程冰， 王筝， 赵龙珂， 付梦超， 李梦琴
(河南农业大学食品科学技术学院，河南 郑州 450002)
奇亚籽(chia seed)学名芡欧鼠尾草(SalviahispanicaL.)，是热带和亚热带气候1 a生植物，其种子无味，呈椭圆形，颜色为白色或深棕色，又被称为奇亚籽[1]。奇亚籽具有丰富的碳水化合物、脂肪、蛋白质、膳食纤维和灰分[2]，尤其富含人体必需脂肪酸α-亚麻酸和多种抗氧化活性成分，营养价值高。α-亚麻酸是天然多元不饱和脂肪酸omega-3脂肪酸的重要来源，因此摄入富含奇亚籽的食品可以在增加人体内α-亚麻酸含量的同时降低饱和脂肪酸的摄入量，改善人体健康状态[3]。研究表明，100 g奇亚籽中含有30～40 g膳食纤维[4]。丰富的膳食纤维使奇亚籽在食品领域具有巨大的应用价值和潜力。在食品烘焙中，奇亚籽膳食纤维不仅可以作为天然食品稳定剂替代蛋白、脂肪或面筋，还具有抗氧化、调节血脂、预防心脑血管疾病、降低人体胆固醇水平并有助于改善肠道功能等众多功效[5-6]。因此，将奇亚籽添加到食品中是开发有益人体健康的功能性产品的有效途径。马荣琨等[7]研究表明，适量添加奇亚籽可改善希腊式酸奶的感官品质，提高其营养价值，并使其具有一定的抗氧化效果。段秋虹等[8]将奇亚籽、菊粉和木糖醇添加至果冻中，发现该果冻产品不仅品质优良，还具有预防肥胖和润肠通便等保健功能。
饼干是一种具有丰富营养价值且保质期较长、成本低廉的烘焙食品，受众面广泛[9-10]。酥性饼干作为传统且具有代表性的饼干种类，凭借酥脆的感官特性与丰富的口感层次受到消费者的喜爱。目前，人们的生活水平逐渐提高，对食品的需求也不再仅限于口感和外观，而是更加注重营养和健康。饼干也逐步朝着保健型产品方向转化，这其中就包括膳食纤维饼干。ALONGI等[11]用富含膳食纤维的苹果渣制作饼干，发现该饼干血糖指数显著降低。祝莹等[12]以大麦粉替代低筋小麦粉制作薄脆饼干，结果发现大麦粉的添加有利于增加饼干中膳食纤维含量。然而，膳食纤维饼干普遍存在口感一般、糖分过大以及营养不均衡等问题。将奇亚籽粒和全麦粉直接加入饼干烘焙中可以改善这类问题[13]。用木糖醇等甜味剂代替蔗糖可以降低饼干中糖的含量[14]。油脂决定了饼干的嫩度和口感。玉米油富含维生素E、维生素A、维生素D与不饱和脂肪酸，并且不含有胆固醇，可以减少油脂含量高对人体带来的危害[15]。张晓华等[16]以燕麦为原料，奇亚籽为辅料制作的膳食纤维饼干，风味醇香，且具有高纤维和低热量的特点。但是，将奇亚籽应用在饼干中的研究较少且仅限于膳食纤维添加量方面。酥脆性(硬度和脆性)和咀嚼性是评价酥性饼干品质的重要指标，通过质构分析进行量化。酥脆性越好，则饼干的口感越好[17]。饼干的硬度会影响饼干的口感和陈化速率[18]。饼干的口感和保质期与水分含量的变化密切相关[19]，通过弛豫时间T2可以了解饼干中水分的迁移规律，反映水分的相态特征[20]。
本研究以全麦粉、玉米油、木糖醇和奇亚籽为主要原料，研制出无糖、低热量、具有高膳食纤维和强饱腹感的全麦粉奇亚籽膳食纤维低糖酥性饼干(以下简称奇亚籽低糖饼干)，以感官评分为评价指标，经单因素试验和正交试验确定最优配方，并在此基础上对奇亚籽低糖饼干进行表征分析，包括质构测定(硬度、脆性和咀嚼性)及水分分布分析，从而为扩大奇亚籽应用范围、提高功能性饼干的开发水平以及推动功能性饼干工业化生产提供理论依据。
1.1 材料与试剂
全麦粉，深圳市海尚国际贸易有限公司；
低筋小麦粉，潍坊风筝面粉有限责任公司；
奇亚籽粒，汇聚(东莞)食品有限公司；
木糖醇，禾甘母公司；
食用盐，中盐长江盐化有限公司；
玉米胚芽油，西王食品股份有限公司；
碳酸氢钠(小苏打)，安琪酵母股份有限公司。
1.2 试验方法
面团调制：将玉米油、木糖醇、奇亚籽、碳酸氢钠和食用盐按比例混合成浆状，加入低筋小麦粉和全麦粉以及适量水搅拌至完全溶解，和面2 min。
辊印成型：使用DMT-008 电动家用面条机(温州快康机械制造有限公司)将面团辊压成型，面饼厚度为3 mm，用圆形模具压制成型。
烘焙条件：将成型的饼干放入YXD-Z202 烤箱(广东乐创电器有限公司)中，上火160 ℃，下火160 ℃，烘烤24 min(12 min烤盘调整方向，保证均匀烤制)，冷却至室温25 ℃。
上述流程符合国家标准GB/T 20980—2021[21]相关要求。
1.2.2 基础配方 低筋小麦粉70 g、全麦粉30 g、玉米油20 g、木糖醇20 g、奇亚籽6 g。此外，碳酸氢钠0.5 g、食用盐0.5 g。
1.2.3 奇亚籽低糖饼干制备工艺单因素试验设计
结合基础配方，单因素添加水平为全麦粉和低筋小麦粉质量比(10∶90、20∶80、30∶70、40∶60、50∶50)、玉米油质量(10、15、20、25、30 g)、木糖醇质量(10、15、20、25、30 g)和奇亚籽质量(2、4、6、8、10 g)，以感官评分为评定指标，进行单因素试验。
1.2.4 奇亚籽低糖饼干制备工艺正交试验设计 根据单因素试验得到全麦粉和低筋小麦粉质量比以及玉米油、木糖醇和奇亚籽的最佳添加质量，进行4因素3水平的正交试验，正交设计如表1所示。
表1 奇亚籽低糖饼干的制备工艺正交试验因素水平表Table 1 Orthogonal experiment factors and levels table of chia seed low sugar biscuit preparation technology
1.3 奇亚籽低糖饼干的检测指标
1.3.1 奇亚籽低糖饼干的感官评分 由5名经过培训的具有一定感官评价经验的专业人士组成感官评定小组，评定内容包括产品的外观、色泽、滋味及气味、组织和杂质5个方面，评分标准如表2所示[22]。
表2 奇亚籽低糖饼干的感官评分标准Table 2 The sensory evaluation criteria of chia seed low sugar biscuit
1.3.2 奇亚籽低糖饼干的质构分析 通过TA.XT.Plus 物性测试仪(英国Stable Micro Stytems 公司)进行质构分析。分别以正交优化试验中9组配方制得的奇亚籽低糖饼干样品为试验对象，参照邓楚君等[23]的方法，采用柱形探头P/50，测试前速度1 mm·s-1、测试中速度1.5 mm·s-1、测试后速度为1.5 mm·s-1、压缩程度为30%。每种饼干样品测试6次，取平均值。
1.3.3 奇亚籽低糖饼干水分分布的测定 通过PQ001 MicroMR 柜式核磁共振成像仪(上海纽迈电子科技有限公司)进行水分分布测定。分别以正交优化试验中9组配方制得的奇亚籽低糖饼干样品为试验对象，切分放入直径25 mm的核磁共振专用试管，然后放入低场核磁共振仪中(low field nuclear magnetic resonance，LF-NMR)进行测定。参数设置[24]:采样点数为140 056，采样频率200 kHz，采样间隔时间4 500 ms，重复采样回波时间0.35 ms，回波数为2 000，重复采样次数为4。每个样品3次重复，取平均值。
2.1 奇亚籽低糖饼干的单因素试验结果
2.1.1 全麦粉对奇亚籽低糖饼干品质的影响 由图1可知，当全麦粉和低筋小麦粉质量比为10∶90～30∶70时，感官评分逐渐增加，奇亚籽低糖饼干的麦香味逐渐增大，酥脆性大。当全麦粉和低筋小麦粉质量比为30∶70时，感官评分最高，此时的奇亚籽低糖饼干色泽鲜亮，呈金黄色，麦香味浓郁。当全麦粉和低筋小麦粉质量比为40∶60～50∶50时，感官评分逐渐降低，饼干粗糙度增加，口感逐渐变差。因此，当全麦粉和低筋小麦粉质量比为30∶70时，奇亚籽低糖饼干品质较好。
图1 全麦粉和低筋小麦粉质量比对奇亚籽低糖饼干品质的影响Fig.1 Effects of mass proportion of whole wheat flour and low gluten wheat flour on quality of chia seed low sugar biscuit
2.1.2 玉米油对奇亚籽低糖饼干品质的影响 由图2可知，感官评分随着玉米油质量的增加呈先增加后下降的趋势。当玉米油低于20 g时，饼干面团不容易翻拌均匀，容易粘黏，面团成型困难且较硬不光滑，无油光。但当玉米油超过20 g时，面团黏度较差，不易形成，饼干口感油腻，表面裂纹增加，脆性增加，容易破碎。综合考虑，当玉米油为20 g时，奇亚籽低糖饼干品质较好。
图2 玉米油对奇亚籽低糖饼干品质的影响Fig.2 Influence of corn oil on the quality of chia seed low sugar biscuit
2.1.3 木糖醇对奇亚籽低糖饼干品质的影响 由图3可知，随着木糖醇的增加，奇亚籽低糖饼干的感官评分先增大后降低。当木糖醇为25 g时，感官评分最高，色泽均匀，甜度适中，酥脆可口。当木糖醇添加较少时，甜味较淡，颜色较浅，口感较差。当木糖醇大于25 g时，甜味浓，口感较硬，有裂痕。综合考虑，当木糖醇为25 g时，奇亚籽低糖饼干品质较好。
图3 木糖醇对奇亚籽低糖饼干品质的影响Fig.3 Effect of xylitol on quality of chia seed low sugar biscuit
2.1.4 奇亚籽对奇亚籽低糖饼干品质的影响 由图4可知，当奇亚籽为4 g时，奇亚籽低糖饼干的感官评分最高。当奇亚籽小于4 g时，饼干色泽不均，容易出现破裂。当奇亚籽超过4 g时，感官评分呈降低趋势，咀嚼过程中口感粗糙，奇亚籽香味过浓，质地逐渐变硬，不酥脆，感官评分逐渐降低。综合考虑，当奇亚籽为4 g时，奇亚籽低糖饼干品质较好。
图4 奇亚籽对奇亚籽低糖饼干品质的影响Fig.4 Effect of chia seeds on the quality of chia seed low sugar biscuit
2.2 奇亚籽低糖饼干的正交试验结果
在单因素试验基础上，通过正交试验确定奇亚籽低糖饼干的最优配方，试验结果如表3所示。奇亚籽低糖饼干感官评分最高的是第4组(A2B1C2D3)，即全麦粉和低筋小麦粉质量比为30∶70、玉米油15 g、木糖醇25 g、奇亚籽6 g时感官评分为87.2。通过表3中的极差R，可知各因素对奇亚低糖饼干综合品质的影响顺序为A>D>C>B，即影响奇亚籽低糖饼干品质的主要因素是全麦粉，其次是奇亚籽，然后是木糖醇和玉米油。经验证试验，测得在此配方下奇亚籽低糖饼干的质构特性均较好，硬度为10 677.60 g，脆性为5 731.24 g，咀嚼性为3 589.90 g，水分分布均匀，与感官评分一致，正交试验结果准确，优化结果可靠。
表3 奇亚籽低糖饼干正交试验结果Table 3 Orthogonal test results of chia seed fiber low sugar biscuit
2.3 奇亚籽低糖饼干质构特性分析
由图5可知，试验组3和试验组4硬度和咀嚼性显著高于其他组的饼干，试验组3、试验组4和试验组7脆性显著高于其他组的饼干(P<0.05)。综上所述，试验组3和试验组4酥脆性和咀嚼性较好，与感官评分一致。
PCA主成分得分图能直观看出各组试验与主成分之间的关系。以质构特性第一主成分(PC1)和奇亚籽低糖饼干正交试验组第二主成分(PC2)绘制PCA得分坐标图，如图6所示。PC1主要综合了饼干硬度、脆性、咀嚼性的信息，其中硬度在PC1正向分布最大，因此PC1主要反映硬度，咀嚼性呈负向分布且分值最小。PC2正向区间的指标为脆性且分值最大，因此PC2主要反映脆性。而硬度和咀嚼性在PC2上负向分布最小。从各组试验与PC1和PC2的关系来看，3、4、7、8组试验同时都落在PC1和PC2的正向区间，表明这4组饼干不仅脆性好，同时也具有较好的硬度，酥脆性较好，口感佳，与感官分析结果基本一致。
注：A为硬度测定，B为脆性测定，C为咀嚼性测定。1～9分别为正交优化试验中1～9组配方制得的奇亚籽低糖饼干样品。下同。
图6 奇亚籽低糖饼干正交试验组主成分分析Fig.6 Relationship between PC1 and PC2 of chia seed low sugar biscuit orthogonal test group
2.4 奇亚籽低糖饼干的水分分布分析
LF-NMR是测定食品体系中水分流动性和分布情况的一种无损检测的手段。在水分分布图中，横坐标表示弛豫时间T2，纵坐标表示每个弛豫时间的信号强度，每个峰值的积分面积表示弛豫时间的信号幅度，根据每个峰面积可以得到不同状态下的含水量和迁移程度[25]。朱莹莹等[26]研究发现，利用低场核磁共振技术可以快速、无损预估韧性饼干样品中的水分含量，方法可行、结果可靠。
由图7可知，饼干中的水分形态可以分为3种，即T21、T22和T23。将峰对应时间0.1～2 ms定义为T21，表示与饼干结合最紧密的结合水；
将峰对应时间2～11 ms定义为T22，表示介于结合水与自由水之间的不易流动的水；
将峰对应时间11～100 ms定义为T23，表示具有流动性的自由水。由图8比较峰面积可知，第5组样品的结合水含量最高，第6组最低。饼干样品在低水分时，T22峰反演结果为0，如图第6和第8组。试验组4T21和T22峰面积基本处于中等位置，结合水和不易流动的水处于中等水平。
图7 奇亚籽低糖饼干品质正交试验组的横向弛豫时间 T2 的变化Fig.7 Change of transverse relaxation time T2 in orthogonal test group of chia seed low sugar cookies
图8 奇亚籽低糖饼干品质正交试验组的峰面积变化Fig.8 Change of peak area in orthogonal test group of chia seed low sugar biscuit
本试验以全麦粉、奇亚籽、木糖醇和玉米油为研究材料，深入研究膳食纤维饼干的综合开发利用，开发一种易于吸收、味道更好、高纤维和低糖特性相结合的饼干。通过单因素和正交试验得出，奇亚籽低糖饼干的研制的制备工艺最优配方为全麦粉和低筋小麦粉质量比30∶70、玉米油15 g、木糖醇25 g、奇亚籽6 g，此时感官评分最高。根据此配方制得的酥性饼干外形完整，色泽金黄均匀，香味浓郁，口感酥脆无杂质，而且无糖，营养高，含有丰富的膳食纤维，改善了饼干的色泽口感及香气。本研究发现，在掺入膳食纤维后，饼干的味道和风味得到了改善，这与AJILA等[27]的研究结果一致。刘悦等[28]研究发现，饼干在生产过程中需要添加更多的糖和油，膳食纤维具有吸油作用，非常适合添加到饼干中。李琦等[29]研究发现，在饼干中加入适量的膳食纤维可以提高面粉的吸水性，使产品更加松软，在一定程度上可改善产品的质地和感官质量，提高产品的营养价值，降低热量。同时，麦麸膳食纤维的添加可以得到致密性良好且稳定的面团，从而改善饼干品质，推测是因为麦麸膳食纤维利用其侧链上的羧基和羟基等活性基团的良好水化性能与面团中的水相互作用，降低淀粉、蛋白质和水的结合，从而影响面筋的网络结构。
目前关于奇亚籽饼干的相关研究较少。张晓华等[16]以燕麦为主料研究了燕麦和奇亚籽膳食纤维饼干的加工工艺，得出全麦粉和奇亚籽质量分数分别为16%和10%。根据欧盟委员会(European Commission，EC)的规范，奇亚籽已被批准用作烘焙产品中的新型食品成分，但其潜在的致敏性使其添加质量不能超过10 g[30]。因此，本试验添加更多粉质细腻的全麦粉以保证膳食纤维的含量和饼干口感。研究显示，添加多种膳食纤维的效果比单一膳食纤维好，细粉末比粗粉末好[28]。木糖醇作为一种天然甜味剂来替代蔗糖，可以增强奇亚籽低糖饼干的营养保健功能，满足血糖高的人群。本研究发现，当木糖醇大于25 g时，饼干口感变硬有裂痕，推测是木糖醇的起泡能力不如白糖，面团的疏水性减弱所致[31]。同时，木糖醇的吸湿性也会使饼干松脆度下降[32]。当玉米油超过20 g时，面团黏性差，不易成型，这是由于油脂分布在淀粉微粒和面筋蛋白周围形成一层薄薄的油膜，限制了面团的吸水，从而控制面筋的胀润。由于油膜之间相互隔离，面筋颗粒不易形成面筋网络，降低了饼干的抗裂性，使面团黏度降低，不易成型[33]。从健康和营养的角度来看，添加4 g奇亚籽已经可以产生效果较好的产品，这与其他补充奇亚籽的食物如面包[34]和薯条[35]的研究结果一致。当全麦粉和低筋小麦粉质量比为70∶30时，产品效果较好，这是因为全麦粉的添加弱化了面团的筋力，削弱了面团的网络结构，增加了饼干的酥脆性，口感变好。
本研究对奇亚籽低糖饼干进行了质构试验。王彩虹等[36]以紫皮洋葱粉为特征风味原料，将其添加至酥性饼干配方中，结果发现最优配方制备的洋葱饼干比空白饼干的硬度、脆度以及咀嚼性都大，说明产品的口感佳。咀嚼性是指牙齿在咀嚼食物时将食物从固体状态转化至可吞咽过程中所做的功。饼干的硬度越大，咀嚼性数值越大，在口腔中的咀嚼时间越长[37]。饼干的硬度较高，咀嚼过程中需要的唾液更多，口感会更好[18]。本试验结果表明，最优配方下的奇亚籽低糖饼干硬度、脆性和咀嚼性均较好。同时，水分分析表明，该配方下制作的奇亚籽低糖饼干水分含量适中。饼干是一种水分含量较低的食品，且主要以气孔结构为主，水分对其质地和加工特性起着非常重要的作用。如果含水量低，饼干在烘焙后的冷却、包装和储存过程中容易破碎，造成损失；
如果水分含量过高，会影响饼干的质地，容易滋生微生物，缩短产品保质期[38]。因此，在最优配方为全麦粉和低筋小麦粉质量比30∶70、玉米油15 g、木糖醇25 g、奇亚籽6 g时，制作的奇亚籽低糖饼干水分含量适中，适合饼干产品化生产。本研究通过优化奇亚籽低糖饼干的制备工艺，丰富了市场中饼干的种类，增加了饼干的功能特性，提供了奇亚籽深加工的新途径，为奇亚籽饼干工业化生产奠定基础。