γ-聚谷氨酸對凍藏面團及饅頭品質的影響

謝新華，毋修遠，仵軍紅，沈 玥，王 娜，張 蓓，徐麗娜

（1.河南農業大學食品科學技術學院，河南 鄭州 450002；2.鄭州市食品藥品檢驗所，河南 鄭州 450006）

冷凍面制品具有安全、方便的特點，但其冷凍貯藏后會引起產品品質的劣變和穩定性下降，如面包與饅頭體積變小，感官效果變差以及貨架期縮短等。凍藏期間面團中水分的重結晶現象和大冰晶的生成，它直接導致了面筋蛋白網絡的劣變，使得面團的持氣能力降低[1]，同時凍藏導致淀粉的結晶度變大，淀粉結構也變得碎片化，使得產品老化程度加速[2]。目前主要是采用冷凍工藝的優化、添加改良劑等方法解決[3-4]。

γ-聚谷氨酸（poly-γ-glutamic acid，γ-PGA）是由谷氨酸組成的多聚體生物可降解高分子材料[5]。有研究發現γ-PGA是有效的冷凍保護劑[6]，其抗凍能力隨分子質量下降而增加[7]，并可提高冷凍面團中酵母細胞的存活率，增強酵母耐凍性能[8]。有研究顯示添加適量的γ-PGA可以提高面團的流變性能，改善面條的品質，使面條更加筋道[9]；γ-PGA能夠使油條硬度減小，吸油率降低，膨脹率增加，組織結構均勻，口感更佳[10]。而γ-PGA在冷凍面團中的應用鮮有報到，為了提高冷凍面團抗凍性及饅頭的品質，采用動態流變儀、流變發酵儀、差示掃描量熱儀、掃描電子顯微鏡、質構儀、核磁共振儀和電子眼對凍藏面團及饅頭的流變學特性、發酵特性、熱力學特性和微觀結構及質構特性、水分分布和孔隙率進行測定，揭示γ-PGA對凍藏面團穩定性及饅頭品質的作用機制，為γ-PGA在冷凍面制品中應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

面粉（蛋白質質量分數11.5%，水分質量分數13.2%）一加一天然面粉有限公司；γ-PGA（食品級） 西安四季生物科技有限公司；高活性干酵母 安琪酵母股份有限公司。

1.2 儀器與設備

DHR-2型流變儀 美國TA儀器有限公司；F4流變發酵儀 法國肖邦技術公司；DSC-214型差示掃描量熱儀 德國耐馳Netzsch公司；Quanta FEG 250型場發射掃描電鏡 美國FEI公司；TA-XA Plus物性測試儀英國Stale Micro Systems公司；Micro MR型核磁共振儀上海紐邁電子科技有限公司；DigiEYE電子眼 英國VeriVide公司。

1.3 方法

1.3.1 冷凍面團制備

以稱取一定質量的面粉基礎，加入50%的純凈水，1.2%干酵母，γ-PGA的添加比例分別為面粉的0%、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%。先將γ-PGA和干酵母溶解于水中，在和面機中依次均勻倒入面粉、水溶液，在和面機中攪拌均勻，面團和好后，為防止面團發酵，迅速切割成30 g/個的面團，滾圓，用保鮮膜包裹，立即放入－40 ℃冰箱冷凍2 h[11]，轉移至－18 ℃冰箱貯存49 d用于分析。

1.3.2 饅頭制備

將制備的冷凍面團在25 ℃解凍，而后在相對濕度為83%的發酵箱中發酵40 min，蒸制25 min，然后在室溫下冷卻1 h后用保鮮膜包覆，室溫下保存待用。

1.3.3 面團流變學特性測定

將制備的冷凍面團在25 ℃解凍，采用流變儀測定面團動態流變學特性。參數設置：平板直徑40 mm，夾具間隙1.2 mm，掃描頻率為0.01～100 Hz，應力1%，溫度為25 ℃[12]。

1.3.4 面團發酵特性的測定

采用F4流變發酵儀進行測定，將制備的冷凍面團在25 ℃解凍后迅速置于發酵籃中，按照操作規程進行測定。測定條件為：面團質量315 g，測定溫度35 ℃，測試時間3 h，面團上砝碼質量2 000 g[13]。

1.3.5 面團凍結融化焓測定

取冷凍面團約10 mg置于DSC坩堝中，空坩堝作參比，氮氣為載氣。測試參數：降溫至－30 ℃，并在該溫度下保持5 min，以5 ℃/min的速率升溫至30 ℃，每個樣品3 個平行，測定冷凍面團的凍結融化焓[14]。

1.3.6 面團微觀結構觀察

所有樣品冷凍干燥后表面噴金，通過掃描電鏡進行觀察[15]。

1.3.7 饅頭質構的測定

采用TA.XT plus物性測試儀對饅頭的質構進行測定。取饅頭中間部分做成厚2 cm、直徑2 cm的圓柱狀，測定硬度，重復測試3 次取平均值。質構儀的操作模式及參數設定為：TPA模式；P/50R探頭；測前速率1 mm/s；測試速率2 mm/s；測后速率2 mm/s；壓縮率75%；感應力5 g。

1.3.8 饅頭水分分布的測定

采用Micro MR型核磁共振儀測定弛豫時間T2。參數設置：共振頻率為22 MHz，磁體溫度為32 ℃，90°脈沖時間為18 μs，180°脈沖時間為36 μs，采樣點數為416 616，模擬增益RG1為20，模擬增益RG2為3，累加次數為32，回波個數為5 000，數字增益為3[16]。

1.3.9 饅頭孔隙率的測定

用電子眼對饅頭片進行拍照并保存圖像，采用Photoshop軟件在饅頭片中心處剪切出長寬都為5 cm的饅頭圖像，用MATLAB軟件對圖像進行處理并得出孔隙率[17]。

1.4 數據處理

用SPSS 22.0對數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 γ-PGA對面團流變學特性的影響

如圖1所示，新鮮面團及凍藏面團解凍后在頻率0.1～100 Hz范圍內，面團的儲能模量G’和損耗模量G’’均隨頻率增加逐漸增大，且是G’始終大于G’’的黏彈性體系，顯示面團是類固體狀態。隨著γ-PGA添加量的增大，面團的G’和G’’逐漸增大，且當添加量為0.7%時G’和G’’最大，而比新鮮面團的G’和G’’低，說明凍藏降低了面團的黏彈性，添加γ-PGA能夠使面團的彈性和黏性增強，這可能是凍藏過程中冰晶重結晶破壞了面筋蛋白網絡結構，使蛋白二級結構改變引起面筋蛋白黏彈性變化，而添加的γ-PGA有較強的吸水性，抑制了面團中冰晶的重結晶，保護了面團網絡結構，抑制了蛋白二級結構變化，減弱了凍藏對面團中蛋白體系的破壞[18]，說明γ-PGA有效減緩了凍藏引起的面團體系流變性的劣變。

圖1 γ-PGA對冷凍面團體系流變學特性的影響Fig. 1 Effect of γ-PGA on the rheological properties of frozen dough system

2.2 γ-PGA對面團發酵特性的影響

圖2 γ-PGA對面團發酵高度的影響Fig. 2 Effect of γ-PGA on dough fermentation height

由圖2 可知， 經過凍藏的面團在發酵初期（0～50 min）的發酵高度均迅速增大，并且在整個發酵過程中添加γ-PGA的面團發酵高度均高于對照組，而低于新鮮面團的發酵高度，這顯示凍藏降低了酵母的活性，而γ-PGA提高了酵母細胞的活性，這是由于γ-PGA吸附在酵母細胞表面，可以抑制細胞表面冰晶的形成和重結晶，從而減小冰晶體對酵母細胞的機械損傷，使酵母細胞形狀完整，保持較高的活力[19]；當發酵時間為80 min時，面團的發酵高度達到最大，且添加0.7%γ-PGA的面團最高。隨著發酵時間的延長，各組面團的發酵高度又呈下降的趨勢，其原因可能是發酵過程中有氣體溢出。由圖3可知，在發酵60 min內添加γ-PGA的面團的持氣量都高于對照組，而低于新鮮面團，且添加量為0.7%時持氣量最大，這是由于γ-PGA的加入增強了面團的網絡結構，保留了更多的氣體[20]。

圖3 γ-PGA對面團持氣量的影響Fig. 3 Effect of γ-PGA on dough gas-holding capacity

2.3 γ-PGA對面團凍結熔化焓的影響

表1 凍藏后冷凍面團的熔化焓Table 1 Melting enthalpy of frozen dough at different times of frozen storage

由表1可知，冷凍面團在－18 ℃貯藏時間越長，熔化焓越大，49 d后熔化焓增加了12.42%。冷凍面團的熔化焓可以反映可凍結水含量，液態水凍結成冰后體積增加，對淀粉分子、蛋白質分子結構產生擠壓，引起面團網絡結構破壞[21]。隨凍藏時間延長，面團的熔化焓增大，這可能是因為在凍藏貯存過程中重結晶使游離水分增加引起的；隨γ-PGA添加比例的增加，熔化焓降低，添加0.7%γ-PGA的面團的熔化焓最低，這說明γ-PGA添加至面團中，結合了更多的自由水，從而降低了可凍結水的含量，使冰晶體產生的損害減小[22]。

2.4 γ-PGA對冷凍面團微觀結構的影響

由圖4可知，冷凍面團在－18 ℃貯藏49 d后，面團結構松散，孔洞不均勻，出現較多的空洞，面筋蛋白發生斷裂，淀粉顆粒從包裹的結構中裸露分離，這可能是因為在面團中可凍結水分較多，形成的冰晶體較多，在凍藏過程中出現的重結晶也會造成冰晶體的增大[23]。隨著γ-PGA添加量增大，面團孔洞變小、變均勻，使淀粉顆粒更加牢固的嵌入面筋基質中，這可能是因為γ-PGA的羧基與水分子及面筋蛋白結合，限制了水分子的遷移，降低了重結晶的程度，避免了冰晶體的重結晶對面筋質構的破壞，加強了面筋網絡結構，使冰晶體對面團的機械損害降低[24-25]。

圖4 凍藏49 d后冷凍面團微觀結構Fig. 4 Microstructure of frozen dough after 49 days of frozen storage

2.5 γ-PGA對饅頭硬度的影響

圖5 γ-PGA對饅頭硬度的影響Fig. 5 Effect of γ-PGA on hardness of steamed bread

由圖5可知，饅頭的硬度隨γ-PGA添加量的增大而降低，但各組隨貯存時間的延長而增大，且當面團中γ-PGA添加量為0.7%時饅頭的硬度最小。貯藏5 d時添加0.7%γ-PGA的饅頭的硬度比對照組降低21.7%，這是因為γ-PGA的羧基與淀粉分子形成氫鍵，阻礙了淀粉分子間氫鍵的形成，抑制了小麥淀粉的重結晶，延緩了小麥淀粉的老化[26]，同時γ-PGA與水分子和面筋蛋白結合，抑制了水分的流動[27]。

2.6 γ-PGA對饅頭水分分布的影響

饅頭水分子弛豫時間T21、T22、T23以其對應峰面積占比表示，分別表示為A21、A22、A23。由表2可知，隨饅頭凍藏時間延長，對照組結合水含量無顯著變化，弱結合水含量顯著下降，自由水含量顯著上升。添加0.7%的γ-PGA使饅頭中自由水增大趨勢被遏制，貯藏5 d后只增加1.08%，遠小于對照組，同時優于0.3%添加組，弱結合水含量在饅頭貯藏期間無顯著變化，說明γ-PGA有效減弱了弱結合水向自由水的轉化，這是因為γ-PGA含有大量羧基能較好吸附自由水，同時γ-PGA陰離子基團與饅頭中面筋蛋白和淀粉可能產生相互作用，形成多肽-面筋蛋白復合網絡及羧基與淀粉分子形成氫鍵，限制水分的流動[28-29]，降低了饅頭貯藏過程中的水分流動性。

表2 γ-PGA對饅頭水分子弛豫時間對應峰面積占比Table 2 ffects of γ-PGA on relaxation times and corresponding peak areas in steamed bread

表2 γ-PGA對饅頭水分子弛豫時間對應峰面積占比Table 2 ffects of γ-PGA on relaxation times and corresponding peak areas in steamed bread

γ-PGA添加量/% 凍藏時間/d A21/% A22/% A23/%0 0 12.89±0.24a 84.39±0.35a 2.72±0.41c 1 12.42±0.67a 83.71±0.42b 3.87±0.35b 3 11.83±0.32a 83.32±0.28b 4.85±0.28a 5 11.62±0.28a 83.38±0.47b 5.00±0.56a 0.3 0 11.57±0.51a 85.68±0.65a 2.75±0.43d 1 11.33±0.38a 85.61±0.43a 3.06±0.32c 3 11.28±0.64a 85.10±0.35b 3.62±0.46b 5 11.18±0.71a 84.73±0.51b 4.09±0.36a 0.7 0 11.74±0.31a 86.10±0.65a 2.16±0.22c 1 11.25±0.45a 86.18±0.42a 2.57±0.21b 3 11.10±0.29a 85.85±0.58a 3.05±0.11a 5 11.29±0.52a 85.47±0.23a 3.24±0.28a

2.7 γ-PGA對饅頭孔隙率的影響

圖6 貯存1 d后各組饅頭的原圖和孔隙分布圖Fig. 6 Electronic eye images and pore distribution of steamed buns with different amounts of γ-PGA after 1 day of storage

圖7 貯存5 d后各組饅頭的原圖和孔隙分布圖Fig. 7 Electronic eye images and pore distribution of steamed buns with different amounts of γ-PGA after 5 days of storage

由圖6、7可知，隨著貯存時間的延長，饅頭的孔隙率增大。隨著γ-PGA添加量的增大，饅頭的孔隙率先減小后增大且添加0.7%γ-PGA的饅頭的孔隙率最小。貯存1 d后饅頭的孔隙率由對照組的20.16%降至13.03%，貯存5 d后孔隙率由對照組的28.46%降至17.92%，說明γ-PGA能夠使饅頭的組織結構更均勻，這可能是因為γ-PGA增強了饅頭的網絡結構，避免饅頭中大空洞的形成，有助于保留更多氣體[30]。

3 結 論

隨著γ-PGA添加量的增大，凍藏面團的G’和G’’逐漸增大，且當添加量為0.7%時G’和G’’達最大，說明γ-PGA抑制了面團中冰晶的重結晶，保護了面團網絡結構，提高了面團的流變性；添加γ-PGA的面團發酵高度均高于對照組，顯示γ-PGA抑制酵母細胞表面冰晶的形成和重結晶，減少了冰晶對細胞的機械損傷，保持了其活力；隨凍藏時間延長，面團熔化焓增大，凍結水含量增多，隨γ-PGA添加比例的增加，熔化焓降低，顯示γ-PGA結合較多自由水，降低了可凍結水的含量，減小冰晶體的損害；γ-PGA使面團孔洞變小、均勻；隨貯藏時間延長，γ-PGA降低了饅頭的硬度，說明γ-PGA延緩了小麥淀粉的老化；γ-PGA抑制了弱結合水向自由水的轉化，降低了饅頭貯藏過程中的水分流動性增大，由此顯示在面團中添加0.7%γ-PGA抑制了凍藏導致的面團劣變，延長了饅頭保質期。