不同凍結方式對非發酵面團的水分狀態及品質特性的影響

楊 勇，鄭帥帥，艾志錄,3,*，潘治利,3，李 真,3

（1.河南農業大學食品科學技術學院，河南 鄭州 450002；2.國家速凍米面制品加工技術研發專業中心，河南 鄭州 450002；3.農業農村部大宗糧食加工重點實驗室，河南 鄭州 450002）

與發達國家相比，我國傳統冷凍面制主食的工業化進程還比較落后，特別是相關的理論研究基礎還比較薄弱，關鍵的應用技術及配套設備還亟待開發，企業的標準化和連鎖店經營模式仍然需要不斷完善[1-2]。而目前的研究發現，凍結工藝是影響速凍面制主食品質的重要因素之一，不同的凍結方式將會對面制品的品質產生不同的影響。研究表明，不同凍結方式的區別主要表現在凍結設備、冷凍溫度、冷凍時間以及傳熱傳質的方式上，這將導致凍結過程中面制品內部產生冰晶的形態大小以及數量分布的不同，直接影響著產品的最終質量[3]。快速凍結會使面制品內部產生細而均勻的冰晶，對組織結構的影響較小；而緩慢凍結會形成大而不規則且分布不均勻的冰晶體，導致組織結構被破壞，降低產品品質[4-5]。目前，在人們的生活中最常用的凍結方式依然是傳統的低溫冰箱凍結（cryogenic refrigerator freezing，RF），速凍面制品企業化生產中更多采用的是螺旋隧道凍結（spiral tunnel freezing，SF）技術，而新興的液氮噴淋凍結（liquid nitrogen spray freezing，LF）技術還有待開發利用。近年來，有關液氮凍結技術的研究大多集中于水產品[6]、肉禽類[7]、果蔬制品[8]的應用，而在面制品的應用上還比較少。本課題組前期研究了液氮浸漬式凍結對餃子皮凍裂率、速凍油條和魚丸品質的影響，為速凍調理食品新型凍結工藝的開發提供了數據支撐[9-11]。然而，關于LF技術應用于非發酵面制品的研究鮮有報道。

本實驗從速凍方式不同的應用場所出發，選取了家庭常用的RF、企業生產采用的SF以及新興的LF技術應用于非發酵面團，對比研究了3 種凍結方式對非發酵面團的凍結特性、質構特性、流變學特性以及微觀結構的影響，從而得到不同凍結方式與非發酵面團加工適應性的基礎數據并進行分析，為我國傳統的冷凍面制主食工業化和標準化發展提供一定的參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥面粉（11.05%（質量分數，后同）蛋白質、72.70%淀粉、11.68%水分、0.44%灰分），購自鄭州金苑糧油有限公司。

1.2 儀器與設備

Tlog-100H溫度記錄儀 江蘇省精創電氣股份有限公司；AB-DCN 03多功能面包機 珠海北美電器有限公司；TA.XA Plus質構儀 英國Stable Micro Systems公司；DHR-2動態流變儀 美國TA儀器有限公司；PQ 001 Micro MR柜式核磁共振成像儀 上海紐邁電子科技有限公司；Quanta FEG 250掃描電子顯微鏡 美國FEI公司；BTP. 8XL真空冷凍干燥機 美國SP Scientific公司；B4AG-3低溫冰箱 中科美菱低溫科技有限公司；LNFT-1液氮噴淋式速凍機 張家港市恒信達機械有限公司；HJLSY-II單螺旋隧道式速凍機 鄭州亨利制冷設備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 非發酵面團的制作

參考楊選等[12]的制作方法，控制面粉和水的質量比為2∶1，利用多功能面包機揉面15 min，在前1 min將水緩慢加完，設定和面溫度為20 ℃左右，揉至面團表面光滑即可。取出面團并用保鮮膜包好，室溫靜置15 min后，將其分割成質量為30 g的小面團，備用。

1.3.2 冷凍非發酵面團凍結曲線的測定

分別選取RF、SF、LF 3 種凍結方式對非發酵面團進行速凍處理。其中，設定低溫冰箱的溫度為（－35±1）℃，螺旋隧道速凍機的溫度為（－35±2）℃，液氮噴淋速凍機的溫度為（－80±3）℃。將溫度記錄儀的K型熱電偶探頭（精確度±0.5 ℃）放置于樣品的中心部位，每隔1 min記錄一次溫度變化，當中心溫度達到（－18±2）℃時，將樣品取出。根據溫度記錄儀內部的儲存數據，繪制樣品的凍結曲線。

1.3.3 冷凍非發酵面團凍結失水率的測定

由凍結前后樣品質量的差值與凍結前樣品質量的比值來計算凍結失水率，如下式所示。

式中：m1為凍結前質量/g；m2為凍結后質量/g。

1.3.4 冷凍非發酵面團解凍后水分分布的測定

根據Huang Zehua等[13]的實驗方法并略作改動，使用低場核磁共振（low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）技術對各組樣品中水分分布和遷移情況進行測定，空白（CK）組為新鮮面團。將凍結后的樣品置于溫度為35 ℃、相對濕度為85%的恒溫恒濕實驗箱中解凍1 h，之后稱取解凍后面團中心位置的樣品3 g，并用保鮮膜密封，采用多脈沖回波（Carr-Purcell-Meiboom-Gill，CPMG）序列對樣品的橫向弛豫時間T2進行測定。設置CPMG序列的主要參數：核磁管腔體溫度為32 ℃，主頻率為21 MHz，回波個數為5 000，偏移頻率為774 631.14 Hz，采樣點數為1 000 088，采樣次數為32，采樣頻率為200 KHz，模擬增益為20。對掃描后的曲線進行反演，得到樣品的T2分布情況，通過分析得到樣品中含有的強結合水T21、弱結合水T22和自由水T23的峰面積和相對應的峰比例（A21、A22、A23）。

1.3.5 冷凍非發酵面團解凍后質構特性的測定

凍結后的樣品放在35 ℃、相對濕度 85%的恒溫恒濕實驗箱中解凍1 h，根據王世新等[14]的實驗方法稍作改進，使用質構儀對解凍后的面團和CK組的新鮮面團的質構特性進行測定，研究凍結方式對面團硬度、彈性、膠著性及回復性指標參數的影響。采用P50探頭，設定測前、測試、測后速率分別為2、1、1 mm/s，設定壓縮比70%、觸發力5 g和前后間隔時間5 s。

1.3.6 冷凍非發酵面團解凍后流變學特性的測定

參照劉芳等[15]的方法略作改動，分別取4 g CK組的新鮮面團和解凍后的面團中心部位，采用DHR-2動態流變儀在振蕩模式下選擇頻率掃描測定各組樣品的流變學特性，研究各組面團的儲能模量G’、損耗模量G’及損耗角正切值tanδ隨頻率的變化。測定過程中，選擇直徑為40 mm平板，設置夾縫間隙為1 mm，頻率范圍為0.1～100 Hz，環境溫度為25 ℃，應變為0.5%。待探頭下壓至調整間隙后，在樣品邊緣涂抹適量硅油，以防止水分散失，保證實驗結果的準確性。

1.3.7 冷凍非發酵面團微觀結構的表征

參考Yi等[16]的實驗方法，對凍結后的樣品進行真空冷凍干燥處理，采用掃描電子顯微鏡觀察不同凍結方式處理后面團橫截面的微觀結構變化。測定過程中，掃描電鏡的加速電壓為3 kV，成像放大倍數為1 000 倍。

1.4 數據處理與分析

實驗數據以平均值±標準差的形式表示。采用SPSS 22.0軟件對數據進行Duncan法多重比較方差分析，并采用Origin 2018軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同凍結方式下非發酵面團的凍結曲線

對非發酵面團采用3 種凍結方式處理，記錄面團中心溫度隨時間的變化情況，得到樣品的凍結曲線，如圖1所示。冷凍食品的凍結時間定義為樣品的中心溫度由初始溫度冷凍至設定溫度所需要的時間[3,17]。由圖1可知，經LF、SF和RF處理后的非發酵面團的凍結時間依次為15、49 min和156 min。借鑒前人的研究方法，使用溫度-時間法來衡量樣品的冷凍速率，即樣品經過最大冰晶生成帶溫度區域（－1～－5 ℃）與所消耗時間的比值[18-19]。如果通過最大冰晶生成帶所需要的時間不超過30 min，則為快速凍結；反之，則為慢速凍結[3]。由凍結曲線可知，LF、SF和RF處理后通過最大冰晶生成帶所用時間依次為3、13 min和50 min，則其冷凍速率分別為1.33、0.31 ℃/min和0.08 ℃/min。因此，家庭常用的RF方式是慢速凍結，而工業化生產采用的SF方式和新興的LF方式是快速凍結。Meziani等[19]研究指出凍結速率對食品中生成的冰晶大小與分布有直接的影響，凍結速率越慢，內部生成的冰晶大而不規則且分布不均勻，而凍結速率越快，生成的冰晶小而均勻。

圖1 3 種凍結方式下面團的凍結曲線Fig. 1 Freezing curves of dough treated by thre freezing methods

2.2 凍結方式對非發酵面團凍結失水率的影響

食品在凍結和凍藏過程中均會發生干耗作用，引起食品水分散失。3 種凍結方式作用下面團的凍結失水率的變化，如圖2所示。LF、SF、RF處理后，各組的凍結失水率之間均有顯著性差異（P＜0.05），依次為0.514%、0.548%、0.716%。而從凍結速率上來看，LF（1.33 ℃/min）＞SF（0.31 ℃/min）＞RF（0.08 ℃/min），這與面團的失水率呈負相關，即冷凍速率越快，面團的失水率越小。這與岳宗陽[20]的研究結果是相似的，凍結會使面團表面與冷凍腔體內部出現一定的氣壓差，引起面團表面的水分散失，且凍結速率較慢的冷凍方式造成氣壓差存在的時間越長，就更容易使面團發生失水。另一方面，有研究表明凍結速率較慢的冷凍方法會使面團內部生成體積較大的冰晶，會更容易破壞面團中面筋蛋白和淀粉的結構，削弱了大分子物質與水的結合能力，從而造成面團更容易失水，引起面制品質量下降[18,21-22]。因此，相比之下，凍結速率越快的冷凍方式更有利于保持面制品的品質。

圖2 3 種凍結方式下面團的凍結失水率變化Fig. 2 Water loss rates of dough treated by three freezing methods

2.3 不同凍結處理的非發酵面團解凍后水分遷移的變化情況

在面團凍結過程中，內部冰晶的產生會使面團中的水分分布發生變化，進而會影響面制品的品質。目前，低場核磁共振技術能夠直觀地表現出水分的存在狀態以及分布情況，是被廣泛認可的反映水分遷移情況的技術之一。它主要基于面團中氫質子的動力學變化，推測出水分子在不同相態存在的弛豫時間，從而反演出水分的分布狀況[23]。圖3代表的是不同凍結方式處理的非發酵面團解凍后的橫向弛豫時間T2的影響情況。強結合水是能夠與面團中的面筋蛋白或淀粉等組分深層結合的水，以T21表示；弱結合水是與面團中淀粉或蛋白質等結合較弱的水，其結合能力在強結合水和自由水之間，以T22表示；自由水是不與任何組分相結合的那部分水，以T23表示[11]。由圖3可知，各組面團樣品的曲線中都出現3 個波峰，說明樣品中的水分均以強結合水、弱結合水和自由水3 種狀態存在，且弱結合水所占的面積最多。

圖3 各組面團解凍后樣品的水分遷移情況Fig. 3 Water migration of frozen dough samples after thawing

表1為CK組和凍結處理的面團解凍后各水分組成比例。從表1中面團的強結合水和弱結合水的波峰面積上可看出，各組樣品在不同指標間總體都有顯著差異（P＜0.05），且隨著凍結速率的減慢，解凍后的面團中T21和T22的峰面積與新鮮面團的峰面積相差越大；反之，越接近于新鮮面團的峰面積。這說明冷凍處理后，面團中形成的冰晶會削弱面筋蛋白或淀粉等組分對水的束縛能力，進而影響T21和T22的分布情況[5]。從各組數值上發現，RF處理后T21和T22的峰面積最小，主要受RF的凍結速率較慢的影響，面團中生成的冰晶體積越大，對面團組分的損傷程度越嚴重，束縛水的能力就越弱，則造成兩者的峰面積越小[10]。另外，從自由水T23峰面積可以看出，3 種凍結方式處理的面團解凍后的T23峰面積均顯著低于新鮮面團（P＜0.05），且LF和RF處理的T23峰面積差異顯著（P＜0.05），而SF處理與其他兩組差異不顯著（P＞0.05），可以推測這種變化受樣品的凍結失水率的影響較大。并且，從表1和圖3能看出，各處理組解凍后的面團中水分的總體波峰面積是略小于新鮮面團的，且隨著凍結速率的加快（LF＞SF＞RF），這種差距就越小，這也說明了面團的水分分布情況與凍結失水率是有關的[24]。而從表1中強結合水A21和弱結合水A22的比例可以發現，凍結速率越緩慢，A21的比例越小，而A22的比例則越大，說明了冷凍處理生成的冰晶使面團組分束縛水的能力變差，造成一定比例的強結合水轉化為弱結合水，而少量的弱結合水轉化為自由水[25]。同時，不同凍結方式處理的面團解凍后其自由水A23的比例均有下降趨勢，但各處理組的值差異不顯著，這可能因為自由水容易受面團內外氣壓不同而發生散失的影響[20]。

表1 各組面團解凍后樣品的水分動態分布的情況Table 1 Dynamic water distribution in frozen dough samples after thawing

2.4 不同凍結處理的非發酵面團解凍后其質構特性的變化情況

不同凍結方式處理的非發酵面團解凍后其質構特性的影響情況如表2所示。分析解凍后面團的硬度數據發現，經冷凍處理的面團解凍后其硬度要顯著大于新鮮面團的，特別是經RF處理后其硬度增加最明顯，而LF處理組與新鮮面團更接近，SF處理組介于兩者之間。可以看出，隨著凍結速度的減小，各組樣品解凍后的硬度不斷上升。處理組面團解凍后的硬度變化與樣品凍結失水率的大小有一定的關系，失水率越大，樣品的硬度則越大[23]。且從2.2節各組面團凍結失水率的結果來看，與硬度指標的變化趨勢相同。膠著性是半固態樣品獨有的一種性能，各組之間表現出來的膠著性存在差異，這表明3 種凍結方式處理都會不同程度地改變面團的黏性特征。同時，處理的樣品解凍后的回復性和彈性有著相同的變化趨勢，其中，新鮮面團的值與LF處理組解凍后的值之間無顯著差異（P＞0.05），而顯著高于SF、RF處理組解凍后的值（P＜0.05）。這表明凍結速率緩慢的冷凍方式能夠顯著影響樣品解凍后的回復性和彈性，較快凍結速率的處理方式對樣品解凍后的回復性和彈性影響較小，這與Selomulyo等[26]的研究結果是相似的，其指出凍結過程中形成的冰晶體積越大，對面團組織結構的破壞越明顯，進而影響面筋蛋白和淀粉等組分與水的結合作用，造成樣品回復性和彈性的降低。因此，新興的LF處理方式更有利于保持面制品的質構品質，傳統的企業化生產用的SF處理次之，而家庭常用的RF處理對面制品的質構影響較大。

表2 各組面團解凍后樣品的質構特性對比Table 2 Texture properties of frozen dough samples after thawing

2.5 不同凍結處理的非發酵面團解凍后流變學特性的變化情況

圖4 各組面團解凍后樣品流變學特性的變化情況Fig. 4 Rheological properties of frozen dough samples after thawing

面團是既有黏性流體特征又有彈性固體特征的一種材料。儲能模量G’能夠反映面團樣品的彈性變化情況，損耗模量G’能夠反映面團樣品的黏性的變化。不同凍結方式處理的非發酵面團解凍后流變學特性的影響如圖4所示。在保持溫度相同的條件下，隨著掃描頻率的上升，各組的G’與G’也呈增加趨勢，且新鮮面團的G’和G’大于處理組。相同頻率下，比較處理組解凍后的G’、G’發現，LF處理組解凍后的值接近于CK組，其次是SF處理組，而RF處理組解凍后的值最低。這表明凍結速率越快，樣品的G’、G’變化幅度越小，對樣品的黏彈性的影響越小，這與李杰平等[27]得到的結果是一致的。損耗角正切tanδ反映了面團G’與G’的比例，其值均小于1，也說明了面團是一種半固態材料[28]。從圖4C中發現，CK組的tanδ小于處理組，其中RF處理組解凍后的值略大于SF處理組，而LF處理組解凍后的值最小，而且各組的G’、G’均有所下降，這就表明了G’的減小幅度大于G’’的減小幅度，才造成tanδ逐漸增加。同樣，tanδ的變化情況也說明凍結速率較快的LF處理的面團解凍后更接近于新鮮面團，這可能由于LF處理時面團內部產生的冰晶顆粒小、分布較為均勻，對內部組織結構的損傷小，較大程度地保持了面團原有的體系，Tang Xiaojuan等[29]也給出了相同的解釋。

2.6 不同凍結處理對非發酵面團微觀結構的影響

圖5 3 種凍結方式對面團微觀結構的影響Fig. 5 Influence of three freezing methods on the microstructure of dough

使用真空冷凍干燥手段聯合掃描電子顯微鏡技術觀察面團內部的組織結構，結果如圖5所示。取出不同凍結方式處理后的面團樣品直接置于凍干機，進行真空冷凍干燥去除水分。在真空條件下，樣品的水分由冰晶態直接升華為氣態逸出，這個過程能夠基本保持冰晶逸出前的位置不變，從而能夠推測經凍結處理后面團內部冰晶形成的大小與分布以及其對面團組織結構產生的影響[30]。由于冰晶逸出后產生的孔隙較多且形狀相差不大，在圖5中只對冰晶逸出后產生的部分孔洞用紅圈進行了標記。觀察各組樣品的微觀結構發現，經過RF處理后樣品的孔洞明顯大于SF和LF處理的，而LF處理后樣品中的孔洞最小且分布較為均勻，可以推測經過LF處理后樣品內部產生的冰晶體積較小且分布均勻，而經RF處理后樣品內部的冰晶體積大而分散，SF處理介于兩者之間。由此也說明了冰晶體積的差異主要與凍結速率的大小有關，凍結速率越快，產生的冰晶顆粒越小且分布均勻[2]。并且圖中各組面團內部的組織結構也有所不同。其中，經LF凍結后樣品的面筋網絡結構較為緊密且連續性較強，淀粉顆粒能夠較好地鑲嵌在面筋網狀結構中；經SF凍結后樣品的面筋網狀結構稍顯緊密，有少部分淀粉裸露在蛋白組織結構的外部；但經RF凍結后樣品中的淀粉顆粒與面筋網狀結構分布不均勻，面筋蛋白網絡結構不夠緊密。綜上，凍結方式的差異會直接影響面團的組織結構，且凍結速率越慢，對面團組織結構的影響就越大，這與Zhu Zhiwei等[31]的結論是一致的。

3 結 論

本實驗從凍結方式的應用場合出發，對比研究了RF、SF、LF 3 種凍結方式對非發酵面團品質特征產生的影響。結果表明，隨著凍結速率的減慢，LF（1.33 ℃/min）＞SF（0.31 ℃/min）＞RF（0.08 ℃/min），面團的凍結失水率不斷上升，強結合水T21與弱結合水T22的峰面積不斷下降，面團的質構品質和流變學特性變差，特別是硬度變大，這是因為較慢的冷凍速度會產生體積大而分散的冰晶，一定程度上減弱了面團中大分子物質（蛋白質或淀粉等）與水的結合能力。而微觀結構的觀察結果也表明，冷凍速度越慢，造成面團中的孔隙較大，面團的組織結構致密程度較差。綜上可知，經LF處理的面團解凍后的品質與新鮮面團最相近，RF處理的面團解凍后與新鮮面團相差最大，而SF處理介于兩者之間，這也表明新興的LF處理方式比傳統企業化的SF處理方式更有優勢，而家庭用的RF處理方式不利于保持面制食品的質量。