面团混合气压与气体氛围（空气与CO2）调控及其对面团充气特性与面包品质的影响研究

《Applied Food Research》：Impact of Dough Mixing Pressure with Air and CO 2 gases on Dough and Bread properties; A focus on Improved Control of Dough Aeration During the Baking Process

本研究针对面包制作中面团充气过程控制不佳影响最终品质的问题，系统探讨了在不同气压（常压与0.5 bar表压）和气体氛围（空气与CO2）下混合对面团特性及面包品质的影响。研究人员通过专用混合器与预测模型，发现高压空气混合能获得更高的面团最终孔隙率（εF = 0.64）和比容（4.54 cm3/g），而CO2混合则因气泡失稳和面筋网络弱化导致品质下降。该研究为通过调控混合氛围与压力优化面团充气及面包品质提供了新策略。

　　

面包，这一全球性的主食，其品质的优劣往往体现在一个看似简单却至关重要的指标上——体积。一个松软饱满的面包不仅能更好地适应包装，其内部的孔隙结构（即面包屑结构）更是直接决定了口感、风味等感官体验。近年来，研究还发现面包的密度与其血糖生成指数（GI）相关，密度较高的面包通常具有较低的GI值。因此，精确控制面包的最终体积，贯穿于从原料混合到烘烤的每一个生产环节，是烘焙科学与技术领域的核心挑战之一。

在面包制作的初始阶段——面团混合过程中，面团的充气（Aeration）是奠定最终面包孔隙结构的基础。在这个过程中，气体（通常是空气中的氧气和氮气，或者如本研究探讨的二氧化碳）被持续地卷入面团，形成微小的气泡核。这些气泡核在后续的发酵和烘烤阶段，将成为酵母产生的二氧化碳（CO₂）聚集和膨胀的“模板”，最终形成面包的蜂窝状结构。然而，传统的面团混合过程往往缺乏对气体氛围和压力的精确控制，导致面团初始气泡数量、大小分布不均，进而影响发酵效率和最终面包品质的稳定性。例如，面筋网络（Gluten Network）的发育状态（通常以混合功率达到峰值的时间点，即t_PEAK来表征）与气体保持能力密切相关，过度混合（超过t_PEAK）会导致面筋网络降解，气泡合并（Disproportionation），形成不均匀的大气孔。此外，如果混合环境中氧气不足，可能会削弱面筋中二硫键（S-S）的形成，影响面团的强度和持气性。

为了解决上述问题，发表在《Applied Food Research》上的这项研究，独辟蹊径地将焦点投向了面团混合时的头部空间压力（Headspace Pressure）和气体组成（Gas Atmosphere）的调控上。研究人员旨在探究通过主动控制混合时的气压（常压 vs. 0.5 bar表压）和气体类型（空气 vs. 纯CO₂），能否更精准地控制面团的充气过程，并系统评估这种控制对后续面团发育、发酵膨胀以及最终面包体积、质构的深远影响。这项研究为理解气体在面包制作中的作用机制和开发新型可控混合工艺提供了重要的理论依据和实践指导。

为了达成研究目标，作者团队采用了一套系统而严谨的技术方法体系。他们首先利用一台特制的VMI行星式原型混合器，该设备能够精确控制混合碗的头部空间压力和气体注入（空气或CO₂）。研究设计了四种关键的混合条件：常压空气、常压CO₂、0.5 bar表压空气、0.5 bar表压CO₂。对于每种条件，都通过监测混合功率曲线确定了面团达到最佳稠度的时间点（t_PEAK），以确保每次混合都处于面团流变学上的最佳状态。混合后的面团经过短暂醒发，进行压面（Sheeting）和成型操作，以模拟工业化生产中的面团处理过程，并在此过程中评估气泡的损失情况。

研究的一个核心创新点在于引入了基于孔隙率（Void Fraction, ε）的发酵过程控制模型。研究人员使用阿基米德原理，通过测量面团在菜籽油中的浮力，精确计算了面团在不同阶段（混合结束、压面后、发酵结束后）的孔隙率（ε）。他们建立了一个预测模型，将发酵膨胀比（N，定义为发酵后面团高度H_F与初始高度H_I的比值）与初始孔隙率（ε_I）和目标最终孔隙率（ε_F，本研究设定为0.75）联系起来，其关系式为 N = (1 - ε_I) / (1 - ε_F)。这使得发酵时间不再是一个固定值，而是根据面团初始充气程度动态调整，以实现一致的发酵终点目标。

烘烤后的面包冷却后，使用体积仪测量其比容（Specific Volume, SV）。同时，利用平板扫描仪获取面包中心切片的数字图像，并运用ImageJ软件进行图像分析，量化面包屑的孔洞结构特征，包括中值孔径（D50）和90%孔径（D90），以客观评价面包屑的均匀性和细腻度。

4.1. 面团最佳混合时间（t_PEAK）的确定

通过分析混合功率曲线，研究人员确定了在150 RPM工具转速下，不同气体和压力条件下的t_PEAK。所有后续混合均严格控制在t_PEAK时刻结束，以确保面团获得最佳的 gluten 网络发育，为后续的持气性奠定基础，避免了过度混合导致的网络破坏。

4.2. 混合、压面及发酵后面团孔隙率ε的测定

结果表明，混合压力和气相对面团初始充气有显著影响。在0.5 bar表压下，无论是空气还是CO₂，混合结束时的孔隙率（ε'_I）均高于常压条件，说明高压促进了气体掺入。特别值得注意的是，在0.5 bar表压下，使用CO₂混合得到的ε'_I（0.23）甚至高于空气（0.17）。然而，经过压面操作后，情况发生了逆转。CO₂面团的孔隙率（ε_I）显著下降（从0.23降至0.16），而空气面团的孔隙率保持相对较好（从0.17降至0.20）。这暗示CO₂环境下形成的气泡可能在压面过程中更容易损失或合并，而空气（含氧气）有助于形成更稳定的面筋网络，从而更好地保持气泡。

发酵结束后，高压空气混合的面团达到了最高的最终孔隙率ε_F = 0.64 ± 0.00，并且其达到目标孔隙率（0.75）所需的计算膨胀比N（3.20）略低于CO₂条件（N=3.36），发酵时间也更短。相反，高压CO₂混合的面团尽管经历了最长的发酵时间（N=3.36），其ε_F仅为0.60 ± 0.00。所有条件均未完全达到预设的0.75目标值，研究人员分析认为，这可能与发酵瓶中面团安装不理想（边缘存在气泡间隙）导致膨胀比N测量存在误差有关。

4.3. 实际条件下面团膨胀比N的确定

本研究深入探讨了理论膨胀模型与实际观测值之间存在差异的原因。发现发酵瓶内壁与面团之间存在的空气间隙，会导致初始高度H_I测量值偏大，从而使得基于相同N值膨胀后，实际达到的ε_F低于理论值。这表明在精确控制发酵终点时，需要考虑容器几何形状和面团安装方式带来的系统误差。

4.4. 面包比容（SV）的测定

面包比容的结果与面团孔隙率的趋势基本一致。高压空气混合条件下生产的面包获得了最高的比容（4.54 cm³/g）。而高压CO₂混合的面包比容最低（3.55 cm³/g），且部分面包在烘烤过程中出现了上表面塌陷的现象。这表明CO₂环境下面筋网络可能较弱，无法有效抵抗发酵和烘烤过程中产生的内部气体压力，导致气泡破裂和结构坍塌。

4.5. 面包屑结构的测定

图像分析结果清晰地显示了不同混合条件对面包屑结构的显著影响。使用CO₂混合的面包，无论是常压还是高压，其面包屑的孔径都更大、更不均匀（D50和D90值均显著高于空气混合组）。特别是高压CO₂组，其D90达到了6.98 mm²，意味着90%的孔洞面积小于此值，但存在少量非常大的孔洞。相比之下，高压空气混合生产的面包屑结构最为细腻均匀（D50 = 0.38 mm², D90 = 3.23 mm²）。这进一步证实了氧气对于形成强韧面筋网络、抑制气泡过度膨胀和合并、从而获得均匀细腻孔结构的重要性。

本研究得出结论，在面团混合阶段主动控制头部空间的气压和气体组成，是优化面团充气和最终面包品质的有效策略。具体而言，在0.5 bar表压下使用空气进行混合，是实现高面包比容和均匀细腻面包屑结构的最佳条件。该条件能在相对较短的发酵时间内，使面团达到较高的最终孔隙率。

相比之下，使用纯CO₂进行高压混合，虽然初始阶段能掺入更多气体，但由于缺乏氧气，不利于形成强健的面筋网络（可能由于硫基（SH）氧化为二硫键（S-S）的过程受阻）。这导致面团在压面和发酵阶段气泡稳定性差、容易损失，最终需要更长的发酵时间却只能获得较低的孔隙率和比容，且面包屑结构粗糙，甚至出现塌陷。

该研究的创新之处在于引入了基于孔隙率的发酵终点动态控制模型，强调了初始充气状态对后续工艺参数（如发酵时间）设定的重要性。研究结果突显了氧气在面包制作中（尤其是在高压混合条件下）对于面筋网络强化和气泡稳定的关键作用，而这一点在以往使用CO₂替代空气的研究中可能被低估了。

尽管在精确测量发酵膨胀比方面存在挑战，但这项研究为烘焙工业提供了一条通过精确控制混合气相环境来提升产品质量和一致性的新途径。未来研究可进一步探索不同氧气浓度的气体氛围、优化发酵监测技术，并考察此策略在减少酵母用量或应用于其他谷物配方中的潜力。