磁场处理对面团发酵特性的影响及作用机制

张艳艳，张斯琦，孙萌辉，刘兴丽，张 华,*

（1.郑州轻工业大学食品与生物工程学院，河南 郑州 450001；2.郑州轻工业大学 食品生产与安全河南省协同创新中心，河南省冷链食品质量安全控制重点实验室，中原食品实验室，河南 郑州 450001）

馒头是将小麦面粉、水和酵母混合制成发酵面团，经过蒸煮而制成的食品[1]。发酵是馒头加工过程中的重要环节，会影响产品的口感、色泽、香气、质地。研究发现，面团的水分分布与面筋蛋白的分子结构对面团的发酵能力至关重要，进而影响馒头的品质[2]。因此，发酵过程中面团水分分布以及面筋蛋白网络结构变化规律与馒头品质的作用关系一直是学者们关注的热点问题。

磁场具有对食品的穿透性高且不与食品接触的优点，作为一种新型的非热加工技术，多用于果蔬保鲜、杀菌、肉类保藏。目前，磁场已被用于葡萄酒的陈酿过程中，经磁场处理后不仅会加速葡萄酒陈酿，且不会破坏葡萄酒中原花色素的含量，这是由于酒中的极性分子在磁场作用下，极性键能减弱，加速反应的进行[3]。也有研究表明，低频磁场能通过加速酵母细胞中的葡萄糖消耗缩短发酵时间[4]。Hu Rui等[5]研究了磁场对牛肉冷冻过程的影响，结果表明，与传统冷冻相比，磁场冷冻处理对牛肉二级结构的负面影响更小。同时在传统冷冻处理下强结合水峰面积（T21）消失，这是由于冷冻处理后形成的冰晶过大，从而导致牛肉组织被破坏以及结合水的固定能力降低，磁场冷冻处理后T21没有消失，表明磁场处理减少了水分的迁移。Wang Ting等[6]研究发现，在冷冻处理后自旋-自旋弛豫时间T2曲线右移，果泥中水的流动性增强，冷冻贮藏42 d后，传统冷冻方式与磁场处理强结合水横向弛豫时间的峰面积百分比（A21）分别下降至2.3%、88%，表明磁场处理能有效延缓水分的迁移。Zhou Hongling等[7]研究了磁场辅助冷冻对面团的影响，结果表明，磁场处理后面团中的结合水向弱结合水和自由水的转化减少，表明磁场处理会抑制面团水分的迁移。并且在冷冻过程中冰晶的形成会引起二硫键的断裂和谷蛋白聚合物（glutenin macropolymer，GMP）的解聚，经磁场处理后GMP解聚减少了24.26%，表明在磁场作用下面筋蛋白结构更稳定。综上所述，磁场处理对水分的物态变化、酵母活力、蛋白的分子结构等均有显著影响。由此可知，磁场对改善面团的发酵过程有重大的应用潜力。因此，研究磁场工作参数对面团的发酵特性、水分分布、面筋蛋白网络结构的形成规律以及对馒头最终品质的影响对开发高品质的中式美食有重要意义。

本研究拟采用静磁场辅助面团发酵，研究磁场强度对面团的发酵力、水分分布、水分均匀度及面筋蛋白分子结构的影响规律，揭示磁场提高面团发酵特性和馒头品质的作用机制，为传统中式面点食品的品质提升和加工新技术提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

小麦粉 郑州金苑面业有限公司；酵母 安琪酵母股份有限公司；盐 河南省卫群多品种盐有限公司；硫酸（分析纯）国药集团化学试剂有限公司；氯化钠天津市大茂化学试剂厂。

1.2 仪器与设备

MF50磁场试验箱 英都斯特（无锡）感应科技有限公司；TA.XT plus质构仪 英国Stable Micro Systems公司；NM-120低场核磁共振分析仪 上海纽迈电子科技有限公司；BWS465-785Si-Saman便携式拉曼光谱仪美国BWTEK公司；AL-240电子分析天平 梅特勒-托利多（上海）有限公司；LGL-50FD冷冻干燥机 北京松源华兴科技发展有限公司；发酵力测定装置由实验室自制。

1.3 方法

1.3.1 面团的制备

将300 g小麦面粉、3 g酵母和135 mL水混合后搅拌均匀，将混合好的面糊放在和面机中以1挡速度（48 r/min）和面10 min，将搅拌好的面团放在轧面机中轧6 次，将压制好的面团装入保鲜袋中备用。

磁场辅助发酵：制备好的面团装入保鲜袋放入磁场实验箱，设置发酵时间1 h，发酵温度30 ℃，磁场强度分别设置为0、0.5、1.0、1.5、2.0 mT。

1.3.2 馒头的制备

参照刘长虹等[8]的方法并稍作修改。将发酵好的面团分成100 g/份，揉至成型，在锅中加入2 L冷水，大火汽蒸30 min。

1.3.3 面团发酵特性的测定

参照GB/T 20886.1—2021《酵母产品质量要求 第1部分：食品加工用酵母》酵母发酵力的测定方法对面团的发酵力进行测定[9]，并稍作改动。

排出液制备：用量筒量取20 mL浓硫酸，天平称200 g氯化钠，加蒸馏水稀释至2000 mL，然后转移至2500 mL的小口试剂瓶中[8]。

按图1对装置进行连接，当出现第一滴水时开始计录时间，每10 min记录一次排水量，进而得到面团的产气量。

图1 发酵力测定装置Fig.1 Schematic diagram of fermentability measurement device

1.3.4 馒头比容的测定

依据GB/T 21118—2007《小麦粉馒头》[10]中馒头比容的测定方法进行测定。蒸制好的馒头在室温条件下放置1 h进行冷却处理，然后对其称质量m/g，精确到0.1 g；用小米置换法对馒头的体积V/mL进行测定，精确到5 mL；比容λ计算方法如式（1）所示：

1.3.5 馒头质构特性的测定

参照李素云等[11]的方法采用质构仪测定馒头的质构特性，并稍作修改。将冷却后的馒头处理成2 cm×2 cm×1 cm的均匀薄片。选用TPA模式，采用P/50探头进行压缩实验。实验参数：测前速率2.00 mm/s，测试速率1.00 mm/s，测后速率1.00 mm/s，压缩程度50%，触发力5 g，压缩间隔5 s。

1.3.6 面团水分分布的测定

参照刘长虹等[12]的方法采用低场核磁共振仪对面团的水分分布进行测量，并稍作修改。利用Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）脉冲序列测量样品的自旋-自旋弛豫时间T2。实验参数：采样点数152042，回波个数2000，重复扫描次数16，半回波时间0.190 ms。

1.3.7 面团核磁共振成像图像信息采集及水分均匀度分析

参照张艳艳等[13]的方法对面团进行核磁共振成像处理。分别在不同磁场强度处理面团的6 个部位（面片分3等份，中心部位各取2 块）选取样品，切成0.2 cm×0.2 cm×0.2 cm的条状，放入2.0 mL的离心管中进行测试。实验参数：层厚8.0 mm，层间隙2.0 mm，重复时间500 ms，回波时间20 ms，采集次数16。不同磁场强度处理下的面团低场核磁共振图像通过MATLAB进行分析。

以图片像素点的标准差表征面团水均匀性，其计算公式如式（2）所示：

式中：SD为标准差；Xi为图片中每一点像素值；为图片中所有像素点的均值；n为图片中像素点总数。

1.3.8 面筋蛋白分子结构的分析

拉曼光谱的采集：光谱的测量范围400～4000 cm-1，激发波长785 nm，积分时间10 s，发射功率为总功率的50%。拉曼光谱中酰胺I带（1600～1700 cm-1）和500～550 cm-1，分别与蛋白质二级结构和二硫键相关，常用于面筋蛋白分子结构的分析[13-14]。

面筋蛋白二级结构的分析：对拉曼光谱酰胺I带中二级结构进行分析，酰胺I带拉曼特征峰的结构归属：1645～1660 cm-1处峰表示α-螺旋结构；1660～1670 cm-1处峰表示无规卷曲结构；1670～1680 cm-1处峰表示β-折叠结构；1680～1690 cm-1处峰表示β-转角结构[15]，采用PeakFit软件对数据进行基线校准、高斯去卷积、二阶导数处理，进而计算各二级结构相对含量。

二硫键构型的分析：二硫键的伸缩振动在500～550 cm-1区域，拉曼光谱特征峰的归属：500～510 cm-1处为扭式-扭式-扭式（gauche-gauchegauche，g-g-g）构型，515～525 cm-1处为扭式-扭式-反式（gauche-gauche-trans，g-g-t）构型，535～545 cm-1处为反式-扭式-反式（trans-gauche-trans，t-g-t）构型[16-17]。采用PeakFit软件对数据进行基线校准、高斯去卷积、二阶导数处理，进而计算各二硫键构型的相对含量。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2016进行数据整理分析，采用Origin 2018进行作图。通过SPSS 21.0软件进行显著性分析（P＜0.05）。所有实验均重复3 次，取平均值，结果表示为。

2 结果与分析

2.1 磁场处理对面团发酵特性的影响

如图2所示，面团的发酵力随发酵时间的延长而增加。在面团发酵过程中施加磁场，其对发酵过程的影响呈先上升后下降的趋势，在磁场强度为1.5 mT时对发酵力的影响最为显著。产生这种现象的原因一方面在于磁场处理活化了面团中酵母的活性，磁场处理后酵母细胞中线粒体的形态、结构发生变化，线粒体的形态膨化，数目增加，进而提高了酵母的活性[18]。另一方面是磁场处理提高了面团的产气能力和持气能力。面筋蛋白在面团中起支撑作用，与面团的持气能力密切相关[19]。研究表明磁场处理减缓了GMP的解聚，使得面筋蛋白二级结构向有序化转变，提高面筋蛋白的稳定性，进而提高面团的持气能力[7]。

图2 磁场辅助发酵对面团发酵特性的影响Fig.2 Effect of magnetic field-assisted fermentation on the fermentation characteristics of dough

2.2 磁场处理对面团发酵体积及馒头比容的影响

从图3A可以看出，随着磁场强度的增加，面团的发酵体积呈现先上升后下降的趋势，在磁场强度为1.0 mT时发酵体积最大，为362 mL，这表明磁场处理提高了面团的发酵体积。其原因可能在于，随着磁场作用强度的增强，发酵过程中产生的气态物质被不断地填满，在面筋网络的作用下，气态物质的累积会引起面团的膨胀，进而引起面团体积的改变[7]。

图3 磁场辅助发酵对面团发酵体积（A）及馒头比容（B）的影响Fig.3 Effect of magnetic field-assisted fermentation on dough fermentation volume (A) and specific volume of steamed bread (B)

如图3B所示，在磁场处理下，馒头的比容随磁场强度的增加呈现先上升后下降的趋势，在磁场强度在1.0 mT时，馒头的比容为2.24 mL/g，与对照组相比馒头的比容增加了42.68%。这表明适当的磁场处理可以增大馒头的比容。馒头比容增大可能有两个原因：一是磁场处理可以缩短发酵时间，提高面团的发酵能力从而增大比容[20]。前期研究发现，与对照组相比，静磁场处理后，酿酒酵母的生长速率有所增加，从而导致面团的发酵时间缩短[21]。二是磁场处理可能影响面团中的水分分布，使得水分分布更均匀，增强了面筋蛋白的网络结构，使得面团发酵的更充分，馒头的比容增加。但是，磁场强度为2.0 mT时，馒头的比容又下降。这可能是因为过高强度的磁场会对面筋蛋白的网络结构产生负面影响，导致面团发酵体积降低，致使面团的持气能力降低，馒头的比容下降。

2.3 磁场处理对馒头质构特性的影响

如表1所示，随着磁场强度的增加，硬度、黏性、咀嚼性呈现先下降后上升的趋势，弹性、内聚性、回复性没有明显的变化。硬度和咀嚼性的数值低，说明馒头的质地较软[22]。馒头结构的稳定性与持气性可以通过弹性和内聚性表现出来[23]。与对照组相比，磁场处理0.5、1 mT时馒头的硬度、黏性、咀嚼性显著降低（P＜0.05），而在1.5 mT以上无显著变化（P＞0.05）。与对照组相比，在磁场强度为0.5、1.0 mT时，硬度分别降低22.18%、21.59%；黏性分别降低21.57%、22.12%；咀嚼性分别降低21.87%、21.12%。这些指标下降的原因是磁场处理下面团中水分分布均匀，形成较好的面筋网络结构，从而使得馒头口感柔软、品质良好。但是在磁场强度大于1.0 mT时，馒头的硬度、黏性、咀嚼性又呈现上升趋势，这是因为磁场强度过大破坏了面筋网络结构的形成，对馒头的品质造成负面的影响[24]。综上所述，较高的磁场强度会对馒头的质构特性产生负面的影响，适当的磁场强度会改善馒头的口感、外观等特性。

表1 磁场辅助发酵对馒头质构特性的影响Table 1 Effect of magnetic field-assisted fermentation on the textural properties of steamed bread

2.4 磁场处理对面团水分分布的影响

T21代表强结合水，主要是与淀粉或面筋蛋白紧密结合的水；T22代表弱结合水，主要是与蛋白质和淀粉等大分子结合的水；T23代表自由水，是指吸附在面团表面的自由度较大的水[25]。如表2所示，未经磁场处理的面团中的水分主要以弱结合水的形式存在，占新鲜面团水分的89.81%。随着磁场强度的增加，强结合水与自由水含量呈先下降后上升趋势，弱结合水含量呈先上升后下降的趋势。在磁场强度为1.0 mT时，对水分分布的影响最为显著（P＜0.05）。从T21和T23到T22的转变表明，经磁场处理后强结合水和自由水向弱结合水转化。这可能是磁场处理增加了面筋蛋白的吸水能力，有利于面筋蛋白的水合作用，形成连续的面筋网络结构，增加了其持水能力，降低水分流动性[26]。这些结果表明，适当的磁场处理降低了面团中自由水的含量，加速了面团中的水分重新分布。

表2 磁场辅助发酵对面团水分迁移的影响Table 2 Effect of magnetic field-assisted fermentation on water mobility in dough

2.5 磁场处理对面团水分均匀性的影响

面团水分均匀性指标需要通过MATLAB软件对低场核磁成像的图片进行处理得到的标准差进行分析，可间接反映出面团中水分分布的均匀程度。标准差的数值越小说明面团中水分分布得越均匀，相反，面团中的水分分布越不均匀。如图4所示，随着磁场强度的增加，面团的水分均匀性先减小后升高，在磁场强度为1.0 mT时达到最低。这表明在磁场强度为1.0 mT时面筋蛋白与水分结合更加充分，能够促进面筋网络结构的形成[27]。一定强度的磁场处理可以显著提高面团的水分均匀度，从而改善面团的加工特性。

图4 磁场辅助发酵对面团水分均匀性的影响Fig.4 Effect of magnetic field-assisted fermentation on the moisture uniformity of dough

如图5所示，通过MATLAB软件绘制的三维图像可以更直观地看出面团水分均匀度的变化。在磁场强度为0 mT和0.5 mT时，可以看出图像中出现明显的高峰和低壑，这是面团中水分分布不均匀所致。随着磁场强度的增加，水分分布逐渐均匀，在磁场强度为1.0 mT和1.5 mT时，图像中的高峰逐渐向中间转移，与对照组相比高峰和低壑相对不明显，表明水分分布的更加均匀。这些结果表明磁场辅助发酵可以使得水分在面团中的分布更加均匀，有利于面筋蛋白与水的结合，促进面筋网络的形成，改善面团的发酵特性。

图5 磁场辅助发酵对面团低场核磁成像的影响Fig.5 Effect of magnetic field-assisted fermentation on low-field NMR imaging of dough

2.6 磁场处理对面筋蛋白分子结构的影响

2.6.1 二级结构

面筋蛋白的二级结构以α-螺旋为主，这是面团具有柔韧性的主要原因[28]。如图6所示，随着磁场强度的增加，α-螺旋和β-转角相对含量呈先上升后下降的趋势，β-折叠和无规卷曲相对含量呈先下降后上升的趋势。在磁场强度为0.5 mT时，α-螺旋相对含量最高，为54%，无规卷曲相对含量最低，为21%。α-螺旋是一种弹性结构，可以增强弹性从而增加面筋网络强度[29]。β-折叠是一种黏性结构，β-折叠相对含量的降低可能是由于磁场处理影响了二硫键的生成[30]。同时α-螺旋结构与面筋二级结构的稳定性有关，α-螺旋结构的增加与无规卷曲结构的降低反映了面筋网络结构由无序化向有序化的转变。这些结果表明磁场处理有助于稳定面筋网络结构。

图6 磁场辅助发酵对面筋蛋白二级结构的影响Fig.6 Effect of magnetic field-assisted fermentation on the secondary structure of gluten proteins in dough

2.6.2 二硫键构型

面筋蛋白中含有约2%的半胱氨酸，半胱氨酸参与二硫键的形成，对面筋蛋白的结构和功能很重要。由表3可知，随着磁场强度的增加，g-g-g构型与g-g-t构型的相对含量呈现先增加后减少的趋势，t-g-t构型呈现先减少后增加的趋势。g-g-g构型是最稳定的结构，其次是g-g-t构型，t-g-t构型最不稳定。这表明，在磁场的作用下，t-g-t构型向g-g-g构型和g-g-t构型转变，磁场改变了二硫键的振动模式。此外，在磁场强度为1.0 mT时，g-g-g构型的相对含量最高，此时二硫键构型最稳定，这表明一定强度的磁场可以形成较稳定的面筋网络结构。

表3 磁场辅助发酵对面筋蛋白二硫键构型的影响Table 3 Effect of magnetic field-assisted fermentation on the relative contents of disulfide bond configurations of gluten proteins

3 结论

本实验通过拉曼光谱、低场核磁共振技术对发酵过程中面团的分子结构、水分分布进行检测，研究了不同磁场强度处理对面团发酵特性的影响及作用机制。结果表明，磁场强度为1.0 mT时，面团的发酵体积最大，与对照组相比，馒头的比容增大，黏性、硬度、咀嚼性降低，表明在磁场作用下形成了良好的面筋蛋白网络结构，提高了馒头的品质。经过适当的磁场处理后，面团中自由水的含量降低，且加速了面团中的水分分布，提高了面团的水分均匀性。面筋蛋白分子结构的结果表明，一定强度的磁场处理显著提高了蛋白二硫键结构中g-g-g构型和二级结构中α-螺旋的相对含量，使得面筋网络结构更为稳定。但是，过大的磁场强度（＞1.0 mT）使面筋蛋白的结构遭到破坏，影响面团的发酵，导致发酵体积降低、馒头比容减小。综上，低强度的磁场辅助面团发酵可以通过加速面团中的水分分布、改变二硫键的振动模式和二级结构、改善面筋蛋白的网络结构提高面团的发酵特性以及馒头的品质。