不同分子量水溶性半纤维素对面包品质的影响

Impacts of water-soluble hemicellulose with varying molecular weights on bread quality

摘要

目的 研究水溶性半纤维素（Corn bran hemicellulose，CBH）对面包品质的影响。 方法 以玉米麸皮为原料，采用酶法和碱液处理法制备不同分子量的水溶性半纤维素，研究了其不同添加量对高筋小麦粉面包比容、质构、淀粉体外模拟消化、老化、感官评分的影响。 结果 制得分子质量分别为1.9×10³ u（CBH-L）、7.0×10⁴ u（CBH-M）、5.1×10⁵ u（CBH-H）的3种水溶性半纤维素。半纤维素对面包外观的完整性及感官评价无明显影响，其硬度、弹性、咀嚼性均显著降低（P<0.05），贮藏7 d，添加CBH-H的面包硬度增长值分别为9.9 N和10.0 N，低于对照组16.7 N，CBH-H可延缓面包老化。半纤维素可增加面包的抗消化性，添加2.4% CBH-H的面包中淀粉消化淀粉比例降低了22.9%。 结论 3种水溶性半纤维素中添加2.4% CBH-L的面包中淀粉消化比例降低最多，该试验为水溶性半纤维素-面包的制备提供了理论依据。

Abstract

Objective The effects of different molecular weight water soluble hemicellulose（CBH） on bread quality were studied. Method The water-soluble hemicellulose with different molecular weight was prepared from corn bran by enzymatic and alkaline treatment.The effects of different dosage of hemicellulose on specific volume，texture，simulated digestion，retrogradation and sensory score of high gluten wheat flour bread were studied. Result Three kinds of water-soluble hemicellulose with molecular weights of 1.9×10³ u （CBH-L），7.0×10⁴ u （CBH-M） and 5.1×10⁵ u （CBH-H） were prepared， respectively. Hemicellulose had no significant effect on the appearance integrity and sensory evaluation of bread， and its hardness，elasticity and chewability were significantly decreased（P<0.05）.After 7 days of storage，the bread hardness increases by adding CBH-H were 9.9 N and 10.0 N，respectively， which was lower than that of the control group by 16.7 N.CBH-H could delay the aging of bread.Hemicellulose can increase the digestibility of bread，and the proportion of starch digestible starch in bread with 2.4% CBH-H is reduced by 22.9%. Conclusion The starch digestibility of the bread with 2.4% CBH-L added to the three kinds of water-soluble hemicellulose decreased the most.The experiment provided a theoretical basis for the preparation of water-soluble hemicellulose bread.

Graphical abstract

关键词

面包 / 水溶性半纤维素 / 玉米麸皮 / 感官评价 / 质构特性

Key words

bread / water-soluble hemicelluloses / cone bran / sensory evaluation / texture properties

中国居民营养与健康调查结果表明，近年来我国每人每天膳食纤维摄入量平均约为13 g，能达到《中国居民膳食营养素参考摄入量》中膳食纤维的推荐量的人群不足5%^［1］。膳食纤维的摄入不足，与一些慢性疾病如糖尿病的发病率相关联。面包作为烘焙食品的代表性食物，可作为补充膳食纤维的理想载体。传统面包在贮藏过程中易发生口感变硬、陈化等现象。因其淀粉含量高，还易引起人体餐后血糖值的快速上升^［2］。

已有研究表明，膳食纤维能够在一定程度上抑制淀粉消化，从而达到调控餐后血糖值的目的^［3-6］。此外，可溶性膳食纤维可有效抑制淀粉老化^［7-9］。探究膳食纤维对面包的品质以及人体餐后血糖值的影响。Hu等^［10］研究发现添加1%、2%和3%的RBHB脱脂米糠半纤维素B显著降低了面包体积，提高了面包的硬度。Ho等^［11］以黄原胶代替商品小麦粉制备新型复合面包，研究发现添加黄原胶的面包水解消化率和预测血糖指数值均显著降低。Oh I K等^［12］研究了可溶性膳食纤维（SDF）与不可溶性膳食纤维（IDF）比例对富纤维蛋糕体外淀粉消化率及理化性质的影响。结果表明，随着IDF比例的增加、SDF比例的降低，慢消化淀粉（SDS）含量增加，而快速消化淀粉（RDS）含量降低。富纤维蛋糕的体积、硬度和色度值均随SDF比例的降低而增加。由于不同来源膳食纤维的结构、性质具有差异，其对面制品的老化及消化的效应和机制可能存在不同，还需要进一步研究。

本文通过制备不同分子量的玉米麸皮水溶性半纤维素（corn bran hemicellulose，CBH），以不同添加量加入小麦高筋面粉中制成面包。通过对面包比容测试、质构特性分析、淀粉体外模拟消化、老化特性分析、感官评价等研究不同分子量水溶性半纤维素对面包烘焙品质的影响。旨在为富含膳食纤维的营养强化面包制作奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米麸皮，中粮集团有限公司；α-淀粉酶，北京科奥科技有限公司，4000 U/g；碱性蛋白酶，南宁东恒华道生物科技有限责任公司，200 U/mg；半纤维素酶，北京科奥科技有限公司，6000 U/mg；葡萄糖苷酶，美国Sigma公司，260 U/mL；胰脂肪酶，美国Sigma公司，8×USP；GOPOD试剂盒，爱尔兰Megazyme公司；高筋面粉，新乡良润全谷物食品有限公司；酵母、泡打粉，安琪酵母股份有限公司；黄油，Anchor/安佳；全脂奶粉，新西兰恒天然乳液集团；分离用有机溶剂及其他试剂，均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

GPC-20A凝胶渗透色谱仪，日本Shimadzu（岛津）公司；M10-MC91型和面机，杭州九阳股份有限公司；烤箱，SUPOR/苏泊尔；质构仪，美国FTC；JSM-7610F型扫描电子显微镜，日本电子公司（JEOL）；旋转流变仪，沃特世科技（上海）有限公司；UV-2800A型紫外分光光度计，尤尼柯（上海）仪器有限公司；全温培养摇床，常州恒得仪器制造有限公司。

1.3 方法

1.3.1 水溶性半纤维素的制备

将玉米麸皮清洗、干燥、粉碎、过80目筛，以料液比1∶15加水混匀，调节pH至6~6.0后加入0.5%的α-淀粉酶，55 ℃，2 h，灭酶后调节pH至9.0，加入0.13%的碱性蛋白酶50 ℃，2 h除去蛋白质。

参考Ilangovan等^［13］的方法，稍作修改，将前处理后的玉米麸皮用5% NaOH溶液，料液比1∶25，80 ℃搅拌2 h，收集上清液，pH调至6.0~7.0，3倍无水乙醇沉淀，收集沉淀，冻干，得到半纤维素CBH-H。

参考薛占峰^［14］的方法，稍作修改。上述CBH-H中加入半纤维素酶180 U/g，40 ℃分别反应1 h和5 h，沸水浴灭酶。分别收集样品上清液，3倍体积浓缩后，无水乙醇沉淀，于40 ℃下烘干。获得1 h和5 h的半纤维素分别命名为半纤维素CBH-M和CBH-L。

1.3.2 水溶性半纤维素分子量的测定

CBH分子量采用GPC-20A凝胶渗透色谱仪（GPC）进行测定。色谱柱：TSKgel GMPWXL水相凝胶色谱柱；流动相：0.1 N NaNO₃+0.06% NaN₃水溶液；流速：0.6 mL/min；柱温：35 ℃；检测器 ：RID-20A示差折光检测器。

1.3.3 添加半纤维素面包的制备

制备面包的配方如下：小麦高筋面粉75 g、奶粉2.25 g、酵母1.125 g、水52.5 g、糖5.25 g、盐1.5 g、黄油3.75 g、泡打粉0.225 g。

已有研究表明，水溶性膳食纤维添加量低于3%时面包的品质在可接受范围内，结合实验室前期对半纤维素抑制淀粉消化实验结果，在面包中分别加入浓度为0%、0.24%、2.4%的不同分子量水溶性半纤维素，自动和面机搅拌15 min，分成3份，42 ℃醒发15 min，揉捏，再于25 ℃二次醒发45 min，烤箱150 ℃预热30 min，上下火150 ℃焙烤15 min。冷却备用。

1.3.4 添加半纤维素面包比容测定

参考GB 7099-2015的面包比容测定方法，分别测量面包的体积和质量。采用小米测定称重后的样品体积。比容计算公式如下：

面包比容（mL/g）＝面包体积（mL）/面包质量（g）

1.3.5 添加半纤维素面包质构特性分析

质构特性测定时切去表皮并切成长宽高为25 mm×25 mm×20 mm 的面包块进行测定。测试程序：测试探头为直径2 cm的圆柱形探头 P/5，探头测试速率为60 mm/s，形变量为50%，触发力为2 N。记录面包的硬度、弹性及咀嚼性。

1.3.6 淀粉消化性模拟试验

参考Englyst^［15-16］的方法，稍作修改，对制成的新鲜面包中的淀粉进行体外消化实验。试验所制得的空白组面包中淀粉含量68%。具体方法如下：称取300 mg面包放入50 mL离心管中；加入7.5 mL蒸馏水、2.5 mL乙酸缓冲液以及25  mg瓜尔胶，37 ℃水浴中平衡后加入2.5 mL酶混合物（淀粉葡萄糖苷酶∶胰脂肪酶 = 1∶9），37 ℃反应20 min后，取出250 μL样品，转移至装有10 mL、66%乙醇的离心管中，取乙醇管上清液100 μL并加入3 mL GOPOD溶液测定其葡萄糖含量。记录小麦淀粉快消化淀粉（RDS）含量。

计算公式如下：

X_{\mathrm{0}}=\frac{\frac{\frac{A_{G\mathrm{20}}}{A_{std}}\times (\mathrm{10}+\mathrm{0.25})}{\mathrm{0.25}}\times (\mathrm{25}+m_{\mathrm{1}})\times \mathrm{0.9}}{\mathrm{1000}\times m_{\mathrm{1}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}

式中：X₀：来自G20，快消化淀粉（RDS）含量（%）；A_G20：反应20 min时样品的吸光度；A_std：葡萄糖标准液的吸光度；m₁：淀粉湿基质量（g）；m₀：淀粉干基质量（g）。

1.3.7 添加半纤维素面包老化特性分析

新鲜面包按1.3.5测定其质构指标后。将其转移至4 ℃下密封贮藏，分别在3、7 d时再次进行质构特性测定。

1.3.8 添加半纤维素面包的感官评定

参考GB/T 35869-2018的面包烘焙品质感官要求，稍作修改，作感官评价见表1。

1.4 统计与分析

每组试验重复3次，采用SPSS 24.0、 Excel 2007和Origin 8.0等软件进行统计分析及制图处理。

2 结果与分析

2.1 水溶性半纤维素分子量

由表2可知，水溶性半纤维素的重均相对分子质量（Mw）分别为1.9×10³ u，7.0×10⁴ u，5.1×10⁵ u。重均分子质量与数均分子质量的比值（Mw/Mn）标志着半纤维素的分子量分散度^［17］。CBH-L、CBH-M、CBH-H的分散度分别为1.2、36.8和61.3，表明CBH-L分子大小分布较窄且更为均匀。

2.2 不同分子量水溶性半纤维素对面包和面包芯外观形貌的影响

面包的整体外貌图1-A可见，对照组及加入CBH-L和CBH-M的样品外形、大小较相似，无明显差异；加入CBH-H的面包体积明显增大，但浓度0.24%和2.4%的CBH-H样品之间无显著差异。

面包芯外貌图1-B表明，对照组的面包芯气孔孔径较为均匀，整体呈致密、紧凑的状态；加入0.24%的CBH-L面包芯上的气孔分布及数量情况与对照组相似。加入浓度2.4%的CBH-L和0.24%、2.4%的CBH-M后，可以观察到面包芯产生大的气孔，但面包体积并无显著增大；加入浓度0.24%、2.4%的CBH-H后面包芯产生较多大孔径气孔，且面包体积显著增加。

2.3 不同分子量水溶性半纤维素对面包比容的影响

由表3可知。加入较高分子质量的CBH-H后，面包的比容显著增大，分别为2.20 mL/g和2.24 mL/g，较对照组（1.99 mL/g）最高增加了12.56%；添加分子质量相对较低的CBH-L和CBH-M的面包，与对照组相比面包比容无显著差异。

2.4 不同分子量水溶性半纤维素对面包质构特性的影响

如图2所示，加入不同分子量的CBH的新鲜面包硬度显著低于对照组，加入0.24%的CBH-M的面包硬度最低（7.8 N），与对照组（17.8 N）相比，降低了56.2%。新鲜面包硬度随CBH添加量的升高而增大，但无显著差异。

如图3所示，加入CBH后面包的弹性显著降低，添加2.4%的CBH-M时弹性最低（3.1 mm），降低了34.0%。加入CBH-L、CBH-M后面包弹性随浓度升高而增大，但加入三种分子量的CBH面包的弹性差异不显著。

如图4示，加入CBH后，新鲜面包的咀嚼性显著降低，且其咀嚼性随CBH添加量升高而增加。不同添加量的新鲜半纤维素面包咀嚼性差异不显著，添加0.24%的CBH-M面包咀嚼性（12.6 mJ）与对照组（59.5 mJ）相比降低最多，降低了78.8%。

2.5 不同分子量水溶性半纤维素对面包中淀粉消化的影响

面包体外消化结果如表4所示，与对照组相比，加入三种分子量的CBH后，面包中淀粉的快速消化淀粉比例均显著低于对照组（89.0%），且随着分子量、CBH添加量的增加，在添加2.4%的CBH-H组面包中淀粉的RDS比例最低（68.6%），与对照组相比降低了22.9%。

2.6 不同分子量水溶性半纤维素对面包老化特性的影响

如表5所示，加入不同分子量的CBH对新鲜面包的硬度均有所改善。在0~7 d内，对照组面包的硬度最大，分别为17.8 N、29.4 N、34.5 N，加入水溶性半纤维素的面包硬度均低于对照组。加入0.24%的CBH-M的面包的老化速度低于对照组面包，而添加量为2.4%的面包老化速率高于对照组。可见CBH-L、CBH-M可有效降低面包硬度，但延缓老化效果较差。加入高分子量的CBH-H后，面包在第7天的硬度增长值（9.9 N，10.0 N）显著低于对照组（16.7 N），说明CBH-H改善面包硬度、延缓老化的效果最好。

由表6可知，各组样品面包的弹性随贮藏时间的延长而增大，在贮藏第3天各组样品面包的弹性无显著差异；在贮藏第7天，加入0.24%的CBH-L组面包弹性显著低于其他组面包弹性，加入CBH-H的面包弹性升高（6.1 mm，6.4 mm），与对照组相比（5.5 mm），弹性分别增加了10.9%和16.4%。贮藏0~7 d，弹性变化值随CBH分子量、添加量的增加而增大。

由表7得，贮藏3 d，对照组面包咀嚼性降低；贮藏7 d，其咀嚼性升高，与第0天相比，其咀嚼性降低了1.9 mJ。添加CBH，面包的咀嚼性均随贮藏时间的延长而增加，其中，添加2.4%的CBH-L组面包咀嚼性增加值最大，为24.2 mJ。贮藏0~7 d，对照组面包的咀嚼性始终高于添加CBH的各组面包，且添加CBH的面包咀嚼性无显著差异。

2.6 不同分子量水溶性半纤维素对面包感官评价的影响

加入CBH的面包感官评价得分见表8。三组面包的外观、面包芯色泽、质地和结构与对照组相比差异并不显著；添加CBH-H的面包体积显著高于对照组，添加浓度为2.4%的CBH-M面包体积显著低于对照组。各组面包的感官评价得分无明显差异。

3 讨论

利用酶解法和碱液提取法可以得到不同分子量的水溶性半纤维素，其分子量存在差异的原因可能是半纤维素分子质量存在差异的原因可能是半纤维素酶降解了高分子量的半纤维素，或者是由于多糖的分子链不同聚集的缘故^［18］。

过强或太弱的面筋网络结构会影响面团的持气能力，使其在醒发和烘焙过程中难以发挥出最佳的膨胀特性^［19］。面包的比容与面团的持气性相关，而持气性又与面筋网络结构紧密关联^［20-21］。通过对面包和面包芯的外形外貌以及比容进行比较，发现高分子量的CBH-H有效地改善了面团的持气性与面筋网络结构，使得面团在发酵焙烤的过程中能够较好的膨胀，同时面包的外观完整度不受影响。

一般情况下，弹性与面包品质呈正相关关系，而硬度、咀嚼性与面包品质呈负相关关系^［22］。硬度、咀嚼性的数值越大，面包口感越硬、越难嚼。质构结果表明，加入CBH可改善面包的硬度，且CBH-H能够有效延缓面包的老化；CBH能够降低新鲜面包的弹性，随着贮藏时间的延长、CBH分子量和添加量的增加，面包弹性变化值呈上升趋势；CBH可有效降低新鲜面包的咀嚼性，随着贮藏时间的延长，面包咀嚼性显著增加，然而，在贮藏第7 d的添加CBH面包咀嚼性仍低于对照组，表明在短期贮藏中，CBH可维持面包的品质。

快速消化淀粉（RDS）在人体中可以迅速被消化，分解成游离葡萄糖，使得人体餐后血糖值大幅波动^［23］。这种淀粉的膳食，对于目前社会广泛存在的肥胖症及慢性疾病，尤其是糖尿病的预防是不利的。由面包中淀粉的体外消化实验可知，CBH能够有效降低面包淀粉的RDS比例，且CBH分子量越高、添加量越大对面包的抗消化作用越显著。因此可以推论CBH具有一定降血糖的功效，这可能对糖尿病的预防产生积极影响。

各组面包的感官评价结果无明显差异，其中，添加2.4%的CBH-H组面包更受评价人员欢迎。

4 结论

不同分子质量的水溶性半纤维素在不同添加量下对面包品质的影响不同。添加CBH随对面包外观的完整性及感官评价无明显的影响，但随CBH分子量的增加，面包的持气性得到改善。添加浓度为2.4% CBH-H的面包在烘焙品质、老化特性、淀粉体外抗消化性及感官评价等性质均得到提升，且加工品质也得到改善。

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基金资助

“十四五”国家重点研发计划项目“玉米加工增值关键技术研发与产业化示范”(2021YFD2101000/2021YFD2101003)

中小企业技术创新基金(21CX6NH280)

“伏羲人才”项目(Gaufx-02Y01)