X-射线和红外光谱研究马铃薯蛋糕老化特性

张仲柏，牛黎莉，汪 月，张 珍，魏晓岩，张盛贵

（甘肃农业大学 食品科学与工程学院，甘肃 兰州 730070）

蛋糕（Cake）是以面粉、鸡蛋、食糖等为主要原料，经搅打充气，辅以膨松剂，调制成发松的面糊，浇入模盘，通过烘烤或汽蒸而使组织松发的一种疏松绵软、适口性好、营养丰富且方便的食品，深受国内外消费者的青睐。老化是烘焙产品在贮藏过程中发生的包括物理、化学和感官品质等综合变化的复杂过程[1]，涉及到淀粉回生、水分迁移、淀粉-蛋白质之间的相互作用以及在非晶区内淀粉聚合物的重组等[2]，会导致蛋糕和面包等烘焙产品变硬、失去光泽、口感变粗糙、风味发生劣变等由于淀粉老化而引起的不良变化，从而降低消费者对产品的接受度和造成巨大的经济损失。蛋糕中含有较高比例的蔗糖和油脂，其老化速率慢于面包[3]，随着人们生活和消费水平的不断提高，追求低糖低脂、绿色保健的蛋糕已成为一种时尚和趋势。

目前，国内学者对烘焙产品的老化研究较少，而国外学者主要研究了用小麦面粉或大米粉制备的面包/蛋糕的老化，如Ribotta等[4]利用X-射线衍射研究了面包的老化特性；Hesso等[5]利用X-射线和差示扫描量热仪研究了蛋糕在贮藏期间淀粉和脂质的重结晶；Demirkesen等[1]通过X-射线和FTIR研究了用大米粉和板栗粉制备的无筋面包老化特性；Botosoa等[6]利用热重和DSC研究了蛋糕在20℃、相对湿度65%贮藏条件下的老化过程；Ji等[7]利用快速黏度仪、FT-IR和X-射线研究了大米蛋糕的老化特性；Curti等[8]通过核磁共振研究了面包在老化过程中水分的变化过程。但是，同时利用X-射线衍射和傅里叶变换红外光谱研究马铃薯蛋糕在贮藏期间的老化以及老化过程对蛋糕品质的影响未见有文献报道。

本文拟以X-射线衍射和红外光谱研究马铃薯蛋糕在贮藏期间（1、24、72、120、168 h）的老化特性，并利用TPA质构仪和色差计研究老化对蛋糕质构和色度的影响，以期为烘焙食品的贮藏保鲜加工提供一定的理论研究基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

马铃薯（大西洋品种）、高筋面粉（蛋白质含量22%）、鸡蛋、白糖、色拉油、蛋糕油、食盐均购于本地市场。

1.2 仪器与设备

DW-86L728型烤箱（青岛海尔特种电器有限公司）；HA-3157A型号电动打蛋器 （克莱美斯机电科技有限公司）；FA2004B电子天平（上海佑科仪器有限公司）；SCIENTZ-10ND真空冷冻干燥机（宁波新芝生物科技股份有限公司）；DW-86L486超低温冰箱（上海沪粤明科学仪器有限公司）；D/max 2500型X-射线衍射仪 （日本理学公司）；FTIR-650傅里叶变换红外光谱（天津港东科技发展股份有限公司）；TA-XTP1us物性测试仪 （Texture Analyser Stable Micro Systems公司）；CR-10型色差仪（日本柯尼卡美能达公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 马铃薯蛋糕配方及制作工艺 蛋糕配方：以高筋面粉100 g、鸡蛋3个、白糖60 g、色拉油10 g、蛋糕油2 g、食盐1 g、自来水37.5 g制作普通蛋糕；以高筋面粉50 g、马铃薯泥（含水量约75%）50 g、自来水0 g，其他物料的添加量不变，制作马铃薯蛋糕。具体操作要点如下：

1）挑选无病害马铃薯，清洗后去皮去芽眼，切块蒸制30 min，冷却后捣碎成泥，于4℃冷藏24 h待用；2）将蛋清和蛋黄分离，白糖、食盐和蛋糕油加入蛋清中，先用打蛋器低速搅打3 min，等蛋清发白时，高速搅打3 min至干性发泡倒出备用；3）将蛋黄置于打蛋机中打散，然后将马铃薯泥、色拉油加入继续搅打至均匀，缓慢加入面粉，搅打均匀，取1/3打发的蛋白加入面糊中低速搅拌均匀，最后加入剩余蛋白混合均匀；4）将已预热的蛋糕烤盘刷油，将调配好的蛋糕糊加注到模具总容量的2/3，放入烤箱烘烤，开始阶段底火、面火控制在180℃，烘烤15 min，后期底火不变，将面火升至200℃，继续烘烤10 min。烘烤后的蛋糕在室温下冷却1 h后用聚丙烯保鲜袋（PP）密封，在室温条件下贮藏待用。

1.3.2 样品的制备 将贮藏到不同时间段（1、24、72、120、168 h）的蛋糕样品置于-80℃超低温冰箱中冷冻，然后在冷冻干燥机中冷冻干燥48 h，冷冻干燥完的样品在研钵中研磨并过212 μm网筛[1]，用于测定X-射线和红外光谱。

1.3.3 X-射线衍射 采用日本理学公司D/max 2500型X-射线衍射分析仪，衍射条件为铜靶，电压40 kV，电流 40 mA，CuKα（λ=1.540 56Å）辐射，衍射角扫描区域 2θ=10～40°，扫描速度 4 （°）/min[1，4，7]。

1.3.4 傅里叶红外光谱 采用KBr压片法，按照1%的比例与KBr充分混合、研磨、压片后置于红外光谱仪上测试，扫描波数范围4 000～400 cm-1，分辨率为4 cm-1，采用DTGS检测器，以空气为空白[9-10]。

1.3.5 蛋糕质构测定 参照孙彩玲等[11]的方法，并略作修改，测定其在贮藏期间（1、24、72、120、168 h）硬度、咀嚼性、黏聚性和胶着性等质构特性的变化。试验参数设定如下：选用TPA压缩模式，探头型号P50，测试前速率 2.0 mm/s，测试速率 1.0 mm/s，测试后速率1.0 mm/s，两次压缩间隔时间2 s，压缩程度60%，感应力5g，数据提取速率200 pps，每个样品在相同条件下测量12组数据，选取8组相近数据求平均值。

1.3.6 色差测定 蛋糕色差测定参考Matos等[12]的方法，并略作调整。测定蛋糕在贮藏期间（1、24、72、120、168 h）蛋糕芯L*、a*、b*值的变化，其中，L*代表样品颜色亮度；a*、b*代表颜色色方向，+a*为红色方向，+b*为黄色方向。

1.3.7 数据分析 采用Excel 2007软件进行数据统计，用SPSS 19.0软件对数据进行差异显著性分析。

2 结果与讨论

2.1 X-射线衍射分析

由图1可知，蛋糕在烘焙结束1 h后，在2θ 12.5°和 20°出现峰衍射峰，当贮藏时间达到120 h时，在2θ 17°出现衍射峰，随着贮藏时间的增加，衍射峰峰形不变但强度增加，与普通蛋糕相比，马铃薯蛋糕降低了 2θ 12.5°、17°和 20°衍射峰的强度。 蛋糕中的直链淀粉通常在焙烤结束1 h后发生回生，在2θ 20°形成V-型结晶[1]，而支链淀粉在冷却贮藏过程中会发生较慢的回生，在 2θ 15°、17°、22.2°、24°会出现衍射峰，形成由支链淀粉回生产生的B-型结晶[1，4-5]，禾谷类淀粉的无定形峰出现在 2θ 12.5°[13]。因此，12.5°的衍射峰可能是由直链淀粉回生引起，而17°和20°的衍射峰分别是由支链淀粉回生和直链淀粉-脂质复合物所引起。马铃薯淀粉的直链淀粉含量（22%）低于小麦淀粉（24%），且其所含直链淀粉的链较长，聚合度约为1 000～6 000，故马铃薯淀粉回生慢[14]，此外，马铃薯泥富含纤维素、半纤维素和木质素等膳食纤维[15]，添加到蛋糕中后使蛋糕具有较高的水合速率[16]，能够增加蛋糕的持水性、改善蛋糕质构[17]，而淀粉的糊化和回生程度取决于贮藏温度和体系中的水分含量[18]，因此膳食纤维的持水特性会减少蛋糕中水分的向外扩散，Lebesi等[19]将燕麦麸皮用木聚糖酶处理后加入到蛋糕中，发现其能够延缓蛋糕的老化速率，Curti等[20]的研究结果表明，在面包中添加马铃薯纤维有助于减缓面包的老化，究其原因可能与马铃薯纤维的保水性和其能够减少体系中淀粉之间的相互作用有关，从而会减少淀粉的回生。

2.2 红外光谱分析

由图2可知，蛋糕贮藏1 h后，FT-IR波谱在1 350～750 cm-1区域出现7个吸收峰，分别在925、995、1 025、1 047、1 079、1 155 和 1 243 cm-1附近，吸收峰的强度随贮藏时间 （1、24、72、120、168 h）的增加而加强。1 155和1 079 cm-1附近的吸收峰为C-O-H基团的C-O伸缩振动[21-22]；1 025和1 047 cm-1附近的吸收峰为脱水葡萄糖环中C-O-C基团的CO伸缩振动[22]，分别对应淀粉的非结晶区特征和结晶区特征[9，23]，（1 047/1 025） cm-1峰强度比值能够反映淀粉分子的有序程度，其比值越大，有序度越高[7，24]，由图 3 可知，普通蛋糕的（1 047/1 025） cm-1比值从贮藏1 h的1.000增至贮藏168 h的1.059，变化明显，而马铃薯蛋糕从贮藏1 h的0.984增至168 h的0.997，增加幅度小于普通蛋糕；925 cm-1附近的吸收峰为C-H弯曲振动[25]；995 cm-1附近的吸收峰是由C-OH的弯曲振动引起，对水分子很敏感，对应于淀粉大分子的羟基间所形成的氢键结构[9]。本试验表明，马铃薯蛋糕在试验期内的红外吸收峰强度以及能够反映淀粉回生程度的 （1 047/1 025）cm-1比值均小于普通蛋糕，表明其老化速度慢于普通蛋糕，这与XRD测试结果一致。

图1 马铃薯蛋糕在不同贮藏时间的X-射线衍射图谱Fig.1 X-ray diffraction diagrams of potato cake stored at different storage time

图2 马铃薯蛋糕在不同贮藏时间的傅里叶变换红外光谱图Fig.2 FT-IR spectra of potato cake stored at different storage time

图3 马铃薯蛋糕不同贮藏时期（1 047/1 025）cm-1的峰强度比值Fig.3 Ratios of the band intensities at 1 047 and 1 025 cm-1of potato cake at different storage time

2.3 质构

由图4可知，随着贮藏时间从1 h增至168 h，蛋糕的硬度、咀嚼性和胶着性呈增加趋势，而黏聚性呈下降趋势，与普通蛋糕相比，在焙烤结束1 h后，马铃薯蛋糕的硬度、咀嚼性和胶着性显著低于普通蛋糕，且在贮藏期间其值增加或下降的幅度均弱于普通蛋糕。蛋糕老化速度与其在贮藏期间的硬度变化密切相关，在货架期，蒸汽压的不同会驱使水分从“内部—表皮—空气”转移[26]，水分迁移会导致蛋糕水分减少，从而使蛋糕硬度、咀嚼性和胶着性增加，黏聚性降低。黏聚性与蛋糕的芯部结构、口感呈显著正相关，与外观呈显著负相关，黏聚性越大，蛋糕吃起来越绵软、细腻，口感越好。胶着性与蛋糕的百克质量、口感呈显著负相关[27-28]。本试验表明，老化过程会导致蛋糕的硬度、咀嚼性和胶着性增加，黏聚性降低，从而会使蛋糕的口感变粗糙、风味发生劣变。

图4 马铃薯蛋糕贮藏期间质构的变化Fig.4 Changes in texture of potato cake during storage

2.4 色差

由图5可知，马铃薯蛋糕的L*和a*值低于普通蛋糕，而b*值高于普通蛋糕，表明用马铃薯泥代替部分面粉制作蛋糕，其本身较暗的色泽会使蛋糕芯的颜色向暗、黄色转变，随着贮藏时间的增加，普通蛋糕和马铃薯蛋糕的L*值都呈下降趋势，而a*和b*值呈增加趋势。Nguyen等[29]的研究结果表明，赖氨酸是食品中发生美拉德反应的前体物质；马铃薯中含有丰富的在面粉中为第一限制氨基酸的赖氨酸，能够促进体系中美拉德反应的发生，增加蛋糕的b*值，此外，Park等[15]的研究表明植物性的膳食纤维能够改善焙烤面包的颜色；马铃薯富含纤维素、半纤维素和木质素等膳食纤维[30]，对蛋糕的色泽也会有一定的影响，从而使马铃薯蛋糕本身的L*和a*值低于普通蛋糕，b*值高于普通蛋糕，而蛋糕在贮藏过程中发生的老化现象则会使蛋糕的L*值逐渐降低，a*和b*值逐渐增加，使蛋糕失去光泽，降低消费者对产品的接受度。

图5 马铃薯蛋糕贮藏期间蛋糕芯色差的变化Fig.5 Changes in cake crumb color of potato cake during storage

3 结语

X-射线衍射和红外光谱测试结果表明，蛋糕在贮藏1 h后， 在X-射线2θ 12.5°和20°附近出现衍射峰，分别是由禾谷类淀粉中的直链淀粉回生产生的无定形峰和由直链淀粉与脂肪酸形成的螺旋形复合物——V-型结晶，随着贮藏时间增至120 h，在2θ 17°附近出现由支链淀粉回生产生的B-型结晶。蛋糕贮藏 1 h 后，FT-IR 在波数 925、995、1 025、1 047、1 079、1 155 和 1 243 cm-1附近出现吸收峰，随着贮藏时间的增加，峰的峰形不变，但强度增加。马铃薯蛋糕在贮藏试验期的X-射线衍射峰强度、FT-IR吸收峰强度和（1 047/1 025）cm-1峰强度比值以及变化幅度显著弱于普通蛋糕。这表明，马铃薯蛋糕在贮藏期间的淀粉回生度低于普通蛋糕，因此，其老化速度慢于普通蛋糕。蛋糕在贮藏期间的质构和色差测试结果表明，老化会导致马铃薯蛋糕的硬度、咀嚼性、胶着性、a*和b*值增加，黏聚性和L*值降低，从而使蛋糕失去光泽、口感变粗糙、风味发生劣变。