水饺是我国饮食文化中最具有代表性的一种食品，具有悠久的历史，深受人们的青睐[1]。随着当代社会生活节奏的加快，速冻食品工业发展迅速，速冻水饺已经成为我国速冻食品工业中产量最大的一类食品。速冻水饺是指在15～30 min、处于-30 ℃以下低温环境中快速冻结，贮藏于-18 ℃以下并使用冷链系统运输、销售的水饺品种[2]。在速冻水饺的贮藏过程中，水饺皮内水分会有所散失，内部的冰晶会破坏面团结构使其易发生冻裂、变色的现象；在运输和销售过程中，环境温度的波动会产生冻融循环，造成水饺表面结坨[3]、汁液流失，黏连、破肚等现象[4]，这些现象对速冻水饺的商品品质和食用品质均会造成不利的影响。
γ-聚谷氨酸(γ-PGA)是D-谷氨酸、L-谷氨酸通过α-氨基和γ-羧基之间的酰胺键连接而成的一种阴离子聚合物，由微生物产生并分泌到胞外[5]。γ-PGA可溶于水，具有极强的吸水性、生物可降解性、生物相容性等优良特性，对人体和环境无毒性，在食品、药品、化妆品、环境保护等多个方面都有广泛应用[6]。在食品领域，γ-PGA可作为食品添加剂应用在乳制品、饮品等产品中[7]，如在沙拉酱中添加γ-PGA能够改善牛乳的稳定性并延长沙拉酱的保质期[8]；将γ-PGA添加到果汁、奶茶中可以增强饮品的黏稠度；γ-PGA还能用来遮掩苦味因子，将其添加到维生素、咖啡中能够掩盖大部分苦味[9]。
分子链上含有大量羧基的γ-PGA具有优良的保水性和抗冻性[10]。本文作者在前期的研究中发现，将γ-PGA添加到玉米淀粉中可以延缓玉米淀粉的老化，并增强淀粉糊的稳定性[11]；SHYU等[12]证明了在面团中加入γ-PGA能改善面团的流变学特性和热特性，使制成的面包更加软糯；γ-PGA可以提高冷冻甜面团中酵母细胞的存活率，改善冷冻甜面团的发酵流变学特性，从而提高面包的质构特性及感官品质[13-14]。基于γ-PGA在谷物制品中的广泛应用，本文将γ-PGA添加到速冻水饺皮中，研究速冻水饺皮及速冻水饺基本特性和品质的变化，探索γ-PGA在速冻水饺生产中的应用潜力。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
γ-PGA，河南农业大学生命科学学院环境微生物实验室发酵提纯，相对分子质量为101.86～235.55 kDa；金苑精制粉(水分14.5%，粗蛋白13.7%，湿面筋31.2%，灰分0.62%)，郑州金苑面业有限公司；芹菜、猪肉、食盐、味精，均为市售。
1.2 仪器与设备
JY电子天平，上海浦春计量仪器有限公司；79-1磁力加热搅拌器，常州翔天实验仪器厂；BCD-251WDGW冰箱，青岛海尔股份有限公司；DW-HL100超低温冷冻储存箱，中科美菱低温科技股份有限公司；JHMZ-200 型针式和面机，北京东孚久恒仪器技术有限公司；Minolta Color Miniscan CR400型色差仪，日本美能达公司；101-0AB型电热鼓风干燥箱，天津市泰斯特仪器有限公司；Alphai-4LD-plus真空冷冻干燥机，德国CHIST公司；Q100差示扫描量热仪，美国TA仪器公司；D8 Advance型X射线衍射分析仪，德国Bruker公司；TA-XA PLUS质构分析仪，英国Stable Micro Systems公司；S-3400N-Ⅱ型扫描电子显微镜，日本HITACHI公司。
1.3 方法
1.3.1 速冻水饺皮的制作
水饺皮配方：面粉300 g，蒸馏水180 g(添加量由粉质仪测得的最佳吸水率得到)，食盐3 g。将γ-PGA按照质量分数0%、0.08%、0.25%、0.5%、0.75%、1%的比例添加到小麦粉中混合均匀。在和面机中将面团混合均匀后，用保鲜膜密封，室温下静置15 min。将面团用压片机多次压延形成厚度为1.0 mm的面带，再用圆形模具将面带切割成直径为65 mm的水饺皮，装入自封袋中并置于-80 ℃冰箱冷冻30 min，取出后储存于-20 ℃冰箱中备用。
1.3.2 速冻水饺的制作
按照1.3.1的方法制作水饺皮，使用未冷冻的水饺皮制作速冻水饺。水饺馅配方：芹菜(40%)，猪肉(60%)，食盐25 g/kg，味精5 g/kg。按水饺皮、馅质量比为2∶3的比例包制水饺，将水饺置于-80 ℃冰箱中冷冻30 min后，用自封袋密封并放入-20 ℃冰箱中储存备用。
1.3.3 速冻水饺皮最佳蒸煮时间的测定
取10个速冻水饺皮放入沸水中。此时开始计时，3 min后每隔30 s捞出一个水饺皮。用刀将水饺皮切割开，观察水饺皮中有无白芯，当煮至白芯消失时记录煮制的时间，即为最佳蒸煮时间[15]。
1.3.4 速冻水饺皮冻融后蒸煮损失率的测定
将未冷冻的水饺皮置于-80 ℃冰箱中冷冻2 h后取出，在室温下解冻1 h，此为1次冻融过程，分别将未冻融、冻融1次、冻融2次、冻融3次的样品记为F0、F1、F2、F3。取5片水饺皮分别进行称重(M1)，放入沸水中煮至最佳蒸煮时间后捞出，用50 g蒸馏水轻轻冲洗水饺皮，将洗涤液及面汤转入烧杯中，烘干至恒重后称量烧杯中干物质的质量(M2)，计算蒸煮损失率[16]：
蒸煮损失率
(1)
1.3.5 速冻水饺皮可冻结水分含量的测定
按照1.3.1的方法制作速冻水饺皮，在-20 ℃冰箱中储存1周。取10～20 mg速冻水饺皮中部的样品，压片密封后置于样品支持器上，以密封的空坩埚作为对照。在氮气流速为40 mL/min的条件下，以5 ℃/min的速率从室温降至-50 ℃并保持5 min，然后以5 ℃/min的速率从-50 ℃升温至20 ℃。分析DSC曲线可得速冻水饺皮中冰晶的融化焓ΔHfw。计算可冻结水分的含量
(2)
其中:Wc表示速冻水饺皮的含水量(%)，由105 ℃干燥至恒重测得；ΔH表示纯水的融化焓(334 J/g)。
1.3.6 速冻水饺皮淀粉结晶度的测定
参考SEETAPAN等[18]的方法，采用X射线衍射法测定淀粉结晶度。将在-20 ℃冰箱中储存1周的速冻水饺皮冷冻干燥，并研磨成粉末。取0.8 g样品进行X射线衍射分析，设置管压40 kV，管流30 mA，扫描区域为5～45°，扫描速度0.5 °/min，数据采集步宽为0.02°。使用Jade 6.0软件进行数据分析。
1.3.7 速冻水饺皮内部结构的电镜观察
取速冻水饺皮进行冷冻干燥，经离子溅射金膜后，使用扫描电子显微镜进行速冻水饺皮内部结构的观察并拍照。
1.3.8 速冻水饺色度的测定
速冻水饺的色度由色度仪测定。将速冻水饺置于室温下解冻1 h，用滤纸轻轻吸干水饺皮表面的水分后，用色度仪测定水饺表面的色度。分别挑选水饺表面3处不同的位置进行测定，结果取平均值。
1.3.9 速冻水饺破肚率和冻融稳定性的测定
破肚率：取20 个冷冻后的速冻水饺在沸水中煮制20 min，捞出后观察破肚水饺的个数(N)，计算破肚率：
破肚率
(3)
冻融稳定性：将包制好的水饺置于-80 ℃冰箱中冷冻2 h后取出，在室温下解冻1 h，记为1次冻融过程。记录速冻水饺出现冻裂现象时已经经历的冻融次数。
1.3.10 速冻水饺的感官评价及质构特性测定
感官评价：按照GB/T 23786—2009速冻水饺的国家标准，制定速冻水饺感官评价标准(表1)。感官评价小组由10名评价人员组成，依据表1进行感官评价，10个人评分的算术平均值为速冻水饺最终的感官评分。
表1 速冻水饺感官评价标准
Table 1 Sensory evaluation standard of boiled frozen dumplings
质构特性测定：TPA试验是对速冻水饺煮后质构特性的综合评价，主要包括硬度、黏性、咀嚼性。取煮后的速冻水饺皮进行测定。在沸水中将速冻水饺皮煮至最佳蒸煮时间后捞出，用滤纸轻轻吸干表面的水分。用P/25铝制圆柱形探头进行TPA测定。参数设定：测前速度1.00 mm/s，测试速度0.80 mm/s，测后速度0.80 mm/s，测试距离10.00 mm，压缩量70%，感应力5.0 g。
1.4 统计分析
采用Origin Pro 9.0绘图。利用SPSS 22.0进行数据分析，采用方差分析(analysis of variance，ANOVA)进行显著性分析，在p<0.05的水平上具有显著性差异。
2 结果与分析
2.1 γ-PGA对速冻水饺皮最佳蒸煮时间的影响
速冻水饺皮最佳蒸煮时间的测定结果如图1所示。在速冻水饺皮中加入γ-PGA能明显缩短最佳蒸煮时间，添加量越大，最佳蒸煮时间越短。与未添加γ-PGA的速冻水饺皮相比，当添加量为0.75%和1%时，最佳蒸煮时间减少了30%。研究发现，在蒸煮过程中淀粉受热糊化，由于亲水胶体、淀粉、蛋白质之间可以发生相互作用，黄原胶和瓜尔豆胶的添加能够显著降低小麦淀粉的糊化温度[19]。因此，γ-PGA可以缩短速冻水饺皮的最佳蒸煮时间，可能是由于γ-PGA能够降低淀粉的糊化温度，减少了淀粉的糊化时间。
图1 γ-PGA对速冻水饺皮最佳蒸煮时间的影响
Fig.1 Effect of γ-PGA on the optimum cooking time of frozen dumpling wrappers
2.2 γ-PGA对速冻水饺皮冻融后蒸煮损失率的影响
图2显示的是速冻水饺皮冻融不同次数后蒸煮损失率的测定结果。冻融次数相同时，γ-PGA可以降低速冻水饺皮的蒸煮损失率，提高水饺汤汁澄清度。添加了γ-PGA的速冻水饺皮在多次冻融后，其蒸煮损失率明显低于使用原面粉制作的水饺皮。特别是在添加量为0.75%(质量分数)时，速冻水饺皮的蒸煮损失率分别下降了22.67%(未冻融)、34.59%(1次冻融)、46.25%(2次冻融)、50.63%(3次冻融)。
图2 γ-PGA对速冻水饺皮冻融后蒸煮损失率的影响
Fig.2 Effect of γ-PGA on loss ratio of frozen dumpling wrappers after frozen-thaw process
蒸煮过程中，直链淀粉逐渐溶出并进入汤中。淀粉的溶出速度随着温度的升高而加快，汤汁变浑浊，水饺皮蒸煮损失较大[15]。研究表明，在低于糊化温度时，胶体可以和淀粉形成胶体-淀粉复合物[20]；如κ-卡拉胶能够和面团中的疏水性面筋蛋白形成具有亲水特性的κ-卡拉胶-面筋蛋白复合物，增大面粉的糊化黏度[21]。因此，推测γ-PGA能够与蛋白质、淀粉迅速作用形成γ-PGA-淀粉复合物和γ-PGA-面筋蛋白复合物，使速冻水饺皮受热糊化后具有较大的黏性，能一定程度上减少淀粉脱落、阻止淀粉溶出，降低蒸煮损失率。
2.3 γ-PGA对速冻水饺皮可冻结水分含量的影响
可冻结水由自由水和一部分结合水组成。低温条件下可冻结水结成具有膨胀特性的冰晶，体积比原来增加9%，会对面团网络结构造成破坏[22]。因此，可冻结水分含量可以反映出冷冻面团结构被冰晶破坏的程度。速冻水饺皮可冻结水分含量的测定结果如图3所示，γ-PGA的添加明显降低了可冻结水分含量及冰晶融化焓。添加1%的γ-PGA时，可冻结水分含量为10.6%，冰晶融化焓为75.55 J/g，均达到最小值，且与对照相比分别减少了64%和22.6%。然而，当添加0.25%和0.5%的γ-PGA时，冰晶融化焓稍大于添加0.08% γ-PGA的样品，可冻结水分含量变化不大，这可能是由于此时速冻水饺皮中含水量较大造成的。
图3 γ-PGA对速冻水饺皮可冻结水分含量及冰晶 融化焓的影响
Fig.3 Effect of γ-PGA on frozen water content and the ice melting enthalpy of frozen dumpling wrappers
在速冻及低温贮藏的过程中，面团内部冰晶的形成及重结晶都会对大分子化合物的结构及性质造成影响，使面筋蛋白的胶束状结构断裂[23]。除此之外，面筋网络被破坏后形成大量裂纹，水分子与蛋白质之间的结合受到阻碍，导致面团内部水分的流失及水分子的迁移，加速了冰晶的重结晶。γ-PGA的侧链上有大量亲水性羧基，能够结合游离态的水，降低速冻水饺皮中可冻结水分的含量，从而抑制冰晶的形成。因此，γ-PGA可以保护速冻水饺皮的面团结构，有效降低低温冷冻条件对速冻水饺的破坏程度，这与丁珊珊等[14]的研究结果相符。
2.4 γ-PGA对速冻水饺皮淀粉结晶度的影响
在淀粉的冻结过程中，冰晶的形成使淀粉溶液发生相分离，导致淀粉回生。冻融循环则会加剧相的分离，形成被海绵状淀粉网络包裹的、更大的冰晶，此时整个结构对水分子的束缚力变弱，水分子的迁移更加剧烈[24]。因此，在速冻水饺皮中，淀粉结晶度的增大会使淀粉回生、可冻结水分含量增加，对速冻水饺的口感造成不利影响。
如图4所示，6个样品图谱在15.3°、17.1°、18.2°、23.5°有明显尖峰，属于典型的A型峰。由a～f的淀粉结晶度依次为38.28%、28.01%、30.06%、13.7%、14.12%和18.68%，表明γ-PGA的添加降低了速冻水饺皮的淀粉结晶度。添加0.5%的γ-PGA使淀粉结晶度减小了64.2%。当γ-PGA的浓度大于0.5%时，虽然淀粉结晶度有所增加，但仍低于对照组。FERRERO等[25]认为黄原胶可与淀粉相互作用并形成淀粉-黄原胶复合物，因此推测γ-PGA与淀粉间能够形成γ-PGA-淀粉复合物，这与蒸煮损失率的测定结果相符。由于γ-PGA与淀粉形成了分子内氢键，阻碍了淀粉自身分子内氢键的形成，减弱了淀粉的结晶程度，同时γ-PGA对水分子的束缚也抑制了水分子的迁移。因此，γ-PGA能够降低速冻水饺皮的淀粉结晶度，有利于保持速冻水饺的良好口感。
a～f依次为γ-PGA的添加量为0%、0.08%、0.25%、 0.5%、0.75%、1%
图4 γ-PGA对速冻水饺皮中淀粉结晶度的影响
Fig.4 Effect of γ-PGA on the XRD of starch in frozen dumpling wrappers
2.5 γ-PGA对速冻水饺皮内部结构的影响
面团是由连续的面筋网络以及包埋在网络中的许多淀粉颗粒组成的复杂结构[26]。速冻水饺皮中存在大小不一的冰晶，这些冰晶在水饺皮被冻干后形成了形状不规则的孔洞。通过SEM可以观察到面团中的孔洞，以及淀粉颗粒和面筋网络结构的形态[27]。
图5显示了添加不同浓度γ-PGA的速冻水饺皮的内部结构。由图5-A可见，水饺皮经过低温冷冻后，面筋网络结构被破坏，出现明显收缩和变形，甚至有面筋胶束发生断裂，同时部分淀粉颗粒暴露于面筋网络之外，在有些淀粉颗粒表面存在断裂的面筋蛋白碎片。添加了0.08%、0.25% γ-PGA的速冻水饺皮内部也出现了面筋网络的断裂和淀粉颗粒的裸露，但较对照相比其结构被破坏的程度轻微。而在γ-PGA添加量为0.5%、0.75%和1%时，速冻水饺皮内部面筋网络结构较为完整，淀粉颗粒间相互连结，并且紧密依附在面筋网络上。ZOUNIS等[27]在研究中发现，在面团冷冻储藏的过程中，面团内部水分会发生重结晶，随着冷冻时间的延长，不断重结晶的冰晶体对面团结构的破坏越来越剧烈。由于γ-PGA与速冻水饺皮中的水分大量结合，限制了水分子的迁移，冰晶重结晶的程度降低，因此缓解了低温冷冻环境对速冻水饺皮内部结构的破坏。这说明γ-PGA在速冻水饺皮中具有防冻作用，以保护水饺皮内部结构的完整，这与此前的试验结果相符合。
A～F依次为γ-PGA的添加量0%、0.08%、0.25%、0.5%、 0.75%、1%
图5 添加不同浓度γ-PGA的速冻水饺皮内部结构的 扫描电镜图
Fig.5 SEM images of frozen dumpling wrappers with different addition of γ-PGA
2.6 γ-PGA对速冻水饺色度的影响
速冻水饺在冷冻后饺皮易变色，而良好的色泽能够提高速冻水饺的感官品质。色度仪使用D65的CIE-L、a、b色度系统。L值表示黑白度，L值越大，表明色泽越白亮；a值、b值分别表示红度值和黄度值，a值越大表示色度越红，b值越大表示色度越黄[28]。由表2可知，随着γ-PGA添加量的增加，L值持续增大，并在添加量为0.75%时达到最大值。同时，除了添加量为0.08%的样品，其余样品的L值与未添加γ-PGA的样品相比，均在p<0.05的水平上具有显著性差异。这表明γ-PGA的添加能够改善速冻水饺表面色度，使色泽变得白亮。在水饺皮中加入γ-PGA使a值也有所降低，但与未添加γ-PGA的速冻水饺相比没有显著性差异(p<0.05)。而b值随着γ-PGA添加量的增加先减小后增大，在添加量为0.5%时b值最小，说明速冻水饺表面的黄度下降。
表2 γ-PGA对速冻水饺色度的影响
Table 2 Effect of γ-PGA on the color of frozen dumplings
注：不同上标字母(a～d)表示各列平均值在p<0.05水平上有显著差异。
任顺成等[29]发现，面团经冷冻后色泽的变化是水分的流失及面筋网络结构的改变引起的。冷冻过程中，面团内部水分不断散失，面团亮度降低；同时面筋网络结构被破坏，导致面团整体色泽变差。由表2可见，γ-PGA的添加使L值增大、b值减小、a值无显著性变化，推测是由于γ-PGA良好的亲水性在一定程度上抑制了速冻水饺皮内部水分的散失。因此，γ-PGA可以显著改善速冻水饺表面的色度，有效提高速冻水饺的感官特性。
2.7 γ-PGA对速冻水饺的破肚率和冻融稳定性的影响
水饺破肚是速冻水饺在蒸煮过程中常见的现象，这是由于速冻水饺的品质问题导致的。在速冻水饺的贮藏和运输中，由于保藏温度的不稳定，速冻水饺常常会发生反复冻融，这也对保持速冻水饺的品质非常不利[30]。
表3 γ-PGA对速冻水饺破肚率和冻融稳定性的影响
Table 3 Effect of γ-PGA on cracking ratio and frozen- thaw stability of frozen dumplings
由表3可知，γ-PGA的添加降低了速冻水饺在蒸煮过程中的破肚率，且破肚率随添加量的增加而减小。当添加量为1%时，破肚率降至最小值(21.88%)，相较未添加γ-PGA的样品降低了15%。在蒸煮过程中，γ-PGA使水饺皮表面具有较大黏性，减少了淀粉的流失，使水饺皮保持一定的厚度，因此不易破肚。这与2.2中γ-PGA可以降低速冻水饺蒸煮损失率的结果相一致。添加γ-PGA的速冻水饺在冻融11～12次后才出现冻痕，结合速冻水饺皮的SEM图像，说明γ-PGA的添加能够延长速冻水饺的货架期。反复冻融使面团内部容易形成对面筋网络危害更严重的大冰晶，并使面团中的水分大量散失，导致面团硬度增大、韧性降低，造成表面干裂[31]。而γ-PGA可以阻碍大冰晶的形成，缓解了速冻水饺皮内部结构的被破坏程度。因此，γ-PGA可以降低速冻水饺的破肚率，并提高其抗冻性。
2.8 速冻水饺的感官评价及质构特性
速冻水饺的感官评价及质构特性测定结果见表4、表5。
表4 γ-PGA对速冻水饺的感官评价的影响
Table 4 Effect of γ-PGA on sensory evaluation of boiled dumplings
表5 γ-PGA对速冻水饺皮蒸煮后TPA的影响
Table 5 Effect of γ-PGA on TPA of boiled frozen dumpling wrappers
注：不同上标字母(a～d)表示各列平均值在p<0．05水平上有显著差异。
添加了γ-PGA的速冻水饺具有更加亮白的色泽，口感爽口不黏牙，韧性较佳，耐煮性也有所增强。结合质构特性测定结果，添加γ-PGA的水饺皮煮后的硬度和黏性显著降低。由于速冻水饺皮的糊化度对其质构特性有很大影响，糊化度与硬度呈现负相关[15]。因此推测γ-PGA的添加提高了速冻水饺皮的糊化度，降低了硬度和黏性。速冻水饺皮蒸煮后的咀嚼性也有所改变，但与未添加γ-PGA的样品相比几乎无显著性差异。此外，γ-PGA使饺子汤更加清澈、沉淀物较少。在γ-PGA添加量为0.75%时，速冻水饺的感官评分最高。因此，添加γ-PGA可以一定程度上改善速冻水饺的品质，降低水饺皮硬度和黏性，使水饺外观特性增强，适口性更好，食用价值提高。
3 结论
试验通过研究不同浓度γ-PGA对速冻水饺特性与品质的影响，证明了γ-PGA的添加对速冻水饺皮及速冻水饺的食用品质有显著的改良作用。一方面，在速冻水饺的冷冻过程中，γ-PGA可以抑制水饺皮内部水分的迁移，降低可冻结水分含量，阻碍冰晶的重结晶并降低淀粉结晶度，从而缓解冰晶对面团内部结构的破坏、有利于保持水饺皮的口感。速冻水饺皮的SEM图像表明γ-PGA能使淀粉被包裹在面筋网络结构中，保护面团结构相对完整。同时由于γ-PGA与水分结合，减少了速冻水饺皮内的水分流失，速冻水饺煮后的表面色泽更加白亮。另一方面，有研究表明，γ-PGA可以增强小麦面粉的面团稳定性，改善面团延展性，降低淀粉的糊化温度并增大糊化黏度[32]。因此，由于γ-PGA对水分的作用以及对小麦面粉的改性作用，随着γ-PGA添加量由0%增加至1%，速冻水饺的破肚率随之降低，冻融稳定性增强。当添加1%的γ-PGA时，速冻水饺皮的质构特性最佳。而当γ-PGA添加量为0.75%时，蒸煮损失率达到最低值，此时速冻水饺的感官评分最高，具有最佳食用价值。
总而言之，本文对添加γ-PGA后速冻水饺的特性与品质的变化进行了初步探究，证明了γ-PGA可以应用于速冻水饺中提高其食用价值，也为γ-PGA在速冻食品中的应用提供了参考。
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