低GI青稞馒头加工工艺优化及品质分析

孙康娜,院珍珍*,李 岩,高 珂

(青海大学 农牧学院,青海 西宁 810000)

摘 要:为了改善传统馒头升糖指数(GI)高的问题,该研究以小麦粉为主要原料,向其添加慢消化淀粉含量高的酶解青稞粉制备低GI青稞馒头,采用单因素和响应面试验优化其加工工艺条件,并对其品质指标进行分析。结果表明,低GI青稞馒头的最佳加工工艺条件为:酶解青稞粉添加量20%、酵母添加量0.5%、食盐添加量0.3%、发酵时间48 min。在此优化条件下,低GI青稞馒头的GI值为53.84,其L*值、a*值、b*值分别为62.92、15.42、18.02,感官评分为88.80分,比容为2.34 mL/g,水分为41%,pH值为5.9,大肠菌群为18 MPN/100 g,霉菌、沙门氏菌(Salmonella)及金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)均未检出,均符合国标GB/T 21118—2007《小麦粉馒头》相关要求。

关键词:青稞;馒头;低升糖指数;加工工艺优化;响应面法

人体对食物的消化吸收及引起的血糖应答程度用血糖生成指数(glycemic index,GI)表示[1-2],以葡萄糖为对照,食物的GI值可以分为低GI(GI≤55)[3]、中GI(55<GI≤70)和高GI(GI>70)食物[4-5],GI较低的食物在体内消化吸收缓慢有助于维持餐后血糖稳定,“低GI”饮食方式在预防和改善糖尿病、心脏病、肥胖等慢性疾病方面具有较高的实用意义和可行性[6]。馒头是以小麦粉、水和酵母(或老面)为主要原料,以蒸制作为主要加工方式的传统主食产品[7],以小麦粉为原料的普通馒头淀粉含量高,其制作过程淀粉糊化程度高,被胃肠道吸收后体内血糖快速升高[8],其GI值为88。在面粉中添加杂粮,如以小米粉[9]、黄豆粉[10]、高粱粉[11]等为主要原料,利用酵母[12]、乳酸菌[13]发酵生面团制备低GI馒头,可以通过发酵温度、时间影响淀粉颗粒的大小、糊化程度、与水解酶接触机会降低食品GI值[14-15]。XU T等[16]研究表明,发酵产生的纤维素酶促进了植物细胞壁分解及活性成分释放,使淀粉吸收率减小,食品GI值降低。

青稞(Hordeum vulgare L.)被称为多棱裸粒大麦[17],富含碳水化合物、蛋白质、氨基酸和矿物质,与其他谷物相比,具有丰富的营养[18],其中,膳食纤维[19-20]、淀粉[21]、蛋白质、β-葡聚糖[22]、多酚类及黄酮类物质等是青稞中的主要营养和功效成分,其可以降血糖、抗氧化、降血压、降血脂,还在预防心血管疾病以及改善肠道菌群方面发挥着重要的作用[23]。青稞属于低GI作物(GI值为29±7)[23],具有开发成低GI产品的潜力。目前有研究以青稞粉为原料制备糍粑[24]、青稞饮料[25]、青稞面条[26]、挂面[27],研制出的青稞面条及青稞挂面均属于低GI食物(GI≤55),但鲜见以酶解青稞粉为主要原料研制低GI馒头的研究报道。

因此,本研究以小麦粉为主要原料,以慢消化淀粉含量较高的酶解青稞粉为辅料制备低GI青稞馒头,通过单因素试验及响应面试验优化低GI青稞馒头的加工工艺,并对其品质指标进行分析,以期为青稞馒头的开发提供理论依据,促进青稞的加工利用。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

青稞粉(60目):青海汉和生物科技股份有限公司;α-葡萄糖苷酶(70万U/mL)、β-淀粉酶(70万U/mL):上海吉至生化科技有限公司;猪胰α-淀粉酶(50 U/mg):合肥博美生物科技有限责任公司;糖化酶(10万U/mL):江苏锐阳生物科技有限公司;3,5-二硝基水杨酸(3,5-dinitrosalicylic acid,DNS):上海展云化工有限公司;安琪高活性干酵母、低筋小麦粉:安琪酵母股份有限公司;白面包:成都市桃李食品有限公司;50 T/48 h淀粉试剂盒:北京索来宝生物科技有限公司;苯酚(分析纯):天津市致远化学试剂有限公司;氢氧化钠、酒石酸钾钠(均为分析纯):天津市河东区红岩试剂厂;无水亚硫酸钠(分析纯):天津市光复精细化工研究所。

1.2 仪器与设备

WFF-16B发酵箱:广东省泓锋烘焙设备有限公司;C22-RT22E01电磁炉:广东美的生活电器制造有限公司;VH-33远红外线食品烘炉:广州旭众食品机械有限公司;WSC-S色差仪:上海精密仪器仪表有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 酶解青稞粉的制备[28]

8 g青稞粉用10倍蒸馏水溶解搅拌至无明显结块,加入5 mL1 mol/L乙酸钠缓冲溶液(pH 5.0)、分别以青稞粉质量为基准各加入150 U/g α-葡萄糖苷酶溶液、β-淀粉酶溶液[29-30],置于恒温振荡器(150 r/min、50 ℃)中反应8 h,结束后于90 ℃的恒温水浴锅中灭酶10 min,取出后流水冷却至常温,离心(5 000 r/min、10 min)后收集沉淀,置于60 ℃烘箱烘干(干燥至恒质量),烘干后样品粉碎成粉(过60目筛),即得酶解青稞粉,保存备用。

1.3.2 低GI青稞馒头的加工工艺流程及操作要点

酶解青稞粉、小麦粉、食盐→和面→发酵→成型→醒发→汽蒸→自然冷却→成品

操作要点:以酶解青稞粉和面粉共100 g为基准,确定酶解青稞粉添加量为20%,食盐添加量为0.4%,混合均匀;37 ℃的温水与0.4%活性干酵母混合加入原料粉中,揉至面团成团表面光滑;将面团送入提前预热好的温度为37 ℃、湿度为70%的发酵箱中发酵50 min;将面团揉成大小均匀一致的馒头坯;相同条件下醒发25 min;沸水蒸制20 min,取出自然冷却,即得低GI青稞馒头。

1.3.3 GI值的检测

葡萄糖标准曲线:吸取不同体积1 mg/mL的葡萄糖标准溶液,用蒸馏水定容至1 mL,加入2 mL DNS试剂,沸水浴反应2 min后流水冷却,蒸馏水补至15 mL,在波长540 nm条件下测定吸光度值[31],以葡萄糖含量(X)为横坐标,吸光度值(Y)为纵坐标绘制标准曲线,获得标准曲线回归方程:Y=0.931 6X-0.002 4,相关系数R2=0.999 8。

淀粉水解率的测定:称量0.20 g低GI青稞馒头样品(低GI青稞馒头样品碾碎后过100目筛),加入15 mL醋酸钠缓冲液(0.20 mol/L pH 5.2)、10 mL猪胰α-淀粉酶(300 U/mL)和糖化酶(15 U/mL),恒温水浴振荡(37 ℃150 r/min)反应0、30 min、60 min、90 min、120 min、180 min,分别取2 mL水解液,沸水浴灭酶10 min并离心(4 500 r/min 15 min),取100 μL上清液用蒸馏水补足至1 mL,于波长540 nm条件下测定吸光度值,淀粉水解率计算公式如下:

血糖生成指数的测定:以水解时间(X)为横坐标,淀粉水解率(Y)为纵坐标,绘制淀粉水解曲线,计算各个样品在0~180 min期间内淀粉水解曲线下的面积,记为AUC样品,以白面包为参考食品,记为AUC参考,测定其样品的淀粉水解指数(HI)[32],进而计算样品的血糖生成指数(GI),计算公式如下:

1.3.4 感官评价标准

由经过培训的专业人员组成感官评价小组,参考WANG C C等[33]的方法分别从外观、色泽、组织结构、风味、弹性、咀嚼性方面进行感官评分[34],满分为100分。低GI青稞馒头的感官评价标准见表1。

表1 低GI青稞馒头感官评价标准
Table 1 Sensory evaluation standards of low-GI highland barley Mantou

项目 评价标准 感官评分/分外观(20分)色泽(10分)组织结构(20分)风味(20分)外表挺立饱满,底部平整、表面光滑、无皱缩开口外表挺立饱满,底部不平整、无皱缩开口外表不够挺立饱满,底部不平整、皱缩、塌陷、有气泡或烫斑、有些许皱缩开口颜色亮灰,均匀一致,光泽良好颜色暗淡,均匀一致颜色过黑,不均匀一致气孔均匀,柔软有弹性呈清晰海绵状,手指按压回弹性好气孔不够均匀,海绵状不太清晰,手指按压回弹弱气孔不均匀,且有明显过大孔洞,手指按压不回弹或按压困难气味良好,有正常小麦香味,青稞香气,口感细腻,香味适宜气味一般,小麦及青稞香气弱,口感略粗糙,滋味平淡,有些许酸味有不良气味,口感很粗糙,有异味,整体显酸味16~20 10~15 0~9 8~10 5~7 0~4 16~20 10~15 0~9 16~20 10~15 0~9弹性(10分)手指按压回弹性好手指按压回弹性弱手指按压不回弹或按压困难8~10 5~7 0~4

续表

项目 标准 感官评分/分咀嚼性(20分)咬劲强,不粘牙咬劲一般,略粘牙咬劲差,切时掉渣或咀嚼干硬16~20 10~15 0~9

1.3.5 低GI青稞馒头的发酵条件优化

单因素试验:分别考察不同酶解青稞粉添加量(0、10%、20%、30%、40%)、食盐添加量(0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%)、发酵时间(40 min、45 min、50 min、55 min、60 min)、酵母添加量(0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%)对低GI青稞馒头感官评分及GI值的影响。

响应面试验:在单因素试验结果基础上,选取食盐添加量(A)、发酵时间(B)、酵母添加量(C)3个因素为自变量,以GI值(Y)为响应值,采用3因素3水平进行中心组合试验设计优化低GI青稞馒头的发酵工艺。发酵条件优化响应面试验因素与水平见表2。

表2 发酵条件优化响应面试验因素与水平
Table 2 Factors and levels of response surface experiments for fermentation conditions optimization

因素A 食盐添加量/%B 发酵时间/min C 酵母添加量/%-1水平0 1 0 40 0.4 0.2 45 0.5 0.4 50 0.6

1.3.6 低GI青稞馒头品质分析

色度:采用色差仪测定[35];比容、pH、水分:分别参照GB/T 21118—2007《小麦粉馒头》中附录A(比容的测定)、附录B(pH的测定)、附录C(水分的测定)规定的方法进行测定;大肠菌群、霉菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌:分别参照GB/T 4789.3—2016《食品安全国家标准食品微生物学检验大肠菌群计数》、GB/T 4789.15—2016《食品安全国家标准食品微生物学检验霉菌和酵母计数》、GB/T 4789.4—2016《食品安全国家标准食品微生物学检验沙门氏菌检验》、GB/T 4789.10—2016《食品安全国家标准食品微生物学检验金黄色葡萄球菌检验》的方法测定。

1.3.7 数据处理与分析

每组平行测定3次,结果以“平均值±标准差”表示,采用Excel 2016、Origin2021软件进行数据处理分析及作图,响应面试验结果利用Design-Expert 8.0.6软件进行处理。

2 结果与分析

2.1 发酵条件优化单因素试验结果

2.1.1 酶解青稞粉添加量的确定

由图1可知,随着酶解青稞粉添加量在0~20%范围内的增加,GI值呈下降趋势,而感官评分逐渐增加;当酶解青稞粉添加量为20%时,感官评分达到最高值,为84.30分,GI值为最低值,为54.10;当酶解青稞粉添加量>20%时,感官评分逐渐下降,而GI值逐渐上升。这可能是因为过量添加酶解青稞粉后,面筋蛋白被稀释,低GI青稞馒头中的面筋含量也随之减少,使得面团的组织结构不均匀出现许多较大的气孔、弹性及韧性较差,口感粗糙[36]。综上,确定最佳酶解青稞粉添加量为20%。

图1 酶解青稞粉添加量对低GI青稞馒头感官评分及GI值的影响
Fig.1 Effect of enzymatic hydrolyzed highland barley flour addition on sensory score and GI value of low-GI highland barley Mantou

2.1.2 食盐添加量的确定

由图2可知,随着食盐添加量在0~0.2%范围内的增加,低GI青稞馒头的感官评分呈增加趋势;当食盐添加量为0.2%时,感官评分达到最高值,为86.90分,此时,GI值为53.60;当食盐添加量>0.2%时,感官评分逐渐下降。食盐添加量在0~0.6%范围内的增加,GI值呈上升趋势;继续增加食盐添加量,GI值平稳。其原因可能是,随着食盐添加量的增加,面筋组织得到强化、面筋的质量和筋力得到提高,增加低GI青稞馒头的风味和适口性,使其具有较好的色泽和组织结构[37]。综上,确定最佳食盐添加量为0.2%。

图2 食盐添加量对低GI青稞馒头感官评分及GI值的影响
Fig.2 Effect of salt addition on sensory score and GI value of low-GI highland barley Mantou

2.1.3 酵母添加量的确定

由图3可知,随着酵母添加量在0.2%~0.5%范围内的增加,低GI青稞馒头的感官评分呈现增加的趋势,而GI值逐渐下降;当酵母添加量为0.5%时,低GI青稞馒头感官评分达到最高值,为86.10分,GI值最低,为54.80;当酵母添加量>0.5%时,感官评分逐渐下降,而GI值逐渐上升。这可能是因为继续添加酵母,面团发酵速度变快,二氧化碳含量快速增大,面团在发酵的过程中形成面筋网络,将产生的二氧化碳保留在组织内部,从而形成馒头疏松多孔的结构,提高了面团的持气能力,馒头的体积随之增大;但由于面筋含量有限,随着酵母添加量的持续增加,馒头内部气孔变大,同时表面出现皱缩、塌陷的情况[38],影响面包的内部结构,并有酸味出现,咀嚼性变差粘牙[39]。酵母添加量影响面团微生物代谢程度、比容和气孔结构,进而影响蛋白质结构以及淀粉释放速率,使淀粉酶与食品接触不同,进一步改变低GI青稞馒头的GI值[12]。综上,确定最佳酵母添加量为0.5%。

图3 酵母添加量对低GI青稞馒头感官评分及GI值的影响
Fig.3 Effect of yeast addition on sensory score and GI value of low-GI highland barley Mantou

2.1.4 发酵时间的确定

由图4可知,随着发酵时间在40~45 min范围内的延长,低GI青稞馒头的感官评分呈现上升趋势,而GI值则下降;当发酵时间为45 min时,感官评分达到最高值,为86.40分,GI值为最低值,为54.20;当发酵时间>45 min时,感官评分逐渐下降,而GI值逐渐上升。这是因为当发酵时间过短时,低GI青稞馒头发酵不完全,导致低GI青稞馒头内部结构紧密,无法形成疏松多孔的结构,而随着发酵时间延长,酵母在面团中的繁殖时间增加,面团中的产气量变大,面团内的气孔壁因此变薄,面团的持气性也随之增强,而发酵时间过长时,过度发酵降低了面团的持气力,低GI青稞馒头表面不够挺立饱满,且内部孔洞不均匀,使得口感变差[40];只有当酵母的产气力和面团的持气力同时最大时,面制品的体积才能达到最大,同时产品的内部结构,表面色泽都达到最佳[41]。不同的发酵时间对低GI青稞馒头中蛋白质的结构影响不同,对二硫键的破坏有不同影响,比容和气孔结构、面团醒发体积膨胀度等的差异,造成消化酶、淀粉酶与食品接触面积不同,导致不同的淀粉消化率,进而影响低GI青稞馒头的GI[14]。综上,确定最佳发酵时间为45 min。

图4 发酵时间对低GI青稞馒头感官评分及GI值的影响
Fig.4 Effect of fermentation time on sensory score and GI value of low-GI highland barley Mantou

2.2 发酵工艺优化响应面试验

2.2.1 响应面试验结果与分析

基于单因素试验结果,通过Design-Expert 8.0.6软件,根据Box-Behnken试验设计原理,确定酶解青稞粉添加量为20%,选取食盐添加量(A)、发酵时间(B)、酵母添加量(C)3个因素为自变量,以GI值(Y)为响应值,采用Box-Behnken试验优化其发酵工艺,Box-Behnken试验设计及结果见表3,方差分析见表4。

表3 发酵工艺优化响应面试验设计及结果
Table 3 Design and results of response surface tests design for fermentation conditions optimization

试验号 A 食盐添加量/%B 发酵时间/h C 酵母添加量/%Y GI值1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 11 12 13 14 15 16 17 0.4 0.4 0 0.2 0.2 0.4 0.2 0.2 0.2 0.2 0.4 0 0.2 0 0 0 0 40 45 45 45 45 50 50 45 50 45 45 50 40 40 40 45 45 0.5 0.6 0.6 0.5 0.5 0.5 0.6 0.5 0.4 0.5 0.4 0.5 0.6 0.5 0.4 0.4 0.5 55.66±0.31 55.14±0.13 55.45±0.09 54.19±0.33 54.27±0.35 54.28±0.21 54.45±0.12 54.23±0.09 54.88±0.14 54.38±0.23 55.20±0.31 55.27±0.30 55.53±0.29 55.00±0.17 55.26±0.11 55.39±0.10 54.26±0.05

表4 回归模型方差分析
Table 4 Analysis of variance of regression model

注:“*”表示对结果影响显著(P<0.05);“**”表示对结果影响极显著(P<0.01)。

方差来源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值 显著性模型ABCA B********AC BC A2 B2 C2 82.92 14.27 136.80 0.53 112.78 0.60 20.30 192.85 47.44 176.70<0.000 1 0.006 9<0.000 1 0.490 1<0.000 1 0.465 2 0.002 8<0.000 1 0.000 2<0.000 1********残差失拟项纯误差总和4.50 0.086 0.83 3.200E-003 0.68 3.600E-003 0.12 1.16 0.29 1.07 0.042 0.022 0.020 4.55 91111111117341 6 0.50 0.086 0.83 3.200E-003 0.68 3.600E-003 0.12 1.16 0.29 1.07 6.035E-003 7.375E-003 5.030E-003 1.47 0.350 2

采用Design-Expert 8.0.6软件对表3数据进行多元线性回归拟合,得到GI值(Y)关于食盐添加量(A)、发酵时间(B)、酵母添加量(C)的二次多项回归拟合方程:

由表4可知,回归模型极显著(P<0.01),失拟项不显著(P=0.3502>0.05),表明模型拟合度较高。决定系数R2=0.991,调整决定系数R2adj=0.979,表明此模型对实际试验方法拟合度好。变异系数(coefficient of variance,CV)=0.142,说明此试验的精密度及重复性高,适用于低GI青稞馒头发酵工艺优化。由P值可知,一次项AB,交互项ABBC,二次项A2B2C2对GI值影响极显著(P<0.01),其他项对GI值影响均不显著(P>0.05)。由F值可知,对GI值的影响因素顺序为BAC,即发酵时间>食盐添加量>酵母添加量。

2.2.2 交互作用分析

两因素的叠加作用可以通过响应面的立体图式直观表示出来,主效应因素通过等高线的状态能够将不同因素间叠加作用的具体强弱情况反映出来[42-43]。响应面图中曲线越弯曲、坡度越大,则表明因素对结果影响越大[44]。等高线图形状越趋近于椭圆,则两因素间交互作用越显著。曲面坡度越陡峭,表明响应值对于操作条件的改变越敏感[45]

通过Design-Expert8.0.6软件,各因素间交互作用对GI值影响响应曲面及等高线见图5。由图5可知,食盐添加量和酵母添加量间交互作用等高线图接近圆形且响应面图坡度最小,对低GI青稞馒头的GI值有一定影响但不显著;发酵时间和酵母添加量间交互作用接近于椭圆,对低GI青稞馒头的GI值影响极显著(P<0.01);食盐添加量和发酵时间交互作用接近于椭圆且响应面图坡度最大,对低GI青稞馒头的GI值影响极显著(P<0.01)。这与方差分析结果一致。

图5 各因素间交互作用对GI值影响的响应曲面及等高线
Fig.5 Response surface plots and contour lines of effect of interaction between various factors on GI value of low-GI highland barley Mantou

2.2.3 验证试验

由Design-Expert8.0.6软件分析得出低GI青稞馒头最佳工艺条件为:酵母添加量0.54%、食盐添加量0.26%、发酵时间47.86 min,在此优化条件下,GI值理论值为54.15。为方便操作,将试验条件修正为:酵母添加量0.5%、食盐添加量0.3%、发酵时间48 min。在此条件下进行3次验证试验,低GI青稞馒头GI值实际值为53.84,理论值与实际值接近,说明通过响应面优化的工艺参数准确可靠,表明该回归模型具有一定应用价值。

2.3 低GI青稞馒头品质分析

在优化后的最优工艺配方下,对制得的低GI青稞馒头进行品质分析。低GI青稞馒头的感官评分为88.80分,L*值、a*值、b*值分别为62.92、15.42、18.02,比容为2.34 mL/g(≥7 mL/g),水分为41%(≤45%),pH为5.9(5.6~7.2);低GI青稞馒头的大肠菌群数为18最大可能数(most probable number,MPN)/100 g(≤30 MPN/100 g),未检出霉菌(≤200 CFU/g)、沙门氏菌及金黄色葡萄球菌(不得检出),其理化及微生物指标均符合国标GB/T 21118—2007《小麦粉馒头》规定。

3 结论

以小麦粉为主要原料,向其添加慢消化淀粉含量高的酶解青稞粉制备青稞馒头,采用单因素和响应面试验优化低GI青稞馒头的加工工艺,优化后低GI青稞馒头的最优配方及工艺条件为:酶解青稞粉添加量20%,酵母添加量0.5%、食盐添加量0.3%、发酵时间48 min,在此条件下,低GI青稞馒头GI值为53.84,其L*值、a*值、b*值分别为62.92、15.42、18.02,感官评分为88.80分,比容为2.34 mL/g,水分为41%,pH为5.9,大肠菌群为18 MPN/100 g,未检出霉菌、沙门氏菌及金黄色葡萄球菌,均符合国标GB/T 21118—2007《小麦粉馒头》的规定。因此,本研究可为低GI青稞复合馒头的工业化生产提供技术支撑。

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Optimization of processing technology and quality analysis of low-GI highland barley steamed bread

SUN Kangna,YUAN Zhenzhen*,LI Yan,GAO Ke
(College of Agriculture and Animal Husbandry,Qinghai University,Xining 810000,China)

Abstract:In order to alleviate the problem of high glycemic index(GI)of Mantou(a Chinese traditional steamed bread),using wheat flour as main raw material, the low-GI highland barley Mantou was prepared by adding enzymatic hydrolyzed highland barley flour with high slow-digesting starch content.The processing technology was optimized by single factor and response surface tests,and the quality was analyzed.The results showed that the optimal processing conditions for low-GI highland barley Mantou were as follows: enzymatic hydrolyzed highland barley flour addition 20%,yeast addition 0.5%,salt addition 0.3%,and fermentation time 48 min.Under these optimization conditions,the GI value of low-GI highland barley Mantou was 53.84,the L*,a*and b*values were 62.92,15.42 and 18.02,respectively.The sensory score was 88.80 points,the specific volume was 2.34 ml/g,the moisture was 41%,the pH was 5.9,the coliform was 18 MPN/100 g,and the mold,Salmonella and Staphylococcus aureus were no detected,all of which met the relevant requirements of the national standard GB/T 21118—2007"Wheat Flour Steamed Bread".

Key words:highland barley;Mantou;low glycemic index;process technology optimization;response surface method

中图分类号:TS213.2

文章编号:0254-5071(2024)10-0230-06

doi: 10.11882/j.issn.0254-5071.2024.10.033

引文格式:孙康娜,院珍珍,李岩,等.低GI青稞馒头加工工艺优化及品质分析[J].中国酿造,2024,43(10):230-235.

收稿日期:2024-01-03 修回日期:2024-06-29

基金项目:青海省科技厅自然科学基金项目青年项目(2020-ZJ-975Q)

作者简介:孙康娜(1998-),女,硕士研究生,研究方向为食品加工与安全。

*通讯作者:院珍珍(1988-),女,副教授,博士,研究方向为天然产物与功能性食品。