超聲無損檢測技術在面團品質評價方面的研究進展

張 甜 羅登林, 2 張康逸 黃繼紅 徐寶成,2 李佩艷,2 李 璇,2

(河南科技大學食品與生物工程學院1，洛陽 471023)(河南省食品原料工程技術研究中心2，洛陽 471023)(河南省農業科學院農副產品加工研究中心3，鄭州 450008)(河南工業大學生物工程學院4，鄭州 532927)

檢測超聲指聲強低于1 W/m2且頻率在100～200 kHz的聲波，也稱低功率超聲。這種超聲在傳播過程中不會對物質的物理化學特性產生影響，因此被用作聲學特性分析。超聲無損檢測技術主要是通過分析超聲在物質中的傳播速度、衰減系數、反射和衍射信號等參數，來獲得物質表面和內部結構等性狀。由于其具有非侵入性、快速和簡便等優勢，已被廣泛應用于研究光學不透明的體系，比如無機和有機材料、生物體和食品等領域[1, 2]。近年來，人們開始利用超聲來分析面團的結構和性質以及原料種類、配方和加工條件對面團品質的影響等方面。

當超聲波在面團中傳播時，通過測量透射或者反射聲波在面團中聲速和聲衰減值的變化，來獲得面團的力學性能和微觀結構，并借助理論或者經驗模型來進行預測[3]。由于超聲信號對面團中所含的氣泡非常敏感，所以可以借助其參數變化來表征氣泡的特點，特別是在測定氣泡大小時，可根據一定頻率的寬帶而得到超聲的相速度和衰減系數，從而確定氣泡的大小和分布狀況[4]。Mehta等[5]研究發現，超聲的相速度隨著面團混合時間的延長而急劇下降，而起酥油的加入則會引起面團聲衰減系數的明顯變化[6]。Koksel等[7]發現隨著鹽添加量的減少，面團的聲衰減系數增大，氣體含量增加和氣泡半徑減小。Braunstein等[8]發現富含膳食纖維的面團與不含膳食纖維的面團的超聲衰減系數存在明顯差異，可根據這種差異來鑒別面團中膳食纖維的存在與否。Peressini等[6]利用檢測超聲對不同配方的小麥粉面團進行了評價，證明超聲(0.3～0.5 MHz)具有對面團流變學和面包質量的預測能力。超聲檢測技術還被應用于區分不同種類的小麥粉以及研究無麩質面團的性質(米粉面團)等方面[1, 9-12]。此外，面團的水分含量、混合時間、混合時輸入功的多少以及松弛時間等均會對超聲在面團中的傳播特性產生明顯影響，根據這種特性可借助檢測超聲來判斷面團合適的加工工藝[13-16]。

面團作為一種復雜的體系，其功能與性質決定了最終面制品的品質，因此了解其內部結構特點對預測最終產品的品質具有重要的意義。本文主要介紹了超聲無損檢測技術的原理和特點，在此基礎上綜述了其在研究面團中氣泡的大小與分布、區分不同種類小麥粉、分析不同配方和加工條件對面團性質的影響等方面的應用現狀，以期為面團品質評價提供一種快速、無損、可靠的新策略。

1 超聲無損檢測技術的原理和特點

超聲無損檢測技術是建立在通過收集超聲波的幾個主要特征參數(聲速、衰減系數和聲阻抗等)從而反映食品體系的物化特性，包括組成、質構、黏彈性和流變學特性等物理指標。這種關聯主要通過兩種方法建立：一是通過建立測定的超聲特征參數與食品物理參數的比例關系并建立關系曲線；二是從理論上用方程描述超聲通過介質后發生的性質變化，以對食品體系的性質進行定性描述[17]。超聲無損檢測評價面團品質的實驗裝置如圖1所示，該裝置包括信號發生器、兩個超聲波換能器、數字示波器、功率放大器和信號放大器。實驗過程中將厚度和類型相同的面團樣品放在兩個對齊的換能器之間，根據接收器處與發射器處的聲相位和幅度變化差異以確定超聲的速度和衰減，然后與傳統分析方法進行比較，獲得超聲聲學參數值與面團品質變化之間的關聯，注意在實驗過程中應盡量采用薄的樣品和機械定位系統以保證測量的準確性[11, 18]。

圖1 超聲無損檢測實驗裝置

超聲檢測脈沖信號在通過面團樣品傳播時，其聲學特性(速度和衰減系數)受面團性質的影響。通過收集超聲在面團中傳播后的數據，可以得到面團力學特性的信息，同時反過來也能夠預測面團的質量[19]。縱波通過面團的速度(V)取決于振幅和相位的變化(Δφ)，見式(1)，面團的衰減系數(α)是指超聲通過面團時振幅減小的程度，見式(2)[1]。

(1)

(2)

式中：L為樣品厚度；ω為角頻率(ω=2πf)；AI和AS分別為入射時的振幅和傳輸時的振幅。

當檢測超聲在面團中傳播時，食品的聲學特性和內部組織變化對其傳播特性會產生影響，通過測定超聲脈沖信號經過介質時的聲速以及振幅衰減等參數值來了解面團性質以及其結構的變化[20, 21]。由于傳統檢測技術在面制品分析方面通常是離線，存在檢測速度慢、無法適時提供生產線上的基礎流變學信息等明顯缺陷，導致分析結果滯后。而超聲無損檢測技術具有非破壞性、快速、精準、低廉等突出特點，在不透明面團這種體系的分析方面已顯示出顯著的優越性。

2 超聲無損檢測技術在面團中的應用

2.1 面團的特點

面團屬于一種同時具有黏性和彈性的黏彈體，它由高度可壓縮的成分(氣泡)和本質上不可壓縮的成分(面團基質)組成，其結構、物理性質以及流變學性質與原料、配方(含水量、酵母添加量和鹽)和加工條件(和面時間、發酵時間)等密切相關。因此，如何通過分析小麥面團的特性來獲取其原料和配方的組成、加工方法是面制品工業研究的一個方向。目前常見的方法包括化學法和光譜法來分析面筋蛋白的質量和數量[22]；通過拉伸和剪切測試來測量面團的流變特性等[23, 24]。然而這些方法所得到的數據不能轉變為定義明確的物理量，這會增加對結果分析的難度。另外，這些方法耗時和具有破壞性，不能及時提供在線檢測的面團特性參數值。

2.2 面團氣泡的分析

在面團制作過程中，由酵母產氣形成的氣泡大小和分布對面團的體積、質構以及流變學均有著重要的影響[25]。面團氣泡微觀結構的分析方法常見的有：光學顯微鏡、常規臺式X射線微斷層掃描、同步X射線微斷層掃描、磁共振成像以及共聚焦激光掃描顯微鏡[26-29]，但是這些方法耗時且不能在生產過程中實現在線檢測。超聲無損檢測則可以通過及時收集超聲透過面團傳播后的參數值(如相速度和衰減系數)來確定氣泡的大小和分布[30, 31]。

Koksel等[7]發現隨著混合時間的延長，面團中氣泡的數量和半徑均會增加，這會引起超聲的相速度急劇下降和聲衰減系數顯著增大。Valentin等[31]對特征良好的發膠凝膠模型和瓊脂凝膠模型進行了實驗驗證，以此來評估生面團樣品中氣泡的平均半徑和分布，研究觀察到超聲的相速度、衰減峰值以及出現峰值的位置均隨面團混合時間的變化而變化，但借助X-射線衍射分析所得結果有所區別，其原因可能是因為面團樣品在處理過程中的標準不同。超聲測量的樣品需經過壓縮得到0.3 mm的切片，而X-ray的樣品卻沒有壓縮到相同的厚度。

Strybulevych等[32]運用超聲分別研究了在發酵和未發酵的面團中氣泡的大小和分布，發現在未發酵的面團中因為氣泡的共振，對于不同混合時間的面團，超聲的相速度和衰減系數均發生了明顯的變化。超聲頻率在2 MHz左右時均出現衰減峰值，并且隨著時間的延長，氣泡的寬度和半徑均有所增加，但衰減峰值的高度與出現衰減峰值時的最大頻率不成線性關系。面團發酵時間在5～10 min時，超聲衰減峰值的高度減小，出現衰減峰值時的頻率增大，其原因是因為在發酵初始階段，酵母消耗氧氣使面團的體積縮小，隨著發酵時間的延長，酵母發酵產生CO2，導致氣泡半徑增加而引起聲衰減值的增大。Koksel等[7]借助超聲無損檢測技術對谷蛋白、淀粉以及含水量不同的無酵母谷蛋白—淀粉混合面團(G-S)進行了分析，結果顯示對于所有G-S混合面團，超聲的相速度和衰減系數的峰值都與超聲頻率有關，這符合低頻率超聲更易引起氣泡共振原理。隨著谷蛋白含量的增加，超聲衰減系數峰值出現的頻率隨之增加，這是因為在混合過程中面筋含量影響了面團中氣泡的平均半徑，水分對氣泡大小和分布的影響與其對面團流變學性質的影響相互抵消，因此不同含水量面團的衰減系數的峰值位置沒有明顯的變化。Kerhervéa等[4]也證實，超聲信號對含不同大小和分布氣泡的面團非常敏感。

2.3 小麥粉種類的區分

小麥粉是制作面團的最基礎原料，其品質是影響面團性質的主要因素。小麥粉中的蛋白質是決定最終成品口感、比容及表觀狀態的重要因素，其中面筋蛋白的含量及質量對面團品質的影響最大[33]。研究發現，超聲在由低筋小麥粉制成的面團中具有高衰減、低聲速的特點，而在高筋小麥粉中則恰恰相反，這說明超聲無損檢測技術具有快速區分小麥粉品質的巨大潛力[11, 18]。

Garcia-Alvarez等[11]用30余種不同的小麥粉制作成稠度相對恒定的非發酵面團樣品(消除水分對超聲測量的影響)，以超聲衰減系數和聲速為分析指標，對不同種類的小麥粉進行了比較，研究發現用于制作餅干的弱低筋小麥粉具有高衰減、低聲速的規律，而制作面包的強高筋小麥粉則相反；而對一些面筋含量相似的面粉，超聲的衰減系數是相近的。此外，通過粉質拉伸儀區分面包面粉和餅干面粉得到的數據與超聲測量得到的數據比較，發現兩種方法結果相似，但均只能區分部分小麥粉，無法完全將其分類。García等[18]利用超聲無損檢測技術對35種不同的非發酵小麥粉面團進行了更進一步的研究，得到所有樣品的速度和衰減值。說明超聲在面團樣品中的衰減與聲速成反比。用于制作餅干的面團具有相對較低的稠度，衰減值較高但聲速值較低；用于制作切片面包的面團具有較低衰減值和較高聲速的特點；普通面團可能是因為由不同品種的普通小麥粉所制作，具有較寬泛的黏稠度。在用于制作切片面包的面團中，超聲的衰減與面團的穩定性、糊化溫度以及淀粉糊化過程中達到最大黏度時的溫度有關。當測量這類具有較高稠度的面團樣品時，超聲速度比衰減系數更敏感。在用于制作餅干的面團中，超聲的衰減系數與面團的穩定性有關，在測量這類較低稠度樣品時，衰減系數比超聲速度更敏感。此外，研究還發現超聲速度對由蛋白酶導致的面團軟化現象也比較敏感[18]。

Salimi Khorshidi等[9]研究發現在區分不同品類的小麥粉時，超聲的最佳頻率為10 MHz，其主要原因有兩個：一是與其他超聲頻率相比，在10 MHz時超聲的衰減值最小；二是使用面粉調混自動記錄儀和粉質拉伸儀得到的參數與在10 MHz下超聲測得參數之間存在最高的相關系數，發現在10 MHz時，面團中蛋白質-淀粉網絡結構的強弱與使用混合儀所得參數以及超聲檢測得到的參數之間存在聯系，比如：其與混合公差指數、衰減系數呈負相關，與超聲速度、面團穩定性、面團發酵時間、面團崩潰時間以及貯能模量呈正相關。Diep等[34]也發現，超聲速度和衰減系數對由不同加拿大小麥制成的亞洲生面條之間的差異性也非常敏感。

2.4 配料對面團品質影響方面的分析

鹽是面團加工過程中的重要原料，它可以減緩酵母的發酵速度，增加面筋蛋白的粘彈性和延伸性，改善面制品的風味，有效防止面團中水分的流失并抑制雜菌的生長[35]。在分析鹽對面團物理性質的影響方面，超聲無損檢測技術也顯示出潛在應用前景。Garcia-Alvarez等[11]用3種小麥粉制作了5種含鹽量不同的面團，研究發現隨著鹽含量的升高，超聲速度呈先降低后增高的趨勢，而超聲衰減系數的變化規律則剛好相反。Mehta等[5]利用超聲技術研究了起酥油添加量對面團性質的影響，發現與空白組相比，添加了起酥油的面團其超聲聲速顯著降低，由未添加前的165 m/s降至105 m/s，這表明超聲聲速對面團和面過程中面團基質的特性變化以及起酥油對面筋聚合物的增塑敏感。為了排除氣泡的影響，研究人員在真空中做了同樣的研究，發現與常壓下混合的面團相比，在真空中混合的面團的超聲速度較高且隨混合時間的變化下降幅度較小，這是因為在真空中混合的面團氣泡含量遠小于在空氣中混合的。總體來說，加入起酥油后超聲聲速呈下降趨勢，這可能是由于起酥油的加入降低了面團基質的縱向模量，其機理與添加起酥油會降低面團的剪切模量相同[37]。在這兩種條件下制作的面團其聲衰減系數變化沒有聲速變化明顯，但整體呈增加的趨勢，這種現象解釋為起酥油與面團中的水合蛋白質聚合物之間的相互作用而引起面團性質發生了變化。

Peressini等[6]采用超聲技術對6種不同配方的面團進行了研究，結果顯示不含菊粉的面團樣品的衰減系數峰值均出現在頻率1～2 MHz之間，且與高頻處相比，在低頻處的超聲速度和衰減系數較低，這歸因于面團在混合期間產生了氣泡，進而引起低頻率共振現象[31, 32]。對于含有菊粉的面團樣品，雖然它們的混合時間不同，但都具有在較高超聲頻率下聲速持續上升而衰減系數在達到峰值后下降的規律，這可能是因為菊粉的添加引起了面團中氣泡平均直徑減小或者面團的流變學性質發生了變化。在由氣泡引起的共振和高頻超聲條件下，添加膳食纖維會導致面團的衰減系數發生變化，說明在面團密度不大且氣體含量相似時，膳食纖維改變了面團基質的性質[8]。

Lee等[13]利用超聲無損檢測技術研究了由小麥粉和水制成的生面團的流變性質，結果表明面團含水量對超聲速度和衰減系數均有影響，含水量最低的面團具有最大的超聲衰減值和最小的聲速。Letang等[14]運用超聲檢測技術研究了含水量不同的面團在不同超聲頻率下的速度、衰減系數、彈性模量和損耗模量的變化，發現在超聲頻率為4.5 MHz時，聲速和衰減系數均與面團的含水量呈線性關系。在低頻下(2～3 MHz)，對含水量較高的面團其超聲衰減值的變化幅度相對較小，而對含水量較低的面團其超聲速度較大且損耗模量增加顯著[38]。Elfawakhry等[39]也發現超聲聲速隨面團中含水量的增加而下降，面團中礦物質含量的增加也會導致聲速的下降，通過擬合發現超聲剪切模量和流變學剪切模量之間存在線性關系，這證明了超聲在分析面團流變學特性方面的可行性。

2.5 加工條件對面團品質影響方面的分析

不同的加工條件會影響面筋網絡結構的形成、面團流變學性質和氣體含量及分布等，因此，可根據這種變化借助超聲無損檢測技術來預判面團合適的加工工藝參數。Skaf等[40]分析了超聲在不同溫度下發酵面團中的傳播相對延遲和振幅，結果發現在不同發酵溫度下，超聲達到相對延遲的峰值所需時間不同但峰值相同，這說明超聲的相對延遲和歸一化振幅與發酵溫度無關，而與面團中氣體含量有關，并隨發酵時間的增加相對延遲先增加后減小，且這一規律不受酵母添加量的影響。這是因為在發酵初期階段，酵母發酵糖產生大量二氧化碳使面團膨脹，密度減小，超聲的相對延遲逐漸增加；當面團膨脹到最大程度時，超聲的相對延遲變得穩定；隨著發酵時間的進一步延長，面團的面筋網絡被破壞，體積縮小，超聲的相對延遲下降。另外，超聲的歸一化振幅也發生了變化。面團在膨脹過程中產生氣泡引起了超聲信號的衰減，導致歸一化振幅迅速減小；當面團達到最大膨脹度時，歸一化振幅變得穩定；但當面團體積縮小時，超聲的歸一化振幅繼續減小，這說明歸一化振幅不僅受到面團中氣體含量的影響，而且還受到面團本身彈性特性的影響。

Garcia-Alvarez等[11]為了能準確地預測面團的最佳發酵點，探討了超聲聲速和衰減系數與面團混合時輸入功大小之間的關系，研究發現隨面團混合輸入功的增加，超聲衰減值增加，這可能是因為隨著面團混合時間的延長，氣體含量隨之增加從而導致面團密度下降的緣故。隨面團混合輸入功的增加，超聲聲速在不同面筋面團中的值存在顯著差異：在低筋面團中聲速是持續增大的，而在高筋面團中卻持續下降的，但在中筋面團中則呈先減小后增大的趨勢。Letang等[14]發現超聲聲學參數對過度混合的面團十分敏感，在低頻率下面團的過度混合會導致超聲速度和損耗模量的顯著增加，這與面團稠度在過度混合時的變化趨勢相同。此外，隨著混合時間的增加，含水量較少面團的超聲聲速和衰減值均會增加，但含水量較多面團的聲速值和衰減值變化卻剛好相反，尤其是聲衰減值下降更明顯。Kidmose等[41]發現當面團混合時間超過最佳時間時，聲速值會下降，這可能是因為當面團過度混合時，面團中二硫鍵和多肽亞基被破壞，產生了較多小分子而導致面團結構弱化[42]。

3 結論與展望

超聲無損檢測技術在分析不透明物體的內部結構方面具有非破壞性、快速、低廉的明顯優勢，而面團作為一種非透明的黏彈體，在聲阻抗方面易于實現與超聲的有效耦合。由于超聲信號對面團的物理性質具有高度的敏感性，因此可通過測定超聲聲速、衰減系數和聲阻抗值等主要特征參數值來了解面團中氣泡的大小和分布，區分小麥粉的種類，分析不同原料和加工條件對面團性能的影響。

雖然超聲無損檢測技術在面團分析方面取得了一定的進展，但還應在3個方面加強研究：1)建立超聲聲學參數與面團物理性狀之間的關聯，完善超聲在面團體系中的聲學參數值數據庫；2)明確在超聲無損檢測過程中面團氣泡的大小是否與壓縮程度有關，建立超聲檢測模型用以分析氣泡的大小和分布及其在面包制作過程中的演變；3)提高超聲無損檢測技術在區分小麥粉種類、預測面團最佳發酵點、確定科學和面方式和和面時間以及分析面團的配方組成等方面的準確性和可靠性。隨著超聲聲學參數數據的收集與處理技術的不斷完善，超聲無損檢測技術將作為研究面團結構和物化性質的有效手段，并在面團加工全過程監控方面發揮出越來越重要的作用。