樂 園,李 偉,程 超,莫開菊
(湖北民族大學 生物科學與技術(shù)學院,湖北 恩施 445000)
麩質(zhì)主要來源于小麥、大麥、燕麥、黑麥、斯佩爾特等糧食作物中的蛋白質(zhì)復合物[1],主要是谷蛋白,也是最先被研究的一類過敏原.麩質(zhì)不耐癥是一種由人體攝入谷蛋白而引起的自身免疫性疾病,包含乳糜瀉、非乳糜瀉麩質(zhì)不耐癥、小麥過敏等[2].麩質(zhì)不耐癥具有遺傳易感性,且由T細胞介導,在攝入谷蛋白后,上皮內(nèi)淋巴細胞浸潤,部分絨毛萎縮,必需營養(yǎng)素吸收減少,導致慢性小腸炎癥,從而引發(fā)一系列的腹瀉、腹痛等癥狀[3-4].目前,唯一的治療方法是通過終身無麩質(zhì)飲食來解決[5].全球范圍內(nèi),患有乳糜瀉人群占總?cè)丝跀?shù)的1%~2%[6],其中乳糜瀉確診病例多出現(xiàn)在歐洲地區(qū),近年來隨著檢測技術(shù)的進步,在中國兒童腹瀉患者中也檢測出乳糜瀉[7].無麩質(zhì)飲食屬于消除類飲食,其受益者不僅僅是免疫性疾病患者,還對預防糖尿病、降低心血管疾病以及緩解緊張情緒等方面均有一定作用[8],因此也被作為一種健康飲食方法受到消費者的推崇.
無麩質(zhì)制品是以馬鈴薯淀粉、玉米粉、蕎麥、高粱、米粉等代替小麥為原料制作的主糧食品.由于無麩質(zhì)原料缺乏面筋,造成制品感官品質(zhì)較普通麩質(zhì)制品差[9].為了提高無麩質(zhì)制品的品質(zhì),研究人員通過向無麩質(zhì)原料中加入親水膠體、酶、蛋白質(zhì)[10],模擬面筋蛋白作用,使制品感官接近于普通麩質(zhì)制品.此外通過一些技術(shù)處理方法如酸面團發(fā)酵、原料改性、原料發(fā)芽等,使無麩質(zhì)制品包裹氣體、增大比容以及提高其他營養(yǎng)成分.
麩質(zhì)即面筋蛋白,占小麥蛋白總量的85%,主要由麥谷蛋白與麥醇溶蛋白組成[11],參與面團黏彈性面筋網(wǎng)絡的形成.麥谷蛋白由高分子量亞基和低分子量亞基組成,它們通過分子間-S-S-鍵相互連接,主要形成β-螺旋結(jié)構(gòu),在非共價作用力下結(jié)合形成大分子聚合體,為面團提供彈性與強度[12].而麥醇溶蛋白則通過氫鍵和非共價疏水作用形成分子內(nèi)-S-S-鍵,同麥谷蛋白相互作用,主要形成α-螺旋結(jié)構(gòu),賦予面團延展性與黏性[13].面筋蛋白與水混合可形成面筋網(wǎng)絡,如圖1所示.面筋質(zhì)量很大程度上決定了面制品的質(zhì)量,面筋強弱可改變面粉的生產(chǎn)用途[14].因此,麩質(zhì)成為了制品生產(chǎn)工藝中的重要因素.無麩質(zhì)制品由于缺乏面筋蛋白,面團黏彈性遠小于小麥面團,加工后產(chǎn)品感官品質(zhì)也出現(xiàn)下降.
圖1 面筋的形成Fig.1 The formation of Gluten
同時隨著研究的深入,麩質(zhì)也被認為與一些慢性疾病密切相關(guān),如糖尿病、高血糖等.研究表明,攝入面筋蛋白會影響微生物群,增加腸道通透性.此外,面筋蛋白肽在通過腸道屏障后,進入胰腺,影響胰腺的形態(tài),并可能通過促進葡萄糖和棕櫚酸刺激的胰島素分泌而誘導β細胞應激,導致低胰島素血癥和高血糖,增大糖尿病患病風險[15].
面包作為世界許多地區(qū)人口的主食,特別是歐洲地區(qū),有十分龐大的消費群體,然而麩質(zhì)不耐癥人群卻不宜食用.因此無麩質(zhì)面包悄然成為消費市場的新興產(chǎn)品,其原料來源從傳統(tǒng)的玉米、馬鈴薯、大米、高粱拓展至豌豆、畫眉草等作物.Homem等[16]研制畫眉草面包,設計T1(100%小麥粉)、T2(100%畫眉草粉)、T3(75%畫眉草粉、12.5%米粉和12.5%木薯淀粉)、T4(50%的畫眉草粉,25%的米粉,25%的木薯淀粉)4組.研究表明,添加畫眉草粉的面包比容較大、重量較小.Sciarini等[17]用玉米淀粉、大米和大豆粉混合制作面包,加入大豆粉的大米面包,較全大米面包有明顯延緩回生作用,比容大,面包表皮外觀好,品質(zhì)最佳.
在大量利用傳統(tǒng)無麩質(zhì)主糧作為原料的同時,研究人員也積極利用主糧生產(chǎn)中的副產(chǎn)物作為原料,如稻谷麩皮、玉米醇溶蛋白等.Genevois等[18]利用不同碾碎程度的稻谷(精米粉、糙米粉、麩皮)制作無麩質(zhì)面包,采用三組分混合設計,結(jié)果顯示,麩皮的添加降低峰值黏度、最終黏度,最佳配比為精米粉45%∶糙米粉35%∶麩皮20%,此配比下的面包比容為(1.7±0.1)cm3/g,硬度為(0.23±0.01)MPa,膳食纖維含量為普通小麥面包4倍.
饅頭是我國傳統(tǒng)主食之一,以其營養(yǎng)豐富、制作簡便而廣為流傳,為適應麩質(zhì)不耐癥以及滿足健身人群需求,以碎米為原料的無麩質(zhì)饅頭成為研究熱點.無麩質(zhì)饅頭由于缺乏面筋蛋白,不能形成面筋網(wǎng)絡,饅頭易塌陷、表皮粗糙,品質(zhì)較差[19].在添加改良劑的同時,也開發(fā)出多種原料無麩質(zhì)饅頭.Xu等[20]以蕎麥粉為基礎(chǔ)配料研發(fā)一種蕎麥芽饅頭,富含槲皮素和原兒茶酸等生物活性酚類化合物,蕎麥芽粉添加量為8%時,饅頭的感官評分最佳.李東紅等[21]以玉米粉、糯米粉與大豆粉三種谷物為原料,通過單因素實驗與響應面法,得出玉米粉、糯米粉、大豆粉配比為3∶3∶4時,無麩質(zhì)饅頭感官品質(zhì)最好.
面條制作歷史悠久,消費人群遍布全球,因地理環(huán)境與生活方式的差異,制作方法也有區(qū)別.無麩質(zhì)面條是直接用多種谷物如大米、玉米及其淀粉生產(chǎn)的,具有良好的營養(yǎng)價值,可以通過調(diào)節(jié)腸道健康預防多種疾病[22].李康等[23]利用粳米粉與玉米粉復配制作意大利面,研究表明,在玉米粉、粳米粉添加量3∶7時,面條內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊實,蒸煮特性與質(zhì)構(gòu)特性均最佳.Ferreira等[24]用高粱、大米、玉米和馬鈴薯淀粉制成意大利面,對15種配方進行感官測試,結(jié)果表明,高粱、大米、馬鈴薯粉配比40∶20∶40為最佳配方,該配方制作的面條具有最佳的密度、收率,且蒸煮損失最小.
秈米粉作為在面條加工中面粉的替代物,秈米粉中的直鏈淀粉能增加面條彈性,支鏈淀粉提高面條柔軟度.Jeong等[25]通過以不同直鏈淀粉含量的米粉為原料,添加玉米醇溶蛋白制作無麩質(zhì)面條,研究玉米醇溶蛋白作為面筋代替物的作用;實驗表明,添加玉米醇溶蛋白能有效地提高面團的穩(wěn)定性,面條硬度與米粉中直鏈淀粉含量呈正相關(guān),抗延展性更好.
改良劑是無麩質(zhì)制品生產(chǎn)中的重要添加物,起到模擬面筋在制品中黏彈性以及提高營養(yǎng)價值等作用,單一的原料無法滿足制作高品質(zhì)無麩質(zhì)制品的需要.常見的改良劑主要為親水膠體、酶類、蛋白質(zhì)類以及鹽類等[26].
親水膠體可以改善無麩質(zhì)制品的質(zhì)地,使之與小麥制品品質(zhì)相接近.羥丙基甲基纖維素、黃原膠、瓊脂和混合的水膠體可以成功地模擬麥谷蛋白,還起到乳化、增稠等作用[10].Liu等[27]研究不同濃度的羥丙基甲基纖維素、羧甲基纖維素、黃原膠和蘋果果膠,對無筋馬鈴薯饅頭面團熱機械性能和淀粉體外消化率的影響,結(jié)果表明,添加親水膠體可顯著提高馬鈴薯面團的糊化溫度(P<0.05),吸水率提高10%,饅頭具有較高的比容和較低的硬度,可作為無筋馬鈴薯饅頭的改良劑.Julianti等[28]在甘薯粉、大豆粉、玉米淀粉基礎(chǔ)上,加入黃原膠,經(jīng)優(yōu)化得到馬鈴薯粉40%,玉米淀粉40%,大豆粉19.5%、黃原膠0.5%,面包具有較高的感官品質(zhì).
菊粉是一種果聚糖,同時也是親水膠體,它是由基于果糖的低聚物和多糖組成的水溶性非均相混合物,含有一個或多個果糖-果糖鍵,對人體消化道微生物菌群有多重作用[29].由于菊粉具有較多的親水基團,添加菊粉的面制品有優(yōu)良的保水能力[30],菊粉這類果聚糖與淀粉爭奪水分,阻礙淀粉的吸水膨脹,延緩淀粉的回生[31].Ziobro等[32]以淀粉、果膠和瓜爾豆膠為基礎(chǔ),添加不同聚合度的菊糖制劑(HSI,DP<10、GR,DP≥10和HPX,DP>23)生產(chǎn)無麩質(zhì)面包.研究發(fā)現(xiàn),加入3種菊粉均能提高面包的比容,降低硬度,且低聚合度菊粉(HSI、GR)組面包品質(zhì)優(yōu)于高聚合度菊粉組.Korus[33]研究益生元(菊粉、低聚糖糖漿和無苦菊苣粉)添加對無麩質(zhì)面包品質(zhì)的影響.分別添加3%、5%、8%上述益生元制作面包烘焙并儲存48 h.結(jié)果表明,添加中劑量的益生元對無麩質(zhì)面包的感官特性影響最大,5%菊糖的面包感官評分最高.
木聚糖酶將不溶性阿拉伯木聚糖分解為可溶性阿拉伯木聚糖,可溶性阿拉伯木聚糖具有優(yōu)良的吸水能力[39].同時木聚糖酶同其他酶復配使用,進一步提高無麩質(zhì)制品品質(zhì).Susanna等[40]研究發(fā)現(xiàn),在面條生產(chǎn)中添加蛋白酶和木聚糖酶,有效降低蒸煮損失與面條的硬度.
無麩質(zhì)原料與蛋白質(zhì)類改良劑搭配使用,有助于原料中淀粉與改良劑相互作用,同時促進蛋白質(zhì)間交聯(lián),產(chǎn)生多種肽類以及風味物質(zhì),提高了無麩質(zhì)食品的營養(yǎng)價值[1].無麩質(zhì)制品加工中常用蛋白質(zhì)類改良劑為動植物蛋白,如乳清蛋白、大豆蛋白、酪蛋白以及新型蛋白質(zhì)改良劑向日葵蛋白等,在無麩質(zhì)制品的生產(chǎn)過程中,通常多種蛋白質(zhì)改良劑復配使用,提高改良效果.
Shin等[41]研究乳清蛋白、酪蛋白和大豆蛋白等蛋白對無蠟米粉制備無麩質(zhì)白面包的影響表明,含乳清蛋白和大豆蛋白的大米面包的比容增大,大米面包的硬度較低.Zette等[42]以馬鈴薯和玉米淀粉為原料,輔以玉米粉和米粉,添加向日葵蛋白(SP),結(jié)果表明,添加1%的向日葵蛋白后,比容增加,此外,在貯藏一定時間后,硬度低于普通面包.Ziobro等[43]在研究蛋白質(zhì)改良劑(白蛋白、膠原蛋白、豌豆蛋白、羽扇豆蛋白、大豆蛋白)對無麩質(zhì)面包的影響中發(fā)現(xiàn),大多數(shù)蛋白質(zhì)制劑顯著降低了面包的硬度和咀嚼性,增強了抗老化作用.此類改良劑不僅可以改善制品感官品質(zhì),也可彌補部分無麩質(zhì)食品中蛋白質(zhì)不均衡等問題.
目前,鹽類如檸檬酸鈣、酪蛋白酸鈣、碳酸鈣、焦磷酸鐵等常被用作無麩質(zhì)制品改良劑.在一定的pH與離子強度的條件下,酪蛋白/酪蛋白酸鹽可代替-S-S-鍵與鈣離子結(jié)合,形成類似于面筋的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)[44],提高制品比容以及咀嚼性,有助于改善制品感官品質(zhì),同時彌補無麩質(zhì)制品中必需營養(yǎng)素缺乏等問題.
Kozak等[45]研究單獨和聯(lián)合添加酪蛋白酸鈣和檸檬酸鈣兩種有機鈣對無麩質(zhì)面包品質(zhì)的影響,結(jié)果表明,檸檬酸鈣能顯著增加面包的比容且聯(lián)合使用能增加面包的風味與彈性,感官品質(zhì)更佳.Krupa等[46]研究了不同有機和無機鈣源(乳酸鈣、檸檬酸鈣、氯化鈣和碳酸鈣)對含菊粉無麩質(zhì)面包的強化作用,研究顯示,鈣鹽的添加量影響著面團的流變特性,添加碳酸鈣和檸檬酸鈣使面團在加熱和冷卻時的稠度增加,且面包氣孔更大且均勻,添加碳酸鈣的無麩質(zhì)面包感官評分最高.
發(fā)芽技術(shù),即通過激活原料中一些殘余酶通路的生物技術(shù)[47],在發(fā)芽的過程中,谷物的糊化、流變特性與淀粉顆粒形態(tài)發(fā)生改變,可能是由于多種酶對淀粉的酶解作用,同時多種營養(yǎng)成分生成,從而提高了無麩質(zhì)原料的營養(yǎng)價值.研究表明,對某些無麩質(zhì)原料進行發(fā)芽處理,可減少原料中的抗營養(yǎng)因子(如植酸),增加蛋白質(zhì)和淀粉的消化率,并提高一些礦物質(zhì)的生物利用率[48].
目前發(fā)芽處理的主糧作物,被認為是無麩質(zhì)食品原料的主要來源.Singh等[49]利用發(fā)芽藜麥制作曲奇發(fā)現(xiàn),發(fā)芽處理的藜麥粉中蛋白質(zhì)、膳食纖維、總酚含量均有所提高,脂肪含量下降,發(fā)芽藜麥曲奇抗氧化活性與總膳食纖維均高于未發(fā)芽處理組.Cornejo等[50]研究發(fā)現(xiàn)發(fā)芽的糙米粉水化特性和糊化特性發(fā)生了顯著變化(P<0.05),發(fā)芽處理24 h的糙米制成的無麩質(zhì)面包感官品質(zhì)最佳,超過48 h,α-淀粉酶強烈作用導致糙米粉過度液化與糊化,致使面包品質(zhì)下降.
因此谷物發(fā)芽有助于提高無麩質(zhì)原料的質(zhì)量與促進營養(yǎng)功能的作用,也是近些年來對無麩質(zhì)原料改良重要途徑與方法.
原料改性主要是對無麩質(zhì)原料中淀粉改性,常見為化學改性、物理改性等,賦予面制品“增筋”、低GI、慢消化等功能[51].化學改性主要是對原料進行酸化、磷酸化等處理,使得改性后原料中的淀粉與蛋白質(zhì)等物質(zhì)構(gòu)建穩(wěn)定結(jié)構(gòu),其次可改善風味,增強酶活性,延緩回生作用[52].磷酸化是在淀粉鏈中引入帶負電荷的磷酸基,能減少相鄰淀粉鏈之間的斥力和直鏈與支鏈之間的締合,增加淀粉水化能力,減緩回生趨勢[53].Marston等[54]研究米粉的磷酸化對無谷蛋白面包的工藝性能的影響發(fā)現(xiàn),磷酸化米粉面包比普通米粉面包硬度更小,保水性、抗老化作用更好.
物理改性通常采用加熱、微波等方式處理無麩質(zhì)原料,加熱工藝分為干熱與濕熱兩種.通過熱處理谷物原料,如高粱、玉米,使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變,淀粉顆粒間相互作用加劇,非晶區(qū)淀粉粒結(jié)合更緊密,同時增加了面糊的膨脹力、減少谷物本身的不良味道[55].Mastromatteo等[56]通過對高粱、玉米混粉面團濕熱處理制備無麩質(zhì)意大利面,發(fā)現(xiàn)面團初始水分(IWC)越高與注入蒸汽時長(SIT)越長,面條感官品質(zhì)較好,蒸煮損失率較低.可能由于高水分與蒸汽加熱條件下,淀粉顆粒吸水膨脹,形成物理網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),阻礙了淀粉在蒸煮過程中的釋放.宋晶晶[57]對大米粉進行干熱處理研究,發(fā)現(xiàn)干熱處理使得大米粉糊化溫度與峰值黏度下降,且吸油率提高,可能是由于淀粉與蛋白質(zhì)相互作用,影響了淀粉的糊化作用.
微波處理技術(shù)是利用高頻率電磁場的電磁波對物料中的極性分子或基團進行加熱處理,使物料中的淀粉、蛋白質(zhì)、膳食纖維等物質(zhì)發(fā)生變化的技術(shù)[58].Sandra等[59]利用微波預處理的大米粉制作大米面包,研究發(fā)現(xiàn),對含水量25%的米粉微波處理4 min,制作的大米面包較未處理組比容更大.Manuel等[60]研究了微波輔助熱濕法(MW)對米粉的物理改性,分別對初始含水量20%、30%兩種米粉進行改性處理,結(jié)果顯示,制作的面包比容較未處理組更大,感官評價更佳.
無麩質(zhì)原料改性是在無麩質(zhì)制品工藝中便捷、經(jīng)濟、安全的改良技術(shù),進一步彌補了部分改良劑價格偏高、劑量難以把握等缺點,通過對無麩質(zhì)原料進行物理、化學改性,賦予其特定功能,有助于進一步解決無麩質(zhì)制品開發(fā)難題.
酸面團發(fā)酵技術(shù),即通過向無麩質(zhì)原料中添加植物乳酸菌、酵母等菌種,后在適宜的溫度下發(fā)酵,在此過程中面團產(chǎn)生大量CO2、醛酮、胞外多糖等物質(zhì)[61].酸面團發(fā)酵過程中,酶(蛋白酶、淀粉酶和植酸酶)的活性較強,降低了面制品的老化速率,延長無麩質(zhì)制品的貨架期.同時,植酸酶的活性增加了礦物質(zhì)成分的生物利用率,降低植酸含量,從而提高了面制品的營養(yǎng)價值.酸面團中微生物的生長代謝有益于對麩質(zhì)蛋白的降解,降低面制品的致敏性[62].
Dingeo等[63]以畫眉草粉為原料,加入以植物乳植物芽孢桿菌、發(fā)酵乳桿菌和釀酒酵母復合發(fā)酵劑,按4個不同添加量(0、5%、10%、15%)制作松餅.結(jié)果顯示,酸面團發(fā)酵制作的松餅總游離氨基酸增加,植酸含量降低,松餅還有較強體外抗氧化活性和霉菌抑制活性,延長了貨架期.Moore等[64]使用的3株乳酸菌分別是植物乳桿菌(2115KW)、植物乳桿菌(FST 1.11)和舊金山乳桿菌(TMW 1.52),分別加入無麩質(zhì)原料中發(fā)酵,用未酸化的對照品和化學酸化的酸面團,制作無麩質(zhì)面包并比較其面包特性,結(jié)果表明,酸面團能改善無麩質(zhì)面包的老化作用.Nami等[65]研究利用4種不同的乳酸菌組合而成的酸面團對珍珠粟粉面包的理化性質(zhì)、消費者接受度和保質(zhì)期的影響,結(jié)果表明,添加酸面團的無麩質(zhì)面團,pH值下降,彈性提高,比傳統(tǒng)珍珠粟粉面包更好地保持水分,抑制霉菌生長,感官品質(zhì)更好.
綜合酸面團發(fā)酵技術(shù)的前沿研究可發(fā)現(xiàn),此項改良技術(shù)對改善無麩質(zhì)制品的質(zhì)構(gòu)特性,如彈性以及延長貨架期等方面有重要作用,其影響可以在某種程度上取代一些為改善無麩質(zhì)制品老化作用而添加的食品添加劑.
乳糜瀉等麩質(zhì)不耐癥發(fā)病率逐年上升,無麩質(zhì)制品需求量不斷增大,尤其是發(fā)現(xiàn)無麩質(zhì)制品對糖尿病、心血管疾病和緊張情緒的有益作用,更助推了無麩質(zhì)制品的發(fā)展.由于無麩質(zhì)制品由于缺乏面筋蛋白,使得感官品質(zhì)欠佳,商品性不好,消費者接受程度不高.食品科技工作者對無麩質(zhì)食品的加工做了全面而細致的工作,包括對原材料和工藝改良即生物、物理、化學改性,輔以多種酶即親水膠體、有機酸及礦物質(zhì)等改良劑以改善品質(zhì),獲得了顯著效果,豐富了無麩質(zhì)制品的種類.近年來,大多數(shù)提高無麩質(zhì)制品質(zhì)量的方法,主要在添加外源物質(zhì)以代替面筋網(wǎng)絡上,其次對無麩質(zhì)原料的改性成為研究重點,其中酸面團發(fā)酵技術(shù)可有效改善制品的質(zhì)構(gòu)特性,經(jīng)發(fā)芽處理的谷物也成為制品重要原料之一.除此之外,研究較少的非傳統(tǒng)烘焙技術(shù),如歐姆加熱、微波輔助焙烤等,以其成本低、可靠性高等特點可能成為改善無麩質(zhì)制品質(zhì)量的新領(lǐng)域.
隨著無麩質(zhì)食品產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展與相關(guān)制品的普及,研究人員發(fā)現(xiàn)長期食用無麩質(zhì)制品的人群面臨著一些健康挑戰(zhàn),如無麩質(zhì)制品中常含大量油脂與熱量,維生素、礦物質(zhì)相對缺乏.無麩質(zhì)原料如大米中易富集砷、鎘等重金屬,長期食用無麩質(zhì)制品易造成血液重金屬超標,引發(fā)健康問題[66].Davis等[67]在對美國長期保持大米類無麩質(zhì)制品的成人與兒童調(diào)查發(fā)現(xiàn),尿液中重金屬含量與攝入大米量呈正相關(guān).Littlejohns等[68]進行了一項無麩質(zhì)飲食的全基因組關(guān)聯(lián)研究(GWAS),對124 447名年齡在40~69歲之間的男女進行了調(diào)查,結(jié)果發(fā)現(xiàn),無麩質(zhì)飲食人群患心腦血管疾病風險更低,但血液和免疫紊亂以及消化系統(tǒng)疾病的患病率較高,腸道微生物種群組成失衡,這種狀況促進了炎癥的發(fā)生和代謝損傷.Caio等[69]研究發(fā)現(xiàn)在健康的受試者中,無麩質(zhì)飲食導致有益物種(如雙歧桿菌)數(shù)量減少,而條件致病菌(如腸桿菌科和大腸桿菌)增多.同時,在乳糜瀉和小麥過敏患者中,通過幫助恢復微生物群數(shù)量和降低促炎癥物種,對胃腸道(微生態(tài))產(chǎn)生了積極的影響.
然而,無麩質(zhì)食品對人體健康的全面評估資料還十分缺乏,營養(yǎng)素均衡性研究未見系統(tǒng)報道,其長期食用的有益有害作用還未充分顯現(xiàn),制品的感官特性和商品性仍然次于常規(guī)食品等,這些問題都是食品工作者需要探討的研究方向.