外源酶對大米面團性能和米面包品質的影響

劉曉飛，吳浚瀅，戚月娜，趙香香，劉暢，張智，張娜*

（1.哈爾濱商業大學食品工程學院，黑龍江省普通高等學校食品科學與工程重點實驗室，黑龍江省谷物食品與資源綜合加工重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150028；2.黑龍江省北大荒米業集團有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

麩質過敏癥是食用小麥、大麥、黑麥等含麩質谷物及其制品時，腸道發生自體免疫反應的消化道疾病，其發病率在中國呈逐年上升趨勢，暫無有效藥，給患者食用無麩質食物是一種可行且有效的緩解方法[1]。Hager等[2]的研究表明，與玉米、大豆和黑豆等無麩質谷物相比，大米作為一種易于消化和吸收、低致敏性、產量高和較為實用的經濟型食品更加適合患者食用。麩質過敏癥患者可以食用由大米深加工制成的米面包，近年來，國內外對米面包的研究廣泛，但大米因缺少面筋蛋白、沒有筋性，口感無法與面包相比，需要對其進行改性，據報道，外源酶[3]的添加可以減緩淀粉老化過程，進而改善面包質地，使其結構柔軟、彈性增強、比容增加，促使其發生美拉德反應，延長面包保質期[4]。Kim等[5]的研究發現，1.5%蛋白酶使米面包的比容最大，內孔徑較大且數量多，加入0.5%蛋白酶彈性好，保水能力提高，不易老化；孟燕楠等[6]探討α-淀粉酶、脂肪酶、谷氨酰胺轉氨酶、漆酶4種酶制劑對大米面包的感官特性及質構特性的影響，結果表明，這4種酶制劑均可以顯著提高米面包的外觀、色澤和口感，使其紋理疏松、體積增大、彈性增加。

本文以碎米為原料制作米面包，探究添加α-淀粉酶、脂肪酶、谷氨酰胺轉氨酶和復合酶制劑（α-淀粉酶和脂肪酶復配）對米面團糊化特性和質構特性的影響，選取試驗效果最好的酶對米面團進行改性。研究酶添加量、醒發時間、醒發溫度和pH值對米面團糊化特性和綜合評分的影響，在此基礎上采用響應面優化，以米面團綜合評分為響應值，得出最佳面團后制成米面包，為米面包開發和碎米的深度加工與綜合利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

碎米：黑龍江省五常金禾米業有限責任公司；雞蛋、綿白糖、黃油、牛奶、豆油、食鹽、安琪酵母：市售。

α-淀粉酶（2 000 U/g）、脂肪酶（2 000 U/g）、谷氨酰胺轉氨酶（2 000 U/g）：北京博奧拓達科技有限公司；氫氧化鉀、碘、碘化鉀、HCl（均為分析純）：天津市凱通化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

BSM-120-4電子天平：上海卓精電子科技有限公司；DC-1500A粉碎機：浙江武義鼎藏日用金屬制品廠；TD5A離心機：湖南凱達科學儀器有限公司；MG38CBAA電烤箱：廣東美的廚房電器制造有限公司；DZKWD-2電熱恒溫水浴鍋：天津天泰儀器有限公司；UV-5200紫外可見分光光度計：上海元析儀器有限公司；TA-XT2i質構儀：英國Stable Micro System公司；JSM-6510掃描電鏡：日本電子公司。

1.3 方法

1.3.1 米粉的制備

將除去雜質的碎米用粉碎機粉碎，過120目篩，得到樣品米粉備用。

1.3.2 米面包的制作

米面包制作步驟：稱量→和面→發酵→揉壓→固定成型→醒發→焙烤。制作米面包的原料及含量見表1[7]。

表1 米面包成分Table 1 Rice bread ingredients list

1.3.3 最優酶的選取

準確稱取10 g米粉，分別加入α-淀粉酶、脂肪酶、谷氨酰胺轉氨酶和質量比為1∶1復配的α-淀粉酶和脂肪酶各0.008 g，其余原料按表1添加，用水把酵母和綿白糖化開，加入牛奶、黃油、雞蛋和鹽與米粉混合制作米面團，醒發時間為90 min，醒發溫度為60℃，醒發時pH值為7，醒發完成后進行糊化度及面包質構特性分析并計算質構評分。

1.3.4 單因素試驗

選取1.3.3確定的最優酶進行單因素試驗，固定其它基礎配方。以10g米粉為基準，考察酶添加量（0.004、0.006、0.008、0.010、0.012 g）、醒發時間（50、70、90、110、130 min）、醒發溫度（40、50、60、70、80 ℃）、pH 值（5、6、7、8、9）對米面團的糊化度及質構評分的影響。

1.3.5 響應面分析試驗

綜合考慮單因素試驗結果，根據Box-Behnken試驗設計原理，舍棄影響最小的條件[8]，以酶添加量、醒發時間、醒發溫度為因素，米面團綜合評分（Y）為響應值，進行三因素三水平響應面分析試驗，確定最佳工藝參數，試驗因素與水平見表2。

表2 響應面試驗因素與水平Table 2 Response surface test factors and levels

1.3.6 米面團的性質分析

1.3.6.1 糊化度的測定

參照Haghighat-Kharazi等[9]的方法，測定米面團的糊化度。

1.3.6.2 質構特性的測定

選取米面團的中心部分，切成2 cm×2 cm×2 cm小塊，測定面包的質構指標（硬度、彈性、膠著性和回復性）。質構儀參數：選取P/50的探頭，測試前速率為2.00 mm/s，測試中速率為1.00 mm/s，測試后速率為1.00 mm/s，壓縮程度為50%，停留間隔為5 s。

1.3.6.3 質構評分和糊化度得分測定

質構評分和糊化度得分參照王會然等[10]的方法進行計算，并稍作修改。質構評分（100分）=硬度（25分）+彈性（25分）+膠著性（25分）+回復性（25分）。糊化度滿分為100分。

各指標的得分計算方法如下。

式中：D為該指標對應的評分；C為此指標的滿分值（即100或者25）；A為該指標最大值與最小值之差；B為該指標測定值與最小值之差。

由于米面團的硬度指標與口感呈負相關，所以硬度值對應的評分數值計算公式如下。

1.3.6.4 綜合評分測定

采用加權系數法，將糊化度的權重設為0.5，質構評分的權重設為0.5，系數總和為1。綜合評分=糊化度得分×0.5+質構評分×0.5。

1.3.6.5 掃描電鏡測定

采用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）對米面團的微觀形態進行觀察。

1.3.7 米面包品質測定方法

1.3.7.1 米面包的感官評價

參照Zarringhalami等[11]的方法對米面包進行感官評價。由從事食品加工、無特殊嗜好的15名專業人員組成評定小組，對制得的米面包進行感官評定，分別從面包形狀、適口性、表皮色澤、紋理結構、香味、口感6個方面進行評價，對每項進行評分，取其平均分。米面包的感官評分標準見表3。

表3 米面包的感官評價標準Table 3 Sensory evaluation criteria for rice bread

1.3.7.2 米面包的質構評價

自然冷卻1 h后的面包取內芯，切成2 cm×2 cm×2 cm的面包塊，進行質構分析。選擇P/36R圓柱形探頭，采用質構分析（texture profile analysis，TPA）模式，測前速度、測中速度和測后速度均為1 mm/s，觸發力5 N、形變量30%、間隔時間2 s，重復測定3次[12]。

1.3.7.3 米面包的比容評價

采用小米置換法測定米面包的比容[7]。

1.4 數據處理與分析

所有結果均表示為平均值±標準差。采用Excel 2010、SPSS Statistics 26.0、Design-Expert 8.0.6 和 Origin 2017軟件進行數據整理分析，以評估平均值之間的顯著性差異（p＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 最優酶的確定

不同種類酶對米面團糊化度及質構評分的影響見圖1。

圖1 不同種類酶對米面團糊化度及質構評分的影響Fig.1 Effects of different enzymes on gelatinization degree and texture score of rice dough

由圖1可知，與空白面團相比，添加酶均使米面團的糊化度和質構評分升高，添加谷氨酰胺轉氨酶的米面團糊化度和質構評分最高，其次為添加復配酶的米面團，添加α-淀粉酶的米面團糊化度和質構評分最低。添加谷氨酰胺轉氨酶的米面團糊化度及質構特性效果最好可能是它與米面團產生的共價交聯，增加了米面團的持水力、硬度降低、體積增大和提升面團的加工性能[13]。因此，選取谷氨酰胺轉氨酶進行單因素和響應面試驗。

2.2 單因素試驗結果

2.2.1 酶添加量對米面團品質的影響

酶添加量對米面團糊化度及質構評分的影響見圖2。

圖2 酶添加量對米面團糊化度及質構評分的影響Fig.2 Effect of enzyme dosage on gelatinization degree and texture score of rice dough

由圖2可知，隨著酶添加量的增加，米面團糊化度逐漸升高，當酶添加量達到0.008 g時，糊化度達到較高水平，繼續添加酶，糊化度沒有明顯升高，質構評分先增大后減小，酶添加量為0.008 g時，質構評分出現峰值，可能是因為酶促反應速度與酶分子的濃度成正比，當底物分子濃度增加時，酶分子越多，底物的轉化速度越快，當酶濃度過高時，會有許多的酶抑制劑限制其發生反應，導致曲線逐漸趨向平緩。因此，酶的最佳添加量為0.008 g。

2.2.2 醒發溫度對米面團品質的影響

醒發溫度對米面團糊化度及質構評分的影響見圖3。

圖3 醒發溫度對米面團糊化度及質構評分的影響Fig.3 Effect of waking temperature on gelatinization degree and texture score of rice dough

由圖3可知，隨著醒發溫度的升高，米面團的糊化度和質構評分先增大后減小，在60℃時達到峰值。其原因可能是谷氨酰胺轉氨酶的最適溫度在60℃左右；低溫影響酶的活性，但不會破壞酶的空間結構，溫度升高后，酶仍能恢復活性，但高溫會導致酶變性，使其失去活性[14]。因此，最佳醒發溫度為60℃。

2.2.3 醒發時間對米面團品質的影響

醒發時間對米面團糊化度及質構評分的影響見圖4。

圖4 醒發時間對米面團糊化度及質構評分的影響Fig.4 Effect of waking time on gelatinization degree and texture score of rice dough

由圖4可知，隨著醒發時間的延長，米面團的糊化度和質構評分先增大后減小，在90 min時達到峰值。原因可能是在醒發過程中，米面團的體積、風味、內部結構有較大變化，酶缺乏與底物的反應時間會導致糊化度和質構評分低，隨著醒發時間的延長，酶與底物可充分混合糊化，但時間過長時，水分會減少，從而糊化度和質構評分下降。因此，最佳醒發時間為90 min。

2.2.4 pH值對米面團品質的影響

pH值對米面團糊化度及質構評分的影響見圖5。

圖5 pH值對米面團糊化度和質構評分的影響Fig.5 Effect of pH on gelatinization degree and texture score of rice dough

由圖5可知，隨著pH值的升高，米面團的糊化度和質構評分先增大后減小，pH值為7時達到峰值，但整體變化幅度較小。pH值對米面團的糊化度和質構綜合評分影響較小，因此最佳醒發pH值為7。

2.3 響應面優化試驗結果分析

2.3.1 響應面分析數學模型的建立

響應曲面法試驗結果見表4。

表4 響應面試驗設計及結果Table 4 Design and results of Box-Behnken center combination test

以綜合評分（Y）為響應值，利用響應面軟件對表4進行回歸擬合，得出二次多項回歸方程 Y=90.26-0.67A-1.78B+2.87C-2.42AB-0.57AC-1.72BC-4.50A2-5.56B2-6.16C2。對該模型進行顯著性檢驗，得到的方差分析結果見表5。

表5 回歸方程的方差分析Table 5 Analysis of variance（ANOVA）for the developed regression equation

由表5可知，模型p＜0.000 1，差異極顯著；回歸方程的失擬項p=0.069 6＞0.05，差異不顯著；R2=0.998 5，擬合度＞90%，說明該模型能較好地解釋響應值的變化，理論值與實際數值能有很好的擬合性，試驗誤差小、相關性高、數據真實，因此能夠應用此方程對試驗結果做出分析。影響綜合評分的先后順序為醒發溫度＞醒發時間＞酶添加量；B、C、AB、BC 影響極顯著；A影響顯著。

2.3.2 響應面分析

在米面包的生產條件方面，為進一步驗證影響因素交互項的作用機理，根據二次模型所得到的等高線及響應曲面可以評價試驗因素之間的交互作用強度，以及確定各因素的最佳水平范圍[15]。各因素交互作用的等高線和響應面見圖6。

圖6 各因素交互作用的等高線和響應面Fig.6 Contour and response surface plots of the interaction of various factors

由圖6可知，當一個因素固定，隨著另兩個因素的增加或延長，綜合評分均呈現先上升后下降的趨勢；響應面圖均凸面朝上，存在極大值；等高線均呈橢圓形，表明兩種因素間交互作用顯著[16]。

通過Design Expert軟件可得到該模型的最優條件：酶添加量0.008 g、醒發時間86.50 min、醒發溫度62.75℃，預測的綜合評分為90.708 6。為檢驗該生產條件對米面團制作的效果、響應模型的準確性和可靠性，采用上述優化條件進行3次重復試驗[17]。根據實際生產條件，將制備工藝條件修正為酶添加量0.008 g、醒發時間87 min、醒發溫度63℃，此條件下生產的米面包綜合評分為90.71，結果與理論預測值接近。

2.4 米面團的掃描電鏡結果

不同米面團微觀結構掃描電鏡圖見圖7。

圖7 不同米面團微觀結構掃描電鏡圖Fig.7 Scanning electron microscope images of the microstructure of different rice dough

如圖7A所示，空白米面團可以看出明顯的淀粉顆粒，米面團的結構松散，顆粒間隙較大，沒有形成面團具有的網狀結構，從而導致了米面團的黏彈性和持氣性較差；如圖7B所示，添加谷氨酰胺轉氨酶后，米面團的淀粉顆粒變少，大部分顆粒被包裹在其中，形成凝膠網絡結構[18]，促進米面團保存發酵過程中產生的氣體[19]，出現一些大小較均勻的氣室，使米面團體積增大。產生這種現象的原因可能是谷氨酰胺轉氨酶與米面團中的蛋白質發生交聯，使米面團的持氣性能增強，面包比容增大，有助于形成強有力的大米凝膠，從而改善米面團的品質[20]。說明谷氨酰胺轉氨酶可以改善大米面團成型困難的問題，可以應用于米制品的加工。

2.5 米面包的評價結果

選取與面包感官品質密切相關的硬度、彈性、膠著性和回復性作為衡量面包質構特性的指標，最優工藝的米面包與未經過酶處理的米面包質構特性、比容和感官評分見表6。

表6 空白米面包與最優米面包的質構評價Table 6 Texture evaluate of enzymatic and unenzymatic rice bread

由表6可知，酶解米面包與未酶解米面包相比，硬度降低，膠著性增大，彈性和回復性略有升高，比容變大，感官評分從65.2提高到80.7。烘烤后，內部組織均勻細膩、松散柔軟、彈性較大，略黏牙，但口感松軟適口，方便食用，整體評分較高。這是因為谷氨酰胺轉氨酶能誘導蛋白質之間形成共價交聯，能夠改善面包的持氣性能，使面包更加蓬松，富有彈性，口感更好。上述結果說明，谷氨酰胺轉氨酶的加入有助于米面包的制備。

3 結論

本文選取大米粉為主要原料，添加外源酶作為改良劑制作米面包。由單因素試驗及響應面的優化試驗可知，對米面團的綜合評分的影響大小順序為醒發溫度＞醒發時間＞酶添加量；通過響應面優化試驗可知，米面團的最佳工藝條件為酶添加量0.008 g、醒發時間87 min、醒發溫度63℃，此條件下生產的米面團綜合評分最高為90.71，感官評分從65.2提高到80.7，比容從1.97 mL/g增加到3.01 mL/g，米面團微觀結構中能觀察到較均勻的氣室，硬度從994.6 g降低到756.5 g，符合現代人的健康需求。優化米面包有助于無麩質食品的研究，有助于我國無麩質食品產業的發展，為碎米的深度加工與綜合利用提供一定的理論依據。