不同分子结构的黄原胶对冷冻面团及面包特性的影响

岳红霞，李欣雪，程丽婷，李琴，郭庆彬，康继*

（1.天津科技大学食品科学与工程学院,天津 300457；2.江苏食品药品职业技术学院食品学院,江苏淮安 223003）

随着人们生活节奏的加快,冷冻面团技术产业化已经成为发展趋势,是面制品实现产业化的最佳解决方案[1]。冷冻面团技术虽然可以助力烘焙产业发展为商业模式,但冷冻面团在贮藏过程中品质会发生劣变,如酵母活性减弱、面团持气能力下降、面筋蛋白网络结构破坏等[2],均会造成最终产品感官品质下降。目前,改善冷冻面团产品品质的方法多是添加乳化剂、亲水胶体以及其它面团改良剂。Ribotta 等[3]发现甘油三酯、蔗糖酯等乳化剂可以与淀粉发生相互作用,抑制面筋与淀粉间的水分迁移,进而可以改善面包的品质。刺槐豆胶、黄原胶、瓜尔胶等亲水胶体可通过增加面团的持水能力,抑制冷冻过程中冰晶的形成及重结晶,以增加面包的水分含量,改善面包品质[4]。防冻蛋白可以提高酵母耐冻性[5],冰核剂可以抑制大冰晶的形成[6]。黄原胶具有良好的冻融稳定性,对改善冷冻面团产品品质具有良好的效果,虽然关于黄原胶的添加对冷冻面团品质的影响的研究较多,但关于不同分子结构的黄原胶对冷冻面团品质及面包特性的影响研究鲜见报道。

黄原胶是一种阴离子多糖,分子量为2×106～5×107Da,其结构基本单元是由D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸以2∶2∶1 的摩尔比组成的五糖重复单元,黄原胶的主链是β-D-葡萄糖以1→4 糖苷键连接而成,这与纤维素的结构类似[7-9]；α-D-甘露糖、β-D-葡萄糖醛酸、β-D-甘露糖组成了黄原胶的侧链；α-D-甘露糖通过1→2 糖苷键与主链相连,且其C-6 位置常被乙酰基替代,位于侧链末端的β-D-甘露糖的C-4 位置常被丙酮酸基团替代[10]。由于黄原胶具有高度的假塑性、冻融稳定性等优良特性,广泛应用于食品、药品、化妆品等行业中[8,11]。但黄原胶黏度较高,在实际生产应用过程中容易产生结块现象,增加应用成本。

前期研究已通过超声波处理得到3 种黄原胶,并应用高效液相色谱、离子色谱、甲基化分析、核磁共振氢谱等方法,证明超声波处理后黄原胶的单糖组成及甲基化糖残基摩尔比发生变化,分支程度随分子量的降低先增加后降低。此外,葡萄糖醛酸和乙酰基的含量、分子量及表观黏度显著降低。综合分析得出,低强度的超声波处理主要影响黄原胶的主链,随着超声波强度的增加主要作用位点逐渐变为侧链[12]。本研究选用超声波处理后的3 种不同分子结构的黄原胶应用于冷冻面团面包中,探究其对面团品质及面包特性的影响,以得到黏度较低且效果较好的新型食品添加剂,以期为冷冻面团产品品质的改善提供一定的理论支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

高筋面粉:新良粮油加工有限公司；酵母:安琪酵母股份有限公司；蔗糖:广州福正东海食品有限公司；食盐:中盐上海市盐业有限公司；大豆油:益海嘉里金龙鱼粮油食品股份有限公司；原始黄原胶:美国CP Kelco 公司；不同分子结构的黄原胶由前期试验所得,基本结构特征见表1[12]。

表1 不同黄原胶的基本结构特征Table 1 Basic structural characteristics of different xanthan gums

1.2 仪器与设备

摩卡面包机（ESC1510）:美的集团股份有限公司；电烤箱（K35FC825）:浙江苏泊尔股份有限公司；醒发箱:广东泓峰烘焙设备有限公司；动态流变仪（MARS 60）:德国哈克公司；质构分析仪（TA.XT plus）:英国Stable Micro System 公司；热重分析仪（Q50）:沃特斯中国有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 面团制作配方

根据余文杰[13]的配方适当调整,得到面团基础配方,黄原胶按照高筋面粉的0.5%（2.5 g）添加,未添加黄原胶的面团作为对照组,面团基础配方见表2。分别冷冻贮藏0、15、30 d。

表2 面团基础配方Table 2 Recipe for dough

1.3.2 冷冻面团制作流程

黄原胶溶解于300 g 水中→除油外的所有配料混合→喷洒黄原胶溶液,揉捏成型→加入大豆油高速搅拌,成型→静置松弛,分割整型。对照组直接喷洒300 g 水。

一部分面团作为贮藏0 d 的新鲜面团直接用于发酵、焙烤,其余面团分为两组,包裹保鲜膜放入自封袋中,快速冷冻放置-20 ℃分别贮藏15、30 d。

1.3.3 面团发酵速率的测定

根据钟雅云[14]的测定方法对冷冻面团单位时间内的发酵体积进行测定,在250 mL 量筒内壁涂一层大豆油,取25 g 解冻后的面团置于量筒底部,记录发酵前的体积V0,在37 ℃、80% 相对湿度条件下发酵90 min后,记录此时的体积V1,发酵速率（X,mL/h）计算公式如下。

X=（V1-V0）/t

式中:V0为面团发酵前的体积,mL；V1为面团发酵后的体积,mL；t为发酵时间,h。

1.3.4 面团流变学特性测定

参照Bhardwaj 等[15]的方法略作调整,使用动态流变仪测定冷冻面团的流变学特性,测试间隙为2 mm。取适量面团（新鲜面团或解冻后的冷冻面团）中心,用模具制成小圆饼形状置于平板上,用刮刀去掉多余的样品,松弛一段时间后进行测量。在平板的四周涂一层硅油,防止测量过程中水分蒸发。

1.3.4.1 频率扫描

对面团进行应变扫描以获得其线性黏弹区（linear viscoelastic region,LVR）。在0.01%～0.50% 范围内进行振荡频率扫描,测试条件为剪切应变0.1%、频率范围0.1～40 Hz、温度25 ℃,得到冻藏对面团弹性模量G′、黏性模量G″随频率变化的影响。

1.3.4.2 温度扫描

在25～90 ℃温度扫描过程中,以5 ℃/min 的速率升温,测试频率为1 Hz,剪切应变为0.1%,以得到冻藏对面团弹性模量G′、黏性模量G″随温度变化的影响。

1.3.5 面团热稳定性测定

称量约5 mg 经过冷冻干燥的面团样品,利用热重分析仪测量其在25～600 ℃范围内质量的变化。升温速率设定为10 ℃/min,选用氮气为载气,流量为30 mL/min。

1.3.6 面包焙烤

取适量的新鲜面团或者解冻后的冷冻面团,置于37 ℃、相对湿度80%的醒发箱中醒发90 min。设置电烤箱上火、下火温度分别为190、210 ℃,预热5 min,放入醒发好的面团焙烤20 min。焙烤结束后,取出面包,室温下冷却后测定相关指标。

1.3.7 面包比容的测定

面包的质量用电子天平进行称量,面包的体积用油菜籽置换法测定。比容（X,cm3/g）计算公式如下。

X=V/m

式中:V为面包体积,cm3；m为面包质量,g。

1.3.8 面包质构测定

通过质构分析仪（texture profile analysis,TPA）测定面包的质构特性,从面包中心切3 片均匀薄片,置于圆柱形探头（P/100）下。测试条件参考余文杰[13]的方法并稍作修改,具体参数:测前速度、测中速度、测后速度分别为1.00、1.70、10.00 mm/s,应变为75%,触发力为5 g。

1.4 数据分析

所有数据均进行3 次平行试验,以平均值±标准差的形式表示,采用单因素方差分析进行组间比较,采用SPSS 26.0 软件分析,P<0.05 时,表明差异具有统计学意义。

2 结果与分析

2.1 面团发酵速率

面团发酵速率能够在一定程度上反映出面包焙烤后的体积,不同分子结构黄原胶对冷冻面团发酵速率的影响见图1。

图1 不同分子结构的黄原胶对冷冻面团发酵速率的影响Fig.1 Effect of xanthan gum with different molecular structures on fermentation of frozen dough

由图1 可知,随着冻藏时间的延长,所有样品的发酵速率均下降,主要是由于冻藏过程中酵母活性降低以及冷冻过程中面团的产气系统和持气系统受到破坏[2]。添加MMWXG、LMWXG 冻藏15 d 的面团发酵速率显著高于冻藏15 d 的对照组（P<0.05）,而添加XG 冻藏15 d 的面团发酵速率显著低于冻藏15 d 的对照组（P<0.05）；添加黄原胶冻藏30 d 的面团发酵速率显著高于冻藏30 d 的对照组（P<0.05）,冻藏30 d 的面团中HMWXG 的发酵效果最好。对于经过冻藏的面团,超声波处理后的黄原胶对面团发酵速率的影响均优于原始黄原胶。这可能是因为超声波处理增加了黄原胶的支链度,其中HMWXG 支链度较高（见表1）,溶解度较好,较高的溶解度可以使黄原胶有效保护酵母活性或面团的产气系统及持气系统[16]。

2.2 面团流变学特性测定结果

2.2.1 频率扫描结果

面团既有黏性流体的特性也有弹性固体的特性,面团的黏弹性能够从侧面反映出面团容纳CO2体积的能力,这与最终产品的品质也密切相关[17]。采用动态频率振荡扫描测量面团的黏弹性,结果如图2 所示。

图2 不同分子结构的黄原胶对新鲜面团及冷冻30 d 面团黏弹性的影响Fig.2 Effect of xanthan gum with different molecular structures on viscoelasticity of fresh dough and frozen dough for 30 days

面团G′值表示样品的弹性,即面团因弹性形变而储存的能量；面团G″值可以用来表示样品的黏性大小,即面团因黏性形变而损失的能量[18]。由图2 可知,所有面团的G′值均大于G″值,这表明面团的弹性模量占主导地位；不同分子结构黄原胶的添加均增加了面团的G′值和G″值,这可能是因为黄原胶中含有大量的亲水基团,能够增加面团的吸水性,进而促进了面筋网络的形成或者保护了面筋网络免受冷冻的影响。另外,含有原始黄原胶的面团G′值和G″值始终是最高的,其次是含有LMWXG 的面团,这可能是因为原始黄原胶的支链度较小（见表1）,更多的亲水基团暴露于分子表面,所以含有原始黄原胶的面团的吸水性最好,进而可以有效保护面筋网络免受冷冻的影响[13]。

2.2.2 温度扫描结果

面团的流变学特性受到面团各成分之间的相互作用和加热过程的影响,利用温度扫描试验研究添加不同分子结构黄原胶的冷冻面团黏弹性随温度的变化,结果见图3。

图3 不同分子结构黄原胶的添加对新鲜面团及冷冻30 d 面团温度扫描的影响Fig.3 Effect of xanthan gum with different molecular structures on the temperature sweep of fresh dough and frozen dough for 30 days

由图3 可知,在温度扫描范围内,面团的G′值和G″值随温度变化的整体趋势为先降低然后急剧增加,达到峰值后降低,这可能是因为温度的增加促进了面团各成分间的相互作用。在25～60 ℃时,随着温度的升高面团的G′值和G″值下降,这可能是因为温度的升高导致分子动能的增加以及蛋白质弱化[18]。随着温度的继续升高,淀粉颗粒发生膨胀导致体积增加,形成了三维网络结构,因而所有样品的G′值和G″值急剧增加并达到峰值,由图中可知添加黄原胶均降低了G′和G″峰值,添加MMWXG 和LMWXG 的面团效果最显著,这表明MMWXG 和LMWXG 抑制淀粉糊化的效果较好。随着温度的持续增加,所有样品的G′值和G″值开始降低,这是由于温度的增加改变了分子的流动性,使得淀粉颗粒发生崩解,进而晶体结构发生熔化[17]。

2.3 面团热稳定性

面团的热稳定性能够反映出面筋网络结构的稳定性,不同分子结构的黄原胶对面团热性能的影响见图4,面团的热解温度和降解温度见表3。

图4 含不同分子结构黄原胶的面团冻藏前后的TGA 曲线和DTG曲线Fig.4 TGA and DTG curvesof dough containing xanthan gum with different molecular structures before and after frozen storage

表3 面团样品的热解温度（Tp）及降解温度（Td）Table 3 Pyrolysis temperature（Tp）and degradation temperature（Td）of dough samples

面团质量与温度之间的关系,有助于解析不同分子结构的黄原胶对面团热性能的影响[19]。图4a 为质量损失（thermogravimetric analysis,TGA）曲线,表示由于温度升高造成样品的质量损失率,很明显样品的TGA 曲线主要由两个阶段组成[20]。第一阶段是室温至100 ℃,其质量损失是自由水和结合水的损失引起的；由图4 可知,随着温度的继续升高,约300 ℃处出现了二次失重过程,这是由于面筋蛋白中的S—S、O—N 等共价键被破坏,导致面筋蛋白的降解[19]。图4b 是TGA曲线首次求导得到的,即差热重（differential thermal gravimetry,DTG）曲线,表示温度的升高对面团质量损失速率的影响。图4b 中出现的两个峰,分别代表TGA 曲线中的两个失重阶段,也分别对应于热解温度（pyrolysis temperature,Tp）和降解温度（degradation temperature,Td）[21]。由表3 可知,经过冷冻贮藏后的面团,Tp 值明显下降,这表明冷冻贮藏降低了面团的热稳定性,面筋网络结构减弱；与对照组相比,添加黄原胶的面团Tp 值变化较小,这说明黄原胶的存在增强了面筋蛋白与淀粉之间的水合作用[22]。其中,含有LMWXG 的面团Tp 值变化最小,这可能是因为LMWXG 更易于与面筋蛋白淀粉体系发生相互作用。Td值没有明显变化,这说明黄原胶的添加对面筋蛋白淀粉体系的高温稳定性没有影响。

2.4 面包比容的测定结果

冷冻面团面包体积随着冻藏时间的延长而显著下降[3]。因此,利用面包比容来评价不同分子结构的黄原胶添加到冷冻面团面包中的效果见图5。

图5 不同分子结构黄原胶对冷冻面团面包比容的影响Fig.5 Effect of xanthan gum with different molecular structures on the specific volume of frozen dough bread

由图5 可知,对于冷冻贮藏0 d 的面包而言,添加XG 的面包比容略低于对照组面包,即XG 的添加不利于未经冻藏的新鲜面包比容的增加；对于冷冻贮藏15、30 d 的面包而言,添加XG 增加了面包比容且冷冻贮藏30 d 的面包效果更显著。Wu 等[23]研究了黄原胶对冷冻面团面包品质的影响,得出黄原胶的添加降低了新鲜面包的体积；而黄原胶的添加能够增加冷冻面团面包的比容,可能是因为黄原胶含有大量的亲水基团,增加了面团的吸水性,抑制冷冻过程中冰晶的生长速度,帮助面筋蛋白保持完整的网络结构,增加面团保留气体的能力。由图5 可知,添加LMWXG 对新鲜面包和冷冻面团面包的比容改善效果均较好,这可能是由于较短分子链的黄原胶更易与面筋网络发生相互作用,进而在冻藏过程中能够更充分地保护面筋网络结构。

2.5 面包质构特性分析

质构特性是评价消费者接受程度的最直接的指标,也是测量面包变质程度最常用的方法之一[24]。图6 为添加不同分子结构黄原胶对冷冻面团面包硬度和弹性的影响。

图6 不同分子结构黄原胶对冷冻面团面包硬度和弹性的影响Fig.6 Effect of xanthan gum with different molecular structures on the hardness and elasticity of frozen dough bread

由图6a 可知,面包的硬度均随着冷冻贮藏时间的延长而明显增加,弹性随冻藏时间的延长而降低。Lu等[25]和Xin 等[26]也得出了面团经过冷冻贮藏后再进行焙烤得到的面包硬度增加,弹性降低,这与冻藏过程中淀粉回生、冰晶形成、面筋蛋白网络结构的完整性有关[27-28]。由图6b 可知,添加黄原胶对冷冻面团面包的硬度及弹性均有改善,其中LMWXG 对面包硬度的改善效果最好。主要有两个原因,一是LMWXG 分子链较短,能够更好地与淀粉及面筋蛋白发生相互作用,抑制淀粉回生,保护面筋蛋白网络结构；二是较高分子量的黄原胶吸水性较强,争夺面筋网络周围的水分,进而增加面包硬度[29]。

3 结论

本文研究了添加不同分子结构的黄原胶对冷冻面团品质和面包烘焙特性的影响。研究发现,冻藏处理会导致面团品质劣变,进而影响面包的烘焙特性,添加黄原胶可以有效改善冷冻面团和面包的品质。结果显示,添加黄原胶后,面团的发酵速率显著增加（P<0.05）,尤其是冷冻30 d 的效果较明显,其中HMWXG 由于支链度较高、溶解度较好,对冷冻面团发酵速率的改善效果最好。流变学结果显示面团的弹性模量G′和黏性模量G″明显增加,这表明黄原胶的添加可以增强面团的黏弹性,且由于原始黄原胶的支链度较小,可以有效保护面筋网络结构免受冻藏影响,所以含有原始黄原胶的面团G′值和G″值始终是最高的；同时,添加黄原胶后降低了面团的弹性模量G′和黏性模量G″随温度变化的峰值,可能因为中低分子量的黄原胶更易与淀粉发生相互作用,所以MMWXG 和LMWXG 抑制淀粉糊化的效果较好。比容及质构结果显示,添加黄原胶能够显著改善冷冻面团面包的烘焙特性,且含有较低分子量黄原胶的面包品质较好,这是由于较短分子链的黄原胶能够更好地与淀粉及面筋蛋白发生相互作用。

综上,黄原胶的添加能够改善面团品质及面包烘焙特性,较低分子量的黄原胶（1 400 kDa）效果较好,这可能是因为经过超声波处理后降低黄原胶中葡萄糖醛酸的含量,改变支链度,缩短分子链,使得较低分子量的黄原胶能够更好地保护面筋蛋白网络结构的完整性。本研究可为改善冷冻面团面包品质提供一定的理论依据,可降低黄原胶在实际生产中的应用成本。