發酵面團氣室結構穩定性調控理論研究進展

岳 穎 佟立濤 周素梅 王麗麗 周閑容 劉麗婭

(中國農業科學院農產品加工研究所；農業部農產品加工重點實驗室，北京 100193)

發酵面團在和面過程中，空氣被裹入面團并被破碎，形成小的氣泡核。在后續的發酵過程中，酵母所產生的二氧化碳氣體傳遞到氣泡核中，氣泡不斷膨脹，并在后續的烘焙過程中繼續膨脹、有的甚至發生破裂，形成發酵面制品內部特殊的氣孔結構。面包制品其面團中的氣孔體積約占最終產品體積的70%，氣孔的大小和分布密度對最終產品的質構以及感官特性，尤其是風味產生重要影響[1]。

早期觀點認為，面團中的氣泡被面筋蛋白網絡所束縛[2]，面筋蛋白網絡黏彈性影響氣泡的形成以及在發酵和焙烤過程中氣泡的穩定性，對面團中氣室穩定性起到決定性作用。隨著研究的深入，Gan等[3]發現，在面團發酵結束時，其掃描電鏡照片中可清晰觀察到大量的氣泡存在于未完全封閉的面筋蛋白網絡結構中，且包裹氣泡的面筋蛋白網絡結構具有不連續性，表面存在一定數量的孔洞，但在焙烤結束后，其內部可觀察到細膩且均一的氣室結構。因此提出面筋蛋白網絡結構并非調控氣室穩定性的唯一因素，并提出穩定面團氣室結構的薄層液膜穩定理論。

然而，目前對發酵面制品的質構調控多局限于面筋蛋白網絡結構對氣室穩定性的干預作用，有關薄層液膜特性與氣室穩定性及其最終產品質構特性之間的聯系仍缺乏足夠認識，對薄層液膜研究的深度和廣度遠不如面筋蛋白-淀粉網絡。基于此，本文從穩定面團氣室的面筋蛋白網絡和薄層液膜雙調控理論層面，綜述影響面筋蛋白網絡和薄層液膜組成、結構和性質的因素，以及對氣室穩定性的影響，以期為發酵面制品品質改良和多相食品體系功能特性改善提供參考。

1 面筋蛋白網絡結構調控理論研究進展

1.1 面筋蛋白網絡結構調控理論

在和面過程中，當小麥粉與水混合后，小麥粉中的麥谷蛋白和麥醇溶蛋白通過二硫鍵發生交聯反應，形成面筋蛋白網狀結構(圖1)。在谷物化學領域，人們普遍將面團持氣性差異歸結為麥谷蛋白的特性對面筋蛋白網絡結構的影響。并認為面筋蛋白延伸性和彈性比例合適，可以有效地防止面筋蛋白-淀粉網狀基質破裂，避免形成大氣泡和二氧化碳泄漏，從而保證最終產品能夠獲得均一和細膩的氣室結構[4]。面筋-淀粉基質中的面筋蛋白在控制小麥面團的流變性中起著重要的作用[5]。淀粉可以顯著影響面團的流變特性和其他特性[6]。Zhang等[7]將不同品種的淀粉添加到面筋中制成淀粉-面筋模型面團，發現小麥淀粉-面筋面團的網絡結構更加穩定，可以更好地穩定氣室之間的面筋蛋白膜。

注：上圖顯示面團中無薄層液膜結構，下圖顯示存在液膜結構的面團內部發酵焙烤過程中的變化。圖1 傳統觀念中面團內部結構與真實體系中面團內部結構對比

面筋-淀粉基質對于面團氣室的穩定性具有重要影響。由于在發酵過程中二氧化碳的擴散以及在烘烤過程中氣體的熱膨脹導致面團中的氣泡快速膨脹，包裹氣泡的面筋-淀粉基質也隨之膨脹，發生大的應變，從而導致氣室壁變薄。如果氣泡繼續沿變薄的氣室壁擴展，則可能會破裂。如果該薄區域中的應力與應變相應成比例增加，則氣室壁較薄的區域可進一步抵抗氣泡膨脹引起的形變，并且氣泡將繼續沿氣室壁較厚的部分擴展。這種因應變而引起的氣室壁局部應力增加，可防止氣室壁破裂[8]，是獲得良好的面包體積的必要流變學性質。

面筋-淀粉基質的穩定性是防止面團中氣泡歧化和聚結的主要因素。面筋-淀粉基質的穩定性取決于應變硬化的趨勢，應變硬化現象依賴于面筋蛋白網絡的強度和延展性之間的平衡。強度決定面筋蛋白網絡抵抗結構破壞的能力，而延展性影響面團纏結網絡之間的滑移程度[9]。因此，為了維持氣室的穩定性，面團需要具有足夠的延展性以響應壓力的變化，同時應具有足夠高的強度以抵抗面團的塌陷。研究表明，面筋蛋白網絡的強度主要是由分子質量大于或等于250 ku的高分子質量麥谷蛋白賦予的。分子質量大于250 ku的麥谷蛋白可以增強面筋蛋白網絡的強度[10]；而分子質量小于250 ku的蛋白則充當稀釋劑降低面筋蛋白網絡的強度。麥醇溶蛋白會顯著增加稀釋劑濃度，引起面筋蛋白網絡發生解離。當面團受到拉伸力時，面筋蛋白網絡在沒有足夠伸長的情況下斷裂，從而導致氣室結構遭到破壞。當大于和小于250 ku的面筋蛋白的相對比例大約為60∶40時，面包體積最大，相對比例增大或減小都會減小面包體積。研究表明，谷蛋白大聚體(GMP)會影響面包的體積，隨著谷蛋白量的增加，面包體積不斷增大，在增大到一定量時面團的強度和延展性達到平衡，但是當谷蛋白的含量進一步增加時，高纏結的面筋蛋白網絡反而會引起產品體積的減小[11, 12]。面團混合過程中不同類型的反應和相互作用對面筋蛋白網絡的形成至關重要，游離巰基(—SH)可以氧化為二硫鍵(S—S)，增加GMP的分子質量，SH—SS交換反應是由低分子質量巰基化合物或谷蛋白中的游離巰基基團引發的，對于建立三維面筋蛋白網絡結構非常重要[13]。

1.2 影響面筋蛋白網絡結構的因素

1.2.1 原料

小麥粉質量會對面筋蛋白網絡結構產生影響，進而影響面團氣室的穩定性。劣質粗粉不利于形成連續的面筋蛋白網絡結構，最終導致面筋蛋白網絡黏彈性和延展性降低，使得面團較難膨脹，起發性變差。無麩質(面筋蛋白)的小麥粉無法形成黏彈性的面團[14]，通過加入含有預糊化淀粉的小麥粉可以改善無麩質面團的特性[15]。

鹽、糖類物質等其他面團中典型的成分也會顯著影響面筋蛋白網絡的形成。例如，過量的食鹽可以屏蔽面筋蛋白上的電荷，從而限制面筋蛋白聚合物之間的靜電排斥力并使其聚集[16]。而少量的食鹽可提高面筋蛋白分子間的β-折疊的水平，增強蛋白分子的剛性，因而提高面筋蛋白網絡的強度[17]。同時，適量的鹽亦可提高面團的加工特性[18]，但是鹽的存在會減緩面筋蛋白網絡的形成速度[19]。

小麥粉中還含有一些多糖類物質，如阿拉伯木聚糖(AX)、膳食纖維等。AX根據其溶解度分為可溶性的阿拉伯木聚糖(WEAX)和不可溶的阿拉伯木聚糖(WUAX)。一般認為，WEAX對面團的體積有積極的影響，而WUAX會抑制面筋蛋白網絡結構的形成，形成劣質的面團[20]。膳食纖維的存在會通過形成新的氫鍵并引起二硫鍵的構象以及兩種芳香族氨基酸(酪氨酸和色氨酸)微環境的變化而干擾面筋蛋白網絡的形成[21]。此外，向小麥粉中添加一些膠體類物質也會對面筋蛋白網絡結構產生積極的影響。例如，添加一定量殼聚糖有利于提高面筋蛋白網絡抵抗變形的能力，形成分布更加均勻的氣室結構[22]。微晶纖維素和較低含量的果膠可以通過形成反平行β-折疊引起面筋蛋白二級結構的改變[23]。向無麩質小麥粉中加入瓜爾豆膠、酪蛋白和蛋清可以通過改善面團的面筋蛋白網狀結構，增強面團的彈性[24]。黃原膠可以提高面條的拉伸強度[25]。

酵母在發酵過程中產生的代謝產物，也會對面筋蛋白網絡的結構和性質產生影響。酵母發酵除了產生主要的代謝產物二氧化碳和乙醇外，還會產生大量的次級代謝產物，如琥珀酸、乙酸和甘油等。Mathieu等[26]研究了酵母代謝產物對面團流變學行為的影響，發現乙醇可以溶解部分的麥醇溶蛋白，限制面筋蛋白網絡中的非共價相互作用，使面團的拉伸黏度和延展性降低。少量的琥珀酸對面筋蛋白網絡沒有影響，但當其積累到一定量，則會導致面筋蛋白帶凈正電荷，增大面筋蛋白間的相互排斥力，使面筋蛋白網絡之間內聚性降低，形成更小的蛋白聚集體[27]。這一不利影響可以通過加鹽中和的方法予以抵消。甘油可以增加面團的延展性，提高發酵過程中面團的持氣能力[28]。谷胱甘肽一般存在于酵母細胞中，酵母細胞死亡后進入面團便會馬上裂解二硫鍵，對面筋蛋白網絡的強度產生負面的影響。但是，由于發酵是一個時間依賴性的過程，代謝產物逐漸釋放的過程不會對面筋蛋白網絡產生如此大的影響。

1.2.2 氧化還原劑

添加適量的氧化劑可促進GMP中的二硫鍵形成[29]，增加面團強度；而還原劑通過SH/SS的交換反應降低面筋蛋白聚集體的分子質量[30]。但是，由于氧化還原劑引起的氧化還原反應較為復雜，且安全性尚不明確，因此允許運用在食品中的氧化還原劑有限，而歐盟僅允許使用抗壞血酸。

近年來，氧化還原酶在面制品加工中得到了廣泛的應用，它在烘焙過程中逐漸變性，在最終的產品中失去活性，因此可不標識在最終的產品成分表中，具有安全綠色的突出優勢，且迎合了消費者對“清潔標簽”的需求。通常，面團制作中的氧化還原酶使面筋蛋白通過各種共價鍵直接或間接交聯，從而增強面團系統。在面團系統中，常用的氧化還原酶有過氧化氫酶、葡萄糖氧化酶、巰基氧化酶、轉谷氨酰胺酶等。過氧化氫酶可以通過加速分解酶及酵母產生的過氧化氫促進面團中氧及自由基的產生，促進面筋蛋白中半胱氨酸、酪氨酸交聯以及半胱氨酸殘基之間二硫鍵的形成，增強面筋強度，改善氣室穩定性[31]。葡萄糖氧化酶可以促進二硫鍵的形成，產生大的蛋白質聚集體，增加GMP的含量，并通過非二硫鍵的共價作用形成蛋白質-多糖復合物，產生更連續和高度致密的面筋蛋白網絡[32]。巰基氧化酶可以催化巰基形成二硫鍵。轉谷氨酰胺酶可以導致蛋白質的共價交聯，增強面筋蛋白網絡結構[33]。

1.2.3 加工方式

加工方式也會影響面筋蛋白網絡的結構。小麥粉的熱處理導致小麥粉顆粒中蛋白質發生交聯，可以更好的穩定面團氣室結構，防止面包在烘烤過程中的崩塌[34]。面團制作過程中的不同機械單元操作(例如混合和壓片)決定了面筋的形成程度[35]。

面團的形成可以分為兩個階段：水合階段和能量輸入階段[36]。混合的時間和強度以及向面團中輸入能量的大小對于面團中面筋蛋白網絡的形成都至關重要。混合時間過長時，面團會發生分解，高分子蛋白的比例和平均分子質量會顯著降低[37]，Liu等[38]研究了混合參數對燕麥和小麥面團的影響。結果表明，在-0.06 MPa的真空度下混合10 min，燕麥和小麥面團表現出最高的抗拉伸阻力和GMP含量，并且具有最致密和均勻的面筋蛋白網絡結構。面團在適宜的熱處理條件下，通過改變淀粉的特性和面筋的延展性[39]可提高面筋蛋白網絡強度，增大產品的比容。冷凍加工導致面筋蛋白解聚變性，破壞了面筋蛋白網絡結構，導致面團持氣能力下降[40]。發酵也會影響面筋蛋白網絡結構。在發酵初期，面筋蛋白網絡結構較粗糙且不均勻。隨著發酵的進行，一部分面筋蛋白解開重聚，形成了均勻致密的面筋蛋白網絡結構[41]。擠壓過程中，面筋蛋白和小分子的淀粉顆粒包裹著大的淀粉顆粒形成致密結構，尤其是在高溫干燥的條件下，面筋蛋白網絡結構的強度增加[42]。

2 薄層液膜調控理論研究進展

2.1 薄層液膜調控理論

20世紀90年代，Gan等[3]研究發現在發酵后期，當面團中的面筋蛋白-淀粉網絡結構不連續時，面團中仍存在完整的氣室結構。這表明氣泡的膨脹不僅受面筋蛋白-淀粉基質的影響，而且可能存在其他的輔助因素，并提出面團氣體分散相和面筋—淀粉網絡間存在薄層液膜結構(liquid lamella)的假說。認為面團中的氣泡周圍存在薄層液膜結構，在發酵后期和早期烘烤階段，即當面筋蛋白-淀粉基質存在不連續性時，液膜可防止氣泡的聚結和歧化(圖1)。

經過研究發現該液膜起源于面團水相，富含可溶性的蛋白組分，如β-淀粉酶, α-淀粉酶/胰蛋白酶抑制劑, 非特異性脂質轉移蛋白, 阿拉伯半乳聚糖蛋白等[43]. 此外，面團水相中還含有一些碳水化合物以及非淀粉脂質[44]。這些表面活性成分可以影響面團氣室的穩定性，對面筋蛋白網絡的持氣性和延展性具有很強的修飾作用，在維持面團氣室穩定中發揮作用。例如，在一定的脂質含量范圍內，面包體積隨著脂質含量的增加而降低，脂質含量超過一定值后，面包體積反而有所增加。但是在這個過程中脂質不會引起面筋-淀粉基質流變學的任何變化，這提供了脂質作為表面活性物質穩定液膜的證據，為薄層液膜穩定面團氣室結構提供了有力的證據。

由于面團水相體系物質組成的復雜性，水相中的表面活性物質在液膜界面上的吸附存在競爭性作用。通常認為液膜穩定性受兩種機制的調控。第一種是蛋白質主導的黏彈性機制，在這種情況下，蛋白分子吸附于液體界面發生去折疊和重排作用，再通過蛋白分子間的相互作用形成黏彈性的界面膜。由蛋白形成的2D界面膜具有與3D聚合物凝膠等效的黏彈特性。第二種機制稱為Gibbs Marangoni機制，是指脂類等表面活性劑穩定的界面吸附層，當界面上的表面活性劑濃度發生變化時，界面上高濃度區域的分子會快速遷移至低濃度的區域，使得界面發生重構并及時調整稀薄區域的厚度[45]。界面分子上蛋白和脂類的相互作用對界面特性和氣泡特性具有重要的影響。

2.2 薄層液膜的提取制備

圖2 面團經超高速離心后的相分離情況 (180 000 g, 90 min, 25 ℃)

由于現有研究手段很難直接對液膜進行研究，因此，目前主要采用超高速離心的方法分離提取出面團中的水相溶液(DL)，作為間接研究薄層液膜的手段[46]。研究表明，DL是脂質、可溶性蛋白和非淀粉多糖的混合物[47]，約占面團干物質的6%，這些成分都可能在薄層液膜結構中發揮作用。MacRitchi等[48]研究了離心力對于離心后DL得率影響，研究表明，在一定的離心時間內，100 000 g的離心力足以將面團的不溶相與可溶相分離。經過離心后，面團可以分為六相：從上到下依次為固體內源性脂質、面團水相、凝膠、面筋蛋白、淀粉以及未分離的面團[49]。圖2顯示了全麥面團經離心后的相分離情況。

2.3 薄層液膜的主要物質組成及影響其性質的因素

面團水相中含有脂質、蛋白、非淀粉多糖、二糖和一些寡糖，以及少量的鹽、水溶性礦物質和水溶性的維生素等。水相中的大部分蛋白是清蛋白和球蛋白，此外研究證實在小麥面團的氣液界面處還存在著醇溶蛋白[50]。如圖3所示，當蛋白質吸附在空氣-水界面上時，發生去折疊，使疏水區域朝向空氣相，親水區域朝向水相，蛋白質通過相互作用形成具有一定黏彈性的薄層液膜，包裹住面團中的氣泡[51]。此外，蛋白質分子還可以通過空間或靜電效應阻止氣泡發生聚并，以此來穩定氣室結構。而面團水相中脂類物質則通過形成具有一定高度的液體的單分子層來穩定界面。當界面處的脂質濃度局部降低時，吸附的脂質遷移到低表面濃度的區域以恢復濃度梯度[52]。通常，在較高的面團水相濃度下，脂質對水相性質的影響占主導地位，而較低濃度的水相中蛋白質的影響更大。蛋白質和脂質共存的界面是不穩定的，因為二者破壞了彼此的界面穩定機制[53]。中性脂的存在導致面團水相泡沫體系的失穩并迅速崩塌。極性脂質，尤其是半乳糖脂，由于具有較大的非離子頭基，能夠迅速擴散到空氣-水界面，穩定面團中氣泡[54]。游離脂肪酸溶解性差、頭基較小，無法迅速擴散到空氣-水界面，導致泡沫穩定特性差，最終影響面包體積[55]。

Janssen等[56]研究了大麥、燕麥、小麥和黑麥面團水相中的蛋白、脂質對其黏度、起泡性以及表面活性的影響。結果表明，在大麥和燕麥面團水相中，隨著水相蛋白濃度的增加，其起泡性逐漸降低。脂質的存在對氣液界面的流變特性也會產生一定的影響。水相中的脂類會影響小麥面團水相蛋白的起泡性。Salt等[57]研究了不同年份小麥粉制備的面團水相及其發泡的泡沫中脂質的組成以及水相物質的氣液界面特性和起泡特性。發現通過增加內源極性脂質的含量，降低中性脂質的含量可以改善面團氣室結構的穩定性并防止氣泡在發酵過程中的聚結，最終改善小麥面包制作性能。面團水相中的puroindoline蛋白，被證明具有改善脂質破壞的泡沫的功能，對于面包的孔隙結構產生積極影響[58]。

面團水相中的非淀粉多糖主要是AX、β-葡聚糖、阿拉伯半乳聚糖等。非淀粉多糖雖然較難直接吸附于液體界面，但它們可能會間接影響薄層液膜的性質，從而調控面團中氣泡的穩定性。例如，一些非淀粉多糖會增加水相溶液的黏度，從而會減少液體從氣泡之間的液膜中排出，延緩氣室的聚結[59]。AX是小麥、黑麥和燕麥面團水相中的主要非淀粉多糖，小麥面團水相中的AX與吸附在空氣-水界面上的蛋白質相互作用，從而提高了界面的穩定性。除非淀粉多糖外，單糖，二糖和寡糖(例如糊精)也可能會增加面團水相的黏度。但是，非淀粉多糖對面團水相黏度的影響比單糖，二糖和寡糖可能更顯著。阿拉伯半乳聚糖蛋白對液膜界面性質的影響可能是與其組成中的蛋白質相關[60]，其通過降低液膜與空氣界面處的蛋白質和脂質的遷移率來降低面團水相中物質的重排率，從而有助于穩定面團氣室。

圖3 薄層液膜物質分布示意圖[74]

2.4 影響薄層液膜結構的因素

原料品種、配方等均會對面團水相產生影響，進而影響薄層液膜和最終產品的品質。研究表明，膳食纖維以及蔗糖可提高全麥面團水相得率；蔗糖可增加水相中蛋白的含量，提高水相溶液的泡沫穩定性[61]。抗壞血酸和鹽對于面團水相的得率、蛋白含量以及組成會產生一定影響。鹽可促進面團中的脂質遷移到空氣-水界面。脂質對蛋白質在空氣-水界面混合排布多產生不利影響，從而降低面團中氣泡的穩定性，脫脂小麥粉可以形成穩定的面團氣室結構。酵母可促進一些具有表面活性的成分從面團的面筋蛋白-淀粉基質中釋放出來，對面團水相的起泡特性產生有利的影響[62]。Primo-Martin等[63]發現不同品種小麥粉制備的面團水相蛋白含量不同。黑麥面團的水相溶液與小麥面團中水相溶液所形成的氣液界面膜相比，具有更高的黏彈性。并且黑麥和大麥面團水相起泡性和泡沫穩定性高于小麥面團水相。一些酶對面團水相也會產生影響。木聚糖酶增加了全麥面團水相中可溶性阿拉伯木聚糖的含量，改善全麥面團水相的起泡性，葡萄糖氧化酶可以增加全麥面團水相中的蛋白含量，二者通過減少加熱過程中面團水相氣泡的歧化和聚結改善全麥產品的質構。

3 結論與展望

面團的氣室穩定性對于最終發酵面制品質構，尤其是體積大小和內部孔隙結構具有非常重要的作用。對于面團氣室穩定性的影響因素，多歸結為與面筋蛋白網絡的流變學性質相關。自薄層液膜結構發現以來，就如何調控其結構來制造或設計具有不同加工特性的發酵面團一直備受國外食品科學研究者的關注。但與面筋蛋白網絡穩定氣室結構的理論相比，對薄層液膜研究的深度和廣度遠不如面筋蛋白網絡，薄層液膜理論尚有許多不完善之處，有關薄層液膜特性與最終產品質構特性之間的聯系仍缺乏足夠認識。相信隨著各種新實驗手段、檢測技術不斷從高分子化學、材料學等學科引入該研究的領域，關于薄層液膜穩定面團氣室結構的研究將會更加深入。