赤藓糖醇基绿茶曲奇的感官驱动配方优化、理化性质、抗氧化活性及结构表征研究

《Foods》：Sensory-Driven Formulation Optimization, Physicochemical Properties, Antioxidant Activity, and Structural Characterization of Erythritol-Based Green Tea Cookies

　　

尽管绿茶是公认的多酚来源且具有显著的抗氧化特性，但关于其在赤藓糖醇基焙烤产品中的应用研究仍较为有限。本研究以绿茶粉（green tea powder, GTP）、黄油和赤藓糖醇为原料，开发了一款赤藓糖醇基绿茶曲奇（green tea cookie, GTC），并通过单因素实验和Box–Behnken响应面设计对配方进行了优化。最优配方为绿茶粉7.88 g、黄油72.13 g、赤藓糖醇39.63 g，模型预测感官评分为80.35分，经12名 trained 评价员验证的实际感官评分为81.07 ± 1.87分。与对照黄油曲奇（butter cookies, BC）相比，优化后曲奇的总酚含量（total phenolic content, TPC）提高了4.5倍，抗氧化活性显著增强，其铁离子还原抗氧化能力（ferric reducing antioxidant power, FRAP）达96.06 mg AAE/g干重（dry weight, DW）。绿茶粉的添加还改变了曲奇的色泽和质构特性。扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）显示，与对照黄油曲奇相比，绿茶曲奇呈现出更致密且更均匀的微观结构，孔隙面积分数由17.8%降至8.0%。傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared, FTIR）分析表明，蛋白质二级结构元素发生再分布，提示可能存在结构重排。综上，本研究表明绿茶粉能够增强赤藓糖醇基曲奇的抗氧化能力并改善其品质属性，为开发功能性赤藓糖醇基产品提供了潜在途径。

赤藓糖醇基绿茶曲奇的开发：从感官驱动配方优化到多尺度结构表征

一、研究背景与问题提出

曲奇凭借其酥脆的质构和独特的外观，已成为全球消费量最大的焙烤零食之一。随着公众健康意识的不断提升，传统焙烤制品因高糖、高脂、高能量等特征正面临功能性、低糖化改良的迫切需求。在此背景下，利用天然生物活性成分强化并重构甜味体系，成为健康食品工业的重要研究方向。绿茶粉（GTP）富含茶多酚、L-茶氨酸、嘌呤生物碱和膳食纤维等活性成分，在焙烤制品中展现出良好的应用潜力；赤藓糖醇作为一种天然多元醇甜味剂，具有纯净甜味、几乎零热量且不升高血糖的突出优势。然而，现有研究仍存在三方面空白：其一，将绿茶粉与赤藓糖醇共同引入单一曲奇体系的研究鲜有报道，多数研究仅聚焦于其中一种策略；其二，配方优化多以理化指标为导向，而作为产品接受度决定性因素的感官品质往往被作为次要响应指标或单独评估；其三，从多尺度层面阐释配方变化与质构及微观结构变化之间机制关联的研究较为缺乏。因此，本研究旨在通过感官驱动的响应面优化，开发赤藓糖醇基绿茶曲奇，并从理化性质到结构层面进行系统表征，以填补上述研究空白。

二、研究内容与主要结论

研究人员以感官品质为优化目标，通过单因素实验筛选绿茶粉、赤藓糖醇和黄油的最优添加范围，继而采用Box–Behnken响应面设计建立感官评分回归模型。结果表明，黄油含量对感官评分的影响最大，其次为绿茶粉含量，赤藓糖醇含量影响最小。模型预测的最优配方为绿茶粉7.88 g、黄油72.13 g、赤藓糖醇39.63 g，预测感官评分80.35分，经三批独立验证实验获得的实际感官评分为81.07 ± 1.87分，相对误差仅为0.90%，证实模型具有良好的预测能力和可靠性。在最优配方基础上，研究人员将绿茶曲奇与对照黄油曲奇进行了系统比较，涵盖营养成分、色泽、质构、茶多酚含量及抗氧化活性等维度，并借助SEM和FTIR从微观结构和分子层面揭示了品质差异的结构来源。

三、关键技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：单因素实验与Box–Behnken响应面设计（response surface methodology, RSM）用于配方优化，以12名 trained 评价员的加权感官评分为响应值；依照国家标准测定水分、粗蛋白、粗脂肪和灰分等基础营养成分；采用色差仪（Ci7600）测定色泽参数L*、a*、b*；使用质构分析仪（TA.XT Plus）配合三点弯曲夹具评估硬度、柔韧性和断裂功；采用Folin–Ciocalteu法测定总酚含量（TPC），分别依据Brand-Williams等、Re等及Benzie和Strain的方法测定DPPH和ABTS⁺自由基清除能力及铁离子还原抗氧化能力（FRAP）；利用场发射扫描电子显微镜（SU5000）观察断面微观结构并结合ImageJ进行孔隙率定量分析；采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）结合酰胺I区（1600–1700 cm^?1）峰拟合分析蛋白质二级结构变化。

四、研究结果

4.1 单因素实验对绿茶曲奇感官品质的影响

单因素实验结果表明，绿茶粉添加量、赤藓糖醇添加量及黄油添加量对感官评分均呈现先升后降的趋势，分别在7.5 g、40 g和75 g时达到峰值。绿茶粉过量会增加茶多酚含量，加剧苦涩味并提高曲奇硬度；赤藓糖醇过低时甜度不足且茶涩味突出，过高时甜味过强掩盖茶香；黄油适量可改善面团加工性能，赋予酥脆口感，但过量会导致结构过于松散且奶香掩盖茶香。焙烤条件对感官品质的影响相对有限，且温度与时间作为配对组合同时变化，无法区分各自独立贡献。

4.2 响应面实验与模型优化

基于单因素实验结果，研究人员建立了三因素三水平Box–Behnken设计，共17个实验点。回归模型高度显著（p < 0.0001），失拟项不显著（p = 0.80），R²为0.98，校正R²为0.96，预测R²为0.92，变异系数为1.85%，精密度为17.61，表明模型拟合优度和预测能力俱佳。方差分析显示，绿茶粉含量、黄油含量及三个二次项对感官评分影响极显著（p < 0.01），赤藓糖醇含量及黄油与赤藓糖醇的交互项影响显著（p < 0.05）。各因素对感官评分的影响顺序为：黄油含量 > 绿茶粉含量 > 赤藓糖醇含量。

4.3 基础营养成分分析

与对照黄油曲奇相比，绿茶曲奇的水分和灰分含量显著升高（p < 0.05），粗蛋白含量略有增加但未达显著水平，碳水化合物含量显著降低（p < 0.05），粗脂肪和计算能量无显著差异。水分升高可能与绿茶粉中膳食纤维和茶多酚的亲水基团通过氢键增强持水能力有关；灰分增加归因于茶叶中钾、镁、钙等矿物质含量高于小麦粉；碳水化合物降低则与部分富含淀粉的小麦粉被富含非淀粉多糖和膳食纤维的绿茶粉替代有关。

4.4 质构与色泽差异

绿茶粉的添加显著改变了曲奇的色泽和质构特性。绿茶曲奇的L*值显著降低（p < 0.01），外观更暗，主要归因于绿茶粉中叶绿素和多酚的引入以及焙烤过程中多酚氧化和非酶褐变反应；a*值由正转负，绿色度增强；b*值显著升高（p < 0.01），黄色成分增加，呈现特征性的黄绿色外观。质构方面，绿茶曲奇的硬度、柔韧性和断裂功均显著高于对照（p < 0.01），表明绿茶粉促进了更致密的内部结构形成，曲奇韧性增强、酥脆度下降。

4.5 总酚含量与抗氧化能力

绿茶曲奇的总酚含量达0.45 g GAE/100 g干重，约为对照的4.5倍；FRAP值高达96.06 mg AAE/g干重，而对照仅为7.71 mg AAE/g干重，差异均极显著（p < 0.01）。绿茶曲奇对DPPH和ABTS⁺自由基的清除活性均呈浓度依赖性上升，在4 mg/mL质量浓度时DPPH清除率接近90%并趋于稳定，而对照的清除曲线保持平缓。研究表明，绿茶粉中的活性成分在焙烤后仍可检测，为曲奇体外抗氧化能力的增强提供了分子基础。但需注意，这些测定仅反映体外抗氧化能力，不能直接证明消化吸收或体内代谢后的抗氧化效应。

4.6 微观结构分析

SEM观察显示，对照曲奇表面可见轮廓清晰的完整淀粉颗粒，分布松散，内部存在大量孔隙和空腔，网络结构疏松，颗粒间结合程度低。绿茶曲奇中淀粉颗粒轮廓模糊，表面附着大量细小物质，部分颗粒嵌入连续基质中，颗粒间结合增强，整体结构更致密、更连续。孔隙率分析显示，绿茶曲奇的孔隙率由对照的17.8%降至8.0%，与质构分析中更高的硬度和断裂功结果一致，表明致密基质和减少的孔隙体积是绿茶曲奇抗变形和抗断裂能力增强的结构基础。

4.7 FTIR分析

FTIR光谱显示，两种曲奇的整体谱图高度相似，绿茶粉的添加未产生明显的新特征吸收带，说明其主要化学官能团未发生实质性改变。两种样品均在3240 cm^?1附近呈现宽而强的O–H伸缩振动带，绿茶曲奇的谱带轮廓略有差异，提示氢键环境发生变化；1740 cm^?1处的C=O伸缩振动主要来自脂质酯羰基；1000–1200 cm^?1的强吸收与C–O和C–O–C振动相关。酰胺I区峰拟合结果表明，与对照相比，绿茶曲奇的α-螺旋含量由26%降至19%，无规卷曲由16%降至14%，而β-折叠由30%升至37%，β-转角由28%升至30%，提示蛋白质二级结构元素发生再分布。这一变化可能与茶多酚通过氢键和疏水相互作用等非共价力与蛋白质结合、改变蛋白质构象有关，与SEM观察到的致密化微观结构相互印证。

五、结论与展望

本研究通过单因素实验和响应面方法确立了赤藓糖醇基绿茶曲奇的最优配方，即绿茶粉7.88 g、黄油72.13 g、赤藓糖醇39.63 g，预测感官评分80.35分，实际评分81.07 ± 1.87分。与对照黄油曲奇相比，优化后的绿茶曲奇表现出改良的营养组成、更深的绿色外观以及硬度、柔韧性和断裂功显著升高的独特质构特征。绿茶粉强化显著提高了总酚含量和体外抗氧化能力，体现在DPPH和ABTS⁺清除活性及FRAP值的显著提升上。SEM分析显示绿茶曲奇具有更致密连续的基质结构，孔隙率由17.8%降至8.0%；FTIR分析提示蛋白质二级结构发生再分布，表现为α-螺旋和无规卷曲含量降低、β-折叠和β-转角含量升高。综合观察表明，绿茶粉的添加可能通过改变茶源化合物与淀粉–蛋白质基质间的非共价相互作用促使曲奇基质发生结构重组，而非主要化学官能团的实质性改变。然而，SEM和FTIR数据本身不能直接证明这一分子机制，且实验设计无法完全区分分子相互作用与被替代面粉的物理填充效应。研究为赤藓糖醇基产品结合绿茶粉的开发提供了感官驱动的配方策略和结构层面的见解，未来仍需进一步评估产品的贮藏稳定性、风味特征和消化行为，并通过多批次独立制备实验确认研究结果在生产线间的稳健性。