发酵时间对面团加工特性及馕饼品质的影响

许 可 王宏伟 苏东民 谢晓筱 王雅茹 唐洒洒 张艳艳 刘兴丽 张 华

(郑州轻工业大学食品与生物工程学院；食品生产与安全河南省协同创新中心； 河南省冷链食品质量安全控制重点实验室，郑州 450002)

馕饼(又称馕)是以小麦粉为主要原料，与水、油、盐及发酵剂经过和面、搅拌、发酵和焙烤而成的一种传统面制品[1]。馕具有口感酥脆、风味优良、营养健康等特点，在新疆地区的膳食构成中占据重要地位[2,3]。在馕饼的工业化加工过程中，面团发酵(时间、温度、湿度等)能够直接决定馕饼的感官、质构、风味等品质。

发酵环节是利用微生物之间的相互作用(如酵母菌、乳酸菌)，及其增殖过程中所产生的代谢产物，使馕饼坯内部发生复杂的化学和生化反应，最终影响馕饼的比容、质构、风味等品质[4, 5]。目前，研究主要集中在发酵工艺的优化及其对面制品品质的影响上，尤其是馒头、面包等发酵制品[6-8]，刘长虹等[9]认为馒头在35 ℃、80%湿度的条件下发酵30 min，馒头的比容、硬度和均匀度达到最佳；吴玉新等[10]发现面包在酒酿的作用下发酵48 h时的感官评分最高。但是，有关发酵面团对馕饼宏观品质的影响研究甚少，且对馕饼品质形成和变化的内在机理也关注甚少，缺乏发酵过程中面筋蛋白微观结构与馕饼品质关系的研究。此外，本课题组前期调查发现不同消费者对馕饼的硬度、松软度、咀嚼性等口感的需求并不一致，通过控制馕坯发酵时间满足不同人群对馕饼口感的需求，对于馕饼的现代化生产及“个性定制”加工也具有重要意义。本研究主要分析了发酵时间对馕坯理化特性、面筋蛋白微观结构、以及焙烤馕饼比容、质构、感官等宏观品质的影响规律，并建立之间的相关性，以期为馕饼的品质控制提供参考。

1 材料和方法

1.1 材料与试剂

金苑小麦粉(蛋白质质量分数11.1%、脂肪质量分数1.5%、含水量11.8%)；高活性干酵母；食用玉米油、盐。

1.2 仪器与设备

HA-3480A 客来美和面机，HWS-080恒温恒湿培养箱；HR-1 Discovery流变仪，LGJ-10冷冻干燥机，NM120低场核磁共振分析仪，Vertex 70傅里叶红外光谱仪。

1.3 方法

1.3.1 馕坯面团制备与发酵

称取300 g小麦粉，以小麦粉质量为基准，加入1%酵母(酵母要用温水化开)、1%盐、10%清油和50%水分，其中水温为30 ℃，置于和面机中充分混合 12 min，形成面团[2]。将调制好的面团置于恒温恒湿培养箱中分别发酵0、0.5、1.0、1.5、2.0 h，培养箱的温度为30 ℃、相对湿度为80%[2]。

1.3.2 馕的制作方法

将不同发酵时间处理的面团取出，反复多次搓揉面团直至表面光滑；随之将面团静置10 min，用手掌按压成直径20 cm、中间厚度0.6 cm及边缘厚度1.3 cm的圆形馕坯；然后采用馕戳在馕坯表面戳出花纹，并抹上一层清油，静置5 min；最后将其放入上火260 ℃、下火240 ℃的烤箱中烤制30 min，烘烤过程中可在馕表面适当刷一层油[3]。

1.3.3 面团水分分布的测定

利用低场核磁共振仪(LF-NMR)，通过CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)脉冲序列测定不同发酵时间面团的横向弛豫时间，探究面团发酵期间内部水分分布及迁移情况。参考李银丽等[11]方法并稍作改动，在面团的不同的5个位置，切取面团条(0.8 cm×0.8 cm×3.0 cm)放入样品管中，置于永久磁场射频线圈的中心位置，运用核磁共振分析中GPMG序列对面团样品进行信息采集，测试参数设定如下：温度为30 ℃，共振频率18 MHz；回波个数TW=2 000.000，采样数TD=144 044, 弛豫时间点数=100，重复扫描次数NS=16。

1.3.4 面筋蛋白二级结构测定

利用傅里叶变换红外光谱仪(Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR)测定面筋蛋白的二级结构。测试前，将发酵面团进行冷冻干燥，磨粉并过100目筛；随之称取2 mg冻干样品，以1∶100比例与KBr混合均匀；而后用FTIR进行全波段扫描，扫描范围4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1，累积扫描64次，每组样品重复测量3次。采用Peak Fit 4.12软件去卷积，对谱图进行二阶导数拟合，计算酰胺I带区域(1 700～1 600 cm-1)各子峰百分比含量[12]。其中酰胺I带区域可被分为α-螺旋(1 646 ～ 1 664 cm-1)、β-折叠(1 605～1 640 cm-1和1 682～1 700 cm-1)、β-转角(1 664 ～ 1 681 cm-1)和无规卷曲(1 647～1 645 cm-1)区域。

1.3.5 面团动态流变学测定

1.3.5.1 振幅扫描

在Oscillation Amplitude模式下对发酵囊胚面团(2 g左右)进行振幅扫描，选择 40 mm平行板进行测试，间隙为2 mm。开始测试前，需将置于样品台的面团静置10 min。测试参数为：设定扫描频率为 1 Hz，剪切应变由0.01%增至100%，温度恒定为25 ℃，观察弹性模量(G′)和黏性模量(G″)随应变变化的关系曲线。测试过程中，面团周围涂以植物油，防止水分挥发。

1.3.5.2 频率扫描

采用 Oscillation Frequency 模式对发酵囊胚面团样品进行频率扫描。参数设置为：应变为0.1%(线性黏弹区内)，振荡频率在0.1～100 Hz内，温度为25 ℃。

1.3.6 馕比容和高径比测定

1.3.6.1 比容测定

馕比容C(mL/g)：馕烤制后在室温下冷却1 h，采用小米置换法测定馕体积。每组实验做3次平行，取平均值，计算公式为：

C=V/M

(1)

式中：V为馕体积/mL；M为馕质量/g。

1.3.6.2 高径比测定

馕高径比测定N：采用游标卡尺测定馕高度(H)和直径(D),重复测定5次，取平均值，计算公式为：

N=H/D

(2)

式中：H为馕高度/cm；D为馕直径/cm。

1.3.7 馕饼质构测定

参照邹淑萍等[13]的方法对馕饼的全质构特性进行测定，略有改动。将冷却1 h的馕饼(取其馕心部分)分割成30 mm×10 mm厚薄均匀的薄片，随之置于TA-XT. Plus物性仪样品台上进行测试。TPA模式下测试参数为：P 50探头，测试前速率1.0 mm/s，测试中和测试后速率3.0 mm/s，压缩比为50%，感应力8 g，压缩间隔为5 s。每个样品至少重复测试6次，取其平均值，并以硬度、弹性、内聚性、咀嚼性、回复度等参数作为评价指标。

1.3.8 馕饼的感官评价

馕饼经室温冷却后(1.0 h)，选用7位专业评价人员组成的小组对馕饼的形状、色泽、风味、口感和组织结构进行感官品评，满分100分制。总得分≥90为优，≥80 较优，≥70 良好，≥60 合格，低于60分为不合格的馕[14]。馕饼的感官评价指标如表1所示。

表1 馕饼感官评分细则

1.3.9 数据处理与分析

实验结果均以平均值±标准差来表示，利用Origin 8.5软件作图，并采用SPSS 22.0软件，运用Duncan’s多重比较法对数据进行显著性检验(P<0.05)和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 发酵时间对面团内部水分分布的影响

面团内的水分分布及其与高聚物分子(如蛋白质、淀粉)的结合能力可显著影响其终产品的品质。由表2可知，随着发酵时间的延长，T21、T22、和T23显著减小，水分弛豫时间向左偏移，表明发酵有利于水分与面团内部的面筋蛋白、淀粉等高聚物分子结合，从而有利于面团形成较好的面筋网络结构。对于峰面积，从表2可以看到，发酵时间为0 h时，A21、A22和A23分别为7.79%、79.88%和12.34%，而随着发酵时间的延长，A21和A23有所提高，A22有所降低。这可能由于面团在和面、静置等过程中，水分子并没有与面团内部的蛋白质和淀粉颗粒充分发生水合作用，部分水分子仅是粘附在上述高聚物分子上，此时面团内部强结合水少。随着发酵的进行，蛋白质分子的—COOH、—OH、—NH2等亲水基团充分吸水，并通过氢键、疏水相互作用、范德华力等形成稳定的面筋网络，致使面团中的部分弱结合水转变为强结合水，从而形成稳定的网络结构[15]。然而，随着发酵过程持续，面团内部的自由水越来越高，这是因为面团内部的酵母活动进入旺盛期，微生物代谢会产生大量的水；同时，微生物代谢所产生的酶也可能加速淀粉、面筋蛋白结构的破坏[16]，弱化水合能力，增强面团内部水的可移动性，所以面团内部强结合水减少。

2.2 发酵时间对面团内面筋蛋白结构的影响

羟基(—OH)在红外光谱3 000～3 800 cm-1处有特征峰，其峰强度大小可以用来表征样品的水合作用情况，峰强度越大表明样品的水合能力越强，即亲水性能高。从图1可知，随着发酵时间的延长，—OH吸收峰呈现先增强后降低趋势，但峰强度均高于未发酵面团，表明发酵过程中产生的压力(源于CO2)和代谢物(如酶、酸、糖等)的降解能够破坏构成面筋蛋白的空间结构，有利于亲水基团的暴露，提高面团的水合能力。

表2 发酵时间对面团水分分布的影响

图1 不同发酵时间条件下面团面筋蛋白的红外光谱图

表3 发酵时间对面团内部面筋蛋白二级结构的影响

2.3 发酵时间对面团流变学特性的影响

2.3.1 不同发酵时间条件下面团的振幅扫描分析

振幅扫描主要通过表征样品的流体力学特性来研究其内部结构和加工特性的变化，剪切应变在非破坏性变性范围内(即线性黏弹区内)，其内部结构不会被破坏，具有一定的加工稳定性；而应变超出线性黏弹区时，样品会因流动而产生结构的破坏或滑移[18]。由图2可知，发酵面团样品在0.05%～0.2%应变范围内，弹性模量和黏性模量几乎保持线性，与其应变变化无关，表明此区域为线性黏弹区，为了保证后续不破坏面团的微观结构，设定以0.1%为频率扫描的应变条件。但随着应变幅度的增加，模量开始变小，表明面团微观结构逐渐受到破坏并表现出强的流动特性，这可为面团加工过程中形变量和力度的调控提供帮助。

图2 不同发酵时间面团的振幅扫描图

2.3.2 不同发酵时间面团的频率扫描分析

由图3可看出，同一频率下，面团样品的G′(图3a)始终大于G″(图3b)，表明其呈现固体的性质，随着频率的增加，G′和G″均呈现增加趋势。由面团损耗因子(图3c)的变化可知，随着频率的增加呈先降后增大的趋势，表明低频作用能够使面团分子间产生强烈的交联作用，强化其结构的稳定性；而高频扫描时，面团的微观结构容易受到强外力作用而被破坏，稳定性变差[20]。此外，发酵时间的不同显著影响了面团的黏弹性，表现为随着发酵时间的延长，面团的弹性、黏性模量表现为先增强后降低的趋势。这可能是因为适度发酵(0～1.5 h)有利于面筋蛋白形成紧密的网络结构，降低其损耗因子，即面团的稳定性不断提高；而过度发酵则可能破坏面筋蛋白、淀粉等高聚物，从而降低了聚合物分子间的交联、缠结，阻碍了二硫键的形成，最终弱化了面团微观结构的稳定性和延展性，致使产品品质劣变[21]。其中，不同发酵时间面团的损耗因子也呈现类似的变化规律。本研究结果与王大一等[22]的报道类似。

图3 不同发酵时间面团的频率扫描图

表4 发酵时间对馕饼含水量、比容、高径比和感官评价的影响

2.4 发酵时间对馕饼含水量、比容和高径比的影响

含水量可显著影响馕饼的品质稳定性，因此可通过控制馕饼的含水量延长其保质期[3]。由表4可知，不同发酵时间条件下馕饼的含水量介于19.69%～21.65%之间，且没有显著性差异，与孙含等[3]的研究结果相一致。此外，随着发酵时间的延长，馕饼比容和高径比呈先上升后下降的趋势，在发酵时间为1.0 h时达到最高值，比容和高径比分别为2.49 mL/g和0.111，这可能源于酵母菌产气量和面筋蛋白网络结构的的变化[22]。发酵时间不足时(<1.0 h)，馕坯内部的酵母菌数量少，产气量不足，从而导致其内部面筋结构尚未得以充分延展，馕饼比容和高径比小；随着发酵时间的延长(1.0～1.5 h)，酵母菌的产气量充足，且其代谢过程中产生的酶可促进二硫键的形成，增强其面筋蛋白网络结构的持气能力[23]，比容和高径比提高；但随着发酵时间的持续延长，产气量过度，超过了面筋蛋白的延展限度，造成气体损失；且代谢产物(如乳酸和蛋白酶)的过度累积能够导致面筋蛋白结构劣变，弱化馕坯持气能力，降低馕饼的比容和高径比，这与面团流变特性结果变化相一致。

2.5 发酵时间对馕饼质构特性的影响

通过TPA质构测试获得了不同发酵时间面团的硬度、弹性、内聚性、咀嚼性、回复性等参数。从表5可以看出，随着发酵时间的延长，馕饼的硬度和咀嚼性表现为先下降、后上升的趋势，而弹性和回复性呈先上升后下降的趋势。硬度和咀嚼性是判断馕饼质地、口感的重要指标，当发酵时间达到1.0 h时，硬度达到最小值。这可能由于适度发酵使面筋蛋白网络被气体充斥而呈蜂窝状态，从而使馕坯经焙烤后其内部形成均匀的气孔结构，最终使馕饼硬度和咀嚼性降低，柔软度提高；然而当发酵过度(>1.0 h)，馕坯内部面筋蛋白结构的劣变导致其内部孔洞结构形成不均匀的聚结体或者缩在一起进而形成致密的结构，提高馕饼的硬度和咀嚼性。此外，长时间发酵条件下面筋结构的破坏使得馕饼易于失去水分，馕饼咀嚼发干，硬度增强。在一定发酵时间内(<1.0 h)，发酵时间越长，馕饼的弹性和回复性越高，可能源于馕坯内部所形成的稳定面筋蛋白网络结构，压缩时不易受到破坏；而随着发酵时间的进一步延长，面筋网络结构破坏(表2)，导致馕饼抵抗受损、保持自身完整性的能力减弱[24]，即弹性和回复性减小。对比馕饼感官评分和质构特性数据可知，当发酵时间为1.0 h时馕饼的感官总分最高。

表5 发酵时间对馕质构品质的影响

2.6 发酵时间对馕饼感官评价的影响

对比不同发酵条件下馕饼的感官总分可知(表4)，随着发酵时间的延长，馕饼的感官总分变化明显，表现为先增加后减小的趋势，其中发酵1.0 h时的感官总分最高。通过感官总分的变化规律可知，发酵可对馕饼的品质产生显著影响，这是因为面团经发酵后(0～1.0 h)，酵母代谢产生的挥发性化合物(如烃类、醇类、醛类以及芳香族化合物)在焙烤过程中发生相互作用，以及焙烤过程中美拉德反应的发生[25]，使馕饼具有强的香味和金黄色的色泽，同时，随着发酵时间的延长，足量的二氧化碳能够使馕饼结构蓬松、气孔均匀，且松软适口，感官总分较高。但是发酵时间过长，面筋蛋白的网络结构遭到酶解、酸及醇等代谢产物的破坏[26]，面团持气性减弱，且越来越多的二氧化碳容易导致馕坯内部的气孔连续液膜破裂，即蛋白质-淀粉基质形成的气孔膜韧性不足，经受不住内部气体的膨胀力，部分孔膜破裂或小气孔合并成为较大气孔，最终导致馕饼内部气孔数量少且粗大，结构不均匀，局部过硬，易掉渣，感官总分减小。此外，面团的流变性主导气泡聚结，将直接影响馕饼的体积和内部结构，从而导致馕饼感官评分的降低。

2.7 发酵面团加工特性和馕饼品质主成分分析

为了解不同发酵条件下馕饼面团的加工特性和馕饼品质变化规律，以及表征馕饼在发酵过程中面胚理化性质-面筋蛋白微观结构-馕饼品质之间的关系，分析载荷图(图4)可知，馕饼的品质呈现出显著的相关性，如馕饼的感官评分总得分与其弹性和形貌特征(如高径比、比容、组织形态、色泽等)成显著的正相关，与馕饼的硬度和咀嚼性呈负相关。馕饼的综合品质与面胚的结合水含量呈显著的正相关，即较高的结合水含量在一定程度上反映较高的馕饼品质，在发酵过程中，面胚中蛋白质分子的—COOH、—OH、—NH2等亲水基团充分吸水，结合水含量增加，并通过分子间相互作用力形成稳定的面筋网络，最终使得馕饼的品质提高。另一方面，面团的流变学性质(G′,G″)与馕饼的综合品质表现出较强的相关性，即发酵能够导致面团表现出高的弹性、黏性模量，有利于面筋蛋白形成紧密的网络结构，使面团的稳定性提高，同时β-折叠含量也表现出类似的现象，其含量的提高可提升面筋的“筋力”，提升最终产品的品质。面团在发酵过程中，能够通过面团水分分布、流变学特性、面筋蛋白微观结构变化，来预测面团的面筋网络结构的稳定性，从而能够较好的预测最终馕饼的综合品质。

图4 不同发酵时间条件下馕品质相关参数主成分分析载荷图

3 结论

面团发酵过程中，部分弱结合水转变为强结合水和自由水，面筋蛋白内α-螺旋含量降低，无规则卷曲含量增加，β-折叠含量先上升后下降，而β-转角呈先下降后上升趋势。流变结果表明，发酵初期随着发酵时间的延长，面团的弹性模量G′与黏性模量G″逐渐升高，面团稳定性、延展性增强，而当发酵时间超过1.0 h时，G′和G″逐渐降低，面筋网络结构逐渐发生弱化。发酵时间为1.0 h时馕饼的比容、高径比、质构特性和感官评分最高，与面团的加工特性变化相一致。主成分分析表明，面筋蛋白微观结构、面团流变学性能与馕饼的品质特性具有显著相关性，通过面团流变学性质能够很好地预测馕饼的宏观品质，可为馕饼的现代化加工和品质控制提供理论依据和技术支撑。后续将对面团发酵过程中面筋蛋白微观结构变化进行重点研究，进一步探究α-螺和面筋网络的内在联系，为发酵食品的开发和利用提供借鉴。