玉米-豆类复合玉米饼的碱法烹制（Nixtamalization）处理对其流变学、营养及理化特性的影响

《Future Foods》：Impact of Nixtamalization Processing on the Rheological, Nutritional, and Physicochemical Properties of Tortillas Made from Nixtamalized Maize–Bean Flours

　　

摘要专业翻译 本研究评估了传统碱法烹制（traditional nixtamalization, TN）、生态碱法烹制（ecological nixtamalization, EN）及水煮处理（water cooking, CK）应用于四种豆类后，对由豆类与玉米碱法烹制粉（50:50）混合制成的复合玉米饼营养及理化特性的影响。碱法烹制是钙富集的主要驱动因素，而豆类种类显著影响蛋白质（14.61–18.11 g/100 g）、粗纤维（2.78–3.39 g/100 g）、碳水化合物（72.9–79.59 g/100 g）及灰分含量。传统碱法烹制产生最低的纤维保留率，而CK配方表现出最高的纤维和脂肪水平。豆类掺入使总碳水化合物较玉米玉米饼（83.90 g/100 g）降低最高达6%，而能量密度无明显变化（394.8–398.7 kcal/100 g）。与面粉玉米饼相比，添加豆类的玉米饼铁和锌含量显著升高，灰分则缓慢增加。颜色属性受加工方式和配方影响，反映了pH驱动的色素变化。碱法烹制过程影响淀粉水解动力学和抗性淀粉（resistant starch, RS）形成，而豆类种类影响基质黏度。氯化钙促进快速水解（k最高达1.40 min?1）并产生最高抗性淀粉水平（最高达5.04 g/100 g）。质构分析表明，碱法烹制豆类玉米饼较面粉对照组更柔软，表明豆类种类和碱法烹制处理影响玉米饼的质构特性。

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一、研究背景与意义

玉米是全球重要的基础作物，在墨西哥和中美洲，玉米饼（tortilla）不仅是日常主食，更承载着深厚的社会文化意义并驱动显著的经济活动。据统计，2024年墨西哥玉米饼及碱法烹制（nixtamalization）碾磨产业产值超过900亿墨西哥比索。传统碱法烹制是一种古老的碱性热处理工艺，使用氢氧化钙（Ca(OH)?，即石灰）将生玉米粒转化为适合制作玉米饼的面团和面粉。该工艺会引起淀粉糊化、果皮去除以及蛋白质溶解性和结构的改变，同时显著影响淀粉特性和消化率，进而可能影响葡萄糖吸收速率。此外，碱法烹制产品的一个显著特征是钙含量大幅增加。

然而，玉米基食品的蛋白质和膳食纤维含量通常低于推荐摄入水平，在以玉米为主食的人群中可能导致蛋白质-能量营养不良和微量元素缺乏。将豆类掺入玉米基产品被提出作为改善其营养品质的策略，可提高蛋白质、纤维和矿物质含量。豆类如菜豆、鹰嘴豆或大豆等面粉的掺入被视为一种经济且可持续的强化宏量和微量营养素的方法。此前研究多聚焦于豆粉掺入碱法烹制玉米的效果，但未深入探讨应用于豆类组分的碱法烹制条件的影响。因此，本研究旨在评估传统碱法烹制、生态碱法烹制和水煮处理应用于四种豆类后，对由碱法烹制玉米与处理豆粉按50:50混合制成的玉米饼的流变学、营养、理化、质构及体外淀粉水解特性的影响。

二、研究设计与技术方法

研究人员选用四种豆类——红花菜豆（ayocote bean, AB）、黑豆（black bean, BB）、红豆（red bean, RB）和蚕豆（faba bean, FB），分别施以三种预处理：水煮（CK）、传统碱法烹制（TN，使用1% Ca(OH)?）和生态碱法烹制（EN，使用1% CaCl?）。所有处理保持豆水比、蒸煮时间与温度、浸泡时间、洗涤、沥水和干燥条件一致，仅蒸煮介质不同。玉米以1% Ca(OH)?按1:2的玉米水比在94°C下碱法烹制30分钟。处理后各物料经石磨碾磨、闪蒸干燥（250°C进风）和锤磨筛分（0.5 mm）制成粉。每种豆类-处理组合制备两批并等量混合成复合样品。研究人员采用流变仪（AR 2000）进行频率扫描测定储能模量（G′）、损耗模量（G″）和复数黏度（η*）；采用质构分析仪（TA-XT2）进行面团质构剖面分析（TPA）和玉米饼拉伸强度测试；采用AACC标准方法测定近似组成；采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）定量矿物质含量；采用RVA4800通过消化曲线法评估体外淀粉水解动力学，并以BoxLucas指数模型拟合；采用AACC 32-40.01方法测定抗性淀粉含量；采用色度仪记录CIELab颜色坐标。统计分析采用Minitab 21软件的广义线性模型（GLM）和Tukey检验（p≤0.05）。

三、主要研究结果

3.1 面团的流变学和质构特性

频率扫描试验显示，所有面团均呈弹性主导模式，G′超过G″，表现出弱凝胶行为。豆类种类强烈影响流变行为：红豆-传统碱法烹制（RBTN）和黑豆-传统碱法烹制（BBTN）呈现最高G′值，表明形成更刚性和互连的弹性网络；蚕豆（FB）则呈现最低模量，表明体系较软且结构化程度较低。复数黏度随角频率增加呈渐进下降，表现出剪切变稀的假塑性行为。总体上，传统碱法烹制产生最高复数黏度，其次为生态碱法烹制，水煮处理最低，这归因于石灰促进的钙-淀粉交联增强了流动阻力和结构内聚力。质构分析中，黏附性和内聚性受豆类种类、处理方式及其交互作用显著影响（p<0.001）。传统碱法烹制提高了多数豆类面团的黏附性，其中蚕豆传统碱法烹制（FBTN）和红花菜豆传统碱法烹制（ATN）超过240 g，较碱法烹制玉米更具黏附性。与商业碱法烹制玉米粉（MTN）相比，红豆面团表现出最接近的功能平衡，兼具足够低的黏附性和适当的内聚性及优越的弹性模量，适合玉米饼生产。

3.2 玉米饼的近似组成、抗性淀粉和矿物质含量

蛋白质含量主要由豆类种类驱动（F=604.34, p≤0.001），处理方式影响不显著，但存在显著的豆类×处理交互作用，表明碱法烹制过程中的蛋白质保留具有豆类依赖性。蚕豆-玉米玉米饼蛋白质含量最高（17.5–18.1%），反映其高内在蛋白质含量。粗纤维含量受处理方式、豆类种类及其交互作用显著影响。传统碱法烹制产生最低纤维值，与碱性水解和果皮部分去除一致；生态碱法烹制呈中等保留；水煮处理实现最高粗纤维含量，表明仅蒸煮时细胞壁多糖保存更好。脂肪含量受处理方式和豆类种类影响，水煮处理保留最高脂质值，其次为生态碱法烹制和传统碱法烹制，与碱性加工过程中甘油三酯皂化和富脂胚芽及果皮在洗涤中去除一致。

碱法烹制和豆类强化显著改变了灰分含量和矿物质组成。碱法烹制过程对矿物质的影响最强，豆类掺入为次要因素。传统碱法烹制处理的钙浓度较玉米玉米饼对照（MTN）高达五倍，无论豆类种类如何均以传统碱法烹制处理钙值最高，而水煮处理钙水平持续最低。生态碱法烹制（CaCl?）也较水煮处理提高钙浓度，但低于传统碱法烹制，这归因于CaCl?体系碱度较低，保留果皮和细胞壁结构并限制Ca2?向基质扩散。铁和锌含量受豆类种类及豆类×碱法烹制交互作用显著影响，碱法烹制单独对铁无显著主效应。碱法烹制基本保留铁和锌，豆类掺入则提高其浓度。钠含量受豆类种类及其与碱法烹制交互作用影响，蚕豆配方钠水平最高。钾和镁在部分处理中下降，尤其在生态碱法烹制样品中，可能因两者高溶解性在蒸煮和洗涤中浸出，但传统碱法烹制和特定豆类组合可抵消部分损失。

3.3 玉米饼的抗性淀粉和体外淀粉水解

抗性淀粉含量受处理方式显著影响（p≤0.05），未检测到豆类总体效应。CaCl?处理普遍产生最高抗性淀粉值，蚕豆玉米饼尤为突出（4.82–5.04 g/100 g）；Ca(OH)?处理在蚕豆、红豆和黑豆玉米饼中倾向产生较低抗性淀粉含量。与玉米对照（2.79 g/100 g）相比，所有豆类玉米饼均显示更高抗性淀粉值，与豆类淀粉较高直链淀粉含量及独特的颗粒和分子特征一致。体外淀粉水解中，处理方式对所有参数均有显著影响（p≤0.0242）。CaCl?处理在各豆类中产生最高动力学常数k值（红豆1.37 min?1、黑豆1.40 min?1、红花菜豆1.24 min?1、蚕豆0.99 min?1），表明黏度快速下降和淀粉加速水解；Ca(OH)?处理则常降低水解动力学。pH与动力学常数k呈强负相关（r=-0.85, p≤0.05），表明pH升高伴随水解速率显著降低。玉米对照k值（0.43 min?1）显著低于所有豆类样品。

3.4 玉米饼的颜色和质构分析

颜色参数中，亮度主要受处理条件驱动，生态碱法烹制处理显示最高值，传统碱法烹制样品因石灰基碱法烹制相关黄变而更暗。蚕豆玉米饼亮度最高，黑豆样品更暗。与传统碱法烹制玉米饼（L=61.82）相比，所有碱法烹制豆类-玉米玉米饼更暗，尤其传统碱法烹制处理。a值方面，传统碱法烹制处理尤其RBTN和ATN呈正值，表明向红色偏移，由pH诱导的色素转化和蛋白质-酚类相互作用驱动。黄度b值方面，生态碱法烹制和水煮处理样品较高，与玉米粉玉米饼（b=19.92）相比，碱法烹制豆类-玉米玉米饼保持相当或更高黄度。

硬度受豆类和处理方式显著影响（p<0.001），豆类种类效应最强。蚕豆玉米饼最硬，其次为黑豆和红花菜豆，红豆玉米饼最软。生态碱法烹制处理硬度高于水煮和传统碱法烹制，表明较温和的碱性条件有利于结构基质。显著的豆类×碱法烹制交互作用揭示：蚕豆生态碱法烹制（FBEN）硬度最高，而RBTN玉米饼最软。生态碱法烹制玉米饼粗纤维值较高，可增加玉米饼硬度。

四、讨论与结论

本研究的创新之处在于证明，通过协调控制碱法烹制强度和豆类选择，可在不增加能量密度的情况下实现玉米玉米饼营养和技术的双重提升。钙富集由加工过程驱动，蛋白质、纤维、碳水化合物减少和能量再分配主要取决于豆类种类，铁和锌在碱性条件下保持稳定。与常规玉米玉米饼（蛋白质9.08%、粗纤维2.99%）相比，豆类强化配方实现更高蛋白质水平（最高约18%）和相当或略高的纤维含量，同时总碳水化合物降低最高达10个百分点。能量值保持在狭窄范围（约395–399 kcal/100 g），表明营养改善通过宏量营养素再分配而非热量稀释实现。体外淀粉水解和抗性淀粉形成主要受钙化学而非植物来源影响，CaCl?有利于更高抗性淀粉水平和更快水解，Ca(OH)?则与较慢淀粉水解相关。这些发现确定钙盐选择和加工后条件为调节豆类强化玉米饼中血糖相关碳水化合物组分的关键杠杆。研究支持豆类强化碱法烹制玉米饼作为改善主食营养特性同时保持相关技术特性的策略，但感官评价未在本研究中进行，需进一步研究评估消费者接受度。