凍藏時間對面團水分物態(tài)變化及品質(zhì)特性的影響

許可　邱國棟　李星科　王宏偉　劉興麗　張艷艷　張華

摘要：研究了不同凍藏時間（0 d、10 d、20 d、30 d）對面團中可凍結(jié)水含量（FW）、水分分布及存在狀態(tài)、熱力學(xué)特性和質(zhì)構(gòu)特性的影響，并通過主成分分析和相關(guān)性分析探究它們之間的相關(guān)性.結(jié)果表明：隨著凍藏時間的延長，面團的水分物態(tài)發(fā)生了顯著改變，F(xiàn)W、強結(jié)合水含量（A21）和自由水含量（A23）增加，弱結(jié)合水（T22）和自由水（T23）的橫向弛豫時間均向左偏移;凍藏后面團的熱穩(wěn)定性（To、Tc和ΔH）提高，硬度、黏附性和咀嚼性增加，內(nèi)聚性降低;凍藏期間面團內(nèi)部水分物態(tài)和熱力學(xué)特性的變化會引起面團質(zhì)構(gòu)特性PC1變化值的提高，從而導(dǎo)致面團品質(zhì)劣變.

Abstract：

The effects of different freezing storage time （0 d，10 d，20 d，30 d） on the water content （Fw），water distribution and existence state，thermodynamic characteristics and texture characteristics in the dough were studied.And the correlation between them was explored through principal component analysis and correlation analysis.The results showed that the moisture state of the dough changed significantly with the increase of the frozen storage time.Fw，strongly-bound water content （A21） and free water （A23） increased，the lateral relaxation time of weakly-bound water （T22） and free water （T23） in the dough shifted to the left.After frozen storage，the thermal stability （To，Tc and ΔH） of the dough was improved，the hardness，gumminess and chewiness were increased，and the cohesiveness was reduced.The change of the internal moisture and thermal characteristics of the dough during the frozen storage period caused the improvement of the change value of the dough texture properties PC1，which represented the dough quality deteriorated.

0 引言

冷凍面團是指以面粉為主要原料，經(jīng)過揉制加工形成面胚后，速凍形成的面制品半成品.冷凍面團需在低溫下凍藏，待需要時解凍，經(jīng)過后續(xù)加工工藝制成目標(biāo)面制品成品[1].近年來，冷凍面團以其安全、方便、成本低等優(yōu)點受到業(yè)界廣泛關(guān)注，逐漸成為面制品（面包、饅頭、餃子等）工業(yè)標(biāo)準化和規(guī)?；a(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)手段[2-3].然而，研究表明，面團在凍藏過程中會產(chǎn)生一系列不良的變化，具體表現(xiàn)為硬度增大、發(fā)酵時間延長、氣體滯留性差、體積縮小等，這會導(dǎo)致產(chǎn)品品質(zhì)劣變，進而制約冷凍面制品的發(fā)展.究其原因，主要是由面團內(nèi)部水分含量、水分存在狀態(tài)、水分分布等水分物態(tài)變化造成的[4-5].面團在凍藏過程中，其內(nèi)部水分的遷移和冰晶的重結(jié)晶可破壞面筋蛋白、淀粉等大分子聚合物的組織結(jié)構(gòu)，從而對面制品的物化性質(zhì)、質(zhì)構(gòu)特性、感官品質(zhì)等產(chǎn)生影響[6-8].

目前，研究人員對面團及其加工制品在凍藏期間品質(zhì)劣變的機制已做了大量研究，主要集中在面筋蛋白結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和酵母活性降低方面[9-10].P.Wang等[9]研究冷凍饅頭品質(zhì)變化發(fā)現(xiàn)，面筋大分子聚合物的解聚會導(dǎo)致冷凍面團彈性和氣體保持能力減弱，這也是造成冷凍饅頭品質(zhì)下降的重要原因.楊靜潔等[10]研究不同凍藏溫度下面團中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化發(fā)現(xiàn)，隨著貯藏溫度的降低，冷凍面團中單體蛋白、游離巰基、β-折疊和無規(guī)則卷曲含量降低，α-螺旋和谷蛋白大聚體含量增加，且谷蛋白大聚體的聚合程度增加;較低的凍藏溫度能降低非發(fā)酵面團中蛋白的解聚程度，對穩(wěn)定面團的質(zhì)構(gòu)特性具有積極作用.此外，酵母的發(fā)酵產(chǎn)氣能力將直接影響冷凍面團的品質(zhì).Y.He等[11]研究表明，隨著凍藏時間的延長，酵母細胞的總量和活性逐漸降低，低溫甚至?xí)?dǎo)致酵母細胞死亡，其產(chǎn)氣能力逐漸下降，最終影響冷凍面團及其制品的品質(zhì).上述冷凍面團的發(fā)酵特性和面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的破壞源于自由水形成的冰晶及重結(jié)晶，即冷凍面團內(nèi)的水分狀態(tài)及分布是導(dǎo)致冷凍面團品質(zhì)劣變的根本原因，因此，研究冷凍食品中水分物態(tài)的變化情況非常必要.

為了探究冷凍面團水分物態(tài)變化對其品質(zhì)特性的影響，研究人員采用核磁共振波譜（NMR）和差示掃描量熱（DSC）技術(shù)對其進行了初步分析[12-13]，但相關(guān)研究并不深入，尤其是對冷凍面團水分分布、冰晶形成及其質(zhì)構(gòu)特性相關(guān)性的研究較少.鑒于此，本文擬以小麥粉制作的面團為研究對象，將面團置于-18 ℃條件下分別凍藏處理0 d、10 d、20 d和30 d，研究面團凍藏過程中可凍結(jié)水含量（FW）、水分分布及存在狀態(tài)、熱力學(xué)特性和質(zhì)構(gòu)特性的變化規(guī)律，并通過主成分分析和相關(guān)性分析探究它們之間的相關(guān)性，以期建立一種簡便的冷凍面團品質(zhì)衡量方式，為面團凍藏期間的品質(zhì)調(diào)控提供理論依據(jù)，為實現(xiàn)冷凍面團工業(yè)化的快速發(fā)展提供技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

精制小麥粉（蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為11.1%），河南金苑糧油有限公司產(chǎn).

1.2 主要儀器與設(shè)備

HA-3480AS型和面機，克萊美斯機電科技（深圳）有限公司產(chǎn);HWS-080型恒溫恒濕培養(yǎng)箱，上海精宏試驗設(shè)備有限公司產(chǎn);BCD-278TAJ型冷藏柜，海爾電器有限公司產(chǎn);NMI20型低場核磁共振分析儀，上海紐邁電子科技有限公司產(chǎn);DSC Q2000型差示掃描量熱儀、TA.XTplus型質(zhì)構(gòu)儀，美國TA公司產(chǎn).

1.3 實驗方法

1.3.1 冷凍面團的制作

根據(jù)Y.L.Jiang等[14]的方法，并稍作修改.將400 g小麥粉與200 mL蒸餾水混合后，置于和面機中攪拌10 min;待面團成型后，將其壓至厚度（5 mm）均勻，置于聚乙烯袋中，在-80 ℃條件下速凍，使面團中心溫度快速（< 30 min）降至-18 ℃;再轉(zhuǎn)置于-18 ℃的冰箱中分別凍藏10 d、20 d、30 d，以不進行凍藏處理的冷凍面團為對照（凍藏0 d）.根據(jù)凍藏時間的不同，凍藏處理后的樣品分別被命名為D-0、D-10、D-20和D-30.

1.3.2 冷凍面團FW的測定 根據(jù)J.Mi等[15]的方法，并稍作修改.采用差示掃描量熱儀測定冷凍面團中的FW.從冷凍面團中心取出25 mg樣品密封在鋁鍋中，并將空鋁盤作為空白對照.首先將樣品以10 ℃/ min的速率從20 ℃冷凍至-30 ℃并保持2 min，然后以10 ℃/ min的速率將其加熱至20 ℃.FW的計算公式如下：

FW = ΔHFw/ΔHo×100%

其中，ΔHFw是樣品的冰熔化焓/（J·g-1），冰熔化的潛熱ΔHo=334 J/g.

1.3.3 冷凍面團水分分布的測定 利用低場核磁共振波譜（LF-NMR）技術(shù)測量不同凍藏時間面團的橫向弛豫時間，探究面團凍藏期間內(nèi)部水分分布及遷移情況.根據(jù)李銀麗[16]的方法，并稍作改動.切取冷凍面團條（0.8 cm×0.8 cm×3.0 cm）放入樣品管中，置于永久磁場射頻線圈的中心位置，運用核磁共振分析中的GPMG序列對面團樣品進行信息采集.測試參數(shù)設(shè)定如下：溫度-18 ℃，共振頻率18 MHz，回波個數(shù)（TW） 2000[2]，采樣數(shù)（TD）144 044，弛豫時間點數(shù)100，重復(fù)掃描次數(shù)（NS）16.

1.3.4 冷凍面團熱力學(xué)特性參數(shù)的測定 根據(jù)T.W.Zhu等[5]的方法，并稍作修改.采用差示掃描量熱儀對樣品進行熱力學(xué)特性分析.從冷凍面團的中心位置取樣25 mg，放入鋁盒（液盒）中鋪平，然后使用壓片機密封，并制作一個空盒為空白對照.設(shè)置測量程序為：起點溫度20 ℃，保持1 min，然后以10 ℃/min的速率升溫至120 ℃，由此獲得樣品糊化時的起始溫度（To）、峰值溫度（Tp）、終止溫度（Tc）和糊化焓值（ΔH）.

1.3.5 冷凍面團質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)的測定 取不同凍藏時間處理的面團，在溫度為30 ℃、濕度為80%的恒溫恒濕箱中解凍后，將面片置于沸水中加熱8 min，隨后于20 ℃蒸餾水中冷卻2 min;瀝干面片表面水分，切取長、寬均為2 cm的樣品置于質(zhì)構(gòu)儀的載樣臺中央，選取P/50探頭進行樣品質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)的測定，從質(zhì)構(gòu)儀的測定結(jié)果可得硬度、黏附性、內(nèi)聚性、回復(fù)性、彈性等參數(shù)值.質(zhì)構(gòu)儀基本參數(shù)設(shè)定為：TPA模式，測試前、中、后速率均為1.0 mm/s，樣品變形量70%，觸發(fā)力5 g，兩次壓縮停頓時間5 s，每組樣品平行5次，去除最大值和最小值后取平均值.

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

上述實驗均重復(fù)進行3次，結(jié)果以（平均值±標(biāo)準差）表示.使用SPSS和Origin8.5軟件進行數(shù)據(jù)分析及作圖，單因素方差分析通過Duncan多重比較法進行顯著性檢驗（P<0.05）.使用SPSS對冷凍面團的5個質(zhì)構(gòu)特性進行主成分分析，得到原始數(shù)據(jù)的特征值、貢獻率及累積貢獻率，并對特征值大于1的主成分進行主成分提取[14].

2 結(jié)果與分析

2.1 凍藏時間對冷凍面團FW的影響

表1為不同凍藏時間下冷凍面團中FW的測定結(jié)果.由表1可知，隨著凍藏時間的延長，冷凍面團中的FW逐漸增加，即自由水含量不斷減少.其中，凍藏10 d樣品的FW比凍藏0 d的提高了5.9%;凍藏20 d樣品的FW比凍藏10 d的提高了22.5%;凍藏30 d樣品的FW比凍藏20 d的提高了5.1%.凍藏時間能夠顯著增加冷凍面團中的FW，這可能緣于冰晶的成核動力學(xué)變化，即凍藏期間，隨著水分的遷移與冰晶的生成，面團內(nèi)部或面筋網(wǎng)絡(luò)間隙中的水分發(fā)生了重新分布，冰晶的體積不斷增大[17]，使FW增加.

2.2 凍藏時間對冷凍面團水分分布的影響

水分的含量、分布、與其他組分的結(jié)合程度對冷凍面團的品質(zhì)及最終產(chǎn)品的品質(zhì)均有重要影響[18].冷凍面團的T2反演圖譜能反映水分在面團中與親水物質(zhì)的結(jié)合程度，峰的弛豫時間越短，表明水分與面筋蛋白或淀粉結(jié)合越緊密[19].不同凍藏時間對冷凍面團弛豫時間的影響如圖1所示，其中，面團在1.00～1 000.00 ms內(nèi)分布有3個峰，代表面團中水分存在的3種相態(tài)，分別為強結(jié)合水（T21，0.01～1.00 ms）、弱結(jié)合水（T22，1.00～50.00 ms）和自由水（T23，50.00～200.00 ms）.由圖1可以看出，T22為主峰，這表明冷凍面團的水分分布以T22為主.隨著凍藏時間的延長，面團中T22和T23的橫向弛豫時間都出現(xiàn)一定程度的向左偏移，且凍藏時間越長，變化趨勢越明顯.這說明凍藏期間面團中水分自由度降低，與其他組分結(jié)合更加緊密.

不同凍藏時間下冷凍面團的水分分布狀態(tài)

見表2.由表2可知，隨著凍藏時間的延長，面團中強結(jié)合水含量（A21）和自由水含量（A23）上升，而弱結(jié)合水含量（A22）下降，其中凍藏時間為30 d時，A21和A23分別上升了29.23%和 90.00%，A22下降了3.36%.這一方面可能是因為在凍藏期間，水分重新分布，冷凍面團中淀粉和蛋白質(zhì)互相競爭水分子，導(dǎo)致結(jié)合水與各組分結(jié)合更加緊密;另一方面，由于水分的遷移，部分水分析出形成冰晶，隨著冰晶的形成與增長，A23逐漸增加，最終導(dǎo)致凍藏期間T21、T22、T23 3種狀態(tài)水分的相互轉(zhuǎn)換.

2.3 凍藏時間對冷凍面團熱力學(xué)特性的影響

表3為不同凍藏時間對冷凍面團熱力學(xué)特性的影響.由表3可知，冷凍面團的To、Tc和ΔT（To-Tc）均有所提高，表明凍藏處理導(dǎo)致面團內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，最終導(dǎo)致冷凍面團的熱穩(wěn)定性提高，且隨著凍藏時間的增加，該趨勢更加明顯.這可能是由于凍藏期間水分的物態(tài)變化造成面筋蛋白結(jié)構(gòu)被破壞和解聚，使蛋白質(zhì)分子的氨基酸側(cè)鏈殘基暴露，導(dǎo)致其在加熱過程中容易形成淀粉-蛋白復(fù)合物[20-22]，進而提高了面團的熱穩(wěn)定性.

面團的ΔH主要受其內(nèi)部淀粉分子有序化程度的影響.與未經(jīng)凍藏處理的面團相比，凍藏處理能夠提高面團的ΔH，并且隨著凍藏時間的延長，冷凍面團的ΔH呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，由 0.63 J/g增至1.22 J/g，這與W.Lu等[23]的研究結(jié)果一致.淀粉通常在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）下，其分子鏈處于被“凍結(jié)”狀態(tài)，然而本研究中面團凍藏溫度（-18 ℃）高于Tg，淀粉分子鏈的側(cè)基、支鏈和鏈節(jié)仍具有一定的可移動能力，即凍藏期間冰晶的形成和增長產(chǎn)生的微機械力促進了淀粉鏈的重排[17]，使其形成更加有序的分子結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致面團的ΔH增加.

2.4 凍藏時間對冷凍面團質(zhì)構(gòu)特性的影響

表4為不同凍藏時間對冷凍面團質(zhì)構(gòu)特性的影響.由表4可知，凍藏處理可顯著影響面團的硬度、彈性、內(nèi)聚性、黏附性和咀嚼性，并導(dǎo)致其質(zhì)構(gòu)品質(zhì)發(fā)生劣變.經(jīng)凍藏處理后，面團的硬度有所提高，其中D-30的硬度（15 739 N）顯著高于對照組（12 892 N），一方面可能是由于冷凍面團在加熱過程中形成了較多的淀粉-蛋白復(fù)合物，使面團膨脹程度下降;另一方面，面團中的淀粉分子鏈在凍藏過程中會發(fā)生重排，淀粉分子結(jié)構(gòu)的有序化程度提高，使面團的剛性提高，進而呈現(xiàn)較高的硬度值[16].咀嚼性是指將食物咀嚼到可以吞咽狀態(tài)時所需的能量，通過面團硬度值和彈性值計算，其變化趨勢與硬度基本相同.經(jīng)過30 d的凍藏處理，冷凍面團的內(nèi)聚性降低了 0.028，這可能是由于面團在凍藏過程中，水分物態(tài)（FW、水分分布及狀態(tài)）變化破壞了面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的完整性，使其形成較為松散的面團結(jié)構(gòu)體系，從而使其內(nèi)聚性降低.此外，F(xiàn)W的增加和水分的遷移可使冷凍面團內(nèi)的淀粉顆粒裸露，在蒸煮過程中接觸更多的水分子，發(fā)生較高程度的糊化膨脹，最終引起面團黏附性的提高[24].

面團的質(zhì)構(gòu)特性是評價其品質(zhì)優(yōu)劣的一個

重要分析指標(biāo)，在一定范圍內(nèi)能較好地反映面團的品質(zhì)特性[25].本研究采用主成分分析法將面團5個質(zhì)構(gòu)特性（硬度、彈性、內(nèi)聚性、黏附性和咀嚼性）的參數(shù)值進行簡化，提取主成分因子以表征冷凍面團的綜合質(zhì)構(gòu)特性[26-27].主成分的特征值及貢獻率見表5.由表5可知，PC1的貢獻率為75.084%，可以代表全部原始信息的75.084%，即解釋了總變異的75.084%（超過70%），可以較全面地反映冷凍面團質(zhì)構(gòu)特性的大部分原始信息，故將冷凍面團樣本質(zhì)構(gòu)特性的多變量簡化為一個主成分（PC1）作為綜合評價指標(biāo).面團分別經(jīng)凍藏處理10 d、20 d和30 d后，PC1的變化值分別為-0.294、0.543和 1.387，均顯著高于對照組（-1.173）（P<0.05）.這表明，凍藏處理會破壞面團組織結(jié)構(gòu)，影響面團的品質(zhì).

為了更好地了解面團凍藏期間的品質(zhì)變化過程，本文采用相關(guān)性分析研究各測量參數(shù)對面團品質(zhì)的影響[14].表6為冷凍面團質(zhì)構(gòu)特性與FW、水分分布、熱力學(xué)特性之間的相關(guān)分析.由表6可知，PC1與FW呈顯著正相關(guān)（0.964*），與A22呈顯著負相關(guān)（-0.985*），與A23呈極顯著正相關(guān)（1.000**）.由此可知，面團中的FW及水分分布狀態(tài)可顯著影響面團的質(zhì)構(gòu)特性.此外，PC1還與凍藏面團的熱力學(xué)特性（Tc，0.966*;ΔH，0.988*）顯著相關(guān)，面團的ΔH與FW（0.988*）及水分分布狀態(tài)（A22，-0.968*;A23，0.990*）也顯著相關(guān).以上結(jié)果表明，面團中面筋蛋白與淀粉的相互作用及水分的遷移情況均影響了面團的質(zhì)構(gòu)特性.因此，通過衡量冷凍面團內(nèi)部水分的物態(tài)變化及面團熱力學(xué)特性轉(zhuǎn)變情況，可為面團凍藏期間的品質(zhì)變化提供依據(jù).

3 結(jié)論

本文通過研究小麥粉面團凍藏過程中FW、水分分布及存在狀態(tài)、熱力學(xué)特性和質(zhì)構(gòu)特性的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，面團在凍藏期間，水分的物態(tài)形式發(fā)生了顯著改變，表現(xiàn)為FW增加，且隨著凍藏時間的延長， 面團內(nèi)T22和T23的橫向弛豫時間均向左偏移，面團內(nèi)水分自由度降低， A21增加;水分物態(tài)（FW、水分分布和狀態(tài)）變化可提高面團的熱穩(wěn)定性（To、Tc和ΔH），而這可能與面團受熱糊化時淀粉-蛋白復(fù)合物的形成有關(guān);此外，凍藏處理可提高面團的硬度、黏附性和咀嚼性，降低其內(nèi)聚性，從而導(dǎo)致面團品質(zhì)下降;通過主成分分析提取面團質(zhì)構(gòu)綜合評價指標(biāo)PC1，繼而采用相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，水分的物態(tài)形式和面團的熱力學(xué)特性與PC1顯著相關(guān).本研究建立了一種簡單的冷凍面團品質(zhì)衡量方式，可為調(diào)控冷凍面團的品質(zhì)變化提供新思路.

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收稿日期：2020-09-23

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2018YFD0400604-02）;河南省自然科學(xué)基金項目（182300410067）;鄭州市重大科技專項項目（188PCXZX805）

作者簡介：許可（1995—），女，河南省信陽市人，鄭州輕工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要研究方向為食品工程.

通信作者：張華（1975—），男，河南省鄭州市人，鄭州輕工業(yè)大學(xué)教授，博士，主要研究方向為速凍食品加工與安全控制.