核磁共振及成像技術(shù)在面包制品加工與儲(chǔ)藏過程中的研究.pdf

1、水分在面團(tuán)以及相關(guān)產(chǎn)品如饅頭、面包等中具有很重要的作用。面團(tuán)的制作過程實(shí)際是一個(gè)水合的過程，面團(tuán)的性質(zhì)和品質(zhì)極大的影響了最終產(chǎn)品面包的品質(zhì)。面粉水合形成面團(tuán)的過程受各種因素的影響，比如面粉的化學(xué)組成、添加劑以及攪拌方式等等。研究發(fā)現(xiàn)，影響面粉水合品質(zhì)的不僅僅是水分的含量，而且水分與面粉中各種成分的結(jié)合方式也很重要。很多研究認(rèn)為水分直接影響面制品的新鮮度，并提出焙烤產(chǎn)品的老化與淀粉回生度和玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變有很大關(guān)系。目前，對(duì)于面粉的水合和面制品

2、的變質(zhì)的機(jī)理，還有待于從分子水平上進(jìn)一步探索。本研究的宗旨是開發(fā)新的分析手段，并用這些手段從分子水平上探討水在面團(tuán)制作和面制品貨價(jià)壽命保藏方面的作用。了解了水的作用，開發(fā)新的技術(shù)來監(jiān)測(cè)和控制水在面團(tuán)和面制品中的特性和作用，從而獲得質(zhì)量更好的、貨架壽命更長(zhǎng)的產(chǎn)品。 本論文的目的是研究和開發(fā)核磁共振光譜(NuclearMagneticResonance或NMR)和核磁共振成像(MagneticResonanceImaging或MRI

3、)技術(shù)并用它們來研究面包制作過程水分的分布狀態(tài)，以及面包在不同儲(chǔ)藏條件下的物理化學(xué)特性的變化。NMR和MRI是一種完全非破壞的分析手段，它可直觀地顯示食品中水分活性狀態(tài)分布和水分的分布與遷移，可用來研究食品的物理及化學(xué)特性以及相關(guān)的加工過程，如食品冷凍、干燥、膠凝、浸泡、儲(chǔ)藏等。本文借助NMR及MRI技術(shù)，對(duì)與面包加工和儲(chǔ)藏有關(guān)的過程進(jìn)行了分析，旨在尋找準(zhǔn)確、適用的研究方法，獲取和建立有助于加工手段和產(chǎn)品開發(fā)的知識(shí)和理論。 論文

4、研究的第一章節(jié)主要內(nèi)容是檢驗(yàn)和開發(fā)適用于食品研究的NMR和MRI脈沖序列。內(nèi)容涉及SE(自旋回波)序列、CPMG序列和IR(反轉(zhuǎn)恢復(fù))序列，并利用以上序列測(cè)定了面團(tuán)、月餅、面包和奶酪，這些分別代表了高水分、低水分、高油脂和高水分的食品，通過實(shí)驗(yàn)建立了不同樣品在不同脈沖序列下的各種效果，并相應(yīng)地得到了必要的相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)。 第二部分主要內(nèi)容是探討面筋含量、含水量、添加物、攪拌與面團(tuán)中水的狀態(tài)之間的關(guān)系。水分狀態(tài)的測(cè)定使用自旋-晶格和

5、自旋-自旋弛豫時(shí)間(T1和T2)。通過對(duì)不同面筋含量面團(tuán)形成過程的測(cè)定得到NMR自旋一自旋弛豫時(shí)間與面團(tuán)攪拌期的關(guān)系，得到面團(tuán)的形成曲線和攪拌的最佳區(qū)域。面團(tuán)的穩(wěn)定時(shí)間與面筋含量有關(guān)，面筋含量越高，其面團(tuán)的穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng)；高溫環(huán)境能促進(jìn)和加快面筋的形成。過對(duì)不同面筋強(qiáng)度的而粉測(cè)定得到NMR自旋一晶格弛豫時(shí)間與面粉吸水率的關(guān)系，T1以及T1幅度隨水分含量的增加而增加，隨面筋含量的增加而減少，并得到面粉的吸水率曲線。并得到不同面筋含量面粉的最

6、佳吸水區(qū)：濕面筋含量25.4％面粉的吸水量為55.0％，穩(wěn)定時(shí)間為5min：濕面筋含量30.4％面粉的吸水量為57.5％，穩(wěn)定時(shí)間為7.5min：濕面筋含量35.8％面粉的吸水量為60％，穩(wěn)定時(shí)間為：10min。實(shí)驗(yàn)中添加不同的添加砂糖、奶油、奶粉、木薯預(yù)糊化淀粉、大豆蛋白粉、大豆纖維六種物質(zhì)對(duì)面團(tuán)品質(zhì)特性有不同的影響影響。添加砂糖、奶油、奶粉和木薯預(yù)糊化淀粉能改善面團(tuán)的流動(dòng)性，并且隨著添加量的增大而成正相關(guān)性：而添加大豆蛋白粉和木薯預(yù)

7、糊化淀粉能提高面團(tuán)的結(jié)合水能力，有利于面筋的形成；少量添加大豆纖維有利于面團(tuán)的保水，但添加量大于3％時(shí)，會(huì)影響面筋的形成。 第三部分的主要內(nèi)容是利用磁共振弛豫以及成像技術(shù)觀察水分狀態(tài)在面團(tuán)發(fā)酵過程中的變化。從水分活性分布圖中發(fā)現(xiàn)：發(fā)酵速度隨著添加酵母含量的增加而增加，發(fā)酵面團(tuán)中水分主要以近游離態(tài)存在。從面團(tuán)的MR圖像上直觀地反映面團(tuán)在發(fā)酵過程中面團(tuán)內(nèi)部的質(zhì)子密度和體積變化情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加0.5％酵母和添加1.0％酵母的面團(tuán)發(fā)

8、酵過程產(chǎn)氣速度比較平穩(wěn)，整個(gè)過程面團(tuán)的質(zhì)子氣泡區(qū)域的分布比較均勻，而添加1.5％酵母的面團(tuán)發(fā)酵速度最快，氣泡區(qū)域的分布不均勻，發(fā)酵過程面團(tuán)質(zhì)量較難控制。 第四部分主要的內(nèi)容是研究面包在儲(chǔ)藏期水分遷移和分布狀態(tài)與貨架期之間的關(guān)系。討論了添加大豆蛋白、木薯預(yù)糊化淀粉和大豆纖維不同天然食品添加劑對(duì)面包儲(chǔ)藏過程中物化特性變化的影響。實(shí)驗(yàn)中得知：面包的T1與短期回生有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性；面包的T2變化能很好地體現(xiàn)面包老化以及內(nèi)部水分的遷移和水分

9、活度的變化情況。NMR弛豫參數(shù)與質(zhì)構(gòu)參數(shù)的變化也有一定的關(guān)系，特別是T21和面包的硬度有很好的相關(guān)性，面包重量的變化和質(zhì)子密度有很好的相關(guān)性，不同配方面包在儲(chǔ)藏期內(nèi)硬度變化與NMR弛豫參數(shù)T21之間的相關(guān)性數(shù)據(jù)。結(jié)果可以看到四中不同配方的面包的相關(guān)性最低的為0.94(相關(guān)顯著性＜0.01)，并有很好的重復(fù)相關(guān)性。這對(duì)T21評(píng)價(jià)面包老化特性提供了一定的基礎(chǔ)。T21質(zhì)子密度與面包重量變化都有很大相關(guān)性，均在0.918以上(相關(guān)顯著性＜0.0

10、1)，并得到硬度與重量、T21以及質(zhì)子密度的線性方程： Y(firmness)=4.426722046T21-36.3471935W+0.001845621A(T21)+1683.509相關(guān)性0.993(顯著性系數(shù)＜0.01)。在添加不同天然添加劑的配方實(shí)驗(yàn)中，添加大豆蛋白和木薯預(yù)糊化淀粉對(duì)面包都表現(xiàn)出很好的持水性和抗老化特性。它們很容易與面包重結(jié)晶過程中的水分子直接形成穩(wěn)定的結(jié)合態(tài)水，較強(qiáng)的持水性抑制了水分在內(nèi)部的遷移與重新分

11、布，阻止了水分子在彼此相對(duì)的結(jié)合位置形成橋架，減緩了老化反應(yīng)；同時(shí)添加劑能與淀粉多糖交聯(lián)，降低了重結(jié)晶反應(yīng)的接觸點(diǎn)，阻隔淀粉分子間相互接觸發(fā)生締合；大豆纖維在儲(chǔ)藏期的過程中呈現(xiàn)很好的保水性，這和纖維強(qiáng)吸水性相關(guān)，同時(shí)由于面包的體積小，結(jié)構(gòu)致密不易失水。但因?yàn)槔w維分子結(jié)構(gòu)大，容易阻斷面筋網(wǎng)絡(luò)，破壞了產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)，所以纖維在短期老化中并沒有體現(xiàn)出抗老化的效果。 第五部分章節(jié)的主要內(nèi)容是建立一個(gè)以NMR為基礎(chǔ)的新的概念，用來分析食品

12、多聚體物理化學(xué)變化的現(xiàn)象，在總結(jié)前人大量研究基礎(chǔ)上，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo)，提出一個(gè)新的概念，“食品NMR狀態(tài)圖”，是NMR弛豫時(shí)間與溫度相互關(guān)系圖，體現(xiàn)了食品的核磁共振弛豫現(xiàn)象與食品的理化特性關(guān)系。通過研究食品的NMR狀態(tài)圖，我們能夠獲得提供食品變質(zhì)重要信息的NMR參數(shù)(T2、玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度Tg、Tg之前的曲線斜率KBT和Tg之后的曲線斜率KPT)。通過大量實(shí)驗(yàn)表明：自旋-自旋弛豫時(shí)間T2與溫度變化的狀態(tài)圖中的Tg及形狀(Tg前后的曲

13、線斜率KBT和KpT的大小)與食物的理化特性、組織成分、組織結(jié)構(gòu)及溫度等有關(guān)，通過改變食品的組成成分和配比，便可改變Tg及Tg前后的曲線斜率KBT和KPT的大小值，這可用來開發(fā)耐儲(chǔ)藏的方便食品、宇航和軍用食品提供了科學(xué)依據(jù)。 第六部分主要內(nèi)容是利用前章提出的“NMR狀態(tài)圖概念”研究面包老化的動(dòng)力學(xué)。研究了添加大豆蛋白粉、木薯預(yù)糊化淀粉和大豆纖維三種不同天然食品添加劑對(duì)NMR狀態(tài)圖中的Tg、T2、KBT和KPT的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明

14、：添加大豆蛋白和木薯預(yù)糊化淀粉能明顯減低面包狀態(tài)圖的T2、KBT和KPT，形成更加穩(wěn)定的體系，通過儲(chǔ)藏期實(shí)驗(yàn)可知添加大豆蛋白和木薯預(yù)糊化淀粉能明顯延長(zhǎng)面包的貨架期(貨架期從原來的3天分別延長(zhǎng)到5天和6天)；而添加大豆纖維只減低面包狀態(tài)圖的KBT和KPT，反而增加了T2，說明添加大豆纖維雖然能提高水分的吸水量，但它在面包中提高了體系中水分的流動(dòng)性，形成了不太穩(wěn)定的體系。當(dāng)以面包的硬度為指標(biāo)評(píng)判面包儲(chǔ)藏過程中的惡化程度時(shí)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)面包惡化時(shí)

15、間與NMR狀態(tài)圖參數(shù)中的KBT和KPT有較高的相關(guān)性(0.937和0.953)，與Tg的相關(guān)性較小(0.433)。并發(fā)現(xiàn)KPT對(duì)不同配方面包的惡化時(shí)間起決定性作用。 第七部分主要內(nèi)容是利用磁共振弛豫以及成像技術(shù)研究面包和奶酪二元體系中水分的遷移情況，進(jìn)一步了解水分在不同組分中遷移對(duì)食品貨架期的影響。通過3周的貯藏實(shí)驗(yàn)，從三維圖中可直觀觀測(cè)到水分在面包和奶酪二元體系中遷移現(xiàn)象，也可從T2分布來監(jiān)測(cè)水分從面包向奶酪中的遷移情況。實(shí)驗(yàn)

16、結(jié)果表明：面包和奶酪二元體系中水分的擴(kuò)散作用隨著儲(chǔ)藏期的延長(zhǎng)，擴(kuò)散現(xiàn)象越顯著：油脂有助于水分在面包體系中的擴(kuò)散作用，由于脂肪的疏水基團(tuán)的排斥作用，脂肪含量高的面包中水分的遷移速度更快。 本篇論文通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及論證了磁共振及其成像技術(shù)對(duì)于研究分析與面團(tuán)、面包的制作以及面包貨架期相關(guān)的物理化學(xué)特性是非?？尚械?。從磁共振弛豫以及磁共振成像中得到的信息可以使我們從分子水平理解面團(tuán)和面包中的物理化學(xué)的變化，從而指導(dǎo)基礎(chǔ)研究、生產(chǎn)和