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添加淀粉液化酵素及利用真空搅拌技术改善面团及面包品质之研究


行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 (計畫名稱)

? 成 果 報 告 □期中進度報告

添加澱粉液化酵素及利用真空攪拌技術改善麵糰及麵包品質之研究 Improvement of dough and bread quality by ? ? amylase addition and vacuum mixing technolog

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計畫類別:? 個別型計畫 □ 整合型計畫 計畫編號:NSC-95-2221-E-328-001 執行期間: 95 年 08 月 01 日至 96 年 07 月 31 日 計畫主持人:徐永鑫 共同主持人: 計畫參與人員: 成果報告類型(依經費核定清單規定繳交):?精簡報告 □完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件: □赴國外出差或研習心得報告一份 □赴大陸地區出差或研習心得報告一份 □出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份 □國際合作研究計畫國外研究報告書一份 處理方式:除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、列 管計畫及下列情形者外,得立即公開查詢 □涉及專利或其他智慧財產權,□一年□二年後可公開查詢 執行單位:國立高雄餐旅學院 烘焙管理系 中 華 民 國 96 年 10 月 31 日

添加澱粉液化酵素及利用真空攪拌技術改善麵糰及麵包品質之研究
摘要 本研究藉添加澱粉液化酵素(? ? amylase)及利用真空攪拌探討對麵糰及土司物化性質 之影響。實驗結果顯示,未添加α-amylase 之麵糰,發酵速率最慢,發酵速率最快者為添加 50 ppm α-amylase 之麵糰。以常壓進行攪拌之麵糰發酵速率較真空攪拌者快速,各組條件 中,發酵速率最慢者為以真空攪拌 1000 rpm, 2 min 攪拌者。土司於貯存過程中,硬度值增加 為土司老化程度重要指標之一,由實驗中可看出,未添加? ? amylase 之土司,硬度值最高, 添加α-amylase 後可使土司麵包變的更柔軟。貯存 4 天後,未添加α-amylase 者,其土司硬 度值增加至 115.1 g,添加 10 ppmα-amylase 者,土司硬度值為 106.1 g,硬度最低者為添加 50 ppmα-amylase 之土司,其硬度值為 86.5 g。不同真空攪拌條件下,於 1000 rpm 攪拌 2min 或 3min,貯存 4 天後硬度值較低,而於 1000 rpm 攪拌 4min 或 5min,貯存 4 天後硬度值較 高,由其是 1000 rpm 攪拌 5min 者。以掃描式電子顯微鏡觀察未添加α-amylase 之麵糰,發 現小澱粉顆粒呈環狀分布於 gluten matrix 上,且 gluten matrix 表面平整,但添加 α -amylase 之麵糰,可看出小澱粉顆粒較少,且 gluten matrix 表面較不平整,成凹凸坑洞狀。進一步觀 察土司內部組織,可明顯看出添加 20 ppm 及 50 ppm α -amylase 之土司組織較為細緻,孔洞 壁膜較薄,說明了添加 α -amylase 可使土司組織更加細緻。 關鍵詞:澱粉液化酵素、麵包老化、微細組織、掃描式電子顯微鏡、質地剖面分析、真空攪 拌

Improvement of dough and bread quality by ? ? amylase addition and vacuum mixing technology
Abstract This study evaluated the effects of ? -amylase addition and vacuum mixing on the dough mixing characteristics and the quality of toast. Dough with ? -amylase addition had a faster dough fermentation rate than that of the control. The fermentation rate of the dough with 50 ppm α -amylase had a fastest rate. Also, dough under vacuum mixing had a slower dough fermentation rate than that atmospheric mixing. Our data indicated that the slowest dough fermentation rate occurred under vacuum mixing at 1000 rpm for 2 min. During storage, the increase of hardness is often as an index of staling in bread. The toast hardness of control increased from 68.2 g to 115.1 g after 4 days storage. However, with the addition of 50 ppmα-amylase, the hardness increased from 51.1 g to 86.5 g after 4 days storage. Among different vacuum mixing conditions, we found that dough mixing under 1000 rpm for 2min or 3 min, showed lowest toast hardness. According to the scanning electron micrograms of control dough, numerous small starch granules were visible on the outer surface of gluten matrix. The dough adding with ? -amylase also exhibited numerous starch granules were coated with an amorphous protein matrix, but some small holes and caves were present on the surface. The interior structures of toast were further examined. Additions of 20 ppm and 50 ppm ? -amylase resulted in thinner walls and finer crumb grain structure than the control. Key Words: ? ? amylase, Bread staling, Microstructure, Scanning electron microgram, Texture profile analysis, Vacuum mixing.
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前言 麵包製程最主要的方式為直接法與中種法,中種法因製程較複雜而較少使用,一般以直 接法較常用。直接法製造麵包,以中速攪拌麵糰,攪拌時間約 10-15 分鐘,基本發酵約 50-60 分鐘;若以快速真空法攪拌麵糰,攪拌時間僅約 2-5 分鐘(Cauvain, 1998) ,且無需冗長的基 本發酵,僅需 15-20 鬆弛即可進行分割、整形、最後發酵等後續動作,因此可以省略許多工 作時間、生產機器、設備以及廣幅的工作空間(徐,1997) 。在英國及鄰近國家,製作麵包 使用快速真空攪拌法,稱為 Chorleywood Bread Process(CBP) ,藉攪拌時的機械作用,在真 空密閉的攪拌鋼內,把麵糰快速攪拌至麵筋擴展(徐,2000;Tronsrno et al., 2003) 。 以真空攪拌麵糰所製得之土司較常壓攪拌者有較低之游離脂肪酸且體積也較小(Mahdi and Dawoud, 1986)。麵糰真空攪拌與否會影響脂肪結晶顆粒大小與種類,而此也影響了土司 體積大小與內部顆粒組織 , 通常豬油為β或β’ 結晶產生之土司體積小於β’ -1 結晶(Mahdi et al., 1981)。以真空快速攪拌法,利用機械作用把麵糰中的麵粉蛋白質結構先經攪拌機械作用 加以分裂 , 然後再用 Vit. C 將其重新組合 ,達到機械作用使麵筋擴展的目的(Campbell, 2003), 此外也可縮短麵糰發酵時間,且麵包質地細膩,組織鬆軟(Pollitt, 1991;Tronsrno et al., 2003)。 Galliard and Collins (1988)添加不同氧化劑及乳化劑於全麥麵粉中,在不同真空壓力及氮氣下 攪拌麵糰,探討對麵包品質之影響。結果發現,結合添加 Vit. C.及乳化劑能有效增大吐司體 積 , 使用 75ppm Vit. C.在 10% O2 與 90%N2 下產生土司小於常壓下之土司 , 添加 dehydroascobic acid (DHAA)在低氧濃度下攪拌,能有效增加土司體積。Gan et al. (1990)使用電子掃描示顯微 鏡分別觀察全麥麵粉和白麵粉所作成的麵糰組織,麵糰以 Chorleywood 麵包製作法,從混 合後發酵各期分別切片觀察其澱粉-麵筋基質與所包圍的氣室結構,在全麥麵粉所作的麵糰 於發酵期所產生氣室,周圍的澱粉-麵筋基質無安定性,造成氣室間通道,使二氧化碳容易 擴散而從麵糰相中散失於外界空氣,此氣泡壁膜的破壞造成了氣室的連接,而也形成了烘培 後麵包的開放狀海綿組織。 酵母中的酵素在麵包製作過程中產生許多生化反應而成就了麵包的特色,包括將糖轉化 為二氧化碳氣體使麵糰膨鬆及產生酒精成分對麵包風味有貢獻,此外更有許多複雜的反應影 響著麵包之製作品質,而隨著時代之進步與需求,許多具有特殊功能之酵母亦因應而生 (Mile,1997) 。添加澱粉液化酵素(? ? amylase)的麵包,其硬化速率會減慢,不同種類細菌 與真菌來源的澱粉液化酵素,減緩麵包硬化的成效不同,經麥芽處理的,則增加麵包硬化的 速率,此因不同來源的澱粉液化酵素會有不同量的糊精生成,而水溶性糊精對麵包的硬度, 具有相當程度的影響(Akers and Hoseney, 1994) 。麵包在貯存過程中,amylopectin 雙螺旋股 易產生氫鍵結合,增加結構僵硬性,添加? ? amylase 能降低 amylopectin 結晶形成(Hug-Iten et al., 2003) 。添加? ? amylase 於麵糰時,亦會造成麵糰或麵包中水分子之重新分布,而改變 水分子與澱粉分子之結合情形,當? ? amylase 與內聚木糖酶一起作用時,對產品之體積增加 具有加成性(賴,2000) 。添加 fungal ? ? amylase,麵糰網狀組織結構較完整,且周圍圍繞較 多細小的澱粉顆粒,因此能保留較多的氣體(Kim et al., 2006) 。 關於天然酵素與真空攪拌之研究,許多學者分別研究酵素或真空攪拌對麵包之影響, 至於結合? ? amylase 酵素與快速真空攪拌方式之研究則尚未發現。因此,本研究計畫以添加 ? ? amylase,探討麵糰黏彈性及流動性變化,並在真空及常壓條件下攪拌麵糰,探討麵糰攪 拌完成時,蛋白質結構、氣室分布及電顯構造,也將探討所製作麵包物化性質上之差異及老 化貯藏試驗,期能將? ? amylase 酵素與快速真空攪拌技術應用於烘焙業界。

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材料與方法 一、 材料 高筋麵粉:統一企業,台南縣 雪白油:南僑公司,桃園縣 即溶酵母:永誠公司(Yung Cheng Industries. LTD.),台北市 澱粉液化酵素(α-amylase) :SPEZYME AA (from Bacillus licheniformis),酵素活性: 8500 TAU/g(minimum);Genencor International Inc., Melbourne, Australia.;代理商:汎 球國際貿易公司,彰化縣 二、方法 1.土司配方及製作流程 (1) 土司材料(烘焙百分比):高筋麵粉(100)、細砂糖(8)、鹽(1.5)、雪白油(8)、即溶酵母(1)、 α-amylase(0 ppm、10 ppm、20 ppm、50 ppm) 、水量添加依 Brabendar farinograph 達 到 500 BU 所需水量。 (2)常壓攪拌土司製程:全部材料加入攪拌缸(正大機械,嘉義縣)攪拌,以中速攪拌 8min,加入雪白油,再攪拌 12min 至麵筋擴展完成階段,於 26 ℃、75%相對溼度基 本發酵 50 min,分割成 450 g 麵糰,鬆弛 10min 後將麵糰整形,放入土司模中,於 38 ℃、85%相對溼度最後發酵 50 min,再以上火 180 ℃/下火 200 ℃進行土司加熱烤焙 30-35 分鐘。 (3)真空攪拌土司製程:全部材料加入真空攪拌缸(Stephan UMC 5, Stephan Food Service Equipment, Hameln, Germany) ,先以低速攪拌1分鐘,使形成麵糰後,開啟真空幫浦, 以避免抽真空時水分及麵粉散失,真空度設為100 mmHg,再以1000 rpm分別攪伴2、 3、4、5分鐘,攪拌完成後,於26℃、75%相對溼度基本發酵50 min,分割成450 g麵 糰,鬆弛10 min後將麵糰整形,放入土司模中,於38 ℃、85%相對溼度最後發酵50 min,再以上火180 ℃/下火200 ℃進行土司加熱烤焙30-35分鐘。 2. 發酵體積(Fermentation volume)之測定 將攪拌完成麵糰,稱取 50±0.5 g,滾圓後放入 500 mL 之玻璃量筒內,於發酵箱中 使其發酵,發酵箱內溫度控制在 38±1 ℃,相對溼度 85%。 自第 0 min 開始至 240 min, 每隔 30 min 觀察並記錄其體積。 3. 水活性 (Water activity)測定 將 5 g 土司樣品置於水活性測定儀(Novasina humidat-IC I,Switzerland)中,測量其水 活性。 4. 掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy, SEM)之觀察 參考 Kim 等 (2003)方法,將麵糰樣品置於 – 50 ℃下冷凍 24 hr,樣品完全凍結後, 切 成 0.8×0.8×0.3 cm,放入冷凍乾燥機進行冷凍乾燥約 48 hr,乾燥後之樣品以銀膠固定於 SEM 樣品載台上,麵糰之橫斷面以金屬離子覆膜儀(LADD No.30800 Sputter Coater, Vermont, USA), 真空狀態下覆上金膜(gold coating) ,樣品之製備即完成。將備妥之樣 品置於掃描式電子顯微鏡(Hitachi S-2500 Scanning Electron Microscopy, Tokyo, Japan.) (20kV)下經選定適當倍率,觀察樣品細微結構。 5. 質地剖面分析(Texture profile analysis, TPA) 使用質地分析儀(TA-XT2 Texture Analyzer, Stabe Micro Systems Co., Ltd. England)測 定,採用 No.P/0.5S (1/2” Diameter Cylinder)之探頭(Probe),樣品切割成 3×3×3 公分,置於 2” 長 3/4” aluminum channel 之架橋上,作上下往返方向的壓縮,壓縮距離為樣品高度之 40%(即 12mm) ,在室溫下進行二次壓縮,測定土司之硬度值(hardness )。
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6. 老化(Staling)測試 依 Wang and Sun(2002)的方法,使用質地分析儀(TA-XT2 Texture Analyzer, Stabe Micro Systems Co., Ltd. England)測定,採用 N o . P / 0 . 5 S( 1 / 2 ” D i a m e t e r C y l i n d e r ) 之探頭(Probe),於 貯藏過程中,測定土司之硬度值(探頭壓縮速率為 1cm/min) ,以硬度(hardness)值作為 土司老化速度之判斷依據。 7. 統計分析 實驗所得數據採用統計分析系統(statistic analysis system, SAS)之電腦套裝軟體,進 行變異數分析(analysis of variance, ANOVA)及 Duncan’ s 變域測驗來進行比較。

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結果與討論
麵粉中含有麥穀蛋白(glutenin)及醇溶蛋白(gliadin),加水攪拌揉捻後,麥穀蛋白吸水膨 脹,同時吸收醇溶蛋白及較小分子的球狀蛋白及白蛋白,漸漸形成網狀構造的麵筋,產生具 有黏彈性的麵糰,經由麵糰流變性質變化,可助於了解麵糰攪拌特性。 圖一為添加α-amylase 對麵糰體積發酵之影響,本實驗取攪拌完成後之麵糰 50 g 於 500 mL 量筒中,每隔 30 min 測定發酵體積,測定時間為 4 hr。由圖中可明顯看出,未添加α -amylase 之麵糰,發酵速率最慢,發酵速率最快者為添加 50 ppm α-amylase 之麵糰。此由 於添加α-amylase 造成澱粉部分被水解,因而麵糰較為柔軟,發酵過程中麵糰延展性較佳, 使得麵糰體積發酵較為快速。
250

200
Fermentation volume(cm3)

150
control 1 0 p p mα a m y l a s e

100

2 0 p p mα a m y l a s e 5 0 p p mα a m y l a s e

50

0 0 30 60 90 120 150 180 210 240
Fermentation time (min)

圖一、α-amylase 添加量對麵糰發酵體積之影響 F i g . 1 . E f f e c t o f α -amylase on the fermentation volume of wheat dough. 圖二為真空攪拌條件對麵糰發酵體積之影響。由圖可看出,隨著發酵時間之增加,麵糰 體積也隨之增加,發酵速率最快者為控制組,亦即以常壓進行攪拌之麵糰,以真空攪拌者, 麵糰發酵速率較慢,各組條件中,發酵速率最慢者為以真空攪拌 1000 rpm, 2 min 攪拌者。此 原因可能是由於麵糰於真空攪拌過程中,麵糰攪拌所拌入之空氣受真空抽氣作用,所形成之 氣核較常壓攪拌者小,因此發酵速率較慢。此外,隨著真空攪拌時間之增加,麵糰發酵速率 也愈快,此由於攪拌後麵糰溫度增高,造成酵母發酵作用較為快速,因此麵糰體積增加較快 速。

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250

200
Dough Volume(cm3)

150

100

control 1000rmp,2min 1000rmp,3min

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1000rmp,4min 1000rmp,5min

0 0 30 60 90 120 150 180 210 240
Fermentation Time (min)

圖二、真空攪拌條件對麵糰發酵體積之影響 Fig.2.Effect of vacuum mixing on the fermentation volume of wheat dough. 圖三為添加不同濃度α-amylase 對土司儲存過程中,硬度值(hardness)變化之影響。 未添加α-amylase 之土司,硬度值為 68.2 g,在添加α-amylase 10 ppm 後,土司麵包即有明 顯降低硬度的情形,硬度值降低為 53.4 g,亦即添加α-amylase 後可使土司麵包變的更柔軟。 於貯存 4 天後,未添加α-amylase 者,其土司硬度值增加至 115.1 g,添加 10 ppmα-amylase 者,土司硬度值為 106.1 g,硬度最低者為添加 50 ppmα-amylase 之土司,其硬度值為 86.5 g。 麵包老化作用是除了微生物腐敗外,另一個導致麵包在販賣時品質不良的原因,麵包老化現 象常伴隨內部組織變硬、水分含量改變、外皮軟化、香味損失及改變,而最常當作老化指標 的,就是硬度的變化,由圖可說明,α-amylase 添加能降低土司硬度值,因此可有效延緩麵 包的老化。
140

120

100
Hardness(g)

80

60
Control 1 0 p p mα a m y l a s e

40

2 0 p p mα a m y l a s e 5 0 p p mα a m y l a s e

20 0 1 2
Storage time (Day)

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圖三、添加 α -amylase 對土司貯存過程中,硬度值變化之影響 Fig.3. Effect of α -amylase on the change of the hardness of wheat bread during storage.
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圖四為不同真空攪拌條件下,土司貯存過程中之硬度值變化。隨著貯存時間之增加,土 司硬度值也隨之增加,控制組由當天之 71.1 g,貯存 4 天後增加至 117.0 g,硬度值增加最快 速者為 1000 rpm,5 min 攪拌之土司,硬度值由 76.4 g 增加至 142.2 g;硬度值增加最慢者 為 1000 rpm,2 min 攪拌之土司,硬度值由 66.4 g 增加至 98.4 g。由此結果得知,於 1000 rpm 攪拌 2min 或 3min,貯存 4 天後硬度值較低,而於 1000 rpm 攪拌 4min 或 5min,貯存 4 天後 硬度值較高,尤其是 1000 rpm 攪拌 5min 者。
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Hardness(g)

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Control 1000rpm,2min 1000rpm,3min 1000rpm,4min 1000rpm,5min

40 0 1 2
Storage time (Day)

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圖四、真空攪拌對土司貯存過程中,硬度值變化之影響 Fig.4. Effect of vacuum mixing on the change of the hardness of wheat bread during storage. 圖五為添加不同 α -amylase 之土司於貯存過程中之表皮及內部組織水活性變化圖。烤焙 出爐當天,不同 α -amylase 之土司 crumb 水活性皆為 0.94,貯存 4 天後,水活性變化不大。 但在 crust 部分則有較大變化,control 水活性由原先之 0.86 增加至貯存 4 天後之 0.94,添加 50ppm α -amylase 之土司 crust 由原先之 0.84 增加至貯存 4 天後之 0.94。此乃由於在貯存過程 中,內部水份往外移動至表面以致表皮水活性增加,此結果與 Czuchajowska 與 Pomeranz (1995)所作之結果有相同之趨勢,該作者研究麵包貯存過程,各部分水活性及水分含量變 化情形,發現麵包內部組織水活性變化不大,表皮水活性則隨貯存時間增加而增加,而內部 水分含量於貯存過程中些微下降,表皮水分含量則逐漸增加,且增加幅度大於內部水分含量 下降幅度。Wynne-Jones 與 Blanshard(1986)指出麵包內部組織結合水含量並不隨貯存過程 而有所改變。

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0.96

0.94

0.92

AW

0.9
Control, crumb Control, crust 10 ppm, crumb 10 ppm, crust

0.88

0.86

20 ppm, crumb 20 ppm, crust 50 ppm, crumb

0.84

50 ppm, crust

0.82 0 1
Storage time (Day)

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圖五、添加 α -amylase 對土司貯存過程中,水活性變化之影響 Fig.5. Effect of α -amylase on the change of the water activity of wheat bread during storage. 為了觀察小麥澱粉及經 α -amylase 處理後之變化,本實驗將小麥澱粉及其酵素水解液經 凍結乾燥處理後,披覆金箔於高真空狀態下,以 1500 倍率觀察小麥澱粉微細構造。圖六為 小麥澱粉(A) 、小麥澱粉 50℃加熱 3hr(B) 、小麥澱粉添加 1% α -amylase 於 50℃加熱 3hr (C)之掃描式電子顯微鏡照片圖(1500×) 。圖 A 為小麥澱粉顆粒,可看出小麥澱粉顆粒完 整;將 10 g 小麥澱粉加入 20 g 蒸餾水,經 50℃加熱 3hr 後,可看出小麥澱粉顆粒仍呈現完 整狀態(圖 B) ;若將 10 g 小麥澱粉加入 20 g 蒸餾水,再加入 1% α -amylase,經 50℃加熱 3hr 後,則小麥澱粉顆粒表面出現絲狀突出物,且表面具孔洞化(圖 C) ,這是由於澱粉顆粒 受α -amylase 作用產生之結果。 A B C

圖六、小麥澱粉添加 α -amylase 後之掃描式電子顯微鏡照片圖(×1500) Fig. 6. Scanning electron microscopy (x 1500) of wheat starch with the addition of α -amylase. (A. Wheat starch;B. Wheat starch with heating;C. Wheat starch with α -amylase and heating)

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圖七為添加不同含量 α -amylase 之麵糰掃描式電子顯微鏡照片圖。圖 A 為未添加 α -amylase 之麵糰 , 小顆粒為澱粉顆粒 , 由圖中可看出 , 小澱粉顆粒呈環狀分布於 gluten matrix 上,且 gluten matrix 表面平整;圖 B 為添加 10 ppm α -amylase 之麵糰,可看出小澱粉顆粒較 少,且 gluten matrix 表面較不平整,成凹凸坑洞狀,此現象在添加 20 ppm α -amylase 之麵糰 (圖 C) 亦有相同現象;圖 D 為添加 50 ppm α -amylase 之麵糰,可明顯看出澱粉小顆粒較少, gluten matrix 表面坑洞化更明顯。 A s g C D B

圖七、添加不同含量 α -amylas 之麵糰掃描式電子顯微鏡照片圖(×1500) Fig. 7. Scanning electron microscopy (x 1500) of wheat dough with the addition of α -amylase. (A. Control;B. 10 ppm α -amylase;C. 20 ppm α -amylase;D. 50 ppm α -amylase)(s:starch ; g:gluten matrix) A B

C

D

圖八、添加不同含量 α -amylas 之土司掃描式電子顯微鏡照片圖(×25) Fig. 8. Scanning electron microscopy (x 1500) of wheat bread with the addition of α -amylase.(A. Control;B. 10 ppm α -amylase;C. 20 ppm α -amylase; D. 50 ppm α -amylase)
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圖八為添加不同含量 α -amylase 之土司內部組織掃描式電子顯微鏡照片圖,放大倍率為 25 倍。圖 A 為未添加 α -amylase 之土司,圖 B、圖 C、圖 D 分為添加 10 ppm、20 ppm、50 ppm α -amylase 之土司內部組織,由圖中可明顯看出添加 20 ppm 及 50 ppm α -amylase 之土司組織 較為細緻,孔洞壁膜較薄,此說明了添加 α -amylase 可使組織更加細緻。在本實驗中,發現 α -amylase 添加量若大於 100 ppm,則澱粉受酵素分解情形嚴重,土司明顯產生側腰情形,甚 至無法成型。

結論 本實驗添加不同濃度 α -amylase 於麵糰中,在 0-50 ppm 添加範圍內,隨著 α -amylase 添 加量之增加,土司硬度值也隨之下降,經 4 天貯存後,也較未添加 α -amylase 者有更佳之柔 軟度,顯示添加 α -amylase 能有效降低老化現象。在不同真空攪拌條件下,以 1000 rpm 攪拌 2min 及 3min,貯存 4 天後有較低之硬度值。以掃描式電子顯微鏡觀察土司內部組織,可明 顯看出添加 20 ppm 及 50 ppm α -amylase 之土司組織較為細緻,孔洞壁膜較薄,此也說明了 添加 α -amylase 可使土司組織更加細緻且柔軟。

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計畫成果自評 本計劃研究內容與原計畫相符程度達 80%,達成目標為 70%,研究成果可應用於烘焙業 界,本實驗適合於學術期刊發表。

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