超声辅助面团发酵对馒头品质的影响及工艺优化

吴若言，罗登林，*，张康逸，徐宝成，袁云霞，李佩艳

（1.河南科技大学食品与生物工程学院，河南洛阳471003；2.河南省农业科学院农副产品加工研究中心，河南郑州450008）

近年来，超声技术凭借其诸多独特的性能在提取、乳化、发酵和干燥等领域越来越引起人们的重视。超声能够通过传播介质产生压缩与膨胀、振动与剪切、空化与热效应等作用，从而改变食品的性质[1－2]。Tan等[3]将超声应用于面团的混合过程，与未加超声的相比，面团具有较低的密度和流动指数、更高的膨化率和黏度，所得蛋糕的硬度更低，弹性、内聚性和回复性更高。Pa等[4]探讨了超声辅助面团搅拌对面包品质的影响，结果显示当超声功率为2.5 kW、作用时间40 min时，面包的物理性状明显改善，体积增大了19%，质量和密度分别降低了2.1%和17%。Hu等[5]考察了超声辅助冷冻面团对其品质的影响，发现在超声作用下（288 W或360 W）面团冷冻所需的总时间缩短了11%以上，面团弹性显著增加。Zhang等[6]研究了超声对小麦面筋蛋白功能性质的影响，发现其发泡性和泡沫稳定性都随超声功率的增大而增加，其乳化性了有所提高。

目前，国内外在超声应用于面制品生产过程方面的报道较少，尤其在面制品发酵领域未见报道。馒头在中国作为一种传统性的发酵面食，在人们日常饮食中占据了重要地位。因此，本文主要探讨超声辅助面团发酵制备馒头的可行性，分析超声对馒头品质的影响规律，以期为发酵面团的加工提供一种新方法。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

小麦面粉：济源市愚公农产品有限公司；同批次活性干酵母：安琪酵母股份有限公司；HM740型和面机：青岛汉尚电器有限公司；TQ－15型发酵箱：TOPKITCH中国；KQ－500DE型数控超声波清洗器：昆山市超声仪器有限公司；Instron Universal 5544型质构分析仪：Instron Co.，USA。

1.2 方法

1.2.1 馒头的制备

试验对照组采用传统发酵箱发酵的生产方法，通过先前的试验确定优化配方及生产工艺为：100 g小麦面粉、48 mL去离子水和1.2 g（1.2%）酵母，干酵母先用36℃的去离子水充分分散，之后与小麦面粉一同加入HM740和面机中选用低速档（1档）进行和面20 min，然后将面团放入发酵箱中进行发酵，发酵温度为36℃～38℃、湿度83%、发酵时间40 min，第一次发酵完成后整形成两个相同质量的圆坯状，在相同温度和湿度下进行第二次发酵10 min，然后上锅蒸制25 min，在室温下冷却1小时后进行分析测试。超声组的配方（除干酵母添加量外）及和面工艺与对照组相同，和面完成后将面胚（厚度为0.40 cm～0.45 cm）放入保鲜袋中，保鲜袋口插入一支空心管并将四周扎紧，然后将装有面团的塑料保鲜袋放入盛有去离子水的超声清洗槽中，保鲜袋固定在距离槽液面和底部分别为3 cm和7 cm处，保证与外部空气通畅并防止超声作用过程中槽中水分浸入到保鲜袋中见图1。

图1 超声辅助面团发酵设备示意图Fig.1 The diagram of dough fermentation assisted by power ultrasound

在第一次发酵过程中，超声功率密度设为15.38W/L～38.46 W/L，超声时间设为20 min～50 min，槽中水温为36℃～38℃。当超声辅助面团第一次发酵完成后，后面的工艺与对照组完全相同，所有试验均重复3次，取平均值。

1.2.2 馒头比容和高径比测定

馒头比容为馒头体积除以质量，馒头体积采用油菜籽置换法；馒头高径比采用游标卡尺分别量取馒头上三处位置的高度及底部宽度计算得出[7]。

1.2.3 馒头质构分析

采用质地剖面分析（texture profile analysis，TPA）测定馒头的质地，具体方法为：在馒头中心处用专用刀切成3个20 mm×20 mm×20 mm的正方体块，选用P20探头对切好的馒头块进行压缩试验，压缩位移设为12 mm，速度为1 mm/s，第一次压缩后探头恢复到压缩前的高度，平衡5 s，再进行第二次压缩，压缩位移和速率与第一次相同。两次压缩完成后即得到一个TPA曲线，从该曲线中计算得出馒头的硬度、弹性、内聚性、回复性、咀嚼性等指标。

1.2.4 综合加权评分法评价馒头品质

综合加权评分法是根据各项试验指标的重要性来赋予其一定的权重，将多指标的试验结果整合计算为综合加权评分值的一种评分方法。根据馒头品质评价的相关报道选取的各项评价指标的重要性，分别选取硬度、弹性、比容、高径比、内聚性5项指标作为加权评分因子并分别赋予40%、20%、20%、10%、10%的权重[7－10]。加权平均法的模型见公式（1）和（2），每个因子根据其对最终结果的影响，为正相关则其权重取正值，为负相关则其权重取负值。本试验中，硬度的权重取负值，其余都取正值。

式中：Y为某一组的加权综合得分；wj为每个指标所对应的权重；yj为各项的标准分；yj指该组中每个指标的实际测量值；yjmin为几组间同一指标中的最小值；yjmax为几组间同一指标中的最大值。

1.2.5 单因素和响应面设计

选择酵母添加量、超声作用时间和超声功率密度3个因素进行单因素试验，再综合单因素的试验结果采用响应面法（response surface method，RSM）进行优化，用Design Export 8.05软件进行数据拟合，以综合加权评分法所得的最终分值为响应值，获得超声辅助面团发酵的优化工艺。

1.2.6 试验设计和数据分析

利用origin8.0进行数据处理，采用SPASS17.0对试验数据进行显著性分析，采用Duncan检验，显著性差异设为P＜0.05。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 酵母添加量的影响

在超声功率密度为23.08 W/L、超声作用时间为40 min下，考察酵母添加量（以面粉质量为基准）对馒头硬度、弹性、比容、高径比、内聚性和综合加权评分的影响见表1。

表1 不同酵母添加量对馒头品质的影响Table 1 Effect of yeast addition on the quality of steamed bread

表1显示，馒头弹性和比容均在酵母添加量为1.2%时达最大值，馒头高径比和内聚性均在酵母添加量1.0%时达最大值，但酵母添加量在0.8%～1.4%时对它们影响不显著。馒头硬度随酵母添加量的增加逐渐降低，当酵母添加量≥1.2%时，其硬度下降显著。这是因为酵母添加量较低时，面团不能充分发酵，没有形成完全松软的网络支撑结构，导致硬度偏大；当酵母添加量增加至适量时，面团发酵充分，面筋网络结构形成充分且充满气体，因此硬度较小；但当酵母添加量较高时，引起面团发酵过度和面筋网络持气能力下降，导致馒头蒸制后发生一定的塌陷、萎缩和弹性下降，表现为硬度、比容和高径比下降，内聚性增强。Liu等[11]认为，酵母产生的CO2使面团膨大并变柔软，导致馒头硬度降低。综合加权评分显示，在固定超声功率密度23.08 W/L、超声作用时间40 min下，酵母添加量为1.2%时所得馒头品质最好。

2.1.2 超声作用时间的影响

根据酵母添加量的试验结果，选择酵母添加量1.2%和超声功率密度23.08 W/L下，考察超声作用时间对馒头品质的影响见表2。

表2 超声作用时间对馒头品质的影响Table 2 Effect of ultrasonic time on the quality of steamed bread

由表2可知，超声作用时间对馒头弹性、高径比和内聚性影响不显著，但对馒头硬度和比容影响显著。随超声作用时间（20 min～50 min）的延长，馒头的硬度逐渐下降。当超声作用时间≥40 min时，馒头的硬度与对照组相比下降明显；在50 min时，馒头硬度相比对照组下降了18.2%，相对20 min的下降了16.2%。这可能归因于以下几个原因：一方面，随超声作用时间的延长，面团发酵更加充分；另一方面，超声作用可能会破坏分子间的氢键作用，导致蛋白质结构改变，大的蛋白质集合体变成可溶性小集合体，总体结构相对松散[12]。研究发现，超声处理使小麦面筋蛋白结构部分展开，削弱了麦醇溶蛋白和麦谷蛋白的相互作用，并减少了面筋蛋白内部形成的二硫键和极性氢键[6，13]。另外，Lomakina等[14]发现，超声能使蛋白质和脂肪颗粒分散得更均匀，显著提高了蛋白质的起泡能力，这也会引起馒头硬度的下降。

馒头比容随超声作用时间的延长呈先增加后下降趋势，在40 min时比容达最大值，与对照组相比增大了9.0%，与20 min时相比增大了14.2%。有研究显示，较低频率和声强的超声对酵母的生长具有促进作用（提高33.3%），缩短了发酵时间[15]。因此，随超声作用时间的延长，面团发酵越充分，馒头比容越大且硬度越小；但当超声作用时间过长（≥50 min）时，比容又有所下降，可能是因为发酵过度，导致面筋结构出现塌陷。综合加权评分显示，在固定超声功率密度为23.08 W/L、酵母添加量为1.2%下，超声作用时间40 min时所生产的馒头品质最好。

2.1.3 超声功率密度的影响

根据酵母添加量和超声作用时间的试验结果，选择酵母添加量为1.2%、超声作用时间为40 min下，考察超声功率密度对馒头品质的影响见表3。

由表3可知，超声功率密度对馒头高径比和内聚性影响不显著，而对硬度、弹性和比容均有显著的影响。随超声功率密度的增大，馒头硬度呈先减小后增大的趋势，超声功率密度在15.38 W/L～38.46 W/L范围内，所得馒头硬度都显著小于对照组；当超声功率密度为23.08 W/L时，馒头硬度达最小值，相比对照组降低了25.0%。在一定的超声功率密度范围内，超声会破坏蛋白质聚合体内的氢键而使蛋白质结构相对松散，因而硬度下降；随超声功率密度的增加，变性蛋白增多，原来处于蛋白分子内部的疏水基团大量暴露在分子表面，使蛋白质颗粒易于发生分子间相互碰撞而又重新聚集，因此所得馒头的硬度又增大[16]。另外，超声也会对小麦淀粉颗粒的理化性质产生影响，从而影响到面制品的品质[17]。相关研究表明[18]，一定功率的超声会破坏淀粉的结晶区，使其亲水基团－OH更多地暴露在外，它们通过与水或蛋白质发生非共价相互作用，导致面团亲水作用更强，从而延缓了产品老化，即抑制了馒头硬度的增大。但当超声功率过大时，会打断部分淀粉的分子链，造成直链淀粉含量相对增加，加快了馒头的短期老化速率。因此，随着超声功率密度的进一步增加，馒头的硬度又增大[19]。

表3 超声功率密度对馒头品质的影响Table 3 Effect of ultrasonic power density on the quality of steamed bread

与对照组相比，超声作用所得馒头的弹性变化不显著。但当超声功率密度达38.46 W/L时，与功率密度为15.38 W/L时相比变化显著。弹性主要取决于谷蛋白分子间及分子内二硫键的含量。O'Sullivan等[20]认为，超声产生的能量不足以使大米分离蛋白和小麦分离蛋白的二硫键断裂。这可能是由于他们所采用的超声功率密度较小的缘故。当超声功率密度较大时，超声产生的空化效应能引起局部高温和高压，破坏面筋蛋白的分子结构和二硫键，导致面筋网络结构减弱，从而引起馒头弹性的下降。Zhang等[21]的研究指出，超声所产生的机械剪切力破坏了蛋白质间的共价相互作用，导致其变性和次级结构改变。因此，当超声功率密度较大时，引起馒头弹性下降可能是由于超声破坏了谷蛋白中的二硫键所致。

馒头比容随超声功率密度的增大呈先增加后下降的趋势。在超声功率密度为23.08 W/L时达最大值，相比对照组增加了5.2%，且变化显著，这可能主要归因于超声对酵母活性的影响。当超声功率密度较小时，超声有助于提高酵母的活性，促进发酵所需氧气的融入和所产生的二氧化碳的排除以及各种物质的传递；但当超声功率密度较大时，产生强的空化效应，破坏了酵母细胞壁和质膜结构，抑制了酵母的生长繁殖，因而馒头比容又有所下降[22]。Sulaiman等[23]发现，在超声周期为10%和20%时可以改善产乙醇菌种的繁殖速率和最终产物浓度，而在超声周期为40%时却对菌种的繁殖速率和产物浓度产生不利的影响，菌种的指数增长期结束得更早。综合加权评分显示，在酵母添加量1.2%、超声作用时间40 min下，超声功率密度为23.08 W/L时所得馒头的品质最好。

2.2 响应面结果与分析

2.2.1 响应面设置与结果

在单因素试验的基础上采用响应面法进行优化，选取超声功率密度（A）、超声作用时间（B）、酵母添加量（C）3个因素作为自变量，分别设置3个水平，编码值见表4。以综合加权评分为响应值，响应面优化结果见表5。

表4 Box-Behnken方案设计因素和水平编码值表Table 4 Independent variables and their respective coded levels employed in Box-Behnken

表5 Box-Behnken优化超声制备馒头工艺的试验方案与结果Table 5 Box-Behnken experimental design and results for steamed bread made using ultrasound treatment

续表5 Box-Behnken优化超声制备馒头工艺的试验方案与结果Continue table 5 Box-Behnken experimental design and results for steamed bread made using ultrasound treatment

2.2.2 回归方程与方差分析

利用design-expert软件对表5的数据进行多元回归拟合，得到馒头品质综合加权评分对超声作用功率密度（A）、超声作用时间（B）、酵母添加量（C）的回归方程：Y=20.98-2.31×A-5.10×B+1.43×C+0.35×A×B-9.01×A×C+0.11×B×C-9.90×A2-0.39×B2-14.02×C2。对该回归方程进行方差分析，结果见表6。

表6 回归方程的方差分析Table 6 Variance analysis of response surface quadratic model

由表6可知，回归模型的P值为0.006 2（<0.01），即该模型是有效的。F值为7.91（>6.00），失拟项P值为0.774 4（>0.05）不显著，模型的复相关系数为0.910 4，表明仅有约9%的测量数据用该模型无法解释。另外，方差分析显示，对馒头综合加权得分影响较大的几个因素为超声功率密度（A2）、超声作用时间（B）、酵母添加量（C2）、超声功率密度与酵母添加量的相互作用（AC）等，影响大小顺序为C2>A2>AC>B。用Design Expert软件对回归方程进行优化分析，得到超声辅助面团发酵制备馒头的优化工艺：超声功率密度21.71 W/L，超声作用时间30 min，酵母添加量1.22%。相对对照组，超声组的总发酵时间缩短了20%。

2.2.3 几种因素对加权综合得分的影响

根据分析结果做响应面图，见图2～图4。

图2 Y=f（A，B）超声功率密度与作用时间对加权综合得分影响的响应面图Fig.2Y=f（A，B）Influence of ultrasonic power density and processing time on weighted score

图3 Y=f（A，C）超声功率密度与酵母添加量对加权综合得分影响的响应面图Fig.3Y=f（A，C）Influence of ultrasonic power density and yeast amount on weighted score

图2显示，随超声作用时间减少，综合加权得分（Y值）呈上升趋势，且随超声功率密度的增加呈先升高后降低趋势。图3显示，随超声功率密度和酵母添加量的增大，Y值都呈先增加后降低的趋势。图4显示，Y值随超声作用时间的减小而增大，且在任何超声时间内随酵母添加量的增加呈先增大后减小趋势。

2.2.4 模型的试验验证

图4 Y=f（B，C）超声作用时间与酵母添加量对加权综合得分影响的响应面图Fig.4Y=f（B，C）Influence of ultrasonic processing time and yeast amount on weighted score

根据模型试验的优化结果，结合实际情况调整为超声功率密度23.08 W/L、超声作用时间30 min，酵母添加量1.22%，在此条件下进行验证试验，最终加权综合得分为25.18，与计算值之间的误差为3.12%，表明回归方程对馒头品质的综合加权评分的估算具有一定的精度见表7。超声作用优化条件下所得馒头与对照组所得馒头的比较结果分别见图5和表8。图5显示超声组所得馒头体积更大，硬度更小，内部组织无明显大孔洞，气室结构分布更加均匀。这是因为超声通过传播介质产生的机械振动效应能形成疏密相间的区域，在稀疏区域（膨胀），有利于外部空气进入到面团中，促使气泡产生和生长；在紧密区域（压缩），气泡被压缩，有利于气泡向面团周围和内部区域扩散，促使气体均匀的分布于整个面团中。因此生产出的馒头组织结构细密均匀，体积大[24]。表8表明，与对照组相比，超声作用能使馒头的硬度下降34.9%，比容增大9.0%。

图5 超声最优条件下所制馒头与对照组馒头的外观及剖面图Fig.5 Profiles of steamed bread with and without ultrasound treatment

表7 验证试验设计表与试验结果Table 7 Conformation runs and experimental results

表8 超声最优条件下所制馒头与对照组馒头各项指标对比Table 8 The indicators of steamed bread with and without ultrasound treatment

3 结论

利用超声辅助面团发酵对于提高发酵面制品的生产效率和改善其品质是可行的。超声作用于面团发酵过程，可明显降低成品馒头的硬度，增大其比容，而对馒头的高径比、弹性及内聚性影响不明显。通过响应面试验得到超声辅助面团发酵制备馒头的优化工艺条件为：超声功率密度21.71 W/L、超声作用时间30 min、酵母量1.22%。与对照组相比，在超声辅助下发酵所需时间缩短了25.0%，且所得馒头的比容增大了9.0%，同时硬度降低了34.9%。超声辅助发酵提高了馒头的生产效率，所生产的馒头质地更柔软比容更大，内部结构细密均匀。