谷朊粉和支链淀粉对冷冻面团酵母活力的改善作用

刘飞龙，缪冶炼，陈介余，马厚雨，李 娜，张燕萍

(1.南京工业大学 食品与轻工学院，江苏 南京 211800； 2.日本秋田县立大学 生物资源学部，秋田 010-0195，日本； 3.丹阳市同乐小麦粉有限公司，江苏 丹阳 212351)

冷冻面团是一种以小麦粉和酵母为主要原料加工而成的半成品。利用冷冻面团生产面包、馒头和包子等发酵面食产品，不仅能够提高生产效率，及时提供新鲜产品，加强品质管理，还能节约人工和设备投资，降低生产成本[1-3]。然而，在冷冻过程中形成的冰晶会损伤酵母细胞，使其失去活力甚至死亡，同时也会破坏面筋网络结构，降低面团的CO2保持能力，改变面团的流变学性质，这严重影响冷冻面团的醒发和最终产品的品质[4-6]。

一般来说，冷冻面团酵母活力的主要影响因素包括：①酵母对冷冻的耐受能力[7-9]；②小麦粉种类及组分[3,6,10-11]；③改良剂[12-13]；④加工工艺和条件[14-15]。

小麦品种不同，其小麦粉中蛋白质的含量和构成也不同。Lu等[10]从高筋小麦粉和低筋小麦粉中分离出淀粉、水溶性成分、醇溶蛋白和麦谷蛋白等4个组分，考察这4个组分对冷冻面团烘焙品质的影响，结果发现：当低筋小麦粉的某一组分被高筋小麦粉的相应组分替代时，冷冻面团烘焙品质得到改善；与此相反，当高筋小麦粉的某一组分被低筋小麦粉的相应组分替代时，则冷冻面团烘焙品质有所下降。各组分对冷冻面团烘焙品质的影响显著不同，麦谷蛋白的影响最大，其次是醇溶蛋白和淀粉，水溶性成分的影响不大。

Kondakci等[6]分别以蛋白质质量分数7.5%、9.5%和11%的小麦粉为原料制作面团，并在不同冷冻条件(冷风的温度和速度)下进行冷冻，讨论蛋白质含量和冷冻速度对面团和馒头品质的影响，结果发现：冷冻使酵母发酵力降低、面筋结构减弱，从而导致馒头的比体积减小。但是，蛋白质质量分数较高(9.5%～11%)时，面团在各种冷冻条件下都具有较强的抗冻伤能力，馒头的比体积、形状比率和质构与新鲜面团馒头相近。Wang等[11]讨论了冷冻面团中麦谷蛋白聚合物解聚对冷冻面团品质的影响，结果发现：在小麦粉中添加1%的麦谷蛋白聚合物，可减轻冷冻面团中麦谷蛋白聚合物的解聚及馒头品质的下降。这是由于麦谷蛋白聚合物的添加提高了麦谷蛋白与醇溶蛋白的比例，强化了面团的面筋结构、弹性和持气力。然而，麦谷蛋白聚合物的添加没有影响酵母的生长和产气力。

Yi等[16]采用糯小麦粉(支链淀粉含量占淀粉98%以上)和普通小麦粉制作冷冻面团和面包。在糯小麦粉用量0～45%、水用量55%～65%的范围内，随着糯小麦粉和水用量的增加，冷冻面团的黏附性逐渐上升，面包的硬度逐渐下降。糯小麦粉用量为15%时，酵母发酵力较高，面包体积较大。与此相对应，杨铭铎等[17]的实验表明，在普通小麦粉中添加直链淀粉，则冷冻面团的延伸性随直链淀粉添加量的增加而下降，而酵母的产气力与直链淀粉添加量无关，基本保持一定。Ortolan等[2]以普通小麦粉(CWF)为对照，分别用螺旋挤压小麦粉(EWF)和糊化木薯淀粉(PGS)替代5%的普通小麦粉后制作冷冻面团和面包。结果发现：醒发开始时，EWF冷冻面团和PGS冷冻面团的葡萄糖含量(以100 g小麦粉质量为基准)分别为12 g和11.7 g，远远高于CWF面团的7.1 g。葡萄糖对酵母起到低温保护作用，同时也为酵母生长提供了可利用的糖分。与CWF冷冻面团相比，用EWF和PGS冷冻面团经解冻和醒发后的体积较大，但面包体积较小。因此，EWF和PGS可用来改善法国面包冷冻面团生产过程。

本文作者在前期研究中以SaccharomycescerevisiaeCGMCC 2.1423为出发菌株，采用低温等离子体诱变结合定向驯化的手段，选育出了一株发酵能力强的抗冻酵母S.cerevisiaeAFY-1[18]。该抗冻酵母的细胞悬液在-20、-80 ℃条件下冻藏120 d后，细胞存活率分别保持在83.2%和82.0%。采用该抗冻酵母制作的面团在-20 ℃条件下冻藏70 d后，发酵力和平均醒发速度分别保持在冷冻前的87.9%和60.2%[8-9]。另一方面，现有文献多数报道了某一组分对冷冻面团醒发以及面包或馒头品质的影响，而关于多组分与酵母活力的研究较少。

本研究中，为了提高冷冻面团中的酵母活力，在低筋小麦粉中添加不同量的水、谷朊粉和支链淀粉制备冷冻面团，探讨水、谷朊粉和支链淀粉用量对发酵力和细胞生长的影响，分析发酵力和细胞生长的关系，并通过响应面实验优化原料配方。

1 材料与方法

1.1 冷冻面团原料

低筋小麦粉、谷朊粉和支链淀粉采用丹阳市同乐小麦粉公司以小麦为原料生产的商业产品。耐高糖活性干酵母(安琪酵母股份有限公司)购于超市。小麦粉、谷朊粉和支链淀粉中主要成分的含量如表1所示，其中，水、粗蛋白、粗淀粉、脂肪和灰分的含量分别根据文献[19-23]测定。醇溶蛋白采用体积分数为75%的乙醇溶液进行提取[24]后，根据考马斯亮蓝法[25-26]进行浓度测定，并计算试样中的含量。支链淀粉含量采用双波长法[27-28]测定。所有成分的含量均以试样湿物基准的百分数表示。

干酵母在使用前进行活化处理。称取一定量的干酵母于烧杯中，按干酵母质量(g)∶ 糖水体积(mL)=1∶ 20的比例加入2%糖水，搅拌均匀，于恒温箱中30 ℃静置40 min。活化处理后，酵母悬液的总细胞数为1.93×109个/mL，其中活细胞数为1.73×109个/mL。

此外，冷冻面团制作的食用盐、色拉油和白砂糖购于超市。所有实验采用去离子水。

表1 小麦粉、谷朊粉和支链淀粉中主要成分的含量

1.2 冷冻面团制备

冷冻面团配方以小麦粉质量为基准设定，其中每100 g小麦粉中的水用量分别设定为55.0、57.5、60.0、62.5和65.0 g，谷朊粉用量分别设定为0、1.0、2.0、3.0、4.0和5.0 g，支链淀粉用量分别设定为0、1.0、2.0、3.0、4.0和5.0 g。酵母、食用盐、色拉油和白砂糖的用量分别为2.0×1010个、1.5 g、4.0 g和6.0 g。酵母用量以活细胞数表示，2.0×1010个细胞相当于1 g活性干酵母中的细胞数。

在25 ℃的室内，按照配方称取原料，混合均匀，并用力揉捏15 min(揉捏次数大约为100次)，然后分割成每份100 g的小面团，滚圆成型，作为新鲜面团。新鲜面团在-20 ℃的温度条件下冷冻5 h后，装入聚乙烯材质的封口袋中，-20 ℃冻藏7 d，作为冷冻面团。以每100 g小麦粉中水、谷朊粉和支链淀粉用量分别为60.0、0和0 g的新鲜面团和冷冻面团作为对照。

1.3 酵母发酵力测定

酵母发酵力测定前，将冷冻面团在20 ℃、相对湿度80%的条件下解冻。当面团中心温度达到5 ℃左右时，取出面团，在25 ℃的室内揉捏2 min，此时，面团温度回到室温。

酵母发酵力根据GB/T 20886—2007的方法[29]测定。发酵温度设定为30 ℃，面团用量设定为300 g。面团投入后第8分钟开始测定2 h中的排水量(即CO2的产生量)，并将该排水量定义为酵母发酵力。每个面团配方的酵母发酵力测定重复6次，取平均值和标准偏差。

1.4 酵母细胞数测定

将解冻后的冷冻面团在温度30 ℃、相对湿度80%的条件下醒发2 h，使面团状态与酵母发酵力测定后基本相同。醒发后，分别从面团的上部、中心和底部的3个部位各取5 g样品于300 mL烧杯中，加入适量的去离子水，搅拌(5 min)均匀，用去离子水定容至500 mL，作为面团悬液。

面团悬液中酵母的总细胞数和活细胞数采用血小板计数法[8]测定。测定前，根据需要用去离子水将面团悬液稀释适当倍数，取0.1 mL稀释液和0.9 mL美蓝液于试管中，染色10 min。测定中，呈白色的细胞为活细胞，呈蓝色的细胞为死细胞[30]。测定后，根据面团悬液的总细胞数、活细胞数和小麦粉量，计算面团中每100 g小麦粉所含的总细胞数和活细胞数，并将活细胞数占总细胞数的百分比定义为活细胞率。每个面团配方的酵母细胞数测定重复6次，取平均值和标准偏差。

2 结果与讨论

2.1 冷冻面团的酵母发酵力和活细胞数

在每100 g小麦粉中，谷朊粉和支链淀粉用量均为0(即不使用谷朊粉和支链淀粉)的条件下，水对冷冻面团酵母发酵力和醒发后活细胞数的影响如图1所示。由图1可知：随着水用量从55.0 g增加到60.0 g，酵母发酵力从(638±8.6) mL上升到(680±9.2) mL。然而，在大于60.0 g的水用量范围内，酵母发酵力随着水用量的增加而迅速下降。当水用量为65.0 g时，酵母发酵力下降至(553±6.3) mL。活细胞数随水用量的变化趋势基本与酵母发酵力基本相同。当水用量为60.0 g时，活细胞数达到最大值(7.75±0.09)×1010个。

图1 水对冷冻面团酵母发酵力和醒发后活细胞数的影响Fig.1 Effects of water on the yeast fermentation ability of frozen dough and the living cell population after fermentation

上述冷冻面团酵母发酵力随水用量的变化趋势与文献[31-32]报道一致。面团中的水分在面筋形成、淀粉膨胀、酶反应和酵母细胞生长等各方面都具有重要作用。水分过低时，酵母细胞因缺少水分而生长缓慢，但水分过高时，面团黏度增加，从而对酵母细胞生长产生抑制作用。

每100 g小麦粉中，在水用量60.0 g、支链淀粉用量0的条件下，谷朊粉对冷冻面团酵母发酵力和醒发后活细胞数的影响如图2所示。由图2可知：随着谷朊粉用量从0增加到3.0 g，酵母发酵力从(680±9.2) mL上升到(735±5.0) mL；然而，在大于3.0 g的谷朊粉用量范围内，酵母发酵力随谷朊粉用量的增加而逐渐下降。当谷朊粉用量为5.0 g时，酵母发酵力下降至(690±5.5) mL。活细胞数随谷朊粉用量的变化趋势与酵母发酵力基本相同。当谷朊粉用量为3.0 g时，活细胞数达到最大值(9.13±0.22)×1010个。

图2 谷朊粉对冷冻面团酵母发酵力和醒发后 活细胞数的影响Fig.2 Effects of gluten on the yeast fermentation ability of frozen dough and the living cell population after fermentation

谷朊粉主要由蛋白质成分(麦谷蛋白、醇溶蛋白等)组成。与小麦粉颗粒内部的蛋白质相比，外部加入的谷朊粉较容易被酵母利用。此外，在面团冷冻时，谷朊粉吸附在酵母或冰晶的表面，改变冰晶生长状态，从而降低冰晶对酵母细胞的机械损伤。但另一方面，谷朊粉含量过高时，面团的吸水量和渗透压增加，从而导致酵母细胞生长缓慢甚至死亡[14]。叶鹏等[33]讨论了脯氨酸对冷冻面团中酵母细胞的保护作用。在冻藏7 d的面团中，酵母的细胞存活率和发酵力随脯氨酸用量的增加先上升后下降，当脯氨酸用量为2%时分别达到最大值66.3%和254 mL。艾青等[12]讨论了胶原蛋白对冷冻面团中酵母细胞的保护作用。在面团中使用0.3%的胶原蛋白，可使冻藏21 d后的细胞存活率从43.0%增加到54.5%；醒发时间为60 min，比对照缩短了33.3%。

每100 g小麦粉中，在水用量60.0 g、谷朊粉用量0的条件下，支链淀粉对冷冻面团酵母发酵力和醒发后活细胞数的影响如图3所示。由图3可知：随着支链淀粉用量从0增加到3.0 g，酵母发酵力从(680±9.2) mL上升到(725±4.2) mL；然而，在大于3.0 g的支链淀粉用量范围内，酵母发酵力随支链淀粉用量的增加而逐渐下降；当支链淀粉用量为5.0 g时，酵母发酵力下降至(670±6.8) mL。活细胞数随支链淀粉用量的变化趋势基本与酵母发酵力基本相同，当支链淀粉用量3.0 g时，活细胞数达到最大值(8.74±0.21)×1010个。

图3 支链淀粉对冷冻面团酵母发酵力和 醒发后活细胞数的影响Fig.3 Effects of amylopectin on the yeast fermentation ability of frozen dough and the living cell population after fermentation

与小麦粉中的淀粉颗粒相比，支链淀粉更容易在淀粉酶的作用下水解成麦芽糖和葡萄糖。适量的糖等能够促进面团的醒发，并具有对酵母细胞的冷冻保护作用。但随着糖的增加，其渗透压作用会抑制酵母细胞生长和面团醒发[33-35]。Ma等[3]采用行星球磨机对小麦粉进行粉碎处理，使小麦粉中的破损淀粉含量达到12.2%～30.0%，在此条件下讨论破损淀粉对冷冻面团和馒头品质的影响。小麦粉的破损淀粉含量对粉质特性(吸水性、面筋指数等)、糊化特性(糊化温度、最高黏度等)和馒头品质都有影响。破损淀粉含量越高，冷冻面团蒸制后的馒头比体积越大、硬度越小。破损淀粉容易水解，提高面团的还原糖含量，可促进面团醒发[36]。但应注意的是，过量的破损淀粉会加速酶反应，导致面团黏度过大、烘烤后面包体积变小[37]。

虽然酵母细胞在冷冻和冻藏过程中会有部分死亡，但是在面团醒发过程中迅速生长。本研究中，新鲜面团含有活细胞数2.0×1010个(以每100 g小麦粉计)。在水用量55.0～65.0 g、谷朊粉用量0～5.0 g、支链淀粉用量0～5.0 g的配方条件下，冷冻面团醒发后的活细胞数增加到(6.35～9.13)×1010个。图4表示冷冻面团酵母发酵力与醒发后活细胞数的关系。冷冻面团酵母发酵力(FY)随醒发后活细胞数(NAC)呈线性关系，两者的关系可用式(1)表示。

FY=51.5NAC+272.5 (R2=0.819)

(1)

图4 冷冻面团酵母发酵力与醒发后活细胞数的关系Fig.4 Relationship between the yeast fermentation ability of frozen dough and the living cell population after fermentation

冷冻面团醒发后的活细胞数与总细胞数和活细胞率相关，活细胞数较大时，总细胞数和活细胞率均较大。例如，在活细胞数为(9.13±0.22)×1010个(所对应的面团配方：水用量60.0 g、谷朊粉用量3.0 g、支链淀粉用量0)时，总细胞数和活细胞率分别为(11.38±0.28)×1010个、(80.3±0.48)%，而当活细胞数为(7.75±0.09)×1010个(所对应的面团配方：水用量60.0 g、谷朊粉用量0、支链淀粉用量0)时，总细胞数和活细胞率分别仅为(10.23±0.09)×1010个、(75.8±0.70)%。这表明，较大活细胞数所对应的面团配方有利于提高酵母对冷冻和冻藏的耐受性，同时促进酵母的生长。本研究首次揭示了冷冻面团中酵母的生长规律，并以此说明了酵母发酵力的本质。

2.2 优化的冷冻面团配方

以水、谷朊粉和支链淀粉用量为影响因素，并以冷冻面团酵母发酵力为响应值，利用Box-Behnken Design (BBD) 法设计响应面实验，各因素的水平见表2。根据单因素实验结果，水、谷朊粉、支链淀粉用量在0水平分别设定为58.0、4.0、4.0 g(以100 g小麦粉计)。酵母、食用盐、色拉油和白砂糖的用量与单因素实验相同。每组面团配方的酵母发酵力测定重复3次，取平均值。

表2 响应面实验的因素和水平

表3表示响应面实验的条件和结果。利用软件Design Expert 8.0.6.1进行酵母发酵力(FY)与水用量(X1)、谷朊粉用量(X2)、支链淀粉用量(X3)之间的二次多项式回归，得到式(2)。

(2)

表3 响应面实验的条件和结果

式(2)的决定系数R2=0.989，表明该模型与实验数据之间相关性较好。此外，方差分析结果(表4)显示，回归模型的F=98.57，P<0.000 1，且失拟项的P>0.05，表明回归模型具有显著性。X1、X2、X3、X1X2和X2X3的P<0.05，表明水、谷朊粉和支链淀粉对冷冻面团酵母发酵力有显著影响，且水和谷朊粉以及谷朊粉和支链淀粉之间存在交互作用；X1X3的P>0.05，说明水和支链淀粉之间不存在交互作用。图5～7分别表示冷冻面团酵母发酵力随水和谷朊粉用量、水和支链淀粉用量、谷朊粉和支链淀粉用量的变化。由图5～7可以看出，冷冻面团酵母发酵力的最大值(极值)存在于实验条件范围内。

表4 回归模拟方差分析

图5 冷冻面团酵母发酵力随水和谷朊粉用量的变化 Fig.5 Changes of yeast fermentation ability with water and gluten doses in frozen dough

图6 冷冻面团酵母发酵力随水和支链淀粉用量的变化Fig.6 Changes of yeast fermentation ability with water and amylopectin doses in frozen dough

图7 冷冻面团酵母发酵力随谷朊粉和支链淀粉用量的变化Fig.7 Changes of yeast fermentation ability with gluten and amylopectin doses in frozen dough

通过对回归方程式(2)的极值分析可以预测，冷冻面团酵母发酵力在水用量58.7 g、谷朊粉用量3.9 g和支链淀粉用量3.6 g的条件下取得最大值756 mL。在该条件下重复3次验证实验，得到冷冻面团酵母发酵力的测定值(758±5.8) mL。预测值与测定值基本一致，表明回归方程式(1)可信。

此外，采用水用量60.0 g、谷朊粉用量0和支链淀粉用量0的配方制备新鲜面团和冷冻面团作为对照，测得其酵母发酵力分别为(710±8.4) mL、(680±9.2) mL。通过比较可以发现，经组分优化后的冷冻面团酵母发酵力明显大于新鲜面团和冷冻面团的酵母发酵力。

3 结论

在低筋小麦粉中添加不同量的水、谷朊粉和支链淀粉，制备冷冻面团，讨论水、谷朊粉、支链淀粉对酵母发酵力和细胞生长的影响，并通过响应面实验优化原料配方，得到以下结论。

1)水、谷朊粉和支链淀粉对冷冻面团酵母发酵力有显著影响。适量的水、谷朊粉和支链淀粉用量对酵母发酵力有改善作用，但水、谷朊粉和支链淀粉用量过大时，酵母发酵力降低。

2) 当新鲜面团的活细胞数为2.0×1010个时，冷冻面团醒发后活细胞数增加到(6.35～9.13)×1010个。冷冻面团酵母发酵力(FY)随面团醒发后活细胞数(NAC)呈线性关系，两者的关系可用式FY=51.5NAC+272.5表示。

3)冷冻面团酵母发酵力在水用量58.7 g、谷朊粉用量3.9 g和支链淀粉用量3.6 g的配方条件下达到最大值(758±5.8) mL，远大于新鲜面团对照的(710±8.4) mL和冷冻面团对照的(680±9.2) mL。水和谷朊粉、以及谷朊粉和支链淀粉之间存在交互作用。