《Applied Food Research》：Role of void fraction and electrical conductivity in governing microstructural changes and final properties of wheat bread during ohmic baking
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本研究旨在解决欧姆烘焙（一种利用面团电阻产生热量的高效加热技术）中，面团特性如何影响面包最终品质的机制不清问题。研究人员系统探讨了不同孔隙率（16–69%）和电导率（0.4–2.4 mS/cm）的模型小麦面团，揭示了其对烘焙过程中的结构演变、面包质构、体积及孔隙微观结构（X射线显微断层扫描分析）的影响。研究发现，孔隙率是决定最终面包特性的关键因素，而电导率主要影响加热过程的稳定性。该研究为欧姆烘焙技术的精准控制和定制化应用提供了重要的机理依据。
想象一下，未来的面包烘焙不再依赖传统的烤箱，而是像闪电一样，利用电流通过面团自身产生热量，实现从内到外的均匀加热。这种名为“欧姆加热烘焙”的技术，以其高效节能、加热快速的潜力，正成为食品工业关注的焦点。然而，要将这种实验室里的新奇技术转化为稳定可靠的工业化生产过程，并确保其生产的面包在体积、口感和质地上不输于、甚至优于传统烘焙产品，我们面临着根本性的挑战：我们对面团在这种独特的“电热”作用下的行为知之甚少。具体来说，面团的哪些特性决定了它在通电加热时的表现？这些特性又如何影响面包内部微观气孔的形成、长大与稳定，最终决定面包是松软可口还是结构塌陷？
为了回答这些问题，来自奥地利维也纳自然资源与生命科学大学（BOKU University）的Kate Waldert及其合作者们，在《Applied Food Research》上发表了一项深入研究。他们瞄准了两个核心面团参数：一是面团孔隙率（Dough Void Fraction, DVF），它代表了面团中气体所占的体积分数，是面包蓬松度的基础；二是电导率（Electrical Conductivity, EC），它决定了面团传导电流、产生热量的效率。研究人员巧妙地将这两个因素结合起来，通过控制醒发时间（0, 45, 90分钟）和食盐添加量（0.5% 和 1.5%，基于面粉重量），制备了六种具有不同初始DVF（16-69%）和EC（0.4-2.4 mS/cm）的模型小麦面团。然后，他们使用一个平行板电极的欧姆加热原型设备对这些面团进行烘焙，系统地研究了初始面团特性对加热过程、最终面包物理特性以及最关键的部分——烘焙过程中微观结构的动态演变——的影响。
为了开展这项多维度研究，作者团队综合运用了几项关键技术。首先，他们使用了一套能精确控制搅拌和醒发条件的原型搅拌机，以制备具有预设DVF的面团，并通过阿基米德排水法验证DVF。其次，研究的核心是利用欧姆加热系统进行烘焙，该系统能够施加恒定的交流电场强度（15 V/cm），并实时监测温度、电流、电压和功率输入，从而计算面团的有效电导率（σ）。第三，为了无损地观察面团和面包内部的三维微观结构，他们采用了X射线显微断层扫描（X-ray micro-tomography, XMT）技术，在关键的烘焙中间阶段（48°C, 68°C, 98°C）对样品进行扫描，定量分析孔隙率、平均孔径和孔壁厚度。最后，通过质地分析仪进行压缩测试，以及图像分析软件（ImageJ）对面包切片的二维孔结构进行分析，全面评估了最终面包的质构硬度、弹性、比体积和孔隙特征。
研究结果揭示了以下几个重要发现：
3.1. 模型面包面团的孔隙率与电导率
研究成功制备了DVF和EC范围广泛的模型面团。DVF随醒发时间增加而升高（从约16%到69%），而食盐添加则通过抑制酵母活性和增加离子浓度，同时影响着DVF和EC。有趣的是，高孔隙率会导致电导率降低，因为气体是不良导体。
3.2. 欧姆烘焙过程表征
电导率是加热行为的“主宰者”。初始EC > 1.0 mS/cm的面团（高盐组）表现出更稳定、更快速的加热曲线。而初始EC < 1.0 mS/cm且DVF极高的面团，则可能因电阻过大而无法在规定时间内达到目标温度。在恒定电压下，电流强度随温度升高呈现先略升、后平台、再略降的趋势，这反映了面团膨胀、淀粉糊化、水分蒸发等多重动态过程的综合效应。更重要的是，烘焙过程中的孔隙膨胀补偿了面团初始导电性和孔隙率的差异，表明热-电相互作用对微观结构演变具有调节作用。
3.3. 面包的物理特性
初始孔隙率（DVF）是决定最终面包品质的关键因素，它与面包比体积、质构硬度和孔结构参数显示出强相关性。孔隙率高于65%会导致烘焙过程中气孔过度生长，产生更大的孔径和更柔软的面包屑，但会削弱结构的稳定性。相比之下，初始电导率（EC）对最终面包物理特性的直接影响微乎其微，它主要影响的是加热过程的效率与稳定性。
3.4. 欧姆烘焙过程中的微观结构变化分析
通过XMT三维成像，研究人员清晰地追踪了从面团到面包的微观结构演变路径。高初始DVF的面团始终具有更大的孔径和更高的孔隙度。研究确定了一个关键的温度节点——约68°C。在此温度附近，孔隙结构趋于稳定，标志着从气孔膨胀到结构固定的转变。低于此温度（如48°C）中断烘焙，结构在冷却过程中会发生塌陷，尤其是在高DVF且无硬壳支持的欧姆烘焙面包中。孔壁厚度在整个烘焙过程中基本保持恒定，最终面包的孔壁厚度与传统烘焙面包报道值相当。
结论与讨论部分归纳指出，这项研究深化了对欧姆烘焙小麦面包从微观到宏观的结构发育的理解，并阐明了面团特性、烘焙条件与最终产品品质之间的相互作用机制。电导率是主导加热行为的关键工程参数，为实现基于在线监测的主动过程控制提供了依据。孔隙率则是影响过程-结构关系的核心产品参数，它与面包体积和质构密切相关，可通过醒发时间进行有效调控。X射线显微断层扫描技术成功识别出约68°C的结构固定关键温度，这与淀粉糊化和蛋白质变性的温度范围一致。综上所述，有针对性地调整面团的孔隙率和电导率，可以实现对欧姆烘焙结果的定制化控制，在保障产品质量的同时支持过程的可持续发展。这项研究为欧姆烘焙从实验室概念走向稳健的工业应用奠定了坚实的机理基础，并指明了未来研究应关注局部结构动力学及结合感官评价等方向。
