影响冷冻面团的因素及其品质改良研究进展

白 雪,张美莉

(内蒙古农业大学食品科学与工程学院,内蒙古呼和浩特 010018)

冷冻面团是20世纪50年代以来在欧洲国家发展起来的面包生产新工艺,它利用冷冻技术来处理成品或半成品。自20世纪70年代以来,冷冻面团技术在面包工业中的使用一直在增长,并逐渐成为主流趋势[1]。冷冻面团技术于20世纪90年代开始引入中国。近年来,在中国冷冻面团技术主要应用于包子、馒头、中式糕点和西式烘焙产品中。冷冻面团对于消费者和制造商都有极大的好处。对于制造商来说,冷冻面团不仅可以提高运输便利度、降低运输成本和扩大零售范围,还可以延长货架期。对于消费者来说,可以在任何时间任何地方吃到新鲜的面包[2]。诸如冷藏饼干和布朗尼蛋糕、甜面包卷、饼干、晚餐卷和比萨饼等用冷冻面团技术制作的烘焙产品可以在任何时间以“新鲜烘焙”的形式出售给消费者。

在冷冻和冷冻储藏过程中也会引起面团品质的下降,例如面筋网络结构破坏、酵母发酵活力降低,冰结晶和重结晶造成的面包体积减小和面包质地硬度增加等[3],最终影响产品的质量。目前在食品市场,尤其是餐饮市场中,原材料涨价、人力成本提高、店面租金攀升等原因,促使冷冻面团技术快速发展。本文对影响冷冻面团品质的因素进行梳理和分析,总结了改善酵母耐冻性和面筋结构性质的有效方法,包括使用添加剂、基因工程技术等,以期为相关研究和工业化应用提供借鉴。

1 影响冷冻面团的因素

冷冻面团的质量取决于酵母产生CO2的能力和面团对CO2的持气能力。酵母活力降低和面筋网络结构破坏是导致面团质量劣变的两个主要因素,同时这两者也都是由冰晶引起的。

1.1 冰结晶及重结晶

冰晶有两种特征,即在冷冻和冷冻储藏阶段分别发生的结晶和重结晶。根据水溶液热力学原理,冷冻面团是一种在水中混合各种成分的混合物,与纯水(Tf=0 ℃)相比,其凝固点更低[4]。因此,研究冷冻和冷冻储藏过程中冷冻面团的冰层形成是非常重要的。面团中的水分在接近冰点温度时容易发生冰晶生长,但也受到质量和热传递的影响。在冷冻储藏过程中由于温度波动会发生冰的重结晶,面团表面小冰晶融化,在此部位形成较大的冰晶,因此,大的冰晶一般都储存在面团表面。冷冻过程中冷冻速率对冷冻面团的冰晶特性也有不同程度的影响。在面团冷冻和冷冻储藏过程中,采用快速冷冻时,面团表面会形成均匀分布的小冰晶,对面团的损伤较小,生产的产品质量更好,反之,采用缓慢的冷冻速率时,引发冰成核从而产生更大的冰晶形成[5-8]。王文果[9]在研究中发现,面团冷冻过程中冰晶的形成会破坏面筋网络结构,导致面团持气能力下降。如果温度不稳定,冰晶会发生重结晶。随着冰晶体积的增大,作用于面团组织的机械损伤力也增大,解冻后再冷冻对冷冻面团的破坏尤为严重。因此,为了获得更高产品质量的冷冻面团,有效控制冰晶形成是非常有必要的。

1.2 酵母活性

酵母通常是指广泛分布在自然界中的各种单细胞真菌,可以在需氧和厌氧条件下存活,主要生长在酸性、潮湿、含糖环境中。酵母的最佳生长温度在20～30 ℃之间,如果温度低于0 ℃或高于40 ℃,酵母的生存能力将在很大程度上受到抑制。目前,冷冻面团生产中应用的酵母类型有三种,即鲜酵母、干酵母和散装液态酵母,以鲜酵母最为常用[10]。一般来说,冷冻和冷冻储藏处理会降低酵母活性和活力,从而影响冷冻面团产品的口感和体积等感官品质。冷冻和冷冻贮藏处理可能通过酵母细胞膜透水性、冷冻速率、冰晶大小和位置以及冰的重结晶等因素影响酵母活性。在冷冻储藏期间,酵母细胞易被形成的冰晶破坏,导致还原剂如谷胱甘肽的释放,谷胱甘肽会破坏面筋蛋白的二硫键,从而削弱面筋结构[11]。酵母的耐冻性非常差,易受零下温度的影响。此外,冷冻面团系统中的酵母可能比直接冷冻酵母受破坏程度高,因为冷冻面团系统中的酵母会遭受各种压力,如冻融循环、高渗透压和氧化应激等[12]。

近年来,混合发酵和抗冻性酵母的研究越来越受到重视,利用酵母和酵子的混合发酵制作的冷冻面团馒头品质外观、口感和风味要比单纯使用酵母制作的馒头好很多[13]。目前普遍认为酵母的抗冻性与细胞内海藻糖含量有关,海藻糖是一种非还原性双糖,由两个葡萄糖分子以α-1,1糖苷键结合而成,它不仅作为一种储备糖原存在,还对生物体具有非特异性的保护作用。但是海藻糖在冷冻和干燥条件下对生物分子保护作用的机制尚不清楚。目前存在两种说法:a.细胞失水时蛋白质和双糖间形成氢键,代替了蛋白质与水之间的氢键,防止蛋白质变性,即“水替代假说”。b.在干燥时海藻糖形成玻璃态结构,分子移动性极低,蛋白质就不能重排变形,使生物材料长期保持稳定[14]。由于二氧化碳的产生仅与酵母有关,因此产生的二氧化碳的体积可用于确定酵母的生存活力。在冷冻和之后的冷冻储存期间,酵母活性受到抑制,多数酵母细胞死亡。因此,应适当控制冷冻储藏期间的温度。

1.3 冷冻面团的结构

面筋网络结构如果被损坏,会导致最终产品质量的恶化,是影响冷冻面团质量的另一个重要因素。面筋网络结构会影响面团体积和感官特性,并且在快速解冻后呈质地紧密的状态,因为面筋基质中镶嵌有许多小的球形淀粉颗粒。如果在冷冻储藏数周后,淀粉颗粒有与谷蛋白分离的趋势,表明面筋网络结构已经被破坏[15]。通常可以通过低温扫描电子显微镜(SEM)观察冷冻面团的受损淀粉的结构和含量。普通淀粉表面有一些脊,但看起来非常光滑,淀粉颗粒紧密连接。而受损淀粉颗粒的表面相对粗糙。在冷冻和冷冻储存期间,受损淀粉的含量增加[16]。面团的流变学特性与最终产品的质量密切相关,难以证明具有较大的抗拉伸特性和较小弹性的面团会导致面包体积变差。面团的流变学特性可以通过流变仪测量各种流变学参数,包括储能模量、损耗模量和损耗角正切。在这些参数中,储能模量用于表示面团的弹性组成,损耗模量表示粘性元素,而损耗角正切表示后者与前者的比率的增加。Adams等[17]发现在由冷冻面团制成的面包的生产中,消费者通常更喜欢与新鲜面包相似硬度、弹性和粘性的面包。面团的物理性质包括有效导热率、表观比热、冰融化焓、可冷冻水含量和冰的含量。这些参数不仅可用于模拟传热过程,还可用于计算冻结过程中冰晶的大小。根据可冷冻水的含量,可以计算冷冻面团中冰的含量。通常,增加可冻结水含量可能改变面团中水的分布,因此水与蛋白质和淀粉的接触较少,可能会破坏冷冻面团系统。可冷冻水百分数可以通过如下公式计算:

式中:fw是冷冻面团的可冻结水,%;ΔH是冷冻面团中的冰融化焓,J;ΔHi是熔化潜热,纯水334 J/g;m是冷冻面团中水的质量,g。

2 提高冷冻面团质量的技术

2.1 添加剂

与新鲜面团制品相比,冷冻面团制品存在发酵时间长、体积小、质构性能差、口感降低等问题[18]。食品添加剂在冷冻面团品质改善方面发挥着极其重要的作用。目前,常用的食品添加剂主要有酶制剂、乳化剂、变性淀粉、食品胶等。还有一些新型抗冻添加剂,如冰结构蛋白(ISP或AFP)和冰核蛋白等。它们通过不同的作用机理,保护酵母和面团结构,从而改善冷冻面团的品质,提高了冷冻面制品的质量。

2.1.1 酶制剂 酶制剂是一种天然、安全的食品添加剂,它可以有效改善面团在冷冻储藏过程中的流变学特性。常用的酶制剂有纤维素酶、脂肪酶、葡萄糖氧化酶、木聚糖酶等。谷氨酰胺转氨酶是一种能够催化蛋白质分子内或分子间发生酰基转移的酶类。Bernadetta等[19]研究表明当谷氨酰胺转氨酶的添加质量分数为 4.5 mg/300 g面粉时,冷冻面团糕点的感官品质显著改善,质量分数增加到 7.5 mg/300 g面粉时,赖氨酸得到了很好的保护,糕点的营养价值提高了。陈书明[20]研究也发现谷氨酰胺转氨酶能显著提高冷冻面团发酵力、酵母存活率,增加面包比容和柔软度。陈书明等[21]还得出α-淀粉酶、木聚糖酶等酶制剂能有效改善面团品质。

2.1.2 乳化剂 乳化剂能与面团中的蛋白质、脂肪、淀粉结合,增强面团的冻融循环稳定性,从而有效防止淀粉老化和水分迁移。高坦等[22]发现蔗糖酯可与冷冻面团中的油脂发生作用,改变了油脂的晶型,从而提升面包的感官特性。

2.1.3 亲水胶体 亲水胶体可以与谷蛋白和结合水结合形成亲水性复合物,提高面团的持水性,减少水分迁移,因此冷冻面团中加入亲水胶体可以最大限度地减少冻融循环对面团结构的破坏并保持其流变性质。Ferrero等[23]在研究中发现分别使用黄原胶和果胶时,观察到较低的水分迁移率。因此,冷冻面团产品的总体冷冻保存效果可取决于亲水胶体的类型、溶解度、剂量、持水力、流变学性质以及它们在冷冻和冷冻储存期间与其它成分的协同效应。万金虎[24]发现黄原胶、K-卡拉胶、魔芋胶和瓜尔豆胶对小麦粉品质、冷冻面团流变特性及其微结构、冷冻面团冷藏稳定性以及其产品速冻水饺品质有影响。添加亲水胶体能够改善面团的粉质特性,添加1%(w/w)魔芋胶的面粉吸水率提高了7.9%,而添加1%(w/w)的黄原胶对面团稳定时间的作用效果最佳,稳定时间提高了7.4 min。食品胶体具有良好的稳定性、持水性、增稠性,可控制水分子在食物基质中的迁移,面团在冻结过程中,胶体减少了可移动水量,从而阻碍了大冰晶的形成。冷冻产品的最终质量高度依赖于冰晶的形态,因为冷冻会对食品基质的微观结构造成不可逆的损害。因此需要控制过冷和冰核温度,抑制和诱导固化,从而改善食品工业和家庭保存中的冷冻干燥、冷冻浓缩、冷冻保存、结冰和冷藏能量等技术难题[25]。冰结构蛋白(ISP)是从植物和微生物中分离出来的,可提高冷冻面团的耐冻性。冰结构蛋白能够通过抑制冰晶生长、重结晶及增强面团中面筋蛋白质网络结构两个方面改善冷冻面团品质[26]。Zhang等[27]从燕麦中提取ISP加入冷冻面团中发现,酵母发酵能力提高,冷冻面团中的可冻结水含量降低,面筋基质破坏较少,最终改善了馒头质量。Zhang等[28]研究发现在冷冻面团中加入从胡萝卜中分离出的ISP,在冻融循环期间,酵母死亡率降低,冰结晶也被延迟,冷冻面团的持气能力提高。Ding等[29]从大麦中分离出ISP,发现冷冻后面团的表观比热增加,可冻结水含量降低而熔化温度增加。

面团在冷冻和冷冻贮藏过程中,冰成核是形成冰的主要途径,且发生在较温暖的温度下[30]。冰成核剂(INA)主要降低冷冻面团过冷度,抑制大冰晶形成对面筋网络结构造成的破坏。Li等[31]发现用玉米蛋白为基础的冰成核薄膜(INFs)包装冷冻面团时,水的成冰温度由-15 ℃升高到-6.7 ℃,经过5次冻融循环后,对面团中水分损失减小。

2.1.4 抗冻剂(AFP) 抗冻蛋白可以降低水的冰点和抑制冰晶形成,并防止冷冻储藏期间的重结晶。近年来由于它们的有利特性,研究人员对AFP在改善冷冻食品性质中的应用进行了大量研究。刘玫[32]通过毕赤酵母异源表达了三种不同特性的重组抗冻蛋白(rAFPs),研究发现rAFPs通过修饰冰晶形态和抑制冰晶重结晶减少了冰晶形成和重结晶对酵母细胞和面筋蛋白网络结构的破坏,保护了面团的发酵性能,缩短了其醒发时间,并抑制了可冻结水含量的增加,进而改善了面包的比容和质构性质。姬成宇等[33]发现添加抗冻蛋白对冷冻面团亚基无影响。随着冻藏时间的延长,二级结构中分子间β-折叠含量增大,β-转角含量减小,抗冻蛋白能够抑制二硫键的断裂和二级结构的变化,减少冰晶的重结晶,防止面团的水分散失,维持面团的持水能力。

2.1.5 其他添加剂 叶鹏等[34]发现,海藻糖、甘油和脯氨酸添加量分别为2.23%、3.43%和1.55%,酵母存活率及发酵力能够大幅提升。尹晓洁等[35]研究藻酸丙二醇酯对冷冻面团的影响,结果表明当添加量为0.2%时,冷冻面团的内部结构稳定,拉伸特性最好,冷冻面团流变特性得到改善。胞外多糖(EPS)是微生物在生长代谢过程中分泌到细胞外的粘液或黏附在细胞表面的荚膜。乳酸菌是食品级微生物,因此高产胞外多糖的乳酸菌在食品行业中具有较强的竞争力。汤晓娟[36]利用激光聚焦显微镜(CLSM)和扫描电子显微镜(SEM)对新鲜和冷冻面团的微观结构进行了观察,结果表明低温产EPS 酸面团促进了面团中面筋交联,延缓了冷冻造成的面筋网络破坏和淀粉颗粒的溶出,保护了冷冻面团的网络结构,提高了冷冻面团的稳定性,有效延缓了冰晶造成的面团水分迁移。添加剂能够改善酵母活力、面团结构、面团流变特性和面团水分特性,最终提高冷冻面团品质。

2.2 基因工程

研究表明,细胞内的几种化合物含量影响细胞对冻融压力的耐受性,这些化合物包括海藻糖、甘油、脯氨酸及精氨酸、天冬氨酸、谷氨酸等带电荷氨基酸。Sun等[37]通过表达Mal62基因增加胞内海藻糖含量,进而提高细胞的抗冻能力。Dong等[38]通过敲除基因NTH1增加细胞内海藻糖含量,进而提高细胞的抗冻能力。甘油脱氢酶(GDH)主要参与甘油的代谢过程,Izawa等[39]将GDH基因敲除,从而增加胞内甘油含量,使细胞存活率增大。Tsolmonbaatar等[40]将PRO1基因突变,从而使菌株胞内脯氨酸含量增加,进而增加细胞的抗冻作用。精氨酸酶由CAR1基因编码,Shima等[41]通过敲除CAR1基因,证实了胞内精氨酸含量的积累会增加细胞的抗冻性。Sasano等[42]在酵母细胞中过量表达POG1基因,在高蔗糖条件下显著改善酵母发酵性能,而去除POG1基因显著增强酵母的冻融胁迫耐受性。Liu等[43]发现过量表达SNR84基因,高蔗糖的面团中的酵母表现出更高的抗冻性和较强的发酵能力。Nakagawa等[44]研究发现PDE2基因具有更好的遗传特性,用克隆技术过量表达能使酵母具有更好的冷冻胁迫耐受性。上述研究有助于改善冷冻面团的质量,但消费者更容易接受没有外源基因的产品。所以基因突变有更广阔的发展空间。

2.3 酵母选育

菌种选育目标是,既能保持面团中酵母发酵力,又要保证经长期冷冻保藏,解冻后发酵力不降低。普通商业酵母在低温条件下易受冷冻破坏且解冻后不能保留应有的发酵力,从而影响发酵面制食品的风味和口感,因此需要采用耐冻性能好的酵母制作冷冻面团。陈君等[45]对酿酒酵母进行诱变处理,筛选出一株抗冻酵母菌种AFY-1,面团在-20 ℃条件下冻藏70 d后,抗冻酵母AFY-1的平均醒发速度和发酵力分别保持在冷冻前的60.2%和87.9%,远高于原始酵母的9.2%和15.1%。抗冻酵母AFY-1具有较强的冷冻温度适应性、冻藏稳定性和发酵能力,可用于冷冻生胚的加工。薛美翠等[46]发现,菌株Y-3汉逊德巴利酵母(Debaryomyceshansenii)和菌株 H-1酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)进行混合发酵,面团抗冷冻性能、发酵力和食用安全性都有提高。汤晓娟[36]从中国传统酸面团中筛选出的一株高产EPS的WeissellaconfusaQS813可以成功制备出产糖量高、产酸低的纯种发酵酸面团，高产EPS酸面团可以有效改善冷冻馒头面团品质。张玲等[47]选育出了F型面包酵母S.cerevisiaeX-003并对其耐冷冻性能进行研究。结果表明,X-003经3周的冷冻保藏后,存活率仍保持在80%以上。

2.4 新型冷冻面团技术

在控制面团冷冻过程中冰晶的形成和分布时,可以使用新的冷冻技术。其中超声辅助冷冻(UAF)已被研究用于促进冰成核和晶体生长。目前,改善面团质量有三种方法:改善冷冻过程中的传热速率,如加氢或流动冷冻;改变食物材料的特性,如加入冰核蛋白和抗冻蛋白;辅助冻结方法,可改变冷冻过程中食物材料的成核、晶体生长和成核速率，如高压冷冻、微波辅助冷冻、射频辅助冷冻、磁冷冻和电解冻等[48]。Huang等[49]研究显示,在288和360 W下使用UAF技术,面团的总冷冻时间减少了11%以上,同时,由于细小的冰晶的形成,面团的弹性和感官特性也显著增加。Comandini[50]、Kiani[51]、Cheng等[52]得出超声波降低了冷冻食品成核过程中的过冷度。Kiani等[53]发现UAF可以在-20～4 ℃的温度范围内增加乳酸菌细胞的活力,改善冷冻质量。超声辅助冷冻虽然是新型冷冻技术,但在冷冻面团中的应用非常有限,可以加深这方面的研究。许多创新技术如压力辅助冷冻、磁共振辅助冷冻、静电辅助冷冻等仍处于开发阶段,而对于其他技术,在食品行业推广的最大障碍是成本高。

3 结论与展望

本文讨论了影响冷冻面团质量的主要因素,如冰结晶和重结晶、酵母活性及面筋结构，并总结了有效降低冷冻面团质量损失的方法。使用酶制剂、乳化剂、变性淀粉、食品胶体等添加剂是提高酵母耐冻性和改善面筋结构的方法,可以制作出质量更好的冷冻面团产品。使用冰结构蛋白和冰成核剂可以抑制冷冻面团中冰晶形成、提高冷冻面团耐冻能力。基因工程通过移入或删除某个基因,可以提高酵母的抗冻能力和抗冻贮藏能力。选用优质酵母可提高酵母在冷冻期间的发酵力,改善冷冻面制品的风味和口感。超声辅助冷冻技术,能够更好地控制冷冻储存期间的温度波动对面团的损害程度。到目前为止,上述方法主要单独使用。这些方法可以组合优化以进一步改善酵母活力,保护面筋网络结构,并生产出具有新鲜味道的最终产品。然而,组合可行性和有效性还处于未知状态,因此需要进一步的研究。冷冻面团可以克服传统面团淀粉回生和保质期短等问题,然而,在冷冻面团的生产中,酵母活性的降低和面筋网络结构的破坏是不可避免的,这也导致了最终产品质量的降低。