不同冷冻温度对汤圆粉团品质的影响

马骏骅，陆益钡，王 燕，陈书洁，杜童申，杨留明，杨 华,

（1.浙江万里学院生物与环境学院，浙江宁波 315100；2.宁波海关技术中心，浙江宁波 315048；3.宁波万力食品有限公司，浙江宁波 315300）

汤圆起源于宁波，是中国传统小吃，备受广大人群的喜爱。目前对于汤圆的研究主要集中在汤圆原料成分创新，改良剂添加以及贮藏条件等研究上[1]。通过改变汤圆的原料，可以生产出不同口味的汤圆。孔欣欣等[2]研制了一款水晶桂花速冻汤圆，该汤圆外形美观，风味独特，具有较好的营养价值。王绍文[3]研究表明添加新型复合改良剂的糯米粉在影响糯米粉糊化特性方面具有积极作用且改善了汤圆的品质。潘治利等[4]研究发现，不同的冻藏温度对汤圆的含水率、质构和微观结构都有不同的影响。冷冻食品在冻结期间由于干耗、冰晶生长及脂肪氧化等问题，会导致产品的品质下降，且在加工储藏过程中，易发生蛋白质变性、淀粉重结晶等一系列与水分有关的化学变化[5-7]。汤圆在冻结过程中，内部水分子发生相变，游离水、结合水等转变成冰晶，冰晶的形状与大小对汤圆品质起重要作用[8]。冰晶的生长、水分的迁移、重结晶等会造成淀粉颗粒的破损及表皮的裂纹，降低汤圆的食用品质。有研究报道水分迁移致使破损淀粉的非结晶部分进行重结晶，且由无序转变为有序结构，同时自由水含量增多，严重降低了组织结构的稳定性[9]。而汤圆在冻结过程中，起初的冷冻温度较为关键，对冰晶的形成具有决定性作用[10]。如今，大多数的研究主要集中在汤圆的低温贮藏条件上，而对汤圆的冻结过程研究相对较少。为了提升汤圆的品质，使得汤圆在冻结过程中形成的冰晶尽可能不破坏汤圆的内部组织结构，因此研究不同冷冻温度对汤圆粉团的品质调控具有一定意义。

本文以实验室自制配方的汤圆粉团为对象，设置不同冷冻温度，通过测定其质构特性、色泽等理化指标并结合NMR、MRI、SEM 等分析手段研究汤圆粉团的水分分布状态、微观结构变化等，揭示冷冻温度对其品质变化的影响及冻结过程中水分状态的分布情况。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

水磨糯米粉 宁波市江北五桥粮油有限责任公司；红薯淀粉、小麦淀粉、娃哈哈纯净水 购于当地超市；鱼源抗冻蛋白（简称抗冻蛋白，AFPs）河南亿勤生物科技有限公司。

TA-XT Plus 物性分析仪 美国FTC 公司；JE103电子天平 上海浦春有限公司；721G 紫外分光光度计 上海菁华科技仪器有限公司；SEM7 冷场高分辨扫描电镜 日本电子株式会社；Micro MR20-025V核磁共振分析仪 上海纽迈电子科技有限公司；T40W-PT 超低温温度计wifi 记录仪 华汉维有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 汤圆粉团制作方法 汤圆粉团采用实验室自制配方（糯米粉+红薯淀粉+小麦淀粉+鱼源抗冻蛋白（AFPs）。参照陈瑾[11]的方法，将原料粉与纯净水混合，调制面团得到含水量为45%的面团。静置5 min平衡水分，称量分块，搓圆粉团（为了减少馅料对感官评价等主观指标的影响，因此不包制）。

1.2.2 汤圆粉团的煮制方法 设置电磁炉功率为1600 W，将水煮沸后，取5 个汤圆粉团为一组放入500 mL 沸水中煮制至汤圆粉团浮起。

1.2.3 实验设计 将制作完成的汤圆粉团分别在-20、-30、-80 ℃冰箱及液氮（-196 ℃）中冻结，将超低温温度wifi 记录仪尖端置于汤圆粉团中心，直至温度降至-18 ℃后测定透光率、失水率、质构、色泽等理化特性。根据冷冻曲线可知各温度冷冻至-18 ℃的时间，设定不同的间隔时间检测汤圆粉团中的水分状态及分布。-20 ℃低温冰箱：0、10、20、40、60、100、140 min；-30 ℃低温冰箱：0、10、20、30、40、50 min；-80 ℃：0、5、10、15、20 min；液氮（-196 ℃）冻结：0、10、20、30、40 s。

1.2.4 冷冻曲线的测定 将制作好的汤圆粉团分别置于各低温冰箱与液氮（浸没）内进行冷冻，将超低温温度wifi 记录仪尖端放于汤圆粉团的中心部位，每隔1 s 记录下汤圆粉团的中心温度，得到冻结曲线，计算各温度冷冻至-18 ℃的时间、速率等[12]。参考Olivera 等[13]，冻结速率按照公式（1）计算，T2为样品冻结初始温度，T1为样品冻结终点温度（-18 ℃），（t2-t1）是冻结所需时间，v 是冷冻速率。

1.2.5 汤圆粉团的品质测定方法

1.2.5.1 透光率的测定 按照1.2.2 煮制汤圆粉团，将汤圆粉团捞起，锅中的汤水冷却至室温，转移到500 mL 容量瓶并定容至刻度线。将蒸馏水作为对照，使用紫外分光光度计在620 nm 处测定其透光率。

1.2.5.2 失水率的测定 对冷冻前的汤圆粉团质量进行称量，再称量经冷冻后的汤圆粉团质量。两者差值即为汤圆粉团损失的水分。按公式（2）计算失水率。

式（2）中：X-冷冻前汤圆粉团的质量，g；X1-冷冻后汤圆粉团的质量，g；ξ-速冻汤圆粉团的失水率，%。

1.2.5.3 质构特性（TPA）测定 参考朱津津等[14]的方法并略作修改，将煮制后的汤圆粉团放置于容器中，1 min 后用质构仪进行TPA 测试。采用P/25 探头，应变力为0.1 N，测试速度为60 mm/min，形变量为60%，室温下完成测定。

1.2.5.4 色泽测定 参考陈瑾[11]的方法并略作修改，使用色差仪进行色泽测定。使用标准比色白板校正仪器，将煮制后的汤圆粉团沥干水分放置于载物台，且完全覆盖感光口，进行测定，记录下L*、a*、b*值。平行三组，取平均值为结果，白度计算公式参照Parraravivat 等[15]的方法。其中，L*：亮度；+a*：偏红，-a*：偏绿；+b*：偏黄，-b*：偏蓝。

1.2.5.5 汤圆粉团的扫描电镜分析 参考潘治利等[4]的方法并略作修改，对冻结后的汤圆粉团进行冷冻干燥，取截面，对样品观察面进行喷金处理，并用双面胶将其固定在样品台上，进行扫描电镜观察拍照。

1.2.5.6 汤圆粉团水分分布的测定 参考白洁[16]的方法并略作修改。将样品放置于永久磁场射频线圈的中心，进行CPMG 脉冲序列扫描。且利用反演拟合软件进行反演，得到T2。汤圆粉团的CPMG 实验采用的参数：TD=60018，NS=8，TW=1200 ms，P2=22 us，TE=0.3 ms，NECH=1000，利用仪器自带的程序T2-InvfitGeneral 反演拟合软件进行反演，得到T2弛豫图谱。

1.2.5.7 汤圆粉团冻结过程中水分变化成像测定参考吴酉芝等[17]的方法，检测得到成像图。参数设置：重复时间TR=200 ms，回波时间TE=18.2 ms，单次试验扫描次数AVERAGE=6，将得到汤圆粉团的T2-加权灰度图后进行伪彩处理。

1.3 数据处理

所有数据均取平均值（平行组n≥3），采用GraphPad 软件作图，SPSS Statistics 软件进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 冷冻曲线的测定

食品的冻结主要分为三个阶段[18]。第一阶段：由食品的初始温度降至冻结点温度，此时放出的热量为显热，此热量较小，因此这部分的曲线较陡。第二阶段：食品从冻结点降至-5 ℃左右，此时食品放出大量的潜热，大部分水已结成冰，冻结过程中的大部分热量在此时放出，因此在该阶段，降温速度较慢，曲线相对平缓。第三阶段：食品从-5 ℃左右温度继续降至储藏温度。此时放出的热量由两部分组成，一部分由于食品中冰的继续降温，另一部分是由于少量残余的水分继续冻结成冰，因此该阶段的曲线走势也较为陡。图1 为冷冻粉团各温度的冷冻曲线，由图可知，随着冷冻温度越低，从食品初始温度降至-18 ℃所需时间越短，-196 ℃（液氮）冷冻过程中，降温幅度最大且速度最快。

图1 汤圆粉团在不同温度下的冷冻曲线Fig.1 Freezing curve of rice dumpling dough at different temperatures

由表1 可知，冷冻温度越低，通过最大冰晶生成带的时间则越短。通过最大冰晶生成带的时间与生成的冰晶数量、体积等息息相关。时间越短则生成的冰晶数量越多、体积小且分布均匀，能有效减少水分迁移现象发生。时间越长则反之，冰晶生长的速度快于冰核生成的速度，体积增大，冰晶的膨胀易导致淀粉颗粒的损伤与蛋白质变性，进而影响食品品质，破坏组织结构，使汤圆表皮开裂。如表1 所示，-20 ℃下冷冻，冻结时间最长为117.22 min，通过最大冰晶形成带的时间为60.29 min，冻结速率为0.34 ℃/min；-30 ℃下冷冻，冻结时间为46.75 min，通过最大冰晶形成带的时间为21.33 min，冻结速率为0.85 ℃/min；-80 ℃下冷冻，冻结时间较短为14.80 min，通过最大冰晶形成带的时间为5.02 min，冻结速率为2.68 ℃/min；液氮冷冻下，温度骤降，变化过快，由于温度检测器灵敏度有限无法测得精确时间，因此通过多次试验得到大致冻结时间＜0.9 min，通过最大冰晶形成带时间＜0.6 min，冻结速率无法精确计算。根据冻结速率可分为三类[19-20]，分别为慢速冻结（0.02～0.20 ℃/min）、商业冻结（0.2～0.83 ℃/min）和快速冻结（＞0.83 ℃/min）。由此可见，-20 ℃下冷冻属于商业冻结，-30、-80、-196 ℃（液氮）属于快速冻结。骆丽君[12]研究了不同温度下熟面冻结的冷冻速率，其研究中-18 ℃条件下冻结属于慢速冻结，-30、-40 ℃下冻结属于商业冻结，-60、-80 ℃条件下属于快速冻结。两种米面食品相同温度下冷冻速率不同可能是由于汤圆中含有AFPs，能够良好地修饰冰晶形状、抑制重结晶，降低汤圆中水分的流动性，提高汤圆中的微晶数量和低温稳定性[21]。顾玲[22]研究了不同原料粉制成的速冻汤圆粉团在相同温度下的冷冻曲线，结果表明纯糯米粉冻结最慢、其次是杂粮粉汤圆，最快的是添加了复合添加剂的汤圆，原因是杂粮粉吸水能力强，而添加剂会吸附水分使未冻结相粘度上升，并减少了溶质分子的自由体积，降低了冰晶的线生长率，与本实验中AFPs 的添加试验结果基本吻合。

表1 不同冷冻温度下汤圆粉团的冻结时间与速率Table 1 Freezing time and rate of rice dumpling dough at different freezing temperatures

2.2 不同冷冻温度对汤圆粉团品质的影响

2.2.1 不同冷冻温度对汤圆粉团透光率的影响 不同冷冻温度对汤圆粉团透光率的影响如图2 所示。液氮及-80 ℃下冷冻后的汤圆粉团经煮制后汤汁透光率较高，与-30、-20 ℃冷冻有显著差异（P＜0.05）。说明煮制后汤圆粉团表皮掉粉率较少，可能是由于超低温冻结，粉团内形成均匀细小的冰晶对淀粉颗粒无明显损伤，而使破损淀粉率降低，煮制时流入汤汁中的粉质颗粒较少，汤汁较为清澈，提高了食用品质。黄忠民等[23]发现低温冰箱冻结、螺旋隧道冻结和液氮冻结这3 种不同冻结方式对汤汁透光率有显著影响，液氮冻结下汤汁中沉淀物最少，透光率最高，品质最好，而冻结温度较高的低温冰箱冻结煮制时掉粉情况严重，导致透光率最低，与本实验结果相符。

图2 冷冻温度对汤圆粉团透光率的影响Fig.2 Effect of freezing temperature on light transmittance of rice dumpling dough

2.2.2 不同冷冻温度对汤圆粉团失水率的影响 图3为不同冷冻温度下汤圆粉团失水率的变化。如图所示，经-20 ℃冷冻后的失水率为1.202%，-30 ℃下失水率为1.199%，无明显差异（P＞0.05）。-80 ℃、液氮下的失水率分别为0.757%、0.157%，有显著差异（P＜0.05）。由此可知，失水率随着冷冻温度的降低而减少，在超低温下，失水率极低。失水率主要表征冷冻过程中水分的散失，冷冻过程中汤圆粉团水蒸气压处于饱和，冻藏环境水蒸气压处于不饱和，由此产生的水蒸气压差，使得冰晶升华。而超低温可能对水分子的束缚能力较大，抑制了水分迁移，减少冰晶的升华，降低了干耗损失，因此失水率较小。黄忠民等[23]研究了普通低温冰箱、螺旋隧道冻结与液氮冻结等方式对速冻汤圆品质的影响，其失水率大小排序为低温冰箱冻结＞螺旋隧道冻结＞液氮冻结，从温度梯度上，与本实验结论相符。骆洋翔[24]研究了-5、-15、-25 ℃冻藏对速冻汤圆失水率的影响，结果表明失水率随温度降低而减小，-5 ℃冻藏温度相对较高，样品内外温度梯度较大，水分子移动强，与本次结果一致。

图3 冷冻温度对汤圆粉团失水率的影响Fig.3 Effect of freezing temperature on water loss rate of rice dumpling dough

2.2.3 不同冷冻温度对汤圆粉团质构特性的影响图4 为不同冷冻温度对汤圆粉团弹性、胶黏性、咀嚼性的影响。由图可知，各冷冻温度对汤圆粉团质构特性无明显规律影响。弹性：液氮冷冻条件下弹性较大与-30 ℃组有显著差异（P＜0.05），其余组间无显著差异（P＞0.05）；胶黏性：液氮、-20 ℃冷冻后的汤圆胶黏性较大，-30、-80 ℃冷冻下胶黏性较小且组间无显著差异；咀嚼性：液氮冷冻后的汤圆咀嚼性较大，与其余组有显著差异（P＜0.05）。Selomulyo 等[25]研究指出冻结过程中冰晶越大，对面团组织结构破坏性越强，严重影响淀粉与水的结合作用，造成样品弹性、回复性降低。液氮冻结下冰晶形成小且均匀，弹性较大，与其结论一致。黄忠民等[23]研究发现，液氮冻结的汤圆弹性要显著大于低温冰箱冻结和螺旋隧道冻结，与本实验结果相一致。

图4 冷冻温度对汤圆粉团质构特性的影响Fig.4 Effect of freezing temperature on texture characteristics of rice dumpling dough

2.2.4 不同冷冻温度对汤圆粉团白度的影响 不同冷冻温度对汤圆粉团白度的影响如图5 所示。混料粉制成汤圆粉团白度值较高，表皮白皙透亮，各冷冻温度对其色泽无明显影响，其结果无显著差异（P＞0.05）。淀粉的老化会对色泽造成重要影响，老化严重时，汤圆表皮泛黄，影响食用品质，但本实验中由于冷冻温度较低，不易发生老化现象，因此白度不受冷冻温度的影响，推测可能与原材料有关。据研究，馒头白度与储藏温度有关，在-10～0 ℃时，随温度升高而降低[26]。其原因可能是由于0 ℃左右，淀粉老化速率上升，对白度产生影响，这与本实验设置温度有较大的出入，因此结果不同。

图5 冷冻温度对汤圆粉团白度的影响Fig.5 Effect of freezing temperature on whiteness of rice dumpling dough

2.2.5 不同冷冻温度对汤圆粉团微观特性的影响冷冻温度对汤圆粉团微观特性的影响如图6 所示。-20 ℃冻结处理后，汤圆粉团表皮出现了细小的孔洞，淀粉颗粒间结构分散，可能是由于冻结过程中产生了大量冰晶且体积较大，汤圆粉团表皮组织被破坏。-30、-80 ℃条件下冷冻后的汤圆粉团观察面淀粉颗粒完整，连接较为紧凑且无明显孔缝，可能是由于冷冻速率增快，未形成具有破坏性的大冰晶，结构组织较为完整。液氮冷冻下，冷冻速率过快，冰晶快速通过最大冰晶生成带，粉团内部淀粉颗粒排布紧密、且相对平整，结构组织致密，优于前者组。刘燕[27]研究了液氮、螺旋隧道、-40 ℃冰箱三种不同温度冻结对鱼丸内部冰晶的分布情况，结果表明液氮冻结组冰晶颗粒小，为杆状，分布均匀，其余两组形成的冰晶均大小不一且分布散乱，侧面反映了对组织的破坏程度大，与本实验结果基本一致。有研究报道，冻藏温度越高且时间越久，淀粉颗粒个体越易出现差异，破损淀粉嵌入组织结构，严重影响食品质构特性[28]。

2.2.6 不同冷冻温度对汤圆粉团水分分布的影响在汤圆冻结过程中内部水分发生变化，冰晶的产生会影响汤圆的质量。而低场核磁共振技术能够在不损伤组织的情况下，直观地表现出水分状态，能够有效反映水分迁移情况。图7 表示汤圆粉团在不同冷冻温度下T2图谱的变化，由图7 可知T2图谱中主要有3 个特征峰。T21代表结合水，能与蛋白质大分子表面极性基团相紧密结合[29]。T22代表多层水，能与粉团中糖类、淀粉等组分相结合，其结合力较弱但强于自由水[30]。T23代表自由水，不与任何组分相结合，流动性最强[31]。由图7 可知，汤圆T21幅度峰值随着冷冻时间的增加而增大，T22幅度峰值随着冷冻时间增加而减小，T23自由水在未冷冻时具有较小幅度峰值，后续随着冷冻时间增加不断减小趋于为0。信号幅度降低说明水分活度下降，自由水被冻结转换为多层水，多层水迁移转变为结合水，使得T21增大，T22、T23减小，该结果与白洁[16]研究一致。可能是由于在水分冻结过程中，多层水遇冷转变为过冷水，过冷水的流动性类似于同大分子物质相结合的水，弛豫性质相同，故而导致多层水迁移转变为结合水。从图中可以看出在不同冷冻温度下冷冻时间最长时，液氮40 s 时其T21大于其余3 组。可能是由于液氮冷却过程快，时间短，外部温度较低，而内部温度分布不均匀引起，内部温度均匀稳定性低于低温冰箱冷冻。且当每组冷冻时间最长时，冷冻温度越低，T22越小，可能是已转为冰晶的多层水由于低温造成不同程度的冷冻干耗，温度越低，干耗损失越大。有研究表明面团中深层结合水的含量增大有利于抑制冷冻面团中冰晶的生成，能有效提高生产质量[17]。有相关文献报道水分迁移与温度波动有较大关联，温度发生波动变化使得结合水氢键不再牢固，结合水向多层水迁移，多层水则向自由水方向迁移使得冰晶生长，汤圆粉团失水率增大，干耗加重[4]。

2.2.7 不同冷冻温度下汤圆粉团水分冻结成像变化图8 为不同冷冻温度过程中水分冻结成像的变化。由于不同温度中心点到达-18 ℃的时间不一致，因此其选取时间间隔点也有所不同。MRI（核磁共振成像）技术可以在不损坏样品组织的情况下，准确地反映出其水分的分布。如图所见，测定了各温度下不同阶段汤圆粉团的氢质子密度图像（1HMRI），图像彩色区域越亮说明信号越强，氢质子密度较高，反之则信号较弱且密度低。由图可知，水分在冻结过程中并非均匀有规律。冷冻前期，汤圆粉团未冻结，图像中彩色明显，充满了液态可移动的水分子。冷冻中期，彩色逐渐消失，水分子从外部开始冻结，图中外圈有彩色存在可能是由于检测过程需要一定时间，导致外部表皮开始融化。冷冻后期几乎检测不到信号，图中亮色消失，说明汤圆粉团中几乎没有液态水分子存在。观察图8A～图8C 可知，冷冻时间相同均为20 min时，温度越低则冻结效果越好，氢质子密度低。该检测结果揭示了冻结过程中微观上水分的分布情况，对探讨冰晶分布对速冻食品的影响有一定意义。吴酉芝等[17]运用MRI 图像显示了面团的解冻过程，温度过低检测不到信号，图像接近全黑色，未有亮色在其中，随着温度上升直至完全解冻，白色越来越鲜明，氢质子自由度增大，与本实验图像规律一致。孟可心[32]研究了亚冻结温度对面团水分分布的影响，研究表明亚冻结温度（-9、-12 ℃）面团的氢质子密度图像较其余温度（4、0、-3、-6 ℃）面团的亮度低，与本实验相同冷冻时间下温度越低氢质子密度越低的结论基本一致。

图8 不同冷冻温度下汤圆粉团水分冻结成像的变化Fig.8 Changes of water freezing imaging of rice dumpling dough at different freezing temperatures

3 结论

由本实验可知，不同冷冻温度对汤圆粉团品质有一定的影响。冷冻温度越低，冻结速率越快，失水率越低，透光率越高，白度无明显变化，质构变化较小。从微观角度，与低温冰箱相比液氮冻结下整体最为完整，淀粉颗粒连接紧凑，受冰晶影响小。在冷冻过程中，水分活度下降，自由水被冻结转换为多层水，多层水迁移转变为结合水，T21增大，T22、T23减小。且冷冻时间越长，液态水分子越少，氢质子密度越低。综上所述，冻结效果优劣排序为：液氮＞-80 ℃＞-30 ℃＞-20 ℃。液氮作为一种新型冷冻技术，目前广泛应用于食品保藏中且效果较好，但由于其成本较高，应用的食品种类较少。从实际应用考虑，初始冷冻温度应不高于-30 ℃，由此可改善汤圆冻藏过程中的裂变情况。本文可为速冻米面制品冷冻保藏提供一定理论支持。