復配功能性糖對面包儲藏性質的影響及協同作用的研究

盧 潔， 錢海峰， 王 立， 李 言， 張 暉， 齊希光

(江南大學食品學院，無錫 214122)

在面包等焙烤食品生產過程中，蔗糖由于價格便宜且能賦予面包良好的烘焙品質，常被用作主要的甜味劑，但蔗糖的過量攝入量往往會誘發II型糖尿病和肥胖癥等代謝綜合癥，一些研究者提出使用蔗糖替代物以解決這個問題，如用天然甜味劑替代面包中蔗糖可以維持大鼠的血糖平穩，用葡萄糖替代品降低漢堡面包的熱量等[1-3]。

此外，蔗糖面包在儲藏過程中品質易會發生劣變，因此一些研究者提出用功能糖替代蔗糖以解決面包的儲藏問題。Ding等[4]發現麥芽糖醇可以增強面包中“自由水”的轉化比例，阻礙了淀粉重結晶，從而延緩面包的老化。Peng等[5]指出海藻糖分子的多羥基結構與面團體系水分子結合更緊密，同時減弱了面筋網絡結構的形成，造成面包硬度降低。趙天天[6]指出菊糖的吸濕性較強，可以通過結合自由水降低食品水分活度，延長貨架期。然而，比較不同功能性糖對面包儲藏特性的影響以及復配后對面包抗老化效果的交互作用的研究較少。因此，本研究比較了麥芽糖醇、菊粉、低聚木糖和海藻糖4種糖不同復配比例替代蔗糖對面包儲藏期間的硬度以及老化焓值的影響，且通過Prieto模型[7]對糖類的協同作用或者拮抗作用進行定量分析，以期優化其復配比例，改善面包烘焙性質。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

小麥粉(高筋粉)、復配酶制劑(S500綜合面包改良劑)、干酵母(耐高糖型)、起酥油；鹽、雞蛋、白砂糖；

菊糖(平均聚合度7.5～7.8，純度>90%)、低聚木糖(平均聚合度為3.2～3.6，純度 > 90%)、麥芽糖醇(純度>90%)、海藻糖(純度>90%)

1.2 實驗儀器與設備

TA.XT Plus型物性分析儀，UltraScan Pro1166型高精度分光測色儀，DSC3差示掃描熱量儀，WTN-25型和面機

1.3 實驗方法

1.3.1 面包的制作方法

面包制作的基本配方：以小麥粉質量計，蔗糖16%、酵母1%、食用鹽1.2%、改良劑0.4% ；此配方為對照組面包配方。

以小麥粉500 g為例，基本配方中糖的總質量為80 g。麥芽糖醇、菊粉、低聚木糖和海藻糖的單因素配方劑量比例如下表1。

表1 菊粉、麥芽糖醇、低聚木糖、海藻糖單因素實驗設計

以對照組面包制作為例，將基本配方配料，其中包括蔗糖80 g、小麥粉500 g、酵母5 g、食用鹽6 g、改良劑2 g放入WTN-25型和面機進行攪拌，加入310 g水，于25 ℃在1檔低速模式下攪打成團，然后切換為2檔高速攪打模式使面筋充分擴展，再轉為1檔低速模式，加入黃油攪打2～3 min，再轉換為2檔高速模式攪打1～2 min，完成和面加水啟動和面程序；混合結束后立刻取出面團，25 ℃下松弛15 min，分割成150 g的面團，搓圓、整形；在醒發箱(RH85%，35 ℃)中醒發90 min；于烤箱(型號)上火190 ℃，下火200 ℃烘烤25 min。面包在25 ℃平衡至 1 h(以烘烤結束定義為 0 h的存儲)，密閉保存(25 ℃)，以便進一步分析。

1.3.2 面包質構的測定

分別測量面包在儲藏0 d和7 d的質構，測定方法為：面包在25 ℃平衡至2 h(以烘烤結束定義為0 h的存儲)，用切片機將面包切成厚度為2.5 mm薄片。取中間2片使用TA.XT Plus型物性分析儀進行質構測定，采用 TPA模式，探頭型號為P/25，測試前速率5.00 mm/s，測試速率 1.00 mm/s，測試后速率 1.00 mm/s，探頭壓縮比50%，感應力為5 g，兩次壓縮間隔時間5 s。重復壓縮兩次，間隔時間為5 s。記錄面包片的硬度等數據，每份樣品做3次平行取平均值。

1.3.3 面包比容的測定

按照GB/T 20981—2007測定。采用小米置換法測體積，結果精確到0.1 mL，將面包冷卻到室溫后，稱量面包的質量，精確到0.01 g。體積與質量之比即面包比容，單位為mL/g。

1.3.4 DSC測試

采用差示量熱掃描儀測定貯藏0、1、3、5、7 d的面包芯老化焓值。稱取3 mg樣品，程序設置：升溫速率為5 ℃/min，掃描范圍為30～100 ℃，氮氣流速為20 mL/min[8]。

1.3.5 混料設計(Mixture Design)的建立

根據單因素實驗結果，遵循Mixture Design設計原理，運用Design-Expert軟件設計原理，篩選對面包硬度影響較大的因子的劑量范圍，以面包硬度值為響應值，進行復配比例優化，并確定效應值主因子，初步判斷因之間的交互作用。

1.3.6 Prieto模型的建立

建立有、無相互作用的2種糖的劑量響應曲線模型，根據有、無相互作用的模型，計算相互作用的綜合指標RUV值，并判斷相互作用的類型。

建立無相互作用的2種糖的劑量響應曲線模型：在Prieto模型[9]中，假設2種糖之間無相互作用，只存在濃度疊加情況下，2種糖(x，y)的聯合效應可描述為2個不同濃度的同一物質的“混合”效果，不同糖的不同作用強度加入參數p來表示。兩種糖的劑量響應曲線表示為：

(1)

公式(1)由Matlab自動歸遞檢驗，從參數中選擇擬合度較高的組合，理論上涵蓋所有可能的結果。

建立有相互作用的2種糖的劑量響應曲線模型：有相互作用的模型，是指當2種功能糖存在相互作用情況時，一種功能糖(x)在某濃度下對另一種功能糖(y)的作用效果具有影響作用。濃度疊加前提下有相互作用的2種糖的劑量響應曲線可表示為：

(1)

ans(x,y)=

(2)

式中：a與響應的最大斜率有關；b、c為擬合系數；k為漸進值；t為達到相同硬度效果時所需要使用的糖的劑量；p為模型作用強度。

此公式由Matlab自動歸遞檢驗，從參數中選擇擬合度較高的組合，理論上涵蓋所有可能的結果。

1.3.7 Prieto模型中復配糖的劑量范圍

參考Mao等[10-12]的方法，建立描述混合物中兩種物質之間的相互作用的劑量模型以麥芽糖醇(0%、0.5%、1%、2%、3%、4%、5%)、菊粉(0%、0.5%、1%、2%、3%、4%、5%)，每種糖樣品的劑量范圍以質量表示(以小麥粉質量計)。配方中包括蔗糖、麥芽糖醇、菊粉、低聚木糖和海藻糖，蔗糖質量分數為6%固定，其中麥芽糖醇、菊粉兩種糖比例交互，采用6×6陣列制備(共36個劑量組合)，并測定兩種糖之間對儲存7天的面包硬度的交互作用。

1.3.8 計算相互作用的綜合指標

通過對有、無相互作用模型擬合后進行曲面積分，計算無相互作用假設公式擬合模型下的體積和有相互作用假設公式擬合模型下的體積之間的相對體積差(RUV)，以此判斷2種糖之間的相互作用，計算公式如下：

(3)

式中：SV1為有交互作用模型產生的表面體積；SV2為有相加作用模型產生的表面體積；RUV值為正，表示2種糖之間的相互作用為協同作用；RUV值為負，表示2種糖之間的相互作用為拮抗作用；RUV值的絕對值越大表示相互作用越強。

2 結果與分析

2.1 不同種類糖對面包烘焙性質的影響

為了探究復配糖中不同功能糖之間的最適比例，首先進行單因素實驗的研究，繼而進行復配研究，以得到最適復配比例。在后續的復配實驗中，4種功能糖(其中包括菊粉、麥芽糖醇、低聚木糖和海藻糖)的復配劑量之和為10%，因此本文中單因素實驗的劑量范圍采用2%～10%，以考察幾種糖對面包儲存7 d的硬度值，老化焓值和面包的比容的影響。

硬度是面包重要的質構參數，和老化焓值都可以作為表征面包老化特性的指標[13]。由表2可知，與對照組相比，隨著不同種類功能糖添加量的增加，儲存7 d的面包的硬度和老化焓值逐漸降低，但效果略有不同，說明在一定的劑量范圍下，添加幾種功能糖都在不同程度上延緩了面包的老化。

表2 菊粉、麥芽糖醇、低聚木糖、海藻糖對面包烘焙性質的影響

當質量分數為2%～6%時，面包中添加菊粉、麥芽糖醇、海藻糖能在一定程度上延緩面包的老化。當菊粉、麥芽糖醇、海藻糖的質量分數為6%時，面包的硬度分別為對照組的0.77、0.75、0.78倍，面包的老化焓值分別為對照組0.74、0.72、0.78倍。但是，當質量分數為6%～10%時，菊粉、麥芽糖醇、海藻糖的加入對降低面包的硬度和老化焓值的作用逐漸減小。

當低聚木糖質量分數為4%時，面包的硬度和老化焓值分別為對照組的0.78倍和0.77倍；但低聚木糖的質量分數超過4%時，面包的硬度和老化焓值較對照組反而增加了，這可能是由于低聚木糖在較低添加量下具有延緩面包老化的作用，這與解宇晨等[14]研究相一致。

不同種類的功能糖對延緩面包老化的影響不同，這可能與它們自身不同的分子結構與性質有關。Smits等[15]的研究表明，淀粉老化與淀粉分子鏈的穩定性有關，麥芽糖醇等小分子糖在分子運動中碰撞淀粉分子鏈，會減弱淀粉分子穩定性，使得直鏈淀粉的重結晶受到抑制；分子鏈的運動也是影響回生的重要因素[16]，菊粉等多糖分子則通過滲入淀粉分子鏈間，加大分子鏈的空間位阻，抑制淀粉鏈的遷移[17，18]，分子鏈間交聯作用減少，從而阻礙淀粉的重結晶[19]。糖類與淀粉體系的相容性也會影響淀粉老化，兩者具有相容性，則抑制淀粉老化；反之兩者不相容，則會促進淀粉老化[20]。

此外，添加菊糖和低聚木糖有增大面包比容的趨勢，而添加麥芽糖醇和海藻糖會降低面包的比容。因此為了進一步提高面包的比容等烘焙特性，可將四種功能糖進行復配研究。

根據實驗結果，考慮到實際4種糖的總質量分數不超過10%，麥芽糖醇、菊粉、海藻糖的質量分數范圍分別選取為2%～6%，低聚木糖的質量分數范圍選取為2%～4%，進行后續4種糖復配研究。

2.2 不同比例的4種糖復配對面包烘焙性質的影響

2.2.1 復配糖面包的烘焙性質分析

在復配配方中，蔗糖質量分數保持6%(以小麥粉質量計算)，其余4種糖(其中包括菊粉、麥芽糖醇、低聚木糖和海藻糖)的總質量分數為10%。當菊粉：麥芽糖醇：低聚木糖：海藻糖的復配比例分別為5∶2∶2∶1、2∶2∶4∶2、2∶5∶2∶1、2∶2∶1∶5，考察不同比例的4種糖復配面包對面包儲存7 d的硬度值、老化焓值和面包比容的影響。

由表3可知，不同比例的復配糖面包，比容、硬度差別較明顯，說明不同比例四種糖復配對于面包的烘焙性質影響顯著。與對照組相比，當菊粉：麥芽糖醇：低聚木糖：海藻糖的比例為2∶5∶2∶1時，面包切面比容良好，且氣孔更加細密。

表3 不同比例的4種糖復配面包的烘焙性質

與對照組相比，復配組面包在菊粉或低聚木糖的添加量占主導(質量分數>4%)時，面包的比容無顯著差異；在海藻糖的添加量占主導時，面包的比容顯著降低。當菊粉：麥芽糖醇：低聚木糖：海藻糖的比例為2∶5∶2∶1時，儲藏7 d后面包硬度和老化焓值都最低，分別為對照組的0.65倍和0.56倍，顯著低于在相同添加量下單獨使用菊粉、麥芽糖醇、低聚木糖、海藻糖時面包的硬度及老化焓值。這表明與單獨使用菊粉、麥芽糖醇、海藻糖和低聚木糖相比，4種功能糖按一定比例復配后替代蔗糖對改善面包的老化性能的作用更顯著。

2.2.2 建立混料設計模型與方差分析

為了探究4種功能糖的不同復配比例對儲存7 d的面包硬度的影響，根據Mixture Design(混料設計)實驗方法，運用Design-Expert軟件設計原理，以面包儲存7 d硬度值為響應值，將影響面包的硬度4個因素進行混料設計實驗，其因素水平設計及結果見表4。

其中，由于混料設計模型的限制四因子劑量之和恒定，為了維持面包較好的感官評價和發酵特性，在復配配方中，蔗糖質量分數保持6%(以小麥粉質量計算)，其余4種糖(其中包括菊粉、麥芽糖醇、低聚木糖和海藻糖)的復配的質量分數之和恒定為10%。依照混料設計方法，菊粉：麥芽糖醇：低聚木糖：海藻糖的質量分數范圍分別選取為2%～5%、2%～5%、1%～4%、2%～5%，4個因素添加比例如表4所示。混料設計模型常用于研究多種因素對響應值的影響，且該實驗方法能維持4因素總劑量不變，減少由于4種糖總添加量的變化對實驗結果的誤差，因此復配實驗中使用混料設計的適用性較強。

表4 菊粉(A)、麥芽糖醇(B)、低聚木糖(C)、海藻糖(D)混料設計實驗

運用Design-Expert對表4數據進行回歸擬合，得到面包硬度的三次多項回歸方程：R=569.51A+554.51B+639.51C+618.01D+434.04AB+174.13AC+253.13AD+44.13BC+83.13BD-30.87CD-3 538.02ABC-1 0146.02ABD+4 045.29ACD+4461.29BCD

式中：R為硬度/g；A為菊粉/%；B為麥芽糖醇/%；C為低聚木糖/%；D為海藻糖/%。

表5 混料設計實驗中回歸模型方差分析

以面包的硬度值作為響應值，該數值越小，表明對面包延緩老化的效果越顯著。根據系數值大小可知,A=569.51,B=554.51,C=639.51,D=618.01,影響面包儲藏后硬度的主因素由大到小為：麥芽糖醇>菊粉>海藻糖>低聚木糖。

根據F值可知，AB對響應值具有極顯著影響(P<0.000 1)，因此菊粉與麥芽糖醇之間的可能存在較強的交互作用。上述實驗結果表明，菊粉與麥芽糖醇之間存在協同或拮抗作用，可進行2種糖之間交互作用的后續驗證和研究。

2.3 Prieto互作模型分析

不同糖之間對延緩面包老化的協同作用，指的是多種糖復配時，相比較添加單一的某種糖，能在一定程度上提高面包的抗老化性能，實現“1+1>2”的效果[21, 22]。

利用Prieto模型評價菊粉與麥芽糖醇之間的交互作用對儲藏7 d面包硬度的影響，對其協同作用或拮抗作用進行定量分析。實驗結果如圖2所示，左側為濃度加和假設條件下擬合有相互作用模型，右側為濃度加和假設條件下擬合無相互作用模型。2個模型的擬合參數結果見表7。

由表6實驗結果可知，該模型在低劑量下的交互作用不顯著，即表現在，在低劑量下2種糖之間復配對降低面包硬度值的作用效果較小，在接近高劑量條件下對面包硬度值的影響較小較大，面包硬度達到了(521.36±10.78) g。由于麥芽糖醇、菊粉延緩面包老化過程，是延緩淀粉重結晶的過程。用老化動力學方程研究淀粉重結晶時，淀粉的老化速率是一個非線性的變化，通常用老化速率常數表示，表現為老化速率常數的波動，這表明糖類影響面包老化的速率是隨劑量濃度變化的。這與交互實驗中麥芽糖醇、菊粉兩者的不同劑量下對面包老化的影響效果不同的表現相一致[23]。

表6 交互實驗中菊粉、麥芽糖醇對面包硬度(g)的影響

如圖1所示，2個模型三維圖中的點分別包含36個實驗點，根據菊粉與麥芽糖醇之間有無相互作用，分別擬合成2個模型曲面，其中縱坐標表示面包儲藏7 d的硬度與對照組硬度的差值。

由表7可知，2個模型擬合的修正相關系數(R2)均在0.91～0.99之間，說明此結果的擬合效果較好。其中，2種物質之間的交互作用模型(R2)大于相加作用模型的(R2)，說明兩者之間存在有交互作用，反之則具有相加作用。菊粉、麥芽糖醇之間交互作用模型的R2為0.939 89，相加作用模型的R2為0.914 22，這表明菊粉、麥芽糖醇之間存在交互作用，這與混料設計的結果相一致。

表7 兩種糖對面包硬度有、無相互作用模型參數

相加作用模型和交互作用模型中的參數k表示響應的漸進值[24]，表示面包儲藏7 d的硬度與對照組硬度的最大差值。菊粉、麥芽糖醇之間交互作用的擬合參數中漸進值k為329.29，表明此時菊粉、麥芽糖醇在復配比例為5∶5時，面包儲藏7 d的硬度值較對照組降低了329.29 g，具有顯著改善面包老化性能的效果。參數t表示面包的儲存7 d的硬度與對照組的硬度差值達到k值的一半時所使用糖的劑量[25]，t值越小，糖的劑量越少，則改善老化性能的效果越好。通過對比t值大小，可以直觀比較菊粉與麥芽糖醇之間有無交互作用下對面包硬度的影響，此時，兩者無交互作用的情況下復配糖的劑量t值為1，而兩者有交互作用的情況下復配糖的劑量t值為0.595 1，這說明菊粉與麥芽糖醇之間有交互作用下改善面包老化性能的效果更好。

根據模型的運算結果，菊粉與麥芽糖醇之間的相互作用的綜合指標(RUV)為5.155 3%，表明菊粉、麥芽糖醇之間存在顯著的協同作用，且在高劑量處表現得尤為顯著。

3 結論

麥芽糖醇、菊粉、海藻糖和低聚木糖4種糖都有降低面包硬度和改善面包老化的功能，但是不同種類糖延緩老化的效果不同。復配糖中麥芽糖醇是影響面包儲藏后硬度變化的主要因素，并與菊粉之間存在較強的交互作用(P<0.000 1)。在相同的添加量下，與單獨使用菊粉、麥芽糖醇、海藻糖和低聚木糖相比，4種糖復配替代蔗糖能更顯著改善面包的老化性能，麥芽糖醇和菊粉之間存在協同作用，特別是在接近較高劑量下協同作用效果顯著。