《Foods》：Effect of Potato-Derived Ingredients on the Quality Characteristics and Resistant Starch Content of Durum Wheat Pasta
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摘要：将马铃薯源配料掺入谷物基产品中，是改善其营养品质并借由淀粉回生（starch retrogradation）促进抗性淀粉（resistant starch, RS）形成的一项颇具前景的策略。本研究考察了以10%和20%替代水平掺入马铃薯淀粉（potato
摘要：将马铃薯源配料掺入谷物基产品中，是改善其营养品质并借由淀粉回生（starch retrogradation）促进抗性淀粉（resistant starch, RS）形成的一项颇具前景的策略。本研究考察了以10%和20%替代水平掺入马铃薯淀粉（potato starch, PS）、马铃薯片（potato flakes, PF）和马铃薯粗粒（potato grits, PG）对硬质小麦意面（durum wheat pasta）工艺学、理化、营养及RS特性的影响。所有马铃薯强化意面样品均与以100%硬质小麦粗粒粉（durum wheat semolina）制成且不含任何添加剂的对照样（CON）进行比较。研究人员对意面样品进行了粉质仪（farinograph）特性、蒸煮品质、质构剖面、色泽、化学组成以及经蒸煮、冷藏（4 °C，24 h）和冷冻（?18 °C，24 h）处理后淀粉消化性的评估。马铃薯物料的掺入显著影响面团行为及意面品质，其效应取决于掺入类型与水平。PF及20% PG的掺入使意面样品总膳食纤维（total dietary fiber, TDF）含量略有增加，但差异未达统计学显著水平（p > 0.05），而PS添加则降低了TDF水平。马铃薯强化意面表现出较对照更短的最小蒸煮时间（minimum cooking time, MCT），而蒸煮损失（cooking loss, CL）增加，尤以PG20为甚（9.33% d.b.）。质构特性受马铃薯配料影响显著，PF产生最高的硬度与粘附性（adhesiveness）值，而PS的质构特性更接近对照。单独冷藏处理在大多数样品中仅导致可忽略的RS形成；然而，冷冻贮藏产生的RS含量显著高于冷藏贮藏，这一响应与回生、抗酶解淀粉结构的形成相一致。RS含量最高值见于PG20（3.18% d.b.），较对照增加335.6%，并伴随可消化淀粉的降低。上述发现表明，马铃薯配料的物理形态在决定意面品质方面发挥关键作用，且PG结合冷冻贮藏可提高硬质小麦意面的RS含量，尽管这一效应伴随更高的蒸煮损失及质构变化。
马铃薯源配料对硬质小麦意面品质特性与抗性淀粉形成的影响：基于配料形态与贮藏条件的系统研究
一、研究背景与问题提出
硬质小麦意面（durum wheat pasta）是全球广泛消费的主食，具有价格低廉、货架期长、制备简便及食用多样等优点，是地中海饮食的重要组成部分。相较于许多其他精制谷物制品，意面通常产生较低的血糖响应，这一特性主要归因于其致密的谷蛋白-淀粉基质（gluten-starch matrix），该结构限制了酶的可及性并减缓了消化过程中的淀粉水解速率。然而，传统意面主要由可消化淀粉构成，膳食纤维含量相对较低。随着消费者对具有改善营养与生理特性食品需求的日益增长，通过功能性配料强化意面成为重要研究方向。但以马铃薯源配料替代粗粒粉可能改变水分分布、谷蛋白发育、淀粉糊化、蒸煮行为及质构特性，因此意面配方重构必须在营养改善与保持工艺品质之间取得平衡。
抗性淀粉（resistant starch, RS）定义为在小肠中抵抗消化并到达结肠的淀粉组分，按结构与抗酶解机制分为五类（RSI–RSV），包括物理不可及淀粉、天然抗性颗粒、回生淀粉（retrograded starch）、化学改性淀粉及直链淀粉-脂质复合物。其中RSIII在熟制食品中尤为重要，可在冷却与贮藏过程中生成，其有序结构限制α-淀粉酶活性，从而减少消化过程中葡萄糖的释放量与释放速率。到达结肠的RS还可被肠道微生物发酵，产生乙酸、丙酸和丁酸等短链脂肪酸，对结肠健康、肠道屏障功能、微生物平衡、血糖稳态及脂质代谢具有潜在益处。然而，RS的生理效应取决于其结构、剂量、食品基质及加工历史。
马铃薯源配料是谷物基食品中淀粉及其他营养素的潜在来源。马铃薯淀粉具有较大颗粒、高溶胀能力和强成糊特性，部分归因于支链淀粉中天然存在的磷酸酯基团。与分离淀粉不同，马铃薯粉保留了块茎其他组分，包括蛋白质、纤维和矿物质。马铃薯粉、片和粗粒因生产工艺涉及不同的热处理与机械操作组合，在食品基质中可能表现不同，这些加工条件可改变颗粒形态与孔隙率、淀粉颗粒完整性、细胞结构及淀粉糊化程度，进而影响其功能特性。例如，马铃薯片含有预糊化淀粉，水合过程中迅速产生粘度；而加工程度较低的物料如马铃薯粉可能保留更多完整淀粉颗粒。
已有研究表明，掺入马铃薯配料可显著改变小麦基面团及制品。马铃薯淀粉改变水分分布、干扰谷蛋白聚集，并影响鲜面条的流变与蒸煮特性。在面团模型实验中，马铃薯淀粉与谷蛋白的相互作用不如小麦淀粉有效，导致粘弹性结构稳定性降低。在马铃薯粉-小麦粉体系中，谷蛋白稀释与水分竞争随替代水平增加而逐步降低网络连续性。马铃薯片的高吸水能力可限制谷蛋白水合并暴露与面团粘性增加相关的醇溶蛋白富集区域。马铃薯粉的加工方法与粒径也被证明影响面条的面团发育、糊化行为、色泽、蒸煮损失、质构及感官接受度。
意面中亦报道了类似效应。Sharma等观察到掺入马铃薯粉和木豆粉后蒸煮品质与体外淀粉消化性的变化，但马铃薯粉的单独贡献难以与豆类组分完全区分。Sharma等随后证明马铃薯粉与马铃薯泥对糊化特性、蒸煮损失、质构、微观结构及淀粉消化性产生不同影响，凸显了配料形态的重要性。甘薯淀粉、香蕉淀粉、脱支糯米淀粉及马铃薯皮组分的掺入同样表明，提高意面RS或纤维含量通常伴随蒸煮时间、吸水率、硬度、粘性及蒸煮过程中干物质损失的变化。
关于蒸煮后贮藏促进RSIII形成，其机制涉及冷却过程中糊化淀粉链的重新缔合与重结晶。直链淀粉的回生速度快于支链淀粉，而回生程度取决于淀粉组成、水分可用性、与其他食品组分的相互作用及先前加工条件。冷藏可提供足够的分子流动性促进淀粉链重新缔合，但其效应取决于食品基质。冷冻则产生更复杂的响应：冰晶形成从未冻相中去除水分，局部浓缩淀粉聚合物，并可能破坏熟制基质；同时低温限制分子流动性。因此，?18 °C贮藏不一定比冷藏更促进RSIII形成，结果取决于可用水、冷冻速率、冰晶形成、淀粉链流动性及解冻过程中的结构变化。
尽管马铃薯强化谷物产品日益受到关注，但在相同意面加工条件下直接比较马铃薯淀粉、片和粗粒的研究仍有限。已有研究通常考察单一马铃薯配料、替代水平或植物来源淀粉，对配料形态与蒸煮后贮藏温度的综合影响关注较少。因此，马铃薯淀粉、片和粗粒是否在谷蛋白-淀粉基质中产生可比变化，或对冷藏与冷冻是否具有相似响应，尚不明确。特别是它们各自对水分分布、淀粉糊化、基质连续性、回生及RS形成与工艺品质之间平衡的影响尚未建立。
本研究旨在评估以10%和20%替代水平将三种马铃薯源配料替换硬质小麦粗粒粉对意面品质及理化性质的影响，测定混合物的粉质仪特性、意面组成、蒸煮品质、色泽、质构及4 °C或?18 °C贮藏24 h后的RS含量。研究新颖性在于在同一意面体系中比较加工强度与物理特性不同的马铃薯配料，并评估其对意面品质及蒸煮后贮藏期间RS形成的影响。
二、主要关键技术方法
研究人员采用多种标准化方法开展研究。原料特性表征包括粒径分布筛分分析、淀粉糊化度测定（PN-A-79011-11:1998）、吸水指数（WAI）与水溶指数（WSI）测定，以及总淀粉和RS含量测定。糊化特性采用快速粘度分析仪（RVA）方法，在MCR 92振荡-旋转流变仪上完成。面团特性依据ICC标准No. 115/1和AACC Method 54-21.02进行粉质仪测定，获取面团形成时间（DDT）、吸水率、稳定性、软化度及粉质仪品质数（FQN）。意面样品采用MAC 30S-Lab挤压机（ItalPast，意大利）以半技术实验室规模生产，所有配方最终面团水分含量为32%。RS含量采用Megazyme抗性淀粉测定试剂盒（K-RSTAR）按AOAC 2002.02/AACC 32-40.01方法测定。化学组成依据相应AACC/AOAC方法测定水分、灰分、粗蛋白（凯氏定氮法）、粗脂肪（索氏提取法）及总膳食纤维（TDF）、不溶性膳食纤维（IDF）和可溶性膳食纤维（SDF）。蒸煮品质依据AACC Method 66-50.01评估最小蒸煮时间（MCT）、增重指数（WII）和蒸煮损失（CL）。质构剖面分析（TPA）采用Brookfield AMETEK CTX质构分析仪完成。色泽参数采用Konica Minolta CR-5球形分光光度计在CIE Lab*系统下测定。统计分析采用单因素方差分析（ANOVA）及Tukey事后检验，组间比较采用独立样本t检验，显著性水平设定为p < 0.05。原料来源：硬质小麦粗粒粉由意大利Mulino Caputo提供；马铃薯淀粉由波兰PPH "JANEX"提供；马铃薯片和马铃薯粗粒由波兰Zak?ady Przemys?u Ziemniaczanego Sp. z o.o.提供。
三、研究结果
3.1 原料理化特性与功能性质
原料表征结果显示，马铃薯淀粉（PS）粒径最小，100%颗粒属于细组分（<160 μm）；马铃薯粗粒（PG）和马铃薯片（PF）具有最大等效粒径（分别为336.89 μm和302.61 μm），硬质小麦粗粒粉（DWS）为155.77 μm。PF表现出最高淀粉糊化度（98.04%），PG为76.4%，PS最低。PF具有最高WAI（712.14%）和WSI（30.79%），PS的WSI约为其1/27，WAI约为其1/4.03。PS总淀粉含量最高（85.54% d.b.），含RS 22.48% d.b.；PF和DWS的RS含量最低（分别为2.05%和2.39% d.b.）。糊化特性方面，PF糊化起始温度最低（54.4 °C），峰值时间极短（1.03 min），证实预糊化淀粉存在；PS峰值粘度最高（8350.33 cP），崩解值极高（6656.67 cP），终粘度与回升值亦最高；PG和DWS崩解值低，表明结构完整性较高。
3.2 意面加工
PS显著提高挤压机产能（p < 0.05），从对照的24.60 kg h?1增至10%和20%替代时的28.26和30.48 kg h?1；PF和PG的产能（25.14–26.16 kg h?1）与对照无显著差异。挤压压力从对照的18 MPa降至PF的12–14 MPa和PG的14–16.5 MPa，PS在10%和20%替代时分别为15.5和18 MPa。PS产能提高可能与谷蛋白网络连续性降低有关，而PF和PG的响应差异表明谷蛋白稀释并非唯一决定因素。
3.3 粉质仪特性
对照吸水率为61.45%，PS替代使其降至59.35%（10%）和57.30%（20%）；PF和PG则显著提高吸水率，分别达76.30%/85.95%（PF10/PF20）和71.60%/81.30%（PG10/PG20）。PF的高吸水率与其加工历史及预糊化淀粉有关。面团形成时间方面，PS影响甚微，PG显著延长至6.43–7.21 min。对照稳定性为15.37 min，PF10降至1.25 min，PG从8.44 min（10%）降至5.13 min（20%），PS10保持14.54 min。软化度从对照25 FU增至PF10的212 FU和PG的88.5–128.5 FU。FQN从对照146 mm降至PF的30.5–33.0 mm，PG为101.5–112 mm，PS10为151 mm。
3.4 化学组成
PS仅含0.48% d.b.蛋白、0.27% d.b.灰分和3.38% d.b. TDF，而PF和PG含8.85–9.21% d.b.蛋白、2.61–2.94% d.b.灰分和8.58–9.63% d.b. TDF。意面蛋白含量从对照14.78% d.b.降至PS10的13.55%和PS20的12.51% d.b.；PF和PG意面蛋白降幅较小。灰分方面，PS未产生一致增加，PF和PG在20%替代时分别增至1.35%和1.26% d.b.。TDF方面，PS显著降低TDF至5.16–5.18% d.b.，PF产生数值最高TDF（8.17–8.19% d.b.），PG为6.94–7.51% d.b.，但PF和PG相对对照均未达统计学显著增加。脂肪含量低且无显著差异。碳水化合物含量从对照77.67%至PS20的82.04%。计算能量值相对稳定（384.28–390.97 kcal/100 g）。
3.5 蒸煮品质
对照MCT为8.75 min，PS仅轻微缩短至8.25–8.00 min（无显著差异），PF显著缩短至6.50（10%）和6.00 min（20%），PG10显著缩短至7.00 min，PG20为7.50 min（与对照无显著差异）。WII方面，PS显著提高至2.50–2.58，PF降至2.28–2.08，PG10为2.30，PG20为2.35。CL方面，对照为5.40% d.b.，PS基本不变（5.19–5.42% d.b.），PF增至6.28–7.99% d.b.，PG从7.36%（10%）增至9.33%（20%），后者为所有配方最高值，超过优质意面约8%的阈值。
3.6 质构剖面分析
对照硬度为11.32 N，PS10为5.54 N（统计可比），PS20显著增至24.65 N。PF10和PF20硬度最高（81.53和56.45 N），PG10和PG20亦较高。粘附性方面，对照和PS10无可测粘附性，PS20仅0.06 N·s，PF10和PF20达1.92和2.02 N·s，PG20为1.12 N·s。内聚性从对照0.96降至PS20的0.80、PG的0.40–0.58和PF的0.34–0.36。弹性指数从对照0.99降至PG10的0.71及PF10、PF20和PG20的0.36–0.39。
3.7 色泽分析
原料中PS具有最高亮度（L* = 92.66）和白度指数（WI = 92.21），PG最暗（L* = 79.49）且黄度最高（b* = 22.29；YI = 40.08）。意面方面，对照L为56.31，PS10统计可比（54.53），PS20显著增至59.79；PF显著降低L至52.81（10%）和51.86（20%），PG10显著降至53.49，PG20（56.75）与对照无显著差异。总色差ΔE*方面，PF20最大（5.42），其次为PF10（4.21）、PS20（3.61）、PG10（3.41）、PS10（2.55）和PG20（2.25）。
3.8 可消化与抗性淀粉含量
4 °C冷藏24 h后，对照及所有PS和PF样品未检出RS，仅PG10和PG20检出RS（分别为0.56和0.69% d.b.）。?18 °C冷冻24 h后，所有配方均检出RS，范围从PF10的0.58% d.b.至PG20的3.18% d.b.。相对冷冻对照（0.73% d.b.），PS10（1.21%）、PS20（2.53%）、PG10（1.84%）和PG20（3.18%）显著更高，PF20（0.89%）无显著差异，PF10显著更低。冷冻同时伴随所有配方可消化淀粉的显著降低。从营养角度，PG20冷冻贮藏按80–100 g干意面份量计可提供约2.3–2.9 g RS，约占美国人群估计日均RS摄入量（4.9 g）的一半；RS仅占总淀粉约5%，远低于欧盟授权餐后血糖响应健康声称所要求的至少14% RS占总淀粉水平。
四、讨论与结论
讨论部分指出，配料类型对冷冻贮藏响应的差异可能与其加工历史、淀粉糊化程度、细胞组织及水分分布有关。PS中几乎完全天然的淀粉在蒸煮中充分糊化，释放大量可回生的直链淀粉，与其浓度依赖性RS增加一致；PF中淀粉已在滚筒干燥过程中糊化并部分回生，部分直链淀粉可能已浸出、与脂质复合或被包埋于完整细胞内，限制了贮藏期间流动性；PG中部分糊化淀粉（76.4%）仍嵌于细胞壁材料中，可能局部限制水分可用性并促进链缔合。支链淀粉上结合的磷酸单酯可增加水合并可能阻碍链紧密堆积，进一步调节回生。由于未测定直链淀粉含量、支链淀粉链长分布及淀粉结晶度，这些解释仍属假设，需通过XRD和DSC等分析确认。
研究结论为：马铃薯源配料的掺入改变了硬质小麦意面的工艺、组成及淀粉消化特性，响应强烈依赖于配料类型和替代水平。PS对面团稳定性和蒸煮品质的破坏最小，并促进蒸煮中更高的水分吸收；PF在混合阶段表现出最高水合需求并显著削弱面团稳定性，形成更硬但内聚性更低、粘附性更高的熟制结构；PG产生中等流变响应但增加蒸煮损失，尤以高替代水平为甚。蒸煮后贮藏是淀粉酶解敏感性的重要决定因素：4 °C冷藏24 h在大多数配方中仅产生少量可检测RS，而?18 °C贮藏提高了多数样品的RS含量，最高积累见于PG20和PS20。可消化淀粉同步降低与冷冻贮藏中形成酶可及性更低的结构一致。总体而言，配料加工状态与蒸煮后贮藏条件共同决定意面工艺品质与抗性淀粉形成之间的平衡。在所测配方中，PS更好地保持了传统意面品质，而PG在冷冻贮藏后显示出更大RS形成潜力，尽管伴随部分蒸煮和质构属性劣化。由于所获RS水平仍属中等，且未评估感官接受度、微观结构及批次间重现性，上述发现应在实际应用前加以确认，尤其对PG20——其最高RS含量伴随最高蒸煮损失。
