亚麻籽胶和沙蒿胶对冷冻面团及馒头品质的影响

王宏伟,国思琪,苏会雨,陈彬云,刘兴丽,张艳艳,张华

1.郑州轻工业大学 食品与生物工程学院/冷链食品加工与安全控制教育部重点实验室,河南 郑州 450001;2.南京铁心桥国家粮食储备库有限公司,江苏 南京 210000;3.中原食品实验室,河南 漯河 462300

0 引言

冷冻面团技术通过目标产品前期加工与后期熟制的分离,突破了传统生产模式的制约,实现了产品生产的规模化、标准化和方便化。然而,冷冻速率、冻藏时间、冻藏温度等条件的变化,通常会导致冷冻面团品质发生不同程度的下降,使得冷冻面团难以与“即需即做”产品相媲美。冷冻面团在加工、成型、储藏、运输等过程中难免会经历温度的波动(即冻融循环),这导致面团内水分子在溶液态(水分)和凝固态(冰晶)两相态间不断发生改变[1],使得面团孔隙可吸附大量的水分子形成大冰晶,继而降低酵母菌活性,破坏面团中主要组分(面筋蛋白、淀粉)的微观结构,致使最终产品更易出现比容(SP)下降、开裂、硬度增大等品质劣变问题。因此,如何通过改善冷冻面团物化特性以提高最终产品的品质是目前冷冻面团研究领域的热点。

改善冷冻面团品质的常见方法包括采用新型冷冻加工技术,选育酵母菌,添加抗冻剂、酶制剂或亲水胶体,等等[2],其中,添加亲水胶体因具有方便快捷、效果明显、成本低廉等优势被广泛应用。研究[3-4]表明,冻藏过程可导致面团品质劣变,而亲水胶体结构中具有的大量亲水基团(羟基、羧基、氨基等)可改变冰晶形态及冻藏过程中的水分分布和状态,从而减少面筋蛋白网络的机械损伤,提高冷冻面团的品质。另外,亲水胶体具有良好的增稠特性和凝胶特性,将其少量添加于面团中就能避免面团发生脱水作用,提高面团的黏度、多孔性、持水性、感官评分等[5-6]。目前,国内外有关亲水胶体改善冷冻面团及其最终产品品质的研究主要集中在黄原胶、海藻酸钠、阿拉伯胶、瓜尔胶等常见胶体,而不同分子组成、不同构型及不同结构的亲水胶体对冷冻面团及其最终产品的影响和作用机制不尽相同[7]。亚麻籽胶(Flaxseed Gum,FG)和沙蒿胶(ArtemisiaSphaerocephalaKrasch.Gum,ASKG)均为阴离子杂多糖天然植物胶,具有较多亲水基团及较强的吸水和保水性能,能够调控食品体系内的水分分布和状态,防止水分物态的转变;此外,二者还具有较强的黏性和较好的胶凝特性,可有效改善食品的组织结构、形态和品质[8]。目前,将FG和ASKG应用于冷冻面团中的研究较少,其如何通过调控冷冻面团内的水分物态转变(即水分分布及状态、可冻结水含量(FW)变化)进而影响馒头品质方面的研究尚未见报道,而相关研究的开展将有利于冷冻面团主食化加工和规模化生产。

基于此,本研究拟在精制小麦粉中添加FG和ASKG以制备小麦混合粉,并根据混合粉粉质特性添加适量的水,使面团处于最适水合状态,进而测定冻融循环处理后冷冻面团的水分分布及状态、FW,并通过核磁成像分析研究亲水胶体对冻融循环处理后冷冻面团水分物态转变规律的影响;最后将冷冻面团制成馒头,研究亲水胶体添加前后馒头SP、气孔结构、质构和感官品质的变化规律,以期为亲水胶体在冷冻面团中的合理应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 主要材料与试剂

精制小麦粉,河南金苑粮油有限公司;亚麻籽胶(1% 黏度为326 mPa·s),新疆利世得生物科技有限公司;沙蒿胶(1% 黏度为9200 mPa·s),河南乐泰食品有限公司。

1.2 主要仪器与设备

810152型粉质仪,德国布拉班德公司;RVA 4500型快速黏度测定仪,澳大利亚波通仪器有限公司;AL204型分析天平,上海梅特勒-托利多仪器有限公司;HWS-080型恒温恒湿箱,上海精宏试验设备有限公司;HD400型固体核磁共振仪,德国Bruker公司;DSC Q20型差式扫描量热仪,美国TA公司。

1.3 实验方法

1.3.1 小麦混合粉制备将FG分别按照0.2%、0.4%、0.6%和0.8%等质量分数替代精制小麦粉,混合均匀后制得FG-小麦混合粉,分别命名为0.2%-FG、0.4%-FG、0.6%-FG和0.8%-FG;将ASKG分别按照0.2%、0.4%、0.6%和0.8%等质量分数替代精制小麦粉,混合均匀后制得ASKG-小麦混合粉,分别命名为0.2%-ASKG、0.4%-ASKG、0.6%-ASKG和0.8%-ASKG。以未添加亲水胶体的精制小麦粉为空白对照。

1.3.2 冷冻面团制备及冻融循环处理按照小麦混合粉吸水率的80%添加蒸馏水,和好面团后,使用压面机将其压成5 mm的薄片,密封后放入-18 ℃的冰箱中冻藏23 h,随后取出冷冻面团薄片,在恒温恒湿箱(温度30 ℃、相对湿度80%)中放置1 h,即为1次冻融循环;冷冻面团薄片需经过7次冻融循环,以未经冻融循环且未添加亲水胶体的冷冻面团薄片为空白对照。经冻融循环的冷冻面团薄片会再次整型成馒头胚用于馒头制作,使用压面机压成厚度均一的薄片是为了保证样品的一致性及水分的均一化分布,避免手工揉制面团的差异性。

1.3.3 面筋蛋白制备及微观结构观察参照李银丽[9]的方法,用2 L蒸馏水浸泡面团20 min后,用手揉搓面团并及时更换蒸馏水,直到蒸馏水不再浑浊后取出面筋蛋白。选取面筋蛋白的光滑横截面,切成边长约2 mm的小块,经喷金后观察面筋蛋白微观结构。将其余面筋蛋白冷冻干燥后粉碎,过100目筛,备用。

1.3.4 粉质特性测定参照《粮油检验 小麦粉面团流变学特性测试 粉质仪法》(GB/T 14614—2019)[10]测定小麦混合粉的粉质特性。

1.3.5 糊化特性测定精确称取1.5 g小麦混合粉制备质量分数为8%的悬浮液,采用快速黏度测定仪测定其糊化特性,程序设定为:起始温度30 ℃,保温1 min;以5 ℃/min的速率升温至95 ℃,保温10 min;再以5 ℃/min的速率降温至50 ℃,保温10 min。整个糊化过程分两个阶段设置转速,第一阶段初始转速为960 r/min,第二阶段转速为160 r/min。

1.3.6 冷冻面团内部水分分布测定参照许可等[11]的方法,从1.3.2所制备的冷冻面团中切取规格相同(0.8 cm×0.8 cm×3.0 cm)的面条放入样品管中,置于永久场射频线圈中心位置,利用固体核磁共振仪中的GPMC 序列对样品内部水分分布及迁移信息进行采集。

1.3.7FW测定从1.3.2所制备的冷冻面团中心部位取25 mg样品,放入铝盒中铺平,置于压片机密封,以空锅为空白对照。程序设置为:初始温度20 ℃,保温1 min;然后以10 ℃/min的速率升温至120 ℃[12]。

1.3.8SP测定按 1.3.2的方法制好面团,用压片机碾压赶气后,醒发1 h,制得馒头胚;再经二次醒发0.5 h后,放入冷水蒸锅中蒸制0.5 h;将蒸好的馒头在室温下放置1 h,按照下式计算馒头SP:

SP=V/M

式中,V为馒头体积/cm3,采用小米置换法测定;M为馒头质量/g。

1.3.9 质构特性参数测定参照张小村等[13]的方法,并略有改动。在室温下,将蒸好的馒头放置2 h后,切成薄片并置于载物台上,测试参数设置为:探头型号P50,测前速率2.0 mm/s,测中、测后速率均1.0 mm/s,压缩率50%,感应力 8 g,压缩间隔 5 s。每个样品均测定 6 次,结果取平均值。

1.3.10 感官评价方法参照《粮油检验 小麦粉馒头加工品质评价》(GB/T 35991—2018)[14],并略有改动。选取10名味觉敏锐的感官评价人员对蒸制熟化后的馒头进行感官评价。

1.4 数据处理与分析

所有实验均重复3次以上,数据结果以(平均值±标准差)表示,采用SPSS 22.0和Origin软件进行数据分析及作图。

2 结果与分析

2.1 亲水胶体对小麦混合粉粉质特性的影响

小麦粉的粉质特性可表征面团形成过程中的流变学特性[15]。亲水胶体添加前后小麦混合粉的粉质特性参数见表1。由表1可知,与空白对照组相比,亲水胶体的添加会导致面团形成过程中吸水率不同程度的增大,这可能是由于亲水胶体自身的黏附性和吸水性赋予小麦混合粉较好的吸水能力,进而提高面团形成过程中的吸水率,而吸水率的提高有利于后期产品的加工与储藏[16]。添加ASKG后,面团形成过程中的稳定时间均有所延长,表明面筋的韧性和强度均有所提高。但在相同质量分数下,FG对面团稳定时间的影响不显著(P>0.05)。添加FG后,面团形成时间延长,而面团形成时间越长,表明面筋蛋白网络结构的形成速度越慢,这可能是由于亲水胶体具有较强的吸水性,在面团与水混合过程中,亲水胶体会与面筋蛋白竞争性吸水[17]。弱化度可反映面团形成过程中耐机械剪切力的程度,弱化度越大,表明面筋品质越差[18]。随着亲水胶体质量分数的增加,小麦混合粉的弱化度降低,粉质质量指数提高,表明亲水胶体的添加可强化面筋蛋白网络结构,并使其更连续、稳定,呈现出良好的加工特性。

表1 亲水胶体添加前后小麦混合粉的粉质特性参数Table 1 The farinographic characteristics parameters of wheat mixed flour before and after the addition of hydrocolloids

2.2 亲水胶体对小麦混合粉糊化特性的影响

亲水胶体添加前后小麦混合粉的糊化特性参数见表2。由表2可知,亲水胶体的添加提高了小麦混合粉糊化体系的峰值黏度,这可能是由于亲水胶体自身的黏附性使其与小麦粉竞争性吸水,导致体系黏度整体上升。其中,ASKG的作用效果较FG显著,这可能与ASKG极性较强、初始黏度较大有关。糊化温度随着亲水胶体质量分数的增加而升高,这与R.F.Tester等[19]的研究结果较一致,即非淀粉多糖可抑制淀粉颗粒非晶区的水合作用,导致糊化温度升高。与空白对照组相比,FG和ASKG的添加均提高了体系的崩解值,使崩解值从427.5 mPa·s分别提高到 509.0 mPa·s和 565.5 mPa·s,表明亲水胶体的添加可使体系抗剪切能力减弱,这可能是由于亲水胶体的添加提高了体系黏度,使小麦混合粉糊化体系各相态之间发生了明显的相分离。此外,亲水胶体的添加提高了体系的回生值,这可能是由于亲水胶体的添加导致分散相中直链淀粉分子重新有序化排列,进而促进了直链淀粉的短期回生。

表2 亲水胶体添加前后小麦混合粉的糊化特性参数Table 2 The gelatinization characteristics parameters of wheat mixed flour before and after the addition of hydrocolloids

2.3 亲水胶体对冷冻面团内部水分分布的影响

亲水胶体添加前后冷冻面团的核磁共振图谱如图1所示,该图谱可直观地观察面团在冻融循环过程中的水分分布及迁移规律[20]。由图1可知,面团经7次冻融循环处理后,蓝色部分增多,即氢质子信号强度减弱,这表明面团经冻融循环处理后,其内部水分有所损失。随着亲水胶体质量分数的增加,蓝色部分逐渐减少,红色部分逐渐增多,这表明亲水胶体的添加可在一定程度上束缚住冷冻面团中的水分子,使其在冻融循环过程中不易析出。

图1 亲水胶体添加前后冷冻面团的核磁共振图谱Fig.1 MRI spectra of frozen dough before and after the addition of hydrocolloids

冷冻面团内部水分的均一化分布及物态转变可直接影响冷冻面团及其最终产品的品质[11]。亲水胶体添加前后冷冻面团内部水分的分布状态见表3,其中A21、A22和A23分别代表水分在面团中与亲水性物质(如蛋白质、淀粉等)相结合的3种相态含量,即强结合水含量、弱结合水含量和自由水含量。

表3 亲水胶体添加前后冷冻面团内部水分的分布状态Table 3 The distribution of water in frozen dough before and after the addition of hydrocolloids %

由表3可知,冻融循环处理显著降低了面团中的A21(从11.70%降至7.05%),但明显增加了A22(从87.84%升至92.20%)和A23(从0.47%升至0.75%)。这可能是由于冻融循环过程中冰晶的形成及重结晶导致面团内部大分子物质(如蛋白质和淀粉)的亲水性下降、水分自由度上升,使得水分子与各大分子物质间的结合程度减弱,水分的流动性增强,从而导致面团失水[21]。此外,亲水胶体的添加使冷冻面团中的A21整体上有所上升,A22变化不明显,A23有所下降,这可能是由于亲水胶体自身大量的亲水基团可抑制水分子的自由运动,使面团中水分的流动性降低。对比FG和ASKG的同等添加水平发现,FG调控冷冻面团中水分分布的能力要强于ASKG,即FG能更有效地抑制冷冻面团中水分的迁移。

2.4 亲水胶体对冷冻面团中FW的影响

冻融循环处理能够导致冷冻面团发生不同程度的劣变,究其原因主要是因为冻融循环过程中冰晶的形成及重结晶破坏了面团内部大分子物质的组织结构,进而对面制品的品质特性(物化、质构、感官等)造成影响[22]。而冰晶主要是由可冻结水形成,因此,研究冷冻面团的FW具有重要意义。亲水胶体添加前后冷冻面团的FW见表4。由表4可知,冻融循环处理使得冷冻面团的FW由17.37%增加到19.12%。该结果可能与冻融循环过程中冰晶的形成及重结晶有关,即冻融循环期间,水分子的迁移使面团内部的水分重新凝聚转变为自由水,进而导致FW增加。而随着亲水胶体添加量的增加,冷冻面团的FW逐渐减小,这可能是由于二者自身含有的多种亲水基团易与水分子结合,对水分子的吸附能力较强,能够吸附面团中的游离水分进而稳定面团内部的水分分布及状态,大幅减缓冰晶的形成及重结晶。该结果也证实了在冻融循环期间添加亲水胶体可有效调控冷冻面团冰晶的形成及重结晶能力,有利于保持冷冻面团品质的稳定性。

表4 亲水胶体添加前后冷冻面团的FWTable 4 The FW of frozen dough before and after the addition of hydrocolloids %

2.5 亲水胶体对冷冻面团面筋蛋白微观结构的影响

亲水胶体添加前后冷冻面团面筋蛋白的微观结构如图2所示。由图2可知,空白对照组(图2a))具有致密、完整的面筋蛋白网络结构以包裹淀粉颗粒,而经冻融循环处理的面团(图2b))中的淀粉颗粒大多裸露且无明显连续、清晰的束状面筋蛋白结构。这可能一方面是因为在冻融循环处理过程中,面筋蛋白间隙区域由于冷冻收缩而受到挤压,不同程度地破坏了其面筋蛋白网络结构,进而弱化了面筋蛋白网络结构的形成;另一方面,冻融循环处理促进了冰晶的形成及重结晶,而体系内冰晶的增大会对淀粉颗粒造成挤压或破坏,使其表面形成微纹或微孔,进而促进淀粉颗粒内可溶性物质析出,降低淀粉颗粒内部的有序化排列,而淀粉颗粒的破损将进一步促进淀粉颗粒吸水,使得淀粉颗粒与面筋蛋白竞争性吸水,从而形成不完整的面筋蛋白网络结构[23]。而添加亲水胶体的冷冻面团(图2c)—2k))中可清晰看到连续、完整的面筋蛋白网络结构及收缩变细的面筋束包裹淀粉颗粒,且其面筋蛋白网络的完整性、连续性较未添加亲水胶体的冷冻面团更高,这一结果与高博等[24]的研究结果较一致,即亲水胶体可提高冷冻面团的抗冻性,减缓冰晶形成对面筋蛋白网络结构的破坏。

图2 亲水胶体添加前后冷冻面团面筋蛋白的微观结构Fig.2 The microstructure of gluten protein of frozen dough before and after the addition of hydrocolloids

2.6 亲水胶体对冷冻面团所蒸制馒头SP和气孔结构的影响

SP是衡量馒头蒸煮特性的重要品质指标之一;气孔结构可表征冷冻面团所制备馒头内部的纹理结构,也是评价馒头品质的重要指标之一。亲水胶体添加前后冷冻面团所蒸制馒头的SP和气孔结构见表5和图3,图3中,第一排依次为空白对照、冻融7次-0%FG、冻融7次-0.2%FG、冻融7次-0.4%FG、冻融7次-0.6%FG和冻融7次-0.8%FG冷冻面团所蒸制的馒头,第2排依次为冻融7次-0.2%ASKG、冻融7次-0.4%ASKG、冻融7次-0.6%ASKG和冻融7次-0.8%ASKG冷冻面团所蒸制的馒头。由表5和图3可知,经7次冻融循环处理后,冷冻面团所蒸制馒头的SP由2.41 cm3/g下降至1.97 cm3/g,下降了18.26%,且内部结构更致密、气孔更小。N.M.Edwards等[25]研究发现,淀粉的结构性质可影响其与蛋白质的结合程度,从而改变最终产品的蒸煮品质。冷冻面团经冻融循环处理后,淀粉分子链的聚集程度和有序化排列均有所下降,这有利于淀粉分子与面筋蛋白竞争性吸水,使得面团无法形成高质量的面筋网络结构。此外,面筋蛋白之间的交联赋予面筋蛋白网络结构独特的延展性和黏弹性,起到面制品“骨架”的作用[26],而经冻融循环处理后,面筋蛋白网络结构变得较松散,维持其稳定构象的共价键遭到破坏,弱化了面筋蛋白网络的形成,最终致使馒头的SP下降。与空白对照组相比,亲水胶体的添加使馒头的SP增加,内部气孔结构分布更均匀。这可能是由于亲水胶体可减缓冻融循环处理对面筋蛋白和淀粉颗粒的破坏,赋予面团一定的延展性和稳定性,使气室充分扩展,滞留了更多的CO2[27]。

图3 亲水胶体添加前后冷冻面团所蒸制馒头的气孔结构Fig.3 The stomatal structure of steamed bread with frozen dough before and after the addition of hydrocolloids

表5 亲水胶体添加前后冷冻面团所蒸制馒头的SPTable 5 The SP of steamed bread with frozen dough before and after the addition of hydrocolloids cm3/g

2.7 亲水胶体对冷冻面团所蒸制馒头质构特性的影响

馒头的组分及组织结构决定了馒头的质构特性,而质构特性又可直观地反映馒头的品质特性[28]。亲水胶体添加前后冷冻面团所蒸制馒头的质构特性参数见表6。由表6可知,冻融循环处理增加了馒头的硬度、黏附性和咀嚼性,降低了馒头的弹性、内聚性和回复性,表明经冻融循环处理后,冷冻面团所蒸制的馒头缺乏蓬松柔软的口感。这可能是由于冻融循环处理弱化了面团面筋蛋白网络结构的形成,使所蒸制馒头难以形成高质量的三维蜂窝状结构。与空白对照组相比,添加亲水胶体后,馒头的硬度、黏附性和咀嚼性均有所下降,而弹性、内聚性和回复性呈整体上升的趋势,这表明亲水胶体的添加能减缓冻融循环处理对面筋网络结构的破坏,维持面筋网络结构的完整性和稳定性,进而在不同程度上改善馒头的内部结构,赋予其松软且富有弹性的质地[29]。

表6 亲水胶体添加前后冷冻面团所蒸制馒头的质构特性参数Table 6 The texture characteristic parameters of steamed bread with frozen dough before and after the addition of hydrocolloids

2.8 亲水胶体对冷冻面团所蒸制馒头感官品质的影响

亲水胶体添加前后冷冻面团所蒸制馒头的感官评价如图4所示。由图4可知,冻融循环处理后,馒头的各项感官指标(色泽、形态、弹性、气孔结构和气味)均呈下降趋势。这可能是由于冻融循环处理弱化了面筋蛋白网络结构的形成,抑制了醒发过程中面团的持气能力。而添加适量的亲水胶体有利于馒头形成饱满挺立的形态,促进内部气孔结构的均匀分布,赋予馒头较好的弹性。这与鲍宇茹等[30]的研究结果较一致,即亲水胶体可改善冷冻面团塌陷及皱缩问题,继而提高所蒸制馒头的品质。此外,面筋蛋白稳定构型的变化可对馒头品质指标造成影响[31],而直链淀粉含量与馒头总评分呈负相关[32]。这主要是因为亲水胶体的添加可减弱冻融循环处理对冷冻面团主要组分的破坏程度,赋予冷冻面团较好的延展性和稳定性,进而维持蒸制熟化后馒头的品质特性。

图4 亲水胶体添加前后冷冻面团所蒸制馒头的感官评价Fig.4 The sensory evaluation of steamed bread with frozen dough before and after the addition of hydrocolloids

3 结论

本文研究了亲水胶体(FG和ASKG)对冻融循环处理后冷冻面团内部水分物态转变(水分分布及状态、FW)及所蒸制馒头品质(SP、气孔结构、质构特性和感官品质)的影响。发现,添加亲水胶体可促进冻融循环过程中冷冻面团内部水分的均一化分布,同等添加水平下,FG能够更好地抑制冷冻面团中水分的迁移;亲水胶体能够提高冷冻面团中的A21,降低冷冻面团中的A23,从而导致FW下降,使得冷冻面团对水分子的束缚能力增强,减缓冰晶的形成及重结晶;亲水胶体还可减缓冻融循环处理对冷冻面团面筋蛋白网络结构的破坏,促进面筋蛋白与淀粉颗粒的均匀分布,最终降低所蒸制馒头的硬度、黏附性和咀嚼性,同等添加水平下,FG能够更明显地增大所蒸制馒头的SP、弹性和回复性,且感官品质表现出与质构特性一致的结果。本研究可为亲水胶体在冷冻面团及其产品中的合理应用提供理论参考,有助于实现冷冻面团加工技术的广泛应用。