硕士论文-冷冻保护剂影响冷冻面团发酵与烘焙特性的研究.pdf

江南大学 硕士学位论文 冷冻保护剂影响冷冻面团发酵与烘焙特性的研究 姓名：潘振兴 申请学位级别：硕士 专业：食品科学 指导教师：黄卫宁;堵国成 20080801 摘要 摘要 本论文主要研究冷冻保护剂包括海藻糖( t r e h a l o s e ) 、冰结构蛋白( i c es t r u c t u r i n g p r o t e i n ) 、刺槐豆胶( l o c u s tb e a ng u m ) 、谷氨酰胺转胺酶( t r a n s g l u t a m i n a s e ) 对酵母抗 冻性、冷冻面团超微结构、水分子存在状态及面团发酵流变与烘焙特性的影响。 显微镜镜检实验和f 3 发酵流变实验结果表明：冷冻保护剂预处理可有效提高酵母 抗冻性。引入海藻糖或冰结构蛋白都可以有效提高酵母冷冻存活率和产气力，而复合使 用效果更佳，冷热处理对预先强化了海藻糖和冰结构蛋白的酵母冷冻存活率影响不大， 但使酵母产气力下降。 应用扫描电子显微镜( s e m ) 分析冷冻保护剂对面团超微结构的影响，发现一1 8 冻藏1 0 5 d ，在含o 5 冰结构蛋白的面团中依然可以清晰地观察到面筋膜，说明冰结构 蛋白可以有效保护冷冻面团超微结构；采用6 3 5 、6 2 和6 0 5 三个不同水平的加水 量，随着加水量减少，面团超微结构冷冻受损的程度也减小，说明减少加水量是降低面 团超微结构冷冻冻藏伤害的有效手段。 采用冷冻面团烘焙发酵法，发现将面团在1 8 “ c 冻藏o ，3 5 ，7 0 ，1 0 5 d 后，随冻藏 时间延长，面团醒发时间延长，面包比容减小。添加0 5 冰结构蛋白的面团，经1 0 5 d 冻藏后，醒发时间由1 5 3 m i n 缩短到1 3 0 m i n ，缩短了1 5 0 ；面包比容由4 0 5m l g 上升 到4 7 1m l g ，上升了1 6 3 ；并且冰结构蛋白使面包硬度有所减小。 通过核磁共振技术对采用不同冷冻保护剂配方的冷冻面团及面包中水分子存在状 态的研究，得到结论：面团解冻后t 2 l 弛豫时间为1 4 1 8 m s ，t 2 2 弛豫时间为9 0 11 2 m s ， 分别代表自由水和结合水。面团冻藏过程中，t 2 l 质子密度下降，t 2 2 质子密度上升，说 明蛋白质、淀粉等大分子持水性下降，水分子从结合态向自由态迁移。单独引入海藻糖 对面团水分子存在状态没有显著影响，引入冰结构蛋白可以有效维持水分子存在状态稳 定性，海藻糖和冰结构蛋白复合使用效果更佳。空白面团中，加水量对冻藏过程中结合 水的变化没有显著影响，但减少加水量可以维持冻藏过程中自由水的稳定；当引入冰结 构蛋白后，减少加水量可以有效抑制水分子流动性的提高，保护面筋结构。冷冻面团面 包在7 d 的储藏过程中，由于淀粉回生和水分蒸发的影响，t 2 l 质子密度显著上升，t 2 2 质子密度显著下降。 应用响应面法研究了冷冻保护剂协同作用对冷冻面团发酵流变与烘焙特性的影响， 得到以下结论：海藻糖显著降低新鲜面团c 0 2 产气量，但是显著提高了冷冻1 8 周面团 最大发展高度h m 和c 0 2 产气量；海藻糖显著改善了新鲜面团面包比容。谷氨酰胺转胺 酶的引入使冷冻面团h m 增大，使冷冻面团面包硬度减小，而对新鲜面团的影响视其添 加量而定。刺槐豆胶显著降低新鲜面团和冷冻面团的c 0 2 产气量，但可以改善冷冻面团 面包硬度。 关键词：冷冻面团，冰结构蛋白，海藻糖，酵母抗冻性，超微结构，核磁共振，响应面 分析 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，w em a i n l ys t u d i e dt h e e f f e c t so fa n t i f r e e z i n ga d d i t i v e si n c l u d i n g t r e h a l o s e ( t r ) ，i c es t r u c t u r i n gp r o t e i n s ( i s p ) ，l o c u sb e a ng u m ( l b g ) a n dt r a n s g l u t a m i n a s e ( t g ) o nc e l l v i a b i l i t y a n dg a s p r o d u c t i o no fy e a s t ，t h e s t a t eo fw a t e r ，f e r m e n t a t i o n ，b a k i n g c h a r a c t e r i s t i c sa n dm i c r o s t r u c t u r eo ff r o z e nd o u g h t h er e s u l t so fm i c r o s c o p ea n dr h e o f e r m e n t o m e t e re x p e r i m e n t ss h o w e dt h a t ：p r e t r e a t m e n t o fa n t i f r e e z i n ga d d i t i v e se f f e c t i v e l yi m p r o v e dt h ea n t i - f r e e z i n gp r o p e r t yo fy e a s t t h e a d d i t i o no fis po rt rc o u l de f f e c t i v l yi m p r o v et h ec e l lv i a b i l i t ya n dg a sp r o d u c t i o no fy e a s t ， a n dc o m b i n a t i o no fi s pa n dt rw a sb e t t e r p r e t r e a t m e n to fc o l do rh e a tt r e a t m e n td i d n t s i g n i f i c a n t l ya f f e c tv i a b i l i t yo fy e a s ts o l u t i o nt h a tc o n t a i n e di s pa n dt r ，b u td e c r e a s e dt h eg a s p r o d u c t i o n s e mp i c t u r e si n d i c a t e dt h a ti s pc o u l dp r o t e c tt h em i c r o s t r u c t u r eo ff r o z e nd o u g h e f f e c t i v e l y f o rt h ec o n t r o ld o u g h ，t h eg l u t e nw a sc o m p l e t e dd e s t r o y e da n dt h es t a r c hg r a n u l e s w e r es e p e r a t e da f t e r10 5 dl o n g t e r mf r o z e ns t o r a g e ，w h i l eg l u t e nn e t w o r kc o u l da l s ob es e e n i nt h ed o u g ha d d e d 谢t l li s pa t0 5 l e v e l f o rt h ed i f f e r e n ta m o u n to fw a t e ra d d i t i o n ，t h e g l u t e nn e t w o r kw a sp r o t e c t e db e t t e rw h e nt h ew a t e ra d d i t i o nw a s 6 0 5 f e r m e n t a t i o na n db a k i n gr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea d d i t i o no fi s pi m p r o v e dt h ep r o o f i n g t i m ea n ds p e c i f i cv o l u m eo ff r o z e nd o u g hb r e a d t h ep r o o f i n gt i m ed e c r e a s e df r o m15 3m i n t o13 0m i na n dt h es p e c i f i cv o l u m ei n c r e a s e df r o m4 0 5m l gt o4 7 1m l g ，w h e n0 5 i s p w a sa d d e dt ot h ed o u g ha f t e r10 5 df r o z e ns t o r a g e t h ei s pa l s oh a dp o s i t i v ei m p a c to n f i r m n e s so fb r e a d i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h ep h y s i c o - c h e m i c a lp r o p e r t i e so ff r o z e nd o u g ha n dt h es t a l i n g p r o c e s so fb r e a dd u r i n gs t o r a g e ，i np a r t i c u l a rt h er o l eo fw a t e ri nt h i sp r o c e s s ，i ti sn e c e s s a r y t oi n v e s t i g a t ec h a n g e si nt h es t a t e so fw a t e ro v e raw i d e rs p e c t r u m t h et w o - c o m p o n e n t m o d e lw a sf o u n dt ow e l lr e p r e s e n tt h es t a t e so fw a t e ri nt h ef r o z e nd o u g ha n db r e a du s i n g n m r t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea m o u n to ft 2 2s t a t ew a t e ro ff r o z e nd o u g hi n c r e a s e dw i t h i n c r e a s i n gt i m e ，i n d i c a t i n gt h ec a p a b i l i t yo fh o l d i n gw a t e r o ff r o z e nd o u g hs y s t e md e c r e a s e d a ss t o r a g et i m ei n c r e a s e d ，t rd i d n ta f f e c tt h ew a t e rs t a t e ，b u ti s pc o u l dr e d u c ew a t e r m o b i l i t yo ff r o z e nd o u g h ，a n dt h ec o m b i n a t i o no ft r a n di s pw a sb e t t e r i nc o m p a r e dd o u g h ， a m o u n to fw a t e ra d d i t i o nh a do n l ys l i g h te f f e c to nt h eb o u n dw a t e r ，b u tl e s sa m o u n to fw a t e r a d d i t i o nc o u l dh e l pt oh o l dt h es t a b i l i t yo ff r e ew a t e r i ni s pd o u g h ，l e s sw a t e ra d d i t i o nh e l p e d t oh o l dt h es t a b i l i t yo fb o t ht h eb o u n da n df r e ew a t e r d u r i n gb r e a ds t a l i n gi n7 ds t o r a g e ， i n t e n s i t i e so fp r o t o n so ft 2 1e f f e c t i v e l yi n c r e a s e dw h i l et 2 2d e c r e a s e d ，i n d i c a t i n gt h e r e t r o g r a d a t i o no fa m y l u m a n dt h ee v a p o r a t i o no fw a t e r w eu s e dr e s p o n s es u r f a c em e t h o dt os t u d yt h ec o m b i n a t i o n a le f f e c t so fa n t i - f r e e z i n g a d d i t i v e si n c l u d i n gt r , t ga n dl b go nf e r m e n t a t i o n ，b a k i n gc h a r a c t e r i s t i c so ff r o z e nd o u g h t h er e s u l t ss h o wt h a tt rd e c r e a s e dc 0 2p r o d u c t i o no f 能s hd o u g h ，b u ti n c r e a s e dh ma n d c 0 2p r o d u c t i o no ff r o z e nd o u g ha f t e r18w e e k sf r o z e ns t o r a g e ，a n di ts i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d t h es p e c i f i cv o l u m eo ft h ef l e s hd o u g hb r e a d l b gs i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e dc 0 2p r o d u c t i o no f f r e s hd o u g ha n df r o z e nd o u g h ，w h l i ei m p r o v e dt h eh a r d n e s so ff r o z e nd o u g h t h ea d d i t i o no f i i a b s t r a c t t gi nf r o z e nd o u g hc o u l di n c r e a s eh m ，d e c r e a s et h eh a r d n e s s ，a n dt h ei n f l u e n c ei nf r e s h d o u g h w a sd i f f e r e n tb e c a u s ei td e p e n d e do nt h ea m o u n to ft g k e y w o r d s ：f r o z e nd o u g h ，t r e h a l o s e ，i c es t r u c t u r i n gp r o t e i n ，y e a s ta n t i f r e e z ep r o p e r t y , m i c r o s t r u c t u r e ，r e s p o n s es u r f a c ea n a l y s i s ，n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： f 毛颁名 日 期：枷暂孑, 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名： f 毛抓z 导师签名： 日 期： 应箩冬 v 、，圣8 、t l ， 第一章绪论 第一章绪论 1 1 冷冻面团简介 冷冻面团技术是2 0 世纪5 0 年代发展起来的烘焙食品新工艺。冷冻面团法是指在面 包、蛋糕、西点或中点的生产过程中，运用冷冻原理与技术，处理成品或半成品，使其 在此阶段贮藏若干时间，待需用时经解冻处理，而后继续剩余的生产流程，直至成为成 品i l 】o 面包等烘焙食品深受全世界人民的喜爱，是西方餐饮中的主食。目前国内外面包行 业流行连锁店的经营方式，中心工厂大批量烤制面包，经过成品库运往超市或连锁门店。 然而在存放和运输的过程中，面包发生老化，风味变劣、质地由软转硬、易掉渣、消化 吸收率降低，营养价值下降。随着人民生活水平的提高，消费者对食品的要求也越来越 高，为了使消费者吃上最新鲜的面包，冷冻面团技术应运而生。 冷冻面团技术生产面包，主要有5 种方法 2 1 ：( 1 ) 冷冻面团法：中心面包厂将已调 粉、发酵、整型后的面团进行冷冻冻藏，得到冷冻面团，然后将此冷冻面团销往各个连 锁店( 如超级市场、快餐店、宾馆等) 冻藏起来。各连锁店只需备有醒发柜、烤炉即可， 随时可以将冷冻面团取出，解冻、醒发、烘烤，得到新鲜面包。( 2 ) 冷冻预醒发面团法： 中心工厂将已醒发好的面团进行冷冻处理，得到冷冻预醒发面团，然后放到冷库中贮存。 需要时取出，经解冻后直接烘烤得到新鲜面包。( 3 ) 冷冻预烘烤面包法：将已醒发充分 的面团放入烤炉烤至七成熟，此时面包膨胀定型完成，表皮尚未出现金黄色或颜色很浅， 取出后冷却至常温，然后冷冻、冻藏。需要时取出解冻，再烘烤至完全成熟。( 4 ) 冷冻 面包法：面包按照正常工艺生产出来后，冷却至2 0 - - 3 0 “ c ，冷冻、冻藏。这种面包可以 直接卖给消费者，或者在面包店中解冻后销售。( 5 ) 冷藏面团法：调粉后的面团在0 一 i o * c 下缓慢发酵，3 4 d 甚至一个星期后再进行解冷、醒发、烘烤，得到新鲜面包。 冷冻面团技术实现了面团生产和面包烘焙的分离，具有以下优点：( 1 ) 对于消费者 来说，在家中现烤现吃成为可能，可以吃到刚出炉的新鲜面包；( 2 ) 对于中心工厂来说， 省却了若干道生产工序，大大减少了生产车间的面积，有利于扩大生产规模，降低成本； ( 3 ) 对于烘烤房来说，卸除了自己设计配方及研究发酵控制等工艺的包袱，解除了需 夜间及清晨操作的困难，节省了资金和劳动力；( 4 ) 对面包行业来说，冷冻面团技术是 目前有效延缓面包老化的方法，使面团质量标准化，有利于面包质量的稳定，增强了食 品安全性。 正因为如此，冷冻面团技术被面包生产企业广泛采用。在国外，2 0 世纪9 0 年代以 来，美国有8 0 以上的面包店使用冷冻面团或冷冻烘焙食品，法国工业化面包店生产的 面包中，冷冻面团产品已占有5 0 以上的市场份额，冷冻面团技术在日本也得到广泛应 用【3 j 。国内，近年冷冻面团技术生产的以面包为主的烘焙食品发展迅速，几乎所有大城 市都有冷冻面团生产的烘焙食品上市，冷冻面团已成为我国烘焙工业的一种新趋势、新 潮流【4 1 。 江南大学硕士学位论文 1 2 冷冻面团研究中面临的挑战 科学家发现，经过长期冻藏的冷冻面团，解冻后醒发时间延长，面包比容变小，风味 变劣【5 1 。原因是在冷冻过程中形成了冰晶，而在冻藏过程中，发生重结晶现象，水分重 新分布，形成大冰晶。冰晶特别是大冰晶的存在有三种后果：( 1 ) 冰晶破坏面筋的三维 网络结构，使面筋持气性下降1 6 】；( 2 ) 冰晶损害酵母细胞结构，使酵母存活率和产气力 下降 7 1 ；( 3 ) 破损的酵母细胞释放出谷胱甘肽，进一步破坏面筋网络结构，使面团持气 性下降引。 1 3 冷冻面团技术研究现状 为了发展冷冻面团技术，让消费者吃上新鲜的面包，同时为了克服冷冻面团技术瓶 颈，缩短冷冻面团醒发时间，增大冷冻面团面包比容，改善其风味，国内外科学家做了 很多工作，主要可以从以下四个方面加以简述： 1 3 1 提高酵母抗冻性 面包酵母耐冷冻性的影响因子包括以下几个方面。 海藻糖：海藻糖是由两个葡萄糖分子通过a 一1 ，1 键结合构成的非还原性的双糖， 是酵母稳定期内胞内所积累的贮藏性糖类。s h i m a 等以商用面包酵母为亲本，通过基因 缺失方法，获得了海藻糖酶缺失突变株，突变株的海藻糖降解得到抑制，在稳定期后期 可积累2 倍于亲本的海藻糖，耐冷冻能力得到提高f 9 1 ，说明海藻糖的积累可以提高酵母 抗冻性。 质膜水运输蛋白：面包酵母的质膜水运输蛋白属于膜蛋白家族，其作用是运输包括 水和中性小分子溶质例如甘油等物质。t a n g h e 等研究者发现，质膜水运输蛋白基因的缺 失使酵母对冷冻更加敏感，而相应基因的过表达能增强酵母的冷冻耐受性i l o j ，这是因为 拥有质膜水运输蛋白的菌株能形成快速的水分反渗透驱动外排系统，在冷冻过程中，以 反渗透作用从细胞内将水分快速排出细胞，以减少胞内冰晶形成和从而导致的对细胞的 伤害。 甘油：m y e r s 报道，胞内甘油的增加可以延长压榨酵母产品货架期【l l j 。近年来科学 家对面包酵母胞内甘油的代谢研究较为透彻，面包酵母中甘油的降解通过甘油脱氢酶进 行，i z a w a 等构建甘油脱氢酶敲除突变株，发现甘油脱氢酶功能的破坏有利于胞内甘油 的积累，使细胞耐冻性增强【1 2 j 。 氨基酸：微生物适应环境变化能力的强弱与其细胞内存在的氨基酸有关。日本研究 者发现，酵母细胞内脯氨酸、精氨酸、谷氨酸等氨基酸的大量积累可以提高酵母的耐冷 冻性。 细胞膜脂肪酸组成：生物体细胞膜的相变温度的高低与构成细胞膜脂肪酸的不饱和 程度密切相关，即生物膜带有的不饱和脂肪酸越多，相变温度越低，则生物膜在低温下 仍能保持一定的流动性，生物细胞就不易受低温环境的伤害。 为提高酵母抗冻性，科学家作了以下研究。 2 第一章绪论 1 3 1 1 茵种改良 菌种改良的目标是，既要保证普通面包酵母的发酵力，又要保证经长期冷冻保藏， 解冻后发酵力不降低。根据获得途径的不同，可以将抗冻酵母的改良分作以下三部分： ( a ) 天然抗冻酵母。江正强等人1 1 3 1 从土壤、谷物、果蔬、空气等不同来源筛选分 离得到了6 0 多株酵母菌，通过在面团体系中的进一步筛选，得到了3 株抗冻酵母f t y - 2 8 ， f t y - 3 1 和f t y - 5 6 。日本研究人员分离出f r l 4 1 3 ，f r l 8 0 2 ，f r l 5 0 1 等耐冻型菌株，其 中f r l 5 0 1 在低糖到高糖面团中都能保持解冻后的发酵活力1 1 4 1 。 ( b ) 调整培养条件选育抗冻酵母。专利j p 6 1 ，9 6 ，9 8 3 将酵母在甲亚碘酰甲烷、视 黄酸和( 或) 镁存在条件下培养，得到具有多倍体染色体的大细胞菌体，该菌体发酵力 高并且耐冻性好。专利j p 0 5 ，6 4 ，5 8 1 分离出耐低p h 值和渗透压的可用于冷冻面团的 啤酒酵母。 ( c ) 生物技术培养抗冻酵母。日本钟渊株式会社将两倍体的初始酵母菌株在培养基 中形成孢子，再杂交育种，在第三代杂交菌株中发现的k k k 4 7 在冷冻前具有强的发酵 能力，在高糖和高渗透压面团中有良好的抗冻性，并且在冷冻保存后能很大程度上保留 其发酵能力【1 5 1 。海藻糖对酵母抗冻性有重要的作用，日本专利n o 1 0 1 1 7 7 7 1 、 n o 1 1 1 6 9 1 8 0 通过d n a 重组技术破坏编码降解海藻糖酶的基因，抑制海藻糖的降解， 从而提高酵母的抗冻性1 1 6 1 。 目前，法国乐斯福公司开发了在低温下发酵力显著弱化的耐冷藏的酵母，此酵母在 2 0 以上时和一般酵母具有同样的发酵力，而在5 1 0 时其发酵力是一般面包酵母的 1 5 ，几乎没有发酵作用。国内对于耐冻性面包酵母的选育工作起步较晚，和国外相比尚 有一定差距。 1 3 1 2 冷冻工艺改进 ( a ) 控制冷冻前的发酵。冷冻前的发酵会降低酵母细胞的冷冻耐受性，所以应该尽 量避免冷冻前的发酵。操作上要注意三点：第一要尽可能迅速地完成冷冻前的操作，包 括面团搅拌、切割、成型等；第二应控制冷冻前的操作温度，如搅拌时可采用冰水，以 降低酵母活力；第三应注意加料顺序，推迟酵母和盐的加入可以提高冷冻面团稳定性【l 7 1 。 ( b ) 采用适当的冷冻速率。当慢速冷冻时，冰晶首先在细胞膜外形成，由于渗透压 力的作用，细胞膜内水分向膜外迁移，所以细胞膜内不会形成冰晶；当快速冷冻时，由 于细胞膜内水分外移速率小于膜内冰晶形成速率，所以冰晶在膜两侧同时形成，即细胞 膜内存在小冰晶，而冷冻过程的温度波动，会发生重结晶现象，使得细胞内部形成大冰 晶，使细胞受到致命伤害【l 引。所以，在冷冻面团生产中，推荐使用慢速冷冻。有研究指 出，1 m i n 的冷冻速率为最适冷冻速率1 1 9 1 。 ( c ) 采用适当的冷冻保藏温度。冷冻面团最终保藏温度对面团稳定性的影响比冷冻 速率对其影响更大，酵母的损害程度随冷冻最终温度的变化而变化。商业上常用2 0 作为保藏温度，正好在面团的玻璃化温度以下。面团贮藏温度不应低于3 5 。c ，以避免 对面团中酵母细胞的过分损伤。 3 江南大学硕士学位论文 ( d ) 控制冷冻保藏过程中的温度波动。冷冻保藏期间温度的变化对冰晶影响很大， 由于温度的波动，冰晶可能会重新组合。在贮藏期间，即使小的温度波动，对烘焙性能 也有较大的影响。不论用何种方法，在解冻烘焙之前，一定要控制好冷冻面团的保藏温 度。 ( e ) 冷冻前的热冲击和冷冲击。热冲击对于酵母的保护作用可以从两个方面来解释。 一方面，热冲击可以促进海藻糖的富集，海藻糖的生物合成是由一系列海藻糖一6 一磷 酸盐合成酶和海藻糖一6 一磷酸盐磷酸脂酶反应催化的，热冲击会增强这些酶的活力， 从而使酵母积累海藻糖，提高细胞在冷冻条件下的存活能力。另一方面，热冲击还能诱 导热休克蛋白的产生。而研究发现，冷冲击处理后的细胞抗冻性也有提高1 2 。 1 3 1 3 外源添加剂提高酵母抗冻性 ( a ) 海藻糖的引入：关于海藻糖对生物分子的冷冻保护机制存在两个假设：一是水替 代假说，即细胞冷冻失水时，海藻糖和蛋白质之间形成氢键，代替了水和蛋白质之间的 氢键，保持蛋白质的结构，防止其变性；二是玻璃态假说，即冷冻失水时，海藻糖形成 玻璃态结构，分子移动性极低，蛋白质就不能重排变形，使生物分子保持稳定1 2 。关于 海藻糖对酵母的冷冻保护作用，已有过很多研究，r e i k o 等研究者通过外源海藻糖的引 入，提高了酵母抗冻性【2 2 j 。 ( b ) 甘油的引入：外源甘油是一种细胞保护剂，因此经常被用作酶的保护剂以及细胞 的冷藏保护液。甘油可由细胞自身合成，胞内甘油可减少细胞内致死冰晶的形成。对冷 冻面团来讲，酵母没有足够的时间生产大量的甘油，也就不能有效抑制冷冻冻藏过程中 冰晶的形成，而外源甘油的引入使胞内甘油浓度上升，可以有效抑制冰晶形成，提高酵 母抗冻性。而m y e r s 等研究者【l l 】也证实了甘油的抗冻作用。 ( c ) 高渗透压溶液预处理：r e i k o 发现【2 3 】，高渗透压溶液预处理酵母可以有效提高其 抗冻性。在高渗透压环境下，细胞内水分向外迁移，而胞外一些有害溶质则向胞内迁移， 细胞的生存能力降低。为了在高渗环境中生存、恢复和生长，细胞将在分子水平上作出 一系列复杂的应答，主要的机制是在胞内大量合成一些特殊溶质如甘油、海藻糖，以提 高胞内渗透压，高浓度的甘油、海藻糖的存在不对胞内的酶产生负面作用，同时提高酵 母抗冻性。 1 3 2 提高面筋筋力 小麦粉是面包制品不可缺少的原料，按照溶解性质不同，可将小麦粉中蛋白质分为 4 种：麦清蛋白、麦球蛋白、麦醇溶蛋白和麦谷蛋白。其中麦醇溶蛋白和麦谷蛋白称为 储藏蛋白，占小麦蛋白干基的8 0 ，这两种蛋白在面团形成过程中，水化成为面筋网络， 赋予面团持气特性，使面团醒发、面包烘烤时膨大。冷冻面团在冷冻、冻藏和解冻过程 中，面筋结构被冰晶弱化，针对这个情况，科学家做了很多强化面筋网络结构的研究。 1 3 2 1 选用高筋粉 不同地区、不同季节生长的小麦加工成的面粉，蛋白质的质量和数量不同。一般来 4 第一章绪论 讲，冷冻面团用的小麦粉其蛋白含量在1 2 1 4 ( 干基) 之间【2 4 】，高的蛋白含量保证面 筋即使经过冷冻冻藏，遭受一定损失，解冻后仍然具有足够的持气能力。i n o u e 等人1 2 5 】 研究表明，在冷冻面团中使用超强筋力的小麦粉要比使用传统的适于烘焙的小麦粉效果 好。 1 3 2 2 配料中引入乳化剂 乳化剂既有亲水基团，又有亲油基团。用h b l 值表征乳化剂这种性质，h b l 值大， 则亲水性强；h b l 值小，亲油性强。乳化剂可以提高冷冻面团弹性、韧性、强度和搅拌 耐力，使各种原料分散混合均匀；改善面团的持气性，提高面团对静置、振动以及发酵 的耐受能力，改善面包芯结构、面包皮特性及其它质量特征，提高面筋网络的持气能力、 醒发速率以及烘焙胀发程度，增大面包比容。这是由于乳化剂的亲水基团和麦醇溶蛋白 结合，亲油基团和麦谷蛋白结合，使面筋结构互相交联【2 6 】。常用的乳化剂包括双乙酰酒 石酸单( 双) 甘油酯( d a t e m ) 和蔗糖酯。 s a h l s t r o m l 2 7 j 等研究者发现引入0 6 d a t e m 的面团，经7 0 d 冻藏后，和空白面团 相比，比容变大，推测可能是d a t e m 增强了面团冻藏过程中的流变性质。k e n n y 等研 究者1 2 副发现，添加d a t e m 的面团拉伸阻力增强，和以上推测相一致。r i b o t t a 等研究 者1 2 刿对三种面团进行研究：添加d a t e m 面团，添加瓜尔胶面团和空白面团，一1 8 。c 冻 藏6 0 d 进行烘烤，发现添加d a t e m 的冷冻面团面包比容最大。 蔗糖酯在冷冻面团中的应用研究也比较多。h o s o m i 等【3 0 】在面团中添加亲水性蔗糖 酯改善了冷冻面团的流变特性和烘焙特性。添加蔗糖酯降低了冷冻对面包酵母的伤害， 另外，添加蔗糖酯降低了冷冻对面团蛋白质的破坏。 1 3 2 3 配料中引入氧化剂 氧化剂的作用主要是将面粉中的巯基氧化成二硫键，从而增强面团持气性、弹性和 韧性；抑制面粉中蛋白酶的活性，保护面团的筋力和工艺性能；漂白面粉，提高面包馕 洁白度。在面包生产中使用氧化剂，可以起到添加量少( 从十几p p m 到几百p p m 不等) 而效果显著的作用，从而降低生产成本，提高经济效益。目前面包品质改良剂里面使用 到的氧化剂主要有溴酸钾、偶氮甲酰胺、过氧化钙、抗坏血酸( v c ) 等。 溴酸钾在业内曾经被认为是最有效的面团改良剂。但日本的学者用实验证明了溴酸 钾对人体为有害物质，1 9 9 2 年w h o 确认溴酸钾为一种致癌物质，不宜添加在面粉和面 包中。包括我国在内的大多数国家已经禁止使用溴酸钾。因此，溴酸钾代替物的研究也 就成为今后面包用品质改良剂研究与应用的重点方向。 偶氮甲酰胺和过氧化钙，两者都是快速型氧化剂，在面团搅拌、发酵前期即起作用， 而在发酵后期即失效，缺乏溴酸钾入炉急胀性的特点，而且和面粉等有机物质相遇可能 会起火和爆炸，存在生产上的安全隐患。 抗坏血酸通常被视为一种中速型氧化剂，其反应原理是，首先抗坏血酸被面团中的 氧氧化为脱氢抗坏血酸，接着与巯基反应生成二硫键，同时抗坏血酸再生。因此抗坏血 酸是一种氧化还原缓冲体系，添加过量也不会对面筋产生不良影响。单独使用抗坏血酸 5 江南大学硕士学位论文 增大面包体积的效果不如溴酸钾和偶氮甲酰胺等明显，但通过和乳化剂、酶制剂等复配， 效果还是比较理想的。k e n n y 掣2 8 】在冷冻面团中添加1 0 0 p p m 抗坏血酸，面包比容显著 增大，面包变柔软。 1 3 2 4 配料中引入酶制剂 酶制剂作为生物大分子物质，安全性很高。使用量从几个p p m 到几十个p p m 不等。 典型的可以增强面筋筋力的酶制剂包括谷氨酰胺转胺酶和葡萄糖氧化酶。 谷氨酰胺转胺酶是一种催化酰基转移的酶，以肽链中谷氨酰胺残基的丫一羧酰胺基作 为酰基供体。在面团体系中，谷氨酰胺残基可以和赖氨酸残基发生交联反应，酰基受体 为多肽链中赖氨酸残基的氨基，形成蛋白质分子内和分子间的0 - 谷氨酰基) 赖氨酸 异肽键，使蛋白质分子发生交联，增强面筋筋力。谷氨酰胺转胺酶改善面团形成过程中 的流变学特性，面团的稳定时间和断裂时间增加，弱化度降低，小麦粉的评价值上升。 a u t i o 等【3 1 】添加谷氨酰胺转胺酶，面团的拉伸阻力增加，延伸度降低。当面团混合以后， 保持在3 0 。c 拉伸试验，在3 0 。c 静置过程中所有面团的延伸度增大，空白面团( 未添加谷 氨酰胺转胺酶) 的延伸度大于含有谷氨酰胺转胺酶面团的延伸度。 葡萄糖氧化酶在氧气存在的条件下能将葡萄糖转化为葡萄糖酸，同时产生过氧化 氢。过氧化氢是一种很强的氧化剂，能够将蛋白分子中的巯基氧化为二硫键从而增强面 筋的强度。葡萄糖氧化酶能显著地改善小麦粉的粉质特性，延长稳定时间，减小弱化度， 提高评价值。v e m u l a p a l l i 等【3 2 】发现添加葡萄糖氧化酶的面团弹性模量( g ，) 和粘性模量( g ”) 显著增加，而损耗角正切值( t a n a ) 显著减小。葡萄糖氧化酶加强了面筋蛋白三维空间的 网状结构，强化了面筋，生成了更强、更具有弹性的面团。 1 3 3 控制冰晶形成和重结晶现象 冷冻冻藏过程中冰晶的形成和重结晶现象是冷冻面团品质下降的根本原因。针对这 个问题，科学家们做了以下工作： 1 3 3 1 控制加水量 由于低水分将减少系统中的自由水含量，减少冰晶的形成，因此，略低的水分含量 对产品更有利。冷冻面团配方加水量比普通面包配方加水量降低2 可以改善面包质量 3 3 - 3 4 。降低加水量的冷冻面团面包较最佳加水量面包比容大，并且有较好的面包质构。 1 3 3 2 引入冰结构蛋白 冰结构蛋白是一类存在于特定生物体中，具有抗冻活性的蛋白质。冰结构蛋白的功 能特性包括：抑制冰晶生长，并能在较低的浓度下抑制冰的重结a t 3 5 。6 】；控制和修饰冰晶 形态【3 7 1 ；以非依数性形式降低溶液的冰点【3 8 】。关于冰结构蛋白的抗冻机制，现在学者们 比较认可的是吸附抑制学说。吸附抑制学说认为：冰结构蛋白富含羟基或极性氨基酸， 沿冰晶表明形成氢键，通过屏障和覆盖作用抑制冰晶生长。目前已经证实在冰结构蛋白 和冰晶之间确实有氢键存在，证实了这个学说【”】。 冰结构蛋白是我国卫生部于2 0 0 6 年最新公布的可用于冷冻食品中的新型食品添加 6 第一章绪论 剂 4 0 1 。目前已有一些关于冰结构蛋白在食品中应用的成功例子，如改善冰淇淋和冻藏肉 的品质【4 。但冰结构蛋白在面团体系中的应用研究还不多。 1 3 3 3 引入j 皎体 胶体为高粘度物质，具备很强的持水性。在冻结过程中，胶体减少自由流动水，提 高了冷冻食品体系的低温稳定性，控制面团中冰结晶的生长速率和冰结晶的大小，抑制 了面筋网络结构的破坏、酵母细胞的伤害，使得醒发时间缩短，面包比容增大，最终烘 焙品质改善。 w a r d 等 4 2 j 认为胶体不但具有持水性，还有抑制面团中水分迁移的能力，因而能够 改善冷冻面团的品质。s h a r a d a n a n t 等【4 3 】往冷冻面团中加入阿拉伯胶、刺槐豆胶、或羧 甲基纤维素( c m c ) 后，发现冷冻面团面包比容都增加了，面包结构得到了改善，且面 包的硬度有所减少，其中，刺槐豆胶的效果最明显。 1 4 本课题的立题背景和意义 以面包为代表的烘焙食品是西方主流食品，随着东西方文化交流的不断深入，面包 牛奶的西方饮食也被我国人民广泛接受。面包货架期短，老化后，风味变劣，质地由软 转硬，易掉渣，消化吸收率降低，营养价值下降。 冷冻面团技术将面团制作和面包烘焙进行分离，消费者可以吃上现烤现吃的新鲜面 包，因此，冷冻面团技术在国内外市场具有广泛的应用前景，已经成为了烘焙业的新潮 流。 为了解决冷冻面团技术生产面包醒发时间长、比容小的难题，科学家的研究主要集 中在提高酵母抗冻性、增强面筋筋力以及控制冰晶成长三方面。 海藻糖能够提高酵母冷冻存活率和产气力，是最受关注的酵母抗冻剂。冰结构蛋白 是我国卫生部于2 0 0 6 年最新公布的可用于冷冻食品中的新型食品添加剂，可以控制冰 晶成长。本课题是美国农业部国际合作项目的一部分，研究冷冻保护剂对酵母、面筋结 构和冰晶的影响，对于推广冷冻面团技术在烘焙业的应用，促进烘焙业的发展具有积极 的理论指导意义和实践应用价值。 1 5 本论文主要研究内容 本文主要研究内容： 1 、冷冻保护剂预处理酵母对面团发酵流变性质的影响 2 、冷冻保护剂对冷冻面团抗冻发酵特性与超微结构的影响 3 、n m r 研究冷冻保护剂对冷冻面团及面包体系水分子存在状态的影响 4 、冷冻保护剂协同作用对冷冻面团发酵流变和烘焙特性的影响 7 江南大学硕士学位论文 第二章冷冻保护剂预处理酵母对面团发酵流变性质的影响 2 1 引言 酵母是面团制作中的必备原料，它有三个作用：l 、在面团醒发过程中产生二氧化 碳，使面团持气膨胀；2 、改变面团的流变性质；3 、发酵过程中，生成酒精等代谢产物， 赋予面包制品独特的风味【4 4 1 。在面团冷冻和冻藏过程中，冰晶的形成造成高渗环境，使 酵母脱水死亡，而重结晶更是形成大冰晶，使酵母细胞受到机械损伤，最后使酵母存活 率和产气力下降，使冷冻面团面包品质下降【4 5 4 6 】。 为了提高酵母的抗冻性，研究者们主要做了以下四个方面的工作：1 、利用生物技 术来筛选抗冻性酵母菌株【4 7 4 9 】；2 、对冷冻面团生产工艺进行优化，如在冷冻前利用大 量酵母对面团进行预发酵【5 0 】；3 、将冷冻保护剂引入面团体系中，如甘油【5 1 垃】、海藻糖 【5 3 】等；4 、在冷冻前对酵母进行物化预处理，包括热冲击【5 4 】、冷冲击【5 5 】等。 冰结构蛋白最早在极海鱼中发现，以后陆续在昆虫、植物体内发现，是生物体为适 应寒冷环境而合成的抗冻剂，可以降低溶液冰点、抑制重结晶、修饰冰晶形态。目前， 已有一些关于冰结构蛋白在冷冻食品应用的研究，如冰淇淋和冻藏肉，但冰结构蛋白在 冷冻面团体系中的应用研究还鲜见报道。 海藻糖是一种非还原性双糖，由两个葡萄糖分子以a 一1 ，1 糖苷键结合而成。酵母处 于稳定期时可以积累海藻糖，保护细胞在冷冻、脱水、高渗、高温、放射线及有毒试剂 等不良环境下免受伤害【5 6 】。李先玉【5 7 1 研究了外源海藻糖对酵母抗冻性的影响，在酵母液 中分别添加5 海藻糖和1 0 海藻糖，冷冻酵母液，解冻后发现酵母产气力为：强化1 0 海藻糖酵母 5 海藻糖酵母 空白。黄卫宁、吕莹果用海藻糖预处理酵母，提高了酵母 抗冻性例。 有研究报道，在冷冻前，对酵母进行冷热冲击的预处理，可以提高酵母的抗冻性， 这是由于热冲击预处理可以加快胞内海藻糖的积累【5 9 1 ，而冷冲击可以延缓细胞膜流动 性，强化细胞膜对细胞的保护作用【5 4 1 。 海藻糖是广受关注的酵母冷冻保护剂，研究外源海藻糖对酵母抗冻性的影响，对于 理解酵母抗冻机制，提高冷冻面团品质具有重要意义；冰结构蛋白是新型冷冻保护剂， 将其引入冷冻面团体系，扩大了酵母冷冻保护剂的范围。本章主要从以下三个方面研究 酵母抗冻性的提高：1 、冰结构蛋白、海藻糖单独使用对酵母抗冻性的影响；2 、冰结构 蛋白和海藻糖复合处理对酵母抗冻性的影响；3 、冰结构蛋白和海藻糖复合处理后再进 行冷热预处理对酵母抗冻性的影响。 2 2 材料与仪器 2 2 1 实验材料 冰结构蛋白 海藻糖 加拿大弗兰伯勒生物冰技术有限公司 南宁中诺生物工程有限责任公司 8 第二章冷冻保护剂预处理酵母对面团发酵流变性质的影响 即发活性干酵母 高级面包粉 起酥油 白砂糖、食盐 美蓝染色液 2 2 2 主要仪器 f a l l i n gn u m b e r15 0 0 降落仪 s x 2 2 5 2 0 型马福炉 凯氏微量定氮瓶 s m 5 0 型立式面团搅拌机 b d 10 0 l t 低温冷冻柜 b c b d 2 6 0 s 冷冻冷藏转换柜 f 3 流变发酵仪 x s 一2 1 2 生物显微镜 x b k 2 5 血球计数板 h h 4 恒温水浴锅 s p x 15 0 2 5 0 c 恒温恒湿培养箱 2 3 实验方法 广东梅山马利酵母有限公司 中粮面业鹏泰有限公司 东海粮油工业( 张家港) 有限公司 市售 o 5 9 美蓝溶于3 0 m l 9 5 乙醇中，加 1 0 0 m l 0