超声辅助面团醒发对面条品质的影响

罗登林，杨园园，吴若言，徐宝成，聂 英，李佩艳，刘建学

（1.河南科技大学食品与生物工程学院，河南 洛阳 471003；2.河南科技大学图书馆，河南 洛阳 471003）

超声作为一种能负载高能量的机械波，可以通过介质传播引起高频振动产生疏密相间的区域，产生剪切、微扰、冲蚀、破碎、摩擦、升温、空化等效应，从而对食品的物理、化学和功能特性等产生影响[1-3]。超声属于一种绿色无污染的物理加工技术，在食品工业中它可以用来提高食品的生产效率，改善原料的加工品质，提高产品的品质和延长其货架期[4-6]。

目前，超声在食品方面的应用主要包括提取、乳化、过滤、干燥、结晶、改性、杀菌等[7-9]，而在面制品加工方面的报道很少，一些研究主要集中于对单一成分如蛋白质、淀粉的影响。有研究发现，超声可以使小麦蛋白的分子间β-折叠含量增加，分子间无规卷曲和分子内的β-折叠、α-螺旋、β-转角含量减少，结构变得疏松，提高蛋白质的酶解速率，还可增加麦谷蛋白溶液的起泡性和乳化性[10-11]。超声还可以改变大豆蛋白的溶解度和流体性质，增加大豆蛋白游离巯基的含量，改变蛋白质的分子间作用力，提高蛋白质表面的疏水性[12]。在超声对淀粉结构与性质的影响方面，研究发现超声处理能使马铃薯淀粉表面的坑洞数量和破损率显著增加，且破损程度随着超声功率增加和作用时间延长而增大，但未发现有新的化学键形成；而经超声提取的芋头淀粉，其吸水性、溶解性、黏性、质构特性和冻融稳定性均增加[13-14]。在超声应用于和面过程方面，Pan等[15]研究发现，在面团的混合过程中附加超声时，能够显著改善面包的品质，当采用功率为2.50 kW的超声作用40 min时，所生产出的面包体积增大19%，密度下降17%，而质量仅减少2.1%。Tan等[16]也发现，若将功率超声用于制作海绵蛋糕的面糊搅拌过程中，则会显著增大面糊的体积，提高蛋糕的弹性、内聚性和回复性，降低蛋糕的硬度，明显改善其口感。

面条是我国传统的面制品之一，其醒发过程是面条制作中一个重要的环节，醒发效果对面条品质有重要的影响。本实验主要探讨了在面条醒发阶段辅助超声对面条品质的影响，重点考察了超声功率密度、超声作用时间、面胚厚度和醒发温度等因素的影响，并利用综合加权评分法对面条的质构和蒸煮特性进行了评价，以期提高面条的品质和生产效率，为其醒发提供一种新方法。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

中筋小麦面粉（蛋白质量分数为10.6%） 济源市愚公农产品有限公司。

1.2 仪器与设备

HM740型和面机 青岛汉尚电器有限公司；KQ-500DE型数控超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司；C21-SC011电磁炉 杭州九阳生活电器有限公司；FKM-240压面机 浙江俊媳妇厨具有限公司；Universal 5544型质构分析仪 美国Instron公司；JSM-5610LV型扫描电子显微镜 日本JEOL公司；LGJ-10D型冷冻干燥机 北京四环科学仪器厂有限公司。

1.3 方法

1.3.1 面条的制作

面条的制作参考SB/T 10137—1993《面条用小麦粉》[17]附录中面条的制作方法，略有改动。将3 g食盐溶于116 mL水中之后，在和面机中与300 g面粉低速（1档）搅拌15 min混合成均匀的面絮。将面絮制成团状后在压面机上压成不同厚度的面片，保鲜袋口插入一支空心管并将四周扎紧，然后将装有面团的塑料保鲜袋放入盛有纯水的超声波清洗槽中，保鲜袋固定在距离槽液面和底部分别为3 cm和7 cm处，保证与外部空气通畅并防止超声作用过程中槽中水分浸入到保鲜袋中（图1）。超声波清洗机内温度通过加入冰块和加热控制。超声辅助面团醒发后压延成5 mm厚的均匀面片，最后将面片切割成20 cm×2 cm的面条进行分析测试。

图1 超声辅助面胚醒发设备示意图Fig.1 Schematic diagram of the ultrasonic-assisted dough resting device

1.3.2 蒸煮特性的测定

锅中加入800 mL去离子水，在电磁炉上加热至微沸，加入60 g左右的面条，根据Pan Zhili等[18]的方法确定最佳蒸煮时间（煮过的面条切开后用载玻片压片发现无白芯，此时的蒸煮时间为最佳蒸煮时间）。面条的蒸煮得率和蒸煮损失率按照Zhang Chong等[19]的方法测定。煮好的面条立即捞出放入加有500 mL去离子冷水的烧杯中，冷却1 min后捞出，沥水1 min，称量此时面条的质量。根据公式（1）计算面条的蒸煮得率。煮过面条的汤在电磁炉上继续加热到水蒸发2/3左右，将剩下的面汤倒入预先干燥至恒质量的铝盘中，在电热鼓风干燥箱内105 ℃干燥至恒质量后称量，根据公式（2）计算面条的蒸煮损失率。

1.3.3 质构特性

参考Kaur等[20]的方法测定面条的质构特性，煮熟的面条切成3 cm长的小段，用质构分析仪进行质构剖面分析测试。测前速率为1 mm/s，测试速率为0.5 mm/s，触发力为0.05 N，中间停留时间为5 s，压缩距离为70%，测面条的硬度、黏着性、凝聚性、弹性和回复性，每组测试至少平行3 次，取平均值。

1.3.4 综合加权评分分析面条品质

根据SB/T 10137—1993《面条用小麦粉》[17]附录中面条的感官评价标准评价、Zhang等[21]对中国鲜白面条品质评价的研究，并结合雷激[22]和陆启玉[23]等对面条感官评价与质构仪测定参数之间的相关性的研究，分别选取回复性、黏着性、弹性、硬度和凝聚性这5 项在面条评价中最重要的指标作为加权评分因子，并给这5 项分配的权重依次分别为30%、25%、20%、15%和10%。加权平均法的基本模型见公式（3）和（4），每个因子与最终结果为正相关则其权重取正值，为负相关则其权重取负值。本实验中，硬度和黏着性的权重取负值，其余都取正值。

式中：Y*为某一组的综合加权评分；wj为每个指标所对应的权重；yj’为各项的标准分；yj为该组中每个指标的实际测量所得值；yjmin为几组间同一指标中的最小值；yjmax为几组间同一指标中的最大值。

1.3.5 扫描电子显微镜观察

将小麦淀粉用去离子水制成质量分数30%（湿基）的淀粉悬浊液，在超声清洗机中用不同超声功率密度处理30 min（（30±1）℃），处理后的淀粉悬浊液经冷冻干燥后用导电双面胶粘在扫描电子显微镜的载物台上，喷金后在扫描电子显微镜下进行观察。

1.4 数据处理与分析

指标数据由Excel 2003软件计算得出，利用Origin 8.0软件绘制图表，采用SPSS 17.0软件进行Duncan显著性分析，P＜0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 不同超声功率密度对面条品质的影响

在超声醒发时间30 min、面胚厚度5 mm、醒发温度25 ℃下，考察超声功率密度对面条回复性、黏着性、弹性、硬度、凝聚性、综合加权评分、蒸煮损失率和蒸煮得率的影响，结果见表1。

表1 不同超声功率密度对面条品质的影响Table1 Effect of ultrasonic power density on the quality of noodles

由表1可知，除凝聚性外，超声功率密度对面条其他4 个质构特性指标影响均显著。随超声功率密度的增大，面条的回复性和弹性均呈先增加后减少的趋势，而黏着性和硬度则呈先减少后增加的趋势，特别是在超声功率密度为25.55 W/L时，弹性相对空白组（超声功率密度为0 W/L，即常规醒发）显著增加了15.9%，而硬度相对空白组显著降低了7.8%，并且综合加权评分最高，相对空白组有显著的提高（增加了31.12）。超声作用同样也影响了面条的蒸煮特性，随着超声功率密度的增加，面条的蒸煮损失率逐渐降低，面条的蒸煮得率则是先增加后减小。在超声功率密度为25.55 W/L时，蒸煮损失率较空白组下降了2.7%，蒸煮得率相对提高了0.93%。研究认为，好的面条应具有较低的蒸煮损失率和较高的蒸煮得率[21]。因此，在一定的超声功率密度下，超声辅助面胚醒发能明显改善面条的质构特性和蒸煮特性。

超声功率密度对面条质构特性和蒸煮特性的影响可能归因于超声所产生的效应。在较低的超声功率密度下（≤25.55 W/L），超声产生的机械波动效应可以降低蛋白质分子与水分子表面的张力，促进面筋网络的形成和蛋白质的水合作用；超声在水中产生的空化效应会产生羟自由基，具有强的氧化性，能将含—SH的蛋白质氧化成—S—S—，增强面筋蛋白的网络结构。Zhang Haihua等[11]研究发现，超声可促进小麦面筋蛋白的起泡性和乳化稳定性；所以一定功率密度的超声会增加面条的回复性和弹性。功率超声产生的机械和空化效应还会引起淀粉出现许多小的孔洞，导致面团中损伤淀粉含量增加[24]。损伤淀粉具有强吸水性，可以使面条的吸水量增加，所以面条的蒸煮得率会增加，而蒸煮损失率会下降，面条的硬度也会下降；吸水后的损伤淀粉还具有一定的黏着力，会附着在面筋网络结构上使其稳定，并会引起黏着性的升高[25]。但是当超声功率密度增加到一定程度时，此时损伤淀粉含量过高，它们与蛋白质之间竞争水分而引起面筋网络的弱化，同时过多的损伤淀粉吸水膨胀使体积增加，形成空间障碍，限制面筋网络的扩展。有研究发现，超声波可以导致马铃薯淀粉表面产生坑洞，且随着超声功率越大淀粉表面的坑洞也越多[13]。Tan等[16]的研究发现，超声能使芋头淀粉分子中亲水基团暴露，吸水性增加；当超声功率增大到一定程度时，淀粉（包括可溶性淀粉）开始降解，引起淀粉的吸水性降低；但当超声功率密度增加到一定程度时，所产生作用效应可能会破坏蛋白质分子间和分子内的化学键，使蛋白质分子结构松散，性质发生改变，从而影响面筋蛋白的网络结构。Zhang Yanyan等[10]发现谷蛋白经超声处理后，其蛋白网络结构变得松散，表面粗糙度增加，酶解速率增加。这些均会导致面条的回复性、弹性、蒸煮得率下降，从而引起综合加权评分的降低。

2.2 超声作用时间对面条品质的影响

在超声功率密度25.5 W/L、面胚厚度5 mm、醒发温度25 ℃下，考察超声作用时间对面条质构特性和蒸煮特性的影响，结果见表2。

表2 不同超声作用时间对面条品质的影响Table2 Effect of ultrasonic treatment time on the quality of noodles

由表2可以看出，随超声作用时间的延长，面条质构特性的综合加权评分呈现先增加后降低的趋势。超声作用时间对面条质构特性参数的影响均显著。在30 min时，面条的回复性、弹性和凝聚性均达最大值，相对10 min时分别增加了9.4%、30.1%和1.4%；黏着性和硬度则分别降低了28.9%和17.7%；而面条的蒸煮损失率也最低，蒸煮得率相对较高，此时面条的加权综合评分最高，品质较好。

醒发过程是面团面筋网络形成的重要过程，在此期间面团中蛋白质分子和水分子的内应力逐渐减小，蛋白质分子之间相互交联，面筋网络结构形成。面团醒发时间过短，则网络结构形成不完全，过长会增加面条制作的时间成本。随超声作用时间的延长（≤30 min），面条的回复性、弹性和凝聚性逐渐升高，而黏着性和硬度逐渐降低。这可能归因于超声产生的机械作用可以增加蛋白质分子与水分子的结合速率，促进面筋网络结构形成，同时产生少量的损伤淀粉，增加面条的吸水性。但当超声作用时间超过30 min时，随超声作用时间的延长，面条的回复性、弹性和凝聚性逐渐下降，而黏着性和硬度整体呈增加趋势。这可能是因为超声作用时间过长，会引起含水分含量较高的面团内部温度升高，而面团内部温度太高一方面会影响酵母的发酵作用；另一方面会导致蛋白质的变性，改变蛋白质分子的二级和高级结构，使原先形成的面筋网络结构又被破坏，与蛋白质水合的水分子又重新游离出来[26]。Chandrapala等[27]的研究表明，超声作用时间过长虽然不会影响乳清蛋白的二硫键和巯基含量，但会改变蛋白质的二级结构和疏水性，使蛋白质疏水性增加。另外，超声作用时间过长会引起大量损伤淀粉的产生，容易造成面条蒸煮损失的增加；同时也会导致一些大分子的淀粉降解成许多小分子的直链淀粉，引起直链淀粉含量相对增加，而直链淀粉含量与面条的硬度具有密切的相关性，直链淀粉含量越高，面条硬度越大[14]。

2.3 面胚厚度对面条品质的影响

在超声功率密度25.55 W/L、醒发时间30 min和醒发温度25 ℃的条件下，考察在超声作用下不同面胚厚度对面条质构特性和蒸煮特性的影响，结果见表3。

表3 超声作用下不同厚度面胚醒发对面条品质的影响Table3 Effect of dough thickness on the quality of noodles with ultrasound treatment

由表3可以看出，在面胚厚度为6 mm时，面条质构特性的综合加权评分最高，面条的蒸煮损失率与其他组无显著差异，蒸煮得率最大，即此时面条的品质最好。面胚厚度对回复性和黏着性影响不显著，而对弹性、硬度和凝聚性影响显著。随面胚厚度的增加，面条的回复性和弹性均呈先增大后减小的趋势，而硬度呈先减小后增大趋势。在面胚厚度为6 mm时，相对3 mm的面胚，面条的回复性和弹性分别增加了5.7%和19.3%；而面条的硬度则在5 mm时达最小值，相对3 mm的面胚降低了3.9%。

由于每组实验的面团质量是相同的，因此面胚的厚度与其表面积呈负相关的关系。所以面胚厚度越小，在相同的超声功率密度下，单位面积的面胚所接受的超声能量大。当面胚厚度低于6 mm时，超声的能量太强，会改变蛋白质的分子结构，破坏面筋蛋白的网络结构，同时增加淀粉破损的程度和数量，使淀粉与蛋白质产生吸水竞争，导致面团中的面筋网络形成不完全，且直链淀粉的含量增加[28]；另外，破损淀粉含量的增加还会导致面条表面的黏着性增加。随着面胚厚度的增加（3～6 mm），一方面单位面积的面胚所接受的超声能量逐渐减小；另一方面，超声的传播能量随面胚厚度的增加而衰减，面胚内部所接受的超声能量明显小于面胚表面。此时，超声作用表现为促进蛋白质与水分子间的水合、蛋白质与蛋白质之间的交联[29]，有利于面筋网络结构的迅速形成并得以增强，导致面条回复性、弹性增加。但是当面胚厚度超过6 mm后，面条的回复性、弹性和蒸煮得率开始减小，而黏着性、硬度开始增加，这可能是因为当面胚太厚时，超声作用效应不明显，表现为面条的品质下降。

2.4 面胚醒发温度对面条品质的影响

在超声功率密度25.55 W/L、醒发时间30 min和面胚厚度6 mm的条件下，考察在超声作用下不同醒发温度对面条质构特性和蒸煮特性的影响，结果见表4。

表1 超声作用下不同醒发温度对面条品质的影响Table1 Effect of resting temperature on the quality of noodles with ultrasound treatment

从表4可以看出，随醒发温度的升高，面条质构特性的综合加权评分先增加后减小。醒发温度对面条质构特性参数的影响均显著。在醒发温度为30 ℃时，面条的回复性和弹性最高，相对20 ℃时分别增加了12.1%和18.1%；而黏着性最低，相对20 ℃时降低了5.0%，此时面条的质构特性的综合加权评分最高，而对应的蒸煮得率最高且蒸煮损失率最低，即面条的品质较好。这是因为温度会影响分子之间的表面张力，温度越高分子的表面张力也越低，同时分子的自由运动也越剧烈，有利于蛋白质与水的水合作用和面筋网络结构的形成，但是当温度过高时，少量破损的小分子淀粉开始糊化，阻碍了面筋网络结构的形成[30]。另外，一定的温度（30～40 ℃）对超声的空化作用也产生有利影响，会产生更多的空化泡核，但温度过高会使空化泡破灭时产生的冲击力下降，使超声的作用减弱[31]。因此，面条的回复性、弹性、蒸煮得率呈先升高后下降的趋势，而黏着性、硬度、蒸煮损失率呈先下降后升高的趋势。

2.5 超声对小麦淀粉微观结构的影响

图2 超声处理后小麦淀粉的扫描电子显微镜图Fig.2 Scanning electron microscopic images of starch granules with and without ultrasonic treatment

由图2可以看出，小麦原淀粉颗粒（图2 a）和未经超声处理的小麦淀粉（图2 b）为表面光滑、直径在2～4 0 μ m之间的椭圆形颗粒。随着超声功率密度的增大，淀粉表面出现了明显的变化。当超声功率密度为2 5.55 W/L时，部分淀粉颗粒表面出现细小孔洞（图2 d）；随着超声功率密度的进一步增大（34.07 W/L），淀粉颗粒表面开始变得粗糙（图2e）；当超声功率密度达42.59 W/L时，部分淀粉表面出现剥落现象，表面显得非常粗糙，且出现很多大的孔洞，淀粉颗粒破损已较为严重（图2f）。这可能是因为当超声功率密度较低时，超声空化作用不明显，所以淀粉表面变化不明显（图2c）。随着超声功率密度的增加，超声空化作用显著增强，空化作用会使淀粉分子的机械振动增加，颗粒间的摩擦也会增多，导致颗粒表面粗糙和出现剥落现象；同时，超声产生空化泡核也明显增多，这些空化泡核破裂会产生强烈的微射流作用，使淀粉表面被击穿从而出现孔洞[32]。少量的破损淀粉有利于面条品质的增加，但是过量的破损淀粉会与蛋白质竞争吸水，使面筋网络弱化从而导致面条品质降低。这也与前文随着超声功率密度的增加，面条品质先增加后降低的实验结果相一致。

3 结 论

随超声功率密度的增大，面条的回复性和弹性均呈先增加后减少的趋势，而黏着性和硬度则呈先减少后增加趋势；在超声功率密度为25.55 W/L时，面条的弹性相对空白组显著增加了15.9%，而硬度则显著降低了7.8%。超声作用时间对面条质构特性参数的影响均显著，在30 min时，面条的回复性、弹性和凝聚性均达最大值，相对10 min的分别增加了9.4%、30.1%和1.4%；黏着性和硬度则分别降低了28.9%和17.7%。随超声作用时间延长和面胚厚度、醒发温度的增加，面条的品质均呈现先增加后下降的趋势。扫描电子显微镜观察结果显示，当超声功率密度大于25.55 W/L时，淀粉表面开始出现孔洞且变得粗糙，且随着功率密度的增加，这种现象更加明显。

实验结果表明，在超声功率密度为25.55 W/L、超声时间为30 min、面胚厚度为6 mm和醒发温度为30 ℃时，面条的质构综合加权评分和蒸煮得率均最高，而蒸煮损失率较低，表明在一定条件下超声可以同时明显改善面条的质构特性和蒸煮特性，提高面条的品质。