天然菊粉对面团发酵流变学和面包品质的影响

罗登林，赵 影，徐宝成，许 威，李佩艳，任广跃，袁云霞，刘建学

（1.河南科技大学食品与生物工程学院，河南 洛阳 471023；2.河南省食品原料工程技术研究中心，河南 洛阳 471023；3.信阳师范学院生命科学学院，河南 信阳 464000）

菊粉又称菊糖，是D-呋喃果糖经β-（2,1）糖苷键聚合而成的一种果聚糖，在菊芋和菊苣中含量丰富[1-2]。菊粉作为一种膳食纤维，不仅具有益生元的生理功能，而且其一定的水溶性、良好的色泽、特异的凝胶性能以及与面粉相似的粉体特性，使其与其他膳食纤维相比，在改善食品质构性状、提高其加工性能和营养价值等方面更具优越性[3-6]。

目前，我国关于菊粉的应用研究相对滞后，国内对菊粉的研究主要集中在产菊粉酶菌株的选育、菊粉的提取与分离等方面，较少涉及菊粉在面制品方面的应用，尤其在焙烤食品中的应用研究极少[7]。国内范文静等[8]研究了菊粉的添加对面包品质的影响，得出菊粉添加量为6%时，面包的综合品质达到最佳状态，但未说明菊粉类型。张珍等[9]将短链菊粉和木糖醇作为甜味剂以67∶33的比例添加到杂粮面包中，研制出一种低糖营养面包。国外关于菊粉应用于烘焙制品的研究相对较多，但多为对短、长链菊粉添加到烘焙制品的研究。Hager[10]和Rößle[11]等研究发现短链菊粉添加到面包中会增加其芯的硬度和体积。Peressini等[12]也认为添加5%～7%的短链菊粉会明显增加面包的体积，但添加长链菊粉时则刚好相反。Praznik等[13]的研究进一步证明，短链菊粉可以增大面包体积，且添加8%时面包品质最好。Frutos等[14]的实验表明，添加了菊粉的面包口感略下降，但明显好于添加其他膳食纤维的面包；而Poinot等[15]的研究则显示，菊粉的添加对面包品质并无不良影响，且菊粉添加可以加速焙烤过程中表皮色泽及风味物质形成，缩短烘焙时间。

加权评分法是将多指标实验的结果，根据每个指标的权值（重要程度），进行加权求和从而转化为单一指标（综合加权评分值）进行评价的一种方法[16-17]。这种分析方法可根据各指标的贡献大小进行权重分配，且保证了数据指标的全面性，该方法具有可靠、客观、合理等优点[18]。本实验以面包的弹性、硬度、比容及感官评价4 个指标进行综合评分，根据4 个指标因素重要程度给予相同的权重，并进行加权求和得到综合评分，从而获得直观的分析。本实验将天然菊粉添加到高筋面粉中制作面包，考察菊粉对面团流变学特性的影响，并采用加权评分法对面包的质构特性和感官评价做进一步分析，为菊粉在烘焙制品中的实际应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

黄油、糖粉、食盐、鸡蛋 市购；高筋小麦粉（水分12.7%、蛋白质15.9%、脂肪1.6%、湿面筋35.9%） 益海嘉里（安阳）食品工业有限公司；天然菊粉（纯度＞86%） 比利时Cosucra（Belgium）公司；即发干酵母 安琪酵母股份有限公司。

1.2 仪器与设备

HM750搅拌机 青岛汉尚电器有限公司；W15P醒发箱 深圳拓奇实业有限公司；SM 522烤箱 新麦机械（无锡）有限公司；F3发酵流变仪 法国Chopin公司。

1.3 方法

1.3.1 面团发酵流变学特性

采用F3发酵流变仪模拟面团的发酵过程，提供面团发酵过程中各时间点的发酵参数，直观地反映面筋网络结构的特性，参考Adam等[19]的实验方法。测试条件：实验温度28.5 ℃，样品质量315 g，测试配质量0.5 kg，标准配质量片×4、总计2 kg，测试周期3 h。

1.3.2 天然菊粉面包的制作

天然菊粉面包制作的配方：高筋粉质量分数90%～100%，天然菊粉0%～10%，酵母、鸡蛋（搅拌均匀）、糖、盐、黄油的添加质量分数分别为0.6%～1.4%、15%、1.0%、0.9%、7.4%，加水量由粉质仪测定的吸水率确定（添加质量分数为36.2%～41.9%），均以高筋粉和菊粉的总质量为基准。制作方法：先将除黄油外的原料混合，慢速搅拌成团，在20 min时加入黄油，继续慢速搅拌至面筋网络形成，取面团在室温条件下松弛8 min，然后切割、整形，并于温度35 ℃、相对湿度80%条件下发酵90 min，最后进行烘焙12 min（面火180 ℃、底火200 ℃）[20]。

1.3.3 面包的比容测定

比容测定参考GB/T 20981—2007《面包》，采用油菜籽替代法[21]。面包烘焙完成后，在室温放置1 h，称质量，测体积，按照公式（1）计算比容。每个样品重复测定3 次，取平均值。

1.3.4 面包的质构分析

质构的测试方法参考文献[22]及AACC 74-09方法。将室温条件下放置1 h的面包切去两末端，从中间部位切取厚度为20 mm的均匀薄片，用质构仪对其进行测试，测试参数设为：探头直径13 mm，测试前速率60 mm/min，测试速率100 mm/min，测试后速率180 mm/min，压缩程度50%，重复3 次，取平均值。

1.3.5 面包感官品质评定

由专业技术人员10 名及身体健康、感觉正常、无过敏症状及无服用影响感官灵敏度药物史的无经验人员10 名共20 名人员在专用的感官分析实验室内（室温21 ℃、相对湿度63%）进行评定，评分标准参考中国农业科学院《面包烘焙品质评分标准》和美国谷化协会审批方法。总分为100 分，其中面包外观10 分、纹理结构45 分、芯色泽10 分、芯质地25 分、口感10 分。

1.3.6 面包品质指标加权综合评分测定

加权评分计算方法参考文献[23]。本实验中，面包比容、感官评定、质构测定所得硬度、弹性对面包品质的评定同样重要，所以加权系数均定为0.25。松软且富有弹性是面包的重要品质属性，而面包硬度数值越小、弹性及比容越大的面包吃起来越软且更富有弹性和爽口性[24]。所以弹性、比容及感官的评分均为欲达到最大的指标，硬度为欲达到最小的指标，加权评分一定程度上能反映面包品质，按公式（2）～（4）计算。

对于正向指标：

式中：Y为加权评分；A为测定值；A0为测定最小值；A1为测定最大值。

1.3.7 单因素试验设计

考察菊粉添加量（菊粉取代面粉质量分数0%、2.5%、5.0%、7.5%、10.0%、12.5%）、发酵时间（60、75、90、105、120 min）、酵母添加量（0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%）对面包品质的影响。在进行菊粉添加量的单因素试验时，选取酵母添加量1.0%、发酵时间90 min进行试验。当进行发酵时间和酵母添加量的单因素试验时，选取上一个单因素试验最优参数值进行试验。

1.3.8 响应面试验设计

根据单因素试验结果，采用中心组合试验设计原理，以加权综合评分为响应值，用Design-Expert 8.05软件对试验数据进行多项回归拟合及对模型进行方差分析。采用三因素三水平的中心组合试验设计，如表1所示，试验重复3 次，取平均值，总试验组数为20 组。

表1 响应面中心组合试验因素和水平Table 1 Coded values and corresponding actual values of independent variables used for CCD design

1.4 数据处理

各指标均重复测定3 次，采用Origin 8.05、SPSS、Design-Expert 8.05软件及Excel 2007软件进行数据统计分析，运用方差分析（ANOVA）进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 天然菊粉对高筋面团发酵流变学特性的影响

表2 不同添加量菊粉对面团发酵流变学特性的影响Table 2 Effect of inulin on rheological properties of dough

由表2可知，面团的总产气量随菊粉添加量的增大而增加，这主要归因于天然菊粉中含有一定量单糖和低聚糖，它们可以作为糖源被酵母发酵所利用。面团的最大膨胀高度随菊粉添加量的增大而减少，尤其当添加量为10%时，面团最大膨胀高度较空白降低了69.5%。一般认为面团高度的减少归结于3 个方面：产气量减少，面团韧性过大阻止扩展，或者较少面筋网络形成使持气量减少[25]。菊粉导致面团最大膨胀高度减小的原因主要归因于菊粉的加入稀释了面筋蛋白的含量，减少了面筋网络结构的形成，并增大了面团的抗延伸性能[26]。当添加菊粉后，气体释放曲线的最大高度均有增加，但菊粉添加量的大小对其影响不明显；菊粉的添加引起面团出现空洞的时间明显缩短，即使当菊粉添加量为2.5%时，出现空洞的时间由空白组的126.0 min下降至57.0 min，相比降低了54.8%，这也与菊粉中含有一定量的单糖和低聚糖有关，引起酵母发酵速度加快。气体保留系数在菊粉添加量为2.5%～7.5%范围内有所下降，随菊粉添加量的增大而略有增加，但当菊粉添加量达10%时，保留系数升高，且高于未添加菊粉的空白组（升高了18.0%），这与菊粉增加了面团的抗延伸阻力和总产气量有关。前期实验表明，菊粉能显著增加面团的抗延伸阻力，而抗延伸阻力与面团发酵过程中持气性密切相关，面团具有一定的抗延性时才能保持住CO2气体[26]。当菊粉添加量较低（≤7.5%）时，由于其菊粉的添加引起总产气量的升高率明显大于引起保留系数的下降率，例如当菊粉添加量为2.5%时，相对空白组面团的总产气量升高了17.1%，而保留系数只下降了11.1%，因此，实际面团的持气能力是增强的；但当菊粉添加量较高（＞7.5%）时，相对空白组添加量为10%的菊粉面团的总产气量升高了32.3%，但保留系数只升高了18.0%，实际上为面团的持气能力下降了。宋欢[27]的研究表明，添加膳食纤维提高了面团的发酵产气量，但降低了面团的持气性，这与本研究结果相似。

2.2 单因素试验结果

2.2.1 菊粉添加量对面包品质的影响

表3 菊粉添加量对面包品质的影响Table 3 Effect of inulin on the quality of bread

由表3可知，添加5%天然菊粉面包加权综合评分最高。当菊粉添加量在0%～5.0%时，随菊粉添加量的增加面包硬度呈显著下降趋势，在添加量为5.0%时，面包的硬度相比空白下降了38.0%；随着菊粉添加量的进一步增加，面包的硬度呈现明显的增大趋势；当菊粉添加量不超过7.5%时，所制得的面包硬度仍然比空白小；但当菊粉添加量增加至10%时，面包的硬度显著大于空白组，相比增加了22.4%，这可能与菊粉的持水性和抗淀粉老化有关。前期实验结果测得菊粉的持水力在常温条件下可达181.8%，这有利于延缓面包在焙烤和贮藏过程中的失水速率，保持面包的新鲜度和柔软性[28]。天然菊粉中含有小分子糖和多糖，在较低的添加量条件下，小分子糖类具有抑制淀粉回性的作用，而多糖与水形成的水合层能抑制淀粉糊中分子链的迁移重排，也具有一定的抗淀粉老化的效果[19,29]；但当菊粉添加量较高时（＞7.5%），其自身发生重结晶程度显著增强，同时也可作为一种增塑剂，增加了体系的流动性，利于淀粉分子的重排和结晶老化[30]。

图1 未添加菊粉（A）、添加5%菊粉（B）和添加10%菊粉（C）的面包对比Fig. 1 Differences in the appearance among breads unfortified and fortified with 5% and 10% inulin

菊粉添加量对面包弹性影响不显著，面包的比容随菊粉添加量的增加而略有增大。当菊粉的添加量在5.0%～7.5%时，面包的比容相比空白有显著性增加，这与菊粉能增加面团的总产气量和持气性有关，但当菊粉的添加量过大时（＞7.5%），一方面会导致面筋蛋白含量显著下降而引起面筋网络结构的劣变，另一方面由于面团产气量过大而冲破面筋网络结构引起面包的塌陷。感官评价和加权综合评分均表明，菊粉添加量在5.0%时得分最高，此时所获得的面包质构柔软，内部气孔较小且均匀、体积大、口感好。添加5%菊粉、10%菊粉和未添加菊粉面包切面照片如图1所示，可以明显看出添加5%菊粉比未添加菊粉的面包气孔更加细密均匀，外形更加美观；添加10%菊粉的面包顶部出现明显不均匀孔洞和塌陷，且表皮颜色过深。

2.2.2 发酵时间对面包品质的影响

表4 发酵时间对面包品质的影响Table 4 Effect of fermentation time on the quality of bread

选取菊粉添加量5%、酵母添加量1.0%条件下考察发酵时间对面包品质的影响，结果见表4。随发酵时间的延长，面包的硬度呈先下降后上升的趋势，其比容、感官评价和加权综合评分均呈先增加后下降的趋势，其弹性变化不显著，在发酵90 min时面包品质最好。实验发现，发酵时间小于90 min时，面包比容较小，且呈现出不同程度大小的紧实部分，这是由于面团未充分发酵，此时酵母的产气量和面团的持气量均未达到最佳值；而发酵时间过长，会导致面筋网络持气性变差，出现不均匀大空洞和严重皮瓤分离的现象。苏东民等[31]在研究发酵条件对馒头的影响时发现，发酵时间对馒头的感官品质及质构特性影响显著，合适的发酵时间可使馒头获得较高的感官品质，较小的硬度和较高的弹性。

2.2.3 酵母添加量对面包品质的影响

表5 酵母添加量对面包品质的影响Table 5 Effect of inoculum level of dry yeast on the quality of bread

选取菊粉添加量5%、发酵时间90 min条件下考察酵母添加量对面包品质的影响，结果见表5。随着酵母添加量的增加，面包的加权综合评分呈现先上升后下降的趋势。酵母添加量为1.0%时，菊粉面包的综合评分最高。实验发现，酵母添加量过少，会导致面团发酵不充分，表现为面包发酵效果差，内部质地密实，体积减小；酵母添加量过多，面包内部的组织纹理会出现较多不均匀大孔洞，表面塌陷，且有较浓的面包酵母味，其原因是过多的酵母使面团的产气量过快，与面筋网络的形成过程不能同步，导致面团成熟过度，持气性变差。所以酵母的用量对面包的口感及体积起着至关重要的作用，只有当酵母添加量适当、酵母的产气量与面团的持气量同时达到最大时，烘焙出的面包内部组织和体积才最理想。王树林等[32]发现，活性干酵母的添加量对面包感官品质及比容均有较大影响，在酵母添加量为1.0%时，面包获得最佳品质。

2.3 响应面优化试验结果

表6 不同试验参数对菊粉面包品质影响的响应面试验结果Table 6 CCD design in terms of experimental data with response variable

响应面试验结果如表6所示。用Design-Expert 8.05软件对试验结果进行二次多元回归拟合，对数据进行方差分析后得到结果见表7。

表7 响应面试验方差分析Table 7 Analysis of variance of regression model equation

对试验结果进行多元回归分析，拟合得到因素与响应值之间的回归方程如式（5）所示。

从表7可以看出，回归模型的P值小于0.000 1，即该模型是有效的。模型的复相关系数为0.956 8，表明仅有不到5%的测量数据用该模型无法解释。同时预测复相关系数与调整复相关系数值非常接近（绝对值相差小于0.20），说明了实际测得值与模型预测值高度相关，即回归模型很好地解释了各因素与加权综合评分之间的关系。另一方面，从对回归模型的方差分析也可以看出，对加权综合评分影响较大的几个因素为菊粉添加量（A）、酵母添加量（C）、菊粉添加量与酵母添加量的交互作用（AC）、发酵时间与酵母添加量的相互作用（BC）等，影响大小顺序为：C＞BC＞A＞AC，发酵时间（B）对加权综合评分影响不显著。同时可得出各因素对面包品质的影响有交互作用，并非简单的线性关系。

2.4 各因素对面包品质的影响

图2 各因素交互作用综合评分的响应面图Fig. 2 Response surface plots showing the interactive effects of variables on weighted average score

从图2a可以看出，当发酵时间较短时，加权综合评分随着酵母添加量增加而增加；当发酵时间较长时，加权综合评分随着酵母添加量增加先增加后减小，且发酵时间越长，加权综合评分随着酵母添加量变化越明显。从图2b可以看出，当菊粉添加量较小时，加权综合评分随酵母添加量增加而增加；当菊粉添加量较大时，加权综合评分变化趋势不明显。

2.5 模型的实验验证

根据拟合的结果进行验证实验，优化参数为：菊粉添加量4.43%、发酵时间86.07min、酵母添加量1.08%，此时菊粉面包综合评分为92.51。考虑到实际可操作性，将优化参数修正为菊粉添加量4.43%，发酵时间86 min，酵母添加量1.08%，按此优化配方制作的菊粉面包综合评分为94.17，误差为2.5%，在合理范围内，进一步验证了回归模型的可靠性，可用于指导生产实践。

3 结 论

随天然菊粉取代面粉质量分数的增加，面团的总产气量增加，而最大膨胀高度减少，面团出现空洞的时间缩短。在菊粉添加量为2.5%～7.5%范围内，随添加量的增加气体保留系数略有升高，但均低于空白组，但当添加量达10%时，保留系数显著增加，相对空白组升高了18.0%。菊粉的取代导致气体释放曲线的最大高度均有增加，但添加量的大小对其影响不明显。

在菊粉添加量为5.0%时，面包的硬度最小，相比空白下降了38.0%。菊粉添加量对面包弹性影响不显著，面包的比容随菊粉添加量的增加而略有增大。感官评价和加权综合评分均表明，菊粉添加量在5.0%时得分最高，此时所获得的面包质构柔软，内部气孔较小且均匀，体积大，口感好。

单因素和响应面试验表明，各因素对加权综合评分影响显著顺序依次为：酵母添加量、发酵时间与酵母添加量的交互作用、菊粉添加量、菊粉添加量和酵母添加量的交互作用，而发酵时间影响不显著；当菊粉添加量4.43%、发酵时间86 min、酵母添加量1.08%时，制作的菊粉面包综合评分最高（94.17），拟合得到的模型回归方程预测值与实测值吻合良好，相关系数达0.956 8。

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