《Food Chemistry: X》：Milk addition induced starch-protein network reassembly in sweet potato whole powder wowotou: a key driver for improved microstructure and volatile flavor enhancement
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牛奶是一种含有酪蛋白胶束、乳清蛋白、乳糖、乳脂肪球和小型细胞外囊泡的复杂乳状液，可为谷物基食品提供营养强化和质构改善。牛奶蛋白可通过疏水相互作用和氢键与淀粉颗粒相互作用，在颗粒表面形成连续蛋白层，抑制水分吸收并改变淀粉的糊化行为。在本研究的初步工作中，研究人员
牛奶是一种含有酪蛋白胶束、乳清蛋白、乳糖、乳脂肪球和小型细胞外囊泡的复杂乳状液，可为谷物基食品提供营养强化和质构改善。牛奶蛋白可通过疏水相互作用和氢键与淀粉颗粒相互作用，在颗粒表面形成连续蛋白层，抑制水分吸收并改变淀粉的糊化行为。在本研究的初步工作中，研究人员通过工艺改进优化了甘薯全粉窝窝头（SPW）的品质，发现添加牛奶可显著改善SPW的感官品质和质构特性，赋予产品柔软口感和适度弹性。然而，前期工作主要集中于感官评价和质构分析，牛奶从微观结构和风味化学角度改善产品品质的机制尚不清楚。因此，在前期工艺优化研究的基础上，本研究假设牛奶添加可重组SPW中的淀粉-蛋白质网络，同时调控挥发性风味化合物的保留和形成。为验证该假设，研究人员采用多尺度综合分析策略。扫描电子显微镜（SEM）用于表征微观结构变化，傅里叶变换红外光谱（FTIR）为氢键重组和蛋白质富集提供分子水平证据。此外，采用顶空固相微萃取结合气相色谱-质谱联用（HS-SPME-GC-MS）测定挥发性风味化合物谱。随后，采用多变量统计分析结合变量重要性投影（VIP）鉴定关键香气标志物，并计算气味活性值（OAV）以进一步评价其在牛奶甘薯全粉窝窝头（MSPW）中的感官贡献。最后，建立微观结构改善与挥发性风味增强之间的机制关系。研究结果预期为杂粮食品品质改良和甘薯全粉高值化利用提供理论参考。
杂粮基传统食品因其高膳食纤维含量和潜在健康益处而日益受到消费者关注。甘薯全粉因富含膳食纤维、维生素和抗氧化成分，被引入此类产品后具有改善营养品质的潜力。然而，甘薯全粉中面筋含量低，无法形成面筋网络，导致蒸制产品质地粗糙、酥脆性差。因此，改善低面筋食品中淀粉与蛋白质组分之间的相互作用是提升甘薯全粉基产品品质面临的一项挑战。牛奶是一种含有酪蛋白胶束、乳清蛋白、乳糖、乳脂肪球和小型细胞外囊泡的复杂乳状液，可为谷物基食品提供营养强化和质构改善。牛奶蛋白可通过疏水相互作用和氢键与淀粉颗粒相互作用，在颗粒表面形成连续蛋白层，抑制水分吸收并改变淀粉糊化行为。在前期研究中，研究人员通过工艺改进优化了甘薯全粉窝窝头（SPW）的品质，发现添加牛奶可显著改善SPW的感官品质和质构特性，赋予产品柔软口感和适度弹性。然而，前期工作主要集中于感官评价和质构分析，牛奶从微观结构和风味化学角度改善产品品质的机制尚不清楚。因此，本研究在前期工艺优化研究基础上，假设牛奶添加可重组SPW中的淀粉-蛋白质网络，同时调控挥发性风味化合物的保留和形成。为验证该假设，研究人员采用多尺度综合分析策略：利用扫描电子显微镜（SEM）表征微观结构变化，利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）为氢键重组和蛋白质富集提供分子水平证据，采用顶空固相微萃取结合气相色谱-质谱联用（HS-SPME-GC-MS）测定挥发性风味化合物谱，随后通过多变量统计分析结合变量重要性投影（VIP）鉴定关键香气标志物，并计算气味活性值（OAV）评价其在牛奶甘薯全粉窝窝头（MSPW）中的感官贡献，最终建立微观结构改善与挥发性风味增强之间的机制关系。研究人员开展了以下研究：通过SEM观察发现，牛奶添加显著改变了SPW的微观结构，高倍显微图像显示牛奶蛋白与小麦面筋形成连续蛋白膜紧密包覆并桥接淀粉颗粒，整体网络结构更加致密，取代了SPW松散破碎的结构；FTIR分析证实这些结构变化由氢键重组和蛋白质网络富集驱动。GC-MS分析在MSPW中鉴定出72种挥发性化合物，探索性OPLS-DA显示SPW与MSPW之间存在分离趋势，基于VIP>1和p<0.05筛选出9种候选判别化合物，由于OPLS-DA模型Q2为负且生物学重复数有限，这些化合物仅作为候选标志物而非确证标志物报告。OAV估算表明1-辛烯-3-醇、(E)-2-辛烯醛、γ-壬内酯和苯乙醇可能是主要香气活性化合物，尽管绝对定量和感官验证仍需开展；二十烷虽然丰度最高，但无气味，仅作为乳脂降解的化学指纹。这些具有花香、蘑菇、黄瓜和椰子气味的化合物显著增强了MSPW的风味复杂性和柔和度。研究结论表明，牛奶诱导的淀粉-蛋白质网络重组是微观结构改善和风味增强的关键驱动因素，其机制可能通过三条相互关联的途径发挥作用：（1）淀粉颗粒表面形成的蛋白膜可能限制淀粉过度膨胀并保留挥发性化合物；（2）乳脂肪球可能为香气化合物形成疏水储库；（3）前体物质（乳糖、氨基酸和乳脂）可能通过美拉德反应、Strecker降解、脂解和乳酸化生成新的挥发性化合物。这些发现支持牛奶添加可作为通过淀粉-蛋白质网络重组发挥双重功能修饰剂的假设。该研究为牛奶诱导的杂粮主食品质改良提供了理论基础，并为理解外源配料作为修饰剂调控食品结构与风味提供了范式。研究的重要意义在于为杂粮食品品质改良和甘薯全粉高值化利用提供理论参考。在关键技术方法方面，研究人员采用扫描电子显微镜（SEM）表征微观结构并结合Image J软件进行定量图像分析，采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析分子相互作用，采用顶空固相微萃取结合气相色谱-质谱联用（HS-SPME-GC-MS）测定挥发性风味化合物，采用正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）和变量重要性投影（VIP）进行多变量统计筛选候选判别化合物，并计算气味活性值（OAV）评价感官贡献；样品为实验室自制SPW和MSPW，原料包括市售超高温灭菌全脂牛奶、甘薯全粉和小麦面粉。研究结果如下：3.1 牛奶添加诱导淀粉-蛋白质网络重组。3.1.1 通过SEM观察微观形貌：500倍下SPW呈松散破碎结构并伴大裂纹，MSPW呈更连续致密基质且无宏观结构塌陷；1000倍和2000倍下SPW淀粉颗粒轮廓清晰并伴大空隙，MSPW基质连续、颗粒边界模糊且紧密结合；3000倍下MSPW可见连续蛋白膜紧密包覆淀粉颗粒，而SPW淀粉颗粒裸露无连续膜覆盖；定量图像分析显示SPW代表性空隙尺寸约4.5-8 μm，MSPW显著减小至2-3.5 μm，SPW表观孔隙面积分数为48.57±14.62%，显著高于MSPW的33.44±6.30%（p<0.05），证实SPW破碎结构有效转变为MSPW致密连续基质。3.1.2 通过FTIR揭示分子相互作用：两样品整体光谱轮廓相似，表明牛奶添加后主要化学组分得以保留；约3400 cm?1处O-H/N-H伸缩振动宽带从SPW的3395.93 cm?1蓝移至MSPW的3415.41 cm?1（位移19.48 cm?1），表明SPW中高度缔合的淀粉-淀粉和淀粉-水氢键被破坏，引入的牛奶蛋白和脂肪与淀粉和水竞争氢键形成新的分子间网络；酰胺I带（约1650 cm?1）与O-H/N-H伸缩带（约3400 cm?1）的相对吸光度比从SPW的0.41增至MSPW的0.43，以约2925 cm?1脂肪族CH伸缩带为内标时酰胺I带比值也从0.77增至0.79，表明牛奶蛋白不再处于游离状态而是成功缠结并整合入MSPW基质；约1020 cm?1淀粉指纹峰从1022.38 cm?1移至1020.84 cm?1，表明牛奶蛋白膜限制淀粉颗粒过度膨胀并改变其短程有序结构；约1400 cm?1谱带从1408.89 cm?1移至1403.89 cm?1，约2925 cm?1 CH伸缩带从2927.23 cm?1移至2925.85 cm?1，可能与乳脂引入及蒸制过程中游离脂肪酸释放有关。3.2 MSPW挥发性化合物：通过HS-SPME-GC-MS在MSPW中鉴定出72种挥发性化合物，包括14种醛、12种醇、7种酸、7种烷烃、6种酮、5种烯烃、1种胺、2种芳香族化合物、6种杂环化合物、3种内酯、6种酯和3种含硫化合物，烷烃和醇最丰富，分别约占总挥发性组成的19.24%和12.91%；OPLS-DA模型显示SPW与MSPW在95%置信区间内清晰分离，表明牛奶添加显著改变了SPW风味轮廓；置换检验（200次迭代）原始R2和Q2分别为0.779和-0.222，所有置换模型R2和Q2均低于原始模型且Q2回归线截距为负，但原始Q2为负且生物学重复数有限，模型预测能力有限，应视为探索性分析，基于VIP的差异挥发性化合物应谨慎解释为候选判别化合物而非确证标志物；基于VIP>1和p<0.05筛选出9种关键候选判别挥发性化合物，VIP值范围为1.07至6.47；与SPW相比，MSPW中二十烷和苯乙醇相对含量显著增加（p<0.05），分别从8.02%增至18.79%、从5.84%增至11.14%，己酸从0.86%增至1.81%；γ-壬内酯（椰子气味）、6-乙酰氧基二氢茶螺烷（草本气味）、1-辛烯-3-醇（蘑菇、脂肪、黄瓜、青草气味）、(E)-2-辛烯醛（黄瓜香味）和9-氧代壬酸（脂肪、清新、青绿气味）仅在MSPW中检出；MSPW中γ-十二内酯含量（0.03%）显著低于SPW（0.61%）（p<0.05）；二十烷作为长链饱和烷烃无感知风味特征，其显著增加源于蒸制过程中乳脂肪球热降解（脂肪酸烷氧自由基裂解），其高VIP值主要作为反映乳脂热转化程度的化学指纹而非风味直接贡献者；苯乙醇具有玫瑰样花香，牛奶中乳清蛋白和酪蛋白提供丰富L-苯丙氨酸，可在高温蒸制中参与Strecker降解和热脱羧形成苯乙醇；1-辛烯-3-醇为不饱和脂肪醇，具典型蘑菇、脂肪、黄瓜或青草气味，作为牛奶添加后生成的关键新风味化合物，通过亚油酸酶促或非酶促氧化途径生成，风味阈值极低且感官影响强；醛类是美拉德反应主要产物之一，(E)-2-辛烯醛具黄瓜样香味且仅在MSPW中检出，归因于蒸制过程中乳脂和乳蛋白易氧化降解；6-乙酰氧基二氢茶螺烷为类胡萝卜素降解产物，仅在MSPW中检出（0.45%），其生成可能归因于甘薯全粉富含类胡萝卜素且牛奶添加改变热反应条件促进其氧化降解；己酸和9-氧代壬酸为源自乳脂组分的两种关键差异风味化合物，MSPW中己酸显著较高主要归因于蒸制过程中乳甘油三酯脂解释放短链脂肪酸，9-氧代壬酸仅在MSPW中检出（0.31%），为亚油酸典型自氧化产物，其仅在MSPW中检出可解释为乳脂提供额外亚油酸供应使浓度高于检测阈值，同时热反应条件促进亚油酸非酶促氧化裂解；γ-壬内酯由亚油酸经氢过氧化物中间体形成及后续环化反应合成，其仅在MSPW中存在表明补充的乳脂提供丰富亚油酸前体，蒸制中经热氧化和环化产生特征椰子风味，而γ-十二内酯主要源自羟基脂肪酸，SPW中较高含量表明甘薯全粉含有充分合成前体且热条件促进其生成，MSPW中γ-十二内酯显著降低伴随γ-壬内酯等其他内酯出现和富集，表明牛奶添加改变反应微环境并改变内酯形成平衡；通过估算OAV进一步评价判别性挥发性标志物的实际感官贡献，二十烷虽VIP值最高（6.47）和相对峰面积最高（18.79%）但无气味，OAV为NA，证实其高丰度仅作为乳脂降解化学指纹而无直接感官贡献；1-辛烯-3-醇（OAV=73.75）、(E)-2-辛烯醛（OAV=12.92）、γ-壬内酯（OAV=12.89）和苯乙醇（OAV=7.96）尽管相对丰度较低但OAV极高（>1），是MSPW增强花香、蘑菇、椰子、黄瓜香气的真正关键贡献者；γ-十二内酯在MSPW中相对峰面积低（0.03%）但阈值低仍产生明显OAV（3.41）；OAV分析清楚表明牛奶添加特异性增强真正香气活性化合物。3.3 淀粉-蛋白质网络重组作为牛奶诱导微观结构改善和风味增强的提议机制途径：基于SEM微观结构、分子相互作用（FTIR）、挥发性谱和多维分析（OPLS-DA和VIP），研究人员提出假设性机制模型，牛奶诱导的淀粉-蛋白质网络重组可能作为同时促进MSPW微观结构改善和风味增强的中心途径；首先牛奶添加可能诱导结构重组，FTIR显示O-H/N-H伸缩带显著蓝移（从3395.93至3415.41 cm?1）且相对吸光度比增加，表明牛奶蛋白和脂肪破坏原始淀粉-水氢键网络并形成新分子间相互作用，此分子重排可能导致淀粉颗粒表面形成连续蛋白膜，从微观结构角度可能阻止水分迁移进入淀粉颗粒从而抑制过度膨胀并保持颗粒完整性，这可解释MSPW中观察到的无规则空腔减少，从风味保留角度此致密蛋白-淀粉网络可能作为物理屏障限制挥发性物质扩散并减少顶空释放，此外牛奶蛋白可通过疏水相互作用、氢键和席夫碱形成直接结合风味化合物（如醛和醇）从而进一步固定这些挥发性物质；其次乳脂肪球可能嵌入重组网络形成非极性微环境，从微观结构角度脂肪球可能占据网络间隙改变界面性质并进一步稳定结构防止蒸制中塌陷，从风味角度这些嵌入的液态脂肪球可能作为疏水储库，亲脂性香气化合物如γ-壬内酯和1-辛烯-3-醇可能分配进入该非极性微环境，保护其免受热降解并延缓蒸制中释放；最后牛奶组分可能作为蒸制中新挥发性化合物生成的前体，成分分析证实MSPW蛋白质（4.45±0.02 g/100 g）、脂肪（3.02±0.01 g/100 g）和还原糖（6.52±0.04 g/100 g）含量高于SPW（分别为3.52±0.03、1.87±0.05和4.15±0.02 g/100 g），脂解途径由MSPW中己酸显著增加证实，其为乳甘油三酯水解释放的典型短链脂肪酸，后续乳酸化由γ-壬内酯在MSPW中唯一检出支持，美拉德反应和Strecker降解途径由丰富还原糖和蛋白质支持，导致(E)-2-辛烯醛和苯乙醇等产物检出，微观结构上蛋白膜可能防止可溶性前体浸出，确保蒸制中热转化有足够时间和温度；总之可假设淀粉-蛋白质网络形成作为牛奶改善MSPW微观结构和风味的关键驱动因素，若无此种结构重组，牛奶组分可能在蒸制中大量损失，产品品质和风味改善可能无法实现，此机制理解可为牛奶诱导杂粮主食品质改良提供理论基础。讨论部分总结：本研究系统考察了牛奶添加对SPW微观结构和挥发性风味轮廓的影响，并建立了淀粉-蛋白质网络重组与微观结构改善和风味增强之间的机制联系；SEM观察表明牛奶添加显著改变SPW微观结构，高倍图像显示牛奶蛋白与小麦面筋形成连续蛋白膜紧密包覆并桥接淀粉颗粒，整体网络结构更加致密，取代SPW松散破碎结构，FTIR分析证实这些结构变化由氢键重组和蛋白质网络富集驱动，最终促成产品质构和口感改善；GC-MS分析在MSPW中鉴定出72种挥发性化合物，探索性OPLS-DA显示SPW与MSPW之间存在分离趋势，表明牛奶改变了SPW挥发性轮廓，基于VIP>1和p<0.05筛选出9种候选判别化合物，由于OPLS-DA模型Q2为负且生物学重复数有限，这些化合物作为候选而非确证标志物报告，关键的是OAV估算表明1-辛烯-3-醇、(E)-2-辛烯醛、γ-壬内酯和苯乙醇可能是主要香气活性化合物，尽管绝对定量和感官验证仍需开展，二十烷虽丰度最高但无气味仅作为乳脂降解化学指纹，这些具有花香、蘑菇、黄瓜和椰子气味的化合物显著增强MSPW风味复杂性和柔和度；牛奶诱导的淀粉-蛋白质网络重组是微观结构改善和风味增强的关键驱动因素，可假设其机制通过三条相互关联途径发挥作用：（1）淀粉颗粒表面形成的蛋白膜可能限制淀粉过度膨胀并保留挥发性化合物；（2）乳脂肪球可能为香气化合物形成疏水储库；（3）前体物质（乳糖、氨基酸和乳脂）可能通过美拉德反应、Strecker降解、脂解和乳酸化热转化生成新挥发性化合物；这些发现支持牛奶添加可作为通过淀粉-蛋白质网络重组发挥双重功能修饰剂的假设，若无此种结构重组，牛奶组分可能在蒸制中大量损失，产品品质和风味形成改善可能无法实现，本研究为牛奶诱导杂粮主食品质改良提供理论基础，并为理解外源配料作为修饰剂调控食品结构与风味提供范式；然而本研究仍存在若干局限：第一，本研究聚焦牛奶添加引起的即时微观结构和风味变化，未考察牛奶添加对SPW消化性、营养生物利用度和贮藏稳定性的影响；第二，虽估算OAV评价候选判别化合物的潜在感官贡献，但仍需使用真实标准品进行绝对定量和进一步感官验证，此外OPLS-DA模型仅基于三个独立生物学重复且Q2为负，应视为探索性分析而非预测或确证模型，基于VIP的化合物应视为待进一步验证的候选物；第三，本研究结合SEM和FTIR阐明淀粉-蛋白质网络的形态和分子重组，并补充定量图像分析测量表观孔隙面积分数（尽管该二维指标可能不能完全代表三维体积孔隙率），但由于设备限制未进行动态振荡流变学和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）分析，未来研究应整合这些技术全面阐明牛奶杂粮食品的结构-风味-消化关系，从而支持其商业应用。研究结论翻译：本研究系统考察了牛奶添加对SPW微观结构和挥发性风味轮廓的影响，并建立了淀粉-蛋白质网络重组与微观结构改善和风味增强之间的机制联系。SEM观察表明牛奶添加显著改变SPW微观结构，高倍图像显示牛奶蛋白与小麦面筋形成连续蛋白膜紧密包覆并桥接淀粉颗粒，整体网络结构更加致密，取代SPW松散破碎结构；FTIR分析证实这些结构变化由氢键重组和蛋白质网络富集驱动，最终促成产品质构和口感改善。GC-MS分析在MSPW中鉴定出72种挥发性化合物，探索性OPLS-DA显示SPW与MSPW之间存在分离趋势，表明牛奶改变SPW挥发性轮廓；基于VIP>1和p<0.05筛选出9种候选判别化合物，由于OPLS-DA模型Q2为负且生物学重复数有限，这些化合物作为候选而非确证标志物报告；关键的是OAV估算表明1-辛烯-3-醇、(E)-2-辛烯醛、γ-壬内酯和苯乙醇可能是主要香气活性化合物，尽管绝对定量和感官验证仍需开展；二十烷虽丰度最高但无气味仅作为乳脂降解化学指纹；这些具有花香、蘑菇、黄瓜和椰子气味的化合物显著增强MSPW风味复杂性和柔和度。牛奶诱导的淀粉-蛋白质网络重组是微观结构改善和风味增强的关键驱动因素，可假设其机制通过三条相互关联途径发挥作用：（1）淀粉颗粒表面形成的蛋白膜可能限制淀粉过度膨胀并保留挥发性化合物；（2）乳脂肪球可能为香气化合物形成疏水储库；（3）前体物质（乳糖、氨基酸和乳脂）可能通过美拉德反应、Strecker降解、脂解和乳酸化热转化生成新挥发性化合物。这些发现支持牛奶添加可作为通过淀粉-蛋白质网络重组发挥双重功能修饰剂的假设；若无此种结构重组，牛奶组分可能在蒸制中大量损失，产品品质和风味形成改善可能无法实现；本研究为牛奶诱导杂粮主食品质改良提供理论基础，并为理解外源配料作为修饰剂调控食品结构与风味提供范式。
