冷冻面团是指将面制品制成半成品或成品后冷冻,使用时再解冻进行后续加工的一种技术,提高食品的安全性的同时推动了烘焙食品的工业化、产品质量的标准化[1]。然而冷冻处理会使面团的品质受到损害,例如冰晶破坏面筋网络结构,导致面团烘焙品质不佳;冻藏造成酵母细胞死亡,延长面团发酵时间使得发酵体积以及成品比容减小等[2],改善冷冻面团的品质是目前的研究热点。另外,面制品通常营养结构简单,一些微量营养素缺乏,作为我国传统主食应该满足人们的营养需求[3],所以提高面制品的营养价值也成为需要考虑的问题。为了解决冷冻面团解冻后制作的面制品品质下降的问题,通常通过冻结方式、解冻方式和添加物质三方面采取措施。
马铃薯作为世界五大粮食作物之一,膳食纤维种类丰富,其食用价值可与鸡蛋蛋白媲美[4],且含有充足的赖氨酸,这是粮谷类食品的限制性氨基酸[5],我国也启动了马铃薯主粮化发展战略,将马铃薯与面制品结合[6]。我国传统的马铃薯工业化产品多以淀粉类食品为主,品类较为单一[7],马铃薯主食化既丰富了马铃薯产品种类,又提高了面制品主食的营养价值。以马铃薯为主要原料制备面团,因其自身含水量高、面筋蛋白含量下降等问题一定程度上影响了面团品质,这是限制马铃薯主食化的一个关键因素,添加亲水胶体是目前较为有效的改良方式。
亲水胶体具有稳定乳液、悬浮液的功能,因此可以控制面团中水的体系从而影响面团的流变性和质地[8]。黄原胶、卡拉胶以及羧甲基纤维素钠(sodium carboxymethyl cellulose,CMC)都是在烘焙食品中应用十分广泛的亲水胶体类改良剂,研究发现黄原胶的添加可以显著改善甘薯-小麦面包的比容及硬度特性[9-10];卡拉胶可以增加面包中的灰分和膳食纤维含量,改善面包的营养品质[11];添加CMC的马铃薯面团可以形成更稳定的三维网络结构从而提高气体保持能力和面团稳定性[12],但将这3种亲水胶体应用到马铃薯冷冻面团中的报道较少。陈代园[13]研究发现卡拉胶对马铃薯面包冷冻面团的拉伸面积、相对发酵力及成品面包比容均有明显改善。
本文以质量分数50%马铃薯泥添加量制备马铃薯冷冻面团,研究了黄原胶、卡拉胶、CMC 3种亲水胶体对马铃薯冷冻面团的影响,对其进行流变学、水分分布以及微观结构等特性的分析,结合质构仪、低场核磁共振仪、测色仪对冷冻面团烘焙后的面包进行测定,以期为马铃薯冷冻面团品质的改良提供一定的理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料
大西洋马铃薯,甘肃薯香园农业科技有限公司;黄原胶、卡拉胶,河南万邦化工科技有限公司;羧甲基纤维素钠,河南双城食品有限公司;高活性安琪酵母、谷朊粉,安琪股份有限公司;高筋面粉,丰益贸易(中国)私人有限公司,蛋白含量>11.5%,湿面筋含量>35%,吸水量>62%。
1.2 仪器与设备
醒发箱,石家庄海迪尔食品机械公司;Discovery HR-1流变仪,上海TA仪器有限责任公司;MesoQMR23-060H核磁共振成像分析仪,上海纽迈电子科技有限公司;2KBTES-55型真空冷冻干燥机,美国Virtis公司;JSM-7800F热场发射扫描电镜,日本电子株式会社;TA.XT.Plus物性测试仪,英国SMS公司;色差仪,德国Airsense公司;烤箱,广东美的生活电器制造有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 马铃薯冷冻面团的制备
马铃薯冷冻面团的基本配方为(以面团总质量计):马铃薯泥50%,高筋面粉44%,谷朊粉5%,酵母1%。将马铃薯蒸熟碾制成泥,亲水胶体按照不同比例(黄原胶:0.15%、0.20%、0.25%;卡拉胶:0.10%、0.30%、0.50%;CMC:0.10%、0.50%、1.00%)替代高筋面粉,与高筋面粉、谷朊粉混合均匀后,加入马铃薯泥和酵母,和面机搅拌10 min,取出揉捏5 min,得到面团;放于醒发箱(温度35 ℃、湿度85%)内发酵30 min,取出分成30 g一份,用保鲜膜包好放入-18 ℃保存,冻藏5、10、15、25 d后取出置于醒发箱(38 ℃)中解冻30 min,用于后续测试。
1.3.2 马铃薯冷冻面团面包的制备
将冷冻25 d的面团置于烤箱中进行两段式烘烤:第一阶段温度设置为180 ℃,时间10 min;第二阶段温度设置为200 ℃,时间5 min。
1.3.3 流变特性测定
取解冻面团中央区域样品置于流变仪的样品载物台上测定其流变行为。夹具选择直径40 mm的平板,测试间隙为1 000 μm,温度为25 ℃,测试前样品在载物台上静置5 min,频率扫描范围为0.1～100 Hz[4],在线性黏弹区内进行测试。
1.3.4 低场核磁测定
将样品用保鲜膜包裹后置于核磁共振管中心处,采用CPMG序列检测样品的横向弛豫时间。冷冻面团检测参数设置根据GAO等[4]的方法,TW:2 000 ms,RG1:10,DRG1:3,PRG:1,累加次数NS:4,回拨次数NECH:300。面包检测参考田海娟等[14]的方法,90°脉冲时间15 μs,180°脉冲时间30 μs,重复采样等待时间TW:2 000 ms,RG1:10,DRG1:3,PRG:1,累加次数NS:4,回拨次数NECH:1 500。通过反演软件进行拟和得到样品的横向弛豫时间T2和峰面积占比A2。
1.3.5 扫描电镜测定
将冻藏5、25 d的马铃薯冷冻面团冷冻干燥,液氮浸泡后自然脆断,喷金固定在电镜样品台上进行观察。
1.3.6 面包质构特性测定
面包质构测定参考GAO等[4]的方法,选择TA.XT.Plus物性测试仪的TPA模式,测定条件如下:P/100的平底柱形探头;测前速率2.0 mm/s;测试速率1.0 mm/s;测后速率1 mm/s;压缩程度为50%;两次压缩之间停留时间5 s;每项测试重复6次,触发力5 g,数据捕获率200.00 PPS。
1.3.7 色泽测定
采用色差仪测量面包内部的颜色,得到L*、a*、b*值。仪器测量前进行黑白板校准[4]。
1.3.8 数据处理
利用Origin 9.0、Excel 2010软件进行数据的整理、分析和作图。数据结果为均值±标准差,采用SPSS 22.0软件进行显著性分析(P<0.05表示具有显著性差异)。各数据重复进行3次取平均值。
2 结果与分析
2.1 亲水胶体对冷冻面团品质的影响
2.1.1 亲水胶体对冷冻面团流变特性的影响
图1为不同冻藏时间的马铃薯冷冻面团的频率扫描结果。所有面团的弹性模量G′均大于黏性模量G″,且G′和G″随频率增加而升高,表明所有面团均为类固体的黏弹性体系。冻藏至25 d时,空白组冷冻面团的G′和G″均有所下降(图1-a);添加黄原胶的冷冻面团G′和G″均有所上升,添加0.15%时上升效果最为明显(图1-b～图1-d),显著提高了冷冻面团的黏弹性模量;添加卡拉胶的冷冻面团黏弹性模量也有所回升,质量分数为0.30%时,G′和G″大于第5天的数值,添加量继续增加时,对冷冻面团黏弹性改善的效果逐渐下降(图1-e～图1-g);CMC对冷冻面团黏弹性的改善与卡拉胶具有相同的趋势,质量分数达到0.50%时,冷冻面团黏弹性最高(图1-h～图1-j)。
a-代表空白组;b、c、d-黄原胶的质量分数为0.15%、0.20%、0.25%的冷冻面团;e、f、g-卡拉胶的质量分数为0.10%、0.30%、0.50%的冷冻面团;h、i、j-CMC的质量分数为0.10%、0.50%、1.00%的冷冻面团
图1 马铃薯冷冻面团的频率依赖性
Fig.1 Frequency dependence of frozen potato dough
冻藏过程中蛋白质的构象发生改变或形成的冰晶对面筋网络结构的破坏是引起黏弹性模量下降的主要原因[14]。黄原胶、卡拉胶含有大量的阴离子亲水基团,能够吸附面团中的自由流动水,改善面团的持水能力,并且可以通过与面筋蛋白中的阳离子基团相互作用,改变面筋蛋白的结构,增强面团的黏弹性[15]。CMC对冷冻面团流变性能的改善可能是因其具有良好的凝胶性和吸水性,在冻藏过程中抑制了马铃薯面团中大量的水分形成冰晶的过程,减少了对面筋蛋白的破坏[16]。
2.1.2 亲水胶体对冷冻面团水分分布的影响
冷冻面团中的水分分布如表1所示。面团在冻藏过程中一共出现了3个组分峰:T21、T22和T23,分别代表强结合水、弱结合水和自由水,其峰面积占比分别用A21、A22和A23表示。A22占比最大,表明弱结合水是样品中水分存在的主要形式。空白组、黄原胶和CMC组的冷冻面团没有检测出结合水的峰;添加黄原胶的冷冻面团T22值略低于空白组,但峰面积无显著性差异;添加卡拉胶的面团出现了3个组分峰,表明卡拉胶对面团的持水性具有最积极的影响,弱结合水向强结合水方向发生迁移;CMC组与黄原胶组具有相同的趋势,T22显著小于空白组(P<0.05),峰面积同样无显著性差异。3种亲水胶体添加后面团在冻藏过程中水分分布变化不显著,或略有波动,与空白组一致,说明冻藏时间对水分分布影响较小。
表1 冷冻面团的水分分布和迁移
Table 1 Water distribution and migration of frozen dough
组别天数/dT21T22T23A21A22A23空白516.83±0.00b204.91±0.00b99.39±0.04a0.61±0.04g1018.04±0.00a225.26±17.62a99.46±0.08a0.54±0.08g1516.83±0.00b209.82±8.50b99.42±0.03a0.58±0.03g2518.04±0.00a214.73±8.50ab99.45±0.04a0.55±0.04g黄原胶5-16.83±0.00b174.36±10.12c-99.37±0.06a0.63±0.06fg10-16.83±0.00b178.34±0.00c-99.30±0.02a0.70±0.02f15-16.83±0.00b178.34±0.00c-99.28±0.03a0.72±0.03ef25-16.83±0.00b170.64±13.35cdfg- 99.40±0.08a0.60±0.08g卡拉胶51.71±0.12a16.46±0.65b158.94±6.44de16.79±1.07a82.21±1.07bc1.00±0.01cd101.72±0.33a16.83±0.00b155.47±10.79ef16.79±0.74a82.21±0.78bc1.01±0.05bcd151.87±0.15a16.83±0.00b174.36±6.91c17.59±1.22a81.61±1.20c0.80±0.02e251.84±0.25a16.46±0.65b145.04±10.06efg16.47±0.45a82.60±0.56b0.93±0.12dCMC513.67±0.00c135.10±0.00g98.97±0.03a1.03±0.03bc1013.67±0.00c135.10±0.00g98.85±0.04a1.15±0.04a1513.67±0.00c141.57±5.61fg98.88±0.02a1.12±0.02ab2513.67±0.00c135.10±0.00g98.92±0.07a1.08±0.07abc
注：不同字母表示组别之间具有显著性差异(P<0.05)(下同)。
卡拉胶自身可以螺旋聚集,形成密集的网络结构包裹住水分子,因此具有良好的保水性[17],可以改善冷冻面团的持水力,促进面团中水分与蛋白质、淀粉等大分子的结合[18],减缓了冻藏过程中冰晶的迁移及增大[15, 19]。这种改善作用随着质量分数增加至0.5%,其效果更加明显。其中卡拉胶对于水分与面筋蛋白和淀粉等大分子物质结合的影响最大。
2.1.3 亲水胶体对冷冻面团微观结构的影响
面团中的主要支撑体系是淀粉和面筋蛋白,其中面筋蛋白可以形成稳定的网络结构,将淀粉颗粒均匀包裹在其中,维持面团的内部结构[20]。马铃薯冷冻面团微观结构如图2所示。冷冻25 d后,空白组面团的小孔洞变多,许多淀粉颗粒暴露在表面,这是因为冻藏过程中形成的冰晶会损伤面筋蛋白形成的网络结构,影响面筋的连续性和完整性[21-22];添加黄原胶后,马铃薯面团的孔洞数量明显减少,淀粉颗粒和面筋结构呈粘连状态,整个面筋蛋白结构比较完整;卡拉胶对马铃薯面团结构的保持效果弱于黄原胶,面团结构较疏散,有较大空洞出现,但相比空白组面筋结构较为连续;添加了CMC的冷冻面团连续的面筋网络结构减少,面筋出现断裂,但整体较空白组更为粘连。由此可知,亲水胶体对冷冻面团冻藏过程中微观结构具有一定改善,抑制了冰晶的生成,减少了其对面筋网络结构的破坏[14]。这是由于亲水胶体本身的水合能力较强,可与面筋蛋白结合进入其冰晶区域,抑制冰晶的生长,维持面筋蛋白结构的完整、稳定[22]。
A、B、C、D-冷冻5 d的空白组、黄原胶、卡拉胶、CMC组冷冻面团的微观结构;a、b、c、d-冷冻25 d的空白组、黄原胶、卡拉胶、CMC组冷冻面团的微观结构
图2 马铃薯冷冻面团的微观结构
Fig.2 Microstructure of potato frozen dough
2.2 亲水胶体对马铃薯面包特性的影响
2.2.1 马铃薯面包的质构特性
质构特性是评价面包品质的重要指标,反映产品在消费者中的接受程度。马铃薯面包的质构特性(硬度、弹性、咀嚼度)如图3所示。不同的亲水胶体对马铃薯面包质构影响不同。与空白组相比,添加黄原胶的面包的硬度、弹性和咀嚼度均最低,面包的质地柔软,但回弹性差,这与莎娜等[23]的研究一致;卡拉胶显著性降低了面包的硬度、咀嚼度(P<0.05),但是弹性显著性升高(P<0.05),面包质地柔软,同时具有较好的弹性,这和YASSIN等[24]研究发现卡拉胶可以降低面包的硬度具有相同的结果;CMC显著提高了面包的弹性与咀嚼度(P<0.05),但面包的硬度与空白组无显著性差异,有研究表明CMC可以降低面包硬度与咀嚼度,提高弹性[12, 25],但本研究的结果与其不同,这种截然不同的结果可能是由不同的面包配方造成的[26]。亲水胶体具有良好的持水性,可以增强面团的吸水能力从而使面包的硬度下降,且与面筋网络结合增强网络结构的致密性,因此弹性也随之增加[27]。
a-硬度;b-弹性;c-咀嚼度
图3 马铃薯冷冻面团面包的质构特性
Fig.3 Texture characteristics of potato frozen dough bread
注:不同字母表示组别之间具有显著性差异(P<0.05)。
2.2.2 马铃薯面包的水分分布
表2为马铃薯面包的T2弛豫时间以及峰面积占比。与空白组相比,添加了黄原胶、卡拉胶和CMC后,面包的T21、T22、T23显著减小(P<0.05),马铃薯面包内部的水流动性减慢;黄原胶和卡拉胶使马铃薯面包A21和A22减小(P<0.05),面包内的一部分弱结合水转化成了结合水,这可能跟二者可以与淀粉颗粒形成特定的网状结构,将面包中的水分包裹起来,淀粉糊黏度增大,更不易流动的特性有关[28]。这与黄原胶和卡拉胶显著性减小了面包的硬度的质构结果相对应。亲水胶体良好的持水性能促进了面包中水分与面筋网络和淀粉颗粒的结合,增强了面包的持水力。
表2 马铃薯面包的水分分布和迁移
Table 2 Water distribution and migration of potato frozen dough bread
T21T22T23A21A22A23空白0.50±0.02a9.66±0.00a252.35±0.00a13.93±0.20b85.89±0.20a0.17±0.00c黄原胶0.47±0.02bc9.01±0.00b219.64±0.00b14.67±0.09b85.12±0.08b0.21±0.01a卡拉胶0.49±0.02ab9.12±0.26b214.73±7.61b14.94±0.24a84.86±0.24c0.20±0.01bCMC0.47±0.02c9.01±0.00b176.49±9.27c14.08±0.25b85.71±0.26a0.20±0.01ab
2.2.3 马铃薯面包的色差
表3是马铃薯面包的色差测定结果。a*为负值但是值较小,说明面包有微弱的绿色不会对面包总体色差产生显著影响,因此不做分析。黄原胶使马铃薯面包的L*升高(P<0.05);卡拉胶使马铃薯面包的L*升高,但b*下降(P<0.05);CMC使马铃薯面包的b*下降(P<0.05)。添加卡拉胶对马铃薯面包的色差的影响最为显著,其次为黄原胶,这可能与二者良好的持水性有关。研究表明,冷冻面团烘焙后产品色泽会有一定下降,这可能与冻藏后面包失水、面筋网络被破坏有关[29-30]:水分流失过多会造成面包的L*值下降,面筋网络被破坏也会影响面包的色泽[31]。
表3 马铃薯冷冻面团面包的色差
Table 3 Color deviation of potato frozen dough bread
L∗a∗b∗空白73.79±2.97bc-0.28±0.14b19.05±1.05a黄原胶76.26±1.62ab-0.16±0.12c19.21±0.76a卡拉胶76.96±1.94a-0.18±0.11c17.31±0.62bCMC72.25±2.77c-0.38±0.17a16.88±1.25b
3 结论
添加高比例马铃薯泥会造成面团品质的下降,冻藏过程中面团的黏弹性降低,水分发生重结晶对面团微观结构造成破坏,面包保水性较差,质地坚硬。在马铃薯冷冻面团中添加黄原胶、卡拉胶、CMC后,冷冻面团的G′和G″有一定程度上升;黄原胶可以抑制冰晶的形成,有效维持了面筋网络的完整性,改善了马铃薯冷冻面团的微观结构,面包硬度明显降低;卡拉胶的添加使冷冻面团和面包中的水分结合能力增强,对面团的微观结构的保护也有一定效果,面包品质有所提高;CMC对冷冻面团微观结构的保护效果弱于另外两种亲水胶体,且其面包质地略坚硬。该研究结果丰富了马铃薯的应用范围,也为马铃薯冷冻面团的改良提供了理论依据。
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