形成更細膩的氣泡結(jié)構(gòu)。

圖4 氣液界面丙二醇酯楔形定向排列模型

2.3 海綿蛋糕烘焙特性

2.3.1 比容 蛋糕最終體積不僅取決于面糊中的初始充氣量，還取決于烘烤過程中面糊乳化體系的持氣能力和穩(wěn)定性[7]。流態(tài)起酥油有助于提高面糊黏度，當面糊黏度較大時氣泡的擴散和遷移速度較慢，烘焙后制得的蛋糕比容更大，組織結(jié)構(gòu)也較為松軟。

表5結(jié)果表明，添加保泡型流態(tài)起酥油能顯著提高蛋糕比容，與單甘酯型乳化劑聯(lián)用可使蛋糕比容增加8.8%，與蔗糖酯型乳化劑聯(lián)用可使蛋糕比容增加5.5%；流態(tài)起酥油的引入使得面糊攪拌過程中形成更多更細密的氣泡，其氣泡大小均勻，氣泡穩(wěn)定性較好，因此蛋糕比容較大；S40與M40蛋糕比重無顯著差異，M40蛋糕比容顯著大于S40(P<0.05)。研究[4]表明，蛋糕比容與烘焙過程中面糊持氣能力有關(guān)。綜上可知，使用蔗糖酯型乳化劑的面糊氣泡數(shù)量多、體積小、受熱膨脹潛力大，而丙二醇酯具有維持油脂的α晶型特性，兩者聯(lián)用有助于保持烘焙傳熱過程中的氣泡穩(wěn)定性，從而促進烘焙后的蛋糕比容增大。

2.3.2 硬度 隨著貯藏時間的增加，蛋糕發(fā)生了淀粉結(jié)晶從而造成硬度增大，口感變差。由表5可知，海綿蛋糕硬度隨保泡型流態(tài)起酥油替代率的增大逐漸減小，由于直鏈淀粉與乳化劑形成復合物，延緩了直鏈淀粉形成晶核的時間，從而延緩了淀粉回生[18]；乳化劑亦可吸附在淀粉表面[19]，通過丙二醇酯對水的不親和性，阻礙水分移動，促使蛋糕保持柔軟；蔗糖酯型乳化劑海綿蛋糕在貯藏期內(nèi)變硬速率較緩慢，由于蔗糖酯與直鏈淀粉相互作用形成絡合物能力較強，且多羥基結(jié)構(gòu)與周圍水分子形成氫鍵，通過調(diào)整構(gòu)象增加了化學鍵連接和纏繞點，使聚合物網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)得以穩(wěn)定[20]。

2.3.3 表面氣泡 由圖5可知，無論單甘酯型乳化劑組還是蔗糖酯型乳化劑組，保泡型流態(tài)起酥油添加量的增加都有助于減少薄層海綿蛋糕表面氣泡數(shù)。聯(lián)用蔗糖酯型乳化劑和保泡型流態(tài)起酥油的海綿蛋糕表面最為平整，表面無明顯的氣泡。由于烘焙過程中異常過大的氣泡是乳化未完全的，烤爐升溫使面糊黏度下降，此時體積過大的氣泡浮力較大，易從乳化體系中發(fā)生聚結(jié)、上浮到蛋糕表面[7]。在傳熱過程中，薄層蛋糕的表層面糊溫度上升較快，淀粉糊化和蛋白質(zhì)變性的結(jié)構(gòu)定型時間較早，而內(nèi)層面糊大氣泡上浮到表皮未能溢出表面從而形成表面隆起氣泡。結(jié)合面糊微觀氣泡結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，聯(lián)用蔗糖酯型乳化劑和保泡型流態(tài)起酥油的面糊氣泡數(shù)量最多，氣泡平均直徑較小，小氣泡的上升浮力較小。另一方面丙二醇酯的親油特性使其附著于氣泡外表面的油脂層中，維持烘焙受熱過程中氣泡的穩(wěn)定，抑制了氣泡間的聚結(jié)，維持了乳化體系的穩(wěn)定性。泡是乳化未完全的，烤爐升溫使面糊黏度下降，此時體積過大的氣泡浮力較大，易從乳化體系中發(fā)生聚結(jié)、上浮到蛋糕表面[7]。在傳熱過程中，薄層蛋糕的表層面糊溫度上升較快，淀粉糊化和蛋白質(zhì)變性的結(jié)構(gòu)定型時間較早，而內(nèi)層面糊大氣泡上浮到表皮未能溢出表面從而形成表面隆起氣泡。結(jié)合面糊微觀氣泡結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，聯(lián)用蔗糖酯型乳化劑和保泡型流態(tài)起酥油的面糊氣泡數(shù)量最多，氣泡平均直徑較小，小氣泡的上升浮力較小。另一方面丙二醇酯的親油特性使其附著于氣泡外表面的油脂層中，維持烘焙受熱過程中氣泡的穩(wěn)定，抑制了氣泡間的聚結(jié)，維持了乳化體系的穩(wěn)定性。

表5 貯藏過程中乳化劑對蛋糕比容和硬度的影響?

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

圖5 不同乳化劑與保泡型流態(tài)起酥油對蛋糕表面氣泡的影響

Figure 5 Effect of monoglyceride emulsifier, sucrose ester type emulsifier and bubble-retaining type liquid shortening on blisters of sponge cakes

3 結(jié)論

通過研究保泡型流態(tài)起酥油和蔗糖酯型乳化劑、單甘酯型乳化劑對薄層海綿蛋糕的面糊特性及烘焙特性的影響，表明含丙二醇酯的保泡型流態(tài)起酥油與蔗糖酯型乳化劑聯(lián)用可顯著減小面糊的密度，增加面糊的黏度與表面張力，從而增加面糊的穩(wěn)定性，并減少薄層海綿蛋糕的表面氣泡。同時發(fā)現(xiàn)，流態(tài)起酥油能顯著提高海綿蛋糕比容(P<0.05)，含有保泡型流態(tài)起酥油與蔗糖酯型乳化劑的海綿蛋糕比容比空白組增加了68.5%，達4.01 mL/g；保泡型流態(tài)起酥油與蔗糖酯型乳化劑聯(lián)用有助于降低貯藏期硬度，貯藏28 d后，蔗糖酯型乳化劑與保泡型流態(tài)起酥油聯(lián)用的海綿蛋糕硬度比單甘脂型乳化劑組減小了37.8%。試驗中乳化劑使用量較多，在合理范圍內(nèi)，可考慮引入食品膠體對面糊品質(zhì)進行改善。