膨化零食用鲜马铃薯颗粒料制备：粒径与亚硫酸盐预处理的初步评价

《JOURNAL OF FOOD PROCESSING AND PRESERVATION》：Fresh-Potato Pellet Preparation for Puffed Snacks: A Preliminary Evaluation of Particle Size and Sulfite Pretreatment

　　

颗粒中间体为将新鲜原料转化为适合后续膨化的紧凑产品提供了实用途径。研究人员评估了一种综合的鲜马铃薯颗粒料制备方法，该方法使用了三种马铃薯粒径和三种亚硫酸钠（Na₂SO₃）预处理浓度。500、1000和1700 μm的鲜马铃薯颗粒分别用0.317、0.635或0.952 mM的Na₂SO₃进行预处理。根据原始实验记录，9种处理组合中的每一种均独立制备3次（n = 3），并对结果进行描述性解释。所有处理组合均制备了颗粒中间体并随后进行膨化。在所报告的处理均值中，较大的马铃薯粒径通常伴随着较低的体积密度（BD）和持水力（WHC），以及较高的孔隙率和L^?值，而真密度（TD）在处理间变化甚微。较高的Na₂SO₃浓度通常伴随着较高的WHC和L^?值以及较低的a^?值，尽管这些规律的幅度在不同粒径条件下有所差异。在0.635 mM Na₂SO₃条件下获得的代表性X射线衍射（XRD）和差示扫描量热法（DSC）图谱显示了选定粒径间的定向结构和热学差异。膨化样品中的残留二氧化硫（RSD）低于10 ppm的分析报告阈值。综上所述，这些观察结果支持了将鲜马铃薯直接掺入颗粒中间体的技术可行性，并确定粒径和亚硫酸盐浓度作为颗粒填充、水合和颜色管理的相关筛选变量。在工艺优化之前，需要进行包含完整推理分析以及膨胀和质地直接测量的验证性研究。

【研究背景与引言】
膨化零食因其酥脆的口感、高度的适口性和快速的可消化性，在即食（RTE）产品市场极具吸引力。然而，膨化零食在最终形态下体积大、易碎且具有高吸湿性，导致储存和运输困难。为解决此问题，工业界常生产水分含量低于15%（w/w）的中间体颗粒料，其紧凑且稳定，便于在通过高温短时（HTST，指高温短时间处理）膨化前进行储运。颗粒料的特性如密度、淀粉糊化和水分分布，与膨化零食的膨胀性、孔隙率和质地特性密切相关。马铃薯作为一种有前景的原料，其淀粉颗粒较大，支链淀粉与直链淀粉比例高，有利于膨化过程中的膨胀和结构形成；且相较于小麦粉，马铃薯含有更高的维生素C、钾和镁等营养成分，脂肪含量低，生产成本效益高。但是，多酚氧化酶（PPO，一种引起酶促褐变的酶）引起的酶促褐变阻碍了新鲜马铃薯的直接使用，影响了外观和风味。传统解决方案包括在加工前进行热烫、干燥和粉碎，但这增加了能耗、时间和生产成本。直接使用新鲜马铃薯并结合有效的抗褐变预处理，可在保持营养完整性的同时简化加工。亚硫酸盐化合物，特别是亚硫酸钠（Na₂SO₃），在低浓度下作为抗氧化剂效果显著并能抑制PPO活性。然而，亚硫酸盐残留引发了法规和消费者接受度问题（食品法典委员会限制其为50 ppm，美国FDA要求超过10 ppm需标注）。因此，建立将残留亚硫酸盐降至标签阈值以下的预处理条件至关重要。

【研究概述、结论与意义】
研究人员开展了一项初步研究，评估了在三种马铃薯粒径和三种Na₂SO₃预处理浓度下，直接将新鲜马铃薯掺入颗粒中间体的综合制备方法。结论表明，将新鲜马铃薯直接加工为颗粒料并随后进行膨化在技术上是可行的；粒径和亚硫酸盐浓度可作为颗粒填充、水合和颜色管理的候选筛选变量。该研究为直接利用鲜马铃薯、亚硫酸盐辅助颜色管理、颗粒包装与水合特性以及残留亚硫酸盐评估提供了一个工艺导向的技术框架，具有重要的理论与实际意义。该论文发表在《JOURNAL OF FOOD PROCESSING AND PRESERVATION》上。

【关键技术方法】
在方法学上，研究人员采用了3×3的处理排列（三种Na₂SO₃浓度：0.317、0.635、0.952 mM；三种马铃薯粒径：500、1000、1700 μm）。样本队列来源为韩国当地农场提供的Sumi品种马铃薯。鲜马铃薯经研磨、过筛后，与小麦粉、木薯淀粉等混合制成面团，经蒸汽加热后通过液压挤压机制备成颗粒，再经热风干燥至水分含量为15%后真空包装。随后采用挤压膨化机进行膨化。评价技术包括：使用比重瓶法测定真密度（TD，指材料在绝对密实状态下单位体积的质量）和体积密度（BD，指单位体积物质的质量）；通过公式计算孔隙率；离心法测定持水力（WHC，指基质吸水膨胀的能力）；色差仪测量颜色（L^?、a^?、b^?）；对选定样本进行X射线衍射（XRD，一种用于测定晶体结构的分析技术）和差示扫描量热法（DSC，一种热分析技术）分析以获取结构和热学图谱；采用Monier-Williams法测定残留二氧化硫（RSD）。

【研究结果】
3.1. 颗粒密度与孔隙率的处理相关模式
通过测定TD、BD和孔隙率，发现TD在各处理中变化较小（约1.45–1.46 g/cm³）。500 μm粒径处理的BD较高而孔隙率较低，1000和1700 μm粒径的BD较低而孔隙率较高。这符合较小颗粒堆积更紧密、较大颗粒基质中间距更大的规律。粒径被确定为控制颗粒堆积结构的相关筛选变量，而Na₂SO₃浓度未表现出一致的单调数值模式。

3.2. 持水力的处理相关模式
通过离心法测定WHC，其值在4.12至4.47 g/g之间。在每个Na₂SO₃浓度下，500 μm处理的WHC通常高于1000和1700 μm处理。在各粒径水平下，WHC通常随Na₂SO₃浓度增加而增加。较高的WHC可能与基质水合或溶胀的变化有关，较小的粒径可能反映了更大的暴露表面积和更均匀的热量与水分接触。粒径和亚硫酸盐浓度均可作为颗粒基质水合的筛选因素。

3.3. 颗粒颜色的处理相关模式
通过色差仪测定颜色参数，L^?值随粒径增大和Na₂SO₃浓度升高而增加；a^?值随二者增加而降低；b^?值则无明显单调模式。这与亚硫酸盐与酶促形成的醌类反应、限制深色聚合物形成的已知机制相符。粒径和亚硫酸盐浓度应共同作为颜色管理的评估变量。

3.4. 选定颗粒样本的代表性XRD图谱
对选定的S6P5、S6P10和S6P17样本进行XRD分析，图谱显示在2θ = 15°、17°–20°和22°–24°附近出现峰值，与B型马铃薯淀粉相符。三个样本的主峰位置相似，但在2θ = 19°附近的峰强度存在差异，可能反映了有序淀粉结构的保留或组织方式的变异，但未提供定量结晶度指数。

3.5. 选定颗粒样本的代表性DSC图谱
对上述选定样本进行DSC分析，显示起始温度、峰值温度和结束温度在S6P5中最低，在S6P17中最高；焓变（ΔH）也随选定粒径水平增加而增加。这种热学差异可能与淀粉结构顺序的变化或研磨过程中物理破坏程度有关。

3.6. 膨化马铃薯零食中的RSD
采用Monier-Williams法检测膨化样本中的RSD，所有处理组合的RSD均低于10 ppm的分析报告阈值。这表明在测试的预处理和膨化条件下，RSD低于报告阈值。这可能由于高温膨化促进了亚硫酸盐的流失或转化，但未直接测量其转化机制。

3.7. 初步研究的范围、技术贡献和局限性
在讨论部分，研究人员指出了本初步研究的范围、技术贡献和局限性。该研究在单一序列中整合了颗粒制备、理化与颜色表征、选定结构和热学观察、膨化及残留亚硫酸盐评估。虽然由于部分重复水平原始记录不可用，未能进行完整的推断统计分析，但处理组合间连贯的定向模式为后续验证研究中优先考虑粒径、亚硫酸盐浓度和最终产品质量终点提供了实际基础。

【研究结论】
研究结论部分总结道：该初步研究支持了在测试的粒径和Na₂SO₃预处理条件下，直接从新鲜马铃薯生产和膨化颗粒中间体的技术可行性。较大的粒径通常伴随着较低的BD和WHC，以及较高的孔隙率和L^?值；TD变化甚微。较高的Na₂SO₃浓度通常伴随着较高的L^?和WHC以及较低的a^?值。代表性XRD和DSC图谱也显示了选定粒径条件下的定向结构和热学差异，且膨化后的RSD低于10 ppm分析报告阈值。这些发现提供了一个工艺导向的技术框架，确定了粒径和亚硫酸盐浓度作为候选筛选变量，并为验证性工作明确了优先事项。进一步的研究应使用完全归档的重复水平数据、完整的结构和热学重复，以及对膨胀和质地的直接测量，然后再提出工艺建议。