乳清强化黑小麦Idli的流变学特性与功能性质研究：一种可持续的乳业副产物增值策略

《LWT》：Valorization of under-utilized whey: its effect on rheological and functional properties in black wheat idli

本研究针对乳业副产物乳清的高效利用问题，开发了三种乳清（Paneer乳清、Cheese乳清和乳清蛋白浓缩物WPC）强化的黑小麦Idli，系统评估了其理化特性、营养品质、流变学性质和代谢组学特征。结果表明，WPC强化Idli的蛋白质含量最高（24.76 g/100g），抗营养因子最低；Paneer乳清配方表现出最优的弹性（G'=9821 Pa）和质构特性；代谢组学揭示了乳清强化带来的氨基酸、多酚等生物活性物质显著增加。该研究为乳清副产物的高值化利用和功能性谷物食品开发提供了新策略。

　　

随着食品工业的快速发展和消费者需求的转变，个性化营养、肠道健康和可持续性已成为当今食品领域的重要趋势。乳业在奶酪和Paneer生产过程中每年产生1.8-1.9亿吨乳清，其高生化需氧量给环境带来巨大压力，亟需开发可持续的增值策略。与此同时，黑小麦作为一种富含花青素和膳食纤维的特色谷物，因其抗氧化、抗炎和心脏保护特性而受到关注，成为功能食品开发的理想载体。

印度传统发酵食品Idli以其天然发酵工艺、增强消化率和益生菌潜力而著称，是功能成分的理想基质。尽管先前研究探索了鹰嘴豆、手指粟等替代原料，但尚未有研究系统探讨乳清强化与黑小麦发酵对Idli流变学、营养和代谢特性的综合影响。

为此，研究团队开发了四种黑小麦Idli配方：对照组（BWI，水）、Paneer乳清组（BWP）、Cheese乳清组（BWC）和乳清蛋白浓缩物组（BWWPC），并对其理化特性、营养品质、微生物安全性、感官特性、代谢组学、流变学和热力学性质进行了全面评估。

研究人员采用的主要技术方法包括：使用Hunter Lab色彩分析仪测定色泽特性；质构分析仪（Brookfield CT3）测定硬度、粘附性等参数；流变仪（MCR 702）分析储能模量（G'）和损耗模量（G''）；差示扫描量热仪（DSC）测定糊化温度；X射线衍射分析晶体结构；扫描电镜结合能谱分析微观形貌和元素组成；傅里叶变换红外光谱分析分子结构；高分辨率精确质谱（HRAMS）进行非靶向代谢组学分析。所有实验均采用三次独立生物学重复，使用GraphPad Prism和Origin-Pro进行统计分析和可视化。

3.1. 理化性质

乳清强化显著提高了Idli的蛋白质含量，BWWPC组达到24.76 g/100g，比对照组（18.7 g/100g）提高32.4%。WPC组表现出最低的植酸（5.52 mg/100g）和皂苷（616 mg/100g）含量。Paneer乳清组表现出最高的弹性（G' = 9821 Pa），而WPC配方提供了最坚实的质地。

3.2. 感官和质构评价

感官评价显示对照组总体可接受度最高（7.7），而WPC组因过硬质地得分最低（6.9）。BWC组因较高的钙含量和独特的氨基酸谱表现出显著更高的硬度（13.5 N）。质构分析表明乳清添加显著改变了产品的粘附性、弹性和内聚性。

3.3. 微生物质量

所有样品的总菌落数、大肠菌群和酵母霉菌计数均无显著差异，符合食品安全标准，表明加工过程的卫生控制有效。

3.4. 抗氧化潜力

抗氧化能力测定显示，对照组具有最高的DPPH抑制率（72.20%）和FRAP值（55.84 mmol/100g），而乳清强化组的总酚含量（TPC）更高，可能与乳清中的氨基酸与Folin-Ciocalteu试剂反应有关。

3.5. 抗营养因子测定

WPC组的植酸含量最低（5.52 mg/100g），比对照组降低33.6%。然而，BWWPC组的单宁含量最高（396.571 mg/100g），可能与乳清蛋白与单宁的强结合作用有关。

3.6. 非靶向代谢组学分析

HRAMS分析鉴定出452-535种代谢物，包括胺类、酰胺、有机酸、脂肪酸、氨基酸、多酚和维生素。BWC组富含苏氨酸和组氨酸，BWWPC组显示更高的蛋白质-脂质相互作用。PCA分析显示PC1和PC2分别解释了30.30%和25.12%的方差，表明乳清类型是代谢物多样性的关键驱动因素。

3.7. 色泽特性

色泽分析显示BWC组具有最高的L*值（65.36，最亮），而BWWPC组具有最高的褐变指数（12.43）。所有样品的色调角（60.01-67.94°）表明产品呈黄色调。

3.8. 流变学性质

所有面糊均表现出非牛顿剪切稀化行为。Paneer乳清组表现出最高的储能模量（G' = 9821 Pa）和复合粘度（112190 mPa·sec），表明形成了最强的弹性网络。损耗因子（tan δ）均小于1，表明所有样品均呈现凝胶状结构。

3.9. 差示扫描量热法热学性质

热分析显示对照组具有最低的糊化峰值温度（T_p = 63.84°C），而Paneer乳清组最高（102.84°C），表明乳清蛋白-淀粉相互作用增强了热稳定性。

3.10. X射线衍射

XRD分析显示所有样品均保持A型结晶结构，但乳清添加影响了峰强度和锐度。Paneer乳清组显示出更尖锐的衍射峰，表明乳糖和有机酸与淀粉分子形成交联，增强了结晶度。

3.11. 扫描电镜与能谱分析

SEM显示对照组表面光滑且孔隙可见，而乳清强化组表现出增强的淀粉-蛋白质相互作用。EDX分析显示钾（K）在所有样品中含量最高，钙（Ca）在BWC组中含量显著，硫（S）在BWWPC组中显著升高。

3.12. 傅里叶变换红外光谱

FTIR分析显示乳清强化组的O-H伸缩峰向高波数移动，表明氢键增强。酰胺I区（1600-1700 cm^-1）在乳清强化样品中增强，反映了蛋白质变性和聚集形成的β-折叠结构。

该研究通过多学科方法系统阐述了乳清强化黑小麦Idli的理化特性、功能性质和代谢特征，证实了乳清副产物在功能性食品开发中的巨大潜力。WPC强化提供了最高的蛋白质含量和最低的抗营养因子，但质地过硬需要优化；Paneer乳清表现出最优的流变特性；Cheese乳清则提供了独特的矿物质和氨基酸谱。代谢组学分析从分子水平揭示了乳清强化带来的生物活性物质变化，为产品功能声称提供了科学依据。

研究表明，将乳清副产物整合到传统发酵食品中，不仅能够解决环境问题，还能显著增强产品的营养价值和功能特性。这种基于循环经济原则的方法为乳业副产物的高值化利用提供了可行策略，同时促进了功能性谷物食品的创新开发。未来需要通过体内研究、临床试验和大规模消费者接受度测试进一步验证其健康益处和市场潜力。该研究成果发表于《LWT》期刊，为可持续食品创新和营养密集型产品开发提供了重要参考。