可溶性纤维对喷雾干燥包埋黄油风味粉末结构稳定性、释放动力学及食品应用的影响：β-葡聚糖与菊粉的比较研究

《Food Hydrocolloids》：Exploring the Impact of Soluble Fibres on Structural Stability, Release Kinetics, and Food Applications of Spray-Dried Encapsulated Butter Flavour Powders

　　

研究人员考察了可溶性纤维（soluble fibres, SF）——β-葡聚糖（β-glucan）和菊粉（inulin）——对以辛烯基琥珀酸酐（octenyl succinic anhydride, OSA）淀粉和乳糖（lactose）包埋的喷雾干燥黄油风味粉末的结构稳定性、释放动力学及食品应用的影响。研究通过乳液与界面表征、喷雾干燥、储藏、X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）、差示扫描量热（differential scanning calorimetry, DSC）、固相微萃取-气相色谱-质谱（solid-phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry, SPME-GC-MS）和感官评价，分析风味保留、热性质、结晶行为、释放动力学和真实食品基质中的感官表现。结果显示，β-葡聚糖提高黄油风味保留并保留最高比例的二酮（diketones）；菊粉和乳糖在75%相对湿度（relative humidity, RH）下协同结晶；结晶性对风味保留的影响随温度和湿度变化；包埋改变风味释放动力学并提高热稳定性。结论表明，β-葡聚糖因维持无定形连续基质而优于菊粉，部分替代乳糖（1L1bG）可在保持感官接受的同时改善储藏稳定性。

该研究由 Dike Yang、Brad Baker、Cordelia Selomulya 和 Yong Wang 完成，发表在《Food Hydrocolloids》。研究背景在于，风味是消费者接受食品的关键，但高挥发性和热加工、储藏及食品应用中的降解敏感性限制其应用。喷雾干燥可将液体风味包埋为无定形粉末，改善操作性和货架期，但长期稳定性取决于壁材结构完整性。乳糖因溶解性和亲水屏障常作壁材，但无定形乳糖在吸湿并低于玻璃化转变温度（glass transition temperature, T_g）储藏时易结晶，增加壁材流动性，导致风味迁移、结块、美拉德反应和脂质氧化。高分量水胶体如可溶性纤维（soluble fibres, SF）可降低水分诱导增塑；β-葡聚糖和菊粉因结构不同可能影响乳糖结晶和释放，但它们在复杂黄油风味喷雾干燥包埋、长期储藏、热诱导释放和真实食品基质感官中的应用尚不清楚。因此，研究人员考察β-葡聚糖和菊粉对以辛烯基琥珀酸酐（octenyl succinic anhydride, OSA）淀粉和乳糖包埋的黄油风味粉末风味保留、结构/热稳定性、释放动力学和感官性能的影响，并假设支化β-葡聚糖比线性菊粉更抗水分诱导分子运动和结晶，且改变复溶释放动力学。研究得出β-葡聚糖提高风味保留、维持无定形结构、减少结块并改善长期储藏稳定性；菊粉与乳糖在75%相对湿度（relative humidity, RH）下协同结晶；结晶性对风味保留影响随温度和湿度变化；包埋改变释放动力学并提高热稳定性。意义在于为稳定风味递送系统设计提供依据，β-葡聚糖为优选壁材，部分替代乳糖（1L1bG）是有效策略。

关键技术方法概括：研究人员制备OSA淀粉、乳糖和SF壁材乳液，经高剪切和高压均质后离心喷雾干燥。测定乳液粒径、ζ-电位、表观黏度和空气/水及油/水界面张力；粉末测定风味保留、表面风味、水分含量、水活度、色差、扫描电子显微镜（scanning electron microscope, SEM）和DSC。用SPME-GC-MS分析挥发物；90 °C加热复溶乳液并以Avrami方程拟合释放；在75% RH、25 °C和40 °C密封铝箔袋中进行储藏，用XRD测结晶，GC-MS测风味保留。感官评价使用87名未训练品评员，经UNSW人类研究伦理委员会批准（iRECS9760），以从当地超市购买的速溶土豆泥为食品基质，进行9点标度、喜好和相似性排序及主成分分析（principal component analysis, PCA）。

研究结果如下。3.1 乳液表征与界面张力（Characterisation of emulsions and interfacial tension）：通过粒径、ζ-电位、流变和悬滴界面张力测定，所有乳液Z-average为145–160 nm，ζ-电位约?20 mV，SF主要通过空间位阻而非静电作用稳定；SF增加黏度，乳液近似牛顿行为；空气/水界面张力随时间下降，油/水界面张力较恒定；部分替代乳糖降低界面张力。3.2 SF对风味保留和组成影响（Effects of SF on flavour retention and composition）：通过UV-Vis和GC-MS发现，SF粉末保留高于单独乳糖；5% β-葡聚糖或菊粉使保留从43.7%提高到73.5%或58.4%；同壁芯比下，β-葡聚糖逐步替代乳糖使保留升至63.8%和73.9%，优于菊粉；表面油/风味相似，差异主要来自内部基质；高保留样品二酮比例更高，低保留样品三乙酸甘油酯及其衍生物和乳酮比例更高。3.3 SF对粉末热性质影响（Effects of SF on thermal properties of powders）：通过DSC、水分和水活度测定，双壁材体系在150–200 °C有吸热峰，三元壁材消失，热稳定性改善；除L的T_g为30.7 °C外，所有粉末T_g>50 °C；SF提高T_g，水分和壁芯比降低T_g；同壁芯比下β-葡聚糖样品水分/水活度更高但T_g更低，归因于支化结构可及羟基；T_g受分子量、水分和风味负载共同影响。3.4 湿度对粉末结晶和风味保留影响（Effects of humidity on powder crystallinity and flavour retention）：75% RH水吸附和XRD显示，SF增加吸湿性，菊粉更吸湿；7–24 h失水对应结晶；喷雾后所有样品无定形，168 h后除bG外均结晶；1L1bG降低结晶度至57.34%，1L1IN保持77.68%但α-乳糖一水合物峰增强，IN出现半结晶菊粉峰；β-葡聚糖支化网络保持无定形并中断乳糖晶体生长，菊粉和乳糖协同结晶；相关分析表明β-葡聚糖含量与酯、醛、内酯等正相关，菊粉与多数风味负相关；结晶度与二酮、酮等保留正相关；水分吸附与疏水高分子量化合物正相关，亲水低分子量化合物损失多由扩散驱动，疏水高分子量化合物由分配驱动。3.5 40 °C储藏影响（Effects of storage at 40 °C on powder crystallinity and flavour retention）：密封铝箔袋加速储藏和XRD、GC-MS表明，bG和1L1bG主要无定形，L和1L1IN逐渐结晶；1L1IN在1.5周菊粉结晶，3周后乳糖结晶；两种SF延缓乳糖结晶，β-葡聚糖更强；SF改善抗结块，β-葡聚糖优于菊粉；bG外观基本不变，1L1bG虽无定形仍结块，说明相态不能单独预测宏观行为；9周后bG保留最高，L因高结晶度较好保留二酮，但对高分子量/LogP化合物不明显，1L1bG和1L1IN因SF网络空间位阻保留较高。3.6 热处理对释放动力学影响（Effects of heat treatment on flavour release kinetics）：90 °C加热复溶乳液和Avrami拟合显示，小分子二酮快速释放，大分子酯和内酯慢；乙酰甲基原醇（acetoin）含量不变，未拟合；包埋样品二酮和酮释放常数k高于未包埋，热稳定性增强；疏水酯和内酯在未包埋样品中保留更高，因游离脂溶性溶剂；包埋样品n值变化并降低k，说明包埋改变释放机制而非内在速率；包埋降低加热后壬醛含量；不同SF和乳糖浓度影响不显著。3.7 真实食品基质感官评价（Sensory evaluation in real food matrices）：87名未训练品评员在速溶土豆泥中评价bG、1L1bG、1L1IN，总体喜好5.77–6.15，黄油香气、黄油滋味、后苦味和总体接受无显著差异；后苦味分布平坦、非正态、负峰度，个体敏感差异；PCA显示后苦味与总体接受在PC2相反，具负影响；相似性排序无显著差异，黄油香气和滋味与相似性在PC1正轴聚集。

讨论总结：结晶与风味保留关系依赖储藏条件；β-葡聚糖优于菊粉在于维持无定形连续基质、限制扩散；线性菊粉易重排结晶，屏障较差；释放由亲水小分子扩散和疏水大分子分配主导；感官可接受。结论翻译如下：本研究考察了SF（β-葡聚糖和菊粉）和乳糖对喷雾干燥黄油风味粉末理化性质的影响，包括风味保留、热性质、与储藏稳定性相关的结晶行为、释放动力学及食品基质中的感官性能。SF的加入提高了乳液黏度，并在喷雾干燥前为乳液提供了空间稳定。用SF替代乳糖和添加SF，尤其是β-葡聚糖，均显著提高了风味保留，从43.7%提高至73.5%，且喷雾干燥粉末中挥发性二酮比例更高。粉末的T_g取决于壁材总体分子量和水分活度。储藏条件在控制粉末结晶和风味保留中起关键作用。在75% RH下，结晶度与低分子量二酮和酮的保留呈正相关，表明自由无定形体积和分子迁移率降低限制了风味释放。在加速储藏研究中，β-葡聚糖的优越性能与其在水分增塑过程中维持基质完整性的能力有关，从而减少结构转变并限制长期储藏中的风味扩散。相比之下，线性菊粉更易发生分子重排和结晶，导致扩散屏障效果较差。此外，复溶并在90 °C加热后，包埋体系增强了二酮保留，同时加速了疏水酯和乳酮的释放，这主要由油/水分配效应驱动，并由亲脂性风味溶剂稳定。未训练品评员的感官评价显示，土豆泥中的黄油风味粉末获得可接受的总体喜好，喷雾干燥配方间无显著差异。在所研究的两种SF中，β-葡聚糖是优选的包埋材料，因为其持续改善风味稳定性和食品应用相关性质。虽然完全用β-葡聚糖替代乳糖提供了最高风味保留，但部分替代（1L1bG）似乎是提高储藏稳定性、同时保持相似感官接受度和乳糖基体系功能优势的有效策略。未来研究应关注SF分子量分布对网络形成和风味保留的作用，以及不同食品基质中风味粉末感官属性的定量分析。