关倩倩,李 华,张文龙,刘丽娜,徐同成,邱 斌,刘 玮,贾 敏,宗爱珍,*

(1.山东省农业科学院农产品研究所,山东省农产品精深加工技术重点实验室, 农业部新食品加工重点实验室,山东济南 250100; 2.扬州大学旅游烹饪学院,江苏扬州 225127)

据国际糖尿病联盟(IDF)数据显示,全球糖尿病患者人数已达3.82亿,就目前增长率分析,到2035年糖尿病患者预计达到5.92亿[1]。我国居民糖尿病的发病率在9%～12%,其中已确诊的老年糖尿病患者达20.4%以上[2]。糖尿病肾病(DN)是糖尿病(DM)的主要并发症和死亡原因,20%～40%会在5年内出现糖尿病肾病,并在一些国家或地区成为中末期肾病的首位原因[3]。饮食治疗是延缓糖尿病及糖尿病肾病发展的有效手段,控制进食后血糖指数的升高、严格限制主食中非优质蛋白的摄入量是饮食治疗的关键所在[4]。

山药是我国传统药食同源植物,现代研究表明山药具有显著的降糖功效。杨宏莉等人[5]研究发现山药多糖对2型糖尿病的治疗机制之一可能是山药多糖提高了糖代谢关键的酶活性。张忠泉等人[6]研究发现山药多糖能提高血液中的C肽,可改善受损的胰岛细胞功能。山药中抗性淀粉含量较高,贺永朝等人[7]研究发现山药淀粉中慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)的含量接近90%,抗性淀粉具有降低血糖、降血脂、降胆固醇、改善糖尿病症状等作用,符合糖尿病肾病患者所要求的“低升糖指数”的食用特点。

馒头是中国传统主食,深受消费者的喜爱。采用山药全粉和小麦粉混合制作馒头,不仅可以提高馒头的营养价值,更是增加了糖尿病肾病患者主食多样化。本文采用淀粉为主要原料,添加山药粉研制糖尿病肾病专用山药馒头,并对配方进行优化,使其兼顾口感和降糖功效,以满足糖尿病肾病患者的营养需求。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

山药 邹平长山细毛种植基地;特一粉 德州巨嘴鸟工贸有限公司;高活性干酵母、面包改良剂、无铝害双效泡打粉 安琪酵母股份有限公司;马铃薯淀粉 固原雪冠淀粉有限责任公司;马铃薯α-淀粉 盛世宏程生物科技有限公司;小麦淀粉 常熟市宏新淀粉有限公司;直链淀粉 国民淀粉公司;白面包、小麦馒头 山东省济南市历城区大润发超市;α-淀粉酶(80 U/mg)、葡萄糖淀粉酶(50 U/mg) Sigma公司;胃蛋白酶(50 U/mg) Biosharp公司。

BLJ15多功能拌粉和面机 深圳市牧人电器五金制品有限公司;YMJ60A轧面机 山东银鹰炊事机械有限公司;XF-10A醒发箱 广州市白云区兰天厨具电器厂;MZ-SYH28-2AB蒸锅 广东美的生活电器制造有限公司;TAXTplus质构仪 英国Stable Micro System公司;JMTY型面包体积测定仪 杭州大吉光电仪器有限公司;HZF-ASOO电子天平 福州华志科学仪器有限公司;SHA水浴恒温振荡器 上海上天精密仪器源头厂家;DHG-92435烘箱 上海一恒科技有限公司;全自动定氮仪 上海洪纪仪器设备有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 糖尿病肾病专用山药馒头制作 山药粉制备:鲜山药去皮、切片(3～4 mm)、烘箱烘干(40～60 ℃、12 h)、粉碎机粉碎、过筛(200目)即可。

山药馒头制作:称取40 g的1∶1的山药粉和小麦粉混合粉、37 g的马铃薯淀粉、10 g直链淀粉、5 g的马铃薯α-淀粉、5 g的小麦淀粉、1 g的干酵母、1.5 g泡打粉、0.5 g的面包改良剂,共计100 g。将干酵母加入盛有57 mL温水的烧杯中,倒入混粉中,和面机搅拌5 min,手动揉面20次,成团,盖上保鲜膜放入醒发箱,醒发温度35 ℃,湿度85%,第一次醒发1 h。醒发后在轧面机上轧面10次,成半圆形,每个约为80 g左右,进行第二次醒发,时间20 min,置于蒸锅上蒸30 min可得成品馒头。

1.2.2 馒头感官评价 参考馒头品尝标准GB/T 17320-2013《小麦品种品质分类》[8],略作改进制定了山药馒头的感官品质评分标准,见表1。蒸制好的馒头室温下放置30 min后,由10名经验丰富的品评人员参与评分,结果取平均值。

表1 山药馒头感官评价标准Table 1 Standard of sensory evaluation of steamed bread

1.2.3 实验设计

1.2.3.1 单因素实验 固定主料比(山药∶小麦)为20∶20 (g/g),酵母添加量1 g,加水量57 g,第二次发酵时间20 min,分别考察主料比(15∶25、17.5∶22.5、20∶20、22.5∶17.5、25∶15 g/g)、酵母添加量(0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%)、加水量(54%、56%、58%、60%、62%)第二次发酵时间(10、15、20、25、30 min)各单因素对馒头感官品质和质构的影响[9-11]。

1.2.3.2 中心组合实验 在单因素实验基础上,确定中心组合实验因素与水平,以馒头感官总分为响应值,通过响应面分析,对糖尿病肾病专用山药馒头生产工艺进行优化。实验因素及水平编码如表2所示。

表2 Box-Behnken中心组合实验设计因素水平及编码Table 2 Factor level and coding of Box-Behnken center combination test design

1.2.4 质构测定 馒头的质构特性实验通过物性测试仪进行,采用普遍使用的TPA测试[12]。取室温下冷却1 h的馒头,纵切为25 mm的厚片,平放于柱形探头正下方的测试台上进行TPA测试,每组样品重复三次,取其平均值。

参数设定:探头:P/36R压盘式探头;操作类型:质构分析(texture profile analysis,TPA)操作;操作模式:压力测定;探头高度:30 mm;测试压缩比(压缩程度):50%;测试前速率:2.0 mm/s;测试速率:1.0 mm/s;测试后速率:1.0 mm/s;感应力:Auto-5 g;两次压缩时间间隔:5 s。

测定指标:硬度(g):第一次压缩时的最大峰值,即第一次压缩循环过程中的最大力;咀嚼度:用于描述固态测试样品,数值等于胶着度和弹性的乘积。

1.2.5 比容测定 将熟制好的馒头冷却1 h后,称取整个馒头的重量。用面包体积测量仪(油菜籽置换测量法)测量馒头体积。按下列公式计算样品的比容[13]。

λ=v/m

其中,λ:馒头比容(mL/g);v:馒头体积(mL);m:馒头重量(g)。

1.2.6 蛋白质含量的测定 参照GB/5009.5-2010《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定》,第一法:凯氏定氮法。

1.2.7 山药馒头体外升糖指数(GI)的测定 依据参考文献[14-15],准确称取粉碎均匀的山药馒头粉末100 mg于离心管中,加入20 mL磷酸盐混合缓冲液(pH=7.5),1 mol/L HCl调pH至1.5,加入0.2 mL胃蛋白酶溶液(115 U/mL),37 ℃水浴30 min后冷却至室温,用1 mol/LNaOH调pH至6.9,加入1 mLα-淀粉酶溶液(110 U/mL),用PBS(pH=6.9)定容至50 mL。37 ℃恒温水浴振荡,0～3 h内每隔30 min取样品1 mL,于100 ℃水浴振荡使酶失活,然后冷却至室温,加3 mL 0.4 mol/L醋酸钠缓冲液(pH=4.75)及20 μL葡萄糖淀粉酶(110 U/mL),55 ℃恒温水浴振荡45 min。DNS法测定葡萄糖含量[16],计算样品水解指数,建立淀粉水解动力学模型,用体外碳水化合物水解指数(Hydrolysis Index,HI)估计食物可能产生的血糖生成指数(Estimated Glycaemic Index,EGI)进行预测。

EGI=39.71+0.549HI

其中,EGI:体外升糖指数;HI:淀粉水解指数。

1.3 数据处理

使用Design-Expert 8.0.6统计软件和SPSS数据分析软件,进行相关数据的分析与处理,包括设计实验表,数据差异显著性分析,回归模型的拟合,图形的绘制等。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 主料比对糖尿病肾病专用山药馒头品质的影响 如表3所示,当主料比为15∶25时,馒头的感官评分最高,质构中硬度和咀嚼度处于最低水平。随着小麦粉的比例降低,馒头的感官评价呈逐渐降低的趋势,硬度和咀嚼度也逐渐升高,主要是由于馒头的主要成分是马铃薯淀粉、直链淀粉、小麦淀粉、马铃薯α淀粉,山药粉中虽然含有一定蛋白质,但与小麦粉中的蛋白质不一样,不属于面筋蛋白,不能形成面筋网络使馒头蓬松[17-19]。本实验旨在最大程度的提高山药粉的比例,当主料比为20∶20时,馒头的感官及质构处于一个可接受的水平。故选择17.5∶22.5、20∶20、22.5∶17.5三个水平进行优化。

表3 主料比对山药馒头感官评分及质构的影响Table 3 Effect of the ingredient proportion on texture and sensory properties of the yam bread

2.1.2 酵母添加量对糖尿病肾病专用山药馒头品质的影响 由表4可知,当酵母添加量为0.8%时,感官评分最高,硬度、咀嚼度最低。当酵母添加量过低时,馒头发酵不充分,比容小;当酵母添加量大于0.8%时,感官评分开始下降,硬度、咀嚼度开始上升,这是因为酵母添加量过大时,发酵力增强,超出面筋网络可承受范围,导致蒸制的馒头挺立度不够容易塌陷,内部结构粗糙,感官评分和质构特性下降[20]。故选择0.6%、0.8%、1.0%三个水平进行优化。

表4 酵母添加量对山药馒头感官及质构的影响Table 4 Effect of the amount of yeast on texture and sensory properties of the yam bread

2.1.3 加水量对糖尿病肾病专用山药馒头品质的影响 由表5可知,当加水量小于60%时,随着加水量的增加,馒头的感官评分也随之增加,硬度和咀嚼度随之降低。当加水量过低时,面筋蛋白不能充分吸水而形成较差的面筋网络,馒头表皮干燥易裂开[21],因而感官得分偏低。当加水量大于60%时,感官得分开始下降,主要是由于加水量过高,使面团过软、成品挺立度低,难以成型。故选择58%、60%、62%三个水平进行优化。

表5 加水量对山药馒头感官及质构的影响Table 5 Effect of water addition amount on texture and sensory properties of the yam bread

2.1.4 第二次发酵时间对糖尿病肾病专用山药馒头品质的影响 由表6可知,随着发酵时间的延长,感官得分先升高再降低之后呈稳定状态,而硬度和咀嚼度呈上升趋势。当醒发时间为10 min时,馒头醒发时间不够,之后在蒸锅里继续醒发,由于温度较高,醒发过快,导致馒头表皮过快膨胀,馒头易裂开。当醒发时间大于15 min时,发酵时间过长,馒头内部孔洞过大,导致馒头嚼劲差,同时易发酸。故选择10、15、20 min三个水平进行优化。

表6 发酵时间对山药馒头感官及质构的影响Table 6 Effect of fermentation time amount on texture and sensory properties of the yam bread

2.2 BBD实验结果及数据

2.2.1 实验结果 响应面实验设计和结果见表7。

表7 Box-Behnken实验设计及结果分析Table 7 Test design and results analysis of Box-Behnken

2.2.2 方差分析 根据表7中的感官评分结果,通过Design-Expert 8.0.6软件对感官评分的实验结果对模型进行显著性分析,结果见表8。

表8 感官评分的回归模型方差分析Table 8 Regression model variance analysis of sensory assessment

以感官评分(Y)为目标值,评分与主料比(A)、发酵时间(B)、酵母量(C)、加水量(D)之间的回归方程为Y=90.64-4.94A-0.89B+0.51C-3.37D+0.075AB-1.36AC-1.59AD-0.14BC-1.96BD+1.65CD-6.31A2-3.31B2-3.34C2-5.35D2

对各因素的影响程度进行分析,F值的大小可以反映出因素对实验指标的重要性,F值越大,影响越大[22]。由表8可知,主料比是影响山药馒头感官评分和质构的最关键因素,各因素对山药馒头感官总分的影响顺序为主料比>发酵时间>加水量>酵母量。由p值可知,模型中一次项因素A(主料比)、D(发酵时间)以及二次项因素A2、B2、C2、D2对响应值的影响显著,也说明了各实验因素对响应值的影响不是简单的线性关系。

响应面分析各因素与感官评分之间的变化关系[15],绘制的三维响应面图及如图1所示。由图1可知,在固定C=0、D=0条件下,A与B影响响应面如图1(a)所示，图1(a)显示,A、B交互作用不显著,感官得分主要受A影响。在固定B=0、D=0条件下,A与C影响响应面如图1(b)所示，图1(b)显示,A、C交互作用不显著,感官得分主要受A影响;在固定B=0、C=0条件下,A与D影响响应面如图1(c)所示，图1(c)显示,A、D交互作用不显著,感官得分主要受A影响;在固定A=0、D=0条件下,B与C影响响应面如图1(d)所示，图1(d)显示,B、C交互作用不显著,感官得分主要受B影响;在固定A=0、C=0条件下,B与D影响响应面如图1(e)所示，图1(e)显示,B、D交互作用不显著,感官得分主要受D影响;在固定A=0、B=0条件下,C与D影响响应面如图1(f)所示。图1(f)显示,C、D交互作用不显著,感官得分主要受D影响。

图1 山药馒头三维响应面图Fig.1 Three-dimensional response surface of yam steamed bread

2.2.3 验证实验 利用Design-Expert软件对实验数据进行多元回归拟合,通过响应面分析可求得最佳参数以及各参数之间的相互作用,通过软件分析,得到糖尿病肾病专用山药馒头最佳配方:山药粉小麦粉的比例为18.82∶21.18 (g/g),酵母添加量为0.76%,加水量60.05%,第二次发酵时间14.37 min，按此配方得到的感官评分为91.84分。为验证响应面分析法的可靠性,进行3次平行验证实验,考虑到操作的方便性,将配方参数修正为:山药粉小麦粉的比例为19∶21 (g/g),酵母添加量为0.8%,加水量60%,第二次发酵时间15 min,按此配方得到的感官评分为91.87分,与模型的预测值接近,硬度4216.67 g±26.64 g,咀嚼度3334.45 g±29.84 g,由此得出响应面对糖尿病肾病专用山药馒头配方优化的可行性。

2.3 糖尿病肾病专用山药馒头的GI值测定

如图2可知,作为参考的白面包反应达到平衡时(180 min)水解指数接近50%。在水解反应初始阶段(0～30 min),普通小麦粉馒头与糖尿病肾病专用山药馒头水解速率相差不大,水解速率较快。当水解反应时间超过30 min,糖尿病肾病专用山药馒头水解速率明显降低,在60 min时接近水解反应平衡状态,而普通小麦粉馒头在30～90 min水解速率较快,在90～180 min趋于稳定。普通小麦粉馒头与糖尿病肾病专用山药馒头最终水解率分别为40%与17.15%。

图2 馒头消化动力学模型Fig.2 Digestive model of steam bread

普通小麦馒头与糖尿病肾病专用山药馒头的体外升糖指数分别为78.42、60.37,两者之间具有显著性差异(p<0.05),表明山药馒头与普通馒头相比可以有效的降低血糖指数。依血糖指数可以划分为高血糖指数食品(EGI≥70),中等血糖指数食品(56～69,包括两端值),低血糖指数食品(≤55)[23]。由此可见,由此配方生产的馒头属于中等血糖指数食品。

2.4 糖尿病肾病专用山药馒头的蛋白含量测定

糖尿病肾病饮食的关键在于低蛋白、低升糖指数,据糖尿病肾病饮食得出,身高170 cm,标准体重为65 kg,尿微量白蛋白80 mg/min属于早期糖尿病肾病。因此每日膳食中总蛋白量[24-25]应为:65×0.6-65×0.8=39 52 g,优质蛋白质(动物蛋白)应占三分之一以上。所以应控制馒头产品蛋白质26～35 g。正常成人一般每日约需能量7535 kJ(1800 kcal),100 g馒头大约可以提供1000 kJ能量。一天大约750 g馒头可以满足需求,满足低蛋白饮食,馒头中的蛋白含量要低于4.667%,长山细毛山药的蛋白质含量为11.90%,小麦粉的蛋白质含量为11.3%[26],通过上述对糖尿病肾病病人每日所需蛋白质数量的计算,可知当山药粉添加量20%、小麦粉添加量20%时,馒头中蛋白质含量达到4.64%,满足低蛋白主食所要求的蛋白质含量。

3 结论

利用Design Expert 8.0.6软件。采用Box-Behnken建立山药馒头配方的回归模型,方程拟合良好。在山药馒头生产过程中,通过单因素实验和响应面回归分析,主料比是影响山药馒头感官评分和质构的最关键因素,各因素对山药馒头感官总分和质构的影响顺序为主料比>发酵时间>酵母量>加水量。经过响应面优化之后的最佳配方是:山药粉小麦粉的比例为19∶21 (g/g),酵母量为0.8%,水分添加量60%,第二次发酵时间15 min,按此配方得到的感官评分为91.87分,硬度为4216.67 g,咀嚼度为3334.45 g。经测定,该山药馒头蛋白质含量在4.64%,血糖生成指数为60.37,属于低蛋白中血糖指数馒头,适合糖尿病患者在日常饮食中食用。

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