不同冻结方式对非发酵面团的水分状态及品质特性的影响

杨 勇，郑帅帅，艾志录,3,*，潘治利,3，李 真,3

（1.河南农业大学食品科学技术学院，河南 郑州 450002；2.国家速冻米面制品加工技术研发专业中心，河南 郑州 450002；3.农业农村部大宗粮食加工重点实验室，河南 郑州 450002）

与发达国家相比，我国传统冷冻面制主食的工业化进程还比较落后，特别是相关的理论研究基础还比较薄弱，关键的应用技术及配套设备还亟待开发，企业的标准化和连锁店经营模式仍然需要不断完善[1-2]。而目前的研究发现，冻结工艺是影响速冻面制主食品质的重要因素之一，不同的冻结方式将会对面制品的品质产生不同的影响。研究表明，不同冻结方式的区别主要表现在冻结设备、冷冻温度、冷冻时间以及传热传质的方式上，这将导致冻结过程中面制品内部产生冰晶的形态大小以及数量分布的不同，直接影响着产品的最终质量[3]。快速冻结会使面制品内部产生细而均匀的冰晶，对组织结构的影响较小；而缓慢冻结会形成大而不规则且分布不均匀的冰晶体，导致组织结构被破坏，降低产品品质[4-5]。目前，在人们的生活中最常用的冻结方式依然是传统的低温冰箱冻结（cryogenic refrigerator freezing，RF），速冻面制品企业化生产中更多采用的是螺旋隧道冻结（spiral tunnel freezing，SF）技术，而新兴的液氮喷淋冻结（liquid nitrogen spray freezing，LF）技术还有待开发利用。近年来，有关液氮冻结技术的研究大多集中于水产品[6]、肉禽类[7]、果蔬制品[8]的应用，而在面制品的应用上还比较少。本课题组前期研究了液氮浸渍式冻结对饺子皮冻裂率、速冻油条和鱼丸品质的影响，为速冻调理食品新型冻结工艺的开发提供了数据支撑[9-11]。然而，关于LF技术应用于非发酵面制品的研究鲜有报道。

本实验从速冻方式不同的应用场所出发，选取了家庭常用的RF、企业生产采用的SF以及新兴的LF技术应用于非发酵面团，对比研究了3 种冻结方式对非发酵面团的冻结特性、质构特性、流变学特性以及微观结构的影响，从而得到不同冻结方式与非发酵面团加工适应性的基础数据并进行分析，为我国传统的冷冻面制主食工业化和标准化发展提供一定的参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

小麦面粉（11.05%（质量分数，后同）蛋白质、72.70%淀粉、11.68%水分、0.44%灰分），购自郑州金苑粮油有限公司。

1.2 仪器与设备

Tlog-100H温度记录仪 江苏省精创电气股份有限公司；AB-DCN 03多功能面包机 珠海北美电器有限公司；TA.XA Plus质构仪 英国Stable Micro Systems公司；DHR-2动态流变仪 美国TA仪器有限公司；PQ 001 Micro MR柜式核磁共振成像仪 上海纽迈电子科技有限公司；Quanta FEG 250扫描电子显微镜 美国FEI公司；BTP. 8XL真空冷冻干燥机 美国SP Scientific公司；B4AG-3低温冰箱 中科美菱低温科技有限公司；LNFT-1液氮喷淋式速冻机 张家港市恒信达机械有限公司；HJLSY-II单螺旋隧道式速冻机 郑州亨利制冷设备有限公司。

1.3 方法

1.3.1 非发酵面团的制作

参考杨选等[12]的制作方法，控制面粉和水的质量比为2∶1，利用多功能面包机揉面15 min，在前1 min将水缓慢加完，设定和面温度为20 ℃左右，揉至面团表面光滑即可。取出面团并用保鲜膜包好，室温静置15 min后，将其分割成质量为30 g的小面团，备用。

1.3.2 冷冻非发酵面团冻结曲线的测定

分别选取RF、SF、LF 3 种冻结方式对非发酵面团进行速冻处理。其中，设定低温冰箱的温度为（－35±1）℃，螺旋隧道速冻机的温度为（－35±2）℃，液氮喷淋速冻机的温度为（－80±3）℃。将温度记录仪的K型热电偶探头（精确度±0.5 ℃）放置于样品的中心部位，每隔1 min记录一次温度变化，当中心温度达到（－18±2）℃时，将样品取出。根据温度记录仪内部的储存数据，绘制样品的冻结曲线。

1.3.3 冷冻非发酵面团冻结失水率的测定

由冻结前后样品质量的差值与冻结前样品质量的比值来计算冻结失水率，如下式所示。

式中：m1为冻结前质量/g；m2为冻结后质量/g。

1.3.4 冷冻非发酵面团解冻后水分分布的测定

根据Huang Zehua等[13]的实验方法并略作改动，使用低场核磁共振（low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）技术对各组样品中水分分布和迁移情况进行测定，空白（CK）组为新鲜面团。将冻结后的样品置于温度为35 ℃、相对湿度为85%的恒温恒湿实验箱中解冻1 h，之后称取解冻后面团中心位置的样品3 g，并用保鲜膜密封，采用多脉冲回波（Carr-Purcell-Meiboom-Gill，CPMG）序列对样品的横向弛豫时间T2进行测定。设置CPMG序列的主要参数：核磁管腔体温度为32 ℃，主频率为21 MHz，回波个数为5 000，偏移频率为774 631.14 Hz，采样点数为1 000 088，采样次数为32，采样频率为200 KHz，模拟增益为20。对扫描后的曲线进行反演，得到样品的T2分布情况，通过分析得到样品中含有的强结合水T21、弱结合水T22和自由水T23的峰面积和相对应的峰比例（A21、A22、A23）。

1.3.5 冷冻非发酵面团解冻后质构特性的测定

冻结后的样品放在35 ℃、相对湿度 85%的恒温恒湿实验箱中解冻1 h，根据王世新等[14]的实验方法稍作改进，使用质构仪对解冻后的面团和CK组的新鲜面团的质构特性进行测定，研究冻结方式对面团硬度、弹性、胶着性及回复性指标参数的影响。采用P50探头，设定测前、测试、测后速率分别为2、1、1 mm/s，设定压缩比70%、触发力5 g和前后间隔时间5 s。

1.3.6 冷冻非发酵面团解冻后流变学特性的测定

参照刘芳等[15]的方法略作改动，分别取4 g CK组的新鲜面团和解冻后的面团中心部位，采用DHR-2动态流变仪在振荡模式下选择频率扫描测定各组样品的流变学特性，研究各组面团的储能模量G’、损耗模量G’及损耗角正切值tanδ随频率的变化。测定过程中，选择直径为40 mm平板，设置夹缝间隙为1 mm，频率范围为0.1～100 Hz，环境温度为25 ℃，应变为0.5%。待探头下压至调整间隙后，在样品边缘涂抹适量硅油，以防止水分散失，保证实验结果的准确性。

1.3.7 冷冻非发酵面团微观结构的表征

参考Yi等[16]的实验方法，对冻结后的样品进行真空冷冻干燥处理，采用扫描电子显微镜观察不同冻结方式处理后面团横截面的微观结构变化。测定过程中，扫描电镜的加速电压为3 kV，成像放大倍数为1 000 倍。

1.4 数据处理与分析

实验数据以平均值±标准差的形式表示。采用SPSS 22.0软件对数据进行Duncan法多重比较方差分析，并采用Origin 2018软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同冻结方式下非发酵面团的冻结曲线

对非发酵面团采用3 种冻结方式处理，记录面团中心温度随时间的变化情况，得到样品的冻结曲线，如图1所示。冷冻食品的冻结时间定义为样品的中心温度由初始温度冷冻至设定温度所需要的时间[3,17]。由图1可知，经LF、SF和RF处理后的非发酵面团的冻结时间依次为15、49 min和156 min。借鉴前人的研究方法，使用温度-时间法来衡量样品的冷冻速率，即样品经过最大冰晶生成带温度区域（－1～－5 ℃）与所消耗时间的比值[18-19]。如果通过最大冰晶生成带所需要的时间不超过30 min，则为快速冻结；反之，则为慢速冻结[3]。由冻结曲线可知，LF、SF和RF处理后通过最大冰晶生成带所用时间依次为3、13 min和50 min，则其冷冻速率分别为1.33、0.31 ℃/min和0.08 ℃/min。因此，家庭常用的RF方式是慢速冻结，而工业化生产采用的SF方式和新兴的LF方式是快速冻结。Meziani等[19]研究指出冻结速率对食品中生成的冰晶大小与分布有直接的影响，冻结速率越慢，内部生成的冰晶大而不规则且分布不均匀，而冻结速率越快，生成的冰晶小而均匀。

图1 3 种冻结方式下面团的冻结曲线Fig. 1 Freezing curves of dough treated by thre freezing methods

2.2 冻结方式对非发酵面团冻结失水率的影响

食品在冻结和冻藏过程中均会发生干耗作用，引起食品水分散失。3 种冻结方式作用下面团的冻结失水率的变化，如图2所示。LF、SF、RF处理后，各组的冻结失水率之间均有显著性差异（P＜0.05），依次为0.514%、0.548%、0.716%。而从冻结速率上来看，LF（1.33 ℃/min）＞SF（0.31 ℃/min）＞RF（0.08 ℃/min），这与面团的失水率呈负相关，即冷冻速率越快，面团的失水率越小。这与岳宗阳[20]的研究结果是相似的，冻结会使面团表面与冷冻腔体内部出现一定的气压差，引起面团表面的水分散失，且冻结速率较慢的冷冻方式造成气压差存在的时间越长，就更容易使面团发生失水。另一方面，有研究表明冻结速率较慢的冷冻方法会使面团内部生成体积较大的冰晶，会更容易破坏面团中面筋蛋白和淀粉的结构，削弱了大分子物质与水的结合能力，从而造成面团更容易失水，引起面制品质量下降[18,21-22]。因此，相比之下，冻结速率越快的冷冻方式更有利于保持面制品的品质。

图2 3 种冻结方式下面团的冻结失水率变化Fig. 2 Water loss rates of dough treated by three freezing methods

2.3 不同冻结处理的非发酵面团解冻后水分迁移的变化情况

在面团冻结过程中，内部冰晶的产生会使面团中的水分分布发生变化，进而会影响面制品的品质。目前，低场核磁共振技术能够直观地表现出水分的存在状态以及分布情况，是被广泛认可的反映水分迁移情况的技术之一。它主要基于面团中氢质子的动力学变化，推测出水分子在不同相态存在的弛豫时间，从而反演出水分的分布状况[23]。图3代表的是不同冻结方式处理的非发酵面团解冻后的横向弛豫时间T2的影响情况。强结合水是能够与面团中的面筋蛋白或淀粉等组分深层结合的水，以T21表示；弱结合水是与面团中淀粉或蛋白质等结合较弱的水，其结合能力在强结合水和自由水之间，以T22表示；自由水是不与任何组分相结合的那部分水，以T23表示[11]。由图3可知，各组面团样品的曲线中都出现3 个波峰，说明样品中的水分均以强结合水、弱结合水和自由水3 种状态存在，且弱结合水所占的面积最多。

图3 各组面团解冻后样品的水分迁移情况Fig. 3 Water migration of frozen dough samples after thawing

表1为CK组和冻结处理的面团解冻后各水分组成比例。从表1中面团的强结合水和弱结合水的波峰面积上可看出，各组样品在不同指标间总体都有显著差异（P＜0.05），且随着冻结速率的减慢，解冻后的面团中T21和T22的峰面积与新鲜面团的峰面积相差越大；反之，越接近于新鲜面团的峰面积。这说明冷冻处理后，面团中形成的冰晶会削弱面筋蛋白或淀粉等组分对水的束缚能力，进而影响T21和T22的分布情况[5]。从各组数值上发现，RF处理后T21和T22的峰面积最小，主要受RF的冻结速率较慢的影响，面团中生成的冰晶体积越大，对面团组分的损伤程度越严重，束缚水的能力就越弱，则造成两者的峰面积越小[10]。另外，从自由水T23峰面积可以看出，3 种冻结方式处理的面团解冻后的T23峰面积均显著低于新鲜面团（P＜0.05），且LF和RF处理的T23峰面积差异显著（P＜0.05），而SF处理与其他两组差异不显著（P＞0.05），可以推测这种变化受样品的冻结失水率的影响较大。并且，从表1和图3能看出，各处理组解冻后的面团中水分的总体波峰面积是略小于新鲜面团的，且随着冻结速率的加快（LF＞SF＞RF），这种差距就越小，这也说明了面团的水分分布情况与冻结失水率是有关的[24]。而从表1中强结合水A21和弱结合水A22的比例可以发现，冻结速率越缓慢，A21的比例越小，而A22的比例则越大，说明了冷冻处理生成的冰晶使面团组分束缚水的能力变差，造成一定比例的强结合水转化为弱结合水，而少量的弱结合水转化为自由水[25]。同时，不同冻结方式处理的面团解冻后其自由水A23的比例均有下降趋势，但各处理组的值差异不显著，这可能因为自由水容易受面团内外气压不同而发生散失的影响[20]。

表1 各组面团解冻后样品的水分动态分布的情况Table 1 Dynamic water distribution in frozen dough samples after thawing

2.4 不同冻结处理的非发酵面团解冻后其质构特性的变化情况

不同冻结方式处理的非发酵面团解冻后其质构特性的影响情况如表2所示。分析解冻后面团的硬度数据发现，经冷冻处理的面团解冻后其硬度要显著大于新鲜面团的，特别是经RF处理后其硬度增加最明显，而LF处理组与新鲜面团更接近，SF处理组介于两者之间。可以看出，随着冻结速度的减小，各组样品解冻后的硬度不断上升。处理组面团解冻后的硬度变化与样品冻结失水率的大小有一定的关系，失水率越大，样品的硬度则越大[23]。且从2.2节各组面团冻结失水率的结果来看，与硬度指标的变化趋势相同。胶着性是半固态样品独有的一种性能，各组之间表现出来的胶着性存在差异，这表明3 种冻结方式处理都会不同程度地改变面团的黏性特征。同时，处理的样品解冻后的回复性和弹性有着相同的变化趋势，其中，新鲜面团的值与LF处理组解冻后的值之间无显著差异（P＞0.05），而显著高于SF、RF处理组解冻后的值（P＜0.05）。这表明冻结速率缓慢的冷冻方式能够显著影响样品解冻后的回复性和弹性，较快冻结速率的处理方式对样品解冻后的回复性和弹性影响较小，这与Selomulyo等[26]的研究结果是相似的，其指出冻结过程中形成的冰晶体积越大，对面团组织结构的破坏越明显，进而影响面筋蛋白和淀粉等组分与水的结合作用，造成样品回复性和弹性的降低。因此，新兴的LF处理方式更有利于保持面制品的质构品质，传统的企业化生产用的SF处理次之，而家庭常用的RF处理对面制品的质构影响较大。

表2 各组面团解冻后样品的质构特性对比Table 2 Texture properties of frozen dough samples after thawing

2.5 不同冻结处理的非发酵面团解冻后流变学特性的变化情况

图4 各组面团解冻后样品流变学特性的变化情况Fig. 4 Rheological properties of frozen dough samples after thawing

面团是既有黏性流体特征又有弹性固体特征的一种材料。储能模量G’能够反映面团样品的弹性变化情况，损耗模量G’能够反映面团样品的黏性的变化。不同冻结方式处理的非发酵面团解冻后流变学特性的影响如图4所示。在保持温度相同的条件下，随着扫描频率的上升，各组的G’与G’也呈增加趋势，且新鲜面团的G’和G’大于处理组。相同频率下，比较处理组解冻后的G’、G’发现，LF处理组解冻后的值接近于CK组，其次是SF处理组，而RF处理组解冻后的值最低。这表明冻结速率越快，样品的G’、G’变化幅度越小，对样品的黏弹性的影响越小，这与李杰平等[27]得到的结果是一致的。损耗角正切tanδ反映了面团G’与G’的比例，其值均小于1，也说明了面团是一种半固态材料[28]。从图4C中发现，CK组的tanδ小于处理组，其中RF处理组解冻后的值略大于SF处理组，而LF处理组解冻后的值最小，而且各组的G’、G’均有所下降，这就表明了G’的减小幅度大于G’’的减小幅度，才造成tanδ逐渐增加。同样，tanδ的变化情况也说明冻结速率较快的LF处理的面团解冻后更接近于新鲜面团，这可能由于LF处理时面团内部产生的冰晶颗粒小、分布较为均匀，对内部组织结构的损伤小，较大程度地保持了面团原有的体系，Tang Xiaojuan等[29]也给出了相同的解释。

2.6 不同冻结处理对非发酵面团微观结构的影响

图5 3 种冻结方式对面团微观结构的影响Fig. 5 Influence of three freezing methods on the microstructure of dough

使用真空冷冻干燥手段联合扫描电子显微镜技术观察面团内部的组织结构，结果如图5所示。取出不同冻结方式处理后的面团样品直接置于冻干机，进行真空冷冻干燥去除水分。在真空条件下，样品的水分由冰晶态直接升华为气态逸出，这个过程能够基本保持冰晶逸出前的位置不变，从而能够推测经冻结处理后面团内部冰晶形成的大小与分布以及其对面团组织结构产生的影响[30]。由于冰晶逸出后产生的孔隙较多且形状相差不大，在图5中只对冰晶逸出后产生的部分孔洞用红圈进行了标记。观察各组样品的微观结构发现，经过RF处理后样品的孔洞明显大于SF和LF处理的，而LF处理后样品中的孔洞最小且分布较为均匀，可以推测经过LF处理后样品内部产生的冰晶体积较小且分布均匀，而经RF处理后样品内部的冰晶体积大而分散，SF处理介于两者之间。由此也说明了冰晶体积的差异主要与冻结速率的大小有关，冻结速率越快，产生的冰晶颗粒越小且分布均匀[2]。并且图中各组面团内部的组织结构也有所不同。其中，经LF冻结后样品的面筋网络结构较为紧密且连续性较强，淀粉颗粒能够较好地镶嵌在面筋网状结构中；经SF冻结后样品的面筋网状结构稍显紧密，有少部分淀粉裸露在蛋白组织结构的外部；但经RF冻结后样品中的淀粉颗粒与面筋网状结构分布不均匀，面筋蛋白网络结构不够紧密。综上，冻结方式的差异会直接影响面团的组织结构，且冻结速率越慢，对面团组织结构的影响就越大，这与Zhu Zhiwei等[31]的结论是一致的。

3 结 论

本实验从冻结方式的应用场合出发，对比研究了RF、SF、LF 3 种冻结方式对非发酵面团品质特征产生的影响。结果表明，随着冻结速率的减慢，LF（1.33 ℃/min）＞SF（0.31 ℃/min）＞RF（0.08 ℃/min），面团的冻结失水率不断上升，强结合水T21与弱结合水T22的峰面积不断下降，面团的质构品质和流变学特性变差，特别是硬度变大，这是因为较慢的冷冻速度会产生体积大而分散的冰晶，一定程度上减弱了面团中大分子物质（蛋白质或淀粉等）与水的结合能力。而微观结构的观察结果也表明，冷冻速度越慢，造成面团中的孔隙较大，面团的组织结构致密程度较差。综上可知，经LF处理的面团解冻后的品质与新鲜面团最相近，RF处理的面团解冻后与新鲜面团相差最大，而SF处理介于两者之间，这也表明新兴的LF处理方式比传统企业化的SF处理方式更有优势，而家庭用的RF处理方式不利于保持面制食品的质量。