谷朊粉和支鏈淀粉對冷凍面團酵母活力的改善作用

劉飛龍，繆冶煉，陳介余，馬厚雨，李 娜，張燕萍

(1.南京工業(yè)大學(xué) 食品與輕工學(xué)院，江蘇 南京 211800； 2.日本秋田縣立大學(xué) 生物資源學(xué)部，秋田 010-0195，日本； 3.丹陽市同樂小麥粉有限公司，江蘇 丹陽 212351)

冷凍面團是一種以小麥粉和酵母為主要原料加工而成的半成品。利用冷凍面團生產(chǎn)面包、饅頭和包子等發(fā)酵面食產(chǎn)品，不僅能夠提高生產(chǎn)效率，及時提供新鮮產(chǎn)品，加強品質(zhì)管理，還能節(jié)約人工和設(shè)備投資，降低生產(chǎn)成本[1-3]。然而，在冷凍過程中形成的冰晶會損傷酵母細胞，使其失去活力甚至死亡，同時也會破壞面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低面團的CO2保持能力，改變面團的流變學(xué)性質(zhì)，這嚴(yán)重影響冷凍面團的醒發(fā)和最終產(chǎn)品的品質(zhì)[4-6]。

一般來說，冷凍面團酵母活力的主要影響因素包括：①酵母對冷凍的耐受能力[7-9]；②小麥粉種類及組分[3,6,10-11]；③改良劑[12-13]；④加工工藝和條件[14-15]。

小麥品種不同，其小麥粉中蛋白質(zhì)的含量和構(gòu)成也不同。Lu等[10]從高筋小麥粉和低筋小麥粉中分離出淀粉、水溶性成分、醇溶蛋白和麥谷蛋白等4個組分，考察這4個組分對冷凍面團烘焙品質(zhì)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)?shù)徒钚←湻鄣哪骋唤M分被高筋小麥粉的相應(yīng)組分替代時，冷凍面團烘焙品質(zhì)得到改善；與此相反，當(dāng)高筋小麥粉的某一組分被低筋小麥粉的相應(yīng)組分替代時，則冷凍面團烘焙品質(zhì)有所下降。各組分對冷凍面團烘焙品質(zhì)的影響顯著不同，麥谷蛋白的影響最大，其次是醇溶蛋白和淀粉，水溶性成分的影響不大。

Kondakci等[6]分別以蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)7.5%、9.5%和11%的小麥粉為原料制作面團，并在不同冷凍條件(冷風(fēng)的溫度和速度)下進行冷凍，討論蛋白質(zhì)含量和冷凍速度對面團和饅頭品質(zhì)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：冷凍使酵母發(fā)酵力降低、面筋結(jié)構(gòu)減弱，從而導(dǎo)致饅頭的比體積減小。但是，蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)較高(9.5%～11%)時，面團在各種冷凍條件下都具有較強的抗凍傷能力，饅頭的比體積、形狀比率和質(zhì)構(gòu)與新鮮面團饅頭相近。Wang等[11]討論了冷凍面團中麥谷蛋白聚合物解聚對冷凍面團品質(zhì)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在小麥粉中添加1%的麥谷蛋白聚合物，可減輕冷凍面團中麥谷蛋白聚合物的解聚及饅頭品質(zhì)的下降。這是由于麥谷蛋白聚合物的添加提高了麥谷蛋白與醇溶蛋白的比例，強化了面團的面筋結(jié)構(gòu)、彈性和持氣力。然而，麥谷蛋白聚合物的添加沒有影響酵母的生長和產(chǎn)氣力。

Yi等[16]采用糯小麥粉(支鏈淀粉含量占淀粉98%以上)和普通小麥粉制作冷凍面團和面包。在糯小麥粉用量0～45%、水用量55%～65%的范圍內(nèi)，隨著糯小麥粉和水用量的增加，冷凍面團的黏附性逐漸上升，面包的硬度逐漸下降。糯小麥粉用量為15%時，酵母發(fā)酵力較高，面包體積較大。與此相對應(yīng)，楊銘鐸等[17]的實驗表明，在普通小麥粉中添加直鏈淀粉，則冷凍面團的延伸性隨直鏈淀粉添加量的增加而下降，而酵母的產(chǎn)氣力與直鏈淀粉添加量無關(guān)，基本保持一定。Ortolan等[2]以普通小麥粉(CWF)為對照，分別用螺旋擠壓小麥粉(EWF)和糊化木薯淀粉(PGS)替代5%的普通小麥粉后制作冷凍面團和面包。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：醒發(fā)開始時，EWF冷凍面團和PGS冷凍面團的葡萄糖含量(以100 g小麥粉質(zhì)量為基準(zhǔn))分別為12 g和11.7 g，遠遠高于CWF面團的7.1 g。葡萄糖對酵母起到低溫保護作用，同時也為酵母生長提供了可利用的糖分。與CWF冷凍面團相比，用EWF和PGS冷凍面團經(jīng)解凍和醒發(fā)后的體積較大，但面包體積較小。因此，EWF和PGS可用來改善法國面包冷凍面團生產(chǎn)過程。

本文作者在前期研究中以SaccharomycescerevisiaeCGMCC 2.1423為出發(fā)菌株，采用低溫等離子體誘變結(jié)合定向馴化的手段，選育出了一株發(fā)酵能力強的抗凍酵母S.cerevisiaeAFY-1[18]。該抗凍酵母的細胞懸液在-20、-80 ℃條件下凍藏120 d后，細胞存活率分別保持在83.2%和82.0%。采用該抗凍酵母制作的面團在-20 ℃條件下凍藏70 d后，發(fā)酵力和平均醒發(fā)速度分別保持在冷凍前的87.9%和60.2%[8-9]。另一方面，現(xiàn)有文獻多數(shù)報道了某一組分對冷凍面團醒發(fā)以及面包或饅頭品質(zhì)的影響，而關(guān)于多組分與酵母活力的研究較少。

本研究中，為了提高冷凍面團中的酵母活力，在低筋小麥粉中添加不同量的水、谷朊粉和支鏈淀粉制備冷凍面團，探討水、谷朊粉和支鏈淀粉用量對發(fā)酵力和細胞生長的影響，分析發(fā)酵力和細胞生長的關(guān)系，并通過響應(yīng)面實驗優(yōu)化原料配方。

1 材料與方法

1.1 冷凍面團原料

低筋小麥粉、谷朊粉和支鏈淀粉采用丹陽市同樂小麥粉公司以小麥為原料生產(chǎn)的商業(yè)產(chǎn)品。耐高糖活性干酵母(安琪酵母股份有限公司)購于超市。小麥粉、谷朊粉和支鏈淀粉中主要成分的含量如表1所示，其中，水、粗蛋白、粗淀粉、脂肪和灰分的含量分別根據(jù)文獻[19-23]測定。醇溶蛋白采用體積分數(shù)為75%的乙醇溶液進行提取[24]后，根據(jù)考馬斯亮藍法[25-26]進行濃度測定，并計算試樣中的含量。支鏈淀粉含量采用雙波長法[27-28]測定。所有成分的含量均以試樣濕物基準(zhǔn)的百分數(shù)表示。

干酵母在使用前進行活化處理。稱取一定量的干酵母于燒杯中，按干酵母質(zhì)量(g)∶ 糖水體積(mL)=1∶ 20的比例加入2%糖水，攪拌均勻，于恒溫箱中30 ℃靜置40 min?；罨幚砗螅湍笐乙旱目偧毎麛?shù)為1.93×109個/mL，其中活細胞數(shù)為1.73×109個/mL。

此外，冷凍面團制作的食用鹽、色拉油和白砂糖購于超市。所有實驗采用去離子水。

表1 小麥粉、谷朊粉和支鏈淀粉中主要成分的含量

1.2 冷凍面團制備

冷凍面團配方以小麥粉質(zhì)量為基準(zhǔn)設(shè)定，其中每100 g小麥粉中的水用量分別設(shè)定為55.0、57.5、60.0、62.5和65.0 g，谷朊粉用量分別設(shè)定為0、1.0、2.0、3.0、4.0和5.0 g，支鏈淀粉用量分別設(shè)定為0、1.0、2.0、3.0、4.0和5.0 g。酵母、食用鹽、色拉油和白砂糖的用量分別為2.0×1010個、1.5 g、4.0 g和6.0 g。酵母用量以活細胞數(shù)表示，2.0×1010個細胞相當(dāng)于1 g活性干酵母中的細胞數(shù)。

在25 ℃的室內(nèi)，按照配方稱取原料，混合均勻，并用力揉捏15 min(揉捏次數(shù)大約為100次)，然后分割成每份100 g的小面團，滾圓成型，作為新鮮面團。新鮮面團在-20 ℃的溫度條件下冷凍5 h后，裝入聚乙烯材質(zhì)的封口袋中，-20 ℃凍藏7 d，作為冷凍面團。以每100 g小麥粉中水、谷朊粉和支鏈淀粉用量分別為60.0、0和0 g的新鮮面團和冷凍面團作為對照。

1.3 酵母發(fā)酵力測定

酵母發(fā)酵力測定前，將冷凍面團在20 ℃、相對濕度80%的條件下解凍。當(dāng)面團中心溫度達到5 ℃左右時，取出面團，在25 ℃的室內(nèi)揉捏2 min，此時，面團溫度回到室溫。

酵母發(fā)酵力根據(jù)GB/T 20886—2007的方法[29]測定。發(fā)酵溫度設(shè)定為30 ℃，面團用量設(shè)定為300 g。面團投入后第8分鐘開始測定2 h中的排水量(即CO2的產(chǎn)生量)，并將該排水量定義為酵母發(fā)酵力。每個面團配方的酵母發(fā)酵力測定重復(fù)6次，取平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。

1.4 酵母細胞數(shù)測定

將解凍后的冷凍面團在溫度30 ℃、相對濕度80%的條件下醒發(fā)2 h，使面團狀態(tài)與酵母發(fā)酵力測定后基本相同。醒發(fā)后，分別從面團的上部、中心和底部的3個部位各取5 g樣品于300 mL燒杯中，加入適量的去離子水，攪拌(5 min)均勻，用去離子水定容至500 mL，作為面團懸液。

面團懸液中酵母的總細胞數(shù)和活細胞數(shù)采用血小板計數(shù)法[8]測定。測定前，根據(jù)需要用去離子水將面團懸液稀釋適當(dāng)倍數(shù)，取0.1 mL稀釋液和0.9 mL美藍液于試管中，染色10 min。測定中，呈白色的細胞為活細胞，呈藍色的細胞為死細胞[30]。測定后，根據(jù)面團懸液的總細胞數(shù)、活細胞數(shù)和小麥粉量，計算面團中每100 g小麥粉所含的總細胞數(shù)和活細胞數(shù)，并將活細胞數(shù)占總細胞數(shù)的百分比定義為活細胞率。每個面團配方的酵母細胞數(shù)測定重復(fù)6次，取平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2 結(jié)果與討論

2.1 冷凍面團的酵母發(fā)酵力和活細胞數(shù)

在每100 g小麥粉中，谷朊粉和支鏈淀粉用量均為0(即不使用谷朊粉和支鏈淀粉)的條件下，水對冷凍面團酵母發(fā)酵力和醒發(fā)后活細胞數(shù)的影響如圖1所示。由圖1可知：隨著水用量從55.0 g增加到60.0 g，酵母發(fā)酵力從(638±8.6) mL上升到(680±9.2) mL。然而，在大于60.0 g的水用量范圍內(nèi)，酵母發(fā)酵力隨著水用量的增加而迅速下降。當(dāng)水用量為65.0 g時，酵母發(fā)酵力下降至(553±6.3) mL。活細胞數(shù)隨水用量的變化趨勢基本與酵母發(fā)酵力基本相同。當(dāng)水用量為60.0 g時，活細胞數(shù)達到最大值(7.75±0.09)×1010個。

圖1 水對冷凍面團酵母發(fā)酵力和醒發(fā)后活細胞數(shù)的影響Fig.1 Effects of water on the yeast fermentation ability of frozen dough and the living cell population after fermentation

上述冷凍面團酵母發(fā)酵力隨水用量的變化趨勢與文獻[31-32]報道一致。面團中的水分在面筋形成、淀粉膨脹、酶反應(yīng)和酵母細胞生長等各方面都具有重要作用。水分過低時，酵母細胞因缺少水分而生長緩慢，但水分過高時，面團黏度增加，從而對酵母細胞生長產(chǎn)生抑制作用。

每100 g小麥粉中，在水用量60.0 g、支鏈淀粉用量0的條件下，谷朊粉對冷凍面團酵母發(fā)酵力和醒發(fā)后活細胞數(shù)的影響如圖2所示。由圖2可知：隨著谷朊粉用量從0增加到3.0 g，酵母發(fā)酵力從(680±9.2) mL上升到(735±5.0) mL；然而，在大于3.0 g的谷朊粉用量范圍內(nèi)，酵母發(fā)酵力隨谷朊粉用量的增加而逐漸下降。當(dāng)谷朊粉用量為5.0 g時，酵母發(fā)酵力下降至(690±5.5) mL。活細胞數(shù)隨谷朊粉用量的變化趨勢與酵母發(fā)酵力基本相同。當(dāng)谷朊粉用量為3.0 g時，活細胞數(shù)達到最大值(9.13±0.22)×1010個。

圖2 谷朊粉對冷凍面團酵母發(fā)酵力和醒發(fā)后 活細胞數(shù)的影響Fig.2 Effects of gluten on the yeast fermentation ability of frozen dough and the living cell population after fermentation

谷朊粉主要由蛋白質(zhì)成分(麥谷蛋白、醇溶蛋白等)組成。與小麥粉顆粒內(nèi)部的蛋白質(zhì)相比，外部加入的谷朊粉較容易被酵母利用。此外，在面團冷凍時，谷朊粉吸附在酵母或冰晶的表面，改變冰晶生長狀態(tài)，從而降低冰晶對酵母細胞的機械損傷。但另一方面，谷朊粉含量過高時，面團的吸水量和滲透壓增加，從而導(dǎo)致酵母細胞生長緩慢甚至死亡[14]。葉鵬等[33]討論了脯氨酸對冷凍面團中酵母細胞的保護作用。在凍藏7 d的面團中，酵母的細胞存活率和發(fā)酵力隨脯氨酸用量的增加先上升后下降，當(dāng)脯氨酸用量為2%時分別達到最大值66.3%和254 mL。艾青等[12]討論了膠原蛋白對冷凍面團中酵母細胞的保護作用。在面團中使用0.3%的膠原蛋白，可使凍藏21 d后的細胞存活率從43.0%增加到54.5%；醒發(fā)時間為60 min，比對照縮短了33.3%。

每100 g小麥粉中，在水用量60.0 g、谷朊粉用量0的條件下，支鏈淀粉對冷凍面團酵母發(fā)酵力和醒發(fā)后活細胞數(shù)的影響如圖3所示。由圖3可知：隨著支鏈淀粉用量從0增加到3.0 g，酵母發(fā)酵力從(680±9.2) mL上升到(725±4.2) mL；然而，在大于3.0 g的支鏈淀粉用量范圍內(nèi)，酵母發(fā)酵力隨支鏈淀粉用量的增加而逐漸下降；當(dāng)支鏈淀粉用量為5.0 g時，酵母發(fā)酵力下降至(670±6.8) mL。活細胞數(shù)隨支鏈淀粉用量的變化趨勢基本與酵母發(fā)酵力基本相同，當(dāng)支鏈淀粉用量3.0 g時，活細胞數(shù)達到最大值(8.74±0.21)×1010個。

圖3 支鏈淀粉對冷凍面團酵母發(fā)酵力和 醒發(fā)后活細胞數(shù)的影響Fig.3 Effects of amylopectin on the yeast fermentation ability of frozen dough and the living cell population after fermentation

與小麥粉中的淀粉顆粒相比，支鏈淀粉更容易在淀粉酶的作用下水解成麥芽糖和葡萄糖。適量的糖等能夠促進面團的醒發(fā)，并具有對酵母細胞的冷凍保護作用。但隨著糖的增加，其滲透壓作用會抑制酵母細胞生長和面團醒發(fā)[33-35]。Ma等[3]采用行星球磨機對小麥粉進行粉碎處理，使小麥粉中的破損淀粉含量達到12.2%～30.0%，在此條件下討論破損淀粉對冷凍面團和饅頭品質(zhì)的影響。小麥粉的破損淀粉含量對粉質(zhì)特性(吸水性、面筋指數(shù)等)、糊化特性(糊化溫度、最高黏度等)和饅頭品質(zhì)都有影響。破損淀粉含量越高，冷凍面團蒸制后的饅頭比體積越大、硬度越小。破損淀粉容易水解，提高面團的還原糖含量，可促進面團醒發(fā)[36]。但應(yīng)注意的是，過量的破損淀粉會加速酶反應(yīng)，導(dǎo)致面團黏度過大、烘烤后面包體積變小[37]。

雖然酵母細胞在冷凍和凍藏過程中會有部分死亡，但是在面團醒發(fā)過程中迅速生長。本研究中，新鮮面團含有活細胞數(shù)2.0×1010個(以每100 g小麥粉計)。在水用量55.0～65.0 g、谷朊粉用量0～5.0 g、支鏈淀粉用量0～5.0 g的配方條件下，冷凍面團醒發(fā)后的活細胞數(shù)增加到(6.35～9.13)×1010個。圖4表示冷凍面團酵母發(fā)酵力與醒發(fā)后活細胞數(shù)的關(guān)系。冷凍面團酵母發(fā)酵力(FY)隨醒發(fā)后活細胞數(shù)(NAC)呈線性關(guān)系，兩者的關(guān)系可用式(1)表示。

FY=51.5NAC+272.5 (R2=0.819)

(1)

圖4 冷凍面團酵母發(fā)酵力與醒發(fā)后活細胞數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between the yeast fermentation ability of frozen dough and the living cell population after fermentation

冷凍面團醒發(fā)后的活細胞數(shù)與總細胞數(shù)和活細胞率相關(guān)，活細胞數(shù)較大時，總細胞數(shù)和活細胞率均較大。例如，在活細胞數(shù)為(9.13±0.22)×1010個(所對應(yīng)的面團配方：水用量60.0 g、谷朊粉用量3.0 g、支鏈淀粉用量0)時，總細胞數(shù)和活細胞率分別為(11.38±0.28)×1010個、(80.3±0.48)%，而當(dāng)活細胞數(shù)為(7.75±0.09)×1010個(所對應(yīng)的面團配方：水用量60.0 g、谷朊粉用量0、支鏈淀粉用量0)時，總細胞數(shù)和活細胞率分別僅為(10.23±0.09)×1010個、(75.8±0.70)%。這表明，較大活細胞數(shù)所對應(yīng)的面團配方有利于提高酵母對冷凍和凍藏的耐受性，同時促進酵母的生長。本研究首次揭示了冷凍面團中酵母的生長規(guī)律，并以此說明了酵母發(fā)酵力的本質(zhì)。

2.2 優(yōu)化的冷凍面團配方

以水、谷朊粉和支鏈淀粉用量為影響因素，并以冷凍面團酵母發(fā)酵力為響應(yīng)值，利用Box-Behnken Design (BBD) 法設(shè)計響應(yīng)面實驗，各因素的水平見表2。根據(jù)單因素實驗結(jié)果，水、谷朊粉、支鏈淀粉用量在0水平分別設(shè)定為58.0、4.0、4.0 g(以100 g小麥粉計)。酵母、食用鹽、色拉油和白砂糖的用量與單因素實驗相同。每組面團配方的酵母發(fā)酵力測定重復(fù)3次，取平均值。

表2 響應(yīng)面實驗的因素和水平

表3表示響應(yīng)面實驗的條件和結(jié)果。利用軟件Design Expert 8.0.6.1進行酵母發(fā)酵力(FY)與水用量(X1)、谷朊粉用量(X2)、支鏈淀粉用量(X3)之間的二次多項式回歸，得到式(2)。

(2)

表3 響應(yīng)面實驗的條件和結(jié)果

式(2)的決定系數(shù)R2=0.989，表明該模型與實驗數(shù)據(jù)之間相關(guān)性較好。此外，方差分析結(jié)果(表4)顯示，回歸模型的F=98.57，P<0.000 1，且失擬項的P>0.05，表明回歸模型具有顯著性。X1、X2、X3、X1X2和X2X3的P<0.05，表明水、谷朊粉和支鏈淀粉對冷凍面團酵母發(fā)酵力有顯著影響，且水和谷朊粉以及谷朊粉和支鏈淀粉之間存在交互作用；X1X3的P>0.05，說明水和支鏈淀粉之間不存在交互作用。圖5～7分別表示冷凍面團酵母發(fā)酵力隨水和谷朊粉用量、水和支鏈淀粉用量、谷朊粉和支鏈淀粉用量的變化。由圖5～7可以看出，冷凍面團酵母發(fā)酵力的最大值(極值)存在于實驗條件范圍內(nèi)。

表4 回歸模擬方差分析

圖5 冷凍面團酵母發(fā)酵力隨水和谷朊粉用量的變化 Fig.5 Changes of yeast fermentation ability with water and gluten doses in frozen dough

圖6 冷凍面團酵母發(fā)酵力隨水和支鏈淀粉用量的變化Fig.6 Changes of yeast fermentation ability with water and amylopectin doses in frozen dough

圖7 冷凍面團酵母發(fā)酵力隨谷朊粉和支鏈淀粉用量的變化Fig.7 Changes of yeast fermentation ability with gluten and amylopectin doses in frozen dough

通過對回歸方程式(2)的極值分析可以預(yù)測，冷凍面團酵母發(fā)酵力在水用量58.7 g、谷朊粉用量3.9 g和支鏈淀粉用量3.6 g的條件下取得最大值756 mL。在該條件下重復(fù)3次驗證實驗，得到冷凍面團酵母發(fā)酵力的測定值(758±5.8) mL。預(yù)測值與測定值基本一致，表明回歸方程式(1)可信。

此外，采用水用量60.0 g、谷朊粉用量0和支鏈淀粉用量0的配方制備新鮮面團和冷凍面團作為對照，測得其酵母發(fā)酵力分別為(710±8.4) mL、(680±9.2) mL。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)組分優(yōu)化后的冷凍面團酵母發(fā)酵力明顯大于新鮮面團和冷凍面團的酵母發(fā)酵力。

3 結(jié)論

在低筋小麥粉中添加不同量的水、谷朊粉和支鏈淀粉，制備冷凍面團，討論水、谷朊粉、支鏈淀粉對酵母發(fā)酵力和細胞生長的影響，并通過響應(yīng)面實驗優(yōu)化原料配方，得到以下結(jié)論。

1)水、谷朊粉和支鏈淀粉對冷凍面團酵母發(fā)酵力有顯著影響。適量的水、谷朊粉和支鏈淀粉用量對酵母發(fā)酵力有改善作用，但水、谷朊粉和支鏈淀粉用量過大時，酵母發(fā)酵力降低。

2) 當(dāng)新鮮面團的活細胞數(shù)為2.0×1010個時，冷凍面團醒發(fā)后活細胞數(shù)增加到(6.35～9.13)×1010個。冷凍面團酵母發(fā)酵力(FY)隨面團醒發(fā)后活細胞數(shù)(NAC)呈線性關(guān)系，兩者的關(guān)系可用式FY=51.5NAC+272.5表示。

3)冷凍面團酵母發(fā)酵力在水用量58.7 g、谷朊粉用量3.9 g和支鏈淀粉用量3.6 g的配方條件下達到最大值(758±5.8) mL，遠大于新鮮面團對照的(710±8.4) mL和冷凍面團對照的(680±9.2) mL。水和谷朊粉、以及谷朊粉和支鏈淀粉之間存在交互作用。