发芽高粱无麸质蛋糕的制备及品质优化

麸质，即面筋蛋白，是小麦、黑麦、大麦、燕麦及其杂交种和衍生种中含有的一类蛋白质片段[1]。部分人群对麸质先天过敏，摄入含麸质的食品会破坏他们的肠道表皮细胞，从而诱发乳糜泻疾病[2]。近年来，随着病理学研究的深入和诊断手段的更新，我国乳糜泻病发案例报道不断增加，尤其是以小麦为主食的北方地区居民[3]。目前，治疗乳糜泻的唯一方式就是严格控制含麸质食品的摄入。国际食品法典委员会(Codex Alimentarius Commission，CAC) 规定，不含小麦(即所有小麦品种)、黑麦、大麦、燕麦及其杂交品系的食品组分所制成的食品；或者是含有上述组分，但经加工处理已去除麸质或麸质含量低于20 mg/kg即为无麸质食品[4]。

当前国外市场上已有较成熟的无麸质食品，而我国对无麸质食品的研究仍处于起步阶段。高粱，不含麸质，是世界上产量仅次于稻米、小麦、玉米及大麦的第五大粮食作物，它不仅可为人体提供所需营养物质，还有一些保健功能。中医认为，高粱性味甘、涩、温，有和胃、消积、温中、止泻等功效，主治脾虚湿困、消化不良、小便不利等病症[5]。但目前我国高粱仍以饲用和酿造为主，在食用方面仍停留于传统的加工方式，利用价值较低。一方面是由于高粱自身抗营养因子单宁含量高、赖氨酸缺乏、蛋白质品质不佳以及食味性较差[6]，使其在食品方面的加工应用受到限制，加工技术的研究远远滞后于其他粮食作物。另一方面，高粱不含面筋蛋白，它的缺失会影响无麸质食品的成型，造成产品结构疏松，口感、质地以及感官品质较差。本课题组前期研究表明，将高粱发芽处理可提高氨基酸和γ-氨基丁酸含量，降低抗营养因子单宁和植酸含量，有效改善了高粱营养品质。因此，本实验将发芽高粱粉用于制作无麸质蛋糕，并针对其缺乏面筋蛋白带来的品质问题，探讨大米粉和不同添加剂对无麸质蛋糕的品质改良作用，以期利用不同辅料和复合添加剂的协同增效作用，开发出一款健康美味的无麸质高粱蛋糕，为高粱在食品加工方面的应用及无麸质食品的开发提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

白高粱种子产自江苏省沭阳县新河镇，市售；鸡蛋、玉米油、大米粉，成都市沃尔玛超市(红光店)；大豆卵磷脂、羟丙基甲基纤维素(hydroxypropyl methyl cellulose，HPMC)，浙江一诺生物科技有限公司；木糖醇，山东龙力生物科技股份有限公司。

NDJ-1 旋转黏度计，浙江力辰仪器科技有限公司；TA-XT2i质构仪，英国 Stable Micro System有限公司；DDQ-B01K1打蛋器，小熊电器股份有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 发芽高粱的制备

参考易翠平等[7]的高粱发芽实验：挑选高粱籽粒，确保没有破损颗粒和其他杂质。将浸泡20 h后的高粱用7.0%的H2O2溶液消毒15 min，再用去离子水反复冲洗。然后将高粱籽粒平铺于双层纱布之间，于30 ℃、无光条件下发芽48 h，为防止发霉，每隔12 h清洗高粱和纱布并洒水。发芽完成后置于40 ℃烘箱中干燥，待水分含量降至13%左右，取出粉碎过120目筛，于4 ℃冷藏保存、备用。

1.2.2 无麸质蛋糕配方及工艺流程

通过预实验确定小麦粉蛋糕配方(对照1)：小麦粉100 g，玉米油30 g，鸡蛋200 g，白砂糖60 g，牛奶50 g。

无麸质高粱蛋糕基础配方(对照2)：高粱粉100 g，玉米油30 g，鸡蛋200 g，白砂糖60 g，牛奶50 g。

无麸质高粱蛋糕改良配方：高粱粉与大米粉共100 g，玉米油30 g，鸡蛋200 g，白砂糖与木糖醇共60 g，牛奶50 g，HPMC 0.3 g，大豆卵磷脂0.3 g。

工艺流程参照王雪[8]的蛋糕糊制作步骤，将得到的蛋糕面糊注模后置于蒸锅中蒸制25 min。

1.2.3 无麸质蛋糕工艺配比优化设计

1.2.3.1 单因素试验设计

按1.2.2的改良配方：

(1)固定木糖醇10 g, 改变大米粉添加量(0、10、20、30、40、50 g)，探讨大米粉添加量对蛋糕面糊及蛋糕品质的影响。

(2)固定大米粉30 g，改变木糖醇添加量(0、10、20、30、40、50、60 g)，探讨木糖醇添加量对蛋糕面糊及蛋糕品质的影响。

(3)固定大米粉30 g、木糖醇30 g，改变HPMC添加量(0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 g)，探讨HPMC添加量对蛋糕面糊及蛋糕品质的影响。

(4)固定大米粉30 g、木糖醇30 g、HPMC 0.4 g，改变大豆卵磷脂添加量(0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 g)，探讨大豆卵磷脂添加量对蛋糕面糊及蛋糕品质的影响。

1.2.3.2 正交试验设计

在单因素试验结果的基础上，采用 L9(34)表通过正交试验设计确定无麸质高粱蛋糕最佳工艺配方，实验因素水平见表1。

表1 正交试验因素水平表 单位：g

Table 1 Orthogonal experiment factor level table

1.2.4 蛋糕面糊黏度测定

采用数字式黏度仪在室温下测量蛋糕面糊黏度，选用2号转子，转速6 r/min，待读数稳定时读取蛋糕糊的黏度值。

1.2.5 蛋糕面糊密度测定

采用相对密度法[9]进行测定。按公式(1)计算：

ρ=ρ水

(1)

式中：ρ，面糊密度，g/mL；m0，密度杯质量，g；m1，装满蒸馏水的密度杯质量，g；m2，装满面糊的密度杯质量，g；ρ水，水的密度为1.0 g/mL。

1.2.6 蛋糕比容的测定

采用油菜籽替换法[10]，将蒸制好的蛋糕在室温下冷却1 h后进行测定，按公式(2)计算：

(2)

式中：SV，蛋糕比容，mL/g；V，蛋糕体积，mL；m，蛋糕质量，g。

1.2.7 蛋糕质构的测定

蛋糕室温冷却1 h后，将其切成15 mm的正方体，采用 TA.XT2i 型质构仪进行TPA 测试。测定条件：探头型号为P/36，测试前、中、后速度分别为1.0、3.0、1.0 mm/s，触发感应力5 g，压缩比40%。

1.2.8 蛋糕感官品质的测定

参照文献[11]的方法，挑选10位经培训的感官评定成员，采用九分评价法对蛋糕口感、柔软度、外观、色泽和整体可接受度5个指标进行评定。1为非常不喜欢，5为既不喜欢也不讨厌，9为非常喜欢。

1.2.9 统计分析

所有实验数据用Excel 2010分析处理，利用Origin 8.5作图，通过SPSS 19.0进行显著性检验(P<0.05)，结果以均值±标准差表示。

2 结果与讨论

2.1 改良前无麸质高粱蛋糕与小麦粉蛋糕品质对比

由表2可知，高粱蛋糕(对照2)面糊的黏度和密度显著(P<0.05)低于小麦蛋糕(对照1)面糊；高粱蛋糕比容略低于小麦粉蛋糕(P>0.05)，硬度和咀嚼性显著高于小麦蛋糕(P<0.05)，需进一步改善；弹性优于小麦粉蛋糕；在感官品质上，高粱蛋糕口感、柔软度、外观、色泽以及整体可接受性均显著低于小麦粉蛋糕。综上所述，无麸质高粱基础配方蛋糕与小麦粉蛋糕进行品质对比，发现无麸质高粱蛋糕相比小麦粉蛋糕存在较多不足之处，还需进一步的改良。

表2 无麸质高粱蛋糕与小麦粉蛋糕品质对比
Table 2 Quality comparison between gluten-free sorghum cake and wheat cake

注：同行不同字母表示数值之间差异显著(P<0.05)

2.2 改良无麸质高粱蛋糕制作工艺及配方单因素分析

2.2.1 大米粉添加量对高粱蛋糕品质的影响

大米是目前应用最多的优质无麸质原料之一，将其与其他无麸质原料复合使用可改善产品品质特性。由图1可知，随着大米粉添加量的增加，蛋糕面糊黏度和密度都呈先降后升的趋势。这可能是因为高粱中粗纤维含量较米粉高，保水性好[12]，米粉添加后纤维含量相对降低，保水性减弱，导致水分溢出，面糊流动性变大，黏度降低(P>0.05)；发芽高粱粉淀粉含量较低，随着大米粉添加量的继续增大，淀粉比例增加，使得面糊黏度增加(P<0.05)。面糊的黏度会影响面糊中气泡的移动和融合，进而影响面糊密度，面糊黏度过低，流动性变大，进而引起面糊消泡，导致面糊密度增加；面糊黏度过大，蛋白霜内部气泡难以融入蛋黄糊中，使得面糊内部气泡量减少，从而导致其密度的增加[8]。面糊密度体现鸡蛋液混合面粉、油、水搅拌过程中的持气和充气能力，进而影响蛋糕的比容[13]。

图1 大米粉添加量对高粱蛋糕面糊品质的影响
Fig.1 Effect of rice flour on the quality of sorghum cake batter

由表3可知，随着大米粉添加量的增加，蛋糕比容先增后降，大米粉添加量为30 g时，比容最大为2.838 2 mL/g。比容越大，单位质量蛋糕的体积越大，蛋糕越松软。质构特性包括硬度、弹性、咀嚼性等指标，是衡量蛋糕品质的重要指标。硬度和咀嚼性越低，蛋糕越松软，口感越好；弹性表示蛋糕变形后能恢复的程度，弹性越大，蛋糕越柔软。随着大米粉添加量的增加，弹性先升后降，硬度和咀嚼性正好相反，这是因为适量的米粉添加可提高蛋糕糊的起泡性和泡沫稳定性[14]；当大米粉添加过多，淀粉含量增大会使面糊的黏度增加，大量的蛋白质分子会吸附到界面上较难展开，进而影响搅打时蛋白质形成较大界面面积和泡沫体积的能力，使蛋糕硬度增大[15]。同时，过多的淀粉会降低蛋白的起泡性，蛋糕面糊内泡沫减少，从而使得蛋糕弹性变差。

表3 大米粉添加量对高粱蛋糕比容和质构特性的影响

Table 3 Effect of rice flour on specific volume and texture characteristics of sorghum cake

注：同列不同小写字母表示数值之间差异显著(P<0.05)(下同)

如图2所示，适当的大米粉添加量可改善高粱蛋糕品质，但添加量过高，品质出现了下降趋势。大米粉添加量对蛋糕口感、柔软度、外观和色泽均有很大的影响，添加量为30 g时，高粱蛋糕整体可接受性最高为7.6分。口感和柔软度与蛋糕质构有一定的相关性，硬度越低、弹性越大，蛋糕更加松软可口；与高粱粉相比，大米粉色泽光洁，可改善蛋糕色泽；外观的变化可能与面糊黏度相关，面糊黏度过大，蛋糕硬度增加，表面出现细微裂纹；面糊黏度过低，蒸制过程中会造成气泡上浮到表面并很快逸出，不利于蛋糕组织结构的形成，蛋糕表面塌陷，形状不规整。

图2 大米粉添加量对高粱蛋糕感官评分的影响
Fig.2 Effect of rice flour on sensory score of sorghum cake

综上所述，大米粉添加量为30 g(大米粉与发芽高粱粉共100 g)时，高粱蛋糕感官整体可接受性最高，比容最大，质构特性较好。

2.2.2 木糖醇添加量对高粱蛋糕品质的影响

木糖醇是目前市场上最常用的功能性糖醇，热量较低，甜度与白砂糖相当，它还可通过影响蛋液功能特性来改善蛋糕面糊以及蛋糕产品品质[16]。由图3可知，随着木糖醇添加量增加，面糊黏度下降，密度先降后升。与蔗糖相比，糖醇黏度较低，添加木糖醇后，相同搅打条件下，会降低鸡蛋液黏度，但不影响起泡性和泡沫稳定性，在搅拌过程中有利于气体充分进入到面糊体系中，并能够较好的保持[16]，密度也随之下降；但面糊黏度过低，会造成面糊持气性和稳定性下降，面糊密度增加[17]。

图3 木糖醇添加量对高粱蛋糕面糊品质的影响
Fig.3 Effect of xylitol on the quality of sorghum cake batter

表4是高粱蛋糕比容和质构测定结果。随着木糖醇添加量的增加，比容先增后降，木糖醇添加30 g时，比容最大为2.865 4 mL/g。但木糖醇添加过多，过低的面糊黏度会降低面糊的持气性，使得蒸制过程中气泡在浮力的作用下不断上浮并逸出表面；面糊黏度过低，气泡上升速度就大，影响蛋糕结构的形成，因而蛋糕比容减小[18]，弹性也因此下降。质构测定结果发现高粱蛋糕弹性呈先升后降的趋势，硬度呈波动上升趋势，这可能是因为添加木糖醇后，鸡蛋液受热形成凝胶的硬度增加引起的[16]；咀嚼性无显著变化(P>0.05)。

表4 木糖醇添加量对高粱蛋糕比容和质构特性的影响
Table 4 Effect of xylitol on specific volume and texture characteristics of sorghum cake

由图4可知，适当的添加木糖醇，蛋糕整体可接受性提高，添加量为30 g时，整体可接受性最高为7.9分。木糖醇的添加对蛋糕色泽无明显影响(P>0.05)；口感和柔软度与蛋糕比容和弹性变化趋势基本一致，比容和弹性越大，蛋糕的口感和柔软度也更好；外观在开始无太大变化，之后可能是因为过量木糖醇使黏度过低导致蒸制过程中气泡逸出，蛋糕塌陷，形状不规整。综上所述，木糖醇添加量为30 g(白砂糖与木糖醇共60 g)时，高粱蛋糕感官整体可接受性最高，比容最大，质构特性较好。

图4 木糖醇添加量对高粱蛋糕感官评分的影响
Fig.4 Effect of xylitol on sensory score of sorghum cake

2.2.3 HPMC添加量对高粱蛋糕品质的影响

亲水性胶体可模拟面筋蛋白网络以增强黏弹性，从而弥补无麸质食品中面筋缺乏带来的不良影响。如图5所示，随着亲水胶体HPMC添加量的增加，面糊黏度显著上升(P<0.05)，密度先下降后升高。这是因为HPMC与淀粉链结构相似，相容性好；且HPMC具有良好的持水性和黏稠性，能黏结淀粉颗粒并降低其流动性，使得面糊黏度增加[19]。适当的面糊黏度可降低面糊密度；当HPMC添加过多，面糊太过黏稠，限制气泡的膨胀，面糊密度增大[20]。

图5 HPMC添加量对高粱蛋糕面糊品质的影响
Fig.5 Effect of HPMC on quality of sorghum cake batter

高粱蛋糕比容和质构特性变化如表5所示，适当添加HPMC有助于增加蛋糕比容，添加量为0.4 g时，比容最大为2.925 1 mL/g。这是因为HPMC属于纤维素衍生物类亲水胶体，具有结晶的网络结构，能够较好地保持面糊中的气体，避免蒸制过程中气泡的扩散消失，以保证蛋糕具有更高的比容；但是，当HPMC添加量超过0.4 g，由于其吸水性和黏稠性太强，使得高粱蛋糕在蒸制过程中难以膨胀，比容降低[21]。随着HPMC添加量增加，弹性先上升后下降，硬度和咀嚼性呈相反趋势。这说明适量添加HPMC可以改善高粱蛋糕质构特性；添加量超过0.4 g之后，由于黏度过高，蛋糕糊中融入的气泡减少和淀粉糊化程度降低[22]等原因间接导致蛋糕硬度的增加。

表5 HPMC添加量对高粱蛋糕比容和质构特性的影响

Table 5 Effect of HPMC on specific volume and texture characteristics of sorghum cake

图6 HPMC添加量对高粱蛋糕感官评分的影响
Fig.6 Effect of HPMC on sensory score of sorghum cake

图7 大豆卵磷脂添加量对高粱蛋糕面糊品质的影响
Fig.7 Effect of soybean lecithin on quality of sorghum cake batter

添加HPMC后高粱蛋糕感官品质的变化如图6所示，适当添加HPMC有利于提高高粱蛋糕感官品质，添加量为0.4 g时，蛋糕整体可接受性最高为8.2分。不同HPMC添加量的高粱蛋糕色泽没有明显差异(P>0.05)；口感、柔软度的变化同样和比容和弹性变化趋势一致；外观得分先增后降，这与大米粉添加量变化造成蛋糕外观变化的原因一致，与面糊黏度有关。综上所述，HPMC添加量为0.4 g时，高粱蛋糕感官整体可接受性最高，比容最大，质构特性较好。

2.2.4 大豆卵磷脂添加量对高粱蛋糕品质的影响

乳化剂是一种表面活性物质，具有促进乳液或充气食品稳定的作用。在烘焙行业中，大豆卵磷脂是常见的一种乳化剂。如图7所示，随着大豆卵磷脂添加量的增加，面糊黏度不断增加(P<0.05)，这是因为乳化剂的添加能够增强与水的结合能力，减少游离水的含量，从而减低面糊流动性，面糊黏度增加[23]；这将有助于面糊在搅拌过程中充气，并降低泡沫从面糊中扩散出来的速度，有助于提高泡沫的稳定性，这也正是密度下降的原因。另外，乳化剂可以通过降低液相和气相之间的张力来辅助曝气，从而减少产生更大的界面面积所需的能量，有利于泡沫的形成和稳定[24]，使得面糊密度下降。

在蛋糕加工中，乳化剂可以促进油脂乳化分散，使产品体积膨胀，结构疏松[18]。不同的乳化剂添加量会影响蛋糕品质，若添加量较低，鸡蛋蛋白分子与乳化剂分子在水和空气界面上会相互竞争、难以相容，从而降低蛋白的起泡性，泡沫稳定性也会下降；乳化剂添加量过高，会增大面糊体系的内聚力，不利于蛋糕组织结构的形成，体积反而会有所降低[25]。而适宜的添加量会使乳化剂分子在空气-水界面上形成完整紧密的膜层，在膜层外面再覆盖一层蛋白质分子，这种双重膜层的泡沫结构具有更好的稳定性，即使受到不断搅打，泡沫也不易破裂消失，保证蛋糕具有较高的比容[26]。如表6所示，比容随着大豆卵磷脂添加量的增加而增加，添加量为0.5 g时比容最大为3.035 8 mL/g；添加量超过0.5 g之后，比容有所下降。蛋糕硬度和咀嚼性呈下降趋势，弹性增加，添加量为0.5 g时弹性最大，这可能是因为乳化剂与淀粉形成复合物，降低了淀粉的吸水溶胀能力，糊化温度升高，使得体系中的大量水分向蛋白质迁移，从而增加蛋糕的柔软性[9]。

表6 大豆卵磷脂添加量对高粱蛋糕比容和质构特性的影响

Table 6 Effect of soybean lecithin on specific volume and texture properties of sorghum cake

图8 大豆卵磷脂添加量对高粱蛋糕感官评分的影响
Fig.8 Effect of soybean lecithin on sensory score of sorghum cake

乳化剂能改善体系各组分间的表面张力，使之形成均匀分散的乳化体，从而改善食品的组织结构、口感和外观。如图8所示，大豆卵磷脂添加量为0.5 g时，感官整体可接受性最高为8.4分。色泽依然无明显变化；口感、柔软度与蛋糕比容和弹性有关，比容和弹性越大，蛋糕的口感和柔软度也更好；外观的变化依然与黏度有一定关系。综上所述，大豆卵磷脂添加量为0.5 g时，高粱蛋糕感官整体可接受性最高，比容最大，质构特性较好。

2.3 无麸质高粱蛋糕工艺配方多因素分析

在单因素试验的基础上得出大米粉、木糖醇、HPMC和大豆卵磷脂的最佳添加比例，将这4个因素进行 L9(34)正交试验，以蛋糕比容和感官整体可接受度为标准进行研究，实验结果见表7。

通常来说，硬度和咀嚼性与蛋糕品质呈负相关，硬度、咀嚼性越小，蛋糕越松软可口，品质越好；弹性与蛋糕品质呈正相关，弹性越大，蛋糕松软度越高，比容增大[27]。因此，正交试验以比容和感官整体可接受性为指标确定高粱蛋糕最佳工艺配方。由表7可以看出，各因素对高粱蛋糕比容和感官整体可接受性影响的主次顺序为D>C>A>B，即大豆卵磷脂添加量对比容和感官整体可接受性的影响最大，其次是HPMC和大米粉，木糖醇的影响最小。各因素对比容影响的最优水平组合为A3B1C2D2，即大米粉40 g，木糖醇20 g，HPMC 0.4 g，大豆卵磷脂0.5 g；各因素对感官整体可接受性影响的最优水平组合为A3B1C2D3，即大米粉40 g，木糖醇20 g，HPMC 0.4 g，大豆卵磷脂0.6 g。

由于上述两组最优组合并不在9次实验中，需对其进行验证。分别按照最优水平组合A3B1C2D2和A3B1C2D3制作高粱蛋糕，测定其比容和感官品质，比容和感官整体可接受性分别为3.081 3 mL/g、8.5分和3.032 4 mL/g、8.3分，两者之间没有明显的差异。综合考虑各因素对高粱蛋糕比容和感官品质的影响，最终确定无麸质高粱蛋糕工艺配方最优配比为A3B1C2D2，即大米粉40 g，木糖醇20 g，HPMC 0.4 g，大豆卵磷脂0.5 g。在此工艺条件下做验证实验，蛋糕松软、比容大；表面色泽均匀，外形规整；口感绵软、细腻，无粗糙感，略有大米的米香味，其比容和感官整体可接受性均高于改良前的高粱蛋糕(2.621 3 mL/g、7.1分)(P<0.05)，而略低于此配方下的常规小麦粉蛋糕(3.103 7 mL/g、8.7分)，但差异不大(P>0.05)。

表7 正交试验结果
Table 7 Orthogonal experiment results

3 结论

针对发芽高粱蛋糕与普通小麦粉蛋糕之间的差距，选择添加大米粉、木糖醇、HPMC和大豆卵磷脂对无麸质高粱蛋糕进行品质改良。结果表明，适量的大米粉和3种添加剂可增大蛋糕比容和弹性，降低硬度，产品感官整体可接受性提高，但添加量过大会造成面糊黏度和密度变化而引起蛋糕品质下降。无麸质高粱蛋糕的最佳配方为：大米粉40 g，发芽高粱粉60 g，木糖醇20 g，白砂糖40 g，HPMC 0.4 g，大豆卵磷脂0.5 g，玉米油30 g，鸡蛋200 g，牛奶50 g。以此配方制得的无麸质高粱蛋糕松软、比容大；表面色泽均匀，外形规整；口感绵软、细腻，无粗糙感，略有大米的米香味。相比改良前，蛋糕比容和感官整体可接受性增加，与此配方下的常规小麦粉蛋糕无显著差异，说明将大米粉和3种添加剂复合添加到无麸质高粱蛋糕中具有良好的效果，显著改善了蛋糕品质。