γ-聚谷氨酸对全麦冷冻面团烘焙特性的影响

王家宝 何 松 苏子良 黄美凤 杨 笛 余 寒 黄富强 何虹燕

(广东广益科技实业有限公司，广东 东莞 523075)

全麦面包是全球众多国家和地区的传统烘焙食品，因含有小麦麸皮、胚芽，其营养和健康益处特点更加突出[1]。研究[2]指出，全麦粉可降低心血管病等疾病风险，被认为是营养健康食品。冷冻面团技术是采用冻藏原理保藏面团从而简化门店制作面包工序的现代烘焙加工技术，运用冷冻面团技术生产全麦面包可提高生产效率。但是面团在冷冻过程中，游离水的结晶会破坏面筋结构[3]，面筋蛋白被冰晶破坏后导致保留气体能力差，造成面包比容减小[4]。

γ-聚谷氨酸(γ-PGA)是日本发酵食品纳豆的主要成分之一，是通过枯草芽孢杆菌产生的谷氨酸分子聚合物，在日本、韩国可作为天然的食品添加剂使用，是一种天然的生物抗冻剂[5]。此外，γ-PGA具有高吸水保湿性和生物可降解性[6]。时晓剑等[7]发现γ-PGA可以提高酵母的抗冷冻性，谢新华等[8]研究发现γ-PGA可减弱冻藏对面筋网络的破坏，抑制蛋白二级结构向不稳定状态的变化，改善面筋蛋白的冻藏稳定性。冷冻全麦面团受到冷冻冰晶刺穿面筋蛋白和麸皮稀释面筋蛋白的双重破坏，面团若想保持良好的抗冻、发酵和入炉膨胀性能就需要添加抗冻剂。而工业化生产重视面粉持水率，因为面粉持水率的提高有助于增大面团得率、节约成本，高保湿性添加剂可改良面粉持水、面团品质特性。曾有学者针对添加γ-PGA的面筋蛋白[9]和淀粉糊化[10]的变化进行了探究，但是关于γ-PGA对模拟工业化生产工艺的冷冻全麦面团和全麦面包烘焙特性的影响尚未见报道。试验拟探索γ-PGA作为改良剂添加至冷冻全麦面团中，并分析γ-PGA对冷冻全麦面团面包烘焙品质的影响，探究其在冷冻面团应用的工业潜力，为烘焙工业开发天然的食品添加剂提供新思路。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 试验材料

金焙全麦粉：厦门海嘉面粉有限公司；

白砂糖、食盐：市售；

即发干酵母：乐斯福管理(上海)有限公司；

金味奶酥油：益海嘉里粮油公司；

复配防腐剂、食品用脱氧剂(30型)：广益科技实业有限公司；

γ-聚谷氨酸(γ-PGA)：普瑞斯生物有限公司；

抗坏血酸：东北制药集团股份有限公司；

双乙酰酒石酸单双甘油酯：巴斯夫(中国)有限公司；

YPD琼脂：上海瑞楚生物科技有限公司。

1.1.2 主要仪器设备

搅拌机：HSE-15型，恒威建亿贸易有限公司；

压面机：HS2252型，广州浩胜食品机械设备有限公司；

醒发箱：SPC-40FP型，新麦机械(无锡)有限公司；

烤炉：SM2-523型，新麦机械(无锡)有限公司；

扫描仪：MX-M350U型，夏普商贸(中国)有限公司；

质构仪：EZ-SX100N型，日本岛津公司；

水分测定仪：XY-100MW-A型，常州幸运电子设备有限公司；

正方体吐司模具：SN2180型，三能食品器具股份有限公司；

恒温培养箱：LRH-250-HS型，韶关泰宏医疗器械有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 全麦粉持水率测定 按不同添加量(0.0%，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%)将γ-PGA添加到3.0 g全麦粉中并混匀，然后加入到30 mL去离子水中，漩涡震荡使其混匀，静置2 h。4 000 r/min离心30 min，去上清液后称重。按式(1)计算全麦粉的持水率。

(1)

式中：

CWH——全麦粉的持水率，%；

M——去上清液后湿面粉质量，g；

m——全麦粉质量，g。

1.2.2 面团制作配方 全麦粉1 000 g，水650 g，干酵母20 g，白砂糖60 g，盐15 g，起酥油30 g，抗坏血酸50 mg，双乙酰酒石酸单双甘油酯5 g，并分别按全麦粉质量的0.0%，0.5%，1.0%和2.0%添加γ-PGA。

1.2.3 制作工艺 将原料(除黄油和盐)放入搅拌机，慢速混合5 min，快速2 min，形成少量面筋。抹上黄油和盐，慢速混合3 min，快速搅拌1 min至面筋扩展。使用压面整形机进行压面(5个来回)，压成8 mm的厚度。将面团分割成150 g/个，揉圆并排气成型。覆盖保鲜膜后于-40 ℃下速冻30 min。分别进行恒温冻藏和反复冻融，恒温冻藏温度为-18 ℃；反复冻融为-18 ℃下冻藏24 h，25 ℃ 下解冻60 min，循环5次。将每个面团放入内径为75 mm×75 mm×75 mm的立方体吐司模具中，4 ℃ 冷藏解冻12 h，于35 ℃、相对湿度为75%的醒发箱发酵1.5 h，盖上吐司盖并放入烤炉(上火、下火温度均为190 ℃)烘焙25 min。冷却后的面包与脱氧剂一同放入聚偏二氯乙烯涂布聚丙烯(KOP)复合膜包装袋中进行封口包装。

1.2.4 冷冻面团酵母存活率测定 根据文献[11]修改如下：将新鲜和冻藏的冷冻面团从中心剪下1 g置于9 mL 0.85% 的无菌生理盐水中，漩涡震荡使其混匀。吸取1 mL 上清液进行系列梯度稀释，分别吸取100 μL稀释液涂布于YPD平板中，30 ℃培养48 h。

1.2.5 面团发酵高度测定 将150 g冷冻面团放置于直径为90 mm的圆底烧杯中，将面团压平覆盖烧杯底部，于35 ℃、相对湿度为75%的醒发箱中发酵60 min后测量面团高度。

1.2.6 面团水分含量测定 冻藏面团于4 ℃解冻12 h，从面团中心称取2～3 g，采用水分测定仪进行测定。

1.2.7 全麦面包烧减率测定 根据文献[12]的方法。

1.2.8 全麦面包比容测定 根据文献[13]的方法。

1.2.9 质构分析 根据文献[14]修改如下：将面包切成厚度为12 mm薄片，使用P/36探头对中心的两片面包进行连续2次压缩测试。测前速度1.0 mm/s，测试速度3.0 mm/s，测后速度1.0 mm/s，压缩程度40%，测定面包硬度和回复性。

1.2.10 老化率分析 根据文献[15]的方法。

1.2.11 面包截面结构分析 面包切片后，以每英寸600个点扫描面包的横截面图像，采用Image J软件选取面包扫描图片中心40 mm×40 mm区域。通过阈值转化法将灰度图处理为二值图。软件可分辨的气孔面积为0.01～100.00 mm2，分析气孔面积分率和分形维数[16]。并定义气孔面积1～100 mm2的为大型气孔，大气孔分率为图像中的大型气孔数与总气孔数之比值。

1.2.12 数据统计分析 采用SPSS 16.0软件对数据进行显著性分析和相关性分析，显著差异水平取P<0.05；采用OriginPro 8.5软件对数据进行分析绘制；采用Image J软件对图像进行处理。

2 结果与分析

2.1 γ-聚谷氨酸对全麦粉持水率的影响

由图1可知，全麦粉持水率随γ-PGA添加量的增大而显著增大，当γ-PGA添加量为1.0%，1.5%时，全麦粉持水率由对照组的107%分别升高至117%，124%；当γ-PGA 添加量为1.5%，2.0%时，二者的全麦粉持水率无显著性差异，说明过高浓度的γ-PGA并不会继续提高全麦粉持水率。有文献[17]报道γ-PGA水凝胶的多袋状结构能吸收大于自身重量的水分，因此γ-PGA具有优良的吸水性和保水性。谢新华等[9]向面筋蛋白中添加1.0%的γ-PGA，持水率比对照组提高了29%。

2.2 γ-聚谷氨酸对酵母存活率和面团发酵高度的影响

2.2.1 酵母存活率 由图2可知，酵母菌存活率随γ-PGA 添加量的增大而提高，当γ-PGA添加量为1.0%，2.0%时，二者的酵母存活率无显著差异，均高达75%以上，而未添加γ-PGA的存活率仅为54%，说明γ-PGA可显著提高酵母在全麦面团冻藏过程的存活率，提高酵母抗冻能力。Lu等[18]研究发现同为聚氨基酸的ε-聚-L-赖氨酸可通过静电相互作用与酵母细胞膜的阴离子成分结合，从而对酵母产生冷冻保护作用。丁姗姗等[19]也发现γ-PGA 具有较强的抗冻活性。Kumio等[5]研究表明加入γ-PGA后，酵母存活率显著增加，但添加量超过1.0%后酵母存活率不再提高。

字母不同表示差异显著(P<0.05)

字母不同表示差异显著(P<0.05)

2.2.2 面团发酵高度 由图2可知，不同γ-PGA添加量的全麦面团的醒发发酵高度具有显著差异，而发酵高度综合反映了酵母发酵过程的产气特性和面筋持气稳定性[20]。与未添加γ-PGA组相比，当γ-PGA添加量为1.0% 时，其发酵高度增加了13.8%，说明γ-PGA可有效提高冷冻全麦面团的发酵高度。Jia等[21]认为这与酵母的死亡率有关，酵母死亡率越低，酵母活性越大，醒发能力越强。相关性分析发现，试验的面团醒发高度与酵母存活率呈正相关，其线性相关系数R2=0.992，说明全麦冷冻面团中的酵母存活率越高，越有助于面团发酵。这可能是因为γ-PGA通过对酵母的抗冻保护提高存活率从而改善冷冻面团的发酵性能。

2.3 γ-聚谷氨酸对面团含水量和烧减率的影响

2.3.1 面团含水量 由表1可知，冻融循环的全麦面团水分含量基本上比恒温冻藏的有所下降。Xu等[22]发现面团经冻融循环后，持水能力显著降低(P<0.05)。冻融循环中，冰晶生长和再结晶可能会引起面筋网络变弱，水分分布发生变化，水分迁移并流失。含有γ-PGA的冷冻全麦面团比对照组具有更高的水分含量，可能与γ-PGA提高全麦粉持水量有关。此外，γ-PGA的亲水基团与水分子形成氢键从而抑制冰晶形成，具有良好的抗冻活性[23]，从而保护面团网络结构和持水能力。

2.3.2 烧减率 烧减率是表示烘焙食品在加热情况下的水分损失百分比，水分损失的程度是评价烘焙工艺和产品品质的重要指标之一。由表1可知，添加γ-PGA有助于减小烧减率，有助于保持烘焙后的面包湿润程度；恒温冻藏组，添加2.0%γ-PGA可使烧减率从对照组的10.9% 下降至9.6%。结合面团含水量和烧减率，冻藏过程持水性的改善说明面团面筋结构保持得好，从而表现在烘焙过程中烧减率下降。冻融循环组的全麦面团烧减率明显高于恒温冻藏组，这与冻融循环使得面筋网络被冰晶破坏造成烘焙过程中面团持水能力下降有关，进而在烘焙过程中更易损失水分。

表1 γ-聚谷氨酸对面团含水量和烧减率的影响†

2.4 γ-聚谷氨酸对全麦面包烘焙特性的影响

2.4.1 比容 由图3可知，面团冷冻贮藏造成酵母活力和面筋质量下降，反复冻融循环更是加剧了这些变化，导致面团醒发速度慢、面包比容小。与未添加γ-PGA组相比，添加γ-PGA后，恒温冻藏组和冻融循环组的比容显著增大，是因为γ-PGA提高了酵母存活率，增大了产气量使全麦面团醒发高度上升，比容增大。当γ-PGA添加量<1.0%时，全麦面包比容随γ-PGA添加量的增大而增大，与Shyu等[24]的研究结果相似；当γ-PGA添加量为2.0% 时，面包比容呈减小趋势，可能是因为2.0%的添加量对全麦面团的黏弹特性产生影响，导致面团发黏，反而难以在揉面操作过程中成型，以及黏性过高影响面团在烤炉内受热膨胀。相同γ-PGA添加量下，冻融循环组的比容比恒温冻藏组的小，是因为反复冻融过程中冰晶的再生长和重结晶程度更深，造成了面筋蛋白结构发生不可逆的破坏[25]。

2.4.2 面包芯结构 气孔面积分率(AF)越大，说明体系的持气能力和稳定性越好，添加γ-PGA可提高面包的AF值。一方面，γ-PGA可能改善酵母菌的存活率，增加面团产气量；另一方面，γ-PGA可改善面团的乳化特性[26]，从而提高面团持气量，乳化作用使得面团中的气泡在醒发过程中扩展，最终表现为提高面包的气相面积分率。

由表2、图4可知，当γ-PGA添加量为1.0%时，恒温冻藏组面包出现不均匀的气孔和一些大的气孔，大气孔分率显著提高(P<0.05)；分形维数随γ-PGA添加量的增大而增大。图像的分形维数表征图形的复杂性，分形维数越大表示气孔变形程度越大[27]。添加γ-PGA导致形成大气孔分率和分形维数变大的原因可能是由于气泡失稳，气泡歧化是由于较小的气泡收缩或不生长，而较大的气泡生长更快。小气泡的拉普拉斯压力较高，会迁移、聚结成较大气泡[28]。γ-PGA的高黏性虽然有助于保持面团的持气量，但无法阻止气体的迁移，形成的小气泡会发生歧化、聚结成大气泡，因此导致添加较多γ-PGA的全麦面包芯存在更多的大气孔。

字母不同表示差异显著(P<0.05)

2.4.3 质构 硬度越低说明面包口感越软。由表3可知，添加1.0%的γ-PGA可显著减小面包硬度。面包的柔软度与比容有关，良好的面团结构和适量的大气泡能增大烘焙后的面包比容，促进更松软的面包结构。回复性与面包品质呈正相关[29]，当γ-PGA添加量<1.0%时，全麦面包回复性无显著性差异，但2.0%添加量的回复性显著减小，不利于面包贮藏、运输过程中受压力变形的恢复。综上，添加1.0%的γ-聚谷氨酸对全麦面包质构品质具有改善作用。

2.5 γ-聚谷氨酸对面包老化的影响

面包硬度增加的程度是评价老化速度的重要指标[30]。由表3可知，贮藏期间面包芯硬度有着不同程度的增加。贮藏3 d后，恒温冻藏组的硬度小于对应的冻融循环组。由于各组全麦面包初始硬度不同，老化率可更客观描述贮藏过程中硬度的变化速度。贮藏3 d后，当γ-PGA添加量为0.0%时，冻融循环组和恒温冻藏组的全麦面包老化率分别为3.36，2.67 N/d，当γ-PGA添加量为1.0% 时，冻融循环组和恒温冻藏组的全麦面包老化率显著降低(P<0.05)，分别为1.36，1.19 N/d，说明γ-PGA具有抗老化效果。这可能是因为γ-PGA与淀粉分子形成氢键，阻碍了淀粉分子内氢键的形成[31]，减弱了全麦粉淀粉的重结晶，从而延缓老化。

图4 恒温冻藏面包芯成像解析图

表2 γ-聚谷氨酸对面包芯结构的影响†

表3 γ-聚谷氨酸对面包质构和老化率的影响†

3 结论

研究表明，恒温冻藏和反复冻融循环过程中，添加γ-聚谷氨酸有助于改善全麦面团的抗冻、发酵流变和全麦面包的烘焙品质、抗老化特性，且γ-聚谷氨酸的最优添加量为1.0%。添加1.0%的γ-聚谷氨酸可使全麦粉持水率由对照组的107%升高至117%，全麦冷冻面团发酵高度增加了13.8%，改善了面团持气稳定性；γ-聚谷氨酸可增大面包比容，改善面包芯结构，添加1%的γ-聚谷氨酸可提高面包切面的气孔面积分率和分形维数，形成较大气孔，保持全麦面包柔软，显著降低全麦面包的老化速率。综上，γ-聚谷氨酸作为抗冻保湿改良剂，可改善全麦冷冻面团质量和全麦面包烘焙特性。试验中添加γ-聚谷氨酸因增稠作用导致面团发黏，后续可考虑引入谷朊粉对面团操作性和全麦粉面筋品质进行改善。

致谢：感谢厦门海嘉面粉有限公司提供金焙全麦粉和交流指导。