孫力博,劉遠曉,李萌萌,關二旗,卞科

(河南工業(yè)大學 糧油食品學院,河南 鄭州,450001)

發(fā)酵面制品是以小麥粉為主要原料,加水混合后,通過攪拌、成型、醒發(fā)和熟制等加工過程制成的食品,常見的發(fā)酵面制品有饅頭和面包等。經過酵母發(fā)酵后的食品具有易于消化吸收、食用方便、營養(yǎng)物質含量豐富、風味獨特和咀嚼口感獨特等特點,深受大眾喜歡[1]。隨著消費者對發(fā)酵面制品需求量的不斷增加,發(fā)酵面制品生產的工業(yè)化程度越來越高。在發(fā)酵面制品的工業(yè)化生產中,其品質控制尤為重要。目前,生產中最常見的問題就是在蒸制或焙烤過程中發(fā)酵面制品的體積出現萎縮和塌陷,這與面團的持氣特性密切相關[2]。研究表明,影響面團持氣性的主要因素有蛋白質含量、組成,破損淀粉和麩皮的含量,以及加工工藝中加水量、水溫、酵母含量、攪拌時間和醒發(fā)時間等。本文首先分析了小麥組分和加工工藝對面團持氣性的影響,并總結了面團改良劑作用機理以及對面團持氣性的改良效果,以期為解決面團持氣性不足、生產高質量的發(fā)酵面制品提供參考。

1 面團持氣性簡介

發(fā)酵面團的持氣性是面團在發(fā)酵過程維持氣體能力強弱的表現。目前,面團持氣性可以通過吹泡稠度儀來測定,也有學者通過發(fā)酵流變儀中發(fā)酵面團的持氣量和二氧化碳(CO2)保留系數來表示[3]。吹泡稠度儀能模擬面團發(fā)酵的過程,通過測定面團持氣壓力、延展性和形變能量,并通過面泡內壓力隨時間變化的曲線圖,根據曲線圖和面積來評價面團的品質。而在產品方面,發(fā)酵面制品的比容能直觀表現出面團持氣性的差異。

發(fā)酵面制品品質受多方面因素的影響,面團持氣性就是其中之一。具有良好持氣性的面團,面筋網絡結構能夠維持發(fā)酵過程中的氣孔結構,從而包裹充足的CO2氣體來維持面團的形狀,形成延展性和黏彈性較好的面團,經過熟制后的面制品具有良好的比容以及內部孔狀結構[4]。而面團的持氣性不好主要體現在小麥粉和水混合后形成的面團黏彈性較大,面筋網絡“骨架”不足以支撐起面團的形狀,導致面團坍塌,熟制的面制品因持氣性差而體積減少,影響外觀和品質。如饅頭在蒸制完成出鍋時,饅頭因持氣性不足和溫差的影響表皮出現皺縮。面包的制作過程中,良好的持氣性可使面包屑具有細膩的結構和適中的膨脹度[5]。

2 小麥組分對面團持氣性的影響

2.1 蛋白質組成和含量對面團持氣性的影響

蛋白質是小麥粉中的主要組分之一,面筋蛋白主要由麥醇溶蛋白(gliadin,Gli)和麥谷蛋白(glutenin,Glu)組成。Gli與Glu的相互作用決定著面團的黏彈性,因此兩種蛋白質比例不同會導致面團的彈性和延展性不同,如圖1所示。

圖1 小麥組分對面團品質影響的示意圖Fig.1 Schematic diagram of the effect of wheat components on dough quality

面筋蛋白的延展性和彈性比例合適,可以有效防止面筋網絡結構的破裂和發(fā)酵產生CO2的流失。研究顯示,Gli和Glu的比例對發(fā)酵面制品的比容有著明顯的影響[6]。Glu/Gli的比例升高更有利于游離巰基氧化成二硫鍵,增強面團形成過程中面筋蛋白交聯(lián)作用,使面筋網絡結構更加穩(wěn)定[7-8]。Glu/Gli為0.50時,面筋網絡結構松散,面團的延展性強,在發(fā)酵和蒸制的過程中面團中的CO2氣體容易膨脹,面團的氣室穩(wěn)定性降低,導致發(fā)酵面制品體積較大;Glu/Gli為2.50時,面筋網絡結構過于致密,延展性和彈性不足,在面團醒發(fā)和蒸制的過程中,面團內部的氣室難以擴張,發(fā)酵面制品體積小[9]。而面團玻璃化轉化溫度以上加入Gli可以明顯增加面包的體積,改善面團的延展性和持氣性[10]。

除蛋白質的組成外,面粉中蛋白質的含量也會對面團品質產生影響,如表1所示。蛋白質含量高時,面筋含量高,有利于在面筋網絡結構中形成氣室,在蒸煮過程中,淀粉凝膠化,面筋蛋白交聯(lián)聚合,可以更好地保留氣室中的氣體[14]。蛋白質含量過高時,面筋網絡結構韌度高,面團持氣能力小于迂回力,導致面筋骨架支撐力不足而萎縮,饅頭很容易出現塌陷,影響?zhàn)z頭的品質。蛋白質含量低,小麥粉的筋力較弱,在攪拌的過程中,麥谷蛋白形成的二硫鍵不牢固,面團發(fā)酵的過程中維持CO2氣體的能力弱[15]。高蛋白質含量有利于提高饅頭的比容,不利于形成饅頭良好的外觀[16]。小麥粉中適中的蛋白質含量,在提高發(fā)酵面制品營養(yǎng)的同時,也可以有效地改善面團的內部結構,提升發(fā)酵面制品體積和外觀。

表1 小麥主要組分對發(fā)酵面團以及面制品的影響Table 1 Effects of main components of wheat on fermented dough and flour products

2.2 破損淀粉對面團持氣性的影響

小麥中的淀粉在研磨過程中受到機械損傷而產生的淀粉稱為破損淀粉。小麥制粉過程對淀粉的損傷幾乎是不可避免的[17],在后續(xù)的食品加工過程中,許多處理也可能導致淀粉損傷。與未損傷的淀粉顆粒相比,破損淀粉具有吸收更多水分的能力。破損淀粉持水能力的增加會減少面團中游離水的含量,限制底物和酶的擴散,減少可發(fā)酵性糖的形成,最終會導致面團發(fā)酵時產生的氣體減少[18]。此外,破損淀粉含量過高,面筋蛋白和淀粉顆粒緊密粘合在一起,如圖1所示,引起面筋網絡的破壞導致發(fā)酵面團的持氣性差[19]。

研究表明,隨著破損淀粉含量的增加,面包的體積呈減少趨勢,破損淀粉含量為4%～6%時,面筋網絡交聯(lián)緊密,面團持氣能力增加,面包質地有彈性且具有良好的面包屑結構[20]。而過高含量的破損淀粉會使面團吸水率顯著上升,導致面團黏度增加,不利于發(fā)酵過程中面團氣體的保留[21]。此外,破損淀粉的損傷程度也會對面筋網絡產生影響。破損淀粉損傷程度的增加,破損淀粉與面筋蛋白之間的相互作用增強。破損淀粉損傷程度在3.66%～11.51%時,淀粉顆粒之間以及面筋蛋白之間形成相對緊湊的網絡結構,導致發(fā)酵和烘焙過程中氣體保存和形狀維持能力較差[19]。因此,面筋蛋白和破損淀粉之間需要適度的相互作用,以獲得面團和發(fā)酵面制品更高的質量。

2.3 麥麩對發(fā)酵面團持氣性的影響

麥麩中不僅含有大量的膳食纖維,還含有豐富的抗氧化活性的物質,增加膳食纖維的攝入對減少慢性疾病有有益作用[22]。盡管面制品中加入麥麩有助于提高身體健康,但是麥麩中大量的纖維會對發(fā)酵面制品的品質造成影響。面筋與麥麩纖維之間的相互作用阻止了面團在發(fā)酵過程中的自由膨脹,麥麩含量不同影響Glu在攪拌過程中的再聚集,如圖1所示,導致發(fā)酵過程中氣泡發(fā)生歧化或聚結,減少了氣體在面團中的保留[23]。另外,麥麩中的膳食纖維會與面筋蛋白競爭吸水,導致面團體系中結合水重新分配,促進面筋二級結構的部分脫水和β-轉角與β-折疊的轉化[24-25],如圖2所示,導致發(fā)酵面制品品質差。

圖2 麥麩加入前后面筋蛋白二級結構的變化[24]Fig.2 Changes in the secondary structure of gluten protein before and after addition of wheat bran[24]

麥麩對發(fā)酵面制品品質的影響主要取決于麥麩的含量和粒度[23,26]。研究表明,隨著麥麩添加量的增加,面團的延展性降低,面團的最大發(fā)酵高度從(46.70±0.99) mm降至(16.25±0.35) mm,面團發(fā)酵的過程中氣體從面團中逸出的時間明顯下降,這些都表明面團的持氣性隨著麥麩添加量的增加而下降[12]。發(fā)酵面團微觀結構方面,麥麩添加會使蛋白質聚合形態(tài)出現斷裂,面筋網絡變得無序,麥麩添加量為12%時對面筋網絡造成嚴重破壞[12]。適量的膳食纖維可以改善面筋網絡結構,使其連續(xù)性和致密性得到很好的改善[27]。此外,麥麩粒度不同會破壞面筋蛋白網絡結構,阻礙面筋蛋白的水合作用[13]。麥麩粒度較小時,麥麩與面筋的交互作用進一步加劇,填充在淀粉-蛋白質基質內,使面筋網絡出現空洞,持氣性變差[28]。通過動態(tài)面團密度測試,麥麩降低了面團的膨脹能力,顆粒越小膨脹能力越弱[26]。

3 加工工藝對面團持氣性的影響

面團中的加水量、水溫、酵母含量、攪拌時間和醒發(fā)時間等工藝條件都會對面團形成過程中面筋網絡結構造成相應的影響。因此,優(yōu)化加工工藝對面團持氣性的改良十分重要。

3.1 加水量和水溫對面團持氣性的影響

面團形成的過程中,面團和水的相互作用極其重要。水的加入會使蛋白質的親水基團吸水膨脹,使面筋蛋白形成面筋網絡結構,構成面制品 “骨架”結構[29]。小麥粉與水混合的過程中,將淀粉包裹在面筋網絡中,形成黏彈性的面團。加水量過少,水分未滲入到面粉顆粒內部,導致面粉表面部分與水結合,黏彈性網絡尚未形成[30]。隨著加水量增加,加水量為粉質吸水率的88%時,面筋被稀釋,面團發(fā)黏發(fā)軟,面團持氣能力差[31]。因此,合適的加水量可以有效地促進面筋蛋白形成穩(wěn)定的面筋網絡三維結構,形成具有黏彈性、持氣性、延展性的面團。

通過控制水溫來調節(jié)面團溫度,可以提高酵母在發(fā)酵過程中的產氣能力,以達到改善面團品質的目的。水溫對面團持氣性的影響存在兩個方面,一方面,水溫會對面筋網絡結構造成影響,低溫會影響蛋白質和淀粉的吸水率,使面筋網絡形成比較困難,面團的硬度增加,影響發(fā)酵面團胚子的發(fā)酵能力。研究表明,水溫控制在30 ℃以內,可以形成穩(wěn)定的面筋網絡,此時面團具有較好的延展性和黏彈性,隨著溫度升高,面團的延展性和黏彈性變差[32]。另一方面,水溫過低會抑制酵母發(fā)酵能力,不能產生足夠的氣體來填充網絡結構。溫度過高,35 ℃會提升酵母的發(fā)酵能力,使發(fā)酵時間縮短,酵母產生的氣體時間提前并產生大量氣體,面團過度膨脹,內部結構孔洞較多且氣室不均勻[33]。

3.2 酵母對面團持氣性的影響

酵母在發(fā)酵面團的制作中主要是發(fā)酵產生CO2,并改變面團的流變學特性,進而影響發(fā)酵面制品品質[34]。酵母產生的氣體可以填充在面筋網絡結構中,使饅頭和面包體積膨脹。因此,酵母的產氣和面團的持氣能力是影響面團發(fā)酵特性的因素。酵母產生CO2的能力保證了面筋網絡結構的延展和膨脹,此時形成了薄膜、具有延展性,能夠穩(wěn)定的承受氣體的壓力并將其保留在面團中。

酵母含量會對產品的體積造成的影響。研究表明,酵母含量0.3%時,面團發(fā)酵不完全,蒸制后的饅頭容易出現回縮;酵母含量為1.80%時,會使發(fā)酵時間縮短,酵母產氣過多導致面團過度膨脹,以至導致面筋網絡結構破裂,面團的內部結構隨著面筋網絡結構的破裂也發(fā)生了變化,這嚴重影響了面團的持氣能力,對產品的品質造成影響[35]。因此,面團中酵母含量在0.75%～1.25%,面團發(fā)酵完全,形成的面筋網絡結構可以更好地保留CO2[36]。此外,面團在發(fā)酵的過程中,酵母會產生代謝產物,其中甘油含量對面團的持氣能力影響較為明顯,甘油的增加可以優(yōu)化發(fā)酵面團和面團的延展[37]。

3.3 攪拌時間對面團持氣性的影響

攪拌有助于水和小麥粉的充分混合,形成延展性的面筋網絡。通過攪拌使麥谷蛋白吸水膨脹形成面筋網狀結構,形成支撐面團形狀與面團特性的骨架,如圖3所示。不同的攪拌時間對面團混合面筋網絡的形成的影響不同。攪拌時間過長會使面團比最佳攪拌的面團更軟、更黏稠[39]。而攪拌時間過短會使面筋網絡難以得到充分的展開,面團的內部粗糙,顆粒較多并且結構不均勻[40]。

圖3 加水攪拌后的面筋網絡發(fā)展分子解釋[38]Fig.3 Molecular interpretation of gluten network development after stirring with water[38]

研究表明,攪拌時間5 min時,由于攪拌不充分,面筋之間結合較少,導致面筋筋力不足,面團的持氣能力較差;攪拌時間35 min時,攪拌過度使面筋網絡內部斷裂,造成面筋筋力較差,面包氣室結構中氣孔大而多,這可能會導致面包的形狀無法挺立[39]。通過最大持氣壓力、面片持氣高度和面片持氣時間表明,隨著攪拌時間的增加呈現先上升后下降的趨勢,攪拌時間15 min最佳[41]。此外,在加水量和攪拌時間對面片的研究中,加水量不同攪拌時間也不同,攪拌時間在15 min、加水量為40%時面片的綜合特性較好[40]。因此,適量的加水和攪拌時間有助于促進面筋網絡形成,進而提高產品質量。

3.4 醒發(fā)時間對面團持氣性的影響

面團的醒發(fā)階段是面筋網絡形成的重要過程,在此期間面團中的蛋白質分子與水分子的內應力逐漸減小,蛋白質分子間相互交聯(lián),形成面筋網絡結構,使發(fā)酵面團具有更好的持氣性。醒發(fā)可以改變面團內部的網狀結構,隨著醒發(fā)的進行,淀粉顆粒變大,面筋蛋白形成了更加均勻和連續(xù)的面筋網絡[42]。醒發(fā)時間不足會使發(fā)酵面制品的體積小,脹發(fā)不足且外觀和內部結構差[36]。醒發(fā)過度,CO2在氣室中的膨脹導致細胞壁破裂,導致氣體通過面筋結構釋放出來[42]。同時,面團的持氣能力下降。

醒發(fā)過程中,酵母產生的氣體不斷進入面筋網絡結構,面團的彈性增加。隨著時間的增加,酵母產生的氣體足夠多時,面團開始膨脹,形成孔狀結構。在此過程中,面團的面筋網絡在CO2氣體的作用下不斷形成面筋氣泡,面團的軟度增加,彈性降低,延展需要的力減小,面團的持氣能力下降。研究表明,隨著醒發(fā)時間的增加,饅頭的比容呈先增加后降低的趨勢,并且醒發(fā)時間在35～45 min時,饅頭的比容最大,感官評價分數較高[43]。此外,有學者通過測定持氣壓力、持氣高度和持氣時間對面團的持氣能力進行研究,得出最大持氣壓力、高度和時間都是隨著醒發(fā)時間的增加呈先增后減的趨勢[44]。這與醒發(fā)時間對饅頭比容影響趨勢一致。綜上所述,合適的醒發(fā)時間可以改良面團的品質,對制作高質量的產品有重要影響。

4 面團改良劑對面團持氣性的影響

面團改良劑主要包括氧化劑、酶制劑和乳化劑等。在面團的加工過程中能夠改善面團的流變學特性,提高面團的操作性能和機械加工性能,有利于發(fā)酵面制品品質的提升。

4.1 氧化劑對面團持氣性的影響

氧化劑能增加面團韌性,改善小麥粉色澤,催化小麥粉成熟,提升面團持氣性[45]。最佳的面筋網絡賦予面團良好的持氣性,通過添加氧化劑可以改善天然面團較弱的小麥粉,最大限度的減少游離巰基和二硫鍵的交換反應并促進二硫鍵的形成[46]。氧化劑的氧化反應可以加強面筋網絡連接點的二硫鍵,起到增強面筋和面團穩(wěn)定性的作用[47]。目前小麥粉中使用的氧化劑多為外源氧化劑,有KBrO3、KIO3、偶氮二甲酰胺(azodicarbonamide,ADA)、抗壞血酸(ascorbic acid, AA)和CaO2等[48],考慮到外源性氧化劑存在致癌物質,AA和ADA在面包的生產過程中得到廣泛應用。

研究表明,AA能夠消除谷胱甘肽對面筋的弱化作用,在還原性谷胱甘肽存在的情況下,內源性谷胱甘肽脫氫酶將脫氫抗壞血酸還原成AA[49];ADA與面粉混合后可以氧化巰基,生成二硫鍵,以維持面團中蛋白質穩(wěn)定的結構[50]。此外,ADA與KBrO3和KIO3等其他氧化劑相比具有較快的反應速度,在面團混合期間就可以完成氧化反應,并在水的存在下ADA可以與面粉中的組分迅速氧化巰基轉化為二脲[51]?？偟膩碚f,氧化劑增強面筋的機制,主要是直接或間接將面筋蛋白中的巰基氧化成二硫鍵,從而促進面團中更強的面筋網絡的形成,進而增加發(fā)酵過程中面團保留氣體的能力。

4.2 乳化劑對面團持氣性的影響

乳化劑具有極性親水基團和非極性親水基團,可作為表面活性劑與油脂形成穩(wěn)定的乳化液,使面制品疏松[52]。乳化劑親水基團結合Gli,親油基團結合Glu,使分離的面筋蛋白結合起來,形成的面筋網絡結構更加致密更加有彈性,從而增加面團的持氣性[53],不同乳化劑對面筋網絡結構的影響如圖4所示。此外,乳化劑還能與直鏈淀粉淀粉形成螺旋狀組織,阻止水分從淀粉顆粒中流失[55];同時乳化劑的表面壓力較低,滲透壓較高,可以使面團中的油脂充分擴散到面團中,使面筋蛋白結構較變成較為細密的網狀結構,產品的內部組織也變得更加柔軟[56]。目前應用較多的乳化劑有單甘酯、雙乙酰酒石酸單甘脂(diacetyl tartaric acid ester of mono(di)glycerides,DATE)、硬脂酰乳酸鈉(sodium stearoyl lactylate,SSL)、硬脂酰乳酸鈣(calcium stearyl lactylate,CSL)和復合乳化劑。

a-對照組;b-DATE;c-單甘脂,d-SSL,e-CSL;f-復合乳化劑圖4 不同乳化劑對面團微觀結構的影響[54]Fig.4 Effect of different emulsifiers on the microstructure of dough[54]

面團攪拌的過程中乳化劑的加入能使面筋與淀粉之間形成層狀液膜,有助于發(fā)酵時氣體的保留。與對照組相比,含有乳化劑的面包體積和比容增加[57]。饅頭中添加硬脂酰乳酸鈉可以有效地改善饅頭體積和比容,并使饅頭形成均勻氣室結構[58],更有利于發(fā)酵氣體的保留。隨著SSL含量增加饅頭的比容呈先增加后降低的趨勢,比容在SSL含量為0.3%時達到最大[59]。

4.3 酶制劑對面團持氣性的影響

酶制劑是一種無毒、無害、安全高效的面粉改良劑,與化學添加劑相比具有顯著優(yōu)勢。面粉行業(yè)常用的酶制劑有淀粉酶、葡萄糖氧化酶、木聚糖酶、脂肪酶和谷氨酰胺轉氨酶等[60]。

淀粉酶中常見的有α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖苷酶,淀粉酶的加入可以調節(jié)面團中發(fā)酵糖的水平,增加發(fā)酵過程中的產氣量[61],如表2所示。葡萄糖氧化酶可氧化葡萄糖產生葡萄糖酸和過氧化氫,過氧化氫能氧化面團中的巰基形成二硫鍵,加強面筋網絡結構[66]。木聚糖酶是一種半纖維素酶,能夠降低全麥食品中不溶性戊聚糖降解為水溶性形式。發(fā)酵過程中,水從戊糖轉移到面筋導致面筋網絡的重組,提升面團保留氣體的能力[65]。脂肪酶釋放的單酸甘油酯能夠與面筋蛋白結合,并降低其疏水性,從而導致面團特性的變化[61]。谷氨酰胺轉化酶可以促進谷氨酰胺和賴氨酸殘基之間的分子間或分子內交聯(lián),從而導致高分子質量蛋白質的形成并增強谷蛋白網絡[67]。

表2 酶制劑對面團及發(fā)酵面制品體積的影響Table 2 Effect of enzyme preparations on the volume of dough and fermented dough products

為針對不同食品的加工領域,復合酶制劑已經在面制品加工行業(yè)普遍使用。復合酶制劑對發(fā)酵面制品的改善效果優(yōu)于單一酶制劑。研究表明,木聚糖酶和淀粉酶結合可以產生協(xié)同作用可以增加面制品的體積,可以避免酶添加過量會導致面團變黏問題[69];葡萄糖氧化酶和淀粉酶結合使用時,可以增加1%～2%的吸水能力,使面包體積增大[69]。因此有必要進一步研究不同酶制劑以及酶制劑之間的協(xié)同作用對面筋網絡結構的影響,提高面制品的品質,必將給面制品加工行業(yè)帶來新的生機。

5 結論與展望

適量的蛋白質、破損淀粉和麩皮等小麥組分和合適的加工工藝條件可以改善面筋網絡結構,使發(fā)酵面制品的孔洞結構更加均勻,體積和比容達到最佳的數值,同時也避免持氣性不足對發(fā)酵面制品品質的影響。在發(fā)酵面制品生產過程中,通過添加面團改良劑能夠促進面筋網絡中二硫鍵的形成,增強面筋網絡的穩(wěn)定性,進而達到對面團持氣性改良的效果。但有關面團持氣性改良還存在研究層面不夠深入和研究對象單一等問題。在未來對面團持氣性改良的研究中應著重注意以下問題:a)從分子層面進行研究,探討不同影響因素下,面筋網絡結構、面團微觀結構等的變化情況,更加深入的闡明改良發(fā)酵面團持氣性以及面團品質的內在機制;b)從餅干、饅頭和面包等不同研究對象出發(fā),分析酶制劑以及復合酶制劑對其品質特性的改良效果,更加系統(tǒng)的研究發(fā)酵面制品品質改良的方法。