醒面對面團水分狀態(tài)、微觀形態(tài)和物性的影響研究

張艷艷，張 捷，張 菁，張 普，劉興麗，張 華

（鄭州輕工業(yè)大學食品與生物工程學院，中原食品實驗室，冷鏈食品加工與安全控制教育部重點實驗室，河南鄭州 450002）

水是面團制作的主要原料之一，對面團的形成具有重要的作用。水作為面團內部網(wǎng)絡結構形成的內在驅動部分，其分布情況對于面團的品質有著重要的影響[1]。面團形成初期，水分在面團中分布并不均勻，面筋蛋白水合不足，面筋網(wǎng)絡結構無法充分擴展，不利于加工[2]，和面之后的醒面是面團加工過程中的重要工序之一。在醒面過程中，面團在和面過程中受到的殘余應力被消除，水分動態(tài)變化導致水分趨于均勻分布，使蛋白質更好的吸水脹潤，促進蛋白質之間相互交聯(lián)聚合，改變面團組分的相互作用[3-5]。陳潔等[6]發(fā)現(xiàn)面團醒面過程中部分弱結合水轉化為自由水和強結合水，麥谷蛋白大聚體（Glutenin Macropolymer，GMP）含量增加，改善了面團的拉伸特性。Liu 等[7]發(fā)現(xiàn)面團靜息30 min 以上，面筋網(wǎng)絡分布更加均勻、緊密，蛋白總長度和蛋白網(wǎng)絡線的縱橫方向均有所增加。

冷凍保藏能夠很好的保持面團的新鮮度，提升面團的儲藏性能[8]。但是在冷凍的過程中，面團中水分發(fā)生相變形成冰晶，進而破壞面團面筋網(wǎng)絡結構，影響面團最終的品質[9]。而面團在冷凍之前的水分狀態(tài)及分布對冷凍面團中的冰晶具有重要的影響[10]。因此在冷凍之前通過控制醒面時間影響面團中水分的分布，可以降低冷凍過程中冰晶對面團的破壞，改善冷凍面團的最終品質。目前關于醒面時間對于面團的研究主要集中于水分分布、面筋蛋白的組分變化及流變學特性等上[11-12]，而關于其對非發(fā)酵面團冷凍品質影響的研究鮮有報道。

本文使用差示掃描量熱儀（DSC）、多路溫度測定儀、掃描電子顯微鏡以及旋轉流變儀以不同醒面時間下的面團為樣品，首先研究面團中水分狀態(tài)的變化，然后將樣品在-20 和-40 ℃下凍結，研究在醒面之后冷凍面團的冰晶分布、微觀結構和蠕變恢復特性，揭示醒面過程對面團水分狀態(tài)以及冷凍后面團的冰晶分布、微觀結構和蠕變恢復特性的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

金苑精制小麥粉（蛋白質含量11.0%，脂肪含量2.1%，含水量11.0%）由河南金苑糧油有限公司生產(chǎn)。

JA20002 電子分析天平 上海良平儀器儀表有限公司；AL204 分析天平 上海梅特勒-托利多儀器有限公司；HA-3480A 全自動攪拌揉面機 深圳克萊美斯機電科技有限公司；DZM-140 臺式電動壓面機永康市海鷗電器有限公司；AT4508 多路溫度探測儀 常州安柏精密儀器公司；HWS-080 恒溫恒濕箱上海精宏實驗設備有限公司；DSC Q20 差示掃描量熱儀 美國TA 公司；TA.XT plus 物性測定儀英國TA 公司；860704 拉伸儀 德國Brabender 公司；JSM76490LV 掃描電子顯微鏡 日本JEOL 公司；Discovery HR-1 旋轉流變儀 美國TA 公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 面團的制備 面團的制備參考李銀麗[13]的方法，稱取300 g 小麥粉，加入小麥粉質量45%的去離子水，將小麥粉和去離子水混合，置于和和面機中以150 r/min 的轉速攪拌10 min，使小麥粉和水分充分混合，制成表面光滑的面團，將制好的面團放入自封袋中密封。將樣品面團放置于30 ℃的恒溫箱中進行醒面，在醒面時間0、30、60、90、120 min 時分別取樣分析，進行后續(xù)的測定。

1.2.2 面團可凍結水含量測定 利用DSC 分析醒面過程面團中的水分狀態(tài)，參考He 等[14]方法略有修改。精確稱取不同醒面時間下面團20 mg（±1 mg）左右，將樣品置于DSC 坩堝中使樣品能夠緊貼底部，以空鍋為對照。首先，DSC 儀器預設溫度25 ℃，將樣品在25 ℃條件下平衡1 min，以5 ℃/min 降至-30 ℃，在-30 ℃持續(xù)1 min，然后，以5 ℃/min 升溫至25 ℃，結束測試，每個樣品重復測定3 次，得到DSC 分析曲線，用通用分析軟件（TA Instruments）測定熔融峰的焓（ΔH），可凍結水的的百分比（Wfro）可用（1）計算公式得到：

式中，Wfro指可凍結水的百分比；ΔH0指純水的熱焓值（334 J/g）。

1.2.3 面團微觀結構觀察 將醒面后的面團碾壓排除氣泡干擾，用自封袋密封，分別在-20 和-40 ℃的環(huán)境中進行冷凍，超低溫冷凍儲存箱提前調整好溫度，并平衡24 h。使用多路溫度測定儀記錄面團中心溫度的變化，每隔1 s 記錄一次面團中心溫度，直至面團中心溫度達到-18 ℃，停止記錄過程。

將冷凍后的面團使用真空冷凍干燥機進行干燥。敲擊干燥后的樣品使樣品自然斷裂。選擇大小合適、表面平整均勻的面塊，將樣品固定在導電膠上，噴金，然后在5.0 kV 下，使用掃描電子顯微鏡在200 倍的放大倍數(shù)下觀察面團的微觀結構[15]。

1.2.4 面團冰晶孔隙測定 將面團微觀結構的圖像加載到MATLAB 2016a 中，程序方程參考Pan 等[16]的方法計算面團中空隙的平均面積、空隙數(shù)目和空隙率。

1.2.5 面團蠕變-恢復特性測定 參考陳前等[17]的方法對面團的蠕變恢復特性進行測定，并略有修改。使用旋轉流變儀對樣品進行測定，將凍結溫度達到-18 ℃的面團置于30 ℃的恒溫箱中解凍60 min，在應變模式下進行測定，溫度25 ℃，分為兩個階段：蠕變階段，應力設置為50 Pa，時間為180 s；恢復階段，撤去外力保持300 s，測得面團的形變恢復，每個樣品測試3 次。

柔量與應力及應變之間的數(shù)量關系可通過公式（2）得到：

式中：J（t）表示柔量，Pa-1；γ（t）表示應變，%；σ表示應力，Pa。

柔量曲線采用Burgers 模型進行擬合。模型公式分為蠕變和恢復階段兩部分，分別為式（3）和式（4）[18]：

式中：J（t）表示柔量，Pa-1；J0表示瞬時柔量，Pa-1；Jm表示黏彈性柔量，Pa-1；Jmax表示蠕變最大柔量，Pa-1；λ表示平均遲滯時間，s；η0表示零剪切粘度，Pa-1。

1.3 數(shù)據(jù)處理

每個實驗均重復三次，數(shù)據(jù)平均值±標準差表示。使用Microsoft Excel 2010 對數(shù)據(jù)進行整理匯總，用IBM SPSS Statistics 23 軟件進行顯著性分析（P＜0.05），通過Duncan 多重比較法進行單因素方差分析檢驗數(shù)據(jù)的顯著性。

2 結果與分析

2.1 醒面對面團水分狀態(tài)的影響

面團中可凍結水（包含自由水和弱結合水的一部分[19]）含量是影響冰晶形成、冰晶的大小和分布的關鍵因素[20]，是衡量冷凍面團品質的重要指標[21]。從圖1 中可知，隨著醒面時間的延長，面團中可凍結水含量逐漸降低。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是在醒面過程中水分與面團組分之間的結合更加充分，降低了可凍結水的含量，面團中蛋白質與水發(fā)生水合作用時，會促進蛋白質網(wǎng)絡結構的形成和展開，而展開的網(wǎng)絡結構會束縛更多的水，從而減少水分子的流動性[22]，減少可凍結水的含量。在醒面初期（0～30 min）面團中的水分分布不均勻，水分與面團中的組分結合不充分，導致水分流動性較高，會使面團在凍結過程中形成更多的冰晶，對冷凍面團的品質產(chǎn)生消極影響，而面團中可凍結水含量的降低可以降低面團在凍結時的冰晶數(shù)量和分布，削弱對冷凍面團的破壞。

圖1 醒面時間對面團中可凍結水含量的影響Fig.1 Effect of resting time on freezable water content of dough

為了研究醒面過程對冷凍面團微觀結構及品質的影響，本文分別采用-20 和-40 ℃對面團進行冷凍，研究醒面時間對兩種冷凍過程下面團微觀結構、冰晶形態(tài)分布、蠕變和恢復特性的影響。

2.2 面團微觀結構的變化

根據(jù)電鏡圖2 可以發(fā)現(xiàn)，隨著醒面時間的延長，面團在凍結過程中形成的冰晶空隙逐漸減小。面團在醒面過程中水分均勻分布，使水分與面團中的組分更好的結合，強結合水的含量增加，使面團在冷凍過程中形成的冰晶少、更均勻，保護了面團的組織結構[7,23]。隨著凍結溫度的降低，面筋網(wǎng)絡結構更為緊密，連續(xù)性更好，淀粉顆粒能夠鑲嵌在面筋網(wǎng)絡結構中，保護面團網(wǎng)絡結構，提高冷凍面團的品質[24]。

圖2 面團的微觀結構Fig.2 Microstructure of the dough

當面團在-20 ℃凍結時，面團中形成的冰晶空隙明顯大于-40 ℃，這是因為面團在-20 ℃條件下，面團內部生成的冰晶體積大、不規(guī)則和分布不均勻，造成面團中的空隙較大，對面團內部的蛋白質網(wǎng)絡結構和品質造成不可逆的破壞。當面團在-40 ℃凍結時，面團中的水分快速凍結，形成的冰晶尺寸更小，對蛋白質網(wǎng)絡結構的破壞越小，提高冷凍面團的品質[7]。

2.3 面團冰晶形態(tài)分布變化

使用MATLAB 軟件對樣品的SEM 圖進行冰晶空隙分布的處理，進一步觀察和量化面團中冰晶空隙的分布和大小。在圖像中白色區(qū)域是面團內部的冰晶，黑色區(qū)域為面團的背景。

面團的冰晶分布圖如圖3 所示，從圖3 中可以直觀的觀察到，隨著醒面時間的延長，在-20 和-40 ℃條件下，面團冰晶空隙分布逐漸均勻，冰晶空隙大小和數(shù)量有明顯的減少，這是因為面團在醒面過程中水分分布的均勻性增加，面團中大分子物質與水的結合更充分，可凍結水含量降低，使面團在凍結過程中形成的冰晶分布更均勻、空隙更少，減少對冷凍面團的破壞。隨著凍結溫度的降低，面團的冰晶空隙數(shù)量和尺寸也逐漸降低，這是因為更低的溫度使面團內部的水分相變更快，使面團中的空隙分布更均勻，減低面團中冰晶空隙尺寸[25]。

圖3 冷凍面團的冰晶孔隙圖Fig.3 Ice crystal pore diagram of frozen dough

由表1 中冰晶孔隙參數(shù)的變化可知，面團在-20 或在-40 ℃下凍結時，隨著醒面時間的延長，面團中平均空隙面積、冰晶空隙數(shù)目和孔隙率都逐漸減小，說明面團在醒面過程中水分逐漸滲透，面團組分和水充分水合，可凍結水的含量降低，降低面團在凍結時的冰晶尺寸和數(shù)量。面團在相同醒面時間下，-40 ℃冷凍條件，面團中的平均空隙面積、冰晶空隙數(shù)目和孔隙率均小于-20 ℃條件下，更低的凍結溫度，降低了面團在凍結過程中冰晶的尺寸和數(shù)量，保護冷凍面團的品質。

表1 冷凍面團的冰晶孔隙參數(shù)Table 1 Ice crystal pore parameters of frozen dough

2.4 面團的蠕變和恢復特性

從圖4 中可知，在前180 s 的蠕變階段，面團持續(xù)受到外力的作用，面團的應變逐漸增加，蠕變結束以后，面團本身的彈性使形變逐漸恢復，應變逐漸降低。從圖4 中可知，即使完全撤出外力，面團的應變也不能完全恢復，這是因為面團在受到外力作用時導致面團內部結構發(fā)生不可逆變化，面團發(fā)生永久形變，此時面團保持一定形變不在變化，逐漸趨于平衡。

圖4 面團的蠕變-恢復曲線Fig.4 Creep -recovery curve of dough

從圖4 中可知，在蠕變階段相同時間下，隨著醒面時間的延長，面團的應變逐漸增加。在恢復階段，應變的變化和蠕變階段的趨勢相同。這一結果的產(chǎn)生與面團中蛋白質網(wǎng)絡結構的形成度和完整度成正相關，蛋白質網(wǎng)絡結構越緊密，抵抗變形和變形后恢復的能力越強[26]。隨著醒面時間的延長，冷凍之后面團的品質得到改善，說明面團在冷凍之后，冰晶對面團的組織結構破壞減小，保留面團中更多的蛋白質網(wǎng)絡結構，提高了冷凍面團的品質。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：一方面，面團在醒面過程中水分得到均勻分布，強結合水含量增加，降低了可凍結水的含量，使得面團在凍結過程中形成更小和分布均勻的冰晶，對面團中蛋白質網(wǎng)絡結構的破壞減小[27]；另一方面，在醒面過程中蛋白質結構的有序性和穩(wěn)定性增加，蛋白質網(wǎng)絡結構得到充分擴展，GMP 含量的增加[6]，增加了面筋網(wǎng)絡的強度，面團的結構得到改善，使得面團具有更好的蠕變和恢復特性[28]。在不同凍結溫度下，面團的蠕變和恢復特性也存在差異性。在-20 ℃條件下凍結時，因為凍結速度較慢，面團中的水分在凍結過程中更容易形成大尺寸的冰晶，破壞面團中的蛋白質網(wǎng)絡結構。因此，在-20 ℃凍結條件下，面團的恢復特性明顯低于-40 ℃的條件。

用Burgers 模型對面團的蠕變恢復曲線數(shù)據(jù)進行擬合，擬合度均在0.97 以上，得到不同凍結溫度下面團的蠕變恢復特性參數(shù)。根據(jù)表2 可知，隨著醒面時間的延長，在蠕變階段，最大蠕變柔量Jmax顯著增加（P＜0.05），零剪切粘度η0顯著降低（P＜0.05），Jmax值越大，代表面團越柔軟，η0值越大，表明面團在外力撤去時的流動性越高，越難以保持形狀。隨著醒面時間的延長，面團的Jmax增大，零剪切粘度η0減小，說明隨著醒面時間的延長面團的硬度降低，面團的形狀更容易保持。在恢復階段，瞬時柔量J0與黏彈性柔量Jm均顯著增大（P＜0.05），J0和Jm分別代表面團在恢復階段的彈性、黏性性能[29]。隨著醒面時間的延長，J0與Jm逐漸增加，說明隨著醒面時間的延長，冷凍面團的恢復力增加。醒面處理后的面團在冷凍過程中形成的冰晶尺寸更小，面團具有更完整的蛋白質網(wǎng)絡結構，使冷凍面團得到保護，品質得到提升，具有更好的蠕變恢復特性。

表2 面團蠕變-恢復參數(shù)的變化Table 2 Changes in creep-recovery parameters of dough

在相同醒面時間下，-20 ℃凍結條件下，面團的最大蠕變柔量、瞬時柔量J0和黏彈性柔量Jm均大于-40 ℃條件，而-20 ℃下的面團的零剪切粘度大于-40 ℃。說明隨著面團凍結溫度的降低，對面團中蛋白質網(wǎng)絡結構的破壞和面團品質的劣變減小。有研究表明，面團的最大蠕變柔量和面團的硬度呈負相關的關系[30]，隨著凍結溫度的升高，面團在凍結時會形成更大的冰晶，更容易破壞面筋蛋白和淀粉結構，減弱大分子物質與水的結合能力，使面團在凍結時更容易失水，面團的硬度升高[31]，降低面團的最大蠕變柔量，引起冷凍面團品質的降低。然而，當面團通過醒面方式處理后，面團的蠕變最大柔量增加，面團內部的大分子物質與水得到充分的結合，面團內強結合水的含量增加，有利于形成更加連續(xù)完善的面筋蛋白網(wǎng)絡結構[32]，減少面團在凍結過程中冰晶對網(wǎng)絡結構的破壞和面團的失水率，提高面團的最大蠕變柔量，改善冷凍面團的品質。

3 結論

本文研究了醒面時間對面團的水分分布的影響以及對其冷凍面團冰晶分布、微觀結構以及蠕變恢復特性的影響，研究發(fā)現(xiàn)：隨著醒面時間的延長，面團的水分分布更加均勻，面團中結合水含量增加，可凍結水的含量降低，面團的持水性能提高。對面團的微觀結構研究發(fā)現(xiàn)，隨著醒面時間的延長，面團后續(xù)在凍結過程中形成的冰晶空隙和數(shù)量逐漸減小，冰晶分布越來越均勻，冷凍對面團網(wǎng)絡結構的破壞力減弱，冷凍前醒面對面團的微觀結構得到保護，提高了冷凍面團的品質。同時，隨著醒面時間的延長，后續(xù)冷凍面團的蠕變恢復特性也均得到提升，-40 ℃下凍結的面團蠕變恢復特性比-20 ℃下更好，冷凍面團的品質得到更好的改善。醒面后的面團持水性提高，在凍結過程中受到的破壞減小，提高了冷凍面團的品質，研究結果為面團凍藏品質控制提供了理論基礎。