磁場處理對面團發酵特性的影響及作用機制

張艷艷，張斯琦，孫萌輝，劉興麗，張 華,*

（1.鄭州輕工業大學食品與生物工程學院，河南 鄭州 450001；2.鄭州輕工業大學 食品生產與安全河南省協同創新中心，河南省冷鏈食品質量安全控制重點實驗室，中原食品實驗室，河南 鄭州 450001）

饅頭是將小麥面粉、水和酵母混合制成發酵面團，經過蒸煮而制成的食品[1]。發酵是饅頭加工過程中的重要環節，會影響產品的口感、色澤、香氣、質地。研究發現，面團的水分分布與面筋蛋白的分子結構對面團的發酵能力至關重要，進而影響饅頭的品質[2]。因此，發酵過程中面團水分分布以及面筋蛋白網絡結構變化規律與饅頭品質的作用關系一直是學者們關注的熱點問題。

磁場具有對食品的穿透性高且不與食品接觸的優點，作為一種新型的非熱加工技術，多用于果蔬保鮮、殺菌、肉類保藏。目前，磁場已被用于葡萄酒的陳釀過程中，經磁場處理后不僅會加速葡萄酒陳釀，且不會破壞葡萄酒中原花色素的含量，這是由于酒中的極性分子在磁場作用下，極性鍵能減弱，加速反應的進行[3]。也有研究表明，低頻磁場能通過加速酵母細胞中的葡萄糖消耗縮短發酵時間[4]。Hu Rui等[5]研究了磁場對牛肉冷凍過程的影響，結果表明，與傳統冷凍相比，磁場冷凍處理對牛肉二級結構的負面影響更小。同時在傳統冷凍處理下強結合水峰面積（T21）消失，這是由于冷凍處理后形成的冰晶過大，從而導致牛肉組織被破壞以及結合水的固定能力降低，磁場冷凍處理后T21沒有消失，表明磁場處理減少了水分的遷移。Wang Ting等[6]研究發現，在冷凍處理后自旋-自旋弛豫時間T2曲線右移，果泥中水的流動性增強，冷凍貯藏42 d后，傳統冷凍方式與磁場處理強結合水橫向弛豫時間的峰面積百分比（A21）分別下降至2.3%、88%，表明磁場處理能有效延緩水分的遷移。Zhou Hongling等[7]研究了磁場輔助冷凍對面團的影響，結果表明，磁場處理后面團中的結合水向弱結合水和自由水的轉化減少，表明磁場處理會抑制面團水分的遷移。并且在冷凍過程中冰晶的形成會引起二硫鍵的斷裂和谷蛋白聚合物（glutenin macropolymer，GMP）的解聚，經磁場處理后GMP解聚減少了24.26%，表明在磁場作用下面筋蛋白結構更穩定。綜上所述，磁場處理對水分的物態變化、酵母活力、蛋白的分子結構等均有顯著影響。由此可知，磁場對改善面團的發酵過程有重大的應用潛力。因此，研究磁場工作參數對面團的發酵特性、水分分布、面筋蛋白網絡結構的形成規律以及對饅頭最終品質的影響對開發高品質的中式美食有重要意義。

本研究擬采用靜磁場輔助面團發酵，研究磁場強度對面團的發酵力、水分分布、水分均勻度及面筋蛋白分子結構的影響規律，揭示磁場提高面團發酵特性和饅頭品質的作用機制，為傳統中式面點食品的品質提升和加工新技術提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥粉 鄭州金苑面業有限公司；酵母 安琪酵母股份有限公司；鹽 河南省衛群多品種鹽有限公司；硫酸（分析純）國藥集團化學試劑有限公司；氯化鈉天津市大茂化學試劑廠。

1.2 儀器與設備

MF50磁場試驗箱 英都斯特（無錫）感應科技有限公司；TA.XT plus質構儀 英國Stable Micro Systems公司；NM-120低場核磁共振分析儀 上海紐邁電子科技有限公司；BWS465-785Si-Saman便攜式拉曼光譜儀美國BWTEK公司；AL-240電子分析天平 梅特勒-托利多（上海）有限公司；LGL-50FD冷凍干燥機 北京松源華興科技發展有限公司；發酵力測定裝置由實驗室自制。

1.3 方法

1.3.1 面團的制備

將300 g小麥面粉、3 g酵母和135 mL水混合后攪拌均勻，將混合好的面糊放在和面機中以1擋速度（48 r/min）和面10 min，將攪拌好的面團放在軋面機中軋6 次，將壓制好的面團裝入保鮮袋中備用。

磁場輔助發酵：制備好的面團裝入保鮮袋放入磁場實驗箱，設置發酵時間1 h，發酵溫度30 ℃，磁場強度分別設置為0、0.5、1.0、1.5、2.0 mT。

1.3.2 饅頭的制備

參照劉長虹等[8]的方法并稍作修改。將發酵好的面團分成100 g/份，揉至成型，在鍋中加入2 L冷水，大火汽蒸30 min。

1.3.3 面團發酵特性的測定

參照GB/T 20886.1—2021《酵母產品質量要求 第1部分：食品加工用酵母》酵母發酵力的測定方法對面團的發酵力進行測定[9]，并稍作改動。

排出液制備：用量筒量取20 mL濃硫酸，天平稱200 g氯化鈉，加蒸餾水稀釋至2000 mL，然后轉移至2500 mL的小口試劑瓶中[8]。

按圖1對裝置進行連接，當出現第一滴水時開始計錄時間，每10 min記錄一次排水量，進而得到面團的產氣量。

圖1 發酵力測定裝置Fig.1 Schematic diagram of fermentability measurement device

1.3.4 饅頭比容的測定

依據GB/T 21118—2007《小麥粉饅頭》[10]中饅頭比容的測定方法進行測定。蒸制好的饅頭在室溫條件下放置1 h進行冷卻處理，然后對其稱質量m/g，精確到0.1 g；用小米置換法對饅頭的體積V/mL進行測定，精確到5 mL；比容λ計算方法如式（1）所示：

1.3.5 饅頭質構特性的測定

參照李素云等[11]的方法采用質構儀測定饅頭的質構特性，并稍作修改。將冷卻后的饅頭處理成2 cm×2 cm×1 cm的均勻薄片。選用TPA模式，采用P/50探頭進行壓縮實驗。實驗參數：測前速率2.00 mm/s，測試速率1.00 mm/s，測后速率1.00 mm/s，壓縮程度50%，觸發力5 g，壓縮間隔5 s。

1.3.6 面團水分分布的測定

參照劉長虹等[12]的方法采用低場核磁共振儀對面團的水分分布進行測量，并稍作修改。利用Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）脈沖序列測量樣品的自旋-自旋弛豫時間T2。實驗參數：采樣點數152042，回波個數2000，重復掃描次數16，半回波時間0.190 ms。

1.3.7 面團核磁共振成像圖像信息采集及水分均勻度分析

參照張艷艷等[13]的方法對面團進行核磁共振成像處理。分別在不同磁場強度處理面團的6 個部位（面片分3等份，中心部位各取2 塊）選取樣品，切成0.2 cm×0.2 cm×0.2 cm的條狀，放入2.0 mL的離心管中進行測試。實驗參數：層厚8.0 mm，層間隙2.0 mm，重復時間500 ms，回波時間20 ms，采集次數16。不同磁場強度處理下的面團低場核磁共振圖像通過MATLAB進行分析。

以圖片像素點的標準差表征面團水均勻性，其計算公式如式（2）所示：

式中：SD為標準差；Xi為圖片中每一點像素值；為圖片中所有像素點的均值；n為圖片中像素點總數。

1.3.8 面筋蛋白分子結構的分析

拉曼光譜的采集：光譜的測量范圍400～4000 cm-1，激發波長785 nm，積分時間10 s，發射功率為總功率的50%。拉曼光譜中酰胺I帶（1600～1700 cm-1）和500～550 cm-1，分別與蛋白質二級結構和二硫鍵相關，常用于面筋蛋白分子結構的分析[13-14]。

面筋蛋白二級結構的分析：對拉曼光譜酰胺I帶中二級結構進行分析，酰胺I帶拉曼特征峰的結構歸屬：1645～1660 cm-1處峰表示α-螺旋結構；1660～1670 cm-1處峰表示無規卷曲結構；1670～1680 cm-1處峰表示β-折疊結構；1680～1690 cm-1處峰表示β-轉角結構[15]，采用PeakFit軟件對數據進行基線校準、高斯去卷積、二階導數處理，進而計算各二級結構相對含量。

二硫鍵構型的分析：二硫鍵的伸縮振動在500～550 cm-1區域，拉曼光譜特征峰的歸屬：500～510 cm-1處為扭式-扭式-扭式（gauche-gauchegauche，g-g-g）構型，515～525 cm-1處為扭式-扭式-反式（gauche-gauche-trans，g-g-t）構型，535～545 cm-1處為反式-扭式-反式（trans-gauche-trans，t-g-t）構型[16-17]。采用PeakFit軟件對數據進行基線校準、高斯去卷積、二階導數處理，進而計算各二硫鍵構型的相對含量。

1.4 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2016進行數據整理分析，采用Origin 2018進行作圖。通過SPSS 21.0軟件進行顯著性分析（P＜0.05）。所有實驗均重復3 次，取平均值，結果表示為。

2 結果與分析

2.1 磁場處理對面團發酵特性的影響

如圖2所示，面團的發酵力隨發酵時間的延長而增加。在面團發酵過程中施加磁場，其對發酵過程的影響呈先上升后下降的趨勢，在磁場強度為1.5 mT時對發酵力的影響最為顯著。產生這種現象的原因一方面在于磁場處理活化了面團中酵母的活性，磁場處理后酵母細胞中線粒體的形態、結構發生變化，線粒體的形態膨化，數目增加，進而提高了酵母的活性[18]。另一方面是磁場處理提高了面團的產氣能力和持氣能力。面筋蛋白在面團中起支撐作用，與面團的持氣能力密切相關[19]。研究表明磁場處理減緩了GMP的解聚，使得面筋蛋白二級結構向有序化轉變，提高面筋蛋白的穩定性，進而提高面團的持氣能力[7]。

圖2 磁場輔助發酵對面團發酵特性的影響Fig.2 Effect of magnetic field-assisted fermentation on the fermentation characteristics of dough

2.2 磁場處理對面團發酵體積及饅頭比容的影響

從圖3A可以看出，隨著磁場強度的增加，面團的發酵體積呈現先上升后下降的趨勢，在磁場強度為1.0 mT時發酵體積最大，為362 mL，這表明磁場處理提高了面團的發酵體積。其原因可能在于，隨著磁場作用強度的增強，發酵過程中產生的氣態物質被不斷地填滿，在面筋網絡的作用下，氣態物質的累積會引起面團的膨脹，進而引起面團體積的改變[7]。

圖3 磁場輔助發酵對面團發酵體積（A）及饅頭比容（B）的影響Fig.3 Effect of magnetic field-assisted fermentation on dough fermentation volume (A) and specific volume of steamed bread (B)

如圖3B所示，在磁場處理下，饅頭的比容隨磁場強度的增加呈現先上升后下降的趨勢，在磁場強度在1.0 mT時，饅頭的比容為2.24 mL/g，與對照組相比饅頭的比容增加了42.68%。這表明適當的磁場處理可以增大饅頭的比容。饅頭比容增大可能有兩個原因：一是磁場處理可以縮短發酵時間，提高面團的發酵能力從而增大比容[20]。前期研究發現，與對照組相比，靜磁場處理后，釀酒酵母的生長速率有所增加，從而導致面團的發酵時間縮短[21]。二是磁場處理可能影響面團中的水分分布，使得水分分布更均勻，增強了面筋蛋白的網絡結構，使得面團發酵的更充分，饅頭的比容增加。但是，磁場強度為2.0 mT時，饅頭的比容又下降。這可能是因為過高強度的磁場會對面筋蛋白的網絡結構產生負面影響，導致面團發酵體積降低，致使面團的持氣能力降低，饅頭的比容下降。

2.3 磁場處理對饅頭質構特性的影響

如表1所示，隨著磁場強度的增加，硬度、黏性、咀嚼性呈現先下降后上升的趨勢，彈性、內聚性、回復性沒有明顯的變化。硬度和咀嚼性的數值低，說明饅頭的質地較軟[22]。饅頭結構的穩定性與持氣性可以通過彈性和內聚性表現出來[23]。與對照組相比，磁場處理0.5、1 mT時饅頭的硬度、黏性、咀嚼性顯著降低（P＜0.05），而在1.5 mT以上無顯著變化（P＞0.05）。與對照組相比，在磁場強度為0.5、1.0 mT時，硬度分別降低22.18%、21.59%；黏性分別降低21.57%、22.12%；咀嚼性分別降低21.87%、21.12%。這些指標下降的原因是磁場處理下面團中水分分布均勻，形成較好的面筋網絡結構，從而使得饅頭口感柔軟、品質良好。但是在磁場強度大于1.0 mT時，饅頭的硬度、黏性、咀嚼性又呈現上升趨勢，這是因為磁場強度過大破壞了面筋網絡結構的形成，對饅頭的品質造成負面的影響[24]。綜上所述，較高的磁場強度會對饅頭的質構特性產生負面的影響，適當的磁場強度會改善饅頭的口感、外觀等特性。

表1 磁場輔助發酵對饅頭質構特性的影響Table 1 Effect of magnetic field-assisted fermentation on the textural properties of steamed bread

2.4 磁場處理對面團水分分布的影響

T21代表強結合水，主要是與淀粉或面筋蛋白緊密結合的水；T22代表弱結合水，主要是與蛋白質和淀粉等大分子結合的水；T23代表自由水，是指吸附在面團表面的自由度較大的水[25]。如表2所示，未經磁場處理的面團中的水分主要以弱結合水的形式存在，占新鮮面團水分的89.81%。隨著磁場強度的增加，強結合水與自由水含量呈先下降后上升趨勢，弱結合水含量呈先上升后下降的趨勢。在磁場強度為1.0 mT時，對水分分布的影響最為顯著（P＜0.05）。從T21和T23到T22的轉變表明，經磁場處理后強結合水和自由水向弱結合水轉化。這可能是磁場處理增加了面筋蛋白的吸水能力，有利于面筋蛋白的水合作用，形成連續的面筋網絡結構，增加了其持水能力，降低水分流動性[26]。這些結果表明，適當的磁場處理降低了面團中自由水的含量，加速了面團中的水分重新分布。

表2 磁場輔助發酵對面團水分遷移的影響Table 2 Effect of magnetic field-assisted fermentation on water mobility in dough

2.5 磁場處理對面團水分均勻性的影響

面團水分均勻性指標需要通過MATLAB軟件對低場核磁成像的圖片進行處理得到的標準差進行分析，可間接反映出面團中水分分布的均勻程度。標準差的數值越小說明面團中水分分布得越均勻，相反，面團中的水分分布越不均勻。如圖4所示，隨著磁場強度的增加，面團的水分均勻性先減小后升高，在磁場強度為1.0 mT時達到最低。這表明在磁場強度為1.0 mT時面筋蛋白與水分結合更加充分，能夠促進面筋網絡結構的形成[27]。一定強度的磁場處理可以顯著提高面團的水分均勻度，從而改善面團的加工特性。

圖4 磁場輔助發酵對面團水分均勻性的影響Fig.4 Effect of magnetic field-assisted fermentation on the moisture uniformity of dough

如圖5所示，通過MATLAB軟件繪制的三維圖像可以更直觀地看出面團水分均勻度的變化。在磁場強度為0 mT和0.5 mT時，可以看出圖像中出現明顯的高峰和低壑，這是面團中水分分布不均勻所致。隨著磁場強度的增加，水分分布逐漸均勻，在磁場強度為1.0 mT和1.5 mT時，圖像中的高峰逐漸向中間轉移，與對照組相比高峰和低壑相對不明顯，表明水分分布的更加均勻。這些結果表明磁場輔助發酵可以使得水分在面團中的分布更加均勻，有利于面筋蛋白與水的結合，促進面筋網絡的形成，改善面團的發酵特性。

圖5 磁場輔助發酵對面團低場核磁成像的影響Fig.5 Effect of magnetic field-assisted fermentation on low-field NMR imaging of dough

2.6 磁場處理對面筋蛋白分子結構的影響

2.6.1 二級結構

面筋蛋白的二級結構以α-螺旋為主，這是面團具有柔韌性的主要原因[28]。如圖6所示，隨著磁場強度的增加，α-螺旋和β-轉角相對含量呈先上升后下降的趨勢，β-折疊和無規卷曲相對含量呈先下降后上升的趨勢。在磁場強度為0.5 mT時，α-螺旋相對含量最高，為54%，無規卷曲相對含量最低，為21%。α-螺旋是一種彈性結構，可以增強彈性從而增加面筋網絡強度[29]。β-折疊是一種黏性結構，β-折疊相對含量的降低可能是由于磁場處理影響了二硫鍵的生成[30]。同時α-螺旋結構與面筋二級結構的穩定性有關，α-螺旋結構的增加與無規卷曲結構的降低反映了面筋網絡結構由無序化向有序化的轉變。這些結果表明磁場處理有助于穩定面筋網絡結構。

圖6 磁場輔助發酵對面筋蛋白二級結構的影響Fig.6 Effect of magnetic field-assisted fermentation on the secondary structure of gluten proteins in dough

2.6.2 二硫鍵構型

面筋蛋白中含有約2%的半胱氨酸，半胱氨酸參與二硫鍵的形成，對面筋蛋白的結構和功能很重要。由表3可知，隨著磁場強度的增加，g-g-g構型與g-g-t構型的相對含量呈現先增加后減少的趨勢，t-g-t構型呈現先減少后增加的趨勢。g-g-g構型是最穩定的結構，其次是g-g-t構型，t-g-t構型最不穩定。這表明，在磁場的作用下，t-g-t構型向g-g-g構型和g-g-t構型轉變，磁場改變了二硫鍵的振動模式。此外，在磁場強度為1.0 mT時，g-g-g構型的相對含量最高，此時二硫鍵構型最穩定，這表明一定強度的磁場可以形成較穩定的面筋網絡結構。

表3 磁場輔助發酵對面筋蛋白二硫鍵構型的影響Table 3 Effect of magnetic field-assisted fermentation on the relative contents of disulfide bond configurations of gluten proteins

3 結論

本實驗通過拉曼光譜、低場核磁共振技術對發酵過程中面團的分子結構、水分分布進行檢測，研究了不同磁場強度處理對面團發酵特性的影響及作用機制。結果表明，磁場強度為1.0 mT時，面團的發酵體積最大，與對照組相比，饅頭的比容增大，黏性、硬度、咀嚼性降低，表明在磁場作用下形成了良好的面筋蛋白網絡結構，提高了饅頭的品質。經過適當的磁場處理后，面團中自由水的含量降低，且加速了面團中的水分分布，提高了面團的水分均勻性。面筋蛋白分子結構的結果表明，一定強度的磁場處理顯著提高了蛋白二硫鍵結構中g-g-g構型和二級結構中α-螺旋的相對含量，使得面筋網絡結構更為穩定。但是，過大的磁場強度（＞1.0 mT）使面筋蛋白的結構遭到破壞，影響面團的發酵，導致發酵體積降低、饅頭比容減小。綜上，低強度的磁場輔助面團發酵可以通過加速面團中的水分分布、改變二硫鍵的振動模式和二級結構、改善面筋蛋白的網絡結構提高面團的發酵特性以及饅頭的品質。