面包老化机理及其分析技术的研究进展

詹冬玲，任玉雪，闵伟红，刘景圣

(吉林农业大学 食品科学与工程学院，吉林长春130118)

面包一直以来作为营养丰富且方便的食品，深受国内外消费者的青睐。但面包在贮存过程中易老化、变硬，面包皮脆性下降，失去光泽;口感粗糙、风味变劣，使其不易保存。老化后的面包部分作为工业原料和饲料，甚至是垃圾，造成巨大的经济损失，致使面包产业发展受到极大限制［1-2］。因此，对面包老化问题的研究对面包的工业化发展具有相当重要的意义。

1 面包老化机理

面包老化一般是指随着贮存时间的延长，面包由软变硬，内部组织变得松散、粗糙，表皮软化，光泽下降，弹性和风味消失等现象。国内外学者一个多世纪以来一直致力于研究面包的老化机理，控制面包老化的方法，延长产品的货架期。目前认为面包老化机理主要有三种理论:一是面包中水分的迁移;二是淀粉重新结晶;三是面包中淀粉与面筋蛋白质之间的作用［3-4］。

1.1 水分迁移

面包的老化最初被认为是由贮存过程中水分流失所致。上个世纪50 年代，科学家通过实验证明在水分几乎零损失的情况下面包老化也会发生。而Engelsen 在本世纪初通过实验表明水分含量及分布状态可显著影响面包的老化速率［5］。在淀粉与面筋水分吸附量实验发现，当淀粉中水分7d 内由58%降至51%时，面筋的水分结合量在此期间基本保持不变，这说明水分由淀粉转移到面筋［6］。Peleg 实验表明，面包内的水分迁移会导致面包瓤水分减少，从而使玻璃态温度升高，面包瓤变干，所以硬度增加;但当表皮水分升高时，玻璃态温度降低，脆性下降［7］。

1.2 淀粉的重结晶

面包老化主要是由淀粉老化引起的，面包中的直链淀粉和支链淀粉在加热烘焙的条件下产生糊化，淀粉晶体(β-淀粉)结构被破坏，分子间氢键断裂，水分子与淀粉形成氢键成为胶体溶液，形成可溶性的α-淀粉。而面包在常温贮藏过程，糊化形成的α-淀粉开始自动排序，形成高度结晶化的致密的不溶性淀粉分子，出现了淀粉回生的现象。研究表明，支链淀粉的回生可以引起面包的硬化，但淀粉的回生并不等同于面包的硬化［8］，主要是因为面包老化与淀粉回生相比是一个相对比较快的过程。大多数学者认为淀粉回生对面包老化过程有重要作用，但不是面包老化过程中唯一起作用的因素。

1.3 淀粉与面筋蛋白质之间的作用

面包老化过程还受淀粉颗粒与面筋蛋白质形成的网状结构间的相互作用的影响。王仲礼［9］实验表明，面包的老化受淀粉与小麦面筋蛋白间的相互作用的影响。淀粉颗粒悬浮在面筋蛋白质形成的网状结构内，面筋蛋白质含量高，会使淀粉颗粒的重结晶作用减弱，延缓面包老化。而面筋蛋白的筋力对面包的老化也有影响，筋力差的面筋蛋白质由于亲水性强，与淀粉颗粒之间的相互作用显著，烘焙期间及烘焙后，这种相互作用更显著，这种面粉做的面包老化速率更快。研究面筋蛋白质对面包老化的影响，Sidhu 从淀粉分子的增溶作用及与面筋蛋白质分子间的相互作用、淀粉颗粒的膨润性等方面做了解释［10］。

2 老化机理分析技术及研究进展

面包老化机理非常复杂，为了弄清面包老化机制，采用现代分析技术进一步探讨水分迁移、淀粉重结晶及淀粉与面筋蛋白质之间的作用与面包老化的关系，进而研究出无添加的、有效的延缓面包老化的技术。目前，研究老化机理的分析技术主要有差示扫描量热仪(DSC)、核磁共振(NMR)、X-射线衍射技术、近红外光谱(NIRS)、动态机械热分析仪(DMTA)、食品质构仪(TA)和扫描电镜(SEM)等。

2.1 差示扫描量热仪(DSC)

淀粉的老化是影响面包老化的重要因素之一，采用DSC 可准确测定支链淀粉的重结晶和淀粉回生，因此，DSC 在研究面包老化过程有重要作用，一方面，测定与支链淀粉重结晶相关的焓的变化和冰溶解的焓变，进而研究可冻结水量;另一方面，可直接通过DSC 吸热峰来研究和评价淀粉的回生。

2000 年，Moo-Yeol 等人对含皮和去皮面包的老化过程进行了研究［11］。即将约15mg 样品密封于不锈钢样品盒中，对照为不含样品的空盒。移入到DSC 仪器中，通过液氮将其冷却到-40℃，然后加热到140℃得到热图。经计算得冰及支链淀粉的熔解焓值。实验表明，与支链淀粉重结晶相关的热焓随贮存时间的延长而增大。且带面包皮的较去皮的样品吸热焓值大。面包的硬度变化也是面包老化的表现之一，所以在2001 年，Rasmussen 通过DSC 研究面包在改良后的空气中硬度变化，进而观察面包的老化现象［12］。DSC 结果参数显示，面包置于20℃下储存7d，储存在未改良的空气和改良空气中的面包硬度和淀粉回生程度无明显区别。因此，面包在改良空气中储存只能提高面包微生物货架期，对面包老化速率无影响。面包在纯CO2中储存49d 后硬度增加与支链淀粉重结晶和可冻结水变化无线性关系，说明淀粉结晶和水分变化都影响面包的硬化。

2004 年，Xie 等人通过DSC 实验结果显示，高温下支链淀粉的回生速度较低温下慢［13］，可能是因为高温条件下淀粉结晶速率延缓进而面包老化受到抑制。同年，Miyazaki 等人采用DSC 法，以淀粉回生值作为面包老化指标，研究不同糊精添加量对面包老化影响［14］。结果表明，加入2.5%低分子量糊精可延缓面包屑中淀粉回生。2012 年范晨丽采用DSC 研究抗老化剂对面包老化影响的实验结果显示，添加复合抗老化剂能够降低面包面团的热焓值即ΔH 值，进而在一定程度上减弱了面团的回生程度［15］。2013年，张君采用DSC 检测方法研究蜂蜜干粉对面包老化的影响，结果表明，蜂蜜干粉在面包中的应用可延缓淀粉回生，延长面包货架期［16］。

2.2 核磁共振(NMR)

目前，核磁共振(NMR)技术广泛应用于食品的不同加工(如干燥、冷冻、胶凝和储藏等)过程中。以其能将食品中水分的空间分布和迁移变化直观、准确、连续的检测优点而备受青睐，是一种非破坏性的新型分析检测手段。近年来，在面包老化机理研究领域中取得显著进展。

Ruan 使用NMR 技术对面团中的水分进行研究，通过对NMR 技术测得的横向弛豫时间(T2)进行离散和连续模型分析，结果显示，在离散模型中呈现出三种不同弛豫时间的质子，而在连续模型中呈现五种，进而研究面团中的水分含量及水分的形态对面团流变性质的影响。Gregory 采用NMR 技术进行淀粉制品老化过程中水的性质的实验，研究发现水的特性能更深入地解析其老化过程［16］。李资玲等人［17］采用核磁共振技术研究了面包制作过程的水分迁移情况，结果表明，添加经超高压处理的膳食纤维的面包在制作过程中，其束缚相和自由相的迁移行为不同，部分“束缚水”流动性呈下降趋势，含量在前三个阶段稍有上升，焙烤阶段开始下降且趋势非常明显;部分“自由水”的流动性在前三个阶段一直呈下降趋势，焙烤阶段回升，含量一直呈上升状态，有利于延缓面包老化，进而延长产品货架期。

2005 年，孔旭新等人［18］采用13C CP/MAS NMR(13C 横向极化魔角旋转NMR)对淀粉-丙烯酸钠接枝物的结构进行研究，实验结果表明接枝共聚物使淀粉结晶度明显降低。

2006 年，林向阳采用NMR 及MRI(成像)技术对面包加工及储藏过程中水分的分布状态及在不同储藏条件下面包物理化学特性的变化进行研究［19］。通过大量的数据分析和论证了NMR 及MRI 对于研究和分析面团、面包的制作及货架期相关的物理化学特性，进而从分子水平理解面团和面包中物理化学的变化。实验数据显示，面包的短期回生与纵向弛豫时间(Tl)有很强的相关性，而面包的老化、水分活度的变化和面包内部水分的迁移情况都可以通过面包的横向弛豫时间(T2)变化得到很好地体现。2007年，张锦胜研究核磁共振技术分析水分迁移的实验发现，利用NMR 状态图能够预测食品的货架期，并为开发耐储藏食品(如:军用食品，航空食品)提供理论指导［20］。

2.3 X-射线衍射(XRD)

X-射线衍射是晶体间相互作用产生的衍射，在食品领域用来测定蛋白质、淀粉、多糖及脂肪等分子结构。在面包老化中的应用主要是研究淀粉结晶度，进而从分子水平分析老化机理。Dragsdorf 和Varriano-Marston［21］等利用X-射线衍射技术研究大麦芽、真菌和细菌α-淀粉酶对老化面包中的淀粉重结晶及组织形态的影响。实验表明，加入α-淀粉酶的新鲜面包中淀粉结晶有所增加，随着老化进一步加强，淀粉结晶量大量增加，且较未加酶处理的面包的结晶度大。加有α-淀粉酶的面包在储藏7d 后，其淀粉结晶性明显提高，而未加酶的在储藏7d 后，经X-射线衍射发现，淀粉的晶体结构变化不明显，但结晶度有所增强。结论表明，淀粉结晶度增大与面包老化并不统一。而Del Nobile 等人采用X-射线衍射技术进行面包中淀粉回生动力学的模拟［22］，表明当面包中的水分活度由10 降到0.877 时，总的淀粉晶体增大速率随着淀粉成核速率的提高也增高。范晨丽采用X-射线衍射(XRD)检测方法测定了复合添加剂对预烤冷冻面包面团在冷藏过程中的淀粉回生及面包质地变化，XRD 实验结果表明，不同冷藏时间的样品得出的晶型结构都是相似的A 型峰，且随冷藏时间的延长没发生变化，基本和新鲜的面包相同，但较鲜面包峰强度偏高，对延缓面包老化有一定的作用［15］。

2.4 近红外光谱(NIRS)

近红外光谱(NIRS)是一种可以用于成分含量检测，而且样品状态不受限制的检测技术。在小麦面粉工业中主要用来测定面筋蛋白质和分水含量。早在1991 年，Wilson 首先将NIRS 应用于面包老化研究［23］，得到的实验结果与DSC 法检测的一致。随后，Osborne 采用NIRS 对储存期面包中淀粉结晶特性进行研究，实验表明NIRS 不仅能测定淀粉颗粒的结构，还能够体现淀粉结晶性改变和水分流失［24］。Xie等通过对比近红外光谱(NIRS)和食品质构仪(TA)两种方法研究面包在储存过程中物理化学变化。研究发现，NIRS 较TA 反映面包储存过程中变化更准确。这是因为TA 法仅检测面包硬度，而硬度变化只是面包老化的一个方面。而NIRS 对面包储存过程中的物理变化(随结晶增多，反射特性发生改变)和化学变化(水分和淀粉间的相互作用和淀粉的结构变化)进行检测［25-26］。Xie 等采用NIRS 和DSC 两种方法研究淀粉、面筋蛋白质及温度对面包老化影响。实验结果显示，虽然NIRS 能够准确体现淀粉回生过程，但不能检测出淀粉和面筋蛋白通过鳌合型氢键作用而形成的复合体。进而得出结论:淀粉回生作用对面包老化的影响远比蛋白质和淀粉的相互作用重要［13］。

2.5 其他分析技术

食品质构仪(TA)也常被用于面包和馒头等老化研究中，通过测定硬度变化反映面包、馒头等老化程度。但硬度只是老化的一个方面，不能准确清晰的分析老化机理。扫描电镜(SEM)也是常应用于面包、馒头老化研究中，扫描电镜可观察面包、馒头等的超微结构，能够直观研究淀粉和面筋蛋白质间相互作用及焙烤和储存过程中的变化。为面团及面包特性的变化做出一定的解释。2012 年，王晓艳等通过实验表明，添加高膳食纤维能破坏面团的网络结构，从而导致淀粉颗粒游离出来，老化回生容易发生［27］。动态机械热分析仪(DMTA)是一种微观流变学方法，通过施加动态应力到样品上，引起相应的动态应变，进而反映样品的粘弹性。在特定的频率下对样品加以温度扫描，又可以获得相态转换信息。Vodovotz 等在对面包长期储藏过程中热机械性质的变化研究中指出，测定老化的面包的(T1)转变的峰形明显变宽，峰温增加显著，研究者认为玻璃化转变引起面包硬化。而面包短期储藏过程中T1转变仅是峰形的变化，峰温变化不明显，认为水分的损失影响了T1峰的变化［28］。

3 展望

总之，面包老化的机制非常复杂，许多分析技术特别是DSC、NMR、X-射线衍射和NIRS 等在分析技术研究面包、馒头等制品的老化机理过程中发挥了重要作用，能从分子水平对面包老化机制做出解释和证明，但这些分析技术还存在造价高、操作难度大以及分析指标单一等局限性，这使其不能普遍应用于面包产业中。随着科学技术的跃进式发展，相信在不久的将来一定会有更合理的检测方法用于面包老化的检测，为确定延缓面包、馒头等制品老化、延长产品货架期的方法提供可靠科学依据。

［1］Pyler E J. Baking Sci and Tech［M］. Chicago:Sciebel Publishing Company.

［2］Willamh.Knightly Surfactants In Baked Food:Current Practice and Future Trends［J］.Cereal Foods Word，1988，33 (5):405-412.

［3］李里特，江正强编著.焙烤食品工艺学［M］.第二版.北京:中国化工出版社，2010.

［4］(英)科万，(英)扬编著，金茂国译.面包加工工艺［M］.北京:中国轻工业出版社，2004.

［5］Engelsen S B，Jensen M K，Pedersen H T，et al.NMR-baking and multivariate Prediction of instrumental texture parameters in bread［J］.Journal of Cereal Science，2001，33(l):59-69.

［6］lrene M C. Bread Spoilage and Staling in technology of Breadmarking［M］.Springer US:Chemical Manufacturing，2007:275-298.

［7］Peleg M.A note on the tanδ(T)peak as a Glass Transition Indicator in Biosolids［J］. Rheologica Acta，1995，34 (2):215-220.

［8］J M Sanz Penella，C Collar，M Haros，et al.Effect of wheat bran and enzyme addition on dough functional performance and phytic acid levels in bread［J］.Journal of Cereal Science，2008，48:715-721.

［9］王仲礼，赵晓红.面包老化及其影响因素［J］.面粉通讯，2006(1):52-54.

［10］Sidhu J S，Al-Saqer J，Al-Zenki S.Cmparision of methods for the assessment of the extent of staling in bread［J］.Food Chemistry，1997，58(2):161-167.

［11］Moo-Yeol B，Pavinee C.Moisture Redistribution and Phase Transitions During Bread Staling［J］.Cereal Chem，2000，77(4):484-488.

［12］Peter H R，Ase H.Staling of wheat bread stored in modified atmosphere［J］.Food Science and Technology，2001，34:487-491.

［13］Xie F，Dowell F E，Sun X S.Using visible and near-infrared reflectance specteoscopy and differential scanning calorimetry to study starch，protein，and temperature effect on bread staling［J］.Cereal Chem，2004，81(2):249-254.

［14］Miyazaki M，Maeda T，Mortia N.Effect of various dextrin substitutious for wheat flour on dough properties and bread qualities［J］.Food Research International，2004，37:59-65.

［15］范晨丽.预烤冷冻工艺对面包品质影响的研究［D］.郑州:河南工业大学，2012.

［16］张君，王凤，黄卫宁，等.蜂蜜干粉对面包面团热机械学、烘焙及老化特性的影响［J］.食品工业科技，2013，34(6):185-189.

［16］Gregory R Z，Bryce M.Moisture migration in starch molding operations as observed by magnetic resonance imaging［J］.Food Research international，2003(36):331-340.

［17］李资玲，刘成梅，万婕，等.核磁共振研究膳食纤维面包制作过程的水分迁移行为［J］.食品科学，2007，10:127-129.

［18］孔旭新，徐昆，王丕新，等.淀粉-丙烯酸钠接枝共聚物的固体高分辨核磁共振研究［J］.高等学校化学学报，2005，26(9):1739-1742.

［19］林向阳.核磁共振及成像技术在面包制品加工与储藏过程中的研究［D］.南昌:南昌大学，2006，4-7.

［20］张锦胜，核磁共振及其成像技术在食品科学中的应用研究［D］.南昌:南昌大学，2007.

［21］Dragsdorf R D，Varriano-Marston E.Bread staling:X-ray diffraction studies on bread supplemented with α-amylased form different sources［J］.Cereal Chem，1980，57(5):310-314.

［22］Del Noibile M A，Martoriello T，Mocci G，et al.Modeling the starch retrogradation kinetic of durum wheat bread［J］.Journal of Food Engineering，2003，59:123-128.

［23］Wilson R H，Goodfellow B J，Belton PS，et al.Comparison of fourier transform mid infrared spectroscopy and near infrared reflectance spectroscopy with differential scanning calorimetry for the studying of the staling of bread［J］.J Sci Food Agric，1991，54:471-483.

［24］Osborne B G. NIR measurement of the development of crystallinity in stored bread crumb［J］.Aualusis Magazine，1998，26:55-57.

［25］Xie F，Dowell F E，Sun X S.Comparison of near-infrared reflectance spectrosecopy and a texture analyzer for measuring wheat bread change in storage［J］.Cereal Chem，2003，80:25-29.

［26］Kim H J，Morita N，Lee S H，et al.Scanning electron microscope observations of dough and bread supplemented with gastrodia elata blume powder［J］.Food Research international，2003，36:387-397.

［27］王晓艳.高膳食纤维对面包面团发酵烘焙及贮藏特性的影响研究［D］.无锡:江南大学，2012:17-18.

［28］Baik M，Chinachoti P.Moisture redistribution and phase transitions during bread staling［J］.Cereal Chemistry，2000，77:484-488.