混合纤维协同效应对海绵蛋糕品质特性的影响：基于混合物设计的多维优化研究

为解决膳食纤维摄入不足与烘焙产品品质难以兼顾的问题，研究人员通过混合物设计方法系统研究了苹果、甜菜和马铃薯纤维协同添加对海绵蛋糕理化特性及感官品质的影响。结果表明，30%面粉替代条件下，甜菜纤维显著提升蛋糕体积和硬度，马铃薯纤维降低硬度，而苹果纤维增加密度。优化配方(15.34%苹果纤维+6.87%马铃薯纤维+7.78%甜菜纤维)在保持产品接受度的同时，使膳食纤维(TDF)含量提升至0.7%，为功能性烘焙食品开发提供了新思路。

　　

在现代饮食结构中，膳食纤维摄入不足已成为普遍问题，世界卫生组织建议每日摄入25-30克膳食纤维，但实际摄入量往往不足推荐值的一半。与此同时，烘焙食品作为全球消费量最大的加工食品之一，其高糖高脂特性与健康饮食理念存在矛盾。如何在提升烘焙产品膳食纤维含量的同时保持其感官品质，成为食品科学领域的重要挑战。传统单一纤维添加常导致产品质地硬化、体积缩小等问题，而不同纤维源的协同效应尚未得到系统研究。

针对这一科学问题，伊朗伊斯兰阿扎德大学的研究团队创新性地采用混合物设计(Mixture Design)方法，首次将苹果纤维、甜菜纤维和马铃薯纤维以不同比例组合，替代海绵蛋糕中30%的小麦面粉，系统评估了三种纤维协同作用对产品理化性质、质构特性和感官接受度的影响。研究发现甜菜纤维的添加显著提升蛋糕体积和硬度，马铃薯纤维则表现出软化效果，而苹果纤维会增加产品密度。通过数学模型优化，最终确定15.34%苹果纤维+6.87%马铃薯纤维+7.78%甜菜纤维为最佳配比，在保证产品接受度的同时，使总膳食纤维(TDF)含量达到0.7%。该研究为开发兼具营养与口感的功能性烘焙食品提供了重要理论依据和技术支持，相关成果发表在《Food Hydrocolloids for Health》期刊。

研究主要采用混合物设计实验方案，通过Design Expert 10软件设计14组不同纤维配比实验。关键技术包括：质构分析(TPA)测定硬度、凝聚性和弹性等参数；凯氏定氮法测定蛋白质含量；索氏提取法测定脂肪含量；卤素水分测定仪分析水分活度；感官评价采用5点享乐量表由20名训练有素的评审员完成。所有实验均进行三次生物学重复。

4.1 海绵蛋糕的理化特性
4.1.1 水分
苹果纤维表现出最强的水分保持能力，其高亲水性使蛋糕水分含量达15.04%，而马铃薯纤维对水分保持影响最小。这种差异源于不同纤维中羟基基团与水分子形成氢键能力的差异。

4.1.2 灰分
苹果纤维灰分含量最高(2.8%)，与其较高的矿物质含量相关。混合物设计中，苹果纤维与甜菜纤维或马铃薯纤维的组合均产生正向协同效应，而甜菜与马铃薯纤维组合则呈现拮抗作用。

4.1.3 脂肪和蛋白质
纤维替代对蛋糕脂肪(23.41%)和蛋白质(12.49%)含量影响不显著，证实膳食纤维本身几乎不含这两类成分。

4.2 纤维替代对粗纤维和膳食纤维的影响
马铃薯纤维对粗纤维含量提升效果最显著(3.30%)，而甜菜纤维对总膳食纤维(TDF)贡献最大(0.8061%)，这与其含有22%水溶性果胶和丰富的不溶性纤维成分相关。

4.3 纤维替代对海绵蛋糕质构特性的影响
硬度：甜菜纤维使硬度最高达4477.9g，而马铃薯纤维可降低硬度至2352.4g。这种差异源于甜菜纤维与面筋蛋白的分子缠结作用。
凝聚性：苹果纤维在1.5%添加量时使凝聚性达峰值，其优异的水分保持能力增强了产品结构完整性。
弹性：甜菜纤维降低弹性至7.13mm，而苹果和马铃薯纤维组合可保持8.04mm的弹性，这与纤维对淀粉回生(retrogradation)过程的干扰作用相关。

4.4 总体接受度
高含量苹果纤维(30%)使接受度降至2.42分(5分制)，而甜菜纤维为主的样品接受度达3.7分，表明质构特性是影响消费者偏好的关键因素。

4.5 优化验证
最优配方(15.34%苹果+6.87%马铃薯+7.78%甜菜纤维)的实际测定值与模型预测高度吻合，硬度3251.01g(预测3308.77g)，TDF含量0.62%(预测0.7%)，证实了模型的可靠性。

该研究首次系统阐明了三种植物纤维在海绵蛋糕中的协同作用机制，建立了基于混合物设计的纤维配比优化模型。研究发现甜菜纤维通过其独特的水溶性果胶和不溶性纤维组合，既能提升膳食纤维含量又能改善产品质构；而马铃薯纤维的软化作用可有效平衡其他纤维带来的硬度增加。这些发现不仅为功能性烘焙食品开发提供了具体配方指导，更创新性地提出了多纤维协同改性的技术路线，突破了传统单一纤维添加的技术瓶颈。从应用角度看，研究采用的纤维原料(苹果渣、甜菜粕和马铃薯皮)均为农产品加工副产物，其高值化利用符合食品工业可持续发展理念。未来研究可进一步探索纤维改性处理对产品品质的影响，以及不同烘焙工艺条件下纤维功能的稳定性。