基于电子鼻检测技术分析 不同马铃薯粉添加量对面包品质的影响

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(哈尔滨商业大学旅游烹饪学院,黑龙江哈尔滨 150076)

2017年,我国面包市场规模迅速扩大,面包凭借其美味方便的优点,深受消费者的喜爱[1]。传统面包多以小麦为主要原料,存在着潜在的营养和健康问题,如小麦的过度精加工导致众多营养素丢失,且小麦粉蛋白中赖氨酸含量较低,也影响面包的营养价值[2]。

马铃薯营养价值丰富,富含蛋白质、维生素、碳水化合物及微量元素等多种物质,具有预防动脉粥状硬化、保持呼吸道、消化道的滑润和改善人脑记忆力等多种保健功效[3]。其蛋白质为全价蛋白,含8种必需氨基酸,其中赖氨酸和色氨酸含量较高,而这两种正是谷物中的限制氨基酸,因此将马铃薯全粉和小麦粉复配有利于提高面包营养价值[4]。

目前,国内关于马铃薯面包的品质评价主要集中在感官评价[3]与多种仪器评价相结合的方面[5-6]。仪器主要选用不同探头和附件的质构仪来检测面包的硬度、弹性等[7-9],扫描电镜等数字图像技术凭借其定量性和再现性等特点客观评价面包的纹理结构[10-11],利用色彩色差计客观评价面包皮和面包芯的色泽等[12],而这些仪器评价操作复杂,所需时间长,无法满足面包行业发展的客观、简便、无损的要求[13]。20世纪90年代,电子鼻检测技术出现,它通过模拟人的嗅觉进行检测,易于携带及操作,检测快速无损,具有较高的灵敏性和客观性,可以进行气味的整体特征信息的化学计量学分析,弥补多种仪器评价检测即时性差、误差大、感官检测容易出现感官疲劳等缺点,故将电子鼻检测技术应用于面包品质的快速检测是非常有必要的[14]。但目前电子鼻在面包行业仅应用于风味分析[15-16],涉及面相对较窄。因此,本试验通过测定面包的比容、水分含量、水分活度、色泽和质构,将电子鼻数据与仪器测定的数据进行偏最小二乘回归分析,分析其相关性,探究能否用电子鼻替代其他仪器对面包的品质进行检测,同时为实施国家马铃薯主粮化战略提供有益的探究。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

富强高筋小麦粉 河北金沙河集团;金良马铃薯粉(90%) 上海金良食品技术有限公司;宜客绵白糖 锦江麦德龙现购自运有限公司;安琪高活性干酵母 安琪酵母股份有限公司;中盐精制盐 营口盐业有限公司;伊利全脂甜奶粉 内蒙古伊利实业集团有限公司;车轮牌人造黄奶油 黄益海(连云港)特种油脂有限公司;鸡蛋 哈尔滨新阳路家乐福超市。

JD200-3电子天平 沈阳天平仪器有限公司;16/13豪华型食品发酵箱 广州市澳联斯厨具有限公司;KW-60红外线电加热食品烤箱 广东顺德亿高电器有限公司;TMS-Touch 250N质构仪 北京盈盛恒泰科技有限责任公司;CM-600d分光测色计 KONIC^ MINOLTA;XZCF-02A-7L小型和面机 广州市旭朗机械设备有限公司;Inose型智鼻 上海瑞玢国际贸易有限公司;HE83/02水分测定仪 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;Lab Master-aw水分活度仪 Novasina。

1.2 实验方法

1.2.1 面团的制作工艺流程 马铃薯粉、小麦粉混合→面团调制→分块→整型→醒发→焙烤→冷却→成品

1.2.1.1 面包的基本配方 基本配方为:混合粉100 g、奶粉4 g、鸡蛋10 g、酵母1.4 g、绵白糖17 g、黄油6 g、盐1 g、温水46 g。

1.2.1.2 面包制作的操作要点 辅料预混:根据基本配方将占混合粉0、5%、10%、15%、20%、25%不同比例的马铃薯粉与小麦粉、酵母、糖、奶粉混合加入和面机中搅拌均匀。面团调制与成型:将混合粉中加入温水、鸡蛋,搅到面团光滑,再加入盐、黄油,直至面团揉出筋膜,再将和好的面团制成50 g一个的剂子用手揉成型至表面光滑。醒发:将揉好的面团放在烤盘上放进醒箱醒发,醒箱温度保持在35 ℃,相对湿度70%的条件下。焙烤:将醒发好的面团放进烤箱烤制,上火180 ℃,下火170 ℃,烤制15 min,冷却至室温即可。

1.2.2 面包比容的测定 参考胡本琼[17]的方法并略作修改,采用排米法测定比容。取1000 mL的小米样品备用,取马铃薯面包样品放入量筒内加大米直至达到量筒刻度1000 mL,将剩余大米放入小的量筒中量出体积V,即为马铃薯面包的体积,再称量马铃薯光头饼的质量M,每个样品重复测量三次,计算公式如下。

面包的比容(mL/g)=V/M

1.2.3 面包水分含量和水分活度的测定 精确称取3.000 g样品,铺平于测定盘上,利用水分测定仪测定面包水分含量,每个样品重复3 次,结果取平均值。

水分活度在智能型水分活度仪中进行测定,取待测面包芯3.000 g平铺于样品盘中,测定温度为25 ℃[18]。

1.2.4 面包色泽的测定 采用全自动色差仪测定面包的色泽,色泽指标为(L*值、a*值、b*值。L*值表示黑白(亮)度,值越大则越白,a*值表示绿红色,值越大则越红,b*值表示蓝黄色,值越大则越黄。)将焙烤好的面包放至冷却,全自动色差仪白板校正后放在冷却好的面包上测定色泽,每组样品重复测定3次,取平均值。

1.2.5 面包质构的测定 取不同马铃薯粉比例条件下制作的面包进行质构特性测定,每组样品重复3次。采用 P/75 平底柱型探头,测试条件如下:压力250 N,下压距离50 mm,下降速度:60 mm/s,形变量40,初始力0.4 N。质构仪测得评价参数:硬度、粘附性、弹性、咀嚼性、内聚性。

1.2.6 面包气味的电子鼻测定 将添加不同比例马铃薯粉的面包取2 g的样品放入样品瓶中,用电子鼻对气味成分进行测定,每组样品重复5次。电子鼻测试样品间隔5 s,样品准备10 s,检测时间60 s,清洗时间2 min,气体流量1 L/min,等待时间10 s。再利用电子鼻自带的软件分析绘图。电子鼻传感器对应的敏感物质如表1 所示。

表1 电子鼻传感器性能特点Table 1 The performance characteristics of electronic nose sensor

1.3 数据处理

2 结果与分析

2.1 马铃薯粉添加量对面包比容的影响

从图1可以看出,面包的比容随着马铃薯粉添加量的变化总体差别不大。面包比容的大小直观地反映着面包品质的优劣,是评价面包的重要指标之一[19]。添加5%～10%马铃薯粉，面包的比容低于对照组。但当马铃薯添加量超过15%时,面包比容呈现下降趋势。这主要是因为,马铃薯粉中缺少起支架作用的面筋蛋白,过量添加马铃薯粉会导致面团中面筋被稀释,破坏面筋的网络结构,持气性差,面团发酵不够充分,最后烤出的面包塌陷扁平,比容较小[20]。由图1可知,15%添加量的马铃薯面包比容接近未添加马铃薯粉的面包比容,主要原因是与小麦粉相比,马铃薯粉中淀粉含量较多,面团加热时面筋网络中的淀粉颗粒糊化吸水膨胀,淀粉颗粒体积变大,从而导致面包烤炉胀发,比容变大[21-22]。

图1 马铃薯粉添加量对面包比容的影响Fig.1 Effects of various amounts of potato flour added on specific volume of bread注：不同字母表示差异性显著p<0.05。

2.2 马铃薯粉添加量对面包水分含量和水分活度的影响

面包的水分含量为35%～45%[23],否则会导致面包食用品质差,难以贮藏。由表2可见,面包的水分含量随着马铃薯粉添加量的增加而显著提高(p<0.05),且不同添加量的马铃薯面包的水分含量均处于35%～45%之间,这表明马铃薯粉对于提高面包成品的水分含量具有明显效果,而且可以使面包贮藏时保持柔软性[24]。在面包的制作过程中,面团吸水量的多少主要取决于淀粉和蛋白质的持水能力。与小麦粉相比,马铃薯粉中的淀粉含量高且颗粒大[25],因此具有较好的持水能力[26]。马铃薯全粉中含有大量的膳食纤维,膳食纤维具有良好的持水性[27],故可使面团的吸水率上升[25]。

表2 马铃薯粉添加量对面包水分含量和水分活度的影响Table 2 Effects of potato powder proportion on the bread moisture content and water activity

面包中的水分含量包括自由水和结合水,水分活度是指食品中水分存在的状态,即水分与食品结合程度(游离程度),即自由水的含量[28]。随着马铃薯粉添加量的不断增加,成品面包的水分活度逐渐降低,即自由水含量逐渐降低,不添加马铃薯粉的面包水分活度与添加马铃薯粉的面包水分活度差异显著(p<0.05)。一方面,马铃薯粉中淀粉含量丰富,极易与水结合,使得马铃薯粉添加导致面包中的自由水含量降低,反之又可以促进面包中淀粉和亲水基团的结合,提高淀粉的持水能力,抑制面包的老化;另一方面,自由水含量下降不利于微生物的生长繁殖,有利于面包较好的贮存[27]。

在实际生产中,添加量为5%～25%的马铃薯粉可以提高面包的水分含量,进而延缓面包的老化,对面包产量还有一定的提高,但超过45%的水分含量易导致面包粘牙且不易储存。因此,向面包中添加马铃薯粉是开发高水分含量、低水分活度的长保质期面包的有效方法。综合来看,当马铃薯粉添加量为15%时,面包的水分含量较高,而水分活度较低。

2.3 马铃薯粉添加量对面包色泽的影响

色泽不仅是面包产品的感官特性品质指标,也影响着消费者对面包的接受程度[29]。从图2可以看出,随着马铃薯粉添加量的增加,面包表皮色泽的亮度逐渐降低;而a*值逐渐增大,呈现红色;b*值增大,呈现出黄色,随着L*、a*、b*的不断增加,使得面包整体呈现出可让人接受的金黄色到红棕色的变化。与未添加马铃薯粉的色泽相比,面包的颜色略显金黄棕色,更富有食欲,但添加量不宜超过20%。面包表皮的色泽主要是由焦糖反应和美拉德反应决定[30]。添加适量马铃薯粉的面包色泽比空白组更金黄。

图2 马铃薯粉添加量对面包色泽的影响Fig.2 Effects of various amounts of potato flour added on color of bread

这主要是由于小麦粉中的淀粉酶作用于马铃薯全粉,使得少量淀粉酶解为葡萄糖,从而使混合粉中的还原糖含量升高[31]。一定的还原糖含量对于焙烤食物增色增香具有重要的作用,因此,混粉相比纯的小麦粉在焙烤食物上具有原料优势。另外,马铃薯粉中还含有多酚类物质[32],在酶的作用下会生成某些黑色素,从而导致面包的色泽较暗。

2.4 马铃薯粉添加量对面包质构的影响

从表3可以看出,马铃薯面包的硬度随着马铃薯粉的添加呈现先减小后增大的趋势,当马铃薯粉添加量在15%时,马铃薯面包的硬度比空白组小;当马铃薯粉添加量超过20%时,马铃薯面包的硬度与对照组相比显著增加(p<0.05)。适当添加马铃薯全粉在一定程度上能够降低面包的硬度,因为薯类淀粉中的马铃薯淀粉粒径比禾谷类淀粉粒径大,且支链淀粉分子上结合有磷酸基,具有糊化温度低、膨胀容易、吸水力强的特点,使得面包表现出柔软的宏观表现[33]。但由于马铃薯全粉不含面筋蛋白,过量添加稀释了小麦面粉中的面筋蛋白,从而弱化了面筋蛋白的网络结构,面团延展性变差,从而导致气室变小,面包皱缩,硬度变大[34]。另外马铃薯粉的吸水率较高,且无法形成网络结构,但它们填充在面筋网络中,降低了面团的膨松度,因而增加了面包的硬度[35]。

表3 马铃薯粉添加量对面包质构的影响Table 3 Effects of potato powder proportion on the texture of bread

随着马铃薯全粉添加量的增加,面包的弹性先增大后减小(表3)。当马铃薯全粉的添加量为15%时,面包的弹性达到最大值15.91,相比较于空白组,面包弹性显著增加(p<0.05);继续添加马铃薯全粉,面包的弹性下降。原因可能是马铃薯淀粉含量高且颗粒大,结合水的能力明显高于小麦淀粉[36],导致面团的吸水率增加,进而使面包的弹性增大;但面筋蛋白和淀粉的复合结构对两者的比例是有一定限度要求的,超出一定限度范围,面筋特有的结构遭到破坏,弹性反而会减小[6]。但总体来看,马铃薯全粉添加量在15%范围内对面包的弹性有一定的改善作用。过量添加马铃薯粉可能使面包组织结构不均,形成的气孔大小不均,因此,在质构仪探头压缩过程中,一部分孔洞坊塌而无法再弹起,弹性值因而减小[37]。通过本研究发现,15%以内的马铃薯粉添加量对面包的弹性有一定的改善作用。

面包的咀嚼性与硬度、弹性和内聚性相关[29]。面包的咀嚼性随着马铃薯粉添加量的增加呈现先减小后增加的趋势,当马铃薯的添加量在10%、15%和25%时,面包的咀嚼性与对照组相比差异较小;当马铃薯粉添加量在5%和25%时,面包的咀嚼性与对照组相比显著增加(p<0.05)。原因是马铃薯粉添加量过少时,膳食纤维含量较少,导致面包水分含量较低;马铃薯全粉的过量添加稀释了面筋蛋白的含量,阻碍三维网络结构形成[34],最终导致面包的组织结构紧密,咀嚼性增大。

粘附性表示探头与样品接触时用以克服两者表面间吸引力所必需做的功。当粘附性小于内聚性时,探头不会附有样品残留物。当马铃薯添加量为15%时,面包粘附性的值与空白组相同,但是面包的粘附性远小于内聚性,因此面包不存在粘牙的问题。主要是因为随着马铃薯粉的添加,淀粉和膳食纤维的双重作用使面团的吸水率增加,导致面包的水分含量上升,面包柔软,爽口不粘牙;而马铃薯粉过量时,三维网络结构被破坏,持水能力下降,粘附性较低,导致面包发硬,口感较差。当马铃薯粉添加量为15%时,内聚性达到最大值,显著大于空白组(p<0.05)。原因可能是马铃薯全粉取代了部分小麦粉后,稀释了小麦面筋蛋白的含量,从而导致面包组织松散,流散性增强,因此内聚性减小[38-39]。

综上所述，当马铃薯全粉的添加量大于15%时,面包的硬度与空白组之间存在显著性差异(p<0.05),弹性也呈现下降的趋势。基于上述各项性能指标的综合分析,初步确定马铃薯的最佳添加量为15%左右。

2.5 面包香气的电子鼻分析结果

2.5.1 传感器雷达图 为了能更好地观察和分析电子鼻的14个传感器随不同马铃薯粉添加量的面包产品的变化,对样品的传感器信号数据进行分析,获取每个传感器的最大响应值,并把14个传感器最大响应值均匀排列在圆周上,将每个传感器的最大响应值取出并标识,形成雷达图[40],如图3所示。

图3 面包样品雷达图Fig.3 Radar character of bread

由图3 可以看出,电子鼻对面包的挥发性成分有明显响应,并且每一个传感器对面包的响应各不相同,面包的挥发性气味在传感器S4和S8比较敏感,样品之间的差异主要表现在S4和S14传感器上,空白组与添加马铃薯粉的面包差异性主要体现在S4传感器上,对应的酒精、有机溶剂类物质。

2.5.2 不同马铃薯粉添加量面包的电子鼻主成分分析 PCA是一种将分析传感器采集的信息数据转换降维的分类方法,综合了向量分析以及相关矩阵,从而最大程度上体现不同样品之间的差异[41]。从图4电子鼻采集到的信息可以看出,对不同马铃薯粉添加量的面包样品进行PCA分析,2 个主成分的累积方差贡献率为98.4%,表明前2 个主成分可以反映样品的综合信息。不同样品间的差异可以通过PCA图上的距离表征[42]。如图4，同一样品的3次重复数据均能够紧密的聚集在一起,并与其他样品明显区分开来,说明电子鼻能够有效区分不同马铃薯粉添加量的面包,电子鼻的稳定性和重复性良好。由不同样品之间的距离对比可以知道,空白样和5%马铃薯粉添加量的面包距离较近,说明二者风味更为接近,而其他添加量的面包风味更为接近,这可能是少量添加马铃薯粉风味物质差异不大,一旦超过5%添加量,马铃薯粉的风味物质对整体气味信息影响较大,导致与空白组差距较大。

图4 面包的PCA分析图Fig.4 The principal component analysis of bread

2.5.3 不同样品偏最小二乘回归分析(PLS) PLS法综合主成分分析、典型相关分析和多元线性回归分析的优点于一身,优势明显,且方法简单便利[43]。PLS法通过建立“响应”矩阵试图提出能体现数据变异的最大信息,因此,PLS法具有一定预测功能[44]。选择不同马铃薯粉添加量的面包样品,在电子鼻分析的基础上,以传感器响应值为自变量,以面包的比容、色泽、水分含量、水分活度及质构特性为因变量进行PLS回归预测模型的建立,结果见图5。

从图5d、f、g可以看出,电子鼻数据与L*、b*、硬度之间的相关性略差,相关系数分别为0.8232、0.8773和0.8854,而电子鼻数据与比容、水分含量、水分活度、a*、弹性和咀嚼性之间的相关性较好,分别达到0.9586、0.9862、0.9088、0.9569、0.9261和0.9449。这说明不同的马铃薯粉添加量对面包的气味、比容、水分含量水分活度、色泽和质构具有较为相似的影响,电子鼻可以替代其他多种仪器测试对面包的品质进行整体评价,综合评价面包的品质。另外,通过建立最优模型,可以实现面包的品质的预测,为面包的工业化生产中提供方便快捷的产品质量检测方法,实现快速预测及产品质量控制。

图5 不同样品电子鼻信号和比容、水分含量、水分活度、色泽和质构数据相关性 PLS图Fig.5 PLS chart of correlation of electronic nose signal and the data of specific volume,moisture content,water activity,color,and texture properties

3 结论

在面粉中适量添加马铃薯粉可以改善面包的品质。随着马铃薯粉含量的增加,面包的水分、色泽和质构均有较好的改善,比容及水分活度随着马铃薯粉的添加略有降低;这表明添加适量的马铃薯粉可以延长面包的贮存期。综合来看,当马铃薯粉添加量为15%时,马铃薯面包的比容达到4.3 mL/g,水分含量达到42%,水分活度达到0.93,硬度减小了6 N,弹性增加了1.8 N,这不但丰富了面包的营养价值,而且面包的整体品质均有提高。

另外,通过电子鼻雷达图和主成份分析发现,电子鼻可以明显区分不同马铃薯粉添加量的面包气味;而电子鼻数据与面包的比容、水分含量、水分活度、色泽和质构之间具有较好的相关性,这表明采用电子鼻对面包品质进行评价具有一定的可行性,可以很大程度上代替面包的仪器评价,实现方便快捷的检测。