大豆低聚肽调控未发酵冷冻面团特性的机制研究

时春青1,韩四海1,2,3*,贺婧雨1,李佩艳1,2,3,岳崇慧1,2,3,白周亚1,2,3,王立博1,2,3,罗登林1,2,3

1(河南科技大学 食品与生物工程学院,河南 洛阳,471023)

2(河南省食品原料工程技术研究中心,河南 洛阳,471023)

3(河南省食品绿色加工与质量安全控制国际联合实验室(河南科技大学),河南 洛阳,471023)

摘 要 为了探讨大豆低聚肽(soy oligopeptides, SOP)对冷冻面团特性的影响,该研究采用流变仪、低场核磁共振成像分析仪、傅里叶变换中远红外(Fourier-transform infrared spectrometer, FTIR)、质构仪、X-射线衍射仪(X-ray diffraction, XRD)及激光扫描共聚焦显微镜(confocal laser scanning microscope, CLSM)等方法,对冷冻面团的流变特性、水分分布、蛋白质的二级结构、质构特性、淀粉的相对结晶度及微观结构进行了表征。研究结果表明,SOP能够降低冷冻面团的弹性模量(G′)和黏性模量(G″),延缓冷冻面团的水分迁移,促进自由水向半结合水的转变。红外数据表明,SOP加入冷冻面团中,与对照组相比,有序结构(β-折叠和α-螺旋)的总和最大可增加4.44%,说明SOP的取代在一定程度上可以促进冷冻面团由无序向有序结构的转变。质构数据表明,SOP能够降低冷冻面团的硬度和弹性(P<0.05),这与流变特性分析结果一致。XRD分析结果表明,SOP能够降低冷冻面团的结晶度,与对照组相比,在SOP取代量为0.4%时,最大可降低8.73%(P<0.05),从而起到延缓淀粉回生的作用。微观结构表明,在SOP低取代量(≤0.4%)下能够改善冷冻面团的微观结构。该研究将为SOP在冷冻食品中的应用提供理论基础。

关键词 大豆低聚肽;冷冻面团;质构特性;相对结晶度;微观结构

冷冻面团技术以其方便快捷、利于规模化生产以及能够保持产品的稳定性等优势而受到青睐。冷冻面团市场规模在不断扩大,但冷冻面团在冷冻贮存过程中品质会发生劣变,主要原因是因为面团在冷冻过程中会产生冰晶,使面筋网络遭受破坏。研究表明,面团的冷冻速度越快,产生的冰晶就越小,对面筋结构的破坏也就越小。ZENG等[1]发现,-24 ℃和-28 ℃速冻馒头的持水能力显著低于-32 ℃和-36 ℃时的持水能力。在冷冻面团中水分的重新分布和结晶的发生是引起产品品质劣变的最主要因素。ZHAO等[2]发现,经过冷冻贮存或冻融循环的面团,会发生水分重新分布、重结晶、麦谷蛋白大聚体(glutenin macropolymer, GMP)解聚等现象,导致面筋网络结构变得松散和断裂,同时还观察到受损淀粉和结晶度显著增强。冷冻贮存4周后,面团GMP发生解聚,面筋蛋白的基质和网络结构被大冰晶破坏,面团的弹性模量(G′)和黏性模量(G″)降低,蛋白质结构的稳定性下降。在冷冻或反复冻融过程中,淀粉的结构与功能特性发生显著改变,进而显著影响冷冻面团的品质,具体表现为淀粉多尺度结构的瓦解、颗粒尺寸与种类的转变,以及分子层面微观构象的退化。XU等[3]通过提取经历多次冻融循环的面团淀粉,并开展分级重组试验,明确了淀粉组分对冷冻面制品质量的作用。结果显示,冻融处理逐步破坏淀粉的多尺度结构,且破坏程度随循环次数累积而加剧。冷冻面团最终产品的质量受温度和冷冻贮存条件的影响,为控制冷冻贮存过程中冰结晶和重结晶,提高产品的质量,一般会使用改良剂来提高产品的质量,前期的研究主要集中在酶制剂和乳化剂上,近几年,重心逐渐转移到了肽和亲水胶体等[4]。LI等[5]将鱼皮胶原蛋白肽加入冷冻面团中,研究结果表明,鱼皮胶原蛋白肽能够有效缓解冷冻过程中水分迁移,并降低冷冻面团中可冻水的含量。ZHANG等[6]将南极磷虾肽加入冷冻面团中,研究结果发现,南极磷虾肽能够促进二硫键的形成,改善面筋网络结构,减少冷冻面团中可冻水的含量。目前,众多研究者已经从极地鱼类、昆虫、真菌以及植物等多种生物中成功分离出了抗冻蛋白,这些抗冻蛋白在组成成分和结构形态上存在显著差异,并且在基因序列方面也未发现具有同源性。尽管植物来源的抗冻蛋白研究相较于鱼类、微生物而言起步较晚,不过在食品应用领域,植物抗冻蛋白却更易被大众所接受。大豆低聚肽(soy oligopeptides, SOP)具有良好的生物功能特性和理化特性,将大豆低聚肽应用于冷冻面团中,有利于肽与其他食品组分相互作用。目前,大豆低聚肽在冷冻面团应用方面尚鲜有报道。

本研究旨在探讨大豆低聚肽对冷冻面团特性的影响,采用流变仪、低场核磁共振成像分析仪、傅里叶变换中远红外(Fourier-transform infrared spectrometer, FTIR)、质构仪、X-射线衍射仪(X-ray diffraction, XRD)及激光扫描共聚焦显微镜(confocal laser scanning microscope, CLSM)分析SOP对冷冻面团的流变特性、水分分布、蛋白质的二级结构、质构特性、相对结晶度以及微观结构等特性的变化。本研究将为SOP在冷冻食品领域的应用提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大豆低聚肽(分子质量:≤500 Da,纯度:92.8%),湖北健肽生物科技有限公司;高筋面粉,益海(周口)小麦工业有限公司;白糖,日照市凌云海糖业有限公司;盐,孝感光盐华源制盐有限公司;黄油,内蒙古伊利实业集团股份有限公司;溴化钾(光谱纯),天津市科密欧化学试剂有限公司;罗丹明B,天津市科密欧化学试剂有限公司;异硫氰酸荧光素(fluorescein isothiocyanate, FITC),上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 仪器与设备

PE4680 多功能厨师机,广东力然电器实业有限公司;10N-50A真空冷冻干燥机,杭州旌斐仪器科技有限公司;TA.XT.Express食品物性分析仪,英国Stable Micro Systems公司;TA DHR-2食品流变仪,美国沃特斯公司;FV3000激光扫描共聚焦显微镜,北京创城致佳科技有限公司;MINI20-015V-I低场核磁共振成像分析仪,苏州纽迈分析仪器股份有限公司;VERTEX 70傅里叶变换中远红外光谱仪,南京赫冠科学仪器有限公司;D8 ADVANCE X-射线粉末衍射仪,德国布鲁克仪器公司。

1.3 实验方法

1.3.1 冷冻面团的制备

面团的基础配方:高筋面粉100 g、盐1 g、绵白糖20 g、黄油10 g和水51 g。分别用SOP替代0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%(干基,质量分数)的高筋面粉。空白对照组不用SOP替代。SOP先溶于水,将干料混匀之后加入水,使用和面机低速揉3 min,加入黄油后高速揉4 min制成面团。随后将面团分割成50 g的小面团,用保鲜膜包裹,做好标记,放入-70 ℃冰箱速冻2 h,然后拿出放入-18 ℃冰箱,分别冻藏1周、2周、3周、4周。实验前在4 ℃冰箱中先对冷冻面团进行解冻。

1.3.2 流变特性的测定

冷冻面团的动态频率测试使用食品流变仪,为了避免发酵对流变特性的影响,制作面团时不添加酵母,参照AZEEM等[7]描述的方法,并稍作修改。从制备好的面团的中心区域取出4 g样品,搓成球状,放置在平行板(TA DHR2,1.5 mm间隙,40 mm直径)中。把面团压至1.5 mm之后将多余部分刮掉,并涂上硅油,以防止水分的流失,频率扫描参数设置为:恒定应变力为0.5%,温度25 ℃,频率范围0.1~100 Hz。记录面团的弹性模量(G′)、黏性模量(G″)和tan δ (tan δ= G″/G′)。

1.3.3 水分分布的测定

采用低场核磁共振仪测定冷冻面团的水分分布。每个样品重量设定为(3±0.01) g,搓成条用保鲜膜包裹置于核磁试管中,实验参数设置如下:连续扫描间隔时间为3 500 ms,回波时间(TE)为0.200 ms,回波数(NECH)为2 000,以及扫描次数(NS)为16。

1.3.4 质子密度图像的测定

参照LI等[5]描述的方法,并稍作修改。冷冻面团的质子密度图像是通过核磁共振成像(nuclear magnetic resonance imaging, MRI)获得,它提供了冷冻面团内部水分分布更直观的描述。MRI测试的切片数量为6、切片宽度为2.6、切片间隙为1、翻转角度为90°、重聚焦翻转角度为180°、平均值为4、读出尺寸为256、TR为500 ms、TE为20 ms。

1.3.5 蛋白质二级结构的测定

冷冻面团中蛋白质二级结构的测定,参照KE等[8]建立的方法,并稍作修改。将冷冻干燥的面团样品研磨成粉末与KBr按照1∶100的比例混合,通过傅里叶变换红外光谱在4 000~400 cm-1波数范围、分辨率为4 cm-1,扫描32次,测定面团中蛋白质的二级结构。利用OMNIC 8.0和Peak Fit 4.0软件进行处理,计算蛋白质二级结构的含量。

1.3.6 质构特性测定

将冷冻面团在4 ℃冰箱中进行解冻,将其揉搓成直径约2 cm的球状,使用质构仪,测试前速度2 mm/s,测试速度1 mm/s,测试后速度1 mm/s,压缩比70%,触发力5 g,压缩间隔5 s[9]

1.3.7 XRD的测定

样品冷冻干燥后磨成粉末,采用XRD进行测定,扫描速度为10 °/min,衍射角范围为5~50°。目标电压和电流分别为40 kV和40 mA。用Jade软件对数据进行分析。

1.3.8 CLSM

面团用冷冻切片机进行切片,切片完成之后将切片样品转移到载玻片上,并用1∶1的染料混合物进行染色。面团中的蛋白质被罗丹明B标记为红色,淀粉被FITC标记为绿色。激光分别用488、568 nm的激发波长来激发FITC和罗丹明B。

1.4 数据处理

每个试验至少有3个重复,数据处理结果以“平均值±标准差”表示。样本间的统计学差异采用单因素方差分析(ANOVA),以P<0.05为统计学显著性。实验数据采用Microsoft Excel、IBM SPSS Statistics 26和Origin Pro 2021进行处理。

2 结果与分析

2.1 流变特性

利用食品流变仪测定不同冻藏时间内冷冻面团的流变学特性。面团在线性黏弹性区域的动态流变特性能够用于探究其结构特性和黏弹性参数,并有效预测其在加工过程中的行为及最终产品的质量[10]。弹性模量(G′)也称储能模量,表示面团的弹性。黏性模量(G″)也称损耗模量,表示面团的黏性。Tan δ是黏性模量与弹性模量之比,表示面团中高分子聚合物的比例。SOP对冷冻面团流变特性的影响见电子版增强出版附图1(https://doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.044209),弹性模量和黏性模量随频率的增加而增加,冷冻面团的G′始终大于G″,tan δ小于1,表示面团主要以弹性为主。结果显示,对于未冷冻面团,未添加SOP的面团在频率扫描范围内显示出更高的G′和G″,同时,当SOP的取代水平增加时,面团中的G′和G″降低。这些现象表明,在面团中添加SOP对其结构和面筋网络有削弱作用,且这种影响随着SOP取代水平的增加而更为显著。SOP对面团结构的削弱作用可能归因于SOP中含有大量的天冬氨酸,天冬氨酸通过减少面筋蛋白之间的二硫键来作用于面团,产生自由巯基(—SH)[11]。SOP中含有亲水性氨基酸,与面筋蛋白竞争水分,使面筋蛋白水合不足,从而降低面团的G′和G″。冷冻面团与未冷冻面团相比,冷冻面团有着更低的G′和G″,这表明冷冻会破坏面筋网络结构。面团在冷冻的过程中会产生冰晶,面筋网络结构的损伤程度与冰晶数量之间存在正相关性[12]。随着冻藏时间的延长,SOP的取代量为0.2%时,和对照组相比,G′和G″略有增加,说明SOP在低取代量下对冷冻面团的黏弹性有着积极的影响。但高取代量的SOP会出现更低的G′和G″,这是因为过量的SOP不仅会稀释面筋网络结构,而且还会引入大量的羟基,减少淀粉链之间的连接[13]。这个研究结果与茶多酚加入冷冻面团中的研究结果是一致的,低添加量的茶多酚加入冷冻面团中会增加面团的黏弹性,高添加量(1%~2%)的茶多酚会降低面团的黏弹性[14]

图1 SOP对冷冻面团MRI的影响

Fig.1 The effect of SOP on MRI of frozen dough

2.2 水分分布

使用低场核磁共振(low-field nuclear magnetic resonance, LF-NMR)分析了SOP(0%~1%)对冷冻面团中水分状态及其分布的影响,结果如表1所示。T21代表结合水的驰豫时间,是流动性最弱的水,说明水与淀粉、蛋白质等大分子结合紧密。T22被称为半结合水,流动性介于结合水和自由水之间。T23为自由水的驰豫时间[15]A21表示结合水的相对占比,A22表示半结合水的相对占比,A23表示自由水的相对占比。T21的值越小说明结合得越紧密。未冷冻面团的T21呈现下降的趋势,这说明SOP能够增加自由水的结合力,从而增加面团的持水性。对于加入SOP的冷冻面团与对照组相比,在冻藏1~3周时T21均小于等于对照组的T21,这说明SOP的加入对冷冻面团水分的影响具有积极的作用。T22T23的变化没有明显规律。面团水分的主要状态是半结合水,对于未冷冻面团,随着SOP取代量的增加,A23呈下降的趋势(P<0.05),SOP的取代量越大,A23越小,说明SOP的加入对面团自由水的含量影响较大,结合水(A21)和半结合水(A22)的整体比例呈现上升趋势,这与SOP的持水性和分子结构特性有关,SOP富含极性基团,通过形成氢键与水分子结合,将原本自由流动的水吸附在肽链周围,形成定向排列的半结合水层[16]。未添加SOP的冷冻面团(4周)与未添加SOP的面团(0周)相比,自由水(A23)显著增加,这与冰晶生长与重结晶有关。添加SOP的冷冻面团(4周)与未添加SOP的冷冻面团(4周)相比,添加SOP能够显著降低自由水的含量,随着SOP取代量的增加,呈现先降低后增加的趋势,但均低于未添加SOP的冷冻面团(4周)。可能是因为SOP中的极性基团(氨基和羧基)能够与水分子形成氢键,从而使自由水向半结合水的转变[5]

表1 SOP对冷冻面团水分分布的影响

Table 1 The influence of SOP on the moisture distribution of frozen dough

冻藏时间/周SOP取代量/%T21/msT22/msT23/msA21/%A22/%A23/%02.16±0.21Aa18.74±0.00Aa163.37±16.10Ab14.90±1.09Ba80.94±0.25Ab4.16±0.84Ba0.22.16±0.21Aa18.74±0.00Aa174.75±0.00Aab12.33±0.83Ca84.66±0.81Aa3.01±0.02Ab00.42.16±0.21ABa18.74±0.00Aa200.92±0.00Aa14.31±0.33Ba82.76±0.45Bab2.93±0.12Ab0.62.01±0.00Ba18.74±0.00Aa187.84±18.50ABab12.78±1.34Aa84.40±1.52Ab2.82±0.18Ab0.82.01±0.00Aa18.74±0.00Aa200.92±0.00Aa13.33±1.07Aa83.96±0.79Ab2.71±0.29ABb12.01±0.00ABa18.74±0.00Aa174.75±0.00Aab13.83±1.18ABa83.72±1.18BCb2.45±0.00Bb02.16±0.21Aa18.74±0.00Aa176.46±34.60Aa14.63±0.71Ba81.25±0.19Ab4.12±0.89Ba0.22.01±0.00Aa17.52±1.73Aa187.84±18.50Aa14.35±1.91BCa83.15±1.77ABab2.49±0.13Bb10.41.88±0.18BCa18.74±0.00Aa176.46±34.60Aa11.60±1.87Ca86.23±1.62Aa2.17±0.25Ab0.62.01±0.00Ba18.74±0.00Aa202.88±39.78Aa12.99±2.85Aa84.81±2.51Aab2.20±0.34Bb0.82.03±0.40Aa17.52±1.73Aa176.46±34.60Aa13.95±1.51Aa83.92±1.51Aab2.13±0.00ABb12.16±0.21ABa18.74±0.00Aa151.99±0.00Aa12.57±1.27BCa85.41±1.20ABab2.02±0.07Cb02.48±0.24Aa18.74±0.00Aa174.75±0.00Aa15.91±0.26Ba80.87±0.53Ab3.21±0.27Ba0.22.03±0.40Aab17.52±1.73Aa187.84±18.50Aa14.87±1.76ABCa82.20±2.08ABCab2.93±0.31Aab20.42.31±0.00Aab18.74±0.00Aa174.75±0.00Aa14.37±0.71Ba83.04±0.72Bab2.60±0.01Aabc0.62.48±0.24Aa18.74±0.00Aa174.75±0.00ABa14.29±3.09Aa83.22±2.89Aab2.49±0.21ABbc0.81.92±0.56Aab18.74±0.00Aa163.37±16.10Aa13.58±3.65Aa84.09±4.08Aab2.33±0.43ABbc11.63±0.16Bb17.52±1.73Aa202.88±39.78Aa10.85±0.69Ca87.06±0.63Aa2.09±0.06Cc02.48±0.24Aa18.74±0.00Aa202.88±39.78Aa15.08±1.52Bb81.84±1.90Aa3.07±0.38Ba0.21.88±0.18Ab18.74±0.00Aa202.88±39.78Aa18.25±1.07Aa79.07±1.03Ca2.68±0.03ABab30.41.75±0.00Cb18.74±0.00Aa163.37±16.10Aa17.15±0.58Aab80.14±0.06Ca2.70±0.64Aab0.61.88±0.18Bb18.74±0.00Aa163.37±16.10ABa17.12±0.24Aab80.47±0.34Aa2.41±0.10ABab0.82.01±0.00Ab18.74±0.00Aa153.47±30.09Aa16.73±1.41Aab81.18±1.36Aa2.09±0.05Bb12.01±0.00ABb17.52±1.73Aa200.92±0.00Aa16.28±0.51Aab81.58±0.76CDa2.14±0.25BCb02.03±0.40Aa17.52±1.73Aa126.00±36.76Ac20.29±1.55Aa73.21±1.16Bb6.50±0.40Aa0.21.63±0.16Aa17.52±1.73Aa200.92±0.00Aab17.55±0.74ABab79.69±0.83BCa2.76±0.09ABbc40.42.01±0.00ABCa18.74±0.00Aa174.46±34.60Aabc16.01±0.01ABb81.51±0.05BCa2.48±0.04Ac0.62.01±0.00Ba18.74±0.00Aa142.09±14.00Bbc15.89±0.61Ab81.68±0.73Aa2.43±0.12ABc0.82.33±0.46Aa18.74±0.00Aa215.97±21.28Aa17.29±2.10Aab79.79±2.55Aa2.92±0.45Abc12.33±0.46Aa20.14±1.98Aa176.46±34.60Aabc16.46±1.66Ab80.21±1.71Da3.33±0.05Ab

注:所有数据均以“平均值±标准差”表示。不同的大写字母表示同一取代量的SOP不同冻藏周期的显著差异(P<0.05)。不同的小写字母表示同一冻藏周期不同SOP取代量的显著差异(P<0.05)。

2.3 质子密度图像

采用核磁共振成像技术在微观层面研究冷冻面团中水分的分布状态[17]。图1展示了MRI捕获的水分分布伪彩色图像,氢质子的信号强度从蓝色逐渐增加到红色,表明水分子的流动性增强。未添加SOP的面团经过4周的冷冻贮存后,冷冻面团内部出现了明显的红色斑点,这表明面团的内部结构受到冷冻的影响,水分子的流动性增加。这会导致冰晶的形成和重结晶,从而破坏面团中水分均匀分布的状态。在未冷冻面团的面团样品中,可以观察到水分均匀分布的状态。在相同的冻藏周期,添加SOP的面团图像中红色斑点显著减少,并且颜色比对照组分布均匀,特别是在SOP的取代量小于等于0.4%时。这表明添加适量的SOP能够降低水分的流动性,从而抑制冰晶的形成,这与在冷冻面团中加入鱼皮胶原蛋白肽的研究结果一致,即将鱼皮胶原蛋白肽添加到冷冻面团中,通过减少冰晶的数量和大小来改变水分分布的状态[5]。同样,在冷冻面团中加入胶原蛋白水解产物的冰结合肽也具有相似的研究结果[18]

2.4 蛋白质的二级结构

蛋白质在酰胺Ⅰ带的特征吸收峰常用来表示面团中蛋白质的二级结构,面团中蛋白质的二级结构主要包括α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规则卷曲,它们在酰胺Ⅰ带的特征峰波数分别为1 650~1 660 cm-1、1 610~1 640 cm-1、1 660~1 700 cm-1和1 640~1 650 cm-1。SOP和冷冻对面团中蛋白质二级结构的影响如图2所示,随着冷冻周期的延长,冷冻面团中的α-螺旋含量降低,而β-折叠的含量有所增加,可能是因为冰晶破坏了蛋白质结构中的氢键和二硫键,从而导致面筋蛋白中α-螺旋含量降低,冻藏时间的延长会破坏二硫键,形成小分子物质,这些物质会通过非共价相互作用聚集在一起,导致β-折叠含量增加[19]。α-螺旋和β-折叠为蛋白质的有序结构,而β-转角和无规则卷曲为蛋白质的无序结构。未冷冻面团(0周)的对照组与SOP取代组(0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%,质量分数)中蛋白质的有序结构占比依次为47.23%、51.07%、50.33%、48.66%、47.83%、45.83%,呈先升后降趋势,并在0.2%取代量时达到峰值,说明添加SOP能够增加面团中蛋白质的有序结构。冷冻面团(1周)的对照组与SOP取代组(0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%,质量分数)中蛋白质的有序结构占比依次为43.17%、44.02%、43.71%、43.26%、43.13%、42.88%,呈先升后降趋势。冷冻面团(3周)的对照组与SOP取代组(0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%,质量分数)中蛋白质的有序结构占比依次为42.68%、43.29%、43.09%、43.11%、42.72%、42.44%,与对照组冷冻面团相比,随着SOP取代量的增加,整体上α-螺旋和β-折叠之和(有序结构)的占比呈先增加后降低的趋势,这说明适量的SOP的取代能够增加蛋白质结构的有序性。这可能是因为SOP的加入能够吸附游离蛋白并与之发生交联,进而促进面筋蛋白分子间或分子内氢键的进一步形成,从而促进蛋白质二级结构的有序化[20]。冷冻会使α-螺旋降低,这可能是因为冰晶破坏了蛋白质结构中的氢键,从而导致蛋白质中α-螺旋含量的下降。随着冻藏时间的延长,β-转角与未冷冻面团相比有所增加,这可能是因为冰晶破坏水合层诱导分子内氢键形成,驱动蛋白质折叠调整,促使更多α-螺旋和无规则卷曲转变为β-转角[21]。对于未冷冻面团随着SOP取代量的增加,β-转角呈现先降低后增加的趋势,在SOP取代量为0.4%时,β-转角的含量达到最低值(P<0.05)。但SOP的加入对冷冻面团中β-转角的影响并不显著(P>0.05)。

a-冷冻贮藏0周;b-冷冻贮藏1周;c-冷冻贮藏2周;d-冷冻贮藏3周;e-冷冻贮藏4周;f-光谱图

图2 SOP对冷冻面团蛋白质二级结构的影响

Fig.2 The influence of SOP on the secondary structure of protein in frozen dough

2.5 质构特性

质构特性是评价面团质量好坏的一项重要的指标。图3显示了不同取代量的SOP对冷冻面团的硬度、弹性、内聚力及回复力的变化。由此可见,在冷冻面团中加入SOP对冷冻面团的硬度、弹性、内聚力及回复力有显著性的影响(P<0.05)。

a-硬度;b-弹性;c-内聚力;d-回复力

图3 SOP对冷冻面团质构特性的影响

Fig.3 The influence of SOP on the texture characteristics of frozen dough

注:不同的大写字母表示同一取代量的SOP不同冻藏周期的显著差异(P<0.05);不同的小写字母表示同一冻藏周期不同SOP取代量的显著差异(P<0.05)。

硬度在冷冻面团变质中起着重要作用,它反映了样品在压缩过程中的结构强度。随着冻藏周期的延长,面团的品质会变差,主要表现在面团的硬度增加,弹性降低,内聚力降低,回复力降低等。如图3-a所示,添加SOP后的面团硬度均比对照组低,且具有较强的显著性(P<0.05)。随着冻藏周期的延长,对照组面团的硬度逐渐增加,这主要是由于冻藏过程中面筋蛋白网络结构被破坏、淀粉颗粒损伤及水分再分布的协同作用所致。由图3-a可知,SOP对面团硬度的影响程度较大,使面团的硬度降低。随着冻藏周期的增加,硬度降低越来越明显。这说明SOP加入冷冻面团中能够使面团更加柔软。一方面是因为SOP具有强保水能力和强吸水性,使部分的自由水转化为结合水,减少冰晶的形成,从而使面团的硬度降低[22]。另一方面是因为SOP中的大量羟基增加了面团单分子层水的含量,使水的结合能力增强,阻碍了经典面筋网络的形成,同时降低了面团的硬度[23]。冷冻面团的弹性变化如图3-b所示,与对照组相比,加入SOP后面团的弹性降低,这可能是因为当面团中加入SOP时,会导致羟基与面筋蛋白之间产生强烈的分子间的氢键,从而破坏连续面筋网络的结构和强度,导致面团的弹性降低[24]。随着冻藏时间的延长,加入SOP后面团的弹性与对照组相比降低的程度减小,这可能是由于SOP能够抑制冰的再结晶,从而减少冰晶对面筋基质的损害,帮助面团保持其弹力。

内聚力是指物质内部相同分子或组分间相互吸引、抵抗分离的能力,是决定物质结构稳定性和质构表现的核心参数。冷冻面团的内聚力如图3-c所示,随着冻藏时间的延长,对照组面团的内聚力会逐渐下降,这说明冷冻破坏了面团内部分子间的结合。未冷冻面团加入SOP后与对照组相比降低了面团的内聚力,但随着冻藏时间的延长,与对照组相比SOP降低面团的内聚性的程度减小。在冻藏4周时,添加SOP的面团与对照组相比略有增加,说明添加SOP能够对面团起到冷冻保护的作用。回复力表示面团抵抗形变后恢复原始形态的能力。冷冻面团的回复力如图3-d所示,未冷冻面团添加SOP与对照组相比显著降低面团的回复力(P<0.05),这可能是因为SOP中富含亲水性氨基酸,与麦醇溶蛋白竞争水分,使面筋蛋白水合不足,回复力下降[24]。随着冻藏时间的延长,对照组面团的回复力逐渐降低。这是因为冷冻时所形成的冰晶破坏了面筋网络结构,从而导致面团的回复力降低。而添加SOP后的冷冻面团与未冷冻面团相比,面团的回复力的变化并不是很明显。

2.6 X-射线衍射分析

采用X射线衍射技术对冷冻面团的结晶特性进行了深入的探讨。不同取代量的SOP对冷冻面团(0周、1周、3周)结晶特性的影响如图4所示,样品在15°、17°、18°、20°、23°处均有衍射峰。其中2θ约为15°和23°处出现了强烈的衍射峰。在17°和18°附近出现了双峰,为典型的A型淀粉晶体结构。无论是否添加SOP或者冻藏处理,峰位置都没有明显的变化,这说明SOP和冻藏处理的引入,并没有改变样品的晶体结构。图4-d展示了SOP对冷冻面团相对结晶度的影响。随着SOP取代比例的增加,冷冻面团的相对结晶度均呈现先降低后增加的趋势。SOP的加入能够降低面团的相对结晶度,可能是因为SOP与淀粉分子之间的交联作用,这种作用可以阻碍支链淀粉的重结晶,从而起到延缓淀粉回生。SOP中的亲水基团与淀粉的羟基通过氢键相连,进而阻碍了淀粉分子间的疏水作用,从而抑制淀粉的结晶过程[25]。过量的SOP会增加淀粉的相对结晶度,可能是因为过量的SOP与淀粉竞争水分,从而对延缓淀粉的回生起到负面影响。与新鲜面团相比,随着冻藏时间的延长,冷冻面团的结晶度显著增加,说明冷冻过程加速了淀粉损伤[26]。随着SOP取代量(≤0.4%)的增加,添加SOP的面团的结晶度逐渐下降,表明SOP的添加可以延缓淀粉回生并降低淀粉的相对结晶度。

a-0周;b-1周;c-3周;d-淀粉的相对结晶度

图4 SOP对冷冻面团影响的XRD图及淀粉的相对结晶度

Fig.4 XRD pattern of the effect of SOP on frozen dough and the relative crystallinity of starch

2.7 微观结构的观察

使用CLSM观察冷冻面团样品的微观结构,这对于研究冷冻面团成分之间的相互作用以及结构与功能的关系至关重要。图5展示了不同取代量的SOP对冷冻面团样品中蛋白质和淀粉分布的影响,同时也表示冷冻面团样品中面筋网络和蛋白质-淀粉偶联物的CLSM图。通常淀粉颗粒呈现绿色,蛋白质呈现红色和黄色。短期冷冻面团(0周)的对照组如图5-a1所示,此图呈现出蛋白质和淀粉自然分布的状态,SOP通过竞争结合水分、干扰面筋交联。当SOP的取代量大于等于0.6%时导致面筋网络崩解,淀粉暴露出来。当SOP的取代量小于等于0.4%时,对冷冻面团的面筋网络有所改善,但超过阈值后面团结构的完整性显著劣化。长期冷冻面团(3周)的对照组如图5-a2所示,此图表明冷冻过程显著加剧了面团结构的破坏。SOP的取代量小于等于0.4%时,加入SOP的冷冻面团与对照组相比,有所改善,说明加入SOP对面团的冷冻保护有着积极的影响。这是因为SOP富含极性基团,能结合游离水形成氢键,从而提高面团的持水性。在冷冻的过程中,这一特性可减少冰晶对面筋蛋白的机械损伤,维持面筋网络的完整性[27]。但当SOP的取代量大于等于0.6%时,会对冷冻面团的网络结构产生不利的影响,使更多的淀粉颗粒暴露出来。这是因为过量肽链与面筋蛋白竞争水分,使面筋蛋白水合不足,导致面筋蛋白无法充分展开并形成致密网络。

a1~f1-贮存0周不同样品的微观结构图;a2~f2-贮存3周不同样品的微观结构图

图5 SOP对冷冻面团微观结构的影响

Fig.5 The influence of SOP on the microstructure of frozen dough

3 结论

本研究探究了SOP对不同冻藏周期冷冻面团的流变学特性、水分分布、蛋白质的二级结构、质构特性、淀粉的相对结晶度以及微观结构的影响。研究结果表明,SOP在冷冻面团体系中通过水分重分布、面筋网络保护及淀粉回生抑制的三重作用,有效缓解冻藏过程中的结构劣变。随着冻藏时间的延长,在低取代量下SOP的冷冻面团与对照组相比,G′和G″略有增加,说明低取代量的SOP对冷冻面团的黏弹性有着积极的影响。SOP的亲水性基团竞争性结合自由水,促使其向半结合水转化,降低水分迁移速率与冰晶生长的驱动力。SOP通过氢键阻断淀粉链疏水聚集,显著降低相对结晶度,抑制回生导致的硬度上升。低取代量的SOP(≤0.4%)通过动态平衡水分与强化蛋白-淀粉界面相互作用,实现冻藏期面团多尺度结构的协同稳定。为缓解冷冻劣变、开发高品质冷冻面制品提供理论依据。

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Modulation mechanism of soy oligopeptides in unfermented frozen dough characteristics

SHI Chunqing1, HAN Sihai1,2,3*, HE Jingyu1, LI Peiyan1,2,3, YUE Chonghui1,2,3, BAI Zhouya1,2,3, WANG Libo1,2,3, LUO Denglin1,2,3

1(College of Food and Bioengineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, China)

2(Henan Provincial Engineering Research Center for Food Raw Materials, Luoyang 471023, China)

3(International Joint Laboratory for Green Processing and Quality Safety Control of Food in Henan Province(Henan University of Science and Technology), Luoyang 471023, China)

ABSTRACT This study utilized various analytical techniques, including rheometry, low-field nuclear magnetic resonance spectrometer, Fourier-transform infrared spectrometer (FTIR), texture analyzer, X-ray diffraction (XRD), and confocal laser scanning microscopy (CLSM), to investigate the effects of soy oligopeptides (SOP) on frozen dough properties.The findings revealed that SOP decreased the storage modulus (G′) and loss modulus (G″) of frozen dough, retarded water migration, and facilitated the conversion of free water to semi-bound water.Infrared analysis demonstrated that the incorporation of SOP led to a potential increase of up to 4.44% in ordered protein structures (β-sheets and α-helixes), indicating a partial transition from disordered to ordered structures in the frozen dough system.Texture analysis revealed that SOP significantly reduced the hardness and elasticity of frozen dough, consistent with the rheological findings.XRD analysis further demonstrated that SOP supplementation reduced the crystallinity of frozen dough.Compared with the control, addition of 0.4% SOP decreased crystallinity by up to 8.73% (P<0.05), thereby retarding starch retrogradation.Microstructural analysis confirmed that low levels of SOP (≤0.4%) markedly improved the dough’s microstructural integrity.This will provide a theoretical basis for the application of SOP in frozen foods.

Key words soy oligopeptides; frozen dough; textural properties; relative crystallinity; microstructure

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.044209

引用格式:时春青,韩四海,贺婧雨,等.大豆低聚肽调控未发酵冷冻面团特性的机制研究[J].食品与发酵工业,2026,52(10):76-85.SHI Chunqing,HAN Sihai,HE Jingyu, et al.Modulation mechanism of soy oligopeptides in unfermented frozen dough characteristics[J].Food and Fermentation Industries,2026,52(10):76-85.

第一作者:硕士研究生(韩四海教授为通信作者,E-mail:hansihai@haust.edu.cn)

基金项目:国家自然科学基金项目(32302075,32202096);河南省自然科学基金项目(202300410134)

收稿日期:2025-08-12,改回日期:2025-10-01