发酵面团持气性及品质改良研究进展

孙力博,刘远晓,李萌萌,关二旗,卞科

(河南工业大学 粮油食品学院,河南 郑州,450001)

发酵面制品是以小麦粉为主要原料,加水混合后,通过搅拌、成型、醒发和熟制等加工过程制成的食品,常见的发酵面制品有馒头和面包等。经过酵母发酵后的食品具有易于消化吸收、食用方便、营养物质含量丰富、风味独特和咀嚼口感独特等特点,深受大众喜欢[1]。随着消费者对发酵面制品需求量的不断增加,发酵面制品生产的工业化程度越来越高。在发酵面制品的工业化生产中,其品质控制尤为重要。目前,生产中最常见的问题就是在蒸制或焙烤过程中发酵面制品的体积出现萎缩和塌陷,这与面团的持气特性密切相关[2]。研究表明,影响面团持气性的主要因素有蛋白质含量、组成,破损淀粉和麸皮的含量,以及加工工艺中加水量、水温、酵母含量、搅拌时间和醒发时间等。本文首先分析了小麦组分和加工工艺对面团持气性的影响,并总结了面团改良剂作用机理以及对面团持气性的改良效果,以期为解决面团持气性不足、生产高质量的发酵面制品提供参考。

1 面团持气性简介

发酵面团的持气性是面团在发酵过程维持气体能力强弱的表现。目前,面团持气性可以通过吹泡稠度仪来测定,也有学者通过发酵流变仪中发酵面团的持气量和二氧化碳(CO2)保留系数来表示[3]。吹泡稠度仪能模拟面团发酵的过程,通过测定面团持气压力、延展性和形变能量,并通过面泡内压力随时间变化的曲线图,根据曲线图和面积来评价面团的品质。而在产品方面,发酵面制品的比容能直观表现出面团持气性的差异。

发酵面制品品质受多方面因素的影响,面团持气性就是其中之一。具有良好持气性的面团,面筋网络结构能够维持发酵过程中的气孔结构,从而包裹充足的CO2气体来维持面团的形状,形成延展性和黏弹性较好的面团,经过熟制后的面制品具有良好的比容以及内部孔状结构[4]。而面团的持气性不好主要体现在小麦粉和水混合后形成的面团黏弹性较大,面筋网络“骨架”不足以支撑起面团的形状,导致面团坍塌,熟制的面制品因持气性差而体积减少,影响外观和品质。如馒头在蒸制完成出锅时,馒头因持气性不足和温差的影响表皮出现皱缩。面包的制作过程中,良好的持气性可使面包屑具有细腻的结构和适中的膨胀度[5]。

2 小麦组分对面团持气性的影响

2.1 蛋白质组成和含量对面团持气性的影响

蛋白质是小麦粉中的主要组分之一,面筋蛋白主要由麦醇溶蛋白(gliadin,Gli)和麦谷蛋白(glutenin,Glu)组成。Gli与Glu的相互作用决定着面团的黏弹性,因此两种蛋白质比例不同会导致面团的弹性和延展性不同,如图1所示。

图1 小麦组分对面团品质影响的示意图Fig.1 Schematic diagram of the effect of wheat components on dough quality

面筋蛋白的延展性和弹性比例合适,可以有效防止面筋网络结构的破裂和发酵产生CO2的流失。研究显示,Gli和Glu的比例对发酵面制品的比容有着明显的影响[6]。Glu/Gli的比例升高更有利于游离巯基氧化成二硫键,增强面团形成过程中面筋蛋白交联作用,使面筋网络结构更加稳定[7-8]。Glu/Gli为0.50时,面筋网络结构松散,面团的延展性强,在发酵和蒸制的过程中面团中的CO2气体容易膨胀,面团的气室稳定性降低,导致发酵面制品体积较大;Glu/Gli为2.50时,面筋网络结构过于致密,延展性和弹性不足,在面团醒发和蒸制的过程中,面团内部的气室难以扩张,发酵面制品体积小[9]。而面团玻璃化转化温度以上加入Gli可以明显增加面包的体积,改善面团的延展性和持气性[10]。

除蛋白质的组成外,面粉中蛋白质的含量也会对面团品质产生影响,如表1所示。蛋白质含量高时,面筋含量高,有利于在面筋网络结构中形成气室,在蒸煮过程中,淀粉凝胶化,面筋蛋白交联聚合,可以更好地保留气室中的气体[14]。蛋白质含量过高时,面筋网络结构韧度高,面团持气能力小于迂回力,导致面筋骨架支撑力不足而萎缩,馒头很容易出现塌陷,影响馒头的品质。蛋白质含量低,小麦粉的筋力较弱,在搅拌的过程中,麦谷蛋白形成的二硫键不牢固,面团发酵的过程中维持CO2气体的能力弱[15]。高蛋白质含量有利于提高馒头的比容,不利于形成馒头良好的外观[16]。小麦粉中适中的蛋白质含量,在提高发酵面制品营养的同时,也可以有效地改善面团的内部结构,提升发酵面制品体积和外观。

表1 小麦主要组分对发酵面团以及面制品的影响Table 1 Effects of main components of wheat on fermented dough and flour products

2.2 破损淀粉对面团持气性的影响

小麦中的淀粉在研磨过程中受到机械损伤而产生的淀粉称为破损淀粉。小麦制粉过程对淀粉的损伤几乎是不可避免的[17],在后续的食品加工过程中,许多处理也可能导致淀粉损伤。与未损伤的淀粉颗粒相比,破损淀粉具有吸收更多水分的能力。破损淀粉持水能力的增加会减少面团中游离水的含量,限制底物和酶的扩散,减少可发酵性糖的形成,最终会导致面团发酵时产生的气体减少[18]。此外,破损淀粉含量过高,面筋蛋白和淀粉颗粒紧密粘合在一起,如图1所示,引起面筋网络的破坏导致发酵面团的持气性差[19]。

研究表明,随着破损淀粉含量的增加,面包的体积呈减少趋势,破损淀粉含量为4%～6%时,面筋网络交联紧密,面团持气能力增加,面包质地有弹性且具有良好的面包屑结构[20]。而过高含量的破损淀粉会使面团吸水率显著上升,导致面团黏度增加,不利于发酵过程中面团气体的保留[21]。此外,破损淀粉的损伤程度也会对面筋网络产生影响。破损淀粉损伤程度的增加,破损淀粉与面筋蛋白之间的相互作用增强。破损淀粉损伤程度在3.66%～11.51%时,淀粉颗粒之间以及面筋蛋白之间形成相对紧凑的网络结构,导致发酵和烘焙过程中气体保存和形状维持能力较差[19]。因此,面筋蛋白和破损淀粉之间需要适度的相互作用,以获得面团和发酵面制品更高的质量。

2.3 麦麸对发酵面团持气性的影响

麦麸中不仅含有大量的膳食纤维,还含有丰富的抗氧化活性的物质,增加膳食纤维的摄入对减少慢性疾病有有益作用[22]。尽管面制品中加入麦麸有助于提高身体健康,但是麦麸中大量的纤维会对发酵面制品的品质造成影响。面筋与麦麸纤维之间的相互作用阻止了面团在发酵过程中的自由膨胀,麦麸含量不同影响Glu在搅拌过程中的再聚集,如图1所示,导致发酵过程中气泡发生歧化或聚结,减少了气体在面团中的保留[23]。另外,麦麸中的膳食纤维会与面筋蛋白竞争吸水,导致面团体系中结合水重新分配,促进面筋二级结构的部分脱水和β-转角与β-折叠的转化[24-25],如图2所示,导致发酵面制品品质差。

图2 麦麸加入前后面筋蛋白二级结构的变化[24]Fig.2 Changes in the secondary structure of gluten protein before and after addition of wheat bran[24]

麦麸对发酵面制品品质的影响主要取决于麦麸的含量和粒度[23,26]。研究表明,随着麦麸添加量的增加,面团的延展性降低,面团的最大发酵高度从(46.70±0.99) mm降至(16.25±0.35) mm,面团发酵的过程中气体从面团中逸出的时间明显下降,这些都表明面团的持气性随着麦麸添加量的增加而下降[12]。发酵面团微观结构方面,麦麸添加会使蛋白质聚合形态出现断裂,面筋网络变得无序,麦麸添加量为12%时对面筋网络造成严重破坏[12]。适量的膳食纤维可以改善面筋网络结构,使其连续性和致密性得到很好的改善[27]。此外,麦麸粒度不同会破坏面筋蛋白网络结构,阻碍面筋蛋白的水合作用[13]。麦麸粒度较小时,麦麸与面筋的交互作用进一步加剧,填充在淀粉-蛋白质基质内,使面筋网络出现空洞,持气性变差[28]。通过动态面团密度测试,麦麸降低了面团的膨胀能力,颗粒越小膨胀能力越弱[26]。

3 加工工艺对面团持气性的影响

面团中的加水量、水温、酵母含量、搅拌时间和醒发时间等工艺条件都会对面团形成过程中面筋网络结构造成相应的影响。因此,优化加工工艺对面团持气性的改良十分重要。

3.1 加水量和水温对面团持气性的影响

面团形成的过程中,面团和水的相互作用极其重要。水的加入会使蛋白质的亲水基团吸水膨胀,使面筋蛋白形成面筋网络结构,构成面制品 “骨架”结构[29]。小麦粉与水混合的过程中,将淀粉包裹在面筋网络中,形成黏弹性的面团。加水量过少,水分未渗入到面粉颗粒内部,导致面粉表面部分与水结合,黏弹性网络尚未形成[30]。随着加水量增加,加水量为粉质吸水率的88%时,面筋被稀释,面团发黏发软,面团持气能力差[31]。因此,合适的加水量可以有效地促进面筋蛋白形成稳定的面筋网络三维结构,形成具有黏弹性、持气性、延展性的面团。

通过控制水温来调节面团温度,可以提高酵母在发酵过程中的产气能力,以达到改善面团品质的目的。水温对面团持气性的影响存在两个方面,一方面,水温会对面筋网络结构造成影响,低温会影响蛋白质和淀粉的吸水率,使面筋网络形成比较困难,面团的硬度增加,影响发酵面团胚子的发酵能力。研究表明,水温控制在30 ℃以内,可以形成稳定的面筋网络,此时面团具有较好的延展性和黏弹性,随着温度升高,面团的延展性和黏弹性变差[32]。另一方面,水温过低会抑制酵母发酵能力,不能产生足够的气体来填充网络结构。温度过高,35 ℃会提升酵母的发酵能力,使发酵时间缩短,酵母产生的气体时间提前并产生大量气体,面团过度膨胀,内部结构孔洞较多且气室不均匀[33]。

3.2 酵母对面团持气性的影响

酵母在发酵面团的制作中主要是发酵产生CO2,并改变面团的流变学特性,进而影响发酵面制品品质[34]。酵母产生的气体可以填充在面筋网络结构中,使馒头和面包体积膨胀。因此,酵母的产气和面团的持气能力是影响面团发酵特性的因素。酵母产生CO2的能力保证了面筋网络结构的延展和膨胀,此时形成了薄膜、具有延展性,能够稳定的承受气体的压力并将其保留在面团中。

酵母含量会对产品的体积造成的影响。研究表明,酵母含量0.3%时,面团发酵不完全,蒸制后的馒头容易出现回缩;酵母含量为1.80%时,会使发酵时间缩短,酵母产气过多导致面团过度膨胀,以至导致面筋网络结构破裂,面团的内部结构随着面筋网络结构的破裂也发生了变化,这严重影响了面团的持气能力,对产品的品质造成影响[35]。因此,面团中酵母含量在0.75%～1.25%,面团发酵完全,形成的面筋网络结构可以更好地保留CO2[36]。此外,面团在发酵的过程中,酵母会产生代谢产物,其中甘油含量对面团的持气能力影响较为明显,甘油的增加可以优化发酵面团和面团的延展[37]。

3.3 搅拌时间对面团持气性的影响

搅拌有助于水和小麦粉的充分混合,形成延展性的面筋网络。通过搅拌使麦谷蛋白吸水膨胀形成面筋网状结构,形成支撑面团形状与面团特性的骨架,如图3所示。不同的搅拌时间对面团混合面筋网络的形成的影响不同。搅拌时间过长会使面团比最佳搅拌的面团更软、更黏稠[39]。而搅拌时间过短会使面筋网络难以得到充分的展开,面团的内部粗糙,颗粒较多并且结构不均匀[40]。

图3 加水搅拌后的面筋网络发展分子解释[38]Fig.3 Molecular interpretation of gluten network development after stirring with water[38]

研究表明,搅拌时间5 min时,由于搅拌不充分,面筋之间结合较少,导致面筋筋力不足,面团的持气能力较差;搅拌时间35 min时,搅拌过度使面筋网络内部断裂,造成面筋筋力较差,面包气室结构中气孔大而多,这可能会导致面包的形状无法挺立[39]。通过最大持气压力、面片持气高度和面片持气时间表明,随着搅拌时间的增加呈现先上升后下降的趋势,搅拌时间15 min最佳[41]。此外,在加水量和搅拌时间对面片的研究中,加水量不同搅拌时间也不同,搅拌时间在15 min、加水量为40%时面片的综合特性较好[40]。因此,适量的加水和搅拌时间有助于促进面筋网络形成,进而提高产品质量。

3.4 醒发时间对面团持气性的影响

面团的醒发阶段是面筋网络形成的重要过程,在此期间面团中的蛋白质分子与水分子的内应力逐渐减小,蛋白质分子间相互交联,形成面筋网络结构,使发酵面团具有更好的持气性。醒发可以改变面团内部的网状结构,随着醒发的进行,淀粉颗粒变大,面筋蛋白形成了更加均匀和连续的面筋网络[42]。醒发时间不足会使发酵面制品的体积小,胀发不足且外观和内部结构差[36]。醒发过度,CO2在气室中的膨胀导致细胞壁破裂,导致气体通过面筋结构释放出来[42]。同时,面团的持气能力下降。

醒发过程中,酵母产生的气体不断进入面筋网络结构,面团的弹性增加。随着时间的增加,酵母产生的气体足够多时,面团开始膨胀,形成孔状结构。在此过程中,面团的面筋网络在CO2气体的作用下不断形成面筋气泡,面团的软度增加,弹性降低,延展需要的力减小,面团的持气能力下降。研究表明,随着醒发时间的增加,馒头的比容呈先增加后降低的趋势,并且醒发时间在35～45 min时,馒头的比容最大,感官评价分数较高[43]。此外,有学者通过测定持气压力、持气高度和持气时间对面团的持气能力进行研究,得出最大持气压力、高度和时间都是随着醒发时间的增加呈先增后减的趋势[44]。这与醒发时间对馒头比容影响趋势一致。综上所述,合适的醒发时间可以改良面团的品质,对制作高质量的产品有重要影响。

4 面团改良剂对面团持气性的影响

面团改良剂主要包括氧化剂、酶制剂和乳化剂等。在面团的加工过程中能够改善面团的流变学特性,提高面团的操作性能和机械加工性能,有利于发酵面制品品质的提升。

4.1 氧化剂对面团持气性的影响

氧化剂能增加面团韧性,改善小麦粉色泽,催化小麦粉成熟,提升面团持气性[45]。最佳的面筋网络赋予面团良好的持气性,通过添加氧化剂可以改善天然面团较弱的小麦粉,最大限度的减少游离巯基和二硫键的交换反应并促进二硫键的形成[46]。氧化剂的氧化反应可以加强面筋网络连接点的二硫键,起到增强面筋和面团稳定性的作用[47]。目前小麦粉中使用的氧化剂多为外源氧化剂,有KBrO3、KIO3、偶氮二甲酰胺(azodicarbonamide,ADA)、抗坏血酸(ascorbic acid, AA)和CaO2等[48],考虑到外源性氧化剂存在致癌物质,AA和ADA在面包的生产过程中得到广泛应用。

研究表明,AA能够消除谷胱甘肽对面筋的弱化作用,在还原性谷胱甘肽存在的情况下,内源性谷胱甘肽脱氢酶将脱氢抗坏血酸还原成AA[49];ADA与面粉混合后可以氧化巯基,生成二硫键,以维持面团中蛋白质稳定的结构[50]。此外,ADA与KBrO3和KIO3等其他氧化剂相比具有较快的反应速度,在面团混合期间就可以完成氧化反应,并在水的存在下ADA可以与面粉中的组分迅速氧化巯基转化为二脲[51]。总的来说,氧化剂增强面筋的机制,主要是直接或间接将面筋蛋白中的巯基氧化成二硫键,从而促进面团中更强的面筋网络的形成,进而增加发酵过程中面团保留气体的能力。

4.2 乳化剂对面团持气性的影响

乳化剂具有极性亲水基团和非极性亲水基团,可作为表面活性剂与油脂形成稳定的乳化液,使面制品疏松[52]。乳化剂亲水基团结合Gli,亲油基团结合Glu,使分离的面筋蛋白结合起来,形成的面筋网络结构更加致密更加有弹性,从而增加面团的持气性[53],不同乳化剂对面筋网络结构的影响如图4所示。此外,乳化剂还能与直链淀粉淀粉形成螺旋状组织,阻止水分从淀粉颗粒中流失[55];同时乳化剂的表面压力较低,渗透压较高,可以使面团中的油脂充分扩散到面团中,使面筋蛋白结构较变成较为细密的网状结构,产品的内部组织也变得更加柔软[56]。目前应用较多的乳化剂有单甘酯、双乙酰酒石酸单甘脂(diacetyl tartaric acid ester of mono(di)glycerides,DATE)、硬脂酰乳酸钠(sodium stearoyl lactylate,SSL)、硬脂酰乳酸钙(calcium stearyl lactylate,CSL)和复合乳化剂。

a-对照组;b-DATE;c-单甘脂,d-SSL,e-CSL;f-复合乳化剂图4 不同乳化剂对面团微观结构的影响[54]Fig.4 Effect of different emulsifiers on the microstructure of dough[54]

面团搅拌的过程中乳化剂的加入能使面筋与淀粉之间形成层状液膜,有助于发酵时气体的保留。与对照组相比,含有乳化剂的面包体积和比容增加[57]。馒头中添加硬脂酰乳酸钠可以有效地改善馒头体积和比容,并使馒头形成均匀气室结构[58],更有利于发酵气体的保留。随着SSL含量增加馒头的比容呈先增加后降低的趋势,比容在SSL含量为0.3%时达到最大[59]。

4.3 酶制剂对面团持气性的影响

酶制剂是一种无毒、无害、安全高效的面粉改良剂,与化学添加剂相比具有显著优势。面粉行业常用的酶制剂有淀粉酶、葡萄糖氧化酶、木聚糖酶、脂肪酶和谷氨酰胺转氨酶等[60]。

淀粉酶中常见的有α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖苷酶,淀粉酶的加入可以调节面团中发酵糖的水平,增加发酵过程中的产气量[61],如表2所示。葡萄糖氧化酶可氧化葡萄糖产生葡萄糖酸和过氧化氢,过氧化氢能氧化面团中的巯基形成二硫键,加强面筋网络结构[66]。木聚糖酶是一种半纤维素酶,能够降低全麦食品中不溶性戊聚糖降解为水溶性形式。发酵过程中,水从戊糖转移到面筋导致面筋网络的重组,提升面团保留气体的能力[65]。脂肪酶释放的单酸甘油酯能够与面筋蛋白结合,并降低其疏水性,从而导致面团特性的变化[61]。谷氨酰胺转化酶可以促进谷氨酰胺和赖氨酸残基之间的分子间或分子内交联,从而导致高分子质量蛋白质的形成并增强谷蛋白网络[67]。

表2 酶制剂对面团及发酵面制品体积的影响Table 2 Effect of enzyme preparations on the volume of dough and fermented dough products

为针对不同食品的加工领域,复合酶制剂已经在面制品加工行业普遍使用。复合酶制剂对发酵面制品的改善效果优于单一酶制剂。研究表明,木聚糖酶和淀粉酶结合可以产生协同作用可以增加面制品的体积,可以避免酶添加过量会导致面团变黏问题[69];葡萄糖氧化酶和淀粉酶结合使用时,可以增加1%～2%的吸水能力,使面包体积增大[69]。因此有必要进一步研究不同酶制剂以及酶制剂之间的协同作用对面筋网络结构的影响,提高面制品的品质,必将给面制品加工行业带来新的生机。

5 结论与展望

适量的蛋白质、破损淀粉和麸皮等小麦组分和合适的加工工艺条件可以改善面筋网络结构,使发酵面制品的孔洞结构更加均匀,体积和比容达到最佳的数值,同时也避免持气性不足对发酵面制品品质的影响。在发酵面制品生产过程中,通过添加面团改良剂能够促进面筋网络中二硫键的形成,增强面筋网络的稳定性,进而达到对面团持气性改良的效果。但有关面团持气性改良还存在研究层面不够深入和研究对象单一等问题。在未来对面团持气性改良的研究中应着重注意以下问题:a)从分子层面进行研究,探讨不同影响因素下,面筋网络结构、面团微观结构等的变化情况,更加深入的阐明改良发酵面团持气性以及面团品质的内在机制;b)从饼干、馒头和面包等不同研究对象出发,分析酶制剂以及复合酶制剂对其品质特性的改良效果,更加系统的研究发酵面制品品质改良的方法。