磁場處理對面團發(fā)酵特性的影響及作用機制

張艷艷，張斯琦，孫萌輝，劉興麗，張 華,*

（1.鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 食品生產(chǎn)與安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南省冷鏈食品質(zhì)量安全控制重點實驗室，中原食品實驗室，河南 鄭州 450001）

饅頭是將小麥面粉、水和酵母混合制成發(fā)酵面團，經(jīng)過蒸煮而制成的食品[1]。發(fā)酵是饅頭加工過程中的重要環(huán)節(jié)，會影響產(chǎn)品的口感、色澤、香氣、質(zhì)地。研究發(fā)現(xiàn)，面團的水分分布與面筋蛋白的分子結(jié)構(gòu)對面團的發(fā)酵能力至關(guān)重要，進而影響?zhàn)z頭的品質(zhì)[2]。因此，發(fā)酵過程中面團水分分布以及面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化規(guī)律與饅頭品質(zhì)的作用關(guān)系一直是學(xué)者們關(guān)注的熱點問題。

磁場具有對食品的穿透性高且不與食品接觸的優(yōu)點，作為一種新型的非熱加工技術(shù)，多用于果蔬保鮮、殺菌、肉類保藏。目前，磁場已被用于葡萄酒的陳釀過程中，經(jīng)磁場處理后不僅會加速葡萄酒陳釀，且不會破壞葡萄酒中原花色素的含量，這是由于酒中的極性分子在磁場作用下，極性鍵能減弱，加速反應(yīng)的進行[3]。也有研究表明，低頻磁場能通過加速酵母細胞中的葡萄糖消耗縮短發(fā)酵時間[4]。Hu Rui等[5]研究了磁場對牛肉冷凍過程的影響，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)冷凍相比，磁場冷凍處理對牛肉二級結(jié)構(gòu)的負面影響更小。同時在傳統(tǒng)冷凍處理下強結(jié)合水峰面積（T21）消失，這是由于冷凍處理后形成的冰晶過大，從而導(dǎo)致牛肉組織被破壞以及結(jié)合水的固定能力降低，磁場冷凍處理后T21沒有消失，表明磁場處理減少了水分的遷移。Wang Ting等[6]研究發(fā)現(xiàn)，在冷凍處理后自旋-自旋弛豫時間T2曲線右移，果泥中水的流動性增強，冷凍貯藏42 d后，傳統(tǒng)冷凍方式與磁場處理強結(jié)合水橫向弛豫時間的峰面積百分比（A21）分別下降至2.3%、88%，表明磁場處理能有效延緩水分的遷移。Zhou Hongling等[7]研究了磁場輔助冷凍對面團的影響，結(jié)果表明，磁場處理后面團中的結(jié)合水向弱結(jié)合水和自由水的轉(zhuǎn)化減少，表明磁場處理會抑制面團水分的遷移。并且在冷凍過程中冰晶的形成會引起二硫鍵的斷裂和谷蛋白聚合物（glutenin macropolymer，GMP）的解聚，經(jīng)磁場處理后GMP解聚減少了24.26%，表明在磁場作用下面筋蛋白結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。綜上所述，磁場處理對水分的物態(tài)變化、酵母活力、蛋白的分子結(jié)構(gòu)等均有顯著影響。由此可知，磁場對改善面團的發(fā)酵過程有重大的應(yīng)用潛力。因此，研究磁場工作參數(shù)對面團的發(fā)酵特性、水分分布、面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成規(guī)律以及對饅頭最終品質(zhì)的影響對開發(fā)高品質(zhì)的中式美食有重要意義。

本研究擬采用靜磁場輔助面團發(fā)酵，研究磁場強度對面團的發(fā)酵力、水分分布、水分均勻度及面筋蛋白分子結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，揭示磁場提高面團發(fā)酵特性和饅頭品質(zhì)的作用機制，為傳統(tǒng)中式面點食品的品質(zhì)提升和加工新技術(shù)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥粉 鄭州金苑面業(yè)有限公司；酵母 安琪酵母股份有限公司；鹽 河南省衛(wèi)群多品種鹽有限公司；硫酸（分析純）國藥集團化學(xué)試劑有限公司；氯化鈉天津市大茂化學(xué)試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

MF50磁場試驗箱 英都斯特（無錫）感應(yīng)科技有限公司；TA.XT plus質(zhì)構(gòu)儀 英國Stable Micro Systems公司；NM-120低場核磁共振分析儀 上海紐邁電子科技有限公司；BWS465-785Si-Saman便攜式拉曼光譜儀美國BWTEK公司；AL-240電子分析天平 梅特勒-托利多（上海）有限公司；LGL-50FD冷凍干燥機 北京松源華興科技發(fā)展有限公司；發(fā)酵力測定裝置由實驗室自制。

1.3 方法

1.3.1 面團的制備

將300 g小麥面粉、3 g酵母和135 mL水混合后攪拌均勻，將混合好的面糊放在和面機中以1擋速度（48 r/min）和面10 min，將攪拌好的面團放在軋面機中軋6 次，將壓制好的面團裝入保鮮袋中備用。

磁場輔助發(fā)酵：制備好的面團裝入保鮮袋放入磁場實驗箱，設(shè)置發(fā)酵時間1 h，發(fā)酵溫度30 ℃，磁場強度分別設(shè)置為0、0.5、1.0、1.5、2.0 mT。

1.3.2 饅頭的制備

參照劉長虹等[8]的方法并稍作修改。將發(fā)酵好的面團分成100 g/份，揉至成型，在鍋中加入2 L冷水，大火汽蒸30 min。

1.3.3 面團發(fā)酵特性的測定

參照GB/T 20886.1—2021《酵母產(chǎn)品質(zhì)量要求 第1部分：食品加工用酵母》酵母發(fā)酵力的測定方法對面團的發(fā)酵力進行測定[9]，并稍作改動。

排出液制備：用量筒量取20 mL濃硫酸，天平稱200 g氯化鈉，加蒸餾水稀釋至2000 mL，然后轉(zhuǎn)移至2500 mL的小口試劑瓶中[8]。

按圖1對裝置進行連接，當(dāng)出現(xiàn)第一滴水時開始計錄時間，每10 min記錄一次排水量，進而得到面團的產(chǎn)氣量。

圖1 發(fā)酵力測定裝置Fig.1 Schematic diagram of fermentability measurement device

1.3.4 饅頭比容的測定

依據(jù)GB/T 21118—2007《小麥粉饅頭》[10]中饅頭比容的測定方法進行測定。蒸制好的饅頭在室溫條件下放置1 h進行冷卻處理，然后對其稱質(zhì)量m/g，精確到0.1 g；用小米置換法對饅頭的體積V/mL進行測定，精確到5 mL；比容λ計算方法如式（1）所示：

1.3.5 饅頭質(zhì)構(gòu)特性的測定

參照李素云等[11]的方法采用質(zhì)構(gòu)儀測定饅頭的質(zhì)構(gòu)特性，并稍作修改。將冷卻后的饅頭處理成2 cm×2 cm×1 cm的均勻薄片。選用TPA模式，采用P/50探頭進行壓縮實驗。實驗參數(shù)：測前速率2.00 mm/s，測試速率1.00 mm/s，測后速率1.00 mm/s，壓縮程度50%，觸發(fā)力5 g，壓縮間隔5 s。

1.3.6 面團水分分布的測定

參照劉長虹等[12]的方法采用低場核磁共振儀對面團的水分分布進行測量，并稍作修改。利用Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）脈沖序列測量樣品的自旋-自旋弛豫時間T2。實驗參數(shù)：采樣點數(shù)152042，回波個數(shù)2000，重復(fù)掃描次數(shù)16，半回波時間0.190 ms。

1.3.7 面團核磁共振成像圖像信息采集及水分均勻度分析

參照張艷艷等[13]的方法對面團進行核磁共振成像處理。分別在不同磁場強度處理面團的6 個部位（面片分3等份，中心部位各取2 塊）選取樣品，切成0.2 cm×0.2 cm×0.2 cm的條狀，放入2.0 mL的離心管中進行測試。實驗參數(shù)：層厚8.0 mm，層間隙2.0 mm，重復(fù)時間500 ms，回波時間20 ms，采集次數(shù)16。不同磁場強度處理下的面團低場核磁共振圖像通過MATLAB進行分析。

以圖片像素點的標(biāo)準差表征面團水均勻性，其計算公式如式（2）所示：

式中：SD為標(biāo)準差；Xi為圖片中每一點像素值；為圖片中所有像素點的均值；n為圖片中像素點總數(shù)。

1.3.8 面筋蛋白分子結(jié)構(gòu)的分析

拉曼光譜的采集：光譜的測量范圍400～4000 cm-1，激發(fā)波長785 nm，積分時間10 s，發(fā)射功率為總功率的50%。拉曼光譜中酰胺I帶（1600～1700 cm-1）和500～550 cm-1，分別與蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)和二硫鍵相關(guān)，常用于面筋蛋白分子結(jié)構(gòu)的分析[13-14]。

面筋蛋白二級結(jié)構(gòu)的分析：對拉曼光譜酰胺I帶中二級結(jié)構(gòu)進行分析，酰胺I帶拉曼特征峰的結(jié)構(gòu)歸屬：1645～1660 cm-1處峰表示α-螺旋結(jié)構(gòu)；1660～1670 cm-1處峰表示無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)；1670～1680 cm-1處峰表示β-折疊結(jié)構(gòu)；1680～1690 cm-1處峰表示β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)[15]，采用PeakFit軟件對數(shù)據(jù)進行基線校準、高斯去卷積、二階導(dǎo)數(shù)處理，進而計算各二級結(jié)構(gòu)相對含量。

二硫鍵構(gòu)型的分析：二硫鍵的伸縮振動在500～550 cm-1區(qū)域，拉曼光譜特征峰的歸屬：500～510 cm-1處為扭式-扭式-扭式（gauche-gauchegauche，g-g-g）構(gòu)型，515～525 cm-1處為扭式-扭式-反式（gauche-gauche-trans，g-g-t）構(gòu)型，535～545 cm-1處為反式-扭式-反式（trans-gauche-trans，t-g-t）構(gòu)型[16-17]。采用PeakFit軟件對數(shù)據(jù)進行基線校準、高斯去卷積、二階導(dǎo)數(shù)處理，進而計算各二硫鍵構(gòu)型的相對含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2016進行數(shù)據(jù)整理分析，采用Origin 2018進行作圖。通過SPSS 21.0軟件進行顯著性分析（P＜0.05）。所有實驗均重復(fù)3 次，取平均值，結(jié)果表示為。

2 結(jié)果與分析

2.1 磁場處理對面團發(fā)酵特性的影響

如圖2所示，面團的發(fā)酵力隨發(fā)酵時間的延長而增加。在面團發(fā)酵過程中施加磁場，其對發(fā)酵過程的影響呈先上升后下降的趨勢，在磁場強度為1.5 mT時對發(fā)酵力的影響最為顯著。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因一方面在于磁場處理活化了面團中酵母的活性，磁場處理后酵母細胞中線粒體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，線粒體的形態(tài)膨化，數(shù)目增加，進而提高了酵母的活性[18]。另一方面是磁場處理提高了面團的產(chǎn)氣能力和持氣能力。面筋蛋白在面團中起支撐作用，與面團的持氣能力密切相關(guān)[19]。研究表明磁場處理減緩了GMP的解聚，使得面筋蛋白二級結(jié)構(gòu)向有序化轉(zhuǎn)變，提高面筋蛋白的穩(wěn)定性，進而提高面團的持氣能力[7]。

圖2 磁場輔助發(fā)酵對面團發(fā)酵特性的影響Fig.2 Effect of magnetic field-assisted fermentation on the fermentation characteristics of dough

2.2 磁場處理對面團發(fā)酵體積及饅頭比容的影響

從圖3A可以看出，隨著磁場強度的增加，面團的發(fā)酵體積呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在磁場強度為1.0 mT時發(fā)酵體積最大，為362 mL，這表明磁場處理提高了面團的發(fā)酵體積。其原因可能在于，隨著磁場作用強度的增強，發(fā)酵過程中產(chǎn)生的氣態(tài)物質(zhì)被不斷地填滿，在面筋網(wǎng)絡(luò)的作用下，氣態(tài)物質(zhì)的累積會引起面團的膨脹，進而引起面團體積的改變[7]。

圖3 磁場輔助發(fā)酵對面團發(fā)酵體積（A）及饅頭比容（B）的影響Fig.3 Effect of magnetic field-assisted fermentation on dough fermentation volume (A) and specific volume of steamed bread (B)

如圖3B所示，在磁場處理下，饅頭的比容隨磁場強度的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在磁場強度在1.0 mT時，饅頭的比容為2.24 mL/g，與對照組相比饅頭的比容增加了42.68%。這表明適當(dāng)?shù)拇艌鎏幚砜梢栽龃箴z頭的比容。饅頭比容增大可能有兩個原因：一是磁場處理可以縮短發(fā)酵時間，提高面團的發(fā)酵能力從而增大比容[20]。前期研究發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，靜磁場處理后，釀酒酵母的生長速率有所增加，從而導(dǎo)致面團的發(fā)酵時間縮短[21]。二是磁場處理可能影響面團中的水分分布，使得水分分布更均勻，增強了面筋蛋白的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得面團發(fā)酵的更充分，饅頭的比容增加。但是，磁場強度為2.0 mT時，饅頭的比容又下降。這可能是因為過高強度的磁場會對面筋蛋白的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負面影響，導(dǎo)致面團發(fā)酵體積降低，致使面團的持氣能力降低，饅頭的比容下降。

2.3 磁場處理對饅頭質(zhì)構(gòu)特性的影響

如表1所示，隨著磁場強度的增加，硬度、黏性、咀嚼性呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，彈性、內(nèi)聚性、回復(fù)性沒有明顯的變化。硬度和咀嚼性的數(shù)值低，說明饅頭的質(zhì)地較軟[22]。饅頭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與持氣性可以通過彈性和內(nèi)聚性表現(xiàn)出來[23]。與對照組相比，磁場處理0.5、1 mT時饅頭的硬度、黏性、咀嚼性顯著降低（P＜0.05），而在1.5 mT以上無顯著變化（P＞0.05）。與對照組相比，在磁場強度為0.5、1.0 mT時，硬度分別降低22.18%、21.59%；黏性分別降低21.57%、22.12%；咀嚼性分別降低21.87%、21.12%。這些指標(biāo)下降的原因是磁場處理下面團中水分分布均勻，形成較好的面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而使得饅頭口感柔軟、品質(zhì)良好。但是在磁場強度大于1.0 mT時，饅頭的硬度、黏性、咀嚼性又呈現(xiàn)上升趨勢，這是因為磁場強度過大破壞了面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，對饅頭的品質(zhì)造成負面的影響[24]。綜上所述，較高的磁場強度會對饅頭的質(zhì)構(gòu)特性產(chǎn)生負面的影響，適當(dāng)?shù)拇艌鰪姸葧纳起z頭的口感、外觀等特性。

表1 磁場輔助發(fā)酵對饅頭質(zhì)構(gòu)特性的影響Table 1 Effect of magnetic field-assisted fermentation on the textural properties of steamed bread

2.4 磁場處理對面團水分分布的影響

T21代表強結(jié)合水，主要是與淀粉或面筋蛋白緊密結(jié)合的水；T22代表弱結(jié)合水，主要是與蛋白質(zhì)和淀粉等大分子結(jié)合的水；T23代表自由水，是指吸附在面團表面的自由度較大的水[25]。如表2所示，未經(jīng)磁場處理的面團中的水分主要以弱結(jié)合水的形式存在，占新鮮面團水分的89.81%。隨著磁場強度的增加，強結(jié)合水與自由水含量呈先下降后上升趨勢，弱結(jié)合水含量呈先上升后下降的趨勢。在磁場強度為1.0 mT時，對水分分布的影響最為顯著（P＜0.05）。從T21和T23到T22的轉(zhuǎn)變表明，經(jīng)磁場處理后強結(jié)合水和自由水向弱結(jié)合水轉(zhuǎn)化。這可能是磁場處理增加了面筋蛋白的吸水能力，有利于面筋蛋白的水合作用，形成連續(xù)的面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增加了其持水能力，降低水分流動性[26]。這些結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)拇艌鎏幚斫档土嗣鎴F中自由水的含量，加速了面團中的水分重新分布。

表2 磁場輔助發(fā)酵對面團水分遷移的影響Table 2 Effect of magnetic field-assisted fermentation on water mobility in dough

2.5 磁場處理對面團水分均勻性的影響

面團水分均勻性指標(biāo)需要通過MATLAB軟件對低場核磁成像的圖片進行處理得到的標(biāo)準差進行分析，可間接反映出面團中水分分布的均勻程度。標(biāo)準差的數(shù)值越小說明面團中水分分布得越均勻，相反，面團中的水分分布越不均勻。如圖4所示，隨著磁場強度的增加，面團的水分均勻性先減小后升高，在磁場強度為1.0 mT時達到最低。這表明在磁場強度為1.0 mT時面筋蛋白與水分結(jié)合更加充分，能夠促進面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成[27]。一定強度的磁場處理可以顯著提高面團的水分均勻度，從而改善面團的加工特性。

圖4 磁場輔助發(fā)酵對面團水分均勻性的影響Fig.4 Effect of magnetic field-assisted fermentation on the moisture uniformity of dough

如圖5所示，通過MATLAB軟件繪制的三維圖像可以更直觀地看出面團水分均勻度的變化。在磁場強度為0 mT和0.5 mT時，可以看出圖像中出現(xiàn)明顯的高峰和低壑，這是面團中水分分布不均勻所致。隨著磁場強度的增加，水分分布逐漸均勻，在磁場強度為1.0 mT和1.5 mT時，圖像中的高峰逐漸向中間轉(zhuǎn)移，與對照組相比高峰和低壑相對不明顯，表明水分分布的更加均勻。這些結(jié)果表明磁場輔助發(fā)酵可以使得水分在面團中的分布更加均勻，有利于面筋蛋白與水的結(jié)合，促進面筋網(wǎng)絡(luò)的形成，改善面團的發(fā)酵特性。

圖5 磁場輔助發(fā)酵對面團低場核磁成像的影響Fig.5 Effect of magnetic field-assisted fermentation on low-field NMR imaging of dough

2.6 磁場處理對面筋蛋白分子結(jié)構(gòu)的影響

2.6.1 二級結(jié)構(gòu)

面筋蛋白的二級結(jié)構(gòu)以α-螺旋為主，這是面團具有柔韌性的主要原因[28]。如圖6所示，隨著磁場強度的增加，α-螺旋和β-轉(zhuǎn)角相對含量呈先上升后下降的趨勢，β-折疊和無規(guī)卷曲相對含量呈先下降后上升的趨勢。在磁場強度為0.5 mT時，α-螺旋相對含量最高，為54%，無規(guī)卷曲相對含量最低，為21%。α-螺旋是一種彈性結(jié)構(gòu)，可以增強彈性從而增加面筋網(wǎng)絡(luò)強度[29]。β-折疊是一種黏性結(jié)構(gòu)，β-折疊相對含量的降低可能是由于磁場處理影響了二硫鍵的生成[30]。同時α-螺旋結(jié)構(gòu)與面筋二級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有關(guān)，α-螺旋結(jié)構(gòu)的增加與無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)的降低反映了面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由無序化向有序化的轉(zhuǎn)變。這些結(jié)果表明磁場處理有助于穩(wěn)定面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖6 磁場輔助發(fā)酵對面筋蛋白二級結(jié)構(gòu)的影響Fig.6 Effect of magnetic field-assisted fermentation on the secondary structure of gluten proteins in dough

2.6.2 二硫鍵構(gòu)型

面筋蛋白中含有約2%的半胱氨酸，半胱氨酸參與二硫鍵的形成，對面筋蛋白的結(jié)構(gòu)和功能很重要。由表3可知，隨著磁場強度的增加，g-g-g構(gòu)型與g-g-t構(gòu)型的相對含量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，t-g-t構(gòu)型呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢。g-g-g構(gòu)型是最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，其次是g-g-t構(gòu)型，t-g-t構(gòu)型最不穩(wěn)定。這表明，在磁場的作用下，t-g-t構(gòu)型向g-g-g構(gòu)型和g-g-t構(gòu)型轉(zhuǎn)變，磁場改變了二硫鍵的振動模式。此外，在磁場強度為1.0 mT時，g-g-g構(gòu)型的相對含量最高，此時二硫鍵構(gòu)型最穩(wěn)定，這表明一定強度的磁場可以形成較穩(wěn)定的面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

表3 磁場輔助發(fā)酵對面筋蛋白二硫鍵構(gòu)型的影響Table 3 Effect of magnetic field-assisted fermentation on the relative contents of disulfide bond configurations of gluten proteins

3 結(jié)論

本實驗通過拉曼光譜、低場核磁共振技術(shù)對發(fā)酵過程中面團的分子結(jié)構(gòu)、水分分布進行檢測，研究了不同磁場強度處理對面團發(fā)酵特性的影響及作用機制。結(jié)果表明，磁場強度為1.0 mT時，面團的發(fā)酵體積最大，與對照組相比，饅頭的比容增大，黏性、硬度、咀嚼性降低，表明在磁場作用下形成了良好的面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了饅頭的品質(zhì)。經(jīng)過適當(dāng)?shù)拇艌鎏幚砗?，面團中自由水的含量降低，且加速了面團中的水分分布，提高了面團的水分均勻性。面筋蛋白分子結(jié)構(gòu)的結(jié)果表明，一定強度的磁場處理顯著提高了蛋白二硫鍵結(jié)構(gòu)中g(shù)-g-g構(gòu)型和二級結(jié)構(gòu)中α-螺旋的相對含量，使得面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定。但是，過大的磁場強度（＞1.0 mT）使面筋蛋白的結(jié)構(gòu)遭到破壞，影響面團的發(fā)酵，導(dǎo)致發(fā)酵體積降低、饅頭比容減小。綜上，低強度的磁場輔助面團發(fā)酵可以通過加速面團中的水分分布、改變二硫鍵的振動模式和二級結(jié)構(gòu)、改善面筋蛋白的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提高面團的發(fā)酵特性以及饅頭的品質(zhì)。