食用碱添加对不同冷冻杂粮面团品质特性的影响

杜文凯，苏同超，胡向华，曾 洁，高海燕，王洋洋，田佳楠，马明君，周海旭

（河南科技学院食品学院，河南新乡 453003）

目前随着人们生活质量的提高和生活节奏逐步加快，冷冻面团工业化成为一种趋势，而在冻藏、冷冻条件下的面团更易于进行保藏，运输以及销售，也更适应了面食制品工业化，所以近年来冷冻面团在国内外市场连锁经营等都获得了巨大的发展[1-2]。同时，添加荞麦[3]、绿豆[4-5]、玉米[6]等粗粮的杂粮冷冻面团更具有保健功效，备受人们青睐，因此这种杂粮面和冷冻面团相结合的方法制成的冷冻面制品未来在餐桌及市场上的需求及份额都将不断提升[7-9]。

冷冻面团技术有效延长了面团的保存期，但在保存期延长的同时，冷冻面团的保鲜品质也在逐渐下降，如解冻后醒发时间变长；酵母产气能力下降；水分重结晶破坏面筋网络结构，导致持水力下降等等[10]。叶鹏等[11]研究了相关抗冻剂，对酵母出现的质量问题加以控制。Luo 等[7]发现添加添加剂不仅能提高酵母的耐冻性，还能保持面团的流变性能和热物性。食用碱大量应用于面条、面包的生产加工，它能有效地改善面制品的品质，延长面制品的保质期限。楚炎沛[12]指出，碱能增强面团中蛋白质和淀粉之间的作用力，改变面筋的筋力，提高面团的弹性。Wang 等[13]发现，NaHCO3的添加通过促进淀粉的糊化和面筋的交联来提高空心面的质量。食用碱的添加还可使面团具有良好的粘弹性，持水性，显著改善其面筋蛋白结构等，还具有一定的防腐功能[14]，以往的研究多数是食用碱对小麦面团品质的影响，但是很少文献涉及冷冻面团中对水分分布和品质特性的影响。

荞麦可以有效预防心脑血管疾病及抗癌抗肿瘤等重要作用；绿豆含有多种丰富的氨基酸，且绿豆表皮还含有微量的维生素和矿物质，是天然的营养品；玉米不仅可以降低胆固醇，而且所含的膳食纤维可以刺激肠胃蠕动，加速排便。本实验通过添加不同含量的食用碱在冷冻杂粮面团（小麦、荞麦、绿豆、玉米）中，测定其失水率、持水率、pH、水分分布、弹性等多个指标，探究食用碱对冷冻杂粮面团品质特性的影响，以期为冷冻面制品的现代化、工业化生产提供一定的理论支撑。

1 材料和方法

1.1 材料与仪器

小麦面粉 益海小麦工业有限公司；荞麦、绿豆、玉米面粉 五得利面粉集团有限公司；高发活性干酵母 安琪酵母股份有限公司；白砂糖 上海市糖业烟酒（集团）有限公司；食用碱 昆山榛乐门食品有限公司；戊二醛 无锡市耀得信化工产品有限公司；无水乙醇 济宁博城化工有限公司；醋酸异戊酯南京化学试剂股份有限公司。

BC/BD-106DT 型美菱冰柜 长虹美菱股份有限公司；HYC-TH-80DH 型可程式恒温恒湿试验箱东莞市泓进检测仪器有限公司；Multifuge X1R Centrifuge 型合式高速冷冻离心机 美国Thermo公司；ME104E 型电子天平 梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；pHS-3C 型pH 计 上海盛磁仪器有限公司；TA-XT Plus 型质构仪 英国Stable Micro Syste ms 公司；ZD-85 型恒温振荡器 常州国华电器有限公司；SH2-95B 型予华牌循环水真空泵 巩义市予华仪器有限责任公司；NMI20-040V-I 核磁共振成像分析仪 苏州纽迈分析仪器股份有限公司；Aiphal-2LDPlus 真空冷冻干燥机 德国Christ 有限公司；Quanta 200 型扫描电子显微镜 美国Fei 有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 面团的制作 参考Tao 等[15]方法，杂粮面团（以杂粮面粉100%为基准）：小麦面粉90%，（荞麦、绿豆、玉米）面粉10%；纯小麦面团：小麦面粉100%。另有辅料高活性干酵母1%，超纯水50%，白砂糖1%，添加0%、1%、2%、3%、4%、5%食用碱的分别命名为T0、T1、T2、T3、T4、T5。

实验用面团的整体制作流程为：原辅料准确称重→充分混合后加水和面→面团发酵→分切称重→装袋→低温条件冷冻（-30 ℃）。

在25 ℃下按照占比称取原辅料，混合均匀后揉搓10 min 至成型，恒温箱37 ℃发酵30 min 后分割为小面团，每个指标分割样品面团九个，剩余面团放置保鲜袋保存，在-30 ℃条件下冷冻8 h 后装入聚乙烯封口袋中，在-18 ℃的条件下冷冻1 d，然后在室温约25 ℃下解冻30 min 后进行测量。

1.2.2 冷冻面团品质变化

1.2.2.1 冷冻面团失水率测定 在冷冻过程中面团水分会随着时间的增加逐渐变化，从而使面团的品质发生改变，因此可以通过测定面团前后质量的变化量来测定面团失水的程度。取三份发酵后分割完好面团在冷冻前进行称重并记录，冷冻后取出解冻，再次称重并记录。计算冷冻前后面团的质量。计算公式如下：

其中：m1、m2分别是冷冻前、后的质量，g。

1.2.2.2 冷冻面团持水率的测定 参考Tao 等[15]方法，从每组（食用碱0%～5%）中各取3.00 g×3 份的样品，解冻后，分割长宽高均约4 mm 正方体块，放入离心管，离心速度8000 r/min，时间20 min。离心后用滤纸吸去面团表层水分，再称重。计算公式如下

其中：W1、W2分别是去除水分前、后的质量，g。

1.2.2.3 冷冻面团pH 的测定 根据Li 等[16]方法，称取10 g 样品解冻，使用研磨钵将样品研磨至絮状，放置于锥形瓶中，加入90 mL 无CO2蒸馏水，使用均质机1000 r/min 均质1 min，使用pH 计测定样品pH，每组样品做三组平行。

1.2.2.4 冷冻面团质构特性分析 参照Witek 等[17]的方法并稍作修改。将面团室温下解冻，将其揉搓成直径约3 cm 的球状，使用质构仪，测试前速度2 mm/s，测试速度1 mm/s，测试后速度1 mm/s，压缩比70%，触发力5 g，压缩间隔5 s。

1.2.2.5 冷冻面团水分分布测定（LF-NMR） 用CPMG 脉冲序列测量样品的自旋时间（T2），用FID 法调整共振中心频率，称取不同食用碱含量的各个面团（5.0±0.01） g 被置于永磁场中心射频线圈中心的试管中。CPMG 测试参数：主频率为20 MHZ，偏移频率为628049.19 Hz，采样点TD 为40014，重复扫描次数NS 为4，采样间隔TW 为2000 ms，半回波时间τ为6.52 μs，温度32 ℃。采用T2反演拟合软件获得了CMPG 衰变曲线的弛豫谱和T2谱[18]。

1.2.2.6 冷冻面团蛋白表面微观结构观察 称取不同食用碱添加量下冷冻的面团10 g，常温解冻30 min。将样品进行预处理：样品切片后先进行固定，接着依次进行脱水、冷冻、真空冷冻干燥处理，最后进行扫描电镜测试。

先将样品取出后分切成3 mm×3 mm×5 mm 的块状，放置在试管中备用，在试管中加入25%的戊二醇进行固定，完成后静置2 h。静置结束后将样品取出放置在洁净的平皿中（每个平皿均匀的划分出三个区域），倒入磷酸缓冲液，共冲洗三次，10 min/次。再分别用乙醇（30%、50%、70%、90%、100%），每一梯度脱水20 min，反复两次。再用乙酸异戊酯处理，在4 ℃下保存20 min。样品标记好放置在自封袋中，置于冰柜中冻藏一夜后取出，随后进行冷冻干燥，喷金，电镜扫描实验，在2400 倍的放大倍数下观察、拍照。

1.3 数据处理

用Excle 2010 对实验数据进行处理和分析；采用SPSS 16.0 统计，Origin 2019 对数据作图处理。每组测量3 个平行，以减少误差。

2 结果与分析

2.1 食用碱对冷冻面团失水率的影响

如图1 所示，与纯小麦面团对比分析，四类面团均在T1 时失水率增大，而在T0～T4 时，荞麦、玉米、绿豆冷冻面团失水率呈现相似性，总体呈下降趋势，T5 时玉米和绿豆冷冻面团失水率都升高，荞麦冷冻面团持续降低，但可明显看出四类冷冻面团在添加食用碱后失水率都较空白组要小，添加适量的食用碱可起到一定的保水效果，降低失水率，且添加杂粮成分后也利于降低其失水率。失水率的降低可能是由于水分产生不定向运动，冷冻面团面筋网络结构对水的束缚能力降低，而使冷冻过程水分散失[19]；Ban 等[20]在研究面团冰晶大小实验中提出，冷冻面团内部不断产生的冰晶会破坏面筋蛋白网络结构，随着冻藏温度的变化也会导致一些冰晶解冻成水，水转移到面团的其他部位再重新形成冰晶，会进一步破坏面筋蛋白结构。而添加适量食用碱时，可以中和酸使蛋白质处于稳态，还可能是由于食用碱可以吸收一定水分，减弱水分散失现象，还能减少冰晶形成，从而降低失水率[21]。此外，以玉米为例，添加杂粮成分后，玉米中有较多的游离巯基，这些基团在酸性条件下比较稳定，但在碱性条件下会转化为二硫键，氢键的数目会随着食用碱的添加有所增加，疏水相互作用也会随着食用碱的增加作用力增强[22]。以上变化有利于蛋白质的聚合，形成网状结构，从而达到保水的效果，降低失水率。

图1 不同食用碱含量冷冻面团的失水率Fig.1 Water loss rate of frozen dough with different edible alkali contents

2.2 食用碱对冷冻面团持水性的影响

由图2 可知，纯小麦面团在T2 时持水率最高；荞麦冷冻面团中从T0～T4 冷冻面团的持水率一直呈上升趋势，T4 时达到最高；玉米冷冻面团T1 时持水率达到最高；绿豆冷冻面团T5 时持水率最高。从图2 中看出持水率变化相对来说比较微小，忽略实验过程中的误差，四种面团整体上都呈现为上升的趋势。小麦面团和玉米杂粮面团总体没有显著性差异，加入食用碱后，其持水率较空白组要高，且加入杂粮成分后，也均比纯小麦面团的持水率高，从实验结果可以看出通过添加一定量的食用碱能提高面团的持水性能，且添加杂粮成分后也利于增加其持水率。冷冻面团持水率与降低面团的失水性研究结果相一致。

图2 不同食用碱含量冷冻面团的持水率Fig.2 Water holding capacity of frozen dough with different edible alkali contents

产生此现象可能有三种情况：水合能力的增强、水分的重新分布、面筋网络结构的加强。首先食用碱具有较强的水合能力，能够改善冷冻面团的生产操作性，以及面团在冷冻过程中通过水的重新分布改善其在冷冻期间的性质[23]。其次由于发酵后的冷冻面团，面筋网络结构更加扩展，导致深层结合水增多[24]，而食用碱也会束缚一定的自由水，持水性会相应的增加。再次相关实验中Bárcenas 等[25]研究烘焙面包在低温条件下水分含量的变化时，用电子显微镜观察到面包的面筋网络微观结构出现了断裂，组织中水分子流失，导致持水性降低。所以本实验中发生的现象可能在于食用碱降低水分子在淀粉和面筋之间半结合水冰晶的形成，减少面筋网络因半结合水冻成冰晶导致的塌陷现象，维持面筋的网络，保持内部水分的含量，或增强水分子与蛋白质之间的结合力，维持着面筋网络结构，甚至加强面筋的网络结构，从而使持水性增强。另外实验中冷冻面团持水性有时发生下降，可能是碱与面筋蛋白争夺水分，导致面团缺水，结构松散[26]。

2.3 食用碱对冷冻面团pH 的影响

从图3 中可以看出，四种冷冻面团变化趋势趋同，pH 都随着食用碱含量的增加呈现先上升后趋于平稳的趋势，T0～T2 增加的速度快，T3～T5 增加的缓慢，说明食用碱添加量对冷冻面团的pH 有显著影响。在pH 为T4、T5 时显著性差异不大，说明在T4 时pH 已经达到较大值，首先可能原因为食用碱的主要成分是Na2CO3和NaHCO3，它们都是强碱弱酸盐，容易发生水解，影响水分子的数目和分布规律[27]，形成强碱性，可中和面团中酸性物质，因此导致pH 的上升。同时酯类物质也会有一定下降，加碱后面团风味物质会减少，但加入食用碱后也生成了部分新的风味化合物[28]。其次由于微生物的生长繁殖容易引起冷冻面团腐败变质，添加食用碱的pH 在初期变化较为明显。综合前述持水性等变化，说明在保藏过程中添加适量的食用碱，使微生物生长繁殖受到抑制，从而达到减弱其酸化，改善酸味的目的，对冷冻面团的风味、保存等品质起到重要作用。

图3 不同食用碱含量冷冻面团的pHFig.3 pH of frozen dough with different edible alkali contents

2.4 食用碱对冷冻面团面团质构的影响

对于纯小麦面团，在T0～T4 之间，硬度、胶粘度、咀嚼性随着食用碱添加量的增加而增大，在T4时弹性达到最大值为0.409±0.063。内聚性随食用碱含量的增加呈现出先下降后上升再下降的趋势，在T4 时，回弹能力达到0.086±0.018（表1）。荞麦冷冻面团硬度、胶粘度、咀嚼性总体呈上升趋势，而弹性、内聚性总体呈下降趋势（表2）。玉米冷冻面团的硬度、胶粘度、咀嚼性整体呈上升趋势，与T0 相比，在T4 时，咀嚼性显著增加（P＜0.05），弹性、内聚性均在T4 时达到最大，分别为0.191±0.051，0.318±0.018，回弹能力整体呈增大趋势，但变化较小（表3）。绿豆冷冻面团在T0～T4 之间时，硬度、胶粘度、咀嚼性随着加碱量的增加显著（P＜0.05）增加，当T4 时，胶粘度、咀嚼性都达到最大值，弹力、内聚性、回弹能力总体呈小幅度的增长（表4）。

表1 小麦冷冻面团的质构特性Table 1 Texture properties of wheat frozen dough

表2 荞麦杂粮冷冻面团的质构特性Table 2 Texture properties of frozen buckwheat multigrain dough

表3 玉米杂粮冷冻面团的质构特性Table 3 Texture properties of frozen corn multigrain dough

表4 绿豆杂粮冷冻面团的质构特性Table 4 Texture properties of frozen mung bean multigrain dough

观察四类面团的曲线可以看出硬度、胶粘度、咀嚼性三个指标呈现一致性，呈显著增长趋势，而弹性、内聚性、回弹能力总体变化幅度比较小。面团的强度、粘连性、咀嚼性、弹性、内聚性与回弹能力都与蛋白质特性有显著的相关性。碱的加入可能会影响蛋白质的聚合从而影响玉米面团的粘度和强度[29]。因为食用碱中的碳酸钠是强碱，能与面筋蛋白争夺水分使面团显得较为干燥，要使面团变性就需要较大的力，而硬度是样品达到一定变性时所必需的力[30]，且由于食用碱添加量增多，其稳定性、增稠功能可以有效降低冷冻面团的水分活度[31]，因此面团硬度增大；胶粘度是由于食用碱消耗一定的水分，并且能使面筋-淀粉的复合体发生部分变性[32]，从而胶粘度增大；咀嚼性是硬度、胶粘度、弹力三者的乘积，所以表现出缓慢增长的现象。超过T4 时，硬度、胶粘度、咀嚼性三者出现缓慢的增加或降低，可能是食用碱的过量添加影响面筋网络结构对其产生负面作用。食用碱会降低面团弹性，可能是食用碱的加入破坏了面团中的二硫键等。内聚性随食用碱添加量变化不明显，回弹能力随食用碱增多整体微小增大，但无显著增大。实验证明添加一定量的食用碱对面团的硬度、胶粘度、咀嚼性影响较大，对弹力、内聚性、回弹能力的影响较小。可根据不同食品所需的品质特性的不同可以选择不同的食用碱的添加量。

2.5 食用碱对冷冻面团水分分布的影响

不同添加量的食用碱对冷冻面团的水分分布影响结果如表5，A21、A22、A23分别代表三个弛豫峰的峰面积比例。A21代表结合水，是与大分子物质面筋蛋白和淀粉紧密结合的深层结合水；A22代表不易流动水，这部分水在蛋白质和淀粉之间结合；A23代表自由水，则表示流动性最强的自由水[33-35]。

表5 不同食用碱含量对冷冻面团水分分布影响Table 5 Effects of different edible alkali contents on water distribution of frozen dough

表5 中峰面积的大小可表示面团中各类水分的含量。与空白组对比，四类冷冻面团的A21随着食用碱添加量增加对应峰面积增大，可得出结合水占比变大，原因可能是添加食用碱能提高面团中淀粉和水分子之间的相互作用力，减弱水分的流动，更多的水锁住在深层结合水，不易发生水分迁移，使得消耗的自由水增多，自由度降低[36]。随着食用碱添加量的增加，各个面团中的结合水占比成上升趋势，在T4 时小麦面团、荞麦杂粮面团、玉米杂粮面团、绿豆杂粮面 团 的A21分 别 为48.189±1.509、48.189±1.509、43.585±2.472、43.743±1.155，此时结合水最多，对应的A22、A23最少，有效抑制了面团中水分迁移，因为食用碱增强面筋的持水能力，水分与蛋白的结合能力增大，导致结合水增多[37]。进一步说明适量食用碱添加有利于增强面团的持水性能，更有利于面团的保存，与前述结果一致，且此时冷冻面团有适宜的水分存在形式和结合状态。

2.6 冷冻面团微观结构观察

面筋蛋白的结构是一种膜形，构成复杂的网络结构；淀粉颗粒的结构呈现出一种球形，覆盖在面筋膜上，支撑网络结构。由四组面团各组图（图4～图7）观察得出，空白组与添加食用碱组别相比，空白组中淀粉颗粒组织粗糙且较多，颗粒较大，相邻淀粉颗粒表面有较少不完整的面筋膜，几乎不能观察到连续致密的面筋膜，仅观察到少量细丝状，面筋网络之间连接疏松并且伴随有轻微的裂痕出现，还可明显看到其淀粉颗粒几乎是完全暴露。而T1～T5 食用碱含量均可观察到，淀粉颗粒随食用碱的增加而变得细小，淀粉颗粒表面组织变得光滑无凹陷，膜状面筋蛋白网络较为明显，且较为连续均匀，圆形淀粉粒黏附在网络结构[38]。因食用碱是强电解质，在水溶液中水解的离子能与蛋白质表面的电子中和，使蛋白质之间电子的相斥作用下降，增强面筋蛋白的吸水能力[39]，因此淀粉粒变得光滑；又因其二硫键、氢键数目的增多以及疏水相互作用的增强促进蛋白质的联结，使面筋网络结构更加致密。在添加量为T3、T4、T5 食用碱时可看到面筋膜出现变薄的现象，但T5 可明显看到面筋膜有变薄和出现空洞现象。在图中还可看到有面筋膜上存在少量圆空洞和白色小颗粒，为气泡，可能由于一是在面团制作时混进空气，二是面团冻结前酵母的发酵。还可观察到有不规则空洞，来自于冰晶升华[40-41]。得出随着食用碱含量的增加，面筋膜状增多，包裹淀粉颗粒，使冷冻面团面筋结构更加致密连续，但食用碱也不宜过多。适量添加食用碱可有效改善面筋蛋白网络结构，促使冷冻面团结构稳定。

图4 小麦面团扫描电镜图片Fig.4 SEM image of wheat dough

图6 玉米杂粮面团扫描电镜图片Fig.6 SEM image of corn multigrain dough

图7 绿豆杂粮扫描电镜图片Fig.7 SEM image of mung bean multigrain

3 结论

本实验研究了不同食用碱含量对四种冷冻面团的品质特性的影响，得到以下结果:采用向四类冷冻面团添加食用碱，发现4%的食用碱可以有效减少面团的失水率；增加持水性；增加pH；各个冷冻面团咀嚼性、弹性、回弹能力等得到改善。水分分布结果表明，添加食用碱后，冷冻面团的结合水增多，抑制了水分迁移；SEM 结果表明，添加适量的食用碱能有效改善冷冻面团面筋蛋白网络结构。

本文探究了不同食用碱含量添加到四类冷冻面团中，对我国当前冷冻食品工业化，冷冻面制品业中合理添加食用碱，提高冷冻面团品质特性方面提供了一定的参考和理论支持。