《Food Chemistry》:Influence of pulsed electric field on rheological and structural properties of frozen non-fermented dough by controlling ice crystal formation
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脈沖電場調控冷凍非發酵面團的冰晶形成與品質提升,通過優化相位轉變時間(縮短33.33%)、抑制冰晶生長(減少20.88%)、增強面筋蛋白結構(β-折疊+12.66%,α-螺旋+8.98%)及調控淀粉結晶(結晶度+4.86%,短程有序性-35.44%),有效改善面團粘彈性(提升52.18%和60.27%)和水分布特性。
Xijing Wang|Lunan Guo|Ying Chen|Liang Zhang|Chunsen Wu|Jian-Ya Qian
揚州大學食品科學與工程學院,中國江蘇省揚州市華陽西路196號,225127
摘要
脈沖電場(PEF)被用于調節冷凍過程中冰晶的形成和分布,以改善冷凍非發酵面團的質量。通過差示掃描量熱法、低場核磁共振、掃描電子顯微鏡、共聚焦激光掃描顯微鏡和流變學對面團進行了表征。結果表明,在7.5 kV/cm的電場強度下進行PEF處理效果最佳:相變時間縮短了33.33%,冰晶和可凍結水的含量分別減少了20.88%和22.39%;面團的粘度和彈性分別提高了52.18%和60.27%; gluten蛋白的二級結構發生了變化,β-折疊片和α-螺旋分別增加了12.66%和8.98%;淀粉的結晶度提高了4.86%,淀粉分子的短程有序性降低了35.44%。PEF通過影響冰晶的形成、水的移動性以及蛋白質的二級結構,提高了冷凍非發酵面團的質量。
引言
當小麥粉與水混合時,會形成粘彈性面團。小麥粉聚集形成一種可拉伸、可延展且可凝固的蛋白質-淀粉基質,并形成薄的氣體保持層(Gallagher等人,2004年)。小麥約占全球所有谷物消費量的30%,與水稻和玉米并列為世界上最重要的農作物。中國約有三分之一的人口以小麥粉制品為主食。中國特色的點心如饅頭、包子、餃子和燒賣通常使用含或不含酵母的面團制成。蒸制是這些產品的常見保存和銷售方式,但這需要在食用前重新加熱,導致大量能源浪費。中國人喜歡在制作完成后立即食用這些食物,而面團的制作過程耗時較長。因此,超市、餐館和家庭對即用型面團有大量需求。自20世紀90年代以來,冷凍面團技術已成為烘焙行業的一項創新食品加工技術,并迅速普及和應用(Omedi等人,2019年)。與通常含有多種成分和添加劑的烘焙食品不同,中國式點心的面團僅由小麥粉、水和(或不)酵母組成,屬于典型的“清潔標簽”產品,且不易受到冷凍影響。
冰晶的形成是影響中國式點心冷凍非發酵面團質量的關鍵因素。冰晶的數量和大小主要受兩個關鍵因素的影響:面團通過冰晶形成溫度(-1至-5°C)的速度以及系統中的可凍結水量。前者決定了冰晶生長的“時間窗口”——面團冷凍時間越長,形成的冰晶越有序、越大;后者為冰晶生長提供了“物質基礎”——可凍結水量越高,結晶核的形成點和構建材料就越多。這兩個因素共同調節結晶過程,影響冰晶的形態(Zhang等人,2020年),并決定冷凍面團的質量。
電場(EF)技術在調節冰晶形成方面顯示出獨特優勢。Santos等人(2022年)研究了電場對冰晶形成和生長的動力學調控作用。Orlowska等人(2009年)證明,高壓直流電場處理可以在蒸餾水中誘導可控的冰核形成。蒸餾水的結晶核溫度從-12.28°C升高到-5.90°C;同時,隨著結晶核溫度的升高,過冷度降低。Mok等人(2015年)將脈沖電場(PEF)與排斥性靜態磁場結合,實現了高效且協同的冷凍過程,在最短的相變時間內形成了均勻球形且平均尺寸最小的冰晶。Guo等人(2023年)提出,PEF處理誘導了面筋中水分子的極化和重新排列,影響了水與面筋蛋白之間的結合,從而增強了水分保持能力并促進了面筋蛋白的交聯,提高了植物基食品的面筋網絡穩定性。Lee等人(2024年)和Grgi?等人(2024年)展示了PEF在改善面包面團發酵特性方面的潛力,重點研究了PEF對酵母活性或單一原料成分性能的調控作用。
非發酵面團是中國點心的基礎。其成分簡單,缺乏抵抗冷凍應力的添加劑,因此對冰晶損傷極為敏感。盡管現有研究表明PEF在調節冷凍效率和抑制冰晶生長方面具有積極作用,但大多數研究僅限于單一組分系統,未能充分闡明復雜多相面團基質中各組分之間的相互作用。因此,本研究基于“清潔標簽”和綠色技術的原則,利用PEF處理來調節冷凍過程中的冰晶形成。通過流變學性質、水分分布、冰晶含量和分布以及淀粉和蛋白質結構來研究PEF對冷凍非發酵面團質量的影響。本研究旨在為未來PEF在冷凍面團質量改進中的應用提供技術支持。
材料與試劑
小麥粉由內蒙古恒豐集團銀良面粉業有限公司生產,含有122.0 g/kg的蛋白質、752.0 g/kg的碳水化合物、141.3 g/kg的水分和10.0 g/kg的粗脂肪。所有分析級化學品均從中國合格的供應商處購買。
冷凍面團的制備及脈沖電場(PEF)處理
參考Wang等人(2025年)的方法,將200.0 g小麥粉和96.0 g去離子水在攪拌機(HS-05D,南通歐恒機械有限公司)中混合。揉捏7分鐘后,得到相應的面團
冷凍曲線
冷凍過程中水的相變決定了冷凍食品的質量;較小的冰晶對材料組織的損傷較小。如圖1所示,在7.5 kV/cm的電場強度(EFI)下進行PEF處理,相變時間縮短了33.33%(從27分鐘縮短到18分鐘),這表明在較短時間內形成了大量較小的冰晶(S1顯示了所有測試電場強度下的冷凍曲線)。這主要歸因于水分子的方向性極化。
結論
本研究評估了不同電場強度(EFI)下的脈沖電場(PEF)處理對冷凍非發酵面團的冷凍行為、水分分布、流變學性質、淀粉結晶度、蛋白質結構和微觀結構的影響。適中的電場強度(2.5–7.5 kV/cm)有效加速了冷凍過程,使相變時間縮短了多達33.33%。在7.5 kV/cm的電場強度下處理的效果最為顯著
CRediT作者貢獻聲明
Xijing Wang:撰寫初稿、進行研究、爭取資金。Lunan Guo:爭取資金、進行正式分析。Ying Chen:項目管理。Liang Zhang:數據整理。Chunsen Wu:資源調配。Jian-Ya Qian:撰寫、審稿與編輯、監督、爭取資金。
未引用參考文獻
Gagneten等人,2023年
Shivu等人,2013年
Yang等人,2021年
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文所述工作的財務利益或個人關系。
致謝
本工作得到了國家自然科學基金(編號:32072133和32202085)和江蘇省研究生研究與實踐創新計劃(編號:SJCX24_2366)的財政支持。