γ-聚谷氨酸對冷凍面團(tuán) 和面條的抗凍保護(hù)作用

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(華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,上海 200241)

冷凍面制品是常見的一類速凍食品,其種類繁多,包括冷凍水餃、包子、面條和面包等，由于其便捷性而日益被消費(fèi)者所喜愛,并在速凍食品行業(yè)得到了快速發(fā)展。面制品在凍藏過程中,由于溫度的波動引起水分的重結(jié)晶,從而破壞面筋蛋白的結(jié)構(gòu),且長時間凍藏導(dǎo)致面團(tuán)蛋白質(zhì)組分和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,淀粉顆粒分離,出現(xiàn)皺縮、裂紋等現(xiàn)象,最終導(dǎo)致冷凍面制品的品質(zhì)下降[1-3]?，F(xiàn)階段解決方法主要有對冷凍工藝的優(yōu)化、添加改良劑如淀粉[4]、蛋白質(zhì)[5-6]、乳化劑和水體膠[7-9]等。但是如何在保持產(chǎn)品味道和顏色的前提下,選擇天然食品添加劑改善冷凍面制品的品質(zhì)至今仍未得到完全解決。

微生物發(fā)酵得到的γ-聚谷氨酸(γ-poly glutamic acid,γ-PGA)由于其良好的吸水性、可生物降解性[10]而得到廣泛應(yīng)用。有文獻(xiàn)報導(dǎo),微生物發(fā)酵得到的γ-PGA分子量在6×104Da左右具有一定的抗凍保護(hù)作用,進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)其抗凍活性與其分子量大小呈負(fù)相關(guān)[11]。γ-PGA通過抑制水溶液中冰晶的生長,減少結(jié)構(gòu)的破壞,從而降低食品的品質(zhì)惡化,可以改善冷凍食品在低溫狀態(tài)下的品質(zhì)[12]。而γ-PGA對冷凍面條的抗凍保護(hù)效果至今還鮮有報道。

本文旨在研究高、低分子量的γ-PGA對冷凍面團(tuán)和面條的可凍結(jié)水含量、流變特性、面條硬度、咀嚼性等參數(shù)以及烹飪吸收的影響,探究γ-PGA對冷凍面制品的抗凍保護(hù)作用,為冷凍食品的開發(fā)和生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

含γ-PGA發(fā)酵原液 華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院微生物實驗室提供;高筋小麥粉 克明面業(yè)股份有限公司;牛血清白蛋白(bovine serum albumin,BSA) 生工生物工程股份有限公司;6×DNA Loading Buffer 寶日醫(yī)生物技術(shù)有限公司;PGA標(biāo)品(1.5～5萬)、PGA標(biāo)品(5～10萬) Sigma-Aldrich公司;PGA標(biāo)品(100萬左右) 山東福瑞達(dá)生物科技有限公司。

Q2000差示掃描量熱儀(differential scanning calorimeter,DSC) 美國TA儀器公司;DHR-3 Discovery混合型流變儀 美國TA儀器公司;TA.XT Plus質(zhì)構(gòu)儀 英國SMS公司;DMT-5電動家用面條機(jī) 龍口市復(fù)興機(jī)械有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 高分子量γ-PGA的制備 參考Mitsyik等[11]的實驗方法,將含γ-PGA的發(fā)酵液加入蒸餾水稀釋后,再10000 r/min離心10 min去除菌體,上清液加入3倍體積的無水乙醇,4 ℃沉淀12 h得到γ-PGA,在常溫下蒸餾水透析12 h以去除14000 Da小分子的物質(zhì),后冷凍干燥以得到未水解的高分子量γ-PGA。

1.2.2 低分子量γ-PGA的制備 上述發(fā)酵得到無菌體的上清液在pH為2、溫度90 ℃的條件下水解150 min,其余步驟同1.2.1，得到水解后的低分子量γ-PGA。

1.2.3γ-PGA分子量的測定 得到的兩種PGA干粉,用蒸餾水制成0.2%的水溶液,用標(biāo)準(zhǔn)的γ-PGA做參照,后用0.8%瓊脂糖在120 V下電泳30 min,結(jié)束后用亞甲基藍(lán)染色2 h,在室溫下蒸餾水脫色12 h后拍照。

1.2.4γ-PGA抗凍活性的測定 將2%高分子量γ-PGA溶液、2%低分子量γ-PGA溶液、2%BSA和純水(對照)分別裝入DSC專用坩堝中,密封。程序設(shè)定參照Mitsuiki等[11]的方法,簡述如下:取樣品10 mg,以5 ℃/min的速度從30 ℃降至-22 ℃,保持10 min,后以3 ℃/min升溫至30 ℃。實驗重復(fù)三次,結(jié)果取平均值?？箖龌钚?AA)是指降溫過程中每克樣品能夠使溶液中保留的未凍結(jié)水的克數(shù),計算公式如下:

式中,w為樣品重量占溶液重量的比例;ΔHwater為純水的熱焓值;ΔHPGA為樣品溶液的熱焓值[13]。

1.2.5 冷凍面團(tuán)和面條的制備 面團(tuán)基本配方為:高筋面粉100 g加入50 g蒸餾水,分別加入面粉質(zhì)量的2%高分子量、0.5%低分子量、2%低分子量的γ-PGA,以不加γ-PGA做對照。揉成均勻的面團(tuán),靜置10 min,后分成每份10 g。用面條機(jī)把面團(tuán)制成0.2 cm厚、0.5 cm寬、10 cm長的面條。將面團(tuán)和面條用保鮮膜包覆,在25 ℃培養(yǎng)箱中靜置60 min,后在-40 ℃下速凍30 min。然后在-20 ℃分別冷處理0、3、7、14、21 d。

1.2.6 冷凍面團(tuán)可凍結(jié)水含量的測定 冷凍面團(tuán)在25 ℃下解凍60 min,從面團(tuán)中心部分取10 mg樣品,用DSC進(jìn)行可凍結(jié)水的分析,掃描溫度程序設(shè)定參照Matuda等[14]的方法,從25 ℃以10 ℃/min降到-90 ℃,保持10 min,然后以5 ℃/min升溫至20 ℃,得到面團(tuán)吸熱焓(ΔHdough)?？蓛鼋Y(jié)水含量(freezable water content,Fw)的計算公式[15]如下:

FW(%)=面團(tuán)冰晶吸熱焓(ΔHdough)/[冰晶融化潛熱(334 J/g)×面團(tuán)含水量]

1.2.7 面團(tuán)流變性能檢測 10 g面團(tuán)樣品用模具制成直徑2 cm的圓片狀,使用旋轉(zhuǎn)流變儀進(jìn)行變形振蕩測量。使用20 mm直徑的平板,整個過程使用2 mm的間隔,將樣品放在兩塊平板之間,去除多余部分。25 ℃下在10 rad/s的頻率下,應(yīng)變從0.01%～100%進(jìn)行掃描,根據(jù)得到的儲存模量(G′)和損失模量(G″),以確定線性粘彈性范圍。然后將樣品在25 ℃下放置5 min,在線性粘彈性范圍內(nèi)進(jìn)行0.01～40 Hz頻率掃描。分別計算儲能模量(G′)和損耗模量(G″)[16]。

1.2.8 面團(tuán)質(zhì)構(gòu)剖面分析 采用質(zhì)構(gòu)剖面分析的模式,將面團(tuán)解凍后用面條機(jī)制成3 cm的厚度,后用模具制成直徑3.5 cm的圓片狀進(jìn)行測定,探頭型號為P/25,測試前速率1.0 mm/s,測試中速率和測試后速率均為0.8 mm/s,觸發(fā)力5 g,按壓距離6 mm[16]。

1.2.9 面條的烹飪吸收測定 參考Ding等[17]的實驗方法,取10 g不同時間冷凍的面條,在250 mL沸水中煮5 min,然后用100 mL蒸餾水洗滌,放在通風(fēng)櫥下吹10 min,稱重量。計算烹飪吸收,公式如下:

1.3 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 水解前后γ-PGA分子量變化

對含γ-PGA發(fā)酵原液90 ℃下水解150 min,水解前后的樣品進(jìn)行瓊脂糖電泳,以確定分子量大小,結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同水解條件的γ-PGA瓊脂糖凝膠電泳圖Fig.1 Agarose gel electrophoresis of γ-PGA different hydrolysis conditions注:1：PGA標(biāo)品(1.5～5萬);2：水解后的γ-PGA; 3：未水解γ-PGA;4：100萬的高分子量PGA標(biāo)品。

由圖1可知,水解后的γ-PGA的條帶位置與PGA標(biāo)品(1.5～5萬)的相近,表明水解后的γ-PGA分子量小于5萬,為低分子量的γ-PGA。未水解的γ-PGA的條帶位置在已知分子量為100萬的γ-PGA條帶上方,因此水解前γ-PGA的分子量在100萬左右,為高分子量的γ-PGA。本文以上述兩種高低分子量的γ-PGA為材料,探究γ-PGA分子量對冷凍面團(tuán)和面條的抗凍保護(hù)效果。

2.2 γ-PGA的吸熱焓、可凍結(jié)水含量及抗凍活性

對純水、2% BSA、2%高分子量γ-PGA和2%低分子量γ-PGA用DSC進(jìn)行溫度掃描,檢測抗凍活性,所得DSC掃描曲線如圖2所示。應(yīng)用TA Universal Analysis軟件對掃描曲線進(jìn)行分析,得到樣品的吸熱焓、可凍結(jié)水含量和抗凍活性如表1所示。

表1 不同樣品的吸熱焓、可凍結(jié)水含量和抗凍活性Table 1 ΔHm,Fw and AA of different samples

圖2 不同樣品的DSC曲線Fig.2 DSC curves of different samples

由圖1可知,在升溫融化過程中,各組樣品都出現(xiàn)了較大的吸熱峰。由表1可知,純水的吸熱焓為252.2 J/g,2% BSA溶液的吸熱焓為248.4 J/g,未水解γ-PGA溶液的吸熱焓為211.4 J/g,2%水解γ-PGA溶液的吸熱焓為175.7 J/g,γ-PGA的吸熱焓明顯低于對照和BSA組。從可凍結(jié)水含量來說,γ-PGA的Fw值明顯低于對照和BSA組,而且水解后γ-PGA的Fw值比未水解的γ-PGA更小。計算后得到的抗凍活性值中未水解和水解γ-PGA也高于BAS。多聚谷氨酸具有較強(qiáng)的水分子吸附能力[11],因此本實驗說明γ-PGA具有較好的持水性,易與水分子結(jié)合,能夠減少游離水的含量而具有良好的抗凍活性。

2.3 γ-PGA對冷凍面團(tuán)可凍結(jié)水含量的影響

面團(tuán)冷凍儲存期間發(fā)生的重結(jié)晶作用,從而導(dǎo)致的冰晶形成和生長是面團(tuán)品質(zhì)惡化的一個非常重要的因素,而可凍結(jié)水含量是凍藏過程中面團(tuán)冰晶數(shù)量的一個決定性因素[18]。這里應(yīng)用DSC來研究冷凍面團(tuán)中可凍結(jié)水的含量。添加不同含量、水解前后的γ-PGA面團(tuán)在冷凍處理不同時間后可凍結(jié)水含量如圖3所示。

圖3 面團(tuán)在不同冷處理時間下的可凍結(jié)水含量Fig.3 Changes of freezable water content of dough under different freezing treatment time

在冷凍0 d時,各組的可凍結(jié)水含量相差不大,均為30%左右。隨著冷凍時間的延長,各組的可凍結(jié)水含量逐漸增加。冷凍7 d時,對照組可凍結(jié)水含量為34.9%,未水解γ-PGA組(2%高分子量γ-PGA)可凍結(jié)水含量為32.7%,而加入量0.5%的水解γ-PGA組(0.5%低分子量γ-PGA)可凍結(jié)水含量為30.7%。冷凍21 d時,對照組的可凍結(jié)水含量達(dá)到了40%,未水解γ-PGA組在34%左右,而加入量0.5%和2%的水解γ-PGA的可凍結(jié)水含量均為32%。表明長期(21 d)凍藏后,水解后γ-PGA(低分子量γ-PGA)能夠極顯著(p<0.001)減少冷凍面團(tuán)中的可凍結(jié)水含量。

抗凍活性是基于物質(zhì)對水分的固定,多聚谷氨酸對水分子具有較強(qiáng)的吸附性能[19],可以明顯增加溶液的持水能力。綜合以上結(jié)果,推測可能是由于γ-PGA限制了自由水在冷凍面團(tuán)中的遷移,減緩冰晶的生長,使形成的冰晶細(xì)小,從而降低了冰晶對活性結(jié)構(gòu)的破壞。如圖3所示,冷凍0 d時,各組的可凍結(jié)水含量都相差不大,隨著冷凍時間延長,各組的Fw都呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。

2.4 γ-PGA對不同冷處理時間的冷凍面團(tuán)儲能模量(G′)和損耗模量(G″)的影響

儲能模量是材料變形后回彈的指標(biāo),表示材料存儲彈性變形能量的能力。損耗模量是指材料在發(fā)生形變時,由于粘性形變(不可逆)而損耗的能量大小,反映材料粘性大小。通過對不同冷處理時間各組面團(tuán)的儲能模量和損耗模量的測定,來研究凍藏和溫度波動對面團(tuán)中流變學(xué)特性的變化,探討γ-PGA的抗凍保護(hù)作用。

2.4.1 確定最適的應(yīng)變力進(jìn)行頻率掃描 如圖4所示,隨著應(yīng)變力的變化,各組的儲存模量和損失模量都呈現(xiàn)不斷下降的趨勢,在應(yīng)變力變化在0.1%時,各組的模量均沒有明顯變化,有文獻(xiàn)報道[20],在儲存模量的下降趨勢超過3%的時候,所測樣品的結(jié)構(gòu)開始發(fā)生變化,由圖4可知,在各組的儲存模量從起始點(diǎn)下降3%時應(yīng)變力大約在0.5%左右,故在后續(xù)的實驗均采用應(yīng)變力0.5%進(jìn)行實驗。

圖4 應(yīng)變力掃描下面團(tuán)的儲存模量和損失模量圖Fig.4 Strain sweeps of G′ and G″ of dough

2.4.2γ-PGA對不同冷處理時間的冷凍面團(tuán)儲能模量的影響 由圖5可知,各組的G′值隨著冷處理時間的延長而減小,冰晶重結(jié)晶作用于面團(tuán)體系結(jié)構(gòu)中,導(dǎo)致蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的破壞,使冷凍面團(tuán)的彈性模量逐漸降低[21-23]。在相同的掃描頻率下,低分子量γ-PGA組的G′值明顯高于對照組和高分子量γ-PGA組,而且凍藏21 d后,低分子量γ-PGA組的G′值仍保持比對照組高,說明它能長時間有效地減少冰晶對面團(tuán)中面筋蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的破壞,并且加入量為0.5%的低分子量γ-PGA相較于2%的高分子量γ-PGA較高,可知低分子量的γ-PGA對面團(tuán)具有更強(qiáng)的抗凍保護(hù)性能。

圖5 不同冷凍時間面團(tuán)的儲能模量掃描圖Fig.5 Frequency sweeps of G′ of dough after different freezing treatment time注:A～D分別冷凍3、7、14、21 d的面團(tuán);圖6同。

2.4.3γ-PGA對不同冷處理時間的冷凍面團(tuán)損耗模量的影響 在不同冷凍時間和頻率掃描下γ-PGA對冷凍面團(tuán)損耗模量G″的影響如圖6所示,可以看出,隨著冷凍時間的延長,冰晶生長形成的壓力會導(dǎo)致面筋結(jié)構(gòu)的斷裂,造成不可逆的機(jī)械損傷,導(dǎo)致各組損耗模量G″整體上呈現(xiàn)下降趨勢。從相同的凍藏時間來看,低分子量γ-PGA的G″值比對照組和高分子量γ-PGA組都較高。說明γ-PGA具有良好的吸水性,能夠阻礙面團(tuán)中水分遷移,增強(qiáng)面團(tuán)持水性,從而增強(qiáng)了面團(tuán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[24]。

圖6 不同冷凍時間面團(tuán)的耗能模量掃描圖Fig.6 Frequency sweeps of G″ of dough after different freezing treatment time

2.5 γ-PGA對冷凍面團(tuán)質(zhì)構(gòu)的影響

對不同冷凍時間面團(tuán)的硬度、內(nèi)聚性、膠粘性、彈性、回復(fù)性、咀嚼性等指標(biāo)進(jìn)行了檢測,結(jié)果如表2所示。隨著冷凍時間的延長,面團(tuán)內(nèi)部形成的冰晶量增多,各組的硬度、膠粘性和咀嚼性逐漸增大,面團(tuán)的質(zhì)構(gòu)逐漸變差。從表2可以看出,在相同的冷凍時間內(nèi),加入γ-PGA組面團(tuán)的硬度、膠粘性和咀嚼性都明顯低于對照組,且加入2%低分子量γ-PGA的冷凍面團(tuán)的以上指標(biāo)均最小。

另外,由于在冷凍儲存期間形成的冰晶會破壞面筋網(wǎng)絡(luò)的完整性[25],因此各組面團(tuán)的回復(fù)性在冷凍儲存期間各組均降低。如表2所示,在冷凍21 d時，各組面團(tuán)的回復(fù)性與冷凍3 d相比都有所下降。但在相同的冷處理時間內(nèi),加入γ-PGA面團(tuán)的回復(fù)性和內(nèi)聚性均較高,是因為γ-PGA具有降低可凍結(jié)水含量和抑制冰重結(jié)晶的能力,從而最大限度地減少凍存對面筋基質(zhì)的損害[21]。此外,實驗數(shù)據(jù)表明:0.5%和2%的低分子量γ-PGA對冷凍面團(tuán)質(zhì)構(gòu)改善效果沒有明顯差異,表明γ-PGA分子量是影響抗凍活性的主要因素。

2.6 γ-PGA對不同冷處理時間的冷凍面條烹飪吸收的影響

面條的烹飪吸收受淀粉顆粒吸水量的影響,主要取決于面筋基質(zhì)結(jié)合水的能力[17,26]。面條的結(jié)構(gòu)越完整[27],它在烹煮后吸收的水量就越多。研究了不同分子量的γ-PGA對冷凍面團(tuán)烹飪吸收的影響,結(jié)果如圖7所示。

圖7 面條在不同冷處理時間下的烹飪吸收Fig.7 Changes of water absorption of noodles after different freezing treatment time

冷凍處理3 d后，隨著冷凍處理時間的延長,各組面條的烹飪吸收量逐漸降低。冷凍處理21 d時,對照組面條的烹飪吸收為41.8%,高分子量γ-PGA組為49.3%,而0.5%和2%的低分子量γ-PGA組的面條烹飪吸收分別為58.2%和54%。表明低分子γ-量PGA的具有更強(qiáng)的冰重結(jié)晶抑制活性。由于γ-PGA的分子鏈上有大量的羧基,能夠與淀粉顆粒表面上的活性基團(tuán)結(jié)合,在分子內(nèi)和分子間形成大量的氫鍵與淀粉顆粒發(fā)生相互交聯(lián),增大了淀粉的熱穩(wěn)定性。另外,γ-PGA的多羥基基團(tuán)與淀粉競爭結(jié)合自由水,使淀粉可結(jié)合的自由水減少,進(jìn)而減緩冰晶的生長,降低了冰晶對面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的破壞,從而增加面制品的耐儲藏性。

3 結(jié)論

本文探究了高、低分子量的γ-PGA的對冷凍面團(tuán)及面條的抗凍保護(hù)作用。結(jié)果表明,γ-PGA具有較強(qiáng)的抗凍活性,將其應(yīng)用于冷凍面團(tuán)中,能夠減少面團(tuán)中的可凍結(jié)含水量,提高冷凍面團(tuán)的存儲彈性變形能量的能力。γ-PGA能夠提高面條的烹飪吸收水平。此外,與高分量的γ-PGA相比,低分子的γ-PGA的具有更強(qiáng)的抗凍保護(hù)活性,而且0.5%與2%的添加量對冷凍面條和面團(tuán)改善效果相差不大,表明在一定的添加范圍內(nèi),低分子量的γ-PGA對冷凍面制品具有良好的抗凍保護(hù)作用。