葡萄糖氧化酶協同鰱魚酶解產物改良冷凍面團品質的研究

符禹婷,柏妮,陳菲悅,俞健,劉永樂,李向紅,王發祥

(長沙理工大學 食品與生物工程學院,湖南省水生資源食品加工工程技術研究中心,湖南 長沙,410114)

冷凍面團技術是指運用冷凍原理與技術對面坯半成品進行冷凍處理并冷凍保藏一段時間,待用時解凍,再銜接后續加工流程生產出成品的新工藝[1]。冷凍面團技術突破了傳統生產流程需要一氣呵成的制約,具有方便快捷、保質期長、利于標準化、適合連鎖生產的特點,滿足了現代食品業規?；a和人們對食品新鮮度及安全性的需要,是傳統發酵面制品工業化的發展方向[2]。冷凍能延長面團的保質期,但冷凍環節中的冰晶形成和重結晶也會損害面團的品質,如降低酵母菌發酵活力、破壞面筋網絡結構,從而影響面團與最終產品質量[3]。目前,研究者已研究通過篩選優良抗凍劑、選育耐凍酵母菌株、改良面團發酵及冷凍工藝等方式改善面團冷凍損害,而添加合適的抗凍保護劑仍被認為是最有效途徑[3-5]。

鰱魚(Hypophthalmichthysmolitrix)是我國主要的養殖魚類之一,也是最典型的大宗低值淡水魚,目前加工利用途徑較少[6]。在鰱魚的高值化利用研究中,課題組發現鰱魚酶解產物(silver carp muscle hydrolysate,SCMH)是一種優良的抗凍劑[7-8],能顯著抑制肌原纖維蛋白的冷凍變性[9];同時對酵母菌[7]、乳酸菌[8]等微生物細胞均具有抗凍保護效果,將其加入冷凍面團中能顯著縮短凍融后面團的醒發時間,提高冷凍面團面包的比容和感官品質[10]。然而,劉偉等[11]的研究也表明,SCMH中潛在的還原性肽(抗氧化性)會損害面粉的粉質特性,從而對面團的流變特性具有負面影響。最近,研究也證實了SCMH在冷凍魚糜中的抗凍和抗氧化雙重功效[12],而抗氧化物質通常會破壞面筋網絡中的二硫鍵,從而降低面團及其產品的品質。因此,將SCMH作為冷凍面團改良劑還需要對其抗氧化性進行必要的調控。葡萄糖氧化酶(glucose oxidase,GOD)是一種常用面團改良劑,其能誘導蛋白質交聯,增強面筋網絡結構[13],還能中和死亡酵母細胞釋放的還原性物質[14],故利用GOD和SCMH協同改善冷凍面團品質具有良好的應用前景,但相關研究目前仍非常缺乏。本研究在前期研究的基礎上,研究GOD協同SCMH對冷凍面團流變特性與焙烤特性等的影響及其機制,為以SCMH開發冷凍面團品質改良劑提供理論依據和技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮鰱魚,市售,每尾質量為(2.5±0.5) kg;白砂糖、食鹽,市售;高筋小麥粉(蛋白質含量≥11.1%),克明面業股份有限公司;活性干酵母,安琪酵母股份有限公司;復合蛋白酶(≥1.5 AU/g),諾維信(中國)生物技術有限公司;GOD(100 U/mg),上海阿拉丁生化科技股份有限公司;總抗氧化能力(total antioxidant capacity,T-AOC)試劑盒,南京建成公司;麥芽汁培養基、馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養基,廣東環凱微生物科技有限公司;其他試劑均為國產分析純或生化試劑。

1.2 儀器與設備

BIOTECH-5M-7000A 酶反應器,上海保興生物設備工程有限公司;HMJ-A35M1型和面機,小熊電器股份有限公司;UKOEO-F150醒發箱,珠海家寶德科技有限公司;JCD-5型電動壓面機,浙江天喜網絡科技有限公司;YXD-Z204商用箱式電烤爐,廣州市三鼎金屬制品有限公司;TA.XT.Plus型物性測定儀,英國Stable Micro System公司;TU-1901雙光束紫外可見分光光度計,北京普析通用儀器有限責任公司;THZ-98AB恒溫振蕩器、恒溫培養箱,上海一恒科技有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 SCMH的制備

參考熊思佳等[7]的方法。新鮮鰱魚宰殺取肉,用組織搗碎機攪碎,按固液比1∶5(g∶mL)與水混勻后加入酶反應器,加入相當于魚肉(水分質量分數按80%計)干質量3%的復合蛋白酶,在50 ℃、pH 6.5±0.05條件下水解30 min,于4 000×g離心15 min后,收集上清液凍干即得SCMH(蛋白質質量分數約為85%,水解度為13%～14%)。

1.3.2 冷凍面團的制備

參考劉偉等[11]的方法?？瞻捉M配方:面粉100 g、去離子水50 g、白砂糖5 g、食用鹽1 g、干酵母0.4 g;SCMH組以等質量的SCMH溶液(40 g/L)代替去離子水,SCMH+GOD組則是將SCMH和GOD按質量比1 000∶1混合均勻,再配成40 g/L的溶液代替空白組中的去離子水。按配方稱取面粉和其他原料,加入水或抗凍劑溶液,置于和面機自動和面10 min,面團分成若干個30 g的小面團,放入面包模具中壓平,封口膜封口,分別進行0和4次凍融循環(-18 ℃冷凍18 h,4 ℃解凍6 h為1次凍融循環)后測定相關指標。

1.3.3 T-AOC測定

按T-AOC試劑盒說明書進行,測定時以雙蒸水調零,在1 cm光徑、520 nm波長下測定各管吸光度。規定在37 ℃時每分鐘每毫升樣品使反應體系的吸光度(OD值)每增加0.01時為一個總抗氧化能力單位。

1.3.4 抗凍活性的測定

總SCMH的抗凍活性以酵母菌凍融后的存活率表征,參考熊思佳等[7]的方法測定。制備酵母菌培養液,取1.0 mL加入預裝有9.0 mL無菌水(空白組)或SCMH溶液(含40 mg SCMH)、SCMH+GOD溶液(含40 mg SCMH+GOD混合物,二者以質量比1 000∶1混勻備用),振蕩混勻后制成菌懸液,進行1次凍融循環處理(-20 ℃冷凍18 h,4 ℃解凍6 h),以稀釋平板計數法測定其活菌數。凍融后與凍融前酵母菌懸液中活菌數的比值即為存活率,其值越大表示抗凍活性越好。

1.3.5 面包焙烤及其外觀測定

凍融0或4次的面團參照劉偉等[11]的方法醒發3 h,放入烤箱中(180 ℃,上下火)焙烤15 min,將面包從模具中倒出,室溫冷卻30 min,使用康尼D5600拍照觀察面包外觀形態。

1.3.6 面包質構特性的測定

參考程毛等[15]的方法,采用配有P/50探頭的質構儀進行氣質構分析(texture profile analysis,TPA)。按1.3.5節方法焙烤面包,冷卻30 min后取面包中心切成高度2 cm、直徑3 cm的圓柱形切片,測試前、中、后速度分別設置為3、1、3 mm/s,壓縮量50%。

1.3.7 面團流變特性的測定

參考劉偉等[11]的方法采用質構儀測定。其中拉伸強度采用抗拉測試探頭A/SPR測定,黏附性采用P/0.5探頭測定。

1.3.8 面筋形態和性質分析

按1.3.2節的方法制備冷凍面團,分別稱取0和4次凍融循環的面團,用蒸餾水反復沖洗至淀粉洗凈(水完全變清),6 000 r/min離心15 min,擦干表面水分即得濕面筋;獲得的面筋樣品搓成團,靜置15 min,拍照觀察面筋靜置前后的形態。

參考方英杰等[16]的方法,稱取3 g左右上述濕面筋樣品搓成面筋球,在球的中心掛上2個掛鉤,使上下2只鉤子形成對拉狀態,下鉤掛上18 g砝碼,放入30 ℃恒溫箱中觀察其延伸情況,記錄面筋球60 min內的延伸和斷裂情況;將測完上述指標的面筋搓成5 cm左右的長條,用手捏住兩端慢慢拉伸至斷裂,記錄拉斷時的長度即為其拉伸長度。

1.3.9 數據統計與分析

2 結果與分析

2.1 GOD對SCMH抗氧化能力和抗凍活性的影響

WANG等[17]研究證實了SCMH有良好的酵母菌抗凍活性,將其作為抗凍劑加入冷凍面團能顯著改善冷凍面團及其產品的品質[18],但其對面團也存在一些負面影響,需要進一步調控[11]。由圖1可見,SCMH的T-AOC為1 243 U/g,表明SCMH中還含有還原性物質(肽),其存在通常不利于面團面筋結構的形成和穩定,因而會損害面粉的粉質特性,導致面團拉伸強度降低、黏附性和延展性增大[11];混入GOD后,其T-AOC降低至950 U/g,主要是因為GOD能在有氧和水的條件下催化葡萄糖生成葡萄糖酸和H2O2[19],而H2O2具有強氧化性,在一定程度上中和了SCMH中的還原性物質。此外,面團發酵過程中一般會產生較多葡萄糖,GOD作用的時間更長,理論上其在冷凍面團中調控SCMH抗氧化能力的效果會更顯著。

圖1 添加GOD對SCMH抗凍性和總抗氧化能力影響Fig.1 Effects of GOD on the antifreeze activity and total antioxidant capacity of SCMH注:不同大寫小寫字母分別表示處理間酵母存活率、平均抗氧化能力差異顯著(P<0.05)。

GOD對SCMH抗凍活性的影響結果如圖1所示。可見,進行凍融循環后,添加SCMH組的酵母菌存活率分別為54%,顯著高于空白組(P<0.05),說明SCMH對酵母菌有良好的抗凍保護作用,與之前的研究結果是一致的[7];而在同時加入GOD后,凍融循環后酵母菌的存活率為55%,與SCMH組無顯著性差異(P>0.05),說明添加GOD不影響SCMH的抗凍性,可以用于協同SCMH改良冷凍面團品質。

2.2 添加SCMH及GOD對冷凍面團面包外觀的影響

面包外觀直接影響消費者對面包產品的喜好程度。由圖2可見,與空白組相比,含有SCMH的面包表皮呈現出更具吸引力的金棕色,說明添加SCMH能改善面包表皮色澤;主要是因為SCMH含有豐富的短肽和氨基酸,在焙烤過程中有利于發生美拉德反應,促進面包形成特有色澤[20]。而與SCMH組面包相比,添加GOD的面包表皮色澤更均勻,且凍融4次后色澤變化較小,說明GOD能協同SCMH改善面包的色澤。此外,空白組和SCMH組面包表皮均能觀察到明顯的塌陷與小泡,而添加GOD的面包表皮光滑,外觀明顯改善,這可能與GOD能增強面筋強度、改善面團的持氣性能有關[21]。任順成等[22]研究適量GOD能顯著提高面包色澤,DECAMPS等[23]也發現加入適量的GOD能減少醒發后面團表面塌陷,這與本研究的結果一致。

a-0次凍融循環的空白組面包;b-0次凍融循環的SCMH組面包;c-0次凍融循環的SCMH+GOD組面包;d-4次凍融循環的空白組面包;e-4次凍融循環的SCMH組面包;f-4次凍融循環的SCMH+GOD組面包圖2 添加GOD和SCMH對冷凍面團面包外觀的影響Fig.2 Effects of adding SCMH and GOD on the appearance of bread from frozen dough

2.3 添加SCMH及GOD對冷凍面團面包質構特性的影響

面包的硬度、膠著度和咀嚼度等對其口感影響較大,這些指標通常與面團品質呈負相關[24]。由表1可見,凍融4次后,空白組面包的硬度、咀嚼度、膠著度分別從1 271 g、951和1 031變為1 759 g、1 298和1 410,分別增加了38%、36%和37%,說明凍融嚴重影響了冷凍面團的焙烤特性,面包比容降低[11],這主要與凍融對酵母菌活性和面筋結構的損害有關;添加SCMH后,凍融前面包的硬度、膠著度和咀嚼度與空白組相比差異不顯著(P>0.05),但凍融后3個指標分別為1 563 g、1 165、1 253,增幅分別為30%、27%和28%,均顯著低于空白組(P<0.05),主要是因為SCMH能抑制冰晶的形成從而阻止酵母菌死亡和面筋網絡結構破壞[18]。然而,當SCMH中協同添加GOD后,凍融前面包的硬度、膠著度和咀嚼度分別為1 012 g、776和845,顯著低于空白組和SCMH組(P<0.05),說明GOD能改善面包的質構特性,可能與GOD能增強面團的韌性和持氣性[13],增加面包比容[23]有關,與錢金圣[25]的結果一致;凍融循環4次后,SCMH+GOD組面包的硬度、膠著度和咀嚼度增幅分別為14%、12%和15%,不僅顯著低于空白組,也小于SCMH組,說明添加GOD不僅不會影響SCMH抗凍活性的發揮,還能中和凍融過程中因酵母菌死亡、蛋白結構斷裂等釋放出的還原性物質[26],從而更有利于冷凍面團的品質穩定。

表1 添加GOD和SCMH對冷凍面團面包質構的影響Table 1 Effects of adding SCMH and GOD on the texture of frozen dough bread

2.4 添加SCMH及GOD對冷凍面團拉伸強度和黏附性的影響

劉偉等[11]研究表明SCMH中的還原性肽會改變面粉的粉質特性,影響面團形成和穩定,面團加入SCMH后出現拉伸強度減小,黏附性增加的現象。由圖3可見,凍融前空白組面團的拉伸強度和黏附性分別為10.96 g和112.82 mN·s,而添加SCMH后面團(SCMH組)的拉伸強度(7.79 g)降低了29%,黏附性(544.44 mN·s)上升了383%,這與劉偉等[11]的結果一致,可能是SCMH中的還原性肽影響了面筋蛋白的聚合和二硫鍵的結構狀態,從而降低了面團筋力[27]。加入GOD后,面團(SCMH+GOD組)的拉伸強度為14.22 g,顯著高于SCMH組和空白組(P<0.05);而其黏附性為90.69 mN·s,較SCMH組顯著降低(P<0.05),與空白組相當。這說明GOD不僅能抵消SCMH對面團流變性質的負面影響,還能明顯改善面團拉伸特性,主要是因為GOD能中和面團中的還原性物質,有利于面筋蛋白形成二硫鍵,從而增強面筋網絡結構[28]。

a-拉伸強度;b-黏附性圖3 添加GOD和SCMH對冷凍面團拉伸強度和黏附性的影響Fig.3 Effects of adding SCMH and GOD on the tensile strength and adhesion of frozen dough注:不同字母表示處理間均值差異顯著(P<0.05)。

凍融循環4次后,空白組面團的拉伸強度下降了18%,黏附性顯著上升了64%,這主要與凍融過程中冰晶的形成對面筋結構和酵母細胞的損傷有關[29];而SCMH組和SCMH+GOD組的拉伸強度分別下降了3%和8%,拉伸強度和黏度相對凍融前變化均不顯著,印證了SCMH良好的抗凍保護活性,而添加GOD不會影響SCMH對冷凍面團的抗凍保護效果。

2.5 添加SCMH及GOD對冷凍面團面筋形成的影響

圖4和表2記錄了添加SCMH及GOD對冷凍面團面筋形成和性質的影響。可見,空白組濕面筋表面粗糙,不易搓成圓球,靜置15 min后其形態變化不大,而添加SCMH組濕面筋易搓成型且表面光滑,靜置后觀察到明顯塌陷(變大),說明SCMH對形成的面筋有軟化和松弛作用;協同添加GOD后(SCMH+GOD組),濕面筋表面也較為光滑,但靜置前后形態變化不大,說明添加GOD能改善SCMH對面筋的不利影響。4次凍融循環后,濕面筋變化不大,空白組面筋相對凍融前易成型、光滑,而SCMH組面筋形態變化不大,SCMH+GOD組面筋形態則相對凍融前更佳。由表2可知,SCMH組面筋球在3～4 min內發生斷裂,而空白組和SCMH+GOD組面筋球均在60 min觀察內未見斷裂,說明SCMH中的還原性物質弱化了面筋的形成,降低了面筋彈性和韌性[30],而GOD能抵消SCMH對面筋的還原作用,重建面團所需的面筋結構。這可能是因為GOD能氧化形成面筋的蛋白質,從而增加面團中谷蛋白大聚合體(glutenin macropolymer, GMP)的含量[31],而GMP含量與面筋韌性呈顯著正相關[32]。此外,面筋的延伸度關系到面團的成型能力,延伸度增加預示面團彈性和筋力變弱,醒發時的持氣性下降[33];凍融前空白組面筋的拉伸長度為7.5 cm,添加SCMH后增加至11.97 cm,凍融后2組面筋的拉伸長度均有所增加,表明凍融和添加SCMH都會影響面團的延展性,這與劉偉等[11]前期的研究結果相符;凍融前SCMH+GOD組面筋的拉伸長度介于空白組和SCMH組之間,而凍融后其拉伸長度反而有所降低(7.73 cm),與凍融前空白組面筋接近,說明添加GOD能改善面筋的筋力,從而提升面團的品質。

表2 添加GOD和SCMH對冷凍面團面筋性質的影響Table 2 Effects of GOD and SCMH on the properties of gluten in frozen dough

a、g-0次凍融循環的空白組濕面筋;b、h-0次凍融循環的SCMH組濕面筋;c、i-0次凍融循環的SCMH+GOD組濕面筋;d、j-4次凍融循環的空白組濕面筋;e、k-4次凍融循環的SCMH組濕面筋;f、l-4次凍融循環的SCMH+GOD組濕面筋圖4 添加GOD和SCMH對冷凍面團濕面筋形態的影響Fig.4 Effects of GOD and SCMH on the shape characteristic of wet gluten in frozen dough注:a～f為濕面筋靜置前形態,g～l為面筋靜置15 min后形態。

3 結論與討論

SCMH具有良好的抗凍性,是一種潛在的冷凍面團抗凍劑,而且加入面團中還能改善冷凍面團面包的色澤。但SCMH的總抗氧化能力約為1 250 U/g,其加入不利于面團面筋結構的形成和穩定,從而損害面團的流變特性;添加GOD不僅不影響SCMH的抗凍活性,還使SCMH的總抗氧化能力降低至950 U/g,說明GOD能一定程度上中和SCMH的還原性。協同添加GOD后,面團拉伸強度顯著提高,黏附性顯著降低,濕面筋形態和延展性以及冷凍面團面包的質構特性均明顯改善,表明GOD能抵消SCMH對面團流變性質和面筋形成的負面影響,從而增強了冷凍面團的品質。因此,研究結果表明利用GOD協同SCMH改良冷凍面團的品質有效可行,對推動冷凍面團技術在國內的普及和發展具有指導意義。