影響冷凍面團因素及其品質(zhì)改良研究進展

張娜，武娜，楊楊，范婧，任麗琨，賀殷媛，邊鑫，陳鳳蓮，劉曉飛，俞德慧，劉琳琳，郭曉雪

（哈爾濱商業(yè)大學食品工程學院，黑龍江哈爾濱 150076）

冷凍面團技術是20 世紀50 年代發(fā)展起來的，用于休閑速凍面制品加工工藝中，它的出現(xiàn)降低了產(chǎn)品的成本和損耗，提高了運輸便利，延長了食品貨架期，為消費者提供了品質(zhì)更好、更新鮮的面制品。因此，冷凍面團在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了重要的作用，但仍然存在一些不足。面團經(jīng)過長時間的冷凍貯藏和連續(xù)的凍融循環(huán)使其產(chǎn)品品質(zhì)下降，從而降低了其經(jīng)濟效益也限制了它的廣泛應用，因此闡明冷凍面團在加工貯藏過程中品質(zhì)變化的機理，從根本上解決冷凍面團品質(zhì)劣變問題是至關重要的。本文基于當前冷凍面團的研究現(xiàn)狀，分析了引起冷凍面團品質(zhì)劣變的主要因素，并綜述了提高冷凍面團品質(zhì)的方法，包括改良劑的添加、基因工程的應用、適當?shù)睦鋬黾百A藏條件以及新型冷凍技術等，以期為后續(xù)開發(fā)出品質(zhì)更好的冷凍面團產(chǎn)品提供理論基礎。

1 影響冷凍面團品質(zhì)的主要因素

面團在冷凍和凍藏過程中冰晶的形成以及重結(jié)晶所引起面團關鍵組分的劣變是影響冷凍面團品質(zhì)的主要原因[1]，包括面筋蛋白網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的破壞，酵母細胞的失活以及淀粉結(jié)構(gòu)的損傷。

1.1 面筋蛋白網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的破壞

面筋蛋白具有獨特的粘彈性、起泡性和持水性，對面團的面筋強度、延伸性等有決定性作用，是影響冷凍面團品質(zhì)劣變最主要的因素之一。

在水分子參與下，面筋蛋白通過揉捏形成粘彈性網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，將淀粉等成分固定在面團內(nèi)部，形成以二硫鍵和其他非共價鍵（氫、離子和疏水鍵）相互作用下維持穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)[2]。面團在冷凍過程中，體系中的水通過結(jié)晶作用形成冰晶，在隨后凍藏階段，小冰晶會逐漸聚集使得界面最小化來達到相對穩(wěn)定狀態(tài)，誘導大冰晶的形成，破壞了面筋蛋白網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)（圖1）[3]。此外，冰晶形成過程中產(chǎn)生的微作用力導致面筋蛋白結(jié)構(gòu)變化，部分α-螺旋結(jié)構(gòu)會轉(zhuǎn)變?yōu)棣?轉(zhuǎn)角和β-折疊結(jié)構(gòu)，α-螺旋本身的有序化結(jié)構(gòu)是形成面筋的“骨架”，隨著α-螺旋減少，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的無序化程度增加[4]。此外，蛋白質(zhì)分子量的變化也可以反映冷凍對面筋結(jié)構(gòu)的影響。面團在冷凍和凍藏過程中，谷蛋白的高分子聚合物（GMP）發(fā)生不同程度的解聚，導致冷凍面團的彈性及持氣性下降，這可能是由于GMP 組分鏈外二硫鍵斷裂所引起的[5]。Yi 等[6]研究表明，面筋蛋白的解聚作用隨著凍藏時間的增加而加劇，反復凍融則會加快面筋蛋白的解聚。

圖1 面筋蛋白網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)在凍藏過程中的破壞Fig.1 The disruption of gluten network structure during freezing and storage

1.2 酵母細胞的失活

酵母細胞的失活是發(fā)酵型冷凍面團品質(zhì)劣變的主要原因之一，面團冷凍過程中體系中的水逐漸形成冰晶，導致細胞內(nèi)部滲透壓增加，使其處于脫水狀態(tài)，從而降低了酵母活性[7]。隨著外界溫度波動，冰晶重結(jié)晶速率加快，酵母細胞被不斷生長的冰晶刺破而死亡（圖2）[8]，釋放出的大量還原性物質(zhì)，如谷胱甘肽等，能將面筋蛋白中的二硫鍵還原成巰基，從而削弱面筋蛋白結(jié)構(gòu)[9]。

圖2 酵母細胞的破壞示意圖Fig.2 Schematic diagram of the destruction of yeast cells

Wang 等[10]研究發(fā)現(xiàn)，細胞內(nèi)功能性物質(zhì)的積累是目前冷凍面團中增強酵母活性的重要方法。在面團冷凍和凍藏過程中，酵母通常會在其細胞內(nèi)積累大量的保護性物質(zhì)，如脯氨酸，精氨酸和甘油等，來增強對冷凍條件下的抵抗力。海藻糖可以通過減緩聚谷氨酰胺介導的蛋白聚集速率，防止蛋白質(zhì)變性，在冰晶形成的壓力之下，能夠幫助酵母細胞維持其完整性[11]。脯氨酸可以與細胞內(nèi)的游離水結(jié)合形成氫鍵，這與高水平的超氧化物歧化酶有關，它降低了活性氧的水平，避免了細胞內(nèi)物質(zhì)的氧化[12]。甘油通過平衡細胞內(nèi)與環(huán)境之間的滲透壓來防止脫水，在預發(fā)酵面團中添加甘油（2%，以面粉為基礎），與對照樣相比，其可凍結(jié)水比例降低了14%～16%，防止了面團在冷凍和冷藏過程中形成冰晶，從而提高了酵母的活性和存活率，改善了面團的發(fā)酵能力，縮短了其冷凍-解凍后的發(fā)酵時間[13]。此外，可以通過基因工程技術，開發(fā)專用酵母菌株，用于商業(yè)冷凍面制品的生產(chǎn)。

1.3 淀粉結(jié)構(gòu)的損傷

淀粉是冷凍面團中占比最多的成分，其變化也會影響面團的品質(zhì)。原淀粉顆粒表面光滑且完整，但是凍藏處理使得冰晶形成過程中產(chǎn)生的作用力會破壞淀粉的完整結(jié)構(gòu)，使淀粉表面出現(xiàn)凹陷，孔洞變大，顆粒形態(tài)被嚴重破壞等現(xiàn)象（圖3）[14]。就小麥淀粉而言，其B 型淀粉比A 型淀粉更容易被破壞，這是因為B 型淀粉顆粒小，對外界溫度的變化更敏感。此外，隨著凍融循環(huán)處理的增加，淀粉的破損程度和相對結(jié)晶度增加，蛋白質(zhì)、脂肪和支鏈淀粉等含量顯著降低，其膨脹力和糊化溫度也呈下降趨勢，由此可見，凍藏對淀粉的理化特性以及顆粒形態(tài)均有一定的影響[15]。Yang 等[16]研究發(fā)現(xiàn)，淀粉顆粒的破壞程度與面團形成時間以及其拉伸性能呈顯著相關性，隨著凍藏時間的延長，其淀粉的破壞程度加劇，所以加工成的面團持氣性差，體積小，塌陷現(xiàn)象嚴重。

圖3 淀粉結(jié)構(gòu)破壞示意圖Fig.3 Schematic diagram of the disruption of starch structure

2 改良劑對冷凍面團品質(zhì)的影響

添加改良劑是目前改善冷凍面團最普遍的方法并且效果好。在工業(yè)生產(chǎn)中常用到的改良劑主要有親水膠體、乳化劑、酶制劑、氧化劑和抗凍保護劑等（表1），通過不同的作用方式去強化面筋網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，抑制冰晶生長，從而改善冷凍面團的品質(zhì)，進一步提高冷凍面制品的產(chǎn)品質(zhì)量[17]。

表1 不同改良劑對冷凍面團品質(zhì)改良的機理Table 1 Effects of different improvers on the quality of frozen dough

2.1 親水膠體

親水膠體通常是指能溶解或分散在水中的多糖分子，因其高親水基團含量，易與水結(jié)合形成粘稠的溶液或凝膠[18]，作為增稠劑、凝膠劑、穩(wěn)定劑等添加到食品中，改善產(chǎn)品的品質(zhì)特性。

親水膠體能夠抑制面團在冷凍貯藏中的水分遷移，避免冰晶大量形成，進而減弱冰晶對酵母細胞以及面筋網(wǎng)絡的破壞[19,20]。此外，親水基團還可以與面團中的蛋白質(zhì)、淀粉等分子發(fā)生相互作用，形成高分子復合體，使最終產(chǎn)品在加熱階段，形成更加穩(wěn)定的面筋網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)（圖4）[21-23]。吳酉芝等[24]通過測定34種添加劑對冷凍面團持水性的影響發(fā)現(xiàn)，瓜爾豆膠對于提高發(fā)酵面團及非發(fā)酵面團的持水性效果最好，與空白面團相比，持水能力分別提高了33.82%和34.11%，發(fā)揮了很好的水分滯留作用，防止了面團的脫水收縮。此外，羥丙基甲基纖維素（HPMC）對冷凍面團也有很好的作用效果，HPMC 的添加增加了面團的吸水率，但降低了面團的可凍結(jié)水含量，這可能是因為HPMC 自身含有大量的親水基團，具有較強的持水和保水能力，不僅可以吸收水分還能抑制水分流失，從而增加了面包體積，同時也降低了其硬度和咀嚼性[25]。此外，一些親水膠體，如卡拉膠、阿拉伯膠、刺槐豆膠等，都能不同程度上改善冷凍面團的特性，并獲得品質(zhì)更好的面制品。

圖4 親水膠體對蛋白質(zhì)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的影響Fig.4 Effect of hydrophilic colloids on protein network structure

2.2 乳化劑

乳化劑是冷凍面團品質(zhì)改良中常用的添加劑，其本質(zhì)是兩親分子，即在同一分子上具有親水基團和親油基團[26]。面團加入乳化劑，其親水基團與面筋蛋白中的麥醇溶蛋白結(jié)合，親油基團與麥谷蛋白結(jié)合，促進了乳化劑與蛋白質(zhì)之間的相互作用，形成了更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系[27,28]（圖5）。此外，乳化劑還能與淀粉分子相互作用在凝膠化期間與螺旋直鏈淀粉分子形成復合物，阻止淀粉之間發(fā)生締合形成重結(jié)晶，降低面團表面張力，形成更小的冰晶結(jié)構(gòu)，削弱對面筋蛋白的破壞[29]，使冷凍面團制品保持更好的品質(zhì)特性。

圖5 乳化劑對冷凍面團的作用機理Fig.5 Mechanism of action of emulsifier on frozen dough

乳化劑在新鮮面團中研究很多，但在冷凍面團及其焙烤制品中的研究還較少。目前用于冷凍面團中的乳化劑包括雙乙酰酒石酸單（雙）甘油酯（DATEM）、大豆磷脂、山梨醇酐單硬脂酸酯、蔗糖脂肪酸酯等。其中，DATEM 是冷凍面團中使用最廣泛的一類乳化劑，能將冷凍面團加工成的面包硬度降低，減少冷藏對面筋結(jié)構(gòu)的破壞[30]。Ribotta 等[31]研究發(fā)現(xiàn)，DATEM能降低冷凍面團加工成面包的硬度，當DATEM 添加量為0.5%，在-18 ℃冷凍儲藏60 d 后其面包顯示出更大的體積以及更低的硬度，這可能是由于DATEM 使面團成分充分混勻并增加了與空氣結(jié)合的總數(shù)，促進了面筋形成。此外，當DATEM 和蔗糖脂肪酸酯復配使用時，其對冷凍面團的改善效果要優(yōu)于單一乳化劑的使用[32]。

2.3 酶制劑

酶是從生物體（包括動物、植物、微生物）中提取出來且具有生物催化活性的一類蛋白質(zhì)[33]，其安全性高，被廣泛用于面制品的品質(zhì)改良，在冷凍面團中的研究也有很好的發(fā)展前景，常被單獨或組合添加到冷凍面團中，以降低冷凍對面團造成的結(jié)構(gòu)和酵母損傷。食品工業(yè)中常用到的酶制劑有谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶（TG）、葡萄糖氧化酶（GOD）、脂肪酶、環(huán)糊精糖基轉(zhuǎn)移酶以及淀粉酶等[34]。

谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶作為一種催化?；磻拿福且缘鞍踪|(zhì)中谷氨酰胺殘基的γ-酰胺基為供體[35]，賴氨酸殘基的ε-氨基為受體，在分子間或分子內(nèi)形成ε-(γ-谷氨基)lys 共價鍵使蛋白質(zhì)分子間發(fā)生交聯(lián)[36-38]，以穩(wěn)定面筋結(jié)構(gòu)，增強面筋蛋白的筋力。Steffolan[39]等通過比較谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶和脂肪酶對冷凍面團的影響發(fā)現(xiàn)，兩者均可以有效提高面團的發(fā)酵能力以及凍藏過程中的持水性，得到比容更高且硬度更低的面包產(chǎn)品。此外，當兩者同時使用時，整體的感官評價要高于單一使用的酶制劑[40]。Tang 等[41]研究發(fā)現(xiàn)，谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶和中華根霉脂肪酶兩者同時使用時具有很好的協(xié)同作用，可以抑制冷凍過程中GMP 的解聚，對于在-18 ℃條件下保存35 d 的面團也可以發(fā)揮很好的增效作用。

葡萄糖氧化酶（GOD）在冷凍面團中起到氧化作用，如圖6 所示，面團混揉過程中，在氧氣的參與下，葡萄糖氧化酶被氧化成葡萄糖酸和過氧化氫，過氧化氫作為一種強的氧化劑可以將體系中的巰基（-SH）氧化成二硫鍵（-S-S-），從而增強面筋的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)[42]。所以，當冷凍面團中加入葡萄糖氧化酶后，可以改善冷凍面團的面筋結(jié)構(gòu)，對面包的品質(zhì)和感官特性都有顯著的改善效果[43]。此外，葡萄糖氧化酶還能在一定程度上增加冷凍面團的彈性以及面包的體積、質(zhì)地和面包屑的柔軟性，同時也降低了面包的硬度和咀嚼性，這說明葡萄糖氧化酶能有效提高冷凍面團的彈性,提高其產(chǎn)品的品質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，當酶制劑和親水膠體同時加入到冷凍面團中，可以得到觀察到更連續(xù)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)以及更好的儲存效果[44]。

圖6 葡萄糖氧化酶反應機理Fig.6 Glucose oxidase reaction mechanism

2.4 氧化劑

氧化劑作為一種常見的食品添加劑，在冷凍面團中的報道還較少。其作用機理主要是可以將面筋蛋白中的巰基氧化成二硫鍵，以提高面團的持氣性和筋力，達到強化面筋蛋白網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的效果（圖7）[45]。此外，還可以進一步氧化由酵母細胞被破壞后釋放出的大量還原性物質(zhì)谷胱甘肽，以減少對冷凍面團的破壞[46]。抗壞血酸由于其安全性高且不會對面筋結(jié)構(gòu)造成破壞而被廣泛使用。Meerts 等[47]研究發(fā)現(xiàn)，抗壞血酸它可以增加面包的體積，提高抗拉伸能力，使面包內(nèi)部結(jié)構(gòu)更完整，也可以抑制冷凍面團中水分遷移，使面包保持蓬松的結(jié)構(gòu)，延緩老化，延長貨架期。此外，當抗壞血酸和巰基氧化酶同時使用時，可以顯著提高冷凍面團的凍融穩(wěn)定性。

圖7 氧化劑對冷凍面團作用機理Fig.7 Mechanism of action of oxidizing agent on frozen dough

2.5 抗凍蛋白

抗凍蛋白（AFPs）又被稱為冰結(jié)構(gòu)蛋白，是一種保護生物免受凍傷的蛋白質(zhì)，目前根據(jù)來源不同，可以將AFPs 分為魚類，昆蟲類，細菌類和植物類[48]。AFPs 對生物在寒冷環(huán)境中生存具有很好的保護作用，它的保護功能源于其獨特的性質(zhì)，其中最重要的是其熱滯活性和抑制冰晶的能力[49]。

熱滯活性是AFPs 重要的特性之一，它是溶液熔點和冰點之間的差值。AFPs 以非依數(shù)性的形式降低了溶液的凝固點，從而使溶液冰點低于熔點，冰晶必須在更低的溫度環(huán)境下才能生長，其差值越大則抗凍活性越大（圖8）[50]。目前在很多物種中都發(fā)現(xiàn)了具有熱滯活性的AFPs，其中，魚類和昆蟲類是含量最高的，最先發(fā)現(xiàn)的極地地區(qū)的海洋硬骨魚其體液在遇到結(jié)冰的海水時可以避免凍結(jié)，從而可以在寒冷的季節(jié)里生存。但是，相對于魚類AFPs 的中度熱滯活性，昆蟲類尤其是黃粉蟲的淋巴提取物中擁有更高的熱滯活性。最高能夠降低溶液冰點10 ℃左右[51]。抑制重結(jié)晶是AFPs 另一個重要特性，小的冰晶自由能高，其熱力學穩(wěn)定性更低，所以隨著外界溫度的變化，冰晶之間會重新分配形成更大的冰晶，即發(fā)生重結(jié)晶[52]。結(jié)晶的形成不僅會對細胞膜造成機械傷害，還會對周圍的組織造成結(jié)構(gòu)損傷。AFPs 的添加可以吸附在冰晶表面，起到抑制冰晶繼續(xù)生長的作用，被AFPs 覆蓋的冰晶表面停止生長，而未被AFPs 覆蓋的表面則繼續(xù)向上生長形成一個弧形（圖9），當冰晶的表面積與體積之比超過冰晶自發(fā)的熱力學值時，則冰晶生長完全終止[53]。

圖8 抗凍蛋白熱滯活性示意圖Fig.8 Anti-freeze protein thermal hysteresis activity

圖9 抗凍蛋白抑制冰晶示意圖Fig.9 Anti-freeze protein inhibits ice crystals

植物類AFPs 因其具有強抑制重結(jié)晶能力且作用效果要高于其他類抗凍蛋白從而使其在冷凍面制品工業(yè)被廣泛應用[54]。燕麥抗凍蛋白是一種最常見的植物蛋白，張艷杰等[55]發(fā)現(xiàn)，燕麥抗凍蛋白它可以有效改善酵母活性，降低面筋基質(zhì)被破壞程度，從而增加冷凍面團的產(chǎn)氣性能，得到比容更好且質(zhì)地更細膩的面包產(chǎn)品。此外，Liu 等[56]在胡蘿卜中提取到的抗凍蛋白也具有相同的作用，它可以通過降低酵母的死亡率提高其發(fā)酵能力，并可以縮短醒發(fā)時間，提高面包的比容和質(zhì)構(gòu)特性。

3 運用改良技術

3.1 基因工程

目前關于基因工程在冷凍面團酵母細胞上的應用比較少。研究表明，酵母活力與細胞內(nèi)化合物的含量有關，其中，海藻糖和脯氨酸被認為是影響酵母耐凍性的主要因素。細胞內(nèi)海藻糖和脯氨酸的濃度可以通過酵母中的合成酶和水解酶來控制[57]。合成酶的增加和水解酶的降低都可以提高酵母中海藻糖和脯氨酸的含量。海藻糖的水解由NTH1 基因控制，其合成則由MAL62 和TSP1 基因控制。酵母中單一基因（MAL62或TSP1）的過表達會增加海藻糖的積累，從而促進酵母在冷凍條件下的生存能力[58]。NTH1 基因的缺失可以進一步增強酵母的耐凍性，提高發(fā)酵性能。此外，PUT1 基因的缺失也表現(xiàn)出較高的耐凍性和較好的發(fā)酵性能[59]。

3.2 冷凍及貯藏條件

冷凍速度和貯藏條件度會影響冷凍面團的品質(zhì)，主要是由于影響了酵母的活性以及冰晶的成核和生長。在冷凍過程中，緩慢的冷凍速度會形成巨大的冰晶，對組織細胞造成嚴重損害。相反，快速冷凍可以減少對面團網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的破壞，但是快速冷凍可能對酵母活性產(chǎn)生負面影響[60]。研究表明，酵母活性隨冷凍速率的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，所以，適當?shù)睦鋬鏊俾适潜匾模ＷC酵母活性的同時也確保形成更小的冰晶來保護面筋結(jié)構(gòu)[61]。

貯藏溫度和時間會影響冷凍面團冰晶的生長和重結(jié)晶的發(fā)生。隨著外界溫度的波動小冰晶反復凍融，水分遷移速率加快，使面團孔隙吸附大量的水分子，形成更大的冰晶，導致面團的彈性及延展性變差，從而影響了酵母的活性。Phimolsiripol 等[62]研究表明，凍藏溫度的波動使CO2的持氣性能降低，從而降低了面團的品質(zhì)特性。通常情況下，冷凍面團的最適儲存溫度是-18～-22 ℃。

3.3 新型冷凍技術

超聲輔助冷凍（UAF）是目前新型的冷凍技術，它不僅可以促進冰成核以及起到控制面團冷凍過程中冰晶的形成和分布等作用。也可以降低過冷度，提高傳熱效率，從而使產(chǎn)生的冰晶細小且分布均勻，降低對冷凍面團的破壞[63]。

李銀麗[64]通過分析超聲輔助冷凍技術對面團品質(zhì)的影響發(fā)現(xiàn)經(jīng)UAF 處理可加快面團冷凍速率，減少水的流動性，使其更接近新鮮產(chǎn)品的狀態(tài)。Hu 等[65]進一步研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過288 W 和360 W 不同UAF 水平下處理的面團其冷凍時間減少了11%以上，得到彈性更好且感官特性更佳的產(chǎn)品，這可能是由于UAF減弱了冰晶的形成。此外，UAF 在-4～-2 ℃范圍內(nèi)可以提高乳酸菌細胞的活力，在冷凍期間可以進一步提高酵活性以及面團的持氣性[66]。由于UAF 是一種新興的冷凍技術，所以，其在面團冷凍中的應用非常有限，需要進行更深入的研究。

4 結(jié)語

本文從面團在凍藏過程中面筋網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，酵母活性以及淀粉的結(jié)構(gòu)3 個方面對冷凍面團的劣變規(guī)律進行了總結(jié)，并且綜述了提高冷凍面團品質(zhì)的方法，盡管冷凍面團的生產(chǎn)還面臨著許多問題和挑戰(zhàn)，但是仍然有許多研究發(fā)現(xiàn)了其中的改善方法和機理，大多數(shù)研究都是通過對冰晶的抑制以及加強面筋蛋白的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，其中具有代表性的一些方法技術，包括改良劑的添加，例如親水膠體、乳化劑、酶制劑、氧化劑及抗凍蛋白等，基因工程技術，控制適當?shù)睦鋬鏊俾屎蜏囟纫约俺曒o助冷凍法等，都已經(jīng)被證實對改善冷凍面團的品質(zhì)有很好的效果。