,*

(1.广西大学轻工与食品工程学院,广西南宁 530004; 2.广西民族大学相思湖学院,广西南宁 530008; 3.广西工业职业技术学院,广西南宁 530003)

食用菌是一种高蛋白、低脂肪、高膳食纤维且氨基酸种类齐全的营养食品资源。目前,我国食用菌总产量全球第一,是世界上最大的食用菌生产国和出口国[1]。我国食用菌主要加工产品包括干制品、盐渍品、糖渍品、罐头等初加工产品,以及饮料、调味品、方便食品、休闲食品和保健食品等深加工产品[2]。然而,全国食用菌加工率不足5%,其中深加工产品仅占5%左右[3],这严重制约了食用菌工业的发展。馒头是我国南北皆宜的主食食品,是以精白面粉为原料制作而成的面制品,在人们日常生活中有着不可替代的作用[4]。但是,由于精白面粉缺乏人体所必需的氨基酸(尤其是赖氨酸)和膳食纤维,其加工的馒头属于氨基酸限制型且缺乏膳食纤维的营养不均衡食品[5],长期食用会造成营养不良,不符合《中国食物与营养发展纲要(2014-2020年)》推荐的最佳膳食营养比例。因此,开发营养均衡的膳食馒头是我国主食馒头工业健康发展的需要。

表1 FAO/WHO 标准氨基酸评分表(mg/g 蛋白质)Table 1 Standard amino acids content of FAO/WHO(mg/g protein)

近些年来,针对馒头营养缺陷性问题,已有将菊粉、豌豆粉、大麦粉、玉米粉、黑米粉等原料加入到面粉中的研究报道。孙聃等[6]发现当豌豆粉为5%添加量时,馒头的的感官特性和综合品质最好。张剑等[7]研究表明,当豆粉的添加量在10%以内时对馒头的品质影响较弱,还可提高馒头中赖氨酸含量,提高馒头营养价值。Lin等[8]研究表明,大麦粉的添加会降低面团的粉质特性,但使得面团的耐揉性增加;并使馒头的比容、亮度降低,硬度和咀嚼性显著增大。通过添加这些原料来赋予主食馒头新的营养和功能,但由于这些原料淀粉和蛋白的种类、含量与面粉相比差异较大,过高的添加量会造成馒头弹性降低、硬度增大、亮度减小等一系列品质问题,限制了这些原料对馒头营养的改善效果。食用菌是氨基酸种类齐全且富含多种营养素的食品原料,与面粉的结合可以很好地补充主食馒头的营养缺陷,符合我国居民膳食宝塔的饮食推荐要求。同时,将食用菌渗透到主食中,开发食用菌营养主食馒头,依托主食馒头工业强大的市场空间和发展潜力,将会极大地提高食用菌深加工率,为我国食用菌加工业开辟新的经济生长点。

然而,由于食用菌含有较丰富的膳食纤维和多糖类物质,会阻碍淀粉的吸水糊化和面团蛋白网络的形成,且食用菌所含有蛋白质不能形成面筋网络结构,会降低小麦面团的黏弹性,造成馒头品质的下降[9]。因此,为了制备出营养均衡且品质较好的食用菌馒头,需要对食用菌馒头的品质进行改良。本论文以袖珍菇、海鲜菇、双孢菇三种食用菌粉和小麦粉为原料,根据均衡营养膳食需求确定食用菌馒头粉的最佳配方,使其氨基酸组成接近FAO/WHO提出的合理膳食标准模式[10]。在此基础上探讨谷朊粉、单硬脂酸甘油酯、真菌α-淀粉酶、木聚糖酶等四种添加剂对食用菌馒头的品质影响,并采用响应面试验优化改良剂的最佳配方,为营养均衡且品质较好的食用菌馒头的开发提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

袖珍菇粉、海鲜菇粉、双孢菇粉 广西大学轻工与食品工程学院农产品加工实验室提供[11];高筋小麦粉 河北金沙河面业集团有限责任公司;谷朊粉(食品级)、单硬脂酸甘油酯(食品级) 南宁越前食品添加剂有限公司;真菌α-淀粉酶(酶活力2500 FAU/g)、木聚糖酶(酶活力2500 FXU/g) 诺维信(中国)生物技术有限公司。

HWH100和面机 河南新乡食品机械有限公司;FX-14醒发箱 广州市鑫南方电热设备有限公司;蒸锅 浙江苏泊尔股份有限公司;TA.XT.Plus物性测定仪 英国Stable Micro System公司;L-8900全自动氨基酸分析仪、S-3400N扫描电子显微镜 日本日立公司;101A-2型电热恒温鼓风干燥箱 上海市实验仪器总厂。

1.2 实验方法

1.2.1 食用菌粉和小麦粉氨基酸评分的计算 在测定氨基酸评分之前，先对食用菌粉和小麦粉水分含量(参照GB 5009.3-2016直接干燥法)和氨基酸(参照GB 5009.124-2016水解法)进行测量，然后以原料干基为基准进行氨基酸评分。

1.2.2 食用菌粉和小麦粉氨基酸评分的计算 氨基酸评分(AAS)又叫蛋白质化学评分[10],是目前广为应用的一种食物蛋白质营养价值评价方法,不仅适用于单一食物蛋白质的评价,还可用于混合食物蛋白质的评价。FAO/WHO标准氨基酸评分见表1,根据食用菌粉和小麦粉的氨基酸测定结果,参照FAO/WHO规定氨基酸组成标准模式,计算食用菌粉和小麦粉的氨基酸评分。

AAS(%)=(AA×100)/(参考蛋白质中每克蛋白质氨基酸含量(mg/g蛋白质))

其中:AA为待测食物每克蛋白质中氨基酸含量(mg/g)。

1.2.3 食用菌馒头粉的配方设计 根据食用菌粉和小麦粉的氨基酸评分结果,利用Excel线性规划求解出氨基酸评分值较高的食用菌馒头粉最优配方,即可得到营养均衡的食用菌馒头粉配方。

1.2.4 食用菌馒头的制作 按以上优化的食用菌馒头粉配方,分别添加不同的比例谷朊粉、单甘酯、真菌α-淀粉酶、木聚糖酶四种改良剂,依照国标GB/T 21118-2007,制作成食用菌馒头,对食用菌粉馒头品质特性进行分析,研究改良剂对其品质的影响。

表3 馒头的评分项目及评分表Table 3 Standard of sensory testing for steamed breads

1.2.4.1 改良剂单因素实验设计 在馒头的制作过程中，馒头的质构特性和内部微观组织是表征馒头品质特性的关键指标。依次向食用菌粉馒头中添加不同比例的改良剂，以食用菌粉馒头质构特性和微观特性为指标，研究四种改良剂对其品质的影响。具体情况如下：固定硬脂酸甘油酯添加量为0.3%、真菌α-淀粉酶为30 mg/kg、木聚糖酶为30 mg/kg,设置谷朊粉添加量为0、2%、4%、8%、10%、12%(在预实验时发现当谷朊粉添加量为6%时,食用菌馒头质量最差。添加量大于或小于6%时,食用菌馒头质量都将增加,故不设置谷朊粉6%水平);固定谷朊粉添加量为4%、真菌α-淀粉酶为30 mg/kg、木聚糖酶为30 mg/kg,设置硬脂酸甘油酯的添加比例为0、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%;固定谷朊粉添加量为4%、硬脂酸甘油酯添加量为0.3%、木聚糖酶为30 mg/kg,设置真菌α-淀粉酶添加量为10、30、50、70 mg/kg;固定谷朊粉添加量为4%、硬脂酸甘油酯添加量为0.3%、真菌α-淀粉酶为30 mg/kg,设置木聚糖酶添加量为0、10、30、50、70 mg/kg。

1.2.4.2 响应面法优化复合改良剂的配方 在单因素实验结果的基础上,选取谷朊粉、单甘酯、真菌α-淀粉酶、木聚糖酶四因素,采用Box-Behnken的四因素三水平设计响应面实验,每一个因素的低、中、高实验水平分别以-1、0、1进行编码,以感官评分(感官评分是馒头品质的综合反映)作为响应值,设计实验因素及水平表见表2,利用Design expert 8.0.5进行数据处理和回归分析[12],确定食用菌馒头粉中各改良剂的最佳添加量。

表2 实验因素及水平表Table 2 Factors and levels of response experimen

1.2.5 馒头的质构特性 质构测试运用TA.XT.Plus型质构仪,采用TPA测试模式进行测试[13]。将在室温条件下自然冷却1 h后的馒头,水平切割成厚度为20 mm的馒头片,采用TPA模式,P/36 R圆柱形探头进行测定(测前、测中、测后速度分别为2、1、2 mm/s,触发力为5 g),测量馒头的硬度和弹性。

1.2.6 面团的微观结构分析 取发酵后的面团(参照馒头的制作)于-70 ℃速冻,经过真空冷冻干燥后,将所得干燥的发酵面团用小锤将其破裂成约1 cm×1 cm×0.5 cm的小块,利用导电胶将其粘在样品台上,然后经IB-5离子溅射仪镀金100 A,处理好的样品立即放入电镜载物腔体内抽至真空,加压(10 kV),使用扫描电子显微镜(SEM)进行观察,拍照[14]。

1.2.7 馒头的感官评定 参照SB/T 10139-93,并稍作改动,选用10名有经验且经训练的评价员(其中男性、女性各5名),对食用菌馒头外部表面及内部结构进行感官综合评价,取平均值(具体的馒头品质评分精确到0.1分)。其中,比容的测定参照GB/T 21118-2007。

1.3 数据处理

实验结果均为三次平行实验的平均值,利用SPSS 19.0和EXCEL 2017软件对数据进行统计分析获得平均值和标准偏差,所有分析采用LSD(最小差异显著性)法,P<0.05。作图采用Origin 9.0软件。

2 结果与分析

2.1 食用菌粉和小麦粉的氨基酸分析

目前评价蛋白质价值常用的方式是将样品氨基酸组成比例与世界卫生组织(WHO)和联合国粮农组织(FAO)提出的必需氨基酸模式进行比较,比值越高,表明氨基酸营养价值越高[15]。AAS值低于100的为限制性氨基酸,其中最小的为第一限制氨基酸,其评分即为该食物的氨基酸评分值。如表4,小麦粉的第一限制氨基酸为赖氨酸,氨基酸评分为33.45,第二限制性氨基酸为苏氨酸62.10,由此可以看出,小麦粉的氨基酸营养不均衡。袖珍菇粉、海鲜菇粉、双孢菇粉三种食用菌粉的氨基酸评分远大于小麦粉,且赖氨酸、苏氨酸评分均超过90分,其中袖珍菇两者的评分超过110。因此,食用菌粉的氨基酸营养价值远高于小麦粉,且富含有小麦粉的限制性氨基酸,这使得食用菌粉强化主食馒头的营养价值的目标成为可能。

2.2 氨基酸评分较高的食用菌馒头粉配方设计

线性规划法(LP)属于运筹学中的一种最实用的求解方法,可以同时满足多个线性方程的约束,规划出满足多个条件的最优解[16]。为提高小麦粉氨基酸营养的均衡性,拟使设计出的复合粉氨基酸评分大于80,即可得到营养均衡的食用菌馒头粉配方。设复配粉中小麦面粉、袖珍菇粉、海鲜菇粉和双孢菇粉的含量分别为X1、X2、X3、X4,复配粉中八种必需氨基酸的评分分别为Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y8,氨基酸总评分为Y,氨基氮含量Z,参考表4,则有以下线性方程:

表4 原料的氨基酸评分Table 4 The amio acid score of raw aterial

注:上述含量数据均为干基含量，单位为g/100 g原料。

Z=10.87X1+24.72X2+14.35X3+24.38X4

Y1=(0.40X1+1.05X2+0.56X3+0.88X4)1000×100/(40Z)

Y2=(0.78X1+1.75X2+0.92X3+1.36X4)1000×100/(70Z)

Y3=(0.22X1+1.64X2+0.79X3+1.26X4)1000×100/(55Z)

表5 规划求解参数的约束条件Table 5 The constraints of the programming solution parametrs

表6 复合粉配方氨基酸评分运算结果Table 6 The operation result report of the wheat flour substitued with edible mushroom powde

Y4=(0.41X1+1.71X2+0.55X3+0.82X4)1000×100/(35Z)

Y5=(0.89X1+1.93X2+1.02X3+1.33X4)1000×100/(60Z)

Y6=(0.27X1+1.11X2+0.59X3+0.94X4)1000×100/(40Z)

Y7=(0.13X1+0.25X2+0.20X3+0.33X4)1000×100/(10Z)

Y8=(0.43X1+1.32X2+0.69X3+1.19X4)1000×100/(50Z)

Y={Y1,Y2,Y3,Y4,Y5,Y6,Y7,Y8}min;Y≥80

X1+X2+X3+X4=1;{ X1,X2,X3,X4}min≥0;

参照以上关系式,在Excel表格中输入规划求解参数的约束条件,具体如表5所示。通过Excel软件运算规划求解,得到如表6食用菌馒头粉配方运算结果。

图1 改良剂对食用菌馒头硬度和弹性影响Fig.1 Effects of improves on hardness and springiness of composite CSB注:A、B、C、D分别为谷朊粉、单甘酯、真菌α-淀粉酶和木聚糖酶。

由表6可知,在小麦粉氨基酸评分为33.45的基础上,当设定复合馒头粉氨基酸评分值为80时,通过Excel线性规划法求解出的复合粉配方中食用菌粉总取代比例为39.41%,其中袖珍菇粉为23.07%,海鲜菇粉为5.28%,双孢菇粉为11.06%,相对于小麦粉而言,复合粉的氨基酸营养均衡性得到了极大的提高。按照此配方进行配粉,对复合粉氨基酸进行分析,计算氨基酸评分,如此进行3次验证试验,取平均值得到氨基酸评分为78.23,接近线性规划结果,说明此方法可以应用于食用菌馒头粉的配方设计。

2.3 改良剂对食用菌馒头质构特性影响

馒头的质构特性主要包括硬度和弹性,其中硬度一般与馒头品质呈负相关,而弹性则与馒头品质呈正相关[17]。如图1A,随着谷朊粉添加量的增大,食用菌馒头的硬度呈减小趋势,弹性呈增大趋势,这与 Roininen K等人[18]的研究结果一致,是因为谷朊粉可增加面团面筋蛋白含量,增强面团网络结构[19-20]。但当添加量超过10%时,馒头的硬度增加,原因可能是过多的谷朊粉相互聚集形成小的“面筋球”,反而对面团的加工特性有不利的影响[21]。因此,当谷朊粉添加量为10%时,食用菌馒头质构特性最佳。

单甘酯可与面粉中的基本成分相互作用,增加面团内部结构的稳定性[22],如图1B,单甘酯的添加使得食用菌馒头硬度减小,弹性先增大后减小,当添加量为0.5%时,弹性最大。这表明当单甘酯添加量为0.5%时,食用菌粉馒头质构特性最佳。

真菌α-淀粉酶可进一步水解破损的淀粉颗粒和部分不溶性淀粉,增加面团中气室的延伸性,从而增大面制品体积[23],降低食用菌粉馒头的硬度,增大其弹性。如图1C,当真菌α-淀粉酶添加量为30 mg/kg时,食用菌粉馒头的质构特性最佳。当添加量超过30 mg/kg时,馒头质构特性下降,可能是因为过量的真菌α-淀粉酶会使得过多的淀粉被水解,导致面团粘性增大。木聚糖酶可降解在空间上阻碍面筋网络结构形成的水不溶性木聚糖,扫除面筋网络形成的障碍[24],从而改善馒头的硬度和弹性。

当木聚糖酶过量时,会使得面团中水溶性木聚糖降解,对馒头产生负面影响[25]。如图1D,当添加量为50 mg/kg时,馒头质构特性最佳。

2.4 改良剂对发酵面团微观结构的影响

馒头的膨松结构主要由面团醒发阶段内部气孔结构情况决定[26]。采用扫描电镜分析改良剂对食用菌粉面团微观结构的影响,如图2所示,可以看出没有添加改良剂的食用菌面团内部组织紧密,几乎观察不到气孔。随着改良剂添加量的增大,食用菌粉面团内部逐渐出现气孔结构。当谷朊粉添加量为10%时,食用菌粉面团内部出现了大量完整、连续的气孔,这说明谷朊粉的添加在一定程度上恢复了面团的面筋网络结构;而当单甘酯的添加量在0.5%时,面团内部出现了一定量的气孔,这表明单甘脂对食用菌面团组织结构有一定的改善效果;真菌α-淀粉酶和木聚糖酶对食用菌粉面团内部微观结构有很明显改善作用[27-28]。淀粉酶可水解面团中淀粉颗粒,增大面团气室的延伸性,使得馒头在蒸煮过程中气孔膨胀度增大。如图2所示,随着真菌α-淀粉酶和木聚糖酶添加量的增加,组织紧密的食用菌面团内部逐渐出现了一些气孔,且当真菌α-淀粉酶添加量为30 mg/kg、木聚糖酶添加量为30 mg/kg时,食用菌粉面团内部出现大量均一、连续的气孔,表明酶的添加增强了食用菌粉面团面筋网络结构,使得面团在发酵时产生更多的气孔。

图2 改良剂对食用菌粉面团微观结构的影响Fig.2 Effect of improvers on micrographs of composite CSB注:K代表食用菌粉面团;2GLU～10GLU代表谷朊粉添加量为4%～10%;0.1MAC～0.5MAC代表单甘酯添加量为0.1%～0.5%;10FUN～50FUN代表真菌α-淀粉酶添加量为10～50 mg/kg;10PEN～50PEN代表木聚糖酶添加量10～50 mg/kg。

2.5 响应面试验优化改良剂的配方

响应面法是优化存在多因素影响实验条件的寻优方法,通过固定数量的实验次数可以连续的对实验因素进行分析,并可得到直观的3D曲面图进而评价各因素间的交互作用[29]。实验结果如表7,利用Design-Expert 8.0.5软件对表7数据进行多元回归拟合,得到以感官评分为响应值的二次回归方程:Y=85.08+3.81A+1.71B+1.80C-0.05D-3.28AB+0.02AC+0.99AD+0.42BC-0.92BD-0.84CD-3.58A2-2.42B2-2.97C2-1.81D2

表7 响应面实验设计及结果Table 7 Design and results of Box-Behnken

该模型中一次项A、B、C对感官评分影响极其显著(P<0.01);二次项中A2、B2、C2对Y影响极其显著(P<0.01);交互相中AB对Y影响极其显著(P<0.01);而D、AC、AD、BC、BD、CD、C2对Y影响不显著(P>0.05)。各因素对感官评分的影响大小依次是:谷朊粉>真菌α-淀粉酶>单甘酯>木聚糖。由于AC、AD、BC、BD、CD交互作用的影响不显著。因此,图3只给出了交互作用P值较小的前三项,即AB、AD、BD相互作用的响应面图和等高线图。

根据响应面优化结果,最佳的改良剂配方为:谷朊粉添加量10.18%,单甘酯添加量0.50%,真菌α-淀粉酶添加量35.85 mg/kg,木聚糖酶添加量51.43 mg/kg,在此条件下,感官评分的最大值为86.37。

将上述最佳试验点重复3次进行验证试验,取平均值得到优化后的感官评分为83.94,接近模型预测值。同时对未添加改良剂的食用菌馒头进行感官评分,感官评分分别为56.16。因此,优化后的食用菌馒头感官评分较未优化前提高了近50%,说明回归方程能够准确地反映各因素对食用菌复合馒头感官评分的影响。

表8 回归方程方差分析表Table 8 Analysis of variance of regression equation

注:*表示显著水平(P<0.05);**表示极显著水平(P<0.01)。

图3 各因素交互作用对食用菌馒头感官评分影响Fig.3 Effects of interaction of various factors on sensory score of composite CSB

3 结论

以富含多种必需氨基酸的高蛋白食用菌粉为原料补充小麦粉的营养,提高小麦粉的氨基酸评分。利用Excel线性规划求解出食用菌馒头粉的最优配方为:小麦粉60.59%,袖珍菇粉23.07%,海鲜菇粉5.28%,双孢菇粉11.06%。氨基酸评分为78.23。同时使用改良剂改良食用菌馒头的品质,研究改良剂对食用菌馒头的质构特性、感官特性和面团微观结构等品质的影响。通过响应面实验,优化复合改良剂的配方为:谷朊粉10.18%,单甘酯0.50%,真菌α-淀粉酶35.85 mg/kg,木聚糖酶51.43 mg/kg,在此条件下,感官评分的最大值为86.37,较未优化前提高了近50%。此外,对食用菌馒头感官评分影响大小顺序为:谷朊粉>真菌α-淀粉酶>单甘酯>木聚糖酶,其中谷朊粉和单甘酯的交互作用对感官评分有极显著影响。本实验制备的食用菌馒头相较于小麦粉馒头,氨基酸更加均衡,营养性更高。此外,制备的食用菌馒头经过改良后,感官品质接近正常的小麦粉馒头,内部呈现蓬松多孔的结构。将食用菌渗透到主食中,开发食用菌营养主食,依托主食工业强大的市场空间和发展潜力而发展,应该成为我国食用菌加工业新的经济增长点。