無麩質面包加工技術改良新進展

徐夢雨,武 涌,袁娟麗,陳紅兵,*

(1.南昌大學,食品科學與技術國家重點實驗室,江西南昌 330047;2.南昌大學食品學院,江西南昌 330047;3.南昌大學中德聯合研究院,江西南昌 330047;4.南昌大學藥學院,江西南昌 330006)

無麩質(gluten-free,GF)食品是一類麩質蛋白含量低于20 ppm且可供麩質不耐受患者食用的食品[1]。麩質蛋白指的是某些谷物的醇溶蛋白,即小麥、黑麥、大麥及其雜交谷物中可能存在的醇溶性蛋白[2]。無麩質飲食是麩質不耐受患者唯一有效的“治療”方法,常見的麩質不耐受的疾病有乳糜瀉、小麥過敏、非乳糜瀉麩質不耐受、谷蛋白共濟失調等[3]。此外,無麩質食品也越來越受到健康人群的青睞。據報道,9.953%健康人群選擇避免攝入麩質,他們認為無麩質飲食可以減少攝取過多不必要碳水化合物,更益于健康[4]。根據Xhakollari等[5]統計,無麩質食品市場份額逐年增長,預計2020年將達到47億美元。由此可見,無麩質食品有望成為食品工業新的經濟增長點。面包作為世界上銷售量最大的食品,是許多國家的主食,其方便美味也倍受我國消費者喜愛。無麩質面包則是無麩質食品中最重要的組成部分,吸引了大批學者從事相關研究。本文主要從無麩質原料與添加劑的選擇、原料預加工、面團制備、面包焙烤等4個方面回顧了無麩質面包品質改良技術新進展,期待為無麩質面包的研究開發提供參考。

1 無麩質面包生產工藝與品質

根據GB/T 20981-2007[6]的定義,面包是一類以小麥粉、酵母、食鹽、水為主要原料,加入適量輔料,經攪拌面團、發酵、整形、醒發、焙烤等工藝制成的松軟多孔的食品(如圖1A)。無麩質面包則是由不含麩質蛋白原料加工而成,因發酵面團結構不穩定,一般采用一次發酵法[7](如圖1B)。

圖1 小麥面包與無麩質面包工藝流程圖Fig.1 Technical flowchart for making wheat bread and gluten-free bread

由于不含麩質蛋白,無麩質面包在加工過程中面臨著諸多挑戰,主要表現在兩個方面:品質與價格。在品質方面,一是營養丟失:原料粉剔除麩質蛋白造成了營養缺失,而且進行脫蛋白工藝會造成膳食纖維及微量元素的流失[8]。二是感官質量差:制作的面團往往過軟不易成型,持水性、持氣性、粘彈性、拉伸性和延展性差;焙烤的面包外皮粗糙干裂、硬度高,內部氣孔稀疏、質構不均勻,整體比容小、香氣寡淡、風味不佳;面包老化速度快,對貨架期也造成了影響[9]。在價格方面,由于工藝優化,無麩質面包加工成本提高,售價更昂貴,給消費者增加了經濟壓力[10]。

2 無麩質面包品質改良技術

為了制作出高質低價的無麩質面包,國內外學者相繼探索了一些新型技術,包括無麩質原料與添加劑的選擇[8-17]、無麩質原料預加工[18-39]、無麩質面團制備[40-47]、無麩質面包焙烤[48-54]。

2.1 無麩質原料與添加劑的選擇

傳統面包加工過程中,淀粉與麩質蛋白相互作用對面包結構的定型產生了重要影響[11]。無麩質原料一般由淀粉和其它無麩質粉組成,利用淀粉的糊化特性改善無麩質粉的吸水性,改良面團持水性及烘焙特性,常用的淀粉有小麥淀粉、馬鈴薯淀粉[9]等。其它無麩質原料有大米[8]、假谷物(藜麥、蕎麥[10]、莧菜籽等)、雜糧谷物(高粱、玉米、小米等)、豆類(鷹嘴豆、豌豆等)、塊莖類(木薯、馬鈴薯等)、堅果類(栗子、杏仁)、動物類(蟋蟀粉[12])以及膳食纖維(菊粉、蘋果纖維[13])等。這些原料具有開發成本低廉、營養豐富、綜合利用價值高等優勢。

單純的無麩質原料粉加工適應性較差,但通過添加一些功能性添加劑可以改善。常用的添加劑包括有食用膠體[14]、酶制劑[15]、外源蛋白[16]、乳化劑[17]等(見表1)。大量研究表明,加入適當的添加劑可作為麩質蛋白的替代品,能成功制作出具有良好品質的無麩質面包。

表1 食品添加劑對面包品質的影響Table 1 Effect of food additives on bread quality

此外,已有研究表明,通過對原料進行一定的預加工可以最大限度提高其加工性能,進一步促進無麩質原料的開發與利用。

2.2 無麩質原料預加工

對原料進行預加工是提高無麩質面包品質的有效方法。目前對無麩質原料進行預加工的技術主要包括碾磨[18-22]、熱加工[23-31]、微波[32-34]、高壓[35-36]、發芽[37-39]等。

2.2.1 碾磨 碾磨可以影響原料的性能,特別是原料的粒徑、受損淀粉的含量、淀粉顆粒的狀態[18]等。如,Hera等[19]對比不同粒徑玉米粉制作的無麩質面包,發現粗粒徑(180～200 μm)制作的面包體積最大、硬度最低。Hera等[20]進一步發現,粗粒徑(132～200 μm)大米粉在90%～110%加水量下制作的無麩質面包具備最佳的質地和更高的抗性淀粉含量。此外,Yano[21]選取低損傷淀粉(<5%)的大米粉在不添加任何改良劑下成功制作出了無麩質面包,面包比容大,加工成本低、實用性高。Wu等[22]則對比濕磨、旋風機干磨、超細機碾磨三種方式處理大米粉制作無麩質面包,發現淀粉受損程度:濕磨<旋風機干磨<超細機碾磨,淀粉受損程度高的面粉制作的面包在烘烤中坍塌,無法成形。干磨的面粉顆粒形狀不規則,制得的面包會形成不均勻的氣泡,比容低。而濕磨法制備的米粉淀粉受損程度最低,淀粉顆粒最完整,糊化溫度和吸熱焓較高,凝膠強度較高,加工出的面包質地與外觀符合消費者期望。因此,選擇合適的碾磨技術可以加工出性能更佳的無麩質面包。

2.2.2 熱加工預處理 熱加工處理可分為干熱處理和濕熱處理。對于一些谷物原料,如高粱粉,干熱處理可有效去除其自身的苦澀味,是面包加工過程中必不可少的工藝[23]。濕熱處理則可以提高谷物、豆類和塊莖淀粉的糊化溫度和結合水能力,使面團黏度增加[24]。此外,濕熱處理的面粉和淀粉也有很高的乳化能力,能增強面團持氣能力,提高面包品質[25]。而且面粉在濕熱加工過程中還發生了美拉德反應、蛋白質變性和酶激活等變化,影響面包風味[26]。

在無麩質面包加工過程中,濕熱處理常與擠壓加工聯用使淀粉預糊化。研究發現,加入擠壓加工的原料后制作的面團結構致密,能防止發酵過程中氣崩,增加持氣性與持水性,提高面包比容、降低硬度。如擠壓黑米粉[27]、高粱粉[28]、小米粉[29]等。Martínez等[30]則發現加入擠壓大米粉制作的無麩質面包老化更慢。在生產中,選擇濕熱為主、干熱為輔的加工方式可以在保留營養成分的情況下生產出讓消費者接受認可的無麩質面包。Torbica等[31]將黑麥、燕麥、高粱和小米經140 ℃熱風干燥15 min后,在含水量為27%的情況下擠壓熱處理,以30%的添加量加入無麩質粉中,在不添加任何添加劑的情況下制作了無麩質黑麥、燕麥、高粱和小米面包,面包外觀與普通的小麥面包相似,纖維更豐富,面包芯柔軟,氣孔發達。

2.2.3 微波預處理 Villanueva等[32]發現微波可以增加大米粉的吸水率與膨化力,制作的米粉面團具有較高的稠度、較強的彈性和抗變形能力。Villanueva等[33]進一步研究發現,在大米粉中添加30%微波處理的米粉制作的無麩質面包比容更高、硬度更低、老化更慢。此外,面包的形狀、面包皮的顏色和面包芯氣孔分布也得到了很大的改善。Perez-Quirce等[34]則發現微波處理可以使米粉中β-葡聚糖酶失活,在很大程度上保留了β-葡聚糖的含量,焙烤的無麩質米粉面包營養性更高。由此可見,微波預處理對無麩質原料的功能具有改善作用。

2.2.4 高壓預處理 高壓可以作用于食品原料中的大多數成分,包括水、蛋白質和淀粉。Cappa等[35]發現將玉米淀粉和米粉在600 MPa 40 ℃處理5 min后,制作的面團結合水能力更強,焙烤的無麩質面包比容高、柔軟性良好,而且面包儲藏72 h后仍具有較高的保水能力、較低的水活性和較慢的老化動力學性質。但是高壓處理的效果依賴于所使用的原料,特別是直鏈淀粉/支鏈淀粉含量。對于直鏈淀粉含量極低的糯米粉,處理條件與原料糊化性能無關[36]。因此,在選擇高壓處理之前需要對原料的性質有充分了解,以便發揮工藝的最佳性能。

2.2.5 發芽預處理 Cornejo等[37]研究發現發芽糙米可以改善無麩質大米面包的營養特性,焙烤的面包蛋白質、脂質和生物活性化合物(GABA和多酚)含量均得到提高,抗氧化活性增強,植酸含量和血糖指數降低。此外,Horstmann等[38]挑選七種發芽種子(莧菜、糙米、玉米、小扁豆、羽扇豆、豌豆、藜麥)磨粉,并以5%比例添加到無麩質面粉中。與不含發芽面粉的對照組相比,所有面團發酵過程體積更大,面包比容更大。其中,羽扇豆芽粉的纖維和蛋白質含量最高,水化性能最高,面團具有最高的粘彈性。糙米芽粉制作的面包硬度則最高。莧菜芽粉顯著增加了面包的比容,降低了硬度,具備進一步優化研發潛力。但是,Ouazib 等[39]研究了不同方式處理(發芽、蒸煮、焙烤)的鷹嘴豆粉對無麩質面包的品質影響,結果發現發芽鷹嘴豆制成的面包在感官特性上的整體接受度最低。由此可見,雖然發芽預處理會改善原料的營養特性,但不同原料經發芽處理后的加工適應性也應該重點考慮。

2.3 無麩質面團制備

在無麩質面團制備過程中,產氣能力不足和持氣能力不佳是影響面團成型最重要的兩個問題。一些學者發現,改變面團制備方式可為解決這些問題增添新的方案,如酸面團發酵[40-45]和化學膨松法[46-47]。

2.3.1 酸面團發酵 酸面團乳酸菌合成的胞外多糖可作為增稠劑、穩定劑和膠凝劑改善面團流變學性質和面包的質地[40]。如Nami等[41]對比四種乳酸菌發酵小米粉制作無麩質面包,發現用乳酸菌發酵的面團彈性增加、硬度降低。而且添加L.brevis制作的面包比容最大、孔隙率和含水量最佳。Bender等[42]利用7種不同的乳酸菌菌株與商業發酵劑生產無麩質小米和蕎麥面包,篩選出L.sanfranciscensisDSM20663、L.paralimentariusLMG19152、L.pentosusLMG10755、L.hammesiiDSM16381作為無麩質小米或蕎麥面包的潛在發酵劑,在僅采用酸面團發酵技術下改善無麩質面包質量。此外,乳酸菌發酵還可以改善無麩質原料營養特性。Sozer等[43]將乳酸菌發酵的大豆粉與玉米淀粉1∶1混合制作無麩質面包,檢測到發酵后豆粉的各營養指標均有提高,而且面包中蛋白體外消化率由53.9%提升至72.3%。另外,乳酸菌發酵可以降低淀粉的消化率從而影響餐后血糖。如Rinaldi等[44]發現經酸面團發酵后的無麩質面包體外模擬消化后升糖指數較低。乳酸菌發酵過程中生成的有機酸等物質還可以增加焙烤產品的風味,抑制腐敗微生物的生長和延長無麩質面包貨架期。Ceballos-Gonzalez等[45]利用植物乳酸菌發酵藜麥粉,在不加任何添加劑下制作無麩質面包,發現發酵后面團中可溶性蛋白含量增加,面包硬度降低,老化速度減慢,外皮L*(亮度)減小且香氣優于小麥面包。

酸面團發酵技術可以增加無麩質原料中營養物質的利用率,減少或替代食品添加劑的使用,改善面團流變學特性,提高面包感官品質并延長貨架期,顯示出了巨大的應用價值。但相關的研究成果主要局限于實驗室,如何將它與工廠接軌并實現工業化生產是未來研究的重點。

2.3.2 化學膨松法 化學膨松法因產氣快、效率高在傳統面包加工中占有一席之地,而在無麩質面包加工中卻少有報道。Akin等[46]將大米粉、木薯粉或馬鈴薯淀粉與高粱粉復配為原料,加入3%雙效泡打粉(磷酸二氫鈣和磷酸鋁鈉)僅需2 min膨松面團制備無麩質面包,大大縮減了加工時間。Akin等[47]進一步對面包感官特性及品質進行評價,發現面包芯氣孔均勻、大小合適。由此可見,化學膨松法可制作無麩質面包,值得進一步研究。

2.4 無麩質面包焙烤

傳統面包的焙烤是將含水量約為55%～60%的小麥面團在烤箱中(190～240 ℃)烘烤大約0.5～1.0 h。這一過程外部熱量從外向內傳遞,內部水分由內向外分布,最終在面包外層形成一層無水的面包殼。但無麩質面團基質過軟不易成型,持水性、持氣性差,對焙烤技術有更高的要求。

2.4.1 真空焙烤 Rondeau-Mouro等[48]研究發現,與常壓焙烤面包相比,將無麩質面團在205 ℃、20 kPa條件下焙烤55 min制作的面包,質構更松軟,外殼更平整,面包芯氣孔更大,具“蜂窩狀”。但當含水量不足48%時,真空焙烤與傳統焙烤無明顯差別。真空可促使面團中的氣體向外釋放,在加熱使氣體膨脹的同時促進了產品體積膨脹。真空還可以降低水的沸點,減少焙烤過程中面包顏色和風味的退化,而且影響面團中的水分重新分布,進一步影響淀粉的糊化及老化。但是目前相關工作較少,值得關注和繼續深入研究。

2.4.2 歐姆加熱焙烤 歐姆加熱將物料作為電路中的一段導體,在50～60 Hz的低頻交流電流下,直接將電能轉化成熱能,加熱快、效率高。Masure等[49]將歐姆加熱裝置與焙烤過程中面團高度、粘度和二氧化碳釋放量的在線測量相結合,研究無麩質面包結構的形成,發現當面包外殼在面團開始釋放CO2之前形成,能生產出高比容、結構均勻的面包,通過歐姆加熱就可以監控面包外殼的形成,從而能有效避免面包在烘烤過程中坍塌。此外,Bender等[50]發現歐姆加熱的無麩質面包淀粉消化率低于常規焙烤,而且常規焙烤的失水率(13.97%)至少是歐姆加熱(1.92%～4.31%)的3倍。由于無麩質面團具有高含水量和適當的電導率,適合歐姆加熱。升溫均勻且快速可以更好地穩定面團結構,加強氣體滯留,降低成本。預計該技術的應用將為無麩質面包的焙烤提供新的發展方向。

2.4.3 微波輔助焙烤 微波加熱時物料內的傳熱方式是由內向外,與紅外、熱風等由外向內傳熱方式的聯用可以達到互補[51]。研究發現,采用微波-紅外聯用焙烤可以改善無麩質面包內部的水分分布,增加氣孔數[52]。Srikanlaya等[53]則發現微波-熱風聯用可以減少焙烤時間和預測血糖指數,生產的無麩質面包具有高比容,不過在儲藏7 d后,面包老化速度更快。研究還發現,微波可提高面包的烘烤溫度,影響無麩質面包的蛋白-淀粉基質。如Therdthai等[54]發現微波焙烤的面包淀粉消化率較低,但焙烤出的大米面包外皮L*值(亮度)相對于熱風焙烤更高,顏色更蒼白。可見,微波輔助焙烤在無麩質面包加工中的應用值得肯定,但工藝條件仍需進一步優化。

3 結論與展望

隨著科技進步與發展,越來越多新興技術用于改良無麩質面包,而且在實踐應用中也卓有成效。但因為無麩質原料選擇多樣化,其加工適應性存在較大差異,生產中需要使用個性化的工藝方案。因此,首先需要全面研究各無麩質原料成分及特性,然后闡明不同加工方式對原料加工性能的影響機制。如直鏈淀粉占比高的原料可嘗試高壓預處理,豆類及谷物原料考慮發芽預處理等,才能讓這些前沿技術更好地被利用。

此外,已有的技術往往都處于探索階段,沒有全面評估其應用于產品生產的性能。一款合格的無麩質面包在風味、結構、外觀、營養等各個方面均有要求。因此,后續仍需要不斷完善各加工技術,并結合麩質不耐受患者的特殊需求,制作出讓消費者滿意的面包。另一方面,一系列加工新技術僅局限于實驗室階段,只有真正應用于工業化才能實現其價值,而實現工業化需要相應的設備投入與產業化條件。由此建議,選擇校企合作協同創新,可以推動新技術在無麩質面包加工領域的應用。

無麩質食品在國外已有許多成功的研究成果,但我國卻仍處于起步階段,未來可以借鑒國外成功的經驗,并結合本國飲食文化選擇無麩質原料,根據它們的原料特性研發有針對性的加工技術,在最大限度提高原料加工性能的條件下生產出高品質的無麩質面包。隨著科學技術的不斷創新與應用轉化,可以不斷改進和完善無麩質面包加工技術,更好地造福于麩質不耐受患者及消費者。