切块几何形态与干燥方式对橙肉甘薯粉品质特性及类胡萝卜素保留率的影响

《Journal of Food Measurement and Characterization》：Influence of portioning geometry and drying method on quality characteristics and carotenoid retention of orange-fleshed sweet potato flour

　　

干燥强烈影响橙肉甘薯粉（OFSPF）的品质，然而干燥前切块几何形态的影响仍鲜有探究。研究人员采用22因子设计评估了根块几何形态（立方体与薄片）与干燥方式（热风干燥与冷冻干燥）对OFSPF理化、功能及β-胡萝卜素特性的联合效应。两因素均显著影响面粉特性：冷冻干燥样品呈现更细的粒径分布（最高91% <250 μm）、更高的持水能力（WHC，最高2.99 g g?1）及达28.04%的水溶解度指数（WSI），这些均为焙烤应用的理想属性；相比之下，热风干燥薄片WSI更高（42.96%），而热风干燥立方体水合能力与冷冻干燥样品相当，表明对流干燥中结构损伤降低。冷冻干燥立方体显示略高β-胡萝卜素保留率（266.37 μg g?1）及更优护色效果，薄片则无论干燥方式表现相似。所有面粉均保留可观的维生素A原含量，支持使用生物强化原料开发营养增强产品。主成分分析（PCA）依干燥方式与几何形态区分面粉，揭示类胡萝卜素保留、色泽属性与功能特性间关联。Pearson相关显示色泽参数与类胡萝卜素含量强相关，红度（a）与β-胡萝卜素正相关（r = 0.66），黄度（b）负相关（r = ?0.81）。上述发现凸显几何形态–干燥交互作用在优化OFSPF营养质量与功能表现中的重要意义。

研究背景方面，作物生物强化计划（如HarvestPlus）推动了富含营养的橙肉甘薯（OFSP，Ipomoea batatas）品种培育，其β-胡萝卜素可达普通品种十倍，对缓解维生素A缺乏意义重大。OFSP作为低成本多功能原料，开发成橙肉甘薯粉（OFSPF）可拓展至面条、焙烤、泥状食品等配方，并与小麦粉复配提升营养、降低谷物依赖；但替代常带来吸水、溶解、粒径与面团行为等技术挑战。干燥是决定OFSPF功能性与类胡萝卜素保留的关键工序，已有文献多聚焦干燥技术本身，而将切块几何形态（决定表面积、厚度与暴露程度，调控传热传质）视为常规前处理而忽视。色泽常作类胡萝卜素稳定性快速指标，理解加工色泽变化与类胡萝卜素降解关系有助于分析决策。基于此，研究人员以22全因子设计结合两种切块（薄片chips、立方体cubes）与两种干燥（热风oven、冷冻freeze-drying），旨在解析几何–干燥交互对OFSPF营养与工艺性能的协同优化路径。论文发表于《Journal of Food Measurement and Characterization》。

关键技术方法上，原料为巴西马托格罗索州北部种植120天收获的OFSP根系，经氯水消毒、蒸烫漂白后分四批处理。几何形态：薄片0.2–0.3 mm由食品加工机切制，立方体8–10 mm手工切制。干燥参数：热风薄片70±1 °C 18 h，热风立方体60±1 °C 72 h；冷冻组先?20±1 °C预冻，薄片冻干40 h、立方体同周期。粉体过筛研磨后真空铝箔包装。分析体系含近似组成（105 °C恒重测水分、550 °C灰化测灰分、凯氏定氮×6.25算粗蛋白、Goldfish提取脂类、差减法算碳水）、粒径分布（850/300/150/75 μm筛分）、pH与水分活度（a_w，露点法）、WSI与WHC（Anderson法离心）、CIELAB色泽（Lab及衍生C、h*）、β-胡萝卜素（丙酮提取–石油醚转移–453 nm紫外分光，系数E=2592计算），统计采用Shapiro–Wilks正态性、双因素ANOVA、Tukey检验、PCA与Pearson相关（R 4.1.1）。

研究结果部分，“近似组成”显示水分4.74–6.69%、脂肪约3×10?2%、碳水86.68–88.85%，均无显著交互；蛋白与灰分有显著切块×干燥交互：冷冻立方体蛋白最高（3.80%），热风普遍因热变性略低，灰分热风高于冷冻（热风立方体3.51%），证实热态与几何共同影响矿物可提取性。“粒径分布与理化特性”中冷冻粉更细（<250 μm占86–91%），热风粉因蒸发收缩、壳化（case-hardening）致粗粒多（850 μm截留18–27%）；但热风立方体比热风薄片偏细（<250 μm 60% vs 46%），说明厚度减缓表面壳化。a_w冷冻0.07–0.08低于热风0.26；pH 5.66–5.77微酸；WSI热风薄片异常高（42.96%）源于淀粉渗漏与结构应力，热风立方体WSI 28.97%接近冷冻（26.7–28.04%）；WHC冷冻薄片最高2.99 g g?1，热风薄片最低2.12 g g?1，冷冻多孔毛细结构利持水，热风立方体WHC 2.41 g g?1居中，印证几何缓冲对流损伤。“色泽参数”上鲜根C* 44.68，加工粉降至24.70–26.57；热风L更高（~82.2）伴a更低（10.84–12.55），冷冻a更高（16.02–18.55）、b更低，冷冻立方体a* 18.55、b* 19.02、h* 45.71°最接近β-胡萝卜素固有橙调。“类胡萝卜素”中冷冻立方体β-胡萝卜素266.37 μg g?1最高，冷冻薄片246.89，热风薄片255.39，热风立方体仅191.21；薄片高比表面积在冷冻中长期暴露反而略损，立方体几何降低光氧暴露，证明几何形态调节保留率。

讨论与结论翻译：研究人员指出，干燥方式主导结构形成机制——冷冻干燥借冰晶升华作模板生成高孔脆壁结构，利于磨细与持水；热风干燥借对流蒸发诱发内部湿度梯度、体积收缩与表面壳化，致粗粒与低WHC。切块几何形态作为附加调节器：薄片高暴露促快速壳化与酸/色素挥发，立方体厚截面减缓表面硬化、使热风立方体功能逼近冷冻组。色泽与β-胡萝卜素显著相关（a正、b负），支持以CIELAB参数作无损筛查指标。结论为：几何形态–干燥交互显著改变OFSPF粒径、水合、色泽与类胡萝卜素保留；冷冻干燥立方体在β-胡萝卜素保留（266.37 μg g?1）、护色（高a*近橙调）及细粒分布上最优，适宜营养强化焙烤；热风干燥立方体以低能耗逼近冷冻功能剖面，为成本敏感场景提供折中；所有处理均保留充足维生素A原，证实生物强化OFSP原料加工可行性。该交互框架为工业级OFSPF工艺选择提供了可量化的优化依据。