原位变温核磁共振（VT-NMR）与变温共聚焦激光扫描显微镜（VT-CLSM）揭示冻融过程中水-面筋相互作用的动力学：从解冻后推断到实时监测

《Food Chemistry》：In-situ VT-NMR and VT-CLSM reveal water-gluten interaction dynamics during freeze-thaw: From post-thaw inference to real-time monitoring

　　

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  原位变温核磁共振（VT NMR）监测了冷冻面团在冻融循环过程中未冻水的状态。
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  未冻水的迁移驱动了冰晶重结晶，进而破坏了面筋网络结构。
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  变温核磁共振从描述性工具转变为预测性、无损指示器。
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  冷冻条件下测得的T?反映了面筋网络的破坏程度。

引言

冷冻面团因其保质期延长、成本降低和运输效率提升等优势，在食品工业中被广泛应用（Rasheed等人，2025）。然而，储存和运输过程中温度波动导致的反复冻融（FT）循环仍是品质劣变的主要原因（Zhang, Fan等人，2024；Zhu等人，2019）。在冻融循环过程中，冰晶的结晶与重结晶通常会破坏面筋和淀粉的结构并改变水分分布，从而导致最终产品面包体积减小、质构变差以及解冻损失增加（Liu等人，2023）。因此，理解冻融导致劣变的机制对于改善冷冻面团品质至关重要。尽管对冷冻面团的研究已相当广泛，但大多数研究依赖解冻后的分析来推断冷冻和冻融循环的影响（Ding等人，2015；Tan等人，2023）。虽然这些方法具有价值，但此类体外分析方法无法区分冷冻期间冰晶引起的损伤与解冻后发生的变化。这一局限性导致对冷冻条件下水分状态和面筋网络结构实时演变的认知存在空白（Song等人，2018）。因此，冻融导致劣变的机制，尤其是冰晶形成、水分再分配与面筋网络完整性之间的动态相互作用，仍未得到充分认识。

水合水平是影响面筋网络形成和面团特性的关键因素（Dufour等人，2024）。不同的冷冻面团产品，如饼干、面条和面包，需要不同的面团特性，包括硬度、咀嚼性、弹性和孔隙度，这些特性通过加工过程中控制水合水平来实现（Jia等人，2022）。为系统研究水合对冻融稳定性的影响，本研究选择了三个水合水平，分别代表较低、最佳和过量水合。已有研究表明，水合水平会影响面团品质（Yang, Tao等人，2025）。然而，其在调节冷冻条件下水-面筋相互作用方面的作用仍未得到充分理解，部分原因在于原位分析方法的有限性。

分析仪器的最新进展为解决这一知识空白提供了新的机遇。配备温控探头变温时域核磁共振（VT-NMR）技术可在零下条件下对水分分布和迁移能力进行无损分析（Lee等人，2002；Lucas等人，2005）。与常规在对解冻样品上进行的核磁共振不同，VT-NMR优先捕获冷冻面团中未冻水（UFW）的信号，因为在这些条件下冰质子的弛豫时间极短（Shi等人，2022）。VT-NMR可获得两个关键参数：自旋-自旋（T₂）弛豫时间，反映未冻水的迁移能力及其与周围基质的结合状态；以及信号振幅，经过适当的温度校正后可用于定量分析样品中未冻水的含量（Zou等人，2023）。重要的是，这些参数能够提供与冰晶诱导的结构和品质变化相关的信息。然而，将这些原位参数与冷冻面团的结构性损伤和最终品质直接关联的证据仍然有限，有待进行系统性研究。与此同时，变温共聚焦激光扫描显微镜（VT-CLSM）可直接观察冷冻状态下面筋网络的演变，冰晶形成相关的孔隙可作为冰晶形态的间接指标（Baier-Schenk等人，2005；Hackenberg等人，2018）。VT-NMR捕获未冻水在冷冻基质中的迁移能力和相态分布，而VT-CLSM则表征面筋网络的形态及其对冰晶诱导应力的结构响应（Sun等人，2024）。将这两种技术应用于相同处理条件下相同样品，分别描述同一系统不同但互补的方面：水分状态演变和网络水平的结构重排。这并不意味着两种技术之间存在验证关系，而是VT-NMR和VT-CLSM共同提供了互补信息，能够实现比单一技术或常规解冻后分析更为全面的多尺度冷冻面团行为描述。

本研究利用VT-NMR和VT-CLSM，在原位冷冻态条件下，对不同水合水平的冷冻面团在冻融循环中的劣变进行了研究。VT-NMR用于监测冻融循环过程中?30°C时未冻水迁移能力（T₂）和未冻水含量的变化，而VT-CLSM通过多孔度（lacunarity）和蛋白质面积百分比对面筋网络微观结构进行定量图像分析。此外，对相同样品进行了解冻后的理化性质和分子水平分析，以将冷冻态观察结果与最终品质特征联系起来。VT-NMR和VT-CLSM在此前的研究中已被独立应用于冷冻面团系统中水分迁移能力和面筋网络演变的研究。相比之下，本工作在相同实验条件下同时应用这两种技术，通过冻融循环过程中水分迁移能力、微观结构和分子响应的互补性原位测量，实现对冷冻态行为的多尺度表征，并能够考察水分动力学与面筋网络演变之间的关系。本研究的目标是描述水合水平如何影响冻融循环过程中水分再分配程度、面筋网络劣变程度和分子变化。此外，进一步评估了原位T₂与面筋网络结构指标之间的相关性，以评价冷冻态条件下T₂与面筋网络完整性之间的关联。

章节摘要

材料

本研究使用的精制小麦粉为市售面包用小麦粉，由金源面粉有限公司（中国郑州）供应，由产自中国黄淮海小麦主产区的一般小麦加工而成。面粉的基本理化成分如下：蛋白质含量12.50%，淀粉含量74.40%，脂肪含量1.20%。湿面筋含量为30.48%。面筋蛋白组分按照Wang等人的方法测定。

不同水合水平冷冻面团在冻融循环过程中的水分状态变化

在?30°C下使用VT-NMR分析了冻融循环过程中冷冻面团的水分状态和分布，结果如图1所示。在?30°C下，仅检测到单一质子群体，T?值范围为0.49至0.74 ms。相比之下，在环境温度下面团中通常可观察到多个群体，对应于处于不同理化环境中的水分（Ding等人，2015；Lu等人，2026）。在零下温度下，体相水转化为冰，其T?弛豫

讨论

本研究的主要发现是，在?30°C测得的T?与冻融循环过程中面筋网络的完整性之间存在强相关性。与多孔度的相关性达到r = 0.92，与蛋白质面积百分比的相关性达到r = ?0.89（图S1）。这些数值表明冷冻态T?对与面筋网络结构状态相关的变化具有敏感性。这些结果表明，冷冻态T₂可能可用于监测冻融过程中面筋网络完整性的变化

结论

本研究采用原位VT-NMR和VT-CLSM研究了冻融循环过程中水-面筋相互作用的动力学。在?30°C测得的T₂与面筋网络微观结构损伤之间存在强相关性（与多孔度的r = 0.92），表明冷冻态T₂与冷冻条件下面筋网络完整性的变化相关联。VT-CLSM的观察结果为核磁共振的结论提供了结构支持。分子水平数据，包括游离?SH含量增加、

CRediT作者贡献声明

王舒婧：写作 – 初稿，方法论，调查研究，形式化分析，数据管理，概念构思。唐宁：方法论，调查研究，数据管理。姬盛新：方法论，调查研究，数据管理。李惠平：方法论，数据管理。艾志路：写作 – 审阅与编辑，指导，项目管理，资金获取。杨勇：写作 – 审阅与编辑，指导，方法论。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益关系或个人关系。

致谢

本研究受到国家重点研发计划（2021YFD2100200/2021YFD2100204）、河南省科技攻关计划（262102110149）和河南省自然科学基金（262300420469）的资助。

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