乳化剂和保泡型流态起酥油对海绵蛋糕面糊及其烘焙特性的影响

邹奇波 - 王家宝 - 陈 诚 梁丽婷 -曹伟超 - 陈军民 - 黄卫宁 - 小川晃弘

(1. 江南大学食品科学与技术国家重点实验室，江苏 无锡 214122；2. 江南大学福临门烘焙研究所，江苏 无锡 214122；3. 张家港福吉佳食品股份有限公司，江苏 苏州 215600；4. 无锡麦吉贝可生物食品有限公司，江苏 无锡 214131；5. 三菱化学食品株式会社，日本 东京 1008251)

蛋糕柔软可口，由于其特殊的风味和口感深受消费者喜爱[1]。海绵蛋糕由鸡蛋、低筋小麦粉、糖、油脂、泡打粉等制备而成[2]，在海绵蛋糕的工业化生产中，乳化剂有助于改善海绵蛋糕面糊充气性能和持气稳定性[3]。流态起酥油(LS)是一类乳化剂悬浮分散在液态油之中、具有流动性的油脂，在工业生产中可通过泵送与面糊混合，大大提高了操作便捷性，是烘焙行业的新兴原料，功能性的保泡型流态起酥油LS03中含有丙二醇酯[4]，丙二醇酯通过改善油脂晶型从而增加面糊稳定性。蔗糖酯型乳化剂是一种以蔗糖酯为主要成分的新型高效复配乳化剂[5]，可以增加气泡数量，近年来在中国市场得以推广。

陈诚等[6]研究表明蔗糖酯型乳化剂可改善海绵蛋糕的储藏特性，同时也可以减少薄层海绵蛋糕的表面气泡数量[7]，但流态起酥油与蔗糖酯型乳化剂联用在海绵蛋糕体系中的应用研究较少，同时仅使用蔗糖酯型乳化剂的海绵蛋糕体积相对较小。而在海绵蛋糕的实际生产过程中，如何获得表面平整且表面气泡凸起数量减少的海绵蛋糕，为工业化生产中亟待解决的关键质量问题之一。试验拟比较两种类型的乳化剂与含有丙二醇酯的流态起酥油LS03联用对海绵蛋糕面糊特性及烘焙特性的影响，以期为烘焙加工工业化应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

新鲜白砂糖、鸡蛋：市售；

低筋小麦粉：美玫牌，粗蛋白含量8.2%，江苏南顺面粉有限公司；

菜籽油：中粮粮油工业(巢湖)有限公司；

双效泡打粉：配料为焦磷酸二氢二钠(<40%)、碳酸氢钠(<25%)、碳酸钙(<5%)、淀粉，广州焙乐道食品有限公司；

流态起酥油：LS03，内含丙二醇酯，三菱化学食品株式会社合作；

蔗糖酯型乳化剂：菱友MFC-68，三菱化学食品株式会社合作；

单甘酯型乳化剂：SP蛋糕油，上海早苗食品有限公司。

1.2 仪器与设备

面糊搅拌机：5K5SS型，美国厨宝Kitchen Aid公司；

烤箱：SM-503型，新麦机械(无锡)有限公司；

旋转流变仪：DHR-3型，美国沃特世公司；

平板扫描仪：KX-MB228CN型，松下电器(中国)有限公司；

食品质构分析仪：Brookfield CT3型，美国Brookfield工程实验室；

表面张力测定仪：DCAT21型，德国德菲公司。

1.3 试验方法

1.3.1 海绵蛋糕配方 海绵蛋糕基础配方如表1所示。不同乳化剂的使用量根据推荐量来进行添加，其中每组的基础配料相同，分别是全蛋液200 g，白砂糖190 g，低筋小麦粉200 g，泡打粉2 g，水60 g[6]。

1.3.2 海绵蛋糕面糊的制备 根据文献[6]修改如下：取蛋液将其30 s中速(速度4)分散，将糖加入蛋液，慢速(速度2)搅拌2 min至糖完全溶化，加入单甘酯型乳化剂或蔗糖酯型乳化剂慢速搅拌1 min，加入菜籽油或菜籽油和流态起酥油混合物慢速搅拌2 min，然后加入过筛低筋粉和双效泡打粉，高速(速度6)打发起泡3 min，低速(速度1)搅拌1 min，取450 g面糊缓慢倒入28 cm×28 cm烤盘中，然后放入190 ℃烤箱中烘焙23 min，出炉后于室温冷却1 h进行后续试验[6]。

表1 海绵蛋糕配方†

† S代表单甘脂型乳化剂，M代表蔗糖酯型乳化剂，数字代表流态起酥油对菜籽油的替代率。

1.3.3 海绵蛋糕面糊表面张力的测定 根据王家宝等[4]的方法。

1.3.4 海绵蛋糕面糊比重分析 参考汤晓娟等[8]的方法，按式(1)计算海绵蛋糕面糊比重。

ρ=1×(m2-m0)/(m1-m0)，

(1)

式中：

ρ——海绵蛋糕面糊比重，g/mL；

m0——容器质量，g；

m1——容器装满蒸馏水的质量，g；

m2——容器中装满面糊的质量，g。

1.3.5 海绵蛋糕面糊流变特性曲线分析 参考汤晓娟等[8]的方法，取适量蛋糕面糊于25 ℃下用流变仪流动模式测定面糊流变特性。海绵蛋糕面糊曲线符合幂律模型：

η=Kγn-1，

(2)

式中：

η——表观黏度，Pa·s；

K——稠度系数，Pa·sn；

γ——剪切速率，s-1；

n——流动系数。

1.3.6 海绵蛋糕面糊微观结构分析 采用王家宝等[7]的方法。使用Image Pro Plus软件进行气泡计数，进而获得气孔密度值(CD值)和气泡面积分数(AF值)。

1.3.7 海绵蛋糕比容的测定 采用Hao等[9]的方法。20 ℃ 冷却1 h后，测定海绵蛋糕体积与质量，按式(3)计算海绵蛋糕比容。

SV=V/m，

(3)

式中：

SV——海绵蛋糕比容，mL/g；

V——海绵蛋糕体积，mL；

m——海绵蛋糕质量，g。

1.3.8 海绵蛋糕质构分析 将室温冷却2 h后的海绵蛋糕分割成圆形均匀蛋糕薄片(直径为35 mm)，进行质构分析。质构仪探头P/36，样品进行2次压缩测试。试验参数设定为：测前速率1.0 mm/s，测试速率1.0 mm/s，测后速率1.0 mm/s，样品压缩程度40%，2次压缩间隔时间15 s，根据Hao等[9]的方法进行质构分析，其中测定的主要指标为硬度。

1.4 统计分析

采用Excel 2016 进行数据处理分析。用SPSS 16.0 数据分析软件对海绵蛋糕面糊和烘焙特性参数进行显著性分析，显著差异水平取P<0.05，每次测试均设3次平行试验。使用Origin 8.5软件进行图像绘制。

2 结果与分析

2.1 海绵蛋糕面糊特性分析

2.1.1 比重 由图1可知，随着流态起酥油替代率的增加，单甘酯型乳化剂、蔗糖酯型乳化剂组面糊比重显著减小，说明流态起酥油有助于面糊体系充入空气。

字母不同表示差异显著(P<0.05)

2.1.2 流变特性 由图2可知，面糊黏度随流态起酥油替代率的增加而上升，由于丙二醇酯有助于面糊充气，面糊内气泡数量越多，面糊黏度越大。面糊黏度增加可阻碍乳化体系液膜排液，减缓液膜变薄速率，从而提高乳化体系稳定性。

图2 乳化剂对海绵蛋糕面糊黏度的影响

图2表明，所有样品均显示剪切稀化和假塑性，随着剪切速率的增加，表观黏度逐渐降低。采用幂律模型对流变曲线进行拟合，结果见表2。由表2可知，幂律模型对海绵蛋糕面糊体系的拟合度较好，决定系数R2>0.99。Sun等[10]指出面糊的假塑性可归因于淀粉分子的定向排列，以及剪切作用下直链淀粉分子间的氢键断裂。在低剪切速率时，面糊体系中的链状大分子与气泡相互缠绕，体系黏度表现较为黏稠；当剪切速率增大时，流动层之间的剪切作用使散乱分子链和气泡沿剪切方向变形，缠绕现象减少，从而黏度下降。

表2 乳化剂对海绵蛋糕面糊特性的影响†

† 同列字母不同表示差异显著(P<0.05)。

所有面糊的流体特征指数n<1，表现为典型的假塑性流体，流体特征指数n偏离1越远，流体越偏离牛顿理想状态。具有柔性的高分子流体一般为假塑性流体，其流体特征指数n越小表示其流体分子柔性越大，流体越偏离牛顿流体，蔗糖酯型乳化剂组的n均大于单甘酯型乳化剂组的。稠度系数K是黏度的量度，通常黏度越大，K值越大。结合图2、表2可知，黏度与稠度系数均随流态起酥油添加量的增加而增大，与Jyotsna等[11]研究结果相同。丙二醇酯的乳化效果主要由于其能在两相界面形成具有一定机械强度的结晶膜，并随油脂吸附于气泡外层，从而防止气泡聚结，维持气泡数量使得黏度提高。

2.2 海绵蛋糕面糊微观气泡结构及乳化剂协同作用机理

2.2.1 微观气泡结构 由图3、表3可知，含有保泡型流态起酥油的海绵蛋糕面糊气泡相对较小且密集，气泡大小与分布更加均匀，有助于烘焙过程中形成细密的气泡核，从而使蛋糕结构得以扩展；气泡数量随保泡型流态起酥油替代率的增加逐渐增加，与黏度结果相同；联用蔗糖酯和含丙二醇酯保泡型流态起酥油的海绵蛋糕面糊气泡数量最多，说明蔗糖酯和含丙二醇酯保泡型流态起酥油联用能提高面糊起泡性和气泡稳定性，有助于烘焙后蛋糕结构更加细腻。气相面积分数(AF值)越大，说明面糊搅拌过程中充入的气体越多[12]。随着流态起酥油添加量的增加，AF值增大，表明保泡型流态起酥油的引入能促进面糊整体充气性和气泡稳定性，从而获得组织蓬松、比容大的蛋糕。

结合面糊气泡数及气相面积分数，蔗糖酯型乳化剂结合含丙二醇酯的流态起酥油的起泡能力增加，由于丙二醇酯进入气泡蛋白质表面，面糊气泡厚度及刚性增加[13]，添加丙二醇酯保泡型起酥油使油脂对面糊的消泡能力减弱，从而增加面糊气泡稳定性。研究[7]表明，蛋糕面糊的气泡直径分布整体呈对数正态分布。仅含单甘酯型乳化剂的海绵蛋糕面糊气泡平均直径为16.59 μm，平均直径随着含丙二醇酯保泡型流态起酥油替代率的增加逐渐减小到9.54 μm，降低了20%；在保泡型流态起酥油添加量相同的情况下，蔗糖酯型乳化剂组的平均直径小于单甘酯型乳化剂组的，表明蔗糖酯型乳化剂和含丙二醇酯保泡型流态起酥油联用有助于维持小气泡结构，从而抑制气泡歧化、聚结。

图3 不同乳化剂的海绵蛋糕面糊微观结构图

表3 乳化剂对海绵蛋糕面糊气泡的影响†

† 同列字母不同表示差异显著(P<0.05)。

2.2.2 表面张力 液体油脂会显著影响蛋糕面糊乳化体系稳定性，油脂引入面糊体系后，包裹在气泡表面，由于其与水相的不溶性和表面张力差异，从而起到面糊消泡的作用。而海绵蛋糕面糊气泡形成和稳定得益于乳化剂的加入，乳化剂通过降低液相和气相之间的表面张力来帮助充气，减少产生更大界面区域所产生的能量[14]。试验结果表明，不含乳化剂的面糊表面张力为37.071 mN/m，添加乳化剂后表面张力显著降低；加入单甘酯或蔗糖酯可有效降低表面张力，提高起泡性，但面糊表面张力过小容易导致消泡，加入丙二醇酯反而能提高单甘酯组和蔗糖酯组的表面张力，Murray等[15]研究指出，在不同大小气泡的拉普拉斯压降梯度的影响下，气泡有朝着相同大小发展的趋势，从而导致面糊气泡发生歧化现象。结合图3可知，丙二醇酯可通过提高面糊表面张力而提高面糊稳定性。

表4乳化剂对海绵蛋糕面糊表面张力的影响†

Table 4 Surface tension of sponge cake batter containing different emulsifiers and bubble-retaining type liquid shortening

mN/m

† CG. 未加乳化剂；同列字母不同表示差异显著(P<0.05)。

2.2.3 丙二醇酯与蔗糖酯协同作用机理探究 保泡型流态起酥油中含有一定的丙二醇酯，试验结果表明，流态起酥油和蔗糖酯型乳化剂联用的M40面糊气泡数量多、气相面积分数大，可能是流态起酥油中的丙二醇酯与蔗糖酯间存在一定的协同效应。有研究[16]表明两种或多种乳化剂可大大增强泡沫的稳定性。

蔗糖酯大量地分散于面糊中增加了表面膜的黏度，且其良好的起泡性能使得面糊更好地充气；研究[17]表明疏水性的乳化剂可加速乳液中脂肪结晶，丙二醇酯作用机理可通过“楔形定向排列”模型解释。如图4所示，丙二醇酯随油脂吸附于气泡外层，以α晶体存在，其晶粒由于具有较高的表面能，能稳定粘附在气泡表面，与油脂形成的结晶膜具有黏性甚至刚性，表现为面糊表面张力提高从而维持稳定性。由于气泡表面是弯曲的，不规则的晶粒大的一端朝向液面，小的一端朝向气相，在界面形成类似于“砖墙”结构紧密的楔形定向排列，从而降低气液的接触面积。这层砖墙结构阻碍了气泡接触和气体通过液膜扩散，因此抑制气泡聚结。此外，砖墙结构降低了液膜的排液速度，提高了气泡的稳定性。综上，丙二醇酯的亲油性和蔗糖酯的双亲性有助于水油两相的乳化体系形成更细腻的气泡结构。

图4 气液界面丙二醇酯楔形定向排列模型

2.3 海绵蛋糕烘焙特性

2.3.1 比容 蛋糕最终体积不仅取决于面糊中的初始充气量，还取决于烘烤过程中面糊乳化体系的持气能力和稳定性[7]。流态起酥油有助于提高面糊黏度，当面糊黏度较大时气泡的扩散和迁移速度较慢，烘焙后制得的蛋糕比容更大，组织结构也较为松软。

表5结果表明，添加保泡型流态起酥油能显著提高蛋糕比容，与单甘酯型乳化剂联用可使蛋糕比容增加8.8%，与蔗糖酯型乳化剂联用可使蛋糕比容增加5.5%；流态起酥油的引入使得面糊搅拌过程中形成更多更细密的气泡，其气泡大小均匀，气泡稳定性较好，因此蛋糕比容较大；S40与M40蛋糕比重无显著差异，M40蛋糕比容显著大于S40(P<0.05)。研究[4]表明，蛋糕比容与烘焙过程中面糊持气能力有关。综上可知，使用蔗糖酯型乳化剂的面糊气泡数量多、体积小、受热膨胀潜力大，而丙二醇酯具有维持油脂的α晶型特性，两者联用有助于保持烘焙传热过程中的气泡稳定性，从而促进烘焙后的蛋糕比容增大。

2.3.2 硬度 随着贮藏时间的增加，蛋糕发生了淀粉结晶从而造成硬度增大，口感变差。由表5可知，海绵蛋糕硬度随保泡型流态起酥油替代率的增大逐渐减小，由于直链淀粉与乳化剂形成复合物，延缓了直链淀粉形成晶核的时间，从而延缓了淀粉回生[18]；乳化剂亦可吸附在淀粉表面[19]，通过丙二醇酯对水的不亲和性，阻碍水分移动，促使蛋糕保持柔软；蔗糖酯型乳化剂海绵蛋糕在贮藏期内变硬速率较缓慢，由于蔗糖酯与直链淀粉相互作用形成络合物能力较强，且多羟基结构与周围水分子形成氢键，通过调整构象增加了化学键连接和缠绕点，使聚合物网络结构得以稳定[20]。

2.3.3 表面气泡 由图5可知，无论单甘酯型乳化剂组还是蔗糖酯型乳化剂组，保泡型流态起酥油添加量的增加都有助于减少薄层海绵蛋糕表面气泡数。联用蔗糖酯型乳化剂和保泡型流态起酥油的海绵蛋糕表面最为平整，表面无明显的气泡。由于烘焙过程中异常过大的气泡是乳化未完全的，烤炉升温使面糊黏度下降，此时体积过大的气泡浮力较大，易从乳化体系中发生聚结、上浮到蛋糕表面[7]。在传热过程中，薄层蛋糕的表层面糊温度上升较快，淀粉糊化和蛋白质变性的结构定型时间较早，而内层面糊大气泡上浮到表皮未能溢出表面从而形成表面隆起气泡。结合面糊微观气泡结构分析结果，联用蔗糖酯型乳化剂和保泡型流态起酥油的面糊气泡数量最多，气泡平均直径较小，小气泡的上升浮力较小。另一方面丙二醇酯的亲油特性使其附着于气泡外表面的油脂层中，维持烘焙受热过程中气泡的稳定，抑制了气泡间的聚结，维持了乳化体系的稳定性。泡是乳化未完全的，烤炉升温使面糊黏度下降，此时体积过大的气泡浮力较大，易从乳化体系中发生聚结、上浮到蛋糕表面[7]。在传热过程中，薄层蛋糕的表层面糊温度上升较快，淀粉糊化和蛋白质变性的结构定型时间较早，而内层面糊大气泡上浮到表皮未能溢出表面从而形成表面隆起气泡。结合面糊微观气泡结构分析结果，联用蔗糖酯型乳化剂和保泡型流态起酥油的面糊气泡数量最多，气泡平均直径较小，小气泡的上升浮力较小。另一方面丙二醇酯的亲油特性使其附着于气泡外表面的油脂层中，维持烘焙受热过程中气泡的稳定，抑制了气泡间的聚结，维持了乳化体系的稳定性。

表5 贮藏过程中乳化剂对蛋糕比容和硬度的影响†

† 同列字母不同表示差异显著(P<0.05)。

图5 不同乳化剂与保泡型流态起酥油对蛋糕表面气泡的影响

Figure 5 Effect of monoglyceride emulsifier, sucrose ester type emulsifier and bubble-retaining type liquid shortening on blisters of sponge cakes

3 结论

通过研究保泡型流态起酥油和蔗糖酯型乳化剂、单甘酯型乳化剂对薄层海绵蛋糕的面糊特性及烘焙特性的影响，表明含丙二醇酯的保泡型流态起酥油与蔗糖酯型乳化剂联用可显著减小面糊的密度，增加面糊的黏度与表面张力，从而增加面糊的稳定性，并减少薄层海绵蛋糕的表面气泡。同时发现，流态起酥油能显著提高海绵蛋糕比容(P<0.05)，含有保泡型流态起酥油与蔗糖酯型乳化剂的海绵蛋糕比容比空白组增加了68.5%，达4.01 mL/g；保泡型流态起酥油与蔗糖酯型乳化剂联用有助于降低贮藏期硬度，贮藏28 d后，蔗糖酯型乳化剂与保泡型流态起酥油联用的海绵蛋糕硬度比单甘脂型乳化剂组减小了37.8%。试验中乳化剂使用量较多，在合理范围内，可考虑引入食品胶体对面糊品质进行改善。