羧甲基纖維素改善冷凍蛋糕體系熱力學與烘焙特性研究

賈春利，湯曉娟，黃衛寧，*，鄒奇波，甘小紅，RAYAS-DUARTE Patricia

（1.江南大學食品學院，食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇無錫 214122；2.張家港福臨門大家庭食品有限公司，江蘇張家港215632；3.深圳市金谷園實業發展有限公司，廣州深圳 518048；4.俄克拉荷馬州立大學農產品與食品研究中心，美國斯蒂爾沃特74078-6055）

羧甲基纖維素改善冷凍蛋糕體系熱力學與烘焙特性研究

賈春利1，湯曉娟1，黃衛寧1，*，鄒奇波2，甘小紅3，RAYAS-DUARTE Patricia4

（1.江南大學食品學院，食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇無錫 214122；2.張家港福臨門大家庭食品有限公司，江蘇張家港215632；3.深圳市金谷園實業發展有限公司，廣州深圳 518048；4.俄克拉荷馬州立大學農產品與食品研究中心，美國斯蒂爾沃特74078-6055）

研究了凍藏條件（凍藏時間和凍融循環次數）和羧甲基纖維素添加量（1%、2%、3%）對天使蛋糕面糊熱力學、流變學和烘焙特性的影響。應用差示掃描量熱儀（DSC）、粘度計、數碼顯微鏡和質構儀等分別測定了羧甲基纖維素面糊凍藏過程中冰晶熔化焓（△Hm）、粘度、比重和氣泡分布（尺寸和均勻性），以及蛋糕比容和質構的變化。結果發現凍藏和凍融循環顯著增加了面糊△Hm、減小了面糊粘度、增大了面糊比重、增加了面糊氣泡分布的不均勻性，最終導致蛋糕比容減小、硬度增大；而羧甲基纖維素作為一種親水膠體，延緩了面糊△Hm的增加、粘度的減小、比重的增大、氣泡分布的不均勻化、蛋糕比容的減小和硬度的增大，且當羧甲基纖維素用量在1%～3%范圍內時，添加量越少效果越好，羧甲基纖維素添加量為1%的面糊制作的天使蛋糕比容最大、硬度最小。

蛋糕，凍融循環，羧甲基纖維素，氣泡分布，質構

Abstract：The effect of frozen condition （frozen storage time and freeze-thaw cycles） and carboxyl methyl cellulose（1%，2%and 3%） on thermal，rhological and baking properties of angel food cake batter were investigated.Batter ice melting enthalpy（△Hm），viscosity，specific gravity and bubbles distribution，and cake specific volume and hardness were determined by using differential scanning calorimetry，viscometer，digital microscopy and texture analyzer，respectivly.Results showed that as frozen storage and freeze-thaw cycles continued，batter△Hm and specific gravity increased，viscosity and bubbles uniformity decreased，resulting in a decrease in the specific volume and an increase in hardness of cake.Carboxyl methyl cellulose retarded an increase in △Hm，specific gravity and cake hardness，and retarded a decrease in viscosity，bubbles uniformity and cake specific volume.And the cake with 1%carboxyl methyl cellulose was the best when the amount of carboxyl methyl cellulose was added at level range from 1%to 3%.

Key words：cake；freeze-thawing cycles；carboxyl methyl cellulose；bubbles distribution；texture

冷凍面團技術的出現和迅速發展[1-2]，有助于烘焙產品集中化、標準化生產，減少因產品老化帶來的經濟損失[3-4]，有助于提高產品的方便性、即食性。然而，冷凍和凍藏過程中冰晶的形成和重結晶引起面團流變學和熱力學特性改變，進而導致烘焙產品質量惡化，如面包比容減小、硬度增大等[5-9]。親水膠體具有較高的持水性，能夠控制凍藏過程中冰晶的形成和生長，增加冷凍面團的凍藏穩定性，改善冷凍面團及其烘焙產品質量[10-14]。羧甲基纖維素是常用于改善冷凍面團烘焙產品質量的親水膠體之一[10，15-17]。海綿蛋糕面糊在攪打過程中會包入大量空氣，這些空氣在烘焙過程中迅速膨脹，形成多孔的海綿狀結構。面糊攪打過程中吸入的空氣量和面糊中氣泡分布（氣泡大小和均勻性）取決于面糊粘度，往往又決定了蛋糕的比容和質構[18-21]，凍藏過程對海綿蛋糕質量的影響尚不清楚，天使蛋糕是海綿蛋糕之一，關于冷凍面糊天使蛋糕的研究幾乎未見報道。本文研究以羧甲基纖維素（1%、2%、3%）為代表的親水膠體對不同凍藏條件（凍藏時間和凍融循環次數）下冷凍蛋糕面糊熱力學、流變學和烘焙特性的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

低筋小麥粉 購自南順面粉公司，水分、粗蛋白、粗脂肪和灰分含量分別為13.4%、9.0%、1.5%和0.80%（測定方法為AACCI 2000[22]）；羧甲基纖維素丹尼斯克（昆山）有限公司提供。

攪拌機 美國DummyKitchen家用電器有限公司；Pyris 1差示掃描量熱儀（DSC） 美國Perkin Elmer公司；DV-II+粘度儀 德國Brookfield有限公司；數碼顯微鏡 Motic實業集團有限公司；TA-XT2i質構儀英國Stable MicroSystems公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 天使蛋糕的制作 天使蛋糕制作參照Morr的方法[23]，根據實際情況做了部分修改。具體方法如下所述。

配方：小麥粉100g，蛋白308g，綿白糖130g，食鹽2.5g，塔塔粉1.5g。羧甲基纖維素添加量分別為小麥粉的1%、2%和3%，不含羧甲基纖維素的樣品為空白樣。

工藝：首先將蛋白、塔塔粉和食鹽投入攪拌機中進行慢速攪打，直至呈白色泡沫狀，將綿白糖分三次加入，高速攪打直至濕性發泡。將低筋小麥粉篩好后，分兩次加入，緩慢攪打至面粉混勻。稱取30g面糊放入蛋糕模具中，在上下火均為160℃烤箱中烘焙20min。

1.2.2 面糊的冷凍和解凍 用保鮮膜覆蓋裝有面糊的蛋糕磨具，將其置于-35℃下速凍2h至中心溫度達到-18℃，部分面糊樣品置于-18℃分別凍藏1、2和4周，另一部分分別經歷1次（凍藏1w）、2次（凍藏1w后解凍，繼續凍藏1w）和3次（凍藏1w后解凍，繼續凍藏1w后解凍，繼續凍藏2w）凍融循環。為了使面糊解凍得更加徹底和均勻，將面糊置于10℃解凍6h。

1.2.3 面糊熱力學特性研究 將10～15mg面糊放入DSC鋁盒中，并按照1.2.2描述條件進行凍藏，取出后迅速轉入DSC中進行測定。空的密封鋁盒作為對照樣。面糊中冰晶熔化焓（△Hm）按照下述程序測定：將面糊樣品以5℃/min的速度降溫至-30℃，并在此溫度下維持5min，然后以5℃/min的速度升溫至10℃。

1.2.4 面糊物理特性研究 室溫條件下測定面糊比重，比重為面糊重量與體積之比；面糊粘度使用粘度儀測定，使用SC4-29攪拌針以20r/min的速度攪拌面糊。

1.2.5 面糊氣泡分布觀察 使用數碼顯微鏡觀察面糊氣泡分布，將面糊置于載玻片上，以蓋玻片覆蓋，在×10放大倍數下觀察氣泡分布[24]。

1.2.6 烘焙特性研究 蛋糕烘焙后，于室溫下冷卻1h，然后測定蛋糕重量和體積，體積采用菜籽替代法測定。蛋糕體積與重量的比值即為蛋糕比容（單位mL/g）。

應用質構儀于室溫下測定蛋糕硬度，選用P/50R探頭，設置測試前、測試中和測試后速度均為1.0mm/s。將蛋糕壓縮至原來高度的50%，測定蛋糕硬度（單位g）。

1.3 數據處理

所有數據為三次平行測量的平均值，運用SAS軟件進行方差分析（ANOVA）和最小顯著差異分析（LSD），顯著差異水平取p＜0.05。

2 結果及分析

2.1 面糊熱力學特性

圖1 面糊中冰晶熔化焓（△Hm）隨凍藏時間（A）和凍融循環（B）的變化Fig.1 The change of△Hm in cake batter with frozen storage time（A）and freeze-thaw cycles（B）

面糊中冰晶熔化焓（△Hm）隨凍藏條件和羧甲基纖維素添加量的變化分別如圖1所示。凍藏過程尤其是凍融循環過程引起了所有面糊（空白和含有羧甲基纖維素面糊）△Hm的顯著（p＜0.05）增大。△Hm增大反映了水分子在凍藏過程中逐步從蛋白質分子中游離出來，這和前人研究結果基本一致[14，25-26]。一些研究者也曾用低溫掃描電鏡觀察面團中冰晶的形成和生長，他們發現大多數冰晶覆蓋在氣孔壁上，另一部分深嵌在面團基質中，并從氣孔壁伸出在氣孔中[27-29]。因此，天使蛋糕面糊中△Hm增加說明凍藏過程冰晶形成并逐漸增多，它們可能會破壞面糊的氣泡結構，導致面糊中部分氣體在解凍后溢出。

空白面糊（不含羧甲基纖維素）明顯（p＜0.05）較含有羧甲基纖維素面糊△Hm增大的更快。凍藏4w后，空白、1%、2%和3%羧甲基纖維素面糊的△Hm分別增加了13.87、9.69、11.75、12.27J/g，而經過3次凍融循環后，空白、1%、2%和3%羧甲基纖維素面糊的△Hm分別增加了19.63、14.01、15.43、16.24J/g，空白面糊的△Hm增加的最多，含1%羧甲基纖維素面糊的△Hm增加的最少，說明羧甲基纖維素的加入阻止了天使蛋糕面糊中冰晶的形成和增加，且在羧甲基纖維素添加量為1%～3%之間時，隨著羧甲基纖維素使用量的增加，冰晶增長量逐漸增加。但是，凍藏條件相同時，仍以3%羧甲基纖維素面糊的△Hm為最小。

2.2 面糊粘度

面糊粘度影響空氣包入量和面糊內氣體的擴散，并控制著面糊比重、氣泡分布和蛋糕質量。凍藏后，所有面糊粘度都顯著（p＜0.05）降低（圖2A），凍融循環后面糊粘度降低的更明顯（圖2B），這可能是由于面糊中△Hm增大，即冰晶量增多引起的。

新鮮空白面團加入羧甲基纖維素后，粘度顯著（p＜0.05）增大，且隨著羧甲基纖維素添加量增加，面糊粘度越大，這與Ashwini、Jyotsna和Indrani的研究結果一致，他們發現親水膠體，如阿拉伯膠、瓜爾膠、刺槐豆膠、卡拉膠和羧甲基纖維素增加了蛋糕面糊粘度[30]。圖2也顯示出，羧甲基纖維素的引入減緩了凍融循環引起的面糊粘度減小，且凍藏時間相同時，羧甲基纖維素添加量越多面糊粘度越大。

圖2 面糊粘度隨凍藏時間（A）和凍融循環（B）的變化Fig.2 The change of viscosity of cake batter with frozen storage time（A）and freeze-thaw cycles（B）

2.3 面糊比重

蛋糕面糊比重越小說明面糊中持留了越多的氣體[30]。面糊比重隨羧甲基纖維素添加量和凍藏條件的變化如圖3所示。隨著凍藏時間延長和凍融循環次數增加，所有面糊比重都顯著增大（p＜0.05），這可能與冰晶破壞面糊結構，引起氣體釋放有關。

圖3 面糊比重隨凍藏時間（A）和凍融循環（B）的變化Fig.3 The change of specific gravity of cake batter with frozen storage time（A）and freeze-thaw cycles（B）

羧甲基纖維素的加入引起新鮮面糊比重迅速增大，一些研究者也得出過同樣的結論，即親水膠體能夠顯著增大蛋糕面糊比重[30]。然而，隨著凍藏時間延長和凍融循環次數增加，含有羧甲基纖維素面糊比重增加的速度明顯慢于空白面糊。凍藏4w和凍融循環3次后，含有羧甲基纖維素面糊的比重明顯較空白面糊比重小，其中含有1%羧甲基纖維素面糊比重最小，例如，空白面糊凍藏4周后比重為0.47g/mL，但是含有1%、2%和3%羧甲基纖維素面糊的比重分別為0.39、0.44、0.46g/mL。加入羧甲基纖維素面糊比重減小，可能是由于羧甲基纖維素抑制了冰晶形成，減小了冰晶對氣泡結構的破壞和氣體的釋放；而隨著羧甲基纖維素添加量從1%增加至3%，面糊比重增大可能有兩個原因：a.羧甲基纖維素量逐漸增加，面糊粘度增大明顯，導致面糊攪打過程中包入空氣量減少；b.羧甲基纖維素量增多，面糊粘度大幅提升，氣體在面糊中的擴散受到限制，形成不均勻海綿狀結構，冰晶形成后導致大量氣體釋放。

2.4 面糊氣泡分布

面糊中氣泡小、尺寸均勻有利于制作出較好質構和形狀、較大比容的蛋糕[18，31]。羧甲基纖維素含量不同的面糊中氣泡分布隨凍藏條件的變化如圖4所示。凍藏后，所有面糊中氣泡都增大了，均勻性卻降低了，空白面糊中氣泡分布變化的最明顯。凍融過程比單獨的凍藏過程對面糊中氣泡分布的影響更顯著。這些結果說明，凍藏過程不僅導致面糊中氣體部分釋放，也會引起氣泡間的合并。

圖4也顯示出，隨著羧甲基纖維素的加入，凍藏初期（1周），面糊中氣泡尺寸和不均勻性都大于空白面糊，這可能是由于羧甲基纖維素添加使得面糊粘度急劇增大，限制了面糊中氣泡的擴散，使得氣泡較大且不均勻，隨著凍藏的繼續進行，羧甲基纖維素引起面糊中氣泡增大和均勻性減小的速度減慢。隨羧甲基纖維素添加量從1%增加至3%，凍藏條件相同的面糊中氣泡尺寸和非均勻性有明顯增大趨勢。但2周凍藏或者2次凍融循環后，含羧甲基纖維素面糊的氣泡尺寸和非均勻性都小于空白面糊，這說明羧甲基纖維素能夠阻止面糊中氣泡增大和不均勻化，這可能與羧甲基纖維素減小了面糊中的冰晶有關[21]。圖4也顯示出含1%羧甲基纖維素的面糊氣泡尺寸較含2%、3%羧甲基纖維素的面糊的氣泡尺寸更小、更均勻。

圖4 面糊中氣泡分布隨凍藏時間（A）和凍融循環（B）的變化Fig.4 The change of bubble distribution in cake batter with frozen storage time（A）and freeze-thaw cycles（B）

2.5 蛋糕比容

圖5繪出了蛋糕比容隨凍藏條件和羧甲基纖維素添加量的變化。隨著凍藏和凍融循環過程的繼續，所有蛋糕的比容都顯著（p＜0.05）減小，凍融循環過程會更大幅度的減小蛋糕的比容，這些結果可能是由冰晶增大間接引起的。

圖5 蛋糕比容隨凍藏時間（A）和凍融循環（B）的變化Fig.5 The change of specific volume of cake with frozen storage time（A）and freeze-thaw cycles（B）

圖5也顯示出，當凍藏條件相同時，羧甲基纖維素的引入顯著（p＜0.05）增大了蛋糕的比容，這可能與羧甲基纖維素對面糊△Hm、粘度、比重和氣體分布的影響有關，如上所述。而當羧甲基纖維素含量從1%增加至3%時，冷凍面糊蛋糕的比容卻逐漸減小，含1%羧甲基纖維素面糊凍藏后制作的蛋糕比容最大，這可能是羧甲基纖維素添加量較多會引起面糊粘度急劇增加，導致面糊攪打過程中包入氣體量減少，同時氣體在面糊中的擴散受到限制，形成不均勻海綿狀結構，冰晶形成后導致大量氣體釋放。

2.6 蛋糕硬度

蛋糕硬度隨凍藏條件和羧甲基纖維素添加量的變化如圖6所示。所有蛋糕的硬度都隨凍藏和凍融循環的繼續而增大，其中凍融循環對其影響更為明顯。添加羧甲基纖維素后，凍藏條件相同的情況下，蛋糕硬度變小，即羧甲基纖維素延緩了蛋糕硬度的增大。關于冷凍面團烘焙產品的硬化被親水膠體緩解的研究已有報道[14，30]。但是，隨著羧甲基纖維素添加量增大，蛋糕硬度有回升現象，即當添加量從1%增加到3%時，蛋糕硬度隨凍藏時間延長而增加的速度變大，含1%羧甲基纖維素的蛋糕硬度增大的最緩慢，這可能是由于親水性膠體添加過多，造成面糊體系水分不充足，面糊中其他成分無法吸水，從而造成硬度增加。

圖6 蛋糕硬度隨凍藏時間（A）和凍融循環（B）的變化Fig.6 The change of cake hardness of cake with frozen storage time（A）and freeze-thaw cycles（B）

3 結論

經過研究，發現凍藏和凍融循環顯著增加了面糊△Hm、減小了面糊粘度、增大了面糊比重、增加了面糊氣泡分布的不均勻性，最終導致蛋糕比容減小、硬度增大；而羧甲基纖維素作為一種親水膠體，延緩了面糊△Hm的增加、粘度的減小、比重的增大、氣泡分布的不均勻化、蛋糕比容的減小和硬度的增大，且當羧甲基纖維素用量在1%～3%范圍內時，添加量越少效果越好，羧甲基纖維素添加量為1%的面糊制作的天使蛋糕比容最大、硬度最小。

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Study on improvement of carboxyl methyl cellulose in frozen batter cake by modifying thermal and baking properties

JIA Chun-li1，TANG Xiao-juan1，HUANG Wei-ning1，*，ZOU Qi-bo2，GAN Xiao-hong3，RAYAS-DUARTE Patricia4
（1.The State Key Laboratory of Food Science and Technology，School of Food Science and Technology，International Exchange and Cooperation Program，Jiangnan University，Wuxi 214122，China；2.Fortune Bakery Co.，Ltd.，Zhangjiagang 215634，China；3.Shenzhen Jinguyuan Industry Development Co.，Ltd.，Shenzhen 518048，China；4.Food and Agricultural Products Research Center，Oklahoma State University，Stillwater 74078-6055，USA）

TS202.3

A

1002-0306（2012）16-0327-05

2011－12－20 *通訊聯系人

賈春利（1977-），女，博士研究生，工程師，研究方向：食品烘焙與發酵技術。

國家自然科學基金項目（31071595，20576046）；美國農業部國際合作項目（A-（86269））；農業科技成果轉化資金項目（2009GB23600520，2011GB2C100017）。