陳 誠，張賓樂，王家寶，王 鳳,，金衛(wèi)澤，陳軍民，黃衛(wèi)寧,*，小川晃弘

（1.江南大學 食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2.無錫麥吉貝可生物食品有限公司，江蘇 無錫 214131；3.三菱化學食品株式會社，日本 東京 100-8251）

烘焙食品是全球主流食品[1]，其中蛋糕類產(chǎn)品在烘焙行業(yè)有舉足輕重的地位。同時，傳統(tǒng)的海綿蛋糕產(chǎn)品因為口感風味俱佳，色澤誘人，深受消費者喜愛[2]。但是海綿蛋糕在貯藏過程中容易發(fā)生老化，從而導致海綿蛋糕品質下降[3]。淀粉回生導致蛋糕硬度增加，保水能力下降，口感變差。淀粉回生主要發(fā)生在兩個階段：直鏈淀粉重結晶與支鏈淀粉重排。直鏈淀粉重結晶發(fā)生在貯藏早期[4]，支鏈淀粉分子重排則是發(fā)生在之后的幾周甚至幾個月[5]。

酶廣泛應用于烘焙行業(yè)，酶在面團應用方面的研究眾多。重組華根霉脂肪酶和轉谷氨酰胺酶聯(lián)用可以顯著降低凍藏對面團發(fā)酵高度的削弱作用，改善酵母的發(fā)酵性能和增加面團持氣率[6-7]。麥芽糖淀粉酶水解支鏈淀粉非還原性末端的α-1,4糖苷鍵，減緩淀粉回生，延長面包貨架期[8-9]。

蔗糖酯是烘焙工業(yè)的重要原料之一。不同親水親油平衡（hydrophilic lipophilic balance，HLB）值的蔗糖酯在生產(chǎn)中具有不同的作用[10]。HLB值為15的蔗糖酯可以有效保護冷凍面團的產(chǎn)氣能力，減少冷凍冰晶對面團的傷害[11]，其親水性可以改善面粉的功能特性，尤其是減緩淀粉回生[12-13]。HLB值為11的蔗糖酯可以增大蛋糕比容和改善質構[14]。

淀粉酶與乳化劑在面包中的應用研究較多，但是在蛋糕乳化三相體系中較為少見。本實驗使用淀粉酶與蔗糖酯聯(lián)用，研究麥芽糖淀粉酶，α-淀粉酶與不同HLB值的蔗糖酯對面糊表面張力、水分分布和淀粉回生的變化，為現(xiàn)代烘焙食品加工工業(yè)化應用提供了新的技術基礎理論信息。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮雞蛋、白砂糖 無錫市購。

低筋小麥粉（美玫牌，粗蛋白質量分數(shù)為8.2%）香港面粉有限公司；金龍魚陽光葵花籽油 上海嘉里食品工業(yè)有限公司；雙效泡打粉（配料為焦磷酸二氫二鈉（＜40%）、碳酸氫鈉（＜25%）、碳酸鈣（＜5%）、淀粉 廣州焙樂道食品有限公司；新型蛋糕起泡乳化劑（RTOYO菱友MFC）、蔗糖酯（S-570（HLB 5.0）、S-1670（HLB 16.0）） 三菱化學食品株式會社；α-淀粉酶（酶活力4 000 U/g）、麥芽糖淀粉酶（酶活力10 000 U/g） 諾維信（中國）投資有限公司。

1.2 儀器與設備

5K5SS攪拌機 美國廚寶Kitchen Aid公司；SM-503+1S烤箱 新麥機械（無錫）有限公司；Brookfield CT3質構分析儀 美國Brookfileld公司；JY2000電子天平 上海良平儀器有限公司；DCAT21全自動表面張力儀 德國德菲公司；Q2000差示掃描量熱（differential scanning calorimeter，DSC）儀 美國TA公司；MicroMR20-030V-1低場核磁測定儀 蘇州（上海）紐邁電子科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 海綿蛋糕配方

海綿蛋糕基礎配方保持一致，分別為全蛋液200 g、白砂糖190 g、低筋小麥粉200 g、水60 g、葵花籽油70 g、泡打粉2 g、乳化劑MFC 16 g[15]。不同蔗糖酯與淀粉酶添加量如表1所示。

表1 不同蔗糖酯與淀粉酶添加量Table 1 Combinations of sucrose esters and enzymes

1.3.2 海綿蛋糕的制作

首先將酶與乳化劑溶解于水中，其所使用的水均計入配方中的水，將新鮮全蛋液倒入攪拌缸中，慢速（速率1，60 r/min）攪拌0.5 min，加入白砂糖，低速（速率2，96 r/min）攪拌1.0 min，加入水、酶液和乳化劑混合物低速（速率2）攪拌2.0 min，之后加入葵花籽油低速（速率2）攪拌2.0 min，然后加入低筋小麥粉和雙效泡打粉與蔗糖酯，高速（速率6，192 r/min）打發(fā)起泡3.5 min，慢速（速率1）消泡1.0 min，得到海綿蛋糕面糊。

取450 g海綿蛋糕面糊，緩慢倒入28 cm×28 cm烤盤中，然后將海綿蛋糕面糊放入烤箱中，上下火均為180 ℃，焙烤23 min。將焙烤后的海綿蛋糕迅速取出，晾涼[15]。

1.3.3 海綿蛋糕面糊密度分析

測定不同組別海綿蛋糕面糊密度。采用相對密度法對面糊密度進行測定，實驗均重復3 次[16]。相對密度法：首先取平底容器并稱量其質量m0，記下注滿清水和容器的總質量m1，再用相同的容器盛裝面糊m2，記為質量，水的密度ρ水為1 g/mL，按式計算出面糊密度（ρ）。

1.3.4 海綿蛋糕面糊表面張力的測定

測定不同面糊的表面張力，取部分面糊放置在全自動表面張力測定儀的專用容器中，待表面面糊界面靜止，對面糊表面張力進行測定[17]，記錄平衡之后的表面張力數(shù)值。實驗均重復3 次。

1.3.5 海綿蛋糕烘焙特性測定

對不同組蛋糕比容和蛋糕烘焙損失率進行測定，海綿蛋糕比容測定采用油菜籽替換法。將海綿蛋糕在室溫下冷卻2 h，測定蛋糕質量與體積，計算海綿蛋糕比容，實驗均重復3 次[17]，計算公式如下：

式中：SV為蛋糕比容/（mL/g）；V為蛋糕體積/mL；m為蛋糕質量/g。

海綿蛋糕的烘焙損失率計算如下：

式中：LR為烘焙損失率/%；M1為烘烤前面糊質量/g；M2為烘烤后蛋糕質量/g。

1.3.6 海綿蛋糕的保藏

為測試海綿蛋糕保藏階段的變化，同時縮短研究時間。將薄層海綿蛋糕切塊，分割成6 cm×6 cm×2 cm的長方體，將其使用塑封袋封口，放置于4 ℃冷藏環(huán)境下加速蛋糕老化，分別保藏0、7、14、21、28、35 d，待測。

1.3.7 海綿蛋糕低場核磁分析

借助低場核磁監(jiān)測海綿蛋糕貯藏階段中的質子情況。取準確稱取2 g左右蛋糕樣品在水浴中回溫至35 ℃，記錄蛋糕樣品質量，在低場核磁環(huán)境中測試。測試溫度35 ℃，使用CMPG序列進行測定自旋-自旋弛豫時間T2。經(jīng)過8 次掃描獲得1 024回波數(shù)據(jù)，同時在90°～180°的脈沖序列，設置化學位移τ值為50 μs。在水分含量較高的體系中，水以毫秒級時間自由快速移動。在低場核磁環(huán)境下，橫向弛豫時間反映分子的流動性強弱。

1.3.8 海綿蛋糕質構分析

使用質構儀研究蛋糕在貯藏過程中的產(chǎn)品硬度變化。測定蛋糕硬度前，先將樣品放置在20 ℃室溫環(huán)境下回溫2 h之后測定蛋糕硬度。采用CT-3質構儀，P/35探頭，對樣品連續(xù)2 次壓縮硬度測試。測試參數(shù)設定為：測試前速率1.0 mm/s、測試速率1.0 mm/s、測試后速率1.0 mm/s、壓縮程度40%、2 次壓縮間隔時間15 s[18]。

1.3.9 海綿蛋糕淀粉DSC法分析

采用DSC儀對樣品進行蛋糕老化焓值研究。取精確稱量的10 mg蛋糕芯樣品放在鋁質坩堝中，其中的升溫程序為25～105 ℃，升溫速率為10 ℃/min[19]。使用TA Universal Analysis對老化峰進行積分，得到樣品老化焓值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

實驗均為3 次重復。其中曲線圖使用OriginPro 9進行繪制，統(tǒng)計學分析使用SPSS 18.0進行單因素方差分析，P＜0.05，差異顯著。

2 結果與分析

2.1 海綿蛋糕面糊特性分析

2.1.1 面糊密度

表2 不同蔗糖酯與淀粉酶對海綿蛋糕面糊特性影響Table 2 Effects of different SEs and enzymes on characteristics of sponge cake batter

面糊密度反映了面糊充氣能力，較低的面糊密度有利于蛋糕比容的增加[16]。如表2所示，不同蛋糕面糊經(jīng)過起發(fā)之后的密度，含有S-1670與麥芽糖淀粉酶的面糊密度較低，說明親水蔗糖酯S-1670和麥芽糖淀粉酶聯(lián)用能增加海綿蛋糕面糊起泡性能。

2.1.2 面糊表面張力分析

面糊的表面張力會影響蛋糕面糊的起泡性能。較低的表面張力意味著降低了體系的表面活化能，有利于增加體系的起泡性能[17]。表2表明，含有復合酶與S-1670的蛋糕面糊表面張力最低，表面張力的降低說明面糊起泡性能得到提升[2]。從蔗糖酯的角度來看，其中主要的原因是S-1670的HLB值為16，屬于親水性蔗糖酯。從淀粉酶角度來看，淀粉酶酶解淀粉分子形成小分子糖類，體系黏度增加，使乳化體系的持氣能力提升[20]。在僅含有α-淀粉酶的面糊的表面張力沒有發(fā)生顯著變化，但是作為復合酶成分時，可以協(xié)同降低面糊表面張力。含有S-570的面糊表面張力則是出現(xiàn)上升現(xiàn)象，其原因可能是S-570的水溶性較差，從而不能顯著降低面糊表面張力。

2.2 海綿蛋糕烘焙特性

表3 海綿蛋糕烘焙特性Table 3 Baking properties of sponge cake

如表3所示，蛋糕比容結果表明，含有α-淀粉酶的蛋糕比容顯著增加，而麥芽糖淀粉酶、S-1670對蛋糕比容影響不顯著。而烘焙損失率結果表明，含有S-1670的蛋糕烘焙損失率顯著小于其他不含S-1670的實驗組。結合蛋糕比容與烘焙損失率的結果，其良好的保水能力可能是導致蛋糕比容下降的原因之一，親水蔗糖酯S-1670的保水能力較強，從而降低了蛋糕烘焙損失率和蛋糕比容。

淀粉酶可以降低蛋糕烘焙損失率，有助于保持蛋糕水分。因為α-淀粉酶隨機內(nèi)切直鏈淀粉α-1,4糖苷鍵，使得直鏈淀粉鏈長變短，直鏈淀粉分子數(shù)增加，吸水性增加。麥芽糖淀粉酶則是水解支鏈淀粉的末端，從而得到DP值約為2～7的小分子糖和糊精，使蛋糕體系的保水能力增加。

相比于空白組，實驗組蛋糕硬度均得到一定程度改善。從乳化劑的角度來看，蔗糖酯有助于提升面糊起泡性能，使得蛋糕更加松軟，降低蛋糕硬度。淀粉酶水解淀粉分子，可糊化淀粉含量降低，而淀粉糊化成型與蛋糕剛性程度有密切聯(lián)系[21]，因此淀粉酶可以顯著降低蛋糕硬度。

2.3 海綿蛋糕貯藏期特性分析

2.3.1 貯藏期蛋糕硬度變化

貯藏期海綿蛋糕的硬度變化直接反映蛋糕老化情況。隨著貯藏時間的延長，海綿蛋糕老化發(fā)生，口感下降。不同海綿蛋糕經(jīng)過35 d的4 ℃環(huán)境貯藏之后的硬度變化如表4所示。結果表明，貯藏35 d之后，含有復合淀粉酶與S-1670的蛋糕硬度最低，空白組蛋糕硬度顯著高于其他實驗組。0～7 d，直鏈淀粉發(fā)生回生，蛋糕變硬速率最快。7～35 d，支鏈淀粉以回生的直鏈淀粉為晶核發(fā)生重結晶。在0～14 d，含有蔗糖酯的蛋糕變硬速率較慢，而在14～35 d的貯藏期階段，相比于含有淀粉酶的蛋糕，僅含有蔗糖酯的蛋糕變硬速率較快。

Stampfli等[22]認為乳化劑能顯著抑制面包的老化，其原因在于直鏈淀粉-乳化劑復合體形成，從而抑制直鏈淀粉形成晶核的速率[23]。乳化劑中單甘酯不穩(wěn)定的α晶型起到了關鍵作用，而蔗糖酯的引入可以延緩單甘酯從α晶型向β晶型轉化[24]，同時蔗糖酯亦可以進入直鏈淀粉的螺旋結構，從而抑制淀粉回生。貯藏期后期，單甘酯經(jīng)過較長時間貯藏之后，其部分晶型發(fā)生變化，從而對蛋糕老化抑制作用減弱。同時含有淀粉酶的蛋糕變硬速率低于空白組和僅含有蔗糖酯的蛋糕。淀粉酶水解支鏈淀粉，使其含量減少，糊精與小分子糖數(shù)量增加[25]，從而降低蛋糕變硬速率。

在含有復配制劑的蛋糕中，在貯藏前期，S-1670有較好的抗老化能力，在貯藏后期，復配淀粉酶在抑制蛋糕變硬方面起主導作用。

表4 不同海綿蛋糕在貯藏階段的硬度Table 4 Changes in hardness of different sponge cakes during storage

2.3.2 貯藏期海綿蛋糕水分分布

海綿蛋糕體系屬于淀粉基質類的非均相體系，通過常規(guī)的方法可以得到其含水量，但是無法監(jiān)測到海綿蛋糕中的水分子的流動性與分布狀態(tài)，借助低場核磁技術可以監(jiān)測體系中的水分遷移情況[26]。在海綿蛋糕貯藏過程中，淀粉回生重排，淀粉分子線性締合，吸水能力下降，結合水析出導致含量減少，自由水含量增加。

表5 不同蛋糕的35 d貯藏期低場核磁弛豫時間和相對峰面積Table 5 LF-NMR relaxation times and relative peak areas for different sponge cakes stored for 35 days

典型的實驗組在貯藏期間蛋糕低場核磁淀粉結合水峰面積與橫向弛豫時間如表5所示。研究結果表明，蛋糕低場核磁分析結果出現(xiàn)3 個不同的CMPG信號峰，根據(jù)不同峰可以得到不同的弛豫時間。其中弛豫時間T2i的大小反映了不同水分子的流動性，水分子與大分子結合的越緊密則弛豫時間越小。S2i則反映了該部分的水分分布的含量，數(shù)值越大則說明該水分分布部分含量越高。T21一般被認為是結合水，所測樣品的T21的范圍在0.142～0.265 ms之間，該部分水被認為是與淀粉和蛋白質等大分子物質以氫鍵緊密結合的水[9]。T22被認為是多層水，主要是指由蛋糕中的顯微結構或者亞顯微結構與膜所截留住的水[27]，所測樣品中的T22時間在4.501～9.328 ms之間，在海綿蛋糕中認為是乳化較好的水分子，添加親水蔗糖酯S-1670后，T22弛豫時間縮短，這說明引入S-1670作為親水蔗糖酯通過其結構中的羥基與淀粉分子形成氫鍵，增加淀粉持水能力，從而改善了體系中的水分分布[28]。同時因為直鏈淀粉-乳化劑復合物形成[23]，延緩直鏈淀粉晶核的形成，從而減緩支鏈淀粉回生，降低自由水的析出速率。實驗結果表明HLB值較高蔗糖酯效果更佳，可以延緩蛋糕老化速率。T23則是代表自由狀態(tài)的水分子，也是體系中流動性和自由能最高的那部分水，一般以游離的方式存在[29]。

麥芽糖淀粉酶的引入也能增加蛋糕持水能力，麥芽糖淀粉酶水解支鏈淀粉末端，使得支鏈淀粉分支縮短，生產(chǎn)大量的糊精和小分子多糖，這使得其中更多羥基暴露在體系中，使得體系持水能力有效改善，小分子糖和糊精會存在于體系中阻止直鏈淀粉重排，另外麥芽糖淀粉酶的酶解作用使得可供回生的支鏈淀粉減少，從而抑制蛋糕老化。

2.3.3 貯藏期蛋糕老化動力學分析

近年來，有較多的文獻使用DSC等測試手段說明了淀粉回生過程遵從Avrami方程。使用Avrami方程對長時間的冷藏過程中的回生參數(shù)進行計算，同時計算老化動力學方程。使用晶體生長的Avrami方程進行擬合[30]，其中的Avrami指數(shù)n和老化速率常數(shù)k可以較好地描述淀粉回生。

Avrami方程如下：

兩側進行取對數(shù)，得出公式如下：

式中：ΔHt為貯藏時間t（d）時海綿蛋糕的老化焓值/（J/g）；ΔH∞為海綿蛋糕的最大老化焓值/（J/g），即為糊化焓值。其糊化的動力學參數(shù)如表6所示。

表6 不同蛋糕在0～35、0～21、31～35 d的老化速率常數(shù)kTable 6 Changes in staling rate constant of sponge cake at different storage stages d－1

不同的k值代表不同的老化動力學速率。k值越大，說明老化速率越快，其決定因素R2＞0.951，說明貯藏過程中的淀粉的老化動力學符合Avrami方程。直鏈淀粉回生發(fā)生在貯藏初期，支鏈淀粉回生則是發(fā)生在貯藏后期?？瞻捉M蛋糕的DSC老化速率常數(shù)為0.039 d－1。添加復合淀粉酶和S-1670之后，0～35 d的老化速率常數(shù)降低，HLB值為16的蔗糖酯作用效果在0～21 d表現(xiàn)較好，蛋糕中淀粉重結晶速率、成核時間和晶體生長速率下降。在21～35 d的情況下，復合酶可以顯著降低蛋糕老化速率。

含有蔗糖酯S-1670的蛋糕老化速率降低，說明蔗糖酯具有與直鏈淀粉形成復合物的能力從而減緩淀粉回生，相比于S-570，含有親水性較好的S-1670具有的多羥基結構與周圍水分子形成穩(wěn)定氫鍵，通過降低蛋糕的老化速率，從而減緩蛋糕硬度增加速率。其原因可能是直鏈淀粉在短期回生時所形成的晶核可以為支鏈淀粉的結晶提供晶種源，支鏈淀粉分子會以晶核為中心增加并且形成完美晶體，而蔗糖酯通過與直鏈淀粉形成復合物，干擾直鏈淀粉晶核形成，從而延緩后期支鏈淀粉回生。

含有麥芽糖淀粉酶的引入使得蛋糕老化速率降低，這說明蛋糕體系中的淀粉含量降低，支鏈淀粉發(fā)生酶解從而導致產(chǎn)生的低分子質量的糊精與淀粉競爭水分子，而使得體系中淀粉水分含量降低，同時淀粉經(jīng)過酶解之后，可回生的支鏈淀粉含量減少。而α-淀粉酶的引入同樣使蛋糕老化速率降低，這說明α-淀粉酶的添加降低了直鏈淀粉含量，減緩了直鏈淀粉的成核速率和支鏈淀粉的回生速率。

3 結 論

采用蔗糖酯與淀粉酶復配可以有效改善海綿蛋糕面糊特性，烘焙特性與貯藏特性。在面糊特性方面，S-1670可以增加蛋糕面糊起泡能力。烘焙特性方面，S-1670增加產(chǎn)品持水能力，降低蛋糕的烘焙損失率。α-淀粉酶和麥芽糖淀粉酶使得蛋糕持水能力上升和蛋糕硬度減小，從而使蛋糕更加柔軟。

在貯藏期特性研究方面，親水性蔗糖酯S-1670可以提高蛋糕持水能力延緩蛋糕老化速率。DSC結果則表明，α-淀粉酶和麥芽糖淀粉酶則是從降低蛋糕老化速率角度來保持蛋糕品質。兩者聯(lián)用時，S-1670可以在貯藏期前期發(fā)揮明顯的抗老化效果，而隨著貯藏時間延長，淀粉酶的抗老化效果逐漸凸顯。

本實驗僅研究采用蔗糖酯和淀粉酶聯(lián)用獲得高品質的海綿蛋糕，同時合適的復配制劑可能可以降低海綿蛋糕生產(chǎn)過程中乳化劑使用量，其類似效果還可以進一步研究。