分子氢熏蒸辅助浸渍冷冻技术提升面团品质：冻融循环中的结构响应与机制解析

本研究针对传统冷冻技术导致冷冻面团品质劣变问题，创新性地采用分子氢(H2)熏蒸辅助-25°C浸渍冷冻(HFIF)技术。研究发现HFIF使相变阶段冷冻速率达到常规浸渍冷冻(IF)的1.82倍和快速冷冻(QF)的2.18倍，显著抑制冰晶生长，减少二硫键断裂(较IF和QF分别高39.61%和14.20%)，维持α-螺旋结构稳定性。该技术为冷冻食品工业提供了新的品质调控策略。

　　

在烘焙食品工业化进程中，冷冻面团技术因其便于长期保存和运输而备受青睐。然而，传统冷冻方法由于冷冻速率慢，在相变阶段（超过80%水分结晶的关键阶段）易形成大尺寸冰晶，破坏面筋网络结构。更棘手的是，在储运过程中的温度波动会引发冰晶重结晶现象，导致冷冻面团经历反复冻融循环后面筋蛋白二硫键断裂、蛋白质解聚和二级结构破坏，最终造成酵母活性降低、发酵时间延长、气体保持能力下降等一系列质量问题，严重影响最终烘焙产品的品质。

面对消费者对高品质和高效加工日益增长的需求，食品科学家们不断探索提升冷冻速率的新方法。浸渍冷冻(IF)利用液态介质优异的热传导特性，相比传统空气冷冻展现出明显优势。近年来，各种辅助技术如超声波、磁场、压力转换和气体辅助等被用于增强浸渍冷冻效果。其中气体辅助冷冻虽效果显著，但常用辅助气体(如CO₂和Xe)扩散性有限，往往需要加压注入，这可能对食品结构造成额外损伤。

分子氢(H₂)作为一种无色无味、生理惰性的气体，具有独特的物理特性：最轻的分子量、极高的扩散系数(0.610 cm²/s，是CO₂的4.4倍)和热导率(0.168 W/m·°C，是CO₂的10倍)。这些特性使得氢分子能够在常压下快速深入食品基质，无需加压即可发挥辅助冷冻作用。更重要的是，氢分子还具有抗氧化、抗炎和抗凋亡等生理效应，这些特性使其在食品冷冻保存中具有双重优势：既加速热传导，又减轻冷冻应激引起的氧化损伤。

在此背景下，华南理工大学研究人员在《Food Chemistry: X》上发表论文，系统研究了-25°C分子氢熏蒸辅助浸渍冷冻(HFIF)对冷冻面团冻融过程中品质和结构的影响，并与传统浸渍冷冻(IF)、-80°C快速冷冻(QF)和-25°C慢速冷冻(SF)进行了对比分析。

研究采用了多种关键技术方法：通过低温核磁共振(LF-NMR)和磁共振成像(MRI)分析水分分布状态；利用激光共聚焦显微镜(CLSM)和扫描电镜(SEM)观察微观结构变化；采用质构分析(TPA)和流变学测定评估力学特性；通过分子排阻色谱(SE-HPLC)分析蛋白质分子量分布；使用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和圆二色谱(CD)解析蛋白质二级结构变化。实验使用商业小麦粉制备面团样品，经过氢熏蒸(流量550 mL/min，时间150 min)后立即进行浸渍冷冻。

3.1. HFIF面团冷冻性能表征

3.1.1. 冷冻曲线与冷冻速率分析

研究表明HFIF在相变阶段的冷冻速率达到IF组的1.82倍、QF组的2.18倍和SF组的7.76倍。这种显著的提升归因于氢分子优异的渗透能力、高扩散速率以及卓越的传质传热特性。研究人员推测氢分子渗透到面团组织内部后形成纳米/微米气泡，这些气泡一方面作为成核位点促进异相成核，另一方面气泡破裂产生的局部瞬时超高压降低了相变阶段自由水的能垒壁垒，从而提高了面团冷冻速率。

3.1.2. 水分分布与流动性

LF-NMR分析显示面团中存在三种水状态：强结合水(T₂₁，0.01-3.05 ms)、弱结合水(T₂₂，3.05-20.00 ms)和自由水(T₂₃，约100 ms)。弱结合水是冷冻面团的主要水分组成，最易迁移和形成冰晶。随着冷冻时间增加，T₂₂和T₂₃峰面积逐渐减小，而HFIF和QF组在45分钟时T₂₂峰接近零，表明已完全冻结。MRI质子密度分布图直观显示HFIF组在15分钟时已进入相变阶段，蓝色区域(冰晶)占比达1/3，且分布均匀，表明氢分子促进了相变阶段的快速过渡。

3.1.3. 冷冻面团微观结构表征

CLSM观察发现，冷冻15分钟后HFIF组呈现小而密集的网络孔隙，而IF组则为稀疏的大孔隙分布。至45分钟时，HFIF产生更小更多的网状结构(平均直径32.1±4.7 μm)，显著小于QF组(52.6±6.8 μm)。SEM结果显示随着冷冻时间延长，样品表面逐渐粗糙，面团网络分解为不连续模式。QF组显示表面缺陷，IF组中冰晶生长捕获水分，将蛋白质网络压缩成致密簇团，而HFIF组有效保持了小麦蛋白网络的完整性。这些微观观察与水分分布结果一致，表明HFIF通过加速冷冻有效维持了面筋蛋白结构。

3.2. 冷冻面团的理化特性

3.2.1. TPA分析

经过四次冻融循环后，所有处理组的硬度和咀嚼性均显著增加，但HFIF组增幅最小(硬度增加25.09%)，显著低于IF组(17.37%)和QF组(5.16%)。HFIF组的弹性保持相对稳定，而其他处理组变化较大。第四次冻融循环后，HFIF组的弹性比IF和QF组分别高34.38%和48.28%，回弹性则分别低13.47%和19.71%。这表明HFIF对面团质构特性产生积极影响，可能通过防止大冰晶形成，更好地保留了小麦面筋蛋白的特殊结构，提高了冷冻面团的韧性。

3.2.2. 流变特性分析

所有面团样品经历相同的四次冻融处理后，G'和G"值均降低，但HFIF组降低幅度显著小于IF组。与QF和SF组相比，HFIF组保持了优异的粘弹性，表明其在冻融条件下在保持面团结构完整性方面表现优越。分子氢有效调节了冰晶生长并减轻了冷冻过程中的蛋白质降解。

3.3. HFIF面团蛋白的分子特性表征

3.3.1. 小麦蛋白的分子大小分布

SE-HPLC色谱图显示三个主要峰区：谷蛋白聚集体(S1，Mw≈91,000-688,000 Da)、单体谷蛋白和醇溶蛋白(S2，Mw≈16,000-91,000 Da)以及肽链和氨基酸(S3，Mw<10,000 Da)。随着冻融循环增加，S1区减少而S2区增加，可能是冰重结晶使谷蛋白聚解聚所致。S3区减少可能是肽链聚集的结果。HFIF和QF组变化相似且更渐进，表明这两种方法在冻融循环中更好地保留了小麦蛋白结构。

3.3.2. 面团体系中的二硫键(S-S)含量

冷冻面团中二硫键总含量随着冻融循环次数增加呈下降趋势。HFIF组二硫键减少更温和(59.79%)，显著低于IF组(67.49%)、QF组(66.11%)和SF组(67.06%)。这表明氢分子的加入提高了冷冻速率，特别是在相变阶段，抑制了面团基质中非精细冰晶的形成。由于初始冰晶更小，重结晶过程在冻融循环中产生更精细的冰晶，最大限度地减少了对小麦蛋白网络中二硫键的损伤，从而增强了冷冻面团的品质保持。

3.3.3. 二级结构分析

FTIR和CD技术深入分析了冻融循环中小麦蛋白二级结构含量的变化。随着每次冻融循环，α-螺旋结构比例下降。HFIF组从35.86%降至30.21%，而IF、QF和SF组分别降至29.31%、26.72%和20.68%。HFIF组减少最少，表明其有效抑制了α-螺旋向其他二级结构的转化。α-螺旋的保存对于冷冻过程中二级结构的稳定性至关重要。CD分析显示，对照样品(CK)在208 cm^-1处呈现较宽的负峰，表明主要是β-折叠和无规则卷曲结构。与CK相比，冷冻面团样品色谱峰红移，表明分子状态改变。随着冻融循环增加，HFIF组保持了显著更高比例的α-螺旋和β-转角，而β-折叠和无规则线圈的变化呈现相反趋势，这与FTIR结果一致。

研究结论表明，-25°C氢分子熏蒸辅助浸渍冷冻(HFIF)系统通过利用氢分子更强的渗透性、更快的扩散性以及优异的传质传热特性，成功提高了冷冻面团的冷冻效率和品质。HFIF保护机制基于两个方面：从冷冻动力学角度，引入的氢分子能够产生特定气泡作为初级成核位点，有效增强冷冻速率；从小麦蛋白角度，HFIF处理更好地保持了冷冻小麦蛋白的正确螺旋和折叠结构，防止二硫键断裂，从而增强了面团的三维网络结构。该研究证实了HFIF技术在食品冷冻中的可行性和潜力，虽然当前研究聚焦于其基本原理和初步应用，但氢分子独特的辅助机制为未来探索创造了广阔空间。需要强调的是，HFIF从实验室概念到工业规模过程的转变是工程挑战而非基本安全障碍，氢在各种行业中已有严格的监管框架确保安全使用。未来研究将侧重于利用更先进的技术直接验证氢与冰晶之间的相互作用，并探索HFIF与其他先进冷冻技术的整合以实现更广泛的工业应用。