《Journal of Cereal Science》：Visualizing Bolus Development Using Hyperspectral Imaging: Effects of Buckwheat Substitution on the Oral Processing of Chinese Steamed Bread
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本研究探讨了不同荞麦替代水平（0%-30%）对中国蒸馍在口腔加工过程中水分迁移、还原糖释放及质地演变的影响，结合高光谱成像（HSI）和共聚焦激光扫描显微术（CLSM），发现高替代水平（如M20、M30）因纤维网络结构导致水分分布不均，糖分释放减少，质地硬度增加、弹性降低，结构异质性显著影响口感。
田晓宇|方秦|董辉|张晓瑞|Joshua Harrington Aheto|白俊文
江苏大学食品与生物工程学院，中国镇江市学府路301号，212013
摘要
本研究探讨了不同荞麦替代比例（M0：0%，M10：10%，M20：20%，M30：30%）对中国蒸面包（CSB）在口腔咀嚼过程中的成分特性和口感感知的影响。采用高光谱成像（HSI）结合化学计量模型来定量预测和可视化水分含量（MC）、还原糖（RS）、硬度及弹性的空间分布。共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）用于观察微观结构变化。结果表明，高比例的荞麦添加（M30）由于纤维引起的结构异质性，阻碍了水分迁移并减少了糖分的释放，导致水分分布不均。荞麦的加入显著增加了面包的硬度并降低了弹性，M20和M30样品在吞咽阶段仍保持刚性区域。CLSM显示，荞麦破坏了面筋的连续性，形成了阻碍食物颗粒分解的纤维网络，导致结构粗糙且不均匀。本研究证明HSI是监测口腔咀嚼动态的有效工具，并为提高粗粮蒸面包的感官品质提供了见解。
引言
中国蒸面包（CSB）是中国广泛消费的传统主食，占全国小麦消费量的近40%（Zhang等人，2016年）。其受欢迎的原因在于其柔软的质地、独特的风味和文化意义。然而，传统CSB使用精制小麦粉制作，含有大量易消化的支链淀粉，可能导致餐后血糖升高，增加糖尿病患者的健康风险。因此，添加富含膳食纤维的粗粮粉（如荞麦）被提出作为一种有效降低CSB血糖指数（GI）的策略（Shao等人，2022年）。然而，这种营养改良往往会影响口感和风味质量（Zhang & Awika，2024年）。因此，开发低GI的CSB，同时兼顾营养功能和消费者接受度，仍是一个重大挑战，需要系统的质量评估来支持工艺优化。
目前对CSB质量的评估主要依赖于静态分析，包括化学成分分析、质地剖面分析（TPA）和感官评价（Yuan等人，2025年）。尽管这些方法提供了有用的信息，但它们主要反映产品的初始或最终状态，无法捕捉消费过程中的动态变化。以往的研究主要集中在发酵或陈化过程（Li等人，2024年），而口腔咀嚼这一决定感官体验的关键阶段却未受到足够重视。
口腔咀嚼是一个动态过程，涉及结构破碎、水分吸收、酶促降解和食物颗粒的形成，这些过程在咀嚼、唾液混合和舌头运动的协同作用下进行（He等人，2022年）。这一过程由多种因素的相互作用驱动，根本上受食物结构与口腔环境之间的相互作用控制（Puerta等人，2020年）。这些物理化学变化影响了感官属性的演变，包括硬度、湿润感和风味释放。已有几种分析方法用于研究这一过程，例如电子舌技术用于监测米饭咀嚼过程中的可溶性糖和有机酸（Asimi & Min，2025年），时间主导感觉（TDS）用于捕捉口感的动态变化（Jourdren等人，2016年）。然而，口腔咀嚼过程中形成的食物颗粒是一个结构不均匀且动态变化的复合体。宏观或整体层面的评估可能掩盖了成分分布、水分迁移和局部质地特性的关键空间差异（Tian等人，2024年）。这种内部异质性与润滑行为、结构分解路径和感官感知密切相关。因此，解析食物颗粒形成的时空细节对于更全面地理解其结构组织和咀嚼过程中的功能表现至关重要。
高光谱成像（HSI）通过非破坏性方式同时获取光谱和空间信息，为这一研究提供了有效工具。它已被成功应用于可视化腌牛肉中的蔗糖扩散（Shi等人，2023年）、绘制葡萄中的可溶性固体和pH值分布（Gao & Xie，2024年）以及检测干香蕉片中的水分变化（Fu等人，2025年）。与传统基于点的检测方法相比，HSI能够进行全范围扫描和空间映射，有助于阐明CSB在口腔咀嚼过程中的复杂物理化学变化。
因此，本研究旨在：（1）探讨不同荞麦替代比例下CSB在口腔咀嚼过程中的动态物理化学变化，重点关注水分迁移、糖分释放及质地演变（硬度和弹性）；（2）建立将光谱信息与水分和糖分含量、图像特征与机械质地属性联系起来的定量预测模型；（3）生成动态可视化图谱，直观展示CSB颗粒的时空演变过程。通过将高光谱成像与口腔咀嚼分析相结合，本研究为非破坏性、定量和可视化地表征CSB在口腔中的变化提供了初步尝试。这些发现加深了人们对粗粮添加如何影响食物颗粒形成和口感感知的机制理解，并为设计低GI、营养功能更强、感官品质更好的蒸面包提供了方法论框架。
材料与方法
图1展示了实验流程的示意图，该流程在CSB口腔咀嚼过程中同时监测了其物理化学性质并获取了高光谱图像。
CSB的水分含量、还原糖、硬度和弹性
图2展示了不同荞麦替代比例下CSB样品在口腔咀嚼过程中水分含量（MC）、还原糖（RS）、硬度和弹性的动态变化。如图2A所示，所有CSB样品的水分含量随咀嚼时间的延长呈现三阶段变化：（i）快速吸收（0–6秒），（ii）缓慢渗透（6–18秒），（iii）平台期（18–24秒）。在最初的6秒内，M0样品的水分增加最为明显。
结论
本研究利用HSI动态捕捉了不同荞麦替代比例下CSB在口腔咀嚼过程中水分含量（MC）、还原糖（RS）、硬度和弹性的时空演变。关键发现表明，荞麦的添加通过引入结构异质性从根本上改变了食物颗粒的转化机制。M0样品促进了快速的水分吸收和显著的糖分释放。相比之下，富含纤维的荞麦配方，尤其是M20和M30样品，
作者贡献声明
董辉：撰写 – 审稿与编辑，数据分析。张晓瑞：软件开发，方法论设计。田晓宇：撰写初稿，监督，方法论设计，概念构思。方秦：撰写初稿，数据可视化，方法论设计，实验实施，数据分析。白俊文：撰写 – 审稿与编辑，项目监督，实验管理，概念构思。Joshua Harrington Aheto：撰写 – 审稿与编辑
数据获取
数据可应要求提供。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了江苏省自然科学基金（编号：BK20230523）的支持。
