基于米糠与未成熟香蕉粉的香料强化挤压早餐麦片：以消费者为导向的开发与理化-感官-血糖响应特征解析

《JOURNAL OF FOOD SCIENCE》：Customer-Oriented Development and Characterization of Spice-Enriched Extruded Breakfast Cereal From Rice Bran and Unripe Banana Flour

　　

开发兼具营养强化与消费者可接受性的功能性早餐麦片，仍是产品创新的关键挑战。本研究开发了一种以消费者为导向、添加香料的挤压早餐麦片，以米糠和未成熟香蕉粉部分替代玉米糁，并主要以感官评价指导产品优化。研究人员采用挤压蒸煮技术制备了四种含0%–3%香料混合物（姜、肉桂、柠檬草）的配方，并在三种食用条件下（不加奶、加冷奶、加热奶）进行评估。产品开发遵循三步法：首先，采用勾选所有适用项法（Check-All-That-Apply, CATA）、评分所有适用项法（Rate-All-That-Apply, RATA）和享乐评分测试评估配方间的感官差异，揭示出香气、滋味和余味属性的显著变异。在各食用条件下，含1%香料的配方获得了最高的总体喜爱度（不加奶时p < 0.001；加热奶时p < 0.05）。功能特性表征显示，增加香料添加量显著提升了总酚含量（17.53–29.16 mg GAE/g）、总黄酮含量（9.51–26.96 mg QE/g）和抗氧化活性（ABTS法6.08–103.36 mg TE/g；DPPH法4.25–30.74 mg TE/g）（p < 0.001）。其次，采用贝叶斯多准则决策分析，将感官接受度与九项理化参数相结合，确定最优配方，确认含1%香料混合物（spice blend, SB）为最佳配方。第三，对所选配方进一步进行血糖反应表征，优化产品的血糖指数（glycemic index, GI）为47 ± 8，归类为低血糖生成指数食品。这些研究结果表明，适度的香料添加可在保持消费者偏好的同时改善功能特性，为开发更健康的挤压谷物产品提供支持。

实践应用：本研究为利用米糠和未成熟香蕉粉开发香料强化挤压早餐麦片（spice-enriched extruded breakfast cereal, SEBC）并保持消费者接受度提供了实用框架。以消费者为导向的产品开发方法使食品制造商能够优化香料添加量，在风味、质构和功能特性之间达到理想平衡，同时不损害消费者接受度。研究进一步证明了将未被充分利用的农业副产物（即米糠和未成熟香蕉粉）转化为具有改善营养属性、具备商业可行性的功能性谷物产品的可行性。

# 香料强化挤压早餐麦片的开发与表征：研究背景、方法、结果与意义解读

## 1 研究背景与问题

全球非传染性疾病（non-communicable diseases, NCDs）负担持续加重，2024年糖尿病影响约5.89亿成年人，占全球人口的11.1%，导致超过340万人死亡和近1万亿美元医疗支出。不健康饮食、肥胖和缺乏运动是主要可改变风险因素，同时全球仍有近10亿人无法满足营养需求。这一双重负担凸显了开发兼具营养强化、可及性和可接受性的功能性食品的紧迫性。

挤压蒸煮技术（extrusion cooking）是一种高效、可规模化的谷物产品加工方法，在114.5°C–170.0°C、20–40 s的快速热机械条件下运行，可实现淀粉糊化、蛋白质变性、酶失活和微生物减少等关键物理化学转变。然而，传统挤压谷物往往缺乏足够的功能属性来应对当前的健康问题。香料（如姜、肉桂、柠檬草）是成本低廉的生物活性化合物来源，具有强抗氧化和抗微生物特性；米糠富含生育三烯酚、γ-谷维素和β-葡聚糖等生物活性成分；未成熟香蕉粉提供抗性淀粉，有助于肠道健康并降低血糖反应。

已有研究（Sukarno等，2022）证明了利用米糠和香蕉粉制备挤压谷物具有可接受的感官特性，但挤压后抗氧化活性显著下降，表明热机械加工过程中生物活性物质保留存在关键局限。目前，将米糠、未成熟香蕉粉和所选香料组合作为挤压早餐麦片中互补抗氧化来源的研究尚未系统开展。因此，本研究旨在调查不同浓度的混合香料粉（姜、肉桂、柠檬草）对由米糠和未成熟香蕉粉配制的挤压早餐麦片的物理、功能和感官特性的影响。

## 2 研究内容与总体结论

研究人员采用完全随机设计，设置了四种香料混合物（spice blend, SB）添加水平：0%（对照F0）、1%（F1）、2%（F2）和3%（F3）。每种配方进行两次独立生产批次。产品开发遵循三步策略：第一步通过感官差异测试评估配方间差异；第二步采用贝叶斯多准则决策分析整合感官接受度和九项理化参数确定最优配方；第三步对所选配方进行血糖指数（glycemic index, GI）表征。研究结论表明，含1%香料混合物的配方在保持消费者接受度的同时显著提升了功能特性，其GI为47 ± 8，属于低血糖生成指数食品。

## 3 关键技术与方法

本研究使用了以下主要技术方法：（1）双螺杆挤压蒸煮技术制备香料强化挤压早餐麦片，原料包括玉米淀粉、稳定化米糠、未成熟香蕉粉、脱脂奶粉、棕榈糖和香料混合物，所有配方均以2 kg批次规模制备；（2）感官评价方法，包括勾选所有适用项法（Check-All-That-Apply, CATA）和评分所有适用项法（Rate-All-That-Apply, RATA），采用5点李克特量表（1=强度极低；5=强度极高），总体可接受性采用6点享乐量表（1=极不喜欢；6=极喜欢），共有70名未经训练的消费者评价员参与，分别在三种食用条件下（未加奶、加冷鲜奶8°C、加热鲜奶30°C）进行评估，每块间隔约1小时以避免感官疲劳；（3）物理特性表征，包括CIE L*a*b*色空间颜色测定、谷物在牛奶中的抗性、质构分析（硬度以牛顿N表示，脆性以N·mm表示）、堆积密度、吸水指数和水溶指数、截面积膨胀指数；（4）功能特性分析，包括总酚含量（total phenolic content, TPC，采用Folin–Ciocalteu法）、总黄酮含量（total flavonoid content, TFC，采用三氯化铝比色法）、ABTS和DPPH自由基清除活性、衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）指纹扫描；（5）血糖指数测定依据ISO 26642:2010标准，10名健康受试者（22–50岁）参与，测试谷物和参考葡萄糖溶液各提供50 g可利用碳水化合物；（6）贝叶斯多准则决策分析整合感官和理化指标选择最佳配方。膳食纤维、抗性淀粉和淀粉结晶度未直接测量。

## 4 研究结果

### 4.1 近似组分含量

蛋白质含量在各配方间无显著差异（p > 0.05）。水分含量受香料混合物添加显著影响（p < 0.001），范围约为5.98%–7.99%，最高值出现在含1%香料混合物的F1中。脂肪含量随香料浓度增加而显著增加（p < 0.001），F3达到最高值4.39%。灰分含量在较高香料水平下也显著增加（p = 0.001）。碳水化合物含量随香料混合物浓度增加而显著降低（p < 0.001），对照F0为最高值83.25%。优化配方（含1%香料混合物）的总膳食纤维（total dietary fiber, TDF）实测值为5.65%，较原料理论估算值8.03%低约30%，表明挤压可能引起不溶性多糖解聚和抗性淀粉糊化等加工相关变化。

### 4.2 物理特性

香料混合物添加显著影响所有颜色参数（p < 0.001）。亮度（L*）从对照F0的65.07增加到香料配方F1–F3的70.50–71.47。红度（a*）和黄度（b*）在1% SB时先降低，随后在2%–3% SB时升高，呈现非线性响应。彩度（C*）随香料浓度增加而增加，色相角从82.76降至78.06，总色差（ΔE）逐渐增大，表明形成更明显的金棕色外观。

谷物在牛奶中的抗性在不同配方间差异显著（p < 0.001）。含1%和2%香料混合物的配方抗性时间最长（27.26和27.63 min），而3%添加量（F3）降至24.67 min。所有配方均超过即食早餐麦片3 min的最低抗性时间要求。

质构方面，硬度在F0和F1间相似（22.68和22.27 N），F2显著降至13.53 N，F3回升至16.02 N。脆性/松脆性在F3达到最高值52.34 N·mm。

吸水指数（water absorption index, WAI）从F0的4.30 g/g增加至F1–F3的4.80–5.03 g/g。水溶指数（water solubility index, WSI）呈非线性趋势，F1–F2降至6.34%–6.67%，F3升高至8.55%。

堆积密度从F0的0.0916 g/mL增加至F3的0.1031 g/mL。截面积膨胀指数在F2达到最低值2.52 mm，F3升至2.79 mm。

### 4.3 感官特性

70名未经训练的消费者评价员中，77.1%年龄在19–25岁，72.9%为女性，91.4%为学生。香料的添加主要引起风味相关感知的差异，多数质构属性无显著差异。

CATA评价（Cochran's Q检验）显示，香气（姜、辛辣、肉桂）和余味（辛辣、温暖、苦味）属性在不同食用条件下均存在显著差异（p < 0.001）。惩罚分析表明，甜味是喜爱度最主要的正向驱动因素，其缺失导致整体喜爱度平均下降0.38–0.68分；奶油色和奶香为"必备"属性；辛辣香气和苦味余味与喜爱度降低相关（平均下降-2.7至-3.0）。

RATA评价的单因素方差分析显示，消费者效应对所有25个属性均显著（p < 0.001），产品效应在干食条件下21个属性、冷奶条件下19个属性、热奶条件下21个属性显著。主成分分析（PCA）显示前两个主成分解释了86.95%–95.21%的总方差。加奶条件改变了配方间的空间分布，冷奶降低了高香料配方间的感知差异，热奶使感官空间更加多维。

享乐评价显示，干食条件下F1获得最高平均喜爱度4.24分，显著高于F2（3.77）和F3（3.57），但与F0（3.94）统计相当；冷奶条件下配方间无显著差异；热奶条件下F1再次获得最高接受度4.07分。总体表明1%香料混合物配方在感官增强和消费者接受度之间达到最佳平衡。

### 4.4 最优配方的确定

采用贝叶斯多准则决策分析，纳入颜色、硬度、脆性、谷物在牛奶中抗性、WAI、WSI、堆积密度、截面积膨胀和总体享乐喜爱度九项标准，其中总体喜爱度获得最高权重（0.16）。F1以最高综合得分2.84被选为最佳配方。

### 4.5 总酚含量与总黄酮含量

总酚含量（TPC）随香料混合物浓度显著增加（p < 0.001），从17.53增至29.16 mg GAE/g。总黄酮含量（TFC）从9.51增至26.96 mg QE/g，但F1和F2间差异不显著（p = 0.105）。TFC低于TPC可能归因于AlCl₃法对特定黄酮结构的选择性以及香料混合物的成分差异。

### 4.6 抗氧化活性

DPPH和ABTS抗氧化活性均随香料混合物浓度显著增加（p < 0.001）。DPPH值从4.25增至30.74 mg TE/g，ABTS值从6.08增至103.36 mg TE/g。ABTS响应更强可能因其能检测更广泛的亲水性和亲脂性抗氧化剂，而DPPH主要反映酚类组分的活性。蛋白质和水分含量在各配方间无显著差异，进一步支持观察到的抗氧化活性主要由香料混合物中的非肽类生物活性化合物驱动。

### 4.7 ATR-FTIR指纹图谱

ATR-FTIR光谱在4000–400 cm^-1范围内整体相似，反映以淀粉为主的谷物基质，但峰强度随香料混合物浓度增加而增强。3300 cm^-1附近的O─H伸缩振动带增强与WAI增加一致；2925和2852 cm^-1的脂肪族C─H伸缩振动增强与精油成分的脂肪链贡献一致；1750和1240 cm^-1的羰基C═O和酚类C─O伸缩振动增强与TPC和TFC升高相符。FTIR指纹提供了TPC、TFC和抗氧化趋势的结构确认。

### 4.8 血糖指数

根据ISO 26642:2010标准测定，含1%香料混合物的最优配方F1的GI值为47 ± 8（以葡萄糖=100为参照），归类为低血糖生成指数食品（GI < 55）。这一低GI可能源于米糠和未成熟香蕉粉中的膳食纤维和抗性淀粉降低淀粉可及性、减缓葡萄糖释放，以及肉桂等香料来源生物活性化合物对α-葡萄糖苷酶的抑制作用。然而，抗性淀粉含量、酶抑制和淀粉-多酚相互作用未直接测量。

## 5 讨论与结论

讨论部分指出，1%香料混合物配方在各项评价标准间达到了最佳平衡，其膨胀和质构特性与对照组总体相当，同时在干食和热奶食用条件下获得最高平均享乐得分。低的GI是通过相对较低的香料添加量实现的，无需挤压后风味校正，且加工条件处于商业双螺杆挤压的标准操作范围内，具有良好的工业放大潜力。研究也存在局限性，包括缺乏货架期评估、感官评价小组的人口统计学范围有限、缺乏体内血糖测试。此外，抗氧化保留、基质相互作用和血糖反应的潜在机制未直接验证。

研究结论：含1%香料混合物的配方（F1）通过整合理化与感官属性的贝叶斯多准则决策分析被选为最佳配方。对照F0感官质量可接受但功能增强有限，而3%香料添加量提高了抗氧化能力但因更强的苦味和辛辣感降低了喜爱度。香料添加增加了酚类含量、黄酮含量和抗氧化活性。最佳配方F1表现出47 ± 8的低GI值。研究提供了一种实用方法，通过适度添加1%香料混合物，开发消费者可接受的、功能特性增强的挤压早餐麦片。