不同结构的非离子型乳化剂对冷冻面团及其面包品质的变化

刘姁，吴玥琦，张小薇，吴磊燕，涂瑾*，周锦枫,3*

（1.江西农业大学食品科学与工程学院，江西南昌 330045）（2.南昌启华双语学校，江西南昌 330103）（3.广东佳焙食品股份有限公司，广东东莞 523000)

冷冻面团技术是一种新兴的食品加工技术，是指对面团进行低温处理，使面团制作和后续产品加工的过程分离，为烘焙食品行业带来新的活力和商机[1]。低温处理后的面团生产出的面制品质量稳定。但冷冻面团技术也面临一些挑战，如面团的面筋网络结构会在冷冻过程中容易被破坏，酵母的生命活动降低甚至死亡，使面团的产气和持气性能受到影响，导致最终产品的品质下降[2]。添加合适的改良剂是改善冷冻面团品质最常见有效的方法。Li 等[3]研究发现高聚合麦芽糊精的面团在冷冻8 周后，具有较高的粘结水比和弹性模量，以及较低的淀粉结晶度。Tao 等[4]研究发现将糖酯、硬脂酰乳酸钠（SSL）、木聚糖和抗坏血酸复配并加入到冷冻面团中，面团二级结构不变，而α-螺旋含量在对照冷藏面团中下降了7.00%。

乳化剂本质是具有表面活性的物质，这种物质具有亲水、亲油结构并且能够与面团中不同的成分结构结合，形成均匀稳定的分散体系[5]。乳化剂能改善面团的性质，提高面包的品质。我国被允许添加的食品乳化剂可以分为盐类、磷脂及其衍生物、多元醇脂肪酸类和其它四大类。多元醇脂肪酸类是目前市场上品种最多，需求量最大的食品乳化剂，大家所熟知的单脂肪酸甘油酯、司盘和吐温都属于此类。根据乳化剂的亲水基团，乳化剂还可以被分为非离子型和离子型两种。从安全角度考虑，冷冻面团中加入的多为非离子型乳化剂，单脂肪酸甘油酯、司盘和吐温也都是属于非离子型乳化剂。即使是属于同一种乳化剂，其结构也是十分不同的，从而对面团的作用机理、产生效果也不同[6]。由一个甘油分子跟不同的脂肪酸链结合，形成单甘酯类乳化剂（见图1 中a～c），如果将甘油分子换成山梨酸醇，就是司盘类乳化剂（见图1 中d～f），在司盘的基础上加成环氧乙烷，用聚氧乙烯基团代替了自由羟基就形成吐温类乳化剂（见图1 中g 和h）。这几类乳化剂在焙烤食品中能较好地改善产品的质构，对它们的研究很多，但主要集中在工艺合成和与其他改良剂的复配[4,7,8]，鲜有从化合物结构角度解释乳化剂对冷冻面团及其面包改良效果。

图1 不同乳化剂的结构式Fig.1 Chemical structure of different emulsifiers

本文选择甘油脂肪酸酯、司盘类、吐温3 类8 种（辛、癸酸甘油酯、松香甘油酯、单辛酸甘油酯、司盘60、司盘65、司盘80、吐温60、吐温80）具有不同结构的食品乳化剂作为研究对象，以面团的水分分布及其迁移特性、流变学特性及面包的质构、比容、纹理等为指标，研究不同结构的乳化剂对冻藏期间面团及其面包品质的影响，为冷冻面团产品的研究和工业化生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

金像牌高筋粉（蛋白质13.72%，m/m，同下、水分13.52%），南顺（山东）食品有限公司；辛、癸酸甘油酯、松香甘油酯、单辛酸甘油酯、司盘60、司盘65、司盘80、吐温60、吐温80，广东佳焙食品股份有限公司；高活性干酵母，安琪酵母股份有限公司。

1.2 仪器与设备

Farinograph-E 自动型粉质仪，德国布拉本德公司；MicroMR-25 核磁共振成像分析仪，上海纽迈电子科技有限公司；Discovery HR-1 型流变仪，美国TA 仪器有限公司；TA-XT Plus 质构仪，英国Stable Micro Systems公司，Perfection V330 Photo 扫描仪。

1.3 试验方法

1.3.1 冷冻面团的制备

冷冻面团的基本配方：小麦粉100 g、蒸馏水55 g、白砂糖10 g、高活性干酵母2 g、食盐1 g、乳化剂0.5 g、黄油5 g。除黄油外，其它原料全部加入Farinograph-E粉质仪的揉面钵中，60 r/min，5 min；加入黄油，继续揉制20 min；对揉制好的面团进行切分，30 g/个，放于-18 ℃冰箱中备用；对揉制好的面团进行切分，2 g/个，置于容量为10 mL 的玻璃瓶中，-18 ℃冰箱冻藏，备用。

1.3.2 冷冻面团的水分分布特性测定

冷冻面团在4 ℃条件下解冻2 h 后，进行水分分布及其迁移特性的测定实验。主要试验参数：回波个数NECH=5 000，重复采样点TD=156 992，主频SF=21 MHz，偏移值O1=79 676.7 Hz（面团），重复采样时间TW=1 500 ms，90 °脉冲时间P1=7 μs，累加采样次数NS=64，180 °脉冲时间P2=14 μs。反演拟合后得到T21、T22和T23[9]。

1.3.3 冷冻面团的流变学特性测定

根据Silvas 等[10]的方法，并稍作修改。将3 g 解冻好的面团置于Discovery HR-1 型流变仪平板上，放置4 min 以平衡面团中的应力，并在测定过程采用二甲基硅油密封以防止测定过程中面团水分的蒸发。使用40 mm 直径的平板模具，设置参数：温度25 ℃，夹缝距离为2 mm，频率扫描应变力0.1%，扫描频率0.1～10.0 Hz。

1.3.4 面包比容测定

将冷冻面团解冻、发酵和烘烤（180 ℃、15 min），室温下进行1 h 的冷却后，使用置换法进行面包比容的测定。面包比容按如下公式计算：

式中：

P——面包比容，mL/g；

V——面包体积，mL；

m——面包质量，g。

1.3.5 面包质构特性测定

厚度为25 mm 的均匀薄片取自面包中心位置，进行面包质构性质的测定。参数：探头P36/R，形变50%，测前速度4 mm/s，测中速度和测后速度2 mm/s，感应力5 g，压缩间隔时间5 s[11]。

1.3.6 面包内部纹理结构测定

根据Zapata 等[12]的方法并稍作修改。厚度为25 mm 的均匀薄片取自面包中心位置，放置在扫描仪在进行扫描仪，截取大小为50 mm×50 mm、分辨率为300 dpi 的图片，再利用Image J 进行切面分析。

1.3.7 数据处理和分析

数据处理使用SPSS 20.0、Excel，软数据和作图使用Origin 8.5。

2 结果与讨论

2.1 乳化剂对冷冻面团水分分布的影响

核磁共振（NMR）可用来研究物体的水分分布，由图2 可知，冷冻面团的水分分布及状态T2 图谱有三个峰区，分别代表冷冻面团结合水T21、束缚水T22和自由水T23，峰面积比代表各种水的比例[13]。不同的水分可随着面团环境改变可以相互转换[14]。由表1 可知，与对照组相比，冷冻60 d 的司盘系列（司盘60、司盘65 和司盘80）和吐温系列（吐温60 和吐温80）的冷冻面团结合水显著高于对照组（11.73%），自由水比例（6.70%左右）显著低于对照组（10.33%）（p＜0.05）。朱蝶等[15]研究发现司盘、吐温能改良面团性质；与对照组相比，添加甘油酯的冷冻面团（第0 天）的结合水、束缚水和自由水比例无显著性差异，而冷冻60 d 后，含有甘油酯类乳化剂面团束缚水占比显著高于对照组，自由水占比显著低于对照组（p＜0.05）。甘油酸酯类乳化剂亲油基为脂肪酸，亲水基为甘油，其亲油能力较强，常用于W/O 型体系，因此，在面团形成初期（未冷冻）对面团的水分分布和状态改变效果不明显。

图2 不同冻藏时间内乳化剂对冷冻面团T2 分布的影响Fig.2 Effects of emulsifiers on T2 distribution of frozen dough during different storage time

表1 乳化剂对不同冷冻时间内面团水分分布的影响Table 1 Effects of emulsifiers on T2 area ratio of frozen dough during different storagetime

周锦枫等[16]也研究发现甘油酯对冷冻面团水分分布改良的趋势随着冻藏时间的增加愈发明显。虽然辛、癸酸甘油酯、松香甘油酯和单辛酸甘油酯都属于甘油酯类乳化剂，但是冻藏60 d 后它们的T21、T22、T23还是存在部分显著差异的，说明同类乳化剂，结构不一样，对面团中的水分作用也不同。

2.2 乳化剂对冷冻面团粘弹性的影响

流变性质是面团性质的一个重要方面，客观反映面团的网络结构[17]。由表2 可以看出，在冻藏期间，含有乳化剂的冷冻面团与对照组一样，弹性模量（G'）、黏性模量（G"）降低，tanδ增大。不同的是，随着冻藏时间的增加，含有乳化剂冷冻面团的G'均显著高于对照组的G'（p＜0.05），tanδ均显著低于对照组（p＜0.05）。乳化剂的加入并没有改变面团结构的变化趋势，而是延缓。这可能是因为随着温度的降低，面团组分分子间相互作用力减小，水分更易发生转移，形成的大冰晶的对面团结构造成破坏，但乳化剂能改善面团中的水分分布及状态，从而延缓了面团的劣变[18]，这与上文乳化剂对面团水分分布的影响结果一致。

表2 不同冻藏时间内乳化剂对冷冻面团粘弹性的影响Table 2 Effects of emulsifiers on the viscoelasticity of frozen dough during different storage time

乳化剂除了能影响面团中的水分分布和状态外，还能与面团中的脂类、蛋白质和淀粉类物质发生相互作用，比如乳化剂的亲油端（脂肪酸基团）与面筋蛋白网络结构链接，增强面团强度，提高面团的弹性。通过与面团中成分形成氢键或络合物，起到改善面团的性质。乳化剂结构不同，这种改善效果也不一样，其中司盘的效果最好。冷冻60 d 后，含司盘60 冷冻面团的tanδ仅为0.40，而含单辛酸甘油酯的冷冻面团的tanδ为0.44（p＜0.05）。

图3 乳化剂对不同冻藏天数冷冻面团粘弹性的影响Fig.3 Effects of emulsifiers on the viscoelasticity of frozen dough during different storage time

2.3 乳化剂对冷冻面团面包比容的影响

一般来说，大比容的面包更容易受到消费者的青睐。由表3 可以看出，冻藏时间增加，所有面包的比容都下降，其中对照组面包比容下降最大，从4.33 mL/g下降至2.32 mL/mg（p＜0.05）。冻藏0 d，含乳化剂面包的比容与对照组相差不大（除松香甘油酯、司盘65、司盘80）；冻藏60 d 后，含乳化剂面包的比容在下降，但均显著大于对照组。冻藏时，面团中的大冰晶会破坏面团的持气结构及产气酵母，导致烘烤后的成品面包比容下降[19]。虽然乳化剂可以分散到面团气泡的表面，并与不溶性颗粒接触，改善面团的网络结构以及面团中的水分分布及状态，但随着冷冻时间延长，冷冻对面筋网络结构的破坏增大，水分发生迁移和重新分布，影响了乳化剂稳定气泡的作用，这也是添加了乳化剂的面包的比容变化趋势与对照组相同却又优于对照组的原因。当乳化剂与面团中可移动水分及面筋-淀粉网络的成分的结合达到一个平衡时，面团中的气泡才能稳定，这就需要乳化剂具有合适的HLB 值。不同结构的乳化剂，其HLB 不同，最后面包比容呈现的差异也是巨大的。

表3 乳化剂对冷冻面团面包比容的影响（mL/g）Table 3 Effects of emulsifiers on the specific volume of frozen dough bread

2.4 乳化剂对冷冻面团面包质构的影响

由表4、5 可知，无论是否添加乳化剂，冷冻后面团制成的面包硬度增加，弹性降低。这是因为随着冻藏时间的增加，面团结构被破坏，面包品质在劣化[20]。添加乳化剂后的面包（未冷冻时）比不加乳化剂的面包硬度小，弹性大。随着冷冻时间的延长，虽然面包硬度增加，弹性降低，但与同期的对照组面包比，硬度更小，弹性更大，说明加入乳化剂能显著改善面包产品的质量。冷冻60 d 后，添加司盘类乳化剂面团烘烤出的面包弹性最好，均大于0.70（p＜0.05），其次是吐温类和甘油酯类。

表4 乳化剂对不同冻藏时间面团面包硬度的影响（g）Table 4 Effects of emulsifiers on hardness of frozen dough bread during storage time

表5 乳化剂对不同冻藏时间面团面包弹性的影响Table 5 Effects of emulsifiers on elasticity of frozen dough bread during different storage time

2.5 乳化剂对面包内部纹理结构的影响

图3 乳化剂对不同冻藏时间面团面包内部纹理结构的影响Fig.3 Effects of emulsifiers on the internal texture of frozen dough bread during different storage time

表6 和表7 是冷冻面团做成面包后的气孔密度和气孔直径数据表，分别代表面包中气体的量及其直径大小。从表可以看出，不论是否添加乳化剂，随着冷冻时间的延长，面包的孔隙直径增大，孔隙密度减小。这与Zapata 等[12]的研究结果一致，冻藏时间的延长会使面包的孔隙尺寸和分布逐渐不均匀。但乳化剂加入面团后，能降低气泡表面张力，同时，增加气泡表面的粘弹性，起到稳定气泡作用[21]。因此，与对照组面团相比，冷冻30 d、60 d 后，添加乳化剂的面团（除冷冻30 d 含司盘60 的面团），泡沫破裂及融合相对较少，面包中气泡直径较小（p＜0.05）。

表6 乳化剂对不同冻藏时间面团面包气孔密度的影响（个/cm2）Table 6 Effects of emulsifiers on stomatal density of frozen dough bread during different storage time (PCS/cm2)

表7 乳化剂对冷冻面团面包气孔均直径的影响（mm）Table 7 Effects of emulsifiers on average pore diameter (mm) of frozen dough bread during different storage time

3 结论

随着冻藏时间的延长，冷冻面团中的冰晶逐渐破坏面团的面筋蛋白网络结构和使酵母细胞的活性变弱，导致面团的自由水比例增加和结合水比例减少，面团的流变特性劣化，面包的比容变小，口感变硬和失去弹性。这八种乳化剂的亲水基团中，吐温的亲水性最好，增加冷冻面团的结合水比例和降低自由水比例，延缓冻藏过程中冰晶对冷冻面团的面筋蛋白的破坏。冷冻60 d 后，含吐温60 面团的T21、T23 占比在13.80%、6.60%，而对照组的T21、T23为11.73%、10.33%（p＜0.05）。司盘和吐温等含C18 脂肪酸基团（硬脂酸和油酸）能与面筋蛋白有较好的络合能力，提高面筋蛋白的凝聚程度，提高冷冻面团的黏弹性，同时，其脂肪酸长链与直链淀粉螺旋结构络合，形成不溶性复合物，使得冷冻面团所烤面包的比容更大，面包质地更柔软，冰延缓直链淀粉的再结晶，从而起到抗老化的作用。八种乳化剂的相比，司盘组面包品质最好。在冷冻60 d 后，含司盘乳化剂的面包，tanδ最低，为0.40，比容最大，均大于3.00 mL/g，硬度最低，弹性最大且孔隙分布均匀（p＜0.05）。