不同分子結構的黃原膠對冷凍面團及面包特性的影響

岳紅霞，李欣雪，程麗婷，李琴，郭慶彬，康繼*

（1.天津科技大學食品科學與工程學院,天津 300457；2.江蘇食品藥品職業技術學院食品學院,江蘇淮安 223003）

隨著人們生活節奏的加快,冷凍面團技術產業化已經成為發展趨勢,是面制品實現產業化的最佳解決方案[1]。冷凍面團技術雖然可以助力烘焙產業發展為商業模式,但冷凍面團在貯藏過程中品質會發生劣變,如酵母活性減弱、面團持氣能力下降、面筋蛋白網絡結構破壞等[2],均會造成最終產品感官品質下降。目前,改善冷凍面團產品品質的方法多是添加乳化劑、親水膠體以及其它面團改良劑。Ribotta 等[3]發現甘油三酯、蔗糖酯等乳化劑可以與淀粉發生相互作用,抑制面筋與淀粉間的水分遷移,進而可以改善面包的品質。刺槐豆膠、黃原膠、瓜爾膠等親水膠體可通過增加面團的持水能力,抑制冷凍過程中冰晶的形成及重結晶,以增加面包的水分含量,改善面包品質[4]。防凍蛋白可以提高酵母耐凍性[5],冰核劑可以抑制大冰晶的形成[6]。黃原膠具有良好的凍融穩定性,對改善冷凍面團產品品質具有良好的效果,雖然關于黃原膠的添加對冷凍面團品質的影響的研究較多,但關于不同分子結構的黃原膠對冷凍面團品質及面包特性的影響研究鮮見報道。

黃原膠是一種陰離子多糖,分子量為2×106～5×107Da,其結構基本單元是由D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸以2∶2∶1 的摩爾比組成的五糖重復單元,黃原膠的主鏈是β-D-葡萄糖以1→4 糖苷鍵連接而成,這與纖維素的結構類似[7-9]；α-D-甘露糖、β-D-葡萄糖醛酸、β-D-甘露糖組成了黃原膠的側鏈；α-D-甘露糖通過1→2 糖苷鍵與主鏈相連,且其C-6 位置常被乙酰基替代,位于側鏈末端的β-D-甘露糖的C-4 位置常被丙酮酸基團替代[10]。由于黃原膠具有高度的假塑性、凍融穩定性等優良特性,廣泛應用于食品、藥品、化妝品等行業中[8,11]。但黃原膠黏度較高,在實際生產應用過程中容易產生結塊現象,增加應用成本。

前期研究已通過超聲波處理得到3 種黃原膠,并應用高效液相色譜、離子色譜、甲基化分析、核磁共振氫譜等方法,證明超聲波處理后黃原膠的單糖組成及甲基化糖殘基摩爾比發生變化,分支程度隨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、分子量及表觀黏度顯著降低。綜合分析得出,低強度的超聲波處理主要影響黃原膠的主鏈,隨著超聲波強度的增加主要作用位點逐漸變為側鏈[12]。本研究選用超聲波處理后的3 種不同分子結構的黃原膠應用于冷凍面團面包中,探究其對面團品質及面包特性的影響,以得到黏度較低且效果較好的新型食品添加劑,以期為冷凍面團產品品質的改善提供一定的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

高筋面粉:新良糧油加工有限公司；酵母:安琪酵母股份有限公司；蔗糖:廣州福正東海食品有限公司；食鹽:中鹽上海市鹽業有限公司；大豆油:益海嘉里金龍魚糧油食品股份有限公司；原始黃原膠:美國CP Kelco 公司；不同分子結構的黃原膠由前期試驗所得,基本結構特征見表1[12]。

表1 不同黃原膠的基本結構特征Table 1 Basic structural characteristics of different xanthan gums

1.2 儀器與設備

摩卡面包機（ESC1510）:美的集團股份有限公司；電烤箱（K35FC825）:浙江蘇泊爾股份有限公司；醒發箱:廣東泓峰烘焙設備有限公司；動態流變儀（MARS 60）:德國哈克公司；質構分析儀（TA.XT plus）:英國Stable Micro System 公司；熱重分析儀（Q50）:沃特斯中國有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 面團制作配方

根據余文杰[13]的配方適當調整,得到面團基礎配方,黃原膠按照高筋面粉的0.5%（2.5 g）添加,未添加黃原膠的面團作為對照組,面團基礎配方見表2。分別冷凍貯藏0、15、30 d。

表2 面團基礎配方Table 2 Recipe for dough

1.3.2 冷凍面團制作流程

黃原膠溶解于300 g 水中→除油外的所有配料混合→噴灑黃原膠溶液,揉捏成型→加入大豆油高速攪拌,成型→靜置松弛,分割整型。對照組直接噴灑300 g 水。

一部分面團作為貯藏0 d 的新鮮面團直接用于發酵、焙烤,其余面團分為兩組,包裹保鮮膜放入自封袋中,快速冷凍放置-20 ℃分別貯藏15、30 d。

1.3.3 面團發酵速率的測定

根據鐘雅云[14]的測定方法對冷凍面團單位時間內的發酵體積進行測定,在250 mL 量筒內壁涂一層大豆油,取25 g 解凍后的面團置于量筒底部,記錄發酵前的體積V0,在37 ℃、80% 相對濕度條件下發酵90 min后,記錄此時的體積V1,發酵速率（X,mL/h）計算公式如下。

X=（V1-V0）/t

式中:V0為面團發酵前的體積,mL；V1為面團發酵后的體積,mL；t為發酵時間,h。

1.3.4 面團流變學特性測定

參照Bhardwaj 等[15]的方法略作調整,使用動態流變儀測定冷凍面團的流變學特性,測試間隙為2 mm。取適量面團（新鮮面團或解凍后的冷凍面團）中心,用模具制成小圓餅形狀置于平板上,用刮刀去掉多余的樣品,松弛一段時間后進行測量。在平板的四周涂一層硅油,防止測量過程中水分蒸發。

1.3.4.1 頻率掃描

對面團進行應變掃描以獲得其線性黏彈區（linear viscoelastic region,LVR）。在0.01%～0.50% 范圍內進行振蕩頻率掃描,測試條件為剪切應變0.1%、頻率范圍0.1～40 Hz、溫度25 ℃,得到凍藏對面團彈性模量G′、黏性模量G″隨頻率變化的影響。

1.3.4.2 溫度掃描

在25～90 ℃溫度掃描過程中,以5 ℃/min 的速率升溫,測試頻率為1 Hz,剪切應變為0.1%,以得到凍藏對面團彈性模量G′、黏性模量G″隨溫度變化的影響。

1.3.5 面團熱穩定性測定

稱量約5 mg 經過冷凍干燥的面團樣品,利用熱重分析儀測量其在25～600 ℃范圍內質量的變化。升溫速率設定為10 ℃/min,選用氮氣為載氣,流量為30 mL/min。

1.3.6 面包焙烤

取適量的新鮮面團或者解凍后的冷凍面團,置于37 ℃、相對濕度80%的醒發箱中醒發90 min。設置電烤箱上火、下火溫度分別為190、210 ℃,預熱5 min,放入醒發好的面團焙烤20 min。焙烤結束后,取出面包,室溫下冷卻后測定相關指標。

1.3.7 面包比容的測定

面包的質量用電子天平進行稱量,面包的體積用油菜籽置換法測定。比容（X,cm3/g）計算公式如下。

X=V/m

式中:V為面包體積,cm3；m為面包質量,g。

1.3.8 面包質構測定

通過質構分析儀（texture profile analysis,TPA）測定面包的質構特性,從面包中心切3 片均勻薄片,置于圓柱形探頭（P/100）下。測試條件參考余文杰[13]的方法并稍作修改,具體參數:測前速度、測中速度、測后速度分別為1.00、1.70、10.00 mm/s,應變為75%,觸發力為5 g。

1.4 數據分析

所有數據均進行3 次平行試驗,以平均值±標準差的形式表示,采用單因素方差分析進行組間比較,采用SPSS 26.0 軟件分析,P<0.05 時,表明差異具有統計學意義。

2 結果與分析

2.1 面團發酵速率

面團發酵速率能夠在一定程度上反映出面包焙烤后的體積,不同分子結構黃原膠對冷凍面團發酵速率的影響見圖1。

圖1 不同分子結構的黃原膠對冷凍面團發酵速率的影響Fig.1 Effect of xanthan gum with different molecular structures on fermentation of frozen dough

由圖1 可知,隨著凍藏時間的延長,所有樣品的發酵速率均下降,主要是由于凍藏過程中酵母活性降低以及冷凍過程中面團的產氣系統和持氣系統受到破壞[2]。添加MMWXG、LMWXG 凍藏15 d 的面團發酵速率顯著高于凍藏15 d 的對照組（P<0.05）,而添加XG 凍藏15 d 的面團發酵速率顯著低于凍藏15 d 的對照組（P<0.05）；添加黃原膠凍藏30 d 的面團發酵速率顯著高于凍藏30 d 的對照組（P<0.05）,凍藏30 d 的面團中HMWXG 的發酵效果最好。對于經過凍藏的面團,超聲波處理后的黃原膠對面團發酵速率的影響均優于原始黃原膠。這可能是因為超聲波處理增加了黃原膠的支鏈度,其中HMWXG 支鏈度較高（見表1）,溶解度較好,較高的溶解度可以使黃原膠有效保護酵母活性或面團的產氣系統及持氣系統[16]。

2.2 面團流變學特性測定結果

2.2.1 頻率掃描結果

面團既有黏性流體的特性也有彈性固體的特性,面團的黏彈性能夠從側面反映出面團容納CO2體積的能力,這與最終產品的品質也密切相關[17]。采用動態頻率振蕩掃描測量面團的黏彈性,結果如圖2 所示。

圖2 不同分子結構的黃原膠對新鮮面團及冷凍30 d 面團黏彈性的影響Fig.2 Effect of xanthan gum with different molecular structures on viscoelasticity of fresh dough and frozen dough for 30 days

面團G′值表示樣品的彈性,即面團因彈性形變而儲存的能量；面團G″值可以用來表示樣品的黏性大小,即面團因黏性形變而損失的能量[18]。由圖2 可知,所有面團的G′值均大于G″值,這表明面團的彈性模量占主導地位；不同分子結構黃原膠的添加均增加了面團的G′值和G″值,這可能是因為黃原膠中含有大量的親水基團,能夠增加面團的吸水性,進而促進了面筋網絡的形成或者保護了面筋網絡免受冷凍的影響。另外,含有原始黃原膠的面團G′值和G″值始終是最高的,其次是含有LMWXG 的面團,這可能是因為原始黃原膠的支鏈度較小（見表1）,更多的親水基團暴露于分子表面,所以含有原始黃原膠的面團的吸水性最好,進而可以有效保護面筋網絡免受冷凍的影響[13]。

2.2.2 溫度掃描結果

面團的流變學特性受到面團各成分之間的相互作用和加熱過程的影響,利用溫度掃描試驗研究添加不同分子結構黃原膠的冷凍面團黏彈性隨溫度的變化,結果見圖3。

圖3 不同分子結構黃原膠的添加對新鮮面團及冷凍30 d 面團溫度掃描的影響Fig.3 Effect of xanthan gum with different molecular structures on the temperature sweep of fresh dough and frozen dough for 30 days

由圖3 可知,在溫度掃描范圍內,面團的G′值和G″值隨溫度變化的整體趨勢為先降低然后急劇增加,達到峰值后降低,這可能是因為溫度的增加促進了面團各成分間的相互作用。在25～60 ℃時,隨著溫度的升高面團的G′值和G″值下降,這可能是因為溫度的升高導致分子動能的增加以及蛋白質弱化[18]。隨著溫度的繼續升高,淀粉顆粒發生膨脹導致體積增加,形成了三維網絡結構,因而所有樣品的G′值和G″值急劇增加并達到峰值,由圖中可知添加黃原膠均降低了G′和G″峰值,添加MMWXG 和LMWXG 的面團效果最顯著,這表明MMWXG 和LMWXG 抑制淀粉糊化的效果較好。隨著溫度的持續增加,所有樣品的G′值和G″值開始降低,這是由于溫度的增加改變了分子的流動性,使得淀粉顆粒發生崩解,進而晶體結構發生熔化[17]。

2.3 面團熱穩定性

面團的熱穩定性能夠反映出面筋網絡結構的穩定性,不同分子結構的黃原膠對面團熱性能的影響見圖4,面團的熱解溫度和降解溫度見表3。

圖4 含不同分子結構黃原膠的面團凍藏前后的TGA 曲線和DTG曲線Fig.4 TGA and DTG curvesof dough containing xanthan gum with different molecular structures before and after frozen storage

表3 面團樣品的熱解溫度（Tp）及降解溫度（Td）Table 3 Pyrolysis temperature（Tp）and degradation temperature（Td）of dough samples

面團質量與溫度之間的關系,有助于解析不同分子結構的黃原膠對面團熱性能的影響[19]。圖4a 為質量損失（thermogravimetric analysis,TGA）曲線,表示由于溫度升高造成樣品的質量損失率,很明顯樣品的TGA 曲線主要由兩個階段組成[20]。第一階段是室溫至100 ℃,其質量損失是自由水和結合水的損失引起的；由圖4 可知,隨著溫度的繼續升高,約300 ℃處出現了二次失重過程,這是由于面筋蛋白中的S—S、O—N 等共價鍵被破壞,導致面筋蛋白的降解[19]。圖4b 是TGA曲線首次求導得到的,即差熱重（differential thermal gravimetry,DTG）曲線,表示溫度的升高對面團質量損失速率的影響。圖4b 中出現的兩個峰,分別代表TGA 曲線中的兩個失重階段,也分別對應于熱解溫度（pyrolysis temperature,Tp）和降解溫度（degradation temperature,Td）[21]。由表3 可知,經過冷凍貯藏后的面團,Tp 值明顯下降,這表明冷凍貯藏降低了面團的熱穩定性,面筋網絡結構減弱；與對照組相比,添加黃原膠的面團Tp 值變化較小,這說明黃原膠的存在增強了面筋蛋白與淀粉之間的水合作用[22]。其中,含有LMWXG 的面團Tp 值變化最小,這可能是因為LMWXG 更易于與面筋蛋白淀粉體系發生相互作用。Td值沒有明顯變化,這說明黃原膠的添加對面筋蛋白淀粉體系的高溫穩定性沒有影響。

2.4 面包比容的測定結果

冷凍面團面包體積隨著凍藏時間的延長而顯著下降[3]。因此,利用面包比容來評價不同分子結構的黃原膠添加到冷凍面團面包中的效果見圖5。

圖5 不同分子結構黃原膠對冷凍面團面包比容的影響Fig.5 Effect of xanthan gum with different molecular structures on the specific volume of frozen dough bread

由圖5 可知,對于冷凍貯藏0 d 的面包而言,添加XG 的面包比容略低于對照組面包,即XG 的添加不利于未經凍藏的新鮮面包比容的增加；對于冷凍貯藏15、30 d 的面包而言,添加XG 增加了面包比容且冷凍貯藏30 d 的面包效果更顯著。Wu 等[23]研究了黃原膠對冷凍面團面包品質的影響,得出黃原膠的添加降低了新鮮面包的體積；而黃原膠的添加能夠增加冷凍面團面包的比容,可能是因為黃原膠含有大量的親水基團,增加了面團的吸水性,抑制冷凍過程中冰晶的生長速度,幫助面筋蛋白保持完整的網絡結構,增加面團保留氣體的能力。由圖5 可知,添加LMWXG 對新鮮面包和冷凍面團面包的比容改善效果均較好,這可能是由于較短分子鏈的黃原膠更易與面筋網絡發生相互作用,進而在凍藏過程中能夠更充分地保護面筋網絡結構。

2.5 面包質構特性分析

質構特性是評價消費者接受程度的最直接的指標,也是測量面包變質程度最常用的方法之一[24]。圖6 為添加不同分子結構黃原膠對冷凍面團面包硬度和彈性的影響。

圖6 不同分子結構黃原膠對冷凍面團面包硬度和彈性的影響Fig.6 Effect of xanthan gum with different molecular structures on the hardness and elasticity of frozen dough bread

由圖6a 可知,面包的硬度均隨著冷凍貯藏時間的延長而明顯增加,彈性隨凍藏時間的延長而降低。Lu等[25]和Xin 等[26]也得出了面團經過冷凍貯藏后再進行焙烤得到的面包硬度增加,彈性降低,這與凍藏過程中淀粉回生、冰晶形成、面筋蛋白網絡結構的完整性有關[27-28]。由圖6b 可知,添加黃原膠對冷凍面團面包的硬度及彈性均有改善,其中LMWXG 對面包硬度的改善效果最好。主要有兩個原因,一是LMWXG 分子鏈較短,能夠更好地與淀粉及面筋蛋白發生相互作用,抑制淀粉回生,保護面筋蛋白網絡結構；二是較高分子量的黃原膠吸水性較強,爭奪面筋網絡周圍的水分,進而增加面包硬度[29]。

3 結論

本文研究了添加不同分子結構的黃原膠對冷凍面團品質和面包烘焙特性的影響。研究發現,凍藏處理會導致面團品質劣變,進而影響面包的烘焙特性,添加黃原膠可以有效改善冷凍面團和面包的品質。結果顯示,添加黃原膠后,面團的發酵速率顯著增加（P<0.05）,尤其是冷凍30 d 的效果較明顯,其中HMWXG 由于支鏈度較高、溶解度較好,對冷凍面團發酵速率的改善效果最好。流變學結果顯示面團的彈性模量G′和黏性模量G″明顯增加,這表明黃原膠的添加可以增強面團的黏彈性,且由于原始黃原膠的支鏈度較小,可以有效保護面筋網絡結構免受凍藏影響,所以含有原始黃原膠的面團G′值和G″值始終是最高的；同時,添加黃原膠后降低了面團的彈性模量G′和黏性模量G″隨溫度變化的峰值,可能因為中低分子量的黃原膠更易與淀粉發生相互作用,所以MMWXG 和LMWXG 抑制淀粉糊化的效果較好。比容及質構結果顯示,添加黃原膠能夠顯著改善冷凍面團面包的烘焙特性,且含有較低分子量黃原膠的面包品質較好,這是由于較短分子鏈的黃原膠能夠更好地與淀粉及面筋蛋白發生相互作用。

綜上,黃原膠的添加能夠改善面團品質及面包烘焙特性,較低分子量的黃原膠（1 400 kDa）效果較好,這可能是因為經過超聲波處理后降低黃原膠中葡萄糖醛酸的含量,改變支鏈度,縮短分子鏈,使得較低分子量的黃原膠能夠更好地保護面筋蛋白網絡結構的完整性。本研究可為改善冷凍面團面包品質提供一定的理論依據,可降低黃原膠在實際生產中的應用成本。