《Food and Bioproducts Processing》：Goat whey-based functional powder ingredient enriched with green banana biomass: processing optimisation and functional characterisation
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本研究以山羊乳、山羊乳清及绿色香蕉生物质（Musa paradisiaca L.）为基料，对冻干功能性粉体的配方进行了优化。采用全因子实验设计，考察山羊乳清（17-51% w/w）与绿色香蕉生物质（10-30% w/w）浓度对18项理化响应变量的影响。多响应期
本研究以山羊乳、山羊乳清及绿色香蕉生物质（Musa paradisiaca L.）为基料，对冻干功能性粉体的配方进行了优化。采用全因子实验设计，考察山羊乳清（17-51% w/w）与绿色香蕉生物质（10-30% w/w）浓度对18项理化响应变量的影响。多响应期望函数优化确定，含34% w/w山羊乳清与20% w/w绿色香蕉生物质的配方为最佳折衷方案，兼具高淀粉含量、充分的溶解性及可接受的吸湿性。对四种低温冷冻温度的冷冻动力学建模表明，?140 °C为最优预冻条件，可获得最精细的孔隙微结构。优化后粉体的酚类含量与抗氧化活性随绿色香蕉生物质添加量增加而升高，同时矿物质组成保持稳定，支持其作为重组饮料或强化食品中功能性乳制品配料的潜在应用价值。
# 山羊乳清-绿色香蕉生物质冻干功能粉体的制备优化与功能表征：研究解读
## 研究背景与意义
全球食品产业正加速向基于循环经济原则的可持续生产模式转型，农业工业副产物及未充分利用食物流的增值化利用成为重要方向。山羊乳具有独特的蛋白质、脂质和矿物质组成，包括更小的脂肪球和可变的α
S1-酪蛋白含量，相较于牛乳可能具备更优的技术加工特性和消化性能；然而，与挥发性及短中链脂肪酸相关的特征风味给山羊乳制品的感官接受度带来了挑战。干酪生产产生大量山羊乳清，这一液态副产物富含乳糖、可溶性蛋白、矿物质和生物活性化合物，其高有机负荷在处置不当时可造成环境问题，将其转化为食品配料和增值产品是重要的资源化策略。绿色香蕉同样属于未充分利用的食物资源，尽管质地坚硬且具涩味，未成熟香蕉含有大量淀粉、膳食纤维、酚类化合物及抗性淀粉，具有潜在的功能食品应用价值。将山羊乳清与绿色香蕉生物质进行协同增值，可望生成营养与技术性能互补的食品配料。冷冻干燥因在低温下通过冰升华去除水分，适于热敏性食品基质，可保留营养与感官品质并形成具有良好复水性的多孔结构。既有研究多将山羊乳制品、乳清增值和绿色香蕉配料分别考察，本研究首次评估了将三者整合为单一冻干食品粉体的可行性，旨在为乳品和水果加工行业提供一条针对两种未充分开发副产物的实用增值路径。
## 研究方法概述
研究人员采用全因子实验设计，以山羊乳清浓度（17%、34%、51% w/w）和绿色香蕉生物质浓度（10%、20%、30% w/w）为自变量，构建一阶双向交互模型，通过方差分析和失拟检验评估模型充分性。采用Derringer-Suich期望函数对7个验证有效的响应变量进行多响应数值优化，确定最佳配方。运用Fourier瞬态热传导模型分析四种冷冻温度（?20、?60、?100、?140 °C）下的冷冻动力学，并结合扫描电子显微镜观察微观结构。通过DPPH自由基清除法、FRAP铁还原抗氧化能力法和Folin-Ciocalteu法分别测定抗氧化活性和总酚含量，采用能量色散X射线荧光光谱进行元素定性筛查。原料与实验场地涉及巴西帕拉伊巴州Soledade当地山羊养殖场及Campina Grande当地市场。
## 研究结果
### 模型验证与分析策略概述
18项理化响应变量中仅7项（38.9%）满足失拟不显著（p>0.05）的预测模型标准，可用于数值优化；其余11项为描述性模型。研究人员建立了分级分析策略：预测模型纳入期望函数优化，显著但拟合不足的变量采用Tukey HSD事后检验，仅回归系数显著的变量进行趋势分析，避免了RSM文献中对未验证模型随意应用数值优化的常见缺陷。
### 物理与粉末流动特性
11项描述性变量的Tukey HSD检验显示：有机酸当量无显著差异，脂质含量随绿色香蕉生物质增加而降低（E1/E2为9.87-9.88 g/100 g d.b.，E4为6.19 g/100 g d.b.）；可滴定酸度呈现最强区分度（E1最低0.94，E3最高1.45 g乳酸/100 g），证实山羊乳清是体系主要酸化剂；蛋白质含量在10.5-11.6 g/100 g d.b.间窄幅但显著变化；可溶性固形物呈非单调响应，表明存在一阶交互框架无法解析的曲面曲率；水分含量2.91%-5.58%；振实密度与Hausner比随绿色香蕉生物质增加而升高（最高0.471 g/cm3和1.35）；Carr指数19.79%-25.82%，溶解度约81%，所有配方均属USP分类中"尚可至可通过"的流动等级。
### 回归模型与响应面分析
七个验证有效的预测模型R2介于0.9165（Brix/酸度比）至0.9993（可滴定酸度）之间。可滴定酸度以乳清浓度为主导因素（β?=0.18，t=61.27，p<0.001），且存在显著负交互项；Brix/酸度比随乳清增加而单调下降；淀粉含量受两种因素近似等量驱动，绿色香蕉生物质为最主要因素（β?=2.80，t=15.77，p<0.001），呈加性关系；脂质含量随绿色香蕉生物质增加而降低且交互项显著为负；蛋白质含量虽范围受限（10-11 g/100 g d.b.），但乳清×绿色香蕉生物质交互项为主导效应（β?=?0.30，t=19.39，p<0.001），反映高淀粉高纤维负荷下的稀释效应；吸湿性以绿色香蕉生物质为最强正向驱动（β?=0.64，t=22.46，p<0.001），乳清浓度呈弱负效应；溶解度几乎恒定（约81%），乳清是唯一显著预测因子。响应面证实了功能的二元分工：乳清浓度主导酸碱化学与蛋白动态，绿色香蕉生物质调控结构、营养与吸湿性。
### 多响应优化与理化特征多变量结构
全局期望值从E1的D=0.270到中心点E5C-E7C的D=0.487，中心配方（34%乳清/20%绿色香蕉生物质）因各响应均未推向极端值而获得最高分。个体期望曲线显示E2以蛋白、吸湿性和溶解度高分为次优，但因脂质含量最高而受罚；E3的吸湿性期望崩溃至0.115；E4与E1呈镜像对称，证实两组成轴的拮抗效应。分层聚类热图将E3/E4归为高淀粉-高密度-高吸湿簇，E1/E2聚为高脂质低酸度簇，中心点组内离散度低证实工艺可重复性。主成分分析按化学、水合、物理三维度分解，累计解释方差分别达78.9%、92.0%和92.9%。弦图识别出密度枢纽（BD?TD?CI?HR）、酸度枢纽（TTA?pH?RAT）和淀粉-吸湿性轴（STC?HYG）三个功能关联模块。
### 冷冻动力学与微结构意义
Fourier分段模型以高保真度（R2≥0.9988，RMSE≤0.0117）拟合全部冷冻曲线。?140和?100 °C下潜热平台期压缩至360-600秒，表明快速冰成核抑制了过冷延长；?20 °C下平台期持续约3560-3600秒，A?降至0.46-0.50，形成更大冰晶和更粗孔隙结构。?140 °C因最快传热速率和最细孔隙结构被选为最优预冻温度。扫描电子显微镜显示所有配方呈不规则角状形貌，高乳清配方（E2/E4）呈更开放外观，高绿色香蕉生物质配方（E3/E4）颗粒较致密，中心点配方呈中间态形貌。
### 生物活性化合物、抗氧化活性与矿物质组成
三配方比较显示，总酚含量从E2的285.5±7.9 mg GAE/kg d.b.单调增至E4的468.7±11.2 mg GAE/kg d.b.（约64%增幅），证实绿色香蕉生物质浓度决定酚类负荷；DPPH清除活性从1.92±0.07增至3.41±0.11 mmol TEAC/kg d.b.（78%增幅），呈非线性协同增强；FRAP值从2.48±0.11增至4.06±0.16 mmol Fe2?/kg d.b.，绝对值高于DPPH，与抗性淀粉相关多酚的供电子化学一致。粗纤维含量0.92-1.07 g/100 g d.b.，灰分含量3.63-4.37 g/100 g d.b.。EDXRF定性筛查在三种配方中一致检出Ca、K、Na、Mg、P、Fe、Zn七种元素，且矿物质谱的不变性表明山羊乳/乳清部分为主导矿物质决定因素。
## 结论与展望
研究表明，将山羊乳清、山羊乳和绿色香蕉生物质结合制备冻干粉体具有技术可行性。在所考察的实验域内，山羊乳清和绿色香蕉生物质分别影响不同品质属性，配方组成在平衡酸度、淀粉含量、吸湿性、溶解度等物化性质中发挥重要作用。含34% w/w山羊乳清和20% w/w绿色香蕉生物质的中心配方获得最高全局期望值（D=0.487），但该值代表各响应间的中等折衷而非普遍最优配方。?140 °C冷冻产生最快冷却速率和最细孔隙结构，但其工业规模应用的技术经济可行性尚需进一步研究。增加绿色香蕉生物质与更高酚含量和体外抗氧化能力相关，但矿物质定量浓度和生物利用率未确定，不能据此建立营养或健康声称。该粉体可作为重组饮料、乳基产品、甜点和复合食品配方的配料。未来研究应采用扩展响应面设计、验证抗性淀粉含量、评估感官接受度和储藏稳定性、以验证方法定量矿物质并确认中试规模工艺性能。
