湿热-添加剂联合处理提升白高粱粉的功能性、流变学及面包烘焙特性

《JOURNAL OF FOOD PROCESSING AND PRESERVATION》：Heat-Moisture-Additive Treatment Enhanced the Functional, Rheological, and Breadmaking Properties of White Sorghum Flour

　　

水热化学改性方法具有增强无麸质面粉与小麦面筋之间协同作用的潜力，从而生产出可接受的发酵复合粉面包。本研究利用响应面法（Response Surface Methodology, RSM）确定了最优湿热处理条件（水分含量26%，温度108°C，时间33 min），该条件提升了白高粱粉的热机械稳定性并降低了其回生趋势（崩解值和回生值分别降低80%和20%）。优化研究表明，温度对糊化特性的影响最大，其次是处理时间和水分含量。此外，将化学膨松剂和生物膨松剂——即泡打粉或干面包酵母，按1%、3%和5%的比例分别与白高粱粉混合，并在最优湿热处理条件下进行处理。酵母在该最优处理条件下被灭活，因此其作用为功能性添加剂而非膨松剂。湿热-添加剂联合处理进一步提高了面粉的热机械稳定性，并降低了其回生趋势和膨胀特性。值得注意的是，湿热-1%泡打粉处理使崩解值降低100%，而湿热-1%酵母处理使回生值降低61%。随后，研究人员将这些处理后的面粉以15% w/w的替代水平与小麦粉混合，并与未经处理的对应面粉及纯小麦粉在流变学特性、面包体积和面包感官特性方面进行比较。所有处理对小麦-白高粱复合粉的面团流变学特性产生了不同的影响，同时均提高了面包体积。值得注意的是，含有经湿热-3%酵母处理的白高粱粉的复合粉，其面团延伸性比含有未处理和仅经最优湿热处理面粉的复合粉分别高出6%和17%；其面团能量比含有未处理面粉的复合粉和纯小麦粉分别高出20%和9%；其面包体积比含有未处理面粉和仅经最优湿热处理面粉的复合粉面包以及纯小麦面包分别高出218%、166%和60%。感官分析表明，该面包在外观特性上与小麦面包相当。本研究对面粉加工和烘焙行业具有重要参考价值。

研究背景、存在问题与研究目的

饮食挑战以及小麦消费的高昂经济成本，正推动人们越来越多地转向使用无麸质面粉和小麦-复合粉生产面包。然而，用高粱粉等无麸质面粉部分或完全替代小麦粉会带来技术挑战，这归因于非小麦粉中的淀粉组分与小麦面筋之间的不良协同相互作用，以及这些面粉因其较差的膨胀性、热稳定性和高回生趋势而导致的结构形成能力低下。白高粱粉在面包中的应用尚未得到充分开发，主要是因为其缺乏面筋。尽管已有研究探讨了热处理或湿热处理改善高粱粉功能特性的潜力，例如干热处理改善了无麸质面包的体积和感官接受度，湿热处理改变了白高粱粉的理化、功能和结晶特性，但尚无研究利用响应面法优化湿热处理条件，也未研究湿热处理与膨松剂作为功能性添加剂的联合应用。此外，关于此类处理如何影响小麦-高粱复合体系的流变学、面包制作及感官特性的信息十分有限。因此，本研究旨在通过响应面法推导出能够增强白高粱粉膨胀性和热稳定性同时最小化其回生趋势的最优湿热处理条件，并进一步研究不同浓度的膨松剂（泡打粉和干酵母）与该最优条件的联合效应对面粉功能性、流变学以及面包物理和感官特性的影响。

主要关键技术方法

研究人员采用的主要关键技术方法包括：

1. 1.
   响应面法（RSM）优化：利用三变量Box-Behnken设计，以温度、水分含量和处理时间为自变量，峰值粘度、崩解值、回生值和糊化温度为响应变量，对白高粱粉的湿热处理条件进行数值优化。
2. 2.
   快速粘度分析仪（RVA）测定糊化特性：用于评估面粉在高温和机械剪切下的粘度响应，包括峰值粘度、崩解值、回生值和糊化温度，以此作为膨胀性能、热机械稳定性和回生趋势的指标。
3. 3.
   粉质仪（Farinograph）测定面团流变学特性：按照AACC国际标准方法，测定小麦-白高粱复合粉的水分吸收率、面团形成时间、最大稠度、稳定度和混合耐受指数。
4. 4.
   拉伸仪（Extensograph）测定面团流变学特性：按照AACC国际标准方法，测定复合粉面团的抗延伸性、延伸性、比例数和面团能量。

研究结果

3.1 模型描述

通过Box-Behnken设计分析了湿热处理变量对白高粱粉品质特性的影响。峰值粘度模型显著（p ≤ 0.05），解释了89%的数据变异，线性项（水分、温度、时间）影响显著。崩解值模型显著，解释了88%的数据变异，温度影响最大，其次为处理时间。回生值模型显著，解释了87%的数据变异，高水分、高温度和长时间处理最有效降低回生趋势。糊化温度模型不显著（p > 0.05），解释力有限。

3.2 白高粱粉的最优湿热处理条件

通过数值优化得出最优湿热处理条件为：水分含量26%，温度108°C，处理时间33 min，期望值为0.79。验证实验所得峰值粘度、崩解值和回生值分别为1879 cP、156 cP和1288 cP，与预测值（1853 cP、109 cP、1268 cP）吻合良好，证实了模型的适用性。

3.3 面粉处理对白高粱粉功能特性的影响

将泡打粉和干面包酵母（1%、3%、5% w/w）与白高粱粉混合后进行最优湿热处理。所有处理均降低了面粉的吸水能力，其中湿热-3%酵母处理降幅最大（21%），而泡打粉处理则随浓度增加减轻了这种降低。所有处理均降低了膨胀势和溶解度，最优湿热处理使膨胀势下降9%，溶解度下降6%，而添加剂的加入使溶解度略有回升。糊化特性方面，所有处理均导致糊化粘度谱普遍下降。最优湿热处理使峰值粘度下降22%，崩解值下降80%，回生值下降22%。湿热-1%泡打粉处理使崩解值实现100%降低，湿热-1%酵母处理使回生值降低61%。糊化温度除最优湿热处理外普遍升高。所有处理均降低了堆积密度。基于功能特性结果，仅选择添加剂浓度≤3% w/w的改性面粉进行后续流变学和面包制作评估。

3.4 改性白高粱粉对小麦粉流变学特性的影响

将未处理、最优湿热处理及湿热-添加剂处理的白高粱粉以15% w/w比例替代小麦粉。

• •
  粉质仪特性：所有复合粉的水分吸收率略有增加。湿热-3%泡打粉处理使面团形成时间延长11秒，而其他处理则缩短或影响不大。最大稠度均低于纯小麦粉。与未处理面粉相比，所有处理均提高了复合粉的面团稳定度，其中最优湿热处理提高最多（40秒）。大多数处理降低了混合耐受指数，湿热-3%泡打粉处理效果最显著。
• •
  拉伸仪特性（平均静置时间90分钟）：未处理面粉增加了抗延伸性（14%），而所有改性面粉进一步提高了抗延伸性，湿热-3%泡打粉处理最高（比小麦粉高45%）。未处理面粉降低了延伸性（15%），而酵母处理有效限制了这种降低，湿热-3%酵母处理的面团延伸性比含未处理和最优湿热处理面粉的复合粉分别高出6%和17%。所有改性面粉均提高了比例数。未处理面粉降低了面团能量，而3%浓度的酵母和泡打粉处理均提高了面团能量，分别比未处理面粉高20%和19%，比小麦粉高9%和8%。

3.5 改性白高粱粉对小麦粉面包制作特性的影响

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  面包体积：未处理面粉使面包体积降低50%。所有改性面粉均提高了面包体积，其中最优湿热处理提高19%。湿热-添加剂处理效果更佳，特别是酵母处理。湿热-3%酵母处理的面包体积比未处理、最优湿热处理及纯小麦面包分别高出218%、166%和60%。
• •
  感官特性：多重比较分析显示，含湿热-3%酵母处理高粱粉的面包在感官特性上最接近纯小麦面包，尤其在表皮颜色和整体外观方面。含处理后面粉的面包通常表现出更多孔的面包瓤结构。

讨论与结论总结

讨论部分指出，温度是影响湿热处理过程中糊化特性的最主要因素，其次是处理时间和水分含量。研究表明，最优湿热处理条件（26%水分，108°C，33 min）虽然降低了膨胀势和峰值粘度，但有效提升了热机械稳定性并降低了回生趋势。添加泡打粉和干酵母作为功能性添加剂进一步增强了这些益处。重要的是，处理后面粉对复合粉面团流变学特性的影响各不相同，但均提高了面包体积。研究发现，面包体积的增加似乎与改良的面团流变学特性（如延伸性、面团能量和热机械稳定性）关系更为密切，而非面粉自身的膨胀能力。特别是湿热-3%酵母处理，在改善面团流变学特性方面表现突出，生产出的面包体积更大，且外观特性与小麦面包相当。

研究结论翻译：

本研究表明，温度是影响高粱粉湿热处理过程中糊化特性的主要因素，其次是处理时间和水分含量。研究确立了最优处理条件（26%水分，108°C，33 min），该条件改善了热机械稳定性并降低了回生趋势，尽管膨胀势和峰值粘度有所下降。在最优条件下添加泡打粉和干酵母作为添加剂处理进一步增强了这些益处。在湿热处理过程中加入的酵母在处理条件下（108°C，33 min）被灭活，因此作为功能性添加剂而非膨松剂；膨松酵母是在面团制备过程中单独添加的。各种处理影响了面团的流变学特性，并增加了面包体积。值得注意的是，湿热-3%酵母处理显著改善了面团流变学特性，生产出的面包具有更高的体积，且外观特性与小麦面包相似。面包体积的提升似乎与改良的面团流变学特性有关，而非面粉的膨胀能力。研究结果证明了湿热处理在改善白高粱粉功能性和烘焙特性方面的潜力。因此，本研究展示了湿热处理和湿热-添加剂联合处理作为可行方法，在诱导白高粱粉功能性、流变学和面包制作特性产生显著效应方面的理论和应用潜力。基于研究结果，3%酵母的湿热处理能有效提升白高粱粉的面包制作潜力，允许以15%的比例替代小麦粉，同时生产出体积和外观与小麦面包相当甚至更优的面包。这种替代可以减少对小麦的依赖，促进白高粱种植，并为减贫和粮食安全做出贡献。