基于海藻糖保护的预烤冷冻面包贮藏品质改善的研究

曲 敏，杜婷婷，陈凤莲, ，张 娜, ，杨丽媛,2

（1.哈尔滨商业大学食品工程学院，黑龙江哈尔滨 150076；2.黑龙江省绿色食品科学研究院，黑龙江哈尔滨 150028）

抗冻保护剂具有降低冰点、抑制冰晶生成和生长，提高抗冻能力的作用[1]。主要分为盐类、糖类、蛋白类、增稠类四种。糖类抗冻保护剂在冷冻时可以取代或结合生物大分子水膜，紧密包裹相邻分子，形成玻璃体，具有维持一定的空间结构的功能[2-3]，长期有效维持生物膜、蛋白质、淀粉等各种生物组织和生物大分子的稳定性[4]。海藻糖（α-D-吡喃葡糖基-α-D-吡喃葡糖苷），又称酵母糖、漏芦糖、蕈糖等，是由两分子葡萄糖通过糖苷键结合形成的非还原性双糖，是处于高温、冷冻、辐射、干燥、高渗透压等条件下合成的应急代谢物[5]，除作为碳源外，还对细胞和生物体的活力具有特殊功能作用，被称为“生命之糖”[6]。在作为甜味剂、防腐剂、抗变形剂等添加剂的基础上，我国原卫生部和国家计生委在2014年批准海藻糖为食品原料。近年来，海藻糖作为天然抗冻保护剂逐渐应用于冷冻食品品质改善的研究。白冬等[7]将海藻糖作为抗冻保护剂对南美白对虾虾仁进行冻藏处理，结果显示，虾仁保持了蛋白质的品质，Ca2+-ATP酶的活和颜色稳定性有所提高；刘薇丛等[8]发现海藻糖能够减缓在不同冻融周次下冷冻鱼面的品质下降，有效地抑制了水分的迁移；Jesús等[9]研究了冷冻速率结合海藻糖浓度对冷冻面包面团的影响，发现其黏弹性和发酵性能有所改善。

预烤冷冻面包是将醒发后的面团烘烤至7分熟，经冷冻、解冻以及复烤等过程所制作的面包。预烤冷冻面包以其方便快捷、工艺简单、口感新鲜等优点越来越受到消费者的接受和喜爱[10]，但由于储运过程中时常出现温度波动，一定程度的冻融导致其解冻、烘烤后，与现烤面包比，存在面包比容较小、面包表面与内部粗糙、口感品质较差等问题[11]。本研究以海藻糖作为抗冻保护剂，考察了经冻融处理后预烤冷冻面包的热重特性变化以及复烤面包质构特性、感官评价、横切面气孔结构、电镜观察的变化。旨在改善预烤冻藏面包品质，以期为产业化生产提供理论研究基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

海藻糖 上海蓝季生物有限公司；金沙河富强高筋小麦粉 河北金沙河集团；安琪即发活性干酵母安琪酵母（崇左）有限公司；雀巢营养甜奶粉 雀巢（中国）有限公司；安佳淡味黄油 新西兰恒天然集团；食盐、白糖、鸡蛋 市售；戊二醛（分析纯） 南京森贝伽生物科技有限公司；Na2HPO4·12H2O（分析纯） 天津市天力化学试剂有限公司；乙醇（分析纯）国药集团化学试剂有限公司；叔丁醇（分析纯） 上海紫一试剂公司。

ESJ180-4型电子天平 上海恒平科学仪器有限公司；ALC-210.4型分析天平 Mettler.Toledo instr.LTD；CS-B5A型搅拌机 广东番禺区昌盛机电设备有限公司； TA-XT2i型质构仪 英国Stable Micro System公司；STA6000型综合热分析仪 珀金埃尔默仪器（上海）有限公司；XK01型恒温恒湿发酵箱北京腾威机械有限公司；YXD型远红外食品烘箱上海花元食品机械有限公司；扫描仪、S-3400N扫描电镜 日本Hitachi公司；ES-2030冷冻干燥仪 日本Hitachi公司。

1.2 实验方法

1.2.1 预烤面包的基本配方 预烤面包的基本配方为小麦粉100 g、白砂糖20 g、奶粉7 g、酵母1.3 g、食盐0.8 g、全蛋液10 g、水50 g、黄油10 g。

1.2.2 预烤面包的制作 利用吴征等[12]的方法制备预烤冷冻面包，包括预烤面包和复烤面包工艺。首先将0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%海藻糖溶解于水中后与其他原料混匀，以未添加海藻糖作为对照组。经过一档搅拌2.5～4 min，二档搅拌14～20 min后得到面团，并将面团平均分割成100 g的小面团，搓圆整形，在35 ℃的发酵箱内醒发35 min，室温静置15 min后进行烤制，在80 ℃下预烤10 min至7分熟，再将预烤面包放置冷却后，在-35 ℃下速冻35 min，使中心温度达到-18 ℃，再放入-18 ℃下的冰箱冻藏备用。

1.2.3 预烤面包的复烤 将冻藏一周后的预烤面包，在温度、相对湿度分别为30 ℃、75%的恒温发酵箱内解冻40 min，当中心温度为10 ℃时，设置烤箱的上下火温度分别为170 ℃。预烤面包复烤10 min，室温放置2 h后进行测定。

1.2.4 预烤面包的冻融实验 将预烤面包放入-18 ℃冰箱贮存一周后取出、解冻，解冻方法同1.2.3，为一个冻融周次，即1周次。将以上预烤面包分别经0～5个周次的冻融处理。

1.2.5 复烤面包的TPA检测 为考察在不同冻融周次下海藻糖的添加量复烤面包的质构特性，将复烤面包切成2×2×2 cm的小块，采用P35探头质构仪测定面包TPA，参数设定：下压前、中、后速度分别为：3、1、2 mm/s，压缩率：55%。平行试验3组。

1.2.6 复烤面包感官评定 参照钱忠英等[13]和Svensson[14]的方法，并进行改进。随机选取25名不同年龄、民族、性别及未经过专业感官评定训练的人员通过九点嗜好法对不同冻融周次、不同海藻糖添加量的12组复烤面包进行感官评定，评判内容包括面包外观、内部组织结构、酸度、气味、味道、口感和整体接受度。评定标准以对嗜好程度描述：十分讨厌、很讨厌、中度讨厌、有点讨厌、不讨厌也不喜欢、有点喜欢、中度喜欢、很喜欢、十分喜欢9项，分别对应评定分值1～9分。

1.2.7 复烤面包的热重分析 取藻糖添加量为0%～1%的复烤面包芯，称取5 mg放在综合热分析仪中进行检测。参数设定：氮气流速、扫描温度范围分别为20 mL/min，25～200 ℃，30 ℃保持1 min、30～200 ℃升温速度5 ℃/min，200 ℃保持1 min，得到样品的热重分析曲线（Thermogravimetric Analysis，TG）。

1.2.8 复烤面包气孔形态分析 扫描仪对1 cm厚的复烤面包进行图像收集，参照Tournier等[15]方法利用Image J 对复烤面包进行气孔形态分析，得到面包的气孔平均面积（Average Stomatal area，AS）、气孔稠密度（Cell Density，CD）、气孔表面分率（Area Fraction，AF）。

1.2.9 复烤面包结构表征（SEM，Scanning Electron Microscopy）观察 参照刘亚楠等[16]观察冷冻面团SEM的方法，复烤面包中心位置取长宽高均小于1 cm的方块，真空冷冻干燥后置于扫描电镜内，再用导电胶带粘在样品台上，经镀金后扫描电镜观察，分别在500、1000的放大倍数下观察预烤冷冻面包微观结构。

1.3 数据处理

3次平行实验，结果为实验平均值±标准偏差。采用SPSS、Origin、Excel软件进行数据分析以及应用。

2 结果与分析

2.1 海藻糖添加量对不同冻融周次复烤面包品质的影响

从表1可以看出，在0～5个冻融周次下，随着海藻糖添加量的增加，复烤面包的硬度、咀嚼性、粘聚性呈现出先减少后增加的趋势，弹性、回复力、粘聚性则先增加后减少。如图1所示，当添加海藻糖后，复烤面包在各个冻融周次的质地发生了不同程度的改善，其中以海藻糖添加量为0.6%时，效果最优。由此可知，随着冻融周次的增加，复烤面包的硬度、咀嚼性不断增加，弹性、回复性以及粘聚性不断减少，且海藻糖的添加有效地阻止了劣变的程度，其中，以海藻糖的添加量为0.6%的复烤面包质地改善效果最为显著。

表1 海藻糖添加量对不同冻融周次复烤面包品质的影响Table 1 Effects of trehalose addition on quality of rebaked bread in different freezing-thawing cycles

图1 海藻糖添加量对复烤面包感官品质的影响Fig.1 Effect of trehalose addition on the sensory quality of rebaked bread

造成以上变化的原因可能是，预烤面包在烘焙过程中，游离水不断向外扩散到表面[17]，在冷冻初期，内部水分快速迁移，面包水分减少，玻璃态温度升高，质地由松软变得坚硬[18]。但随着冻融周次的增加，冰晶的不断析出，结合水不断转换为自由水，以致结合水含量不断减少，未冻溶液浓度不断提高直至达到最大冻结浓缩状态。此时虽然剩余水分将不再结晶，但蛋白质和淀粉等却因失去水分保护而遭遇挫伤。同时，预烤面包在冻融的过程中，冷冻使面包内部不断产生冰晶以及重结晶，导致面筋蛋白质网络结构遭到破坏，发生解聚现象，网络结构弱化[19]，淀粉颗粒暴露出来。因此，水分的流失和迁移是导致复烤面包的硬度和咀嚼度增加，弹性、回复性和黏聚性降低的因素之一。

续表 1

另外，淀粉老化也是造成复烤面包硬度增加的一个重要因素。硬度的高低是衡量面包抗老化程度的重要标志[20]。在预烤面包中，早已糊化的α-淀粉自动排序，相邻分子间氢键又重新形成，重现淀粉β-化，促进了淀粉颗粒的重结晶能力[21]，导致面包发生老化，硬度增加。而海藻糖的添加较好地控制了水分的迁移，减少冰晶和重结晶的产生，且有助于提高其乳化能力[22]，进而降低了对预烤面包蛋白质以及淀粉的破坏，进而减缓了面包老化的程度，进而面包硬度、咀嚼性有所下降，面包的弹性、回复性、黏聚性也有所改善。使其感官品质有所提升，因此，添加0.6%海藻糖能够有效的减少冻融对预烤冷冻面包的影响。此外，在冻融周次为0～3次时，海藻糖能够有效的减缓冻融对与预烤冷冻面包品质与感官品质的影响。

由图2可知，随着海藻糖添加量的增加复烤面包的外观、内部组织结构、口感以及整体接受等都具有明显变化，过量的有抑制酵母发酵的可能[23]。由图3可知，当海藻糖添加量为0.6%时，随着冻融周次的增加，面包外观、内部组织结构、酸度、气味、味道、口感、整体接受度呈现不同程度的下降。其中在0～3冻融周次，复烤面包的品质是下降是较缓慢，在4～5个冻融周次内，复烤面包的品质呈急剧下滑。可能由于在冷冻过程中，蛋白质遭到破坏，可能导致其与糖类物质在加热的过程中无法生成适量的拟黑素，美拉德反应不够充分，进而使原酮、醛和杂环化合物等风味物质的生成减少，这也是导致预烤面包因冻融处理口感、味道和气味等感官品质下降的原因。而海藻糖通过“水替代”“玻璃态”或“优先排阻”多种机制保护细胞免受恶劣环境对细胞膜和蛋白质结构的破坏，减缓了水分的迁移和存在方式[8]，缓解了冻融过程中冰晶预烤面包品质的破坏，使其在预烤面包复烤时美拉德得以反应程度加深[24]，风味物质增加，进而改善了复烤面包的感官品质。因此，多次冻融处理使复烤面包的质构特性劣变，感官品质下降。添加海藻糖后，复烤面包的品质得以不同程度的改善，且添加0.6%的海藻糖效果最佳。

图2 冻融周次复烤面包感官品质的影响Fig.2 Influence of freeze-thaw cycle on sensory quality of rebaked bread

2.2 海藻糖对复烤面包热重特性的影响

从图3与图4可以看出，在0～220 ℃温度内复烤面包的TG曲线均呈下降趋势，显示其重量百分比发生了连续的变化。其中，在40～60 ℃区间内，复烤面包的重量百分比减少明显加快，而60～220 ℃区间则趋势减缓，说明复烤面包中水分散失的呈现规律性的变化，即，随着温度的升高，水分蒸发量逐渐增长，而在40～60 ℃区间内蒸发量变化明显，60～220 ℃区间减缓。通过Huang等[25]的研究可知，50～150 ℃下的初始失重与加热过程中是游离水的损失有关。可以推断，在40～60 ℃的区域内多数蒸发掉的水分是与大分子结合的最松散的一类游离水，由于其自由性较高，在较低温度下易挥发到体系以外。因此，不同冷冻样品中，由于样品的质地与冷冻条件的差异将导致其水分的存在分布状态和存在形式不同，进而导致在加热条件下游离水的蒸发情况也不同。

图3 海藻糖添加量对复烤面包的热稳定性的影响Fig.3 Effect of trehalose addition on thermal stability of rebaked bread

图4 冻融周次对复烤面包的热稳定性的影响Fig.4 Effect of freeze-thaw cycles on thermal stability of rebaked bread

因此，截取不同海藻糖添加量及不同冻融周次的复烤面包在40～60 ℃区间重量百分比的变化，绘制区段TG曲线见图5～图6。从图5可以看出，各组复烤面包的重量百分比随着温度的增长而下降，不同海藻糖添加量及不同冻融周次下的的复烤面包的下降趋势存在比较显著的差异。与海藻糖添加量为0%相比，随着海藻糖添加量的增加，预烤冷冻面包的重量百分比的下降趋势减缓，其中添加量0.6%、0.8%和1.0%组样品的下降速率减缓较显著；从图6可以看出，当海藻糖添加量为0.6%时，在0～3冻融周次内，重量下降速度缓慢。这是由于海藻糖为糖类抗冻保护剂，具有两个高灵活性的葡萄糖单体，其溶液中的游离羟基可与水结合，与相邻的分子紧密连接，形成一种在结构上类似玻璃状的碳水化合物玻璃体，该结构在高水分含量时起到了塑化作用，束缚了游离水分子的自由度，降低了游离水的数量。同时，该碳水化合物玻璃体结构在低温冷冻时，会形成一个不完全冻结区域，减少了区域内的“共晶体”温度，抑制了水分子迁移、结晶以及重结晶[26]，使生物分子维持一定的空间结构，减少了冷冻对组织结构的破坏，并保持水分分布的稳定[27]。Tadanori等[28]验证了海藻糖能够有效的减缓冰晶与重结晶的形成和数量。

图5 不同海藻糖添加量的复烤面包的区段TG曲线Fig.5 Section TG curve of the rebaked bread with different trehalose addition

图6 不同冻融周次的复烤面包的区段TG曲线Fig.6 Sectional TG curves of rebaked bread in different freeze-thaw cycles

本研究中，在40～60 ℃热重曲线变化较大，即在该温度范围各组样品质量变化及变化的速率有明显的差别，显示不同海藻糖添加量有效的减少复烤面包中水分的减少、流失与迁移，具有很好的抗冻保护作用。其中，在0～3冻融周次内0.6%～1.0%的海藻糖的预烤冷冻面包在加热过程中重量百分比和重量变化速率变化较小。

2.3 海藻糖添加量及冻融周次对复烤面包芯气孔形态影响

2.3.1 海藻糖添加量对复烤面包芯气孔形态影响在2.1部分的基础上，考察不同海藻糖添加量在1冻融周次的复烤面包横截面气孔形态。如图7所示，随着海藻糖添加量的增长，复烤面包呈现的气孔形态不同，与对照组（A）相比，当海藻糖添加量为0.6%时，复烤面包横切面气孔密度、面包的比容较小（B、C）；当海藻糖添加量为0.6%时（D），气孔数量较多，气孔结构均匀细腻，且光滑；当海藻糖添加量达到0.8%～1.0%时（E、F），复烤面包的整体品质下降。因此当海藻糖添加量为0.6%时，复烤面呈现较佳形态。从表2可以看出，对照组复烤面包芯的AS、CD、AF处于较低数值，随着海藻糖添加量的增加，AS、CD、AF发生了明显的的变化，均呈现出先增加后减少的趋势，添加0.6%海藻糖的复烤面包时，三者达到最高值，较未添加海藻糖的复烤面包分别提高了54.00%、53.90%和48.68%。说明复烤面包的面包芯更加细腻、孔隙结构均匀，进而反映了面包芯气孔持气率和稳定性的提高[29-30]。且海藻糖的添加量与AS、AF均呈现正相关关系，与CD呈现显著正相关（P＜0.05），与Puerta等[31]的研究结果一致。说明，在复烤面包中添加0.6%的海藻糖能够有效的改善其面包组织状态。

图7 不同海藻糖添加量的复烤面包横切面气孔结构及呈现图Fig.7 Stomatal structure and appearance of cross-section of rebaked bread with different trehalose addition

表2 海藻糖添加量对复烤面包芯气孔气孔形态影响Table 2 Effect of stomatal morphology of rebaked bread core with trehalose addition

2.3.2 冻融周次对复烤面包芯气孔形态影响 从2.1部分得到抗冻保护剂海藻糖的最适添加量为0.6%，在此最佳条件下，考察不同冻融周次的复烤面包横截面气孔形态。如图8所示，随着冻融周次的增加，复烤面包横切面孔隙表面干燥且不均匀，从绵密均匀细小的孔隙逐渐变为大小不一（A～F）。面包的孔径逐渐增大，内部结构不均一、孔径大小疏松。从表3可以看出，对照组复烤面包芯的AS、CD、AF处于较高的值，随着冻融周次的增加，AS、CD、AF发生了显著的变化，AS、CD、AF在第5冻融周次时快速度下降，其中AS、CD、AF分别降低了34.71%、45.15%、42.92%。且冻融周次与AS、CD、AF均呈现极显著负相关（P＜0.01）。说明在4～5个冻融周次内复烤面包的品质呈现急剧下降。

图8 不同冻融周次的复烤面包横切面气孔结构及呈现图Fig.8 Stomatal structure and appearance of cross-section of rebaked bread at different freeze-thaw cycles

表3 冻融周次对复烤面包芯气孔形态影响Table 3 Effect of stomatal morphology of rebaked bread core by freeze-thaw

2.4 海藻糖添加量及冻融周次对复烤面包微观结构影响

2.4.1 海藻糖添加量对复烤面包微观结构影响 在2.1部分的基础上，考察不同海藻糖添加量在1冻融周次的复烤面包横截面的电镜表征。如图9所示A～F、a～f微观结构可以看出，在未添加海藻糖（A、a）的复烤面包可以观察到大量淀粉颗粒暴露在外，淀粉颗粒表面粗糙，覆盖在淀粉颗粒上的面筋膜断裂，且面筋蛋白网状结构粗糙孔洞大较深，导致面筋蛋白结构及其不稳定，随着海藻糖添加量的增加，复烤面包由淀粉颗粒裸露、面筋蛋白网络有断裂（B、C、b、c），向蛋白网络连续并均匀包裹淀粉颗粒转变，当海藻糖添加量为0.6%（D、d）时大部分淀粉颗粒得以包裹，随后又发生劣变（E、F、e、f）。可见，随着海藻糖添加量的增加，冷冻对复烤面包微观结构破坏得到了一定改善。这是由于在冷冻条件下，海藻糖能够填充进在组织表面，起到一种保护膜的作用，减缓了冰晶对网络结构的破坏，间接保护了其淀粉、蛋白质等大分子的形态结构[32]。因此，适量的海藻糖添加量对保护预烤冷冻面包中的淀粉和蛋白网络结构具有很好的抗冻保护作用。其中，以海藻糖添加量为0.6 %时复烤面包的内部组织结构最佳。

图9 海藻糖添加量对复烤面包超微结构影响（左500×、右1000×）Fig.9 Effect of trehalose addition on ultrastructure of rebaked bread （left 500×, right 1000×）

2.4.2 冻融周期对复烤面包芯微观结构影响 从2.1部分得到抗冻保护剂海藻糖的最适添加量为0.6%，在此最佳条件下，考察不同冻融周次的复烤面包横截面电镜表征，如图10所示A～F、a～f微观结构可以看出，未经过冻融的复烤面包（A），淀粉颗粒表面光滑，无缺失，且蛋白面筋网络连续，前3冻融周次内（B～D、b～d），面筋蛋白网络逐渐减少且不连续，但淀粉颗粒得以被面筋网络较均匀包裹；经过4～5次反复冻融，筋蛋白网络虽逐渐减少且不连续，但淀粉颗粒却得以被面筋网络较均匀包裹，并少有不完整。这是由于在冻藏初期，面筋蛋白主要以二硫键连接成网络结构，面筋网络结构完整，淀粉颗粒大小均匀，完整饱满[33]，面筋网络结构稳定。随着冻融次数的增加，二硫键逐渐断裂，面筋蛋白解聚，海藻糖的添加不能遏制面筋网格结构的破坏，网格结构不再完整[34]，大分子物质与水结合能力逐渐减弱，面包中的游离水大量的流失。说明在3个冻融周次内，添加适量的海藻糖能够有效的延缓冻融对预烤冷冻面包的影响。

图10 冻融周次对复烤面包超微结构影响（左500×、右1000×）Fig.10 Effect of freezing and thawing cycle on ultrastructure of rebaked bread （ left 500×, right 1000×）

3 结论

质构特性与感官品质分析显示，在0～5个冻融周次下，随着冻融周次的增加，复烤面包的质地发生了很大的劣变。其中，硬度、咀嚼性不断增加，弹性、回复性、黏聚性、整体接受度不断降低；随着海藻糖添加量的增加，复烤面包的质构特性均发生了不同程度的改善，且在海藻糖的添加有效地阻止了劣变的程度，海藻糖添加量为0.6%的改善效果最为显著。

热重检测结果表明，随着海藻糖含量的增加和冻融周次的增加，复烤面包重量百分比呈下降趋势，且在40～60 ℃区间内，复烤面包的重量百分比减少明显加快。海藻糖的添加致使重量下降速度相对缓慢，其中，以0.6%、0.8%和1.0%添加量的下降速率减缓较为显著。

横截面、气孔结构结果显示，随着海藻糖添加量的增加，AS、CD、AF值均先增加后减少，以添加0.6%添加组达到最高值，较未添加海藻糖的复烤面包分别提高了54.00%、53.90 %和48.68%；随着冻融周次的变化，AS、CD、AF在3个冻融周次内相对稳定在前，之后大幅度下降。海藻糖的添加使面包芯横切面细腻、空隙均匀、组织状态向好，气孔持气率和稳定性得以提高。

SEM结果显示：随着海藻糖添加量的增加，复烤面包由蛋白质结构不稳定、淀粉颗粒暴露向蛋白网络连续并均匀包裹淀粉颗粒转变。随着冻融周次的增加，海藻糖添加组样品的面筋蛋白网络虽逐渐减少且不连续，但淀粉颗粒却得以被面筋网络较均匀包裹，并少有不完整。

预烤冷冻面包将满足消费者对现烤出炉面包口感新鲜的追求，适应市场对高效生产需求的同时，弥补面包门店产品不稳定等缺点。