γ-聚谷氨酸对冻藏面团及馒头品质的影响

谢新华，毋修远，仵军红，沈玥，王娜，张蓓，徐丽娜

（1.河南农业大学食品科学技术学院，河南郑州 450002；2.郑州市食品药品检验所，河南郑州 450006）

冷冻面制品具有安全、方便的特点，但其冷冻贮藏后会引起产品品质的劣变和稳定性下降，如面包与馒头体积变小，感官效果变差以及货架期缩短等。冻藏期间面团中水分的重结晶现象和大冰晶的生成，它直接导致了面筋蛋白网络的劣变，使得面团的持气能力降低[1]，同时冻藏导致淀粉的结晶度变大，淀粉结构也变得碎片化，使得产品老化程度加速[2]。目前主要是采用冷冻工艺的优化、添加改良剂等方法解决[3-4]。

γ-聚谷氨酸（poly-γ-glutamic acid，γ-PGA）是由谷氨酸组成的多聚体生物可降解高分子材料[5]。有研究发现γ-PGA是有效的冷冻保护剂[6]，其抗冻能力随分子质量下降而增加[7]，并可提高冷冻面团中酵母细胞的存活率，增强酵母耐冻性能[8]。有研究显示添加适量的γ-PGA可以提高面团的流变性能，改善面条的品质，使面条更加筋道[9]；γ-PGA能够使油条硬度减小，吸油率降低，膨胀率增加，组织结构均匀，口感更佳[10]。而γ-PGA在冷冻面团中的应用鲜有报到，为了提高冷冻面团抗冻性及馒头的品质，采用动态流变仪、流变发酵仪、差示扫描量热仪、扫描电子显微镜、质构仪、核磁共振仪和电子眼对冻藏面团及馒头的流变学特性、发酵特性、热力学特性和微观结构及质构特性、水分分布和孔隙率进行测定，揭示γ-PGA对冻藏面团稳定性及馒头品质的作用机制，为γ-PGA在冷冻面制品中应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

面粉（蛋白质质量分数11.5%，水分质量分数13.2%）一加一天然面粉有限公司；γ-PGA（食品级）西安四季生物科技有限公司；高活性干酵母安琪酵母股份有限公司。

1.2 仪器与设备

DHR-2型流变仪美国TA仪器有限公司；F4流变发酵仪法国肖邦技术公司；DSC-214型差示扫描量热仪德国耐驰Netzsch公司；Quanta FEG 250型场发射扫描电镜美国FEI公司；TA-XA Plus物性测试仪英国Stale Micro Systems公司；Micro MR型核磁共振仪上海纽迈电子科技有限公司；DigiEYE电子眼英国VeriVide公司。

1.3 方法

1.3.1 冷冻面团制备

以称取一定质量的面粉基础，加入50%的纯净水，1.2%干酵母，γ-PGA的添加比例分别为面粉的0%、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%。先将γ-PGA和干酵母溶解于水中，在和面机中依次均匀倒入面粉、水溶液，在和面机中搅拌均匀，面团和好后，为防止面团发酵，迅速切割成30 g/个的面团，滚圆，用保鲜膜包裹，立即放入－40 ℃冰箱冷冻2 h[11]，转移至－18 ℃冰箱贮存49 d用于分析。

1.3.2 馒头制备

将制备的冷冻面团在25 ℃解冻，而后在相对湿度为83%的发酵箱中发酵40 min，蒸制25 min，然后在室温下冷却1 h后用保鲜膜包覆，室温下保存待用。

1.3.3 面团流变学特性测定

将制备的冷冻面团在25 ℃解冻，采用流变仪测定面团动态流变学特性。参数设置：平板直径40 mm，夹具间隙1.2 mm，扫描频率为0.01～100 Hz，应力1%，温度为25 ℃[12]。

1.3.4 面团发酵特性的测定

采用F4流变发酵仪进行测定，将制备的冷冻面团在25 ℃解冻后迅速置于发酵篮中，按照操作规程进行测定。测定条件为：面团质量315 g，测定温度35 ℃，测试时间3 h，面团上砝码质量2 000 g[13]。

1.3.5 面团冻结融化焓测定

取冷冻面团约10 mg置于DSC坩埚中，空坩埚作参比，氮气为载气。测试参数：降温至－30 ℃，并在该温度下保持5 min，以5 ℃/min的速率升温至30 ℃，每个样品3 个平行，测定冷冻面团的冻结融化焓[14]。

1.3.6 面团微观结构观察

所有样品冷冻干燥后表面喷金，通过扫描电镜进行观察[15]。

1.3.7 馒头质构的测定

采用TA.XT plus物性测试仪对馒头的质构进行测定。取馒头中间部分做成厚2 cm、直径2 cm的圆柱状，测定硬度，重复测试3 次取平均值。质构仪的操作模式及参数设定为：TPA模式；P/50R探头；测前速率1 mm/s；测试速率2 mm/s；测后速率2 mm/s；压缩率75%；感应力5 g。

1.3.8 馒头水分分布的测定

采用Micro MR型核磁共振仪测定弛豫时间T2。参数设置：共振频率为22 MHz，磁体温度为32 ℃，90°脉冲时间为18 μs，180°脉冲时间为36 μs，采样点数为416 616，模拟增益RG1为20，模拟增益RG2为3，累加次数为32，回波个数为5 000，数字增益为3[16]。

1.3.9 馒头孔隙率的测定

用电子眼对馒头片进行拍照并保存图像，采用Photoshop软件在馒头片中心处剪切出长宽都为5 cm的馒头图像，用MATLAB软件对图像进行处理并得出孔隙率[17]。

1.4 数据处理

用SPSS 22.0对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 γ-PGA对面团流变学特性的影响

如图1所示，新鲜面团及冻藏面团解冻后在频率0.1～100 Hz范围内，面团的储能模量G’和损耗模量G’’均随频率增加逐渐增大，且是G’始终大于G’’的黏弹性体系，显示面团是类固体状态。随着γ-PGA添加量的增大，面团的G’和G’’逐渐增大，且当添加量为0.7%时G’和G’’最大，而比新鲜面团的G’和G’’低，说明冻藏降低了面团的黏弹性，添加γ-PGA能够使面团的弹性和黏性增强，这可能是冻藏过程中冰晶重结晶破坏了面筋蛋白网络结构，使蛋白二级结构改变引起面筋蛋白黏弹性变化，而添加的γ-PGA有较强的吸水性，抑制了面团中冰晶的重结晶，保护了面团网络结构，抑制了蛋白二级结构变化，减弱了冻藏对面团中蛋白体系的破坏[18]，说明γ-PGA有效减缓了冻藏引起的面团体系流变性的劣变。

图1 γ-PGA对冷冻面团体系流变学特性的影响Fig. 1 Effect of γ-PGA on the rheological properties of frozen dough system

2.2 γ-PGA对面团发酵特性的影响

图2 γ-PGA对面团发酵高度的影响Fig. 2 Effect of γ-PGA on dough fermentation height

由图2 可知，经过冻藏的面团在发酵初期（0～50 min）的发酵高度均迅速增大，并且在整个发酵过程中添加γ-PGA的面团发酵高度均高于对照组，而低于新鲜面团的发酵高度，这显示冻藏降低了酵母的活性，而γ-PGA提高了酵母细胞的活性，这是由于γ-PGA吸附在酵母细胞表面，可以抑制细胞表面冰晶的形成和重结晶，从而减小冰晶体对酵母细胞的机械损伤，使酵母细胞形状完整，保持较高的活力[19]；当发酵时间为80 min时，面团的发酵高度达到最大，且添加0.7%γ-PGA的面团最高。随着发酵时间的延长，各组面团的发酵高度又呈下降的趋势，其原因可能是发酵过程中有气体溢出。由图3可知，在发酵60 min内添加γ-PGA的面团的持气量都高于对照组，而低于新鲜面团，且添加量为0.7%时持气量最大，这是由于γ-PGA的加入增强了面团的网络结构，保留了更多的气体[20]。

图3 γ-PGA对面团持气量的影响Fig. 3 Effect of γ-PGA on dough gas-holding capacity

2.3 γ-PGA对面团冻结熔化焓的影响

表1 冻藏后冷冻面团的熔化焓Table 1 Melting enthalpy of frozen dough at different times of frozen storage

由表1可知，冷冻面团在－18 ℃贮藏时间越长，熔化焓越大，49 d后熔化焓增加了12.42%。冷冻面团的熔化焓可以反映可冻结水含量，液态水冻结成冰后体积增加，对淀粉分子、蛋白质分子结构产生挤压，引起面团网络结构破坏[21]。随冻藏时间延长，面团的熔化焓增大，这可能是因为在冻藏贮存过程中重结晶使游离水分增加引起的；随γ-PGA添加比例的增加，熔化焓降低，添加0.7%γ-PGA的面团的熔化焓最低，这说明γ-PGA添加至面团中，结合了更多的自由水，从而降低了可冻结水的含量，使冰晶体产生的损害减小[22]。

2.4 γ-PGA对冷冻面团微观结构的影响

由图4可知，冷冻面团在－18 ℃贮藏49 d后，面团结构松散，孔洞不均匀，出现较多的空洞，面筋蛋白发生断裂，淀粉颗粒从包裹的结构中裸露分离，这可能是因为在面团中可冻结水分较多，形成的冰晶体较多，在冻藏过程中出现的重结晶也会造成冰晶体的增大[23]。随着γ-PGA添加量增大，面团孔洞变小、变均匀，使淀粉颗粒更加牢固的嵌入面筋基质中，这可能是因为γ-PGA的羧基与水分子及面筋蛋白结合，限制了水分子的迁移，降低了重结晶的程度，避免了冰晶体的重结晶对面筋质构的破坏，加强了面筋网络结构，使冰晶体对面团的机械损害降低[24-25]。

图4 冻藏49 d后冷冻面团微观结构Fig. 4 Microstructure of frozen dough after 49 days of frozen storage

2.5 γ-PGA对馒头硬度的影响

图5 γ-PGA对馒头硬度的影响Fig. 5 Effect of γ-PGA on hardness of steamed bread

由图5可知，馒头的硬度随γ-PGA添加量的增大而降低，但各组随贮存时间的延长而增大，且当面团中γ-PGA添加量为0.7%时馒头的硬度最小。贮藏5 d时添加0.7%γ-PGA的馒头的硬度比对照组降低21.7%，这是因为γ-PGA的羧基与淀粉分子形成氢键，阻碍了淀粉分子间氢键的形成，抑制了小麦淀粉的重结晶，延缓了小麦淀粉的老化[26]，同时γ-PGA与水分子和面筋蛋白结合，抑制了水分的流动[27]。

2.6 γ-PGA对馒头水分分布的影响

馒头水分子弛豫时间T21、T22、T23以其对应峰面积占比表示，分别表示为A21、A22、A23。由表2可知，随馒头冻藏时间延长，对照组结合水含量无显着变化，弱结合水含量显着下降，自由水含量显着上升。添加0.7%的γ-PGA使馒头中自由水增大趋势被遏制，贮藏5 d后只增加1.08%，远小于对照组，同时优于0.3%添加组，弱结合水含量在馒头贮藏期间无显着变化，说明γ-PGA有效减弱了弱结合水向自由水的转化，这是因为γ-PGA含有大量羧基能较好吸附自由水，同时γ-PGA阴离子基团与馒头中面筋蛋白和淀粉可能产生相互作用，形成多肽-面筋蛋白复合网络及羧基与淀粉分子形成氢键，限制水分的流动[28-29]，降低了馒头贮藏过程中的水分流动性。

表2 γ-PGA对馒头水分子弛豫时间对应峰面积占比Table 2 ffects of γ-PGA on relaxation times and corresponding peak areas in steamed bread

γ-PGA添加量/% 冻藏时间/d A21/% A22/% A23/%0 0 12.89±0.24a 84.39±0.35a 2.72±0.41c 1 12.42±0.67a 83.71±0.42b 3.87±0.35b 3 11.83±0.32a 83.32±0.28b 4.85±0.28a 5 11.62±0.28a 83.38±0.47b 5.00±0.56a 0.3 0 11.57±0.51a 85.68±0.65a 2.75±0.43d 1 11.33±0.38a 85.61±0.43a 3.06±0.32c 3 11.28±0.64a 85.10±0.35b 3.62±0.46b 5 11.18±0.71a 84.73±0.51b 4.09±0.36a 0.7 0 11.74±0.31a 86.10±0.65a 2.16±0.22c 1 11.25±0.45a 86.18±0.42a 2.57±0.21b 3 11.10±0.29a 85.85±0.58a 3.05±0.11a 5 11.29±0.52a 85.47±0.23a 3.24±0.28a

2.7 γ-PGA对馒头孔隙率的影响

图6 贮存1 d后各组馒头的原图和孔隙分布图Fig. 6 Electronic eye images and pore distribution of steamed buns with different amounts of γ-PGA after 1 day of storage

图7 贮存5 d后各组馒头的原图和孔隙分布图Fig. 7 Electronic eye images and pore distribution of steamed buns with different amounts of γ-PGA after 5 days of storage

由图6、7可知，随着贮存时间的延长，馒头的孔隙率增大。随着γ-PGA添加量的增大，馒头的孔隙率先减小后增大且添加0.7%γ-PGA的馒头的孔隙率最小。贮存1 d后馒头的孔隙率由对照组的20.16%降至13.03%，贮存5 d后孔隙率由对照组的28.46%降至17.92%，说明γ-PGA能够使馒头的组织结构更均匀，这可能是因为γ-PGA增强了馒头的网络结构，避免馒头中大空洞的形成，有助于保留更多气体[30]。

3 结论

随着γ-PGA添加量的增大，冻藏面团的G’和G’’逐渐增大，且当添加量为0.7%时G’和G’’达最大，说明γ-PGA抑制了面团中冰晶的重结晶，保护了面团网络结构，提高了面团的流变性；添加γ-PGA的面团发酵高度均高于对照组，显示γ-PGA抑制酵母细胞表面冰晶的形成和重结晶，减少了冰晶对细胞的机械损伤，保持了其活力；随冻藏时间延长，面团熔化焓增大，冻结水含量增多，随γ-PGA添加比例的增加，熔化焓降低，显示γ-PGA结合较多自由水，降低了可冻结水的含量，减小冰晶体的损害；γ-PGA使面团孔洞变小、均匀；随贮藏时间延长，γ-PGA降低了馒头的硬度，说明γ-PGA延缓了小麦淀粉的老化；γ-PGA抑制了弱结合水向自由水的转化，降低了馒头贮藏过程中的水分流动性增大，由此显示在面团中添加0.7%γ-PGA抑制了冻藏导致的面团劣变，延长了馒头保质期。