冻干工艺提升蔓越莓豆（Phaseolus vulgaris L.）全粉在无麸质纸杯蛋糕中的功能特性与感官接受度

《Foods》：Freeze-Drying Enhances Functional Properties and Sensory Acceptability of Cranberry Bean (Phaseolus vulgaris L.) Flour in Gluten-Free Cupcakes

　　

摘要 虽然豆类全粉能够改善无麸质烘焙产品的营养品质，但干燥方式对预煮蔓越莓豆（Phaseolus vulgaris L.）全粉及其烘焙性能的影响尚未得到充分研究。本研究比较了热风干燥（oven-drying，OD）和冻干（freeze-drying，FD）对蔓越莓豆全粉（cranberry bean flour，CBF）理化及营养特性的影响，并评估了其对纸杯蛋糕品质的作用。研究测定了CBF的功能特性、近似组成、矿物质含量及总酚类化合物含量，并评估了纸杯蛋糕的色泽、水分含量、质构、贮藏行为及感官属性。FD显著提高了吸水能力（3.44 ± 0.16 vs. 2.80 ± 0.02 g/g，OD；p = 0.02）、吸油能力（2.10 ± 0.13 vs. 0.98 ± 0.03 g/g；p = 0.003）及总酚含量（1.23 ± 0.006 vs. 1.18 ± 0.008 mg GAE/g；p < 0.001），同时获得了更细的粒径（445 ± 86 vs. 1187 ± 210 nm；p = 0.02）。OD保留了显著更高浓度的钾、磷、铁和锌，而FD产生了更高的热量值（401 ± 1.6 vs. 392 ± 0.9 Cal/100 g；p = 0.02）。在纸杯蛋糕中，FD全粉制得的蛋糕瓤色泽显著更浅。两种豆基纸杯蛋糕采用相同配方制备，均表现出较高的水分含量（37.7%–40.1%）。OD纸杯蛋糕的弹性显著更高（14.5 ± 2.7 vs. 8.9 ± 1.7 mm；p = 0.023），而其余质构参数均无显著差异。经7天贮藏后，豆基配方仍保留超过27%的水分，并表现出相近的贮藏行为。感官评价（n = 45）显示，FD纸杯蛋糕的豆腥味强度显著低于OD纸杯蛋糕（p = 0.017），香气喜好度显著更高（p = 0.0002），表明其消费者接受度更优。总体而言，冻干CBF是开发营养强化且具有良好质构和感官特性的无麸质纸杯蛋糕的一种具有前景的功能性配料。

冻干工艺优化蔓越莓豆全粉在无麸质纸杯蛋糕中的应用：功能特性、营养品质与感官接受度的系统评价

一、研究背景与问题提出

随着乳糜泻（celiac disease）在全球范围内约1%的患病率以及非乳糜泻麸质敏感（non-celiac gluten sensitivity）约6%的患病率持续上升，加之消费者对无麸质膳食选项的需求日益增长，全球无麸质产品市场显著扩张。由于终身麸质回避仍是麸质相关疾病唯一有效的治疗策略，开发营养丰富且方便的无麸质食品已成为工业界和学术界的重要研究方向。然而，传统无麸质产品通常以精制淀粉（如大米粉）为主要原料，在蛋白质、膳食纤维、维生素和矿物质等方面存在营养缺陷，同时还面临面团黏聚性和弹性差、蛋糕瓤质地易碎、老化速度快等结构性质量问题。

豆类全粉作为无麸质配方中的功能性配料受到越来越多的关注，其通过蛋白质-淀粉相互作用增强面糊黏弹性和蛋糕瓤结构，能够以经济且营养丰富的方式改善产品品质。红芸豆全粉已被报道可改善无麸质纸杯蛋糕的黏弹特性并降低硬度，芸豆蛋白分离物可增强淀粉基无麸质松饼的质构，发芽彩色豆全粉在大米粉基无麸质松饼中展现出良好的工艺、生物活性和感官品质。在众多豆类品种中，蔓越莓豆（Phaseolus vulgaris L.）以其卓越的营养特性脱颖而出，每100 g干重约含22 g蛋白质，同时富含膳食纤维、必需矿物质（铁、钙、镁）及具有抗氧化活性的生物活性酚类化合物。尽管蔓越莓豆具有上述营养优势，且其他豆类全粉在无麸质烘焙中的益处已有文献记载，但蔓越莓豆全粉作为无麸质烘焙产品配料的研究极为有限，构成了文献中的显著空白。此外，消费者接受度因豆类产品特有的"豆腥味"（beany flavor）和气味而面临关键挑战，能够最大限度降低这些感官属性同时保留营养品质的加工方法尚未得到系统评估。

干燥方式显著影响豆类全粉的营养和功能特性，并对烘焙性能产生下游影响。热风干燥（OD）是食品加工中广泛应用的经济可行方法，但热量施加可诱导蛋白质变性、淀粉糊化以及热敏性生物活性化合物（包括酚类和维生素）的降解。相比之下，冻干（FD）在真空和零下温度条件下运行，可保留蛋白质和生物活性化合物的天然分子结构，同时产生多孔、高吸湿性且复水性能优异的全粉。尽管干燥方式对多种植物材料全粉特性的影响已有报道，但OD与FD对预煮豆类全粉的直接比较及其对无麸质烘焙性能的后续影响在文献中仍较为有限。截至目前，尚无研究对预煮蔓越莓豆全粉的热风干燥与冻干进行比较，并评估其对无麸质烘焙性能和感官接受度的影响。本研究旨在：（i）比较热风干燥与冻干对预煮蔓越莓豆全物理化特性的影响，包括功能特性、近似组成、矿物质含量和总酚类化合物含量；（ii）评估这些干燥方式对无麸质纸杯蛋糕品质特性的影响，包括色泽、水分含量、质构剖面、贮藏行为和感官属性。

二、研究设计与主要技术方法

研究人员从突尼斯苏塞当地农户处购得蔓越莓豆，随机分为两批，分别在突尼斯Sidi Bouzid的Bio-Gatrana设施和加拿大渥太华大学健康科学学院食品级实验室进行加工，两条生产线仅在干燥步骤上存在差异。主要技术方法包括：采用激光衍射法（Mastersizer 3000）测定粒径分布；采用凯氏定氮法（Kjeldahl method）测定蛋白质含量，索氏抽提法（Soxhlet extraction）测定脂肪含量，马弗炉灰化法测定灰分，酶-重量法测定总膳食纤维，AOAC 996.11法测定总淀粉；采用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）测定矿物质含量；采用Folin–Ciocalteu比色法测定总酚含量；采用HunterLab ColorFlex EZ分光光度计进行色泽分析；采用Brookfield Ametek CTX质构分析仪进行双循环压缩质构剖面分析（TPA）；采用45名未受训评价员（32名女性，13名男性，年龄20–63岁，招募自渥太华大学社区）进行9点享乐量表感官评价和5点JAR量表评价。

三、研究结果

3.1 干燥方式对蔓越莓豆全物理化特性的影响

吸水能力（WAC）方面，CBF表现出较高的WAC值（OD全粉为2.80 ± 0.02 g/g，FD全粉为3.44 ± 0.16 g/g），显著高于文献报道的小麦粉（0.5–0.7 g/g）和大米粉（0.5 g/g）。FD使WAC显著提高1.2倍（p = 0.02），这归因于冻干过程中水通过升华去除，产生有利于水分进入的多孔结构。吸油能力（OAC）方面，FD样品OAC较OD显著提高2.1倍（2.10 ± 0.13 vs. 0.98 ± 0.03 g/g；p = 0.003），与Que等人对南瓜全粉的研究结果一致，该增强效应可能由粒径减小以及FD过程相关的较高淀粉和蛋白质含量共同驱动。水分含量方面，FD产生显著更低的水分含量（2.99 ± 0.8% vs. 6.69 ± 0.5%；p = 0.005），有利于改善货架稳定性。粒径方面，FD产生更小的粒径（445 ± 86 vs. 1187 ± 210 nm；p = 0.02），而粒径直接影响豆类全粉的消化率和烘焙产品品质。总酚含量（TPC）方面，FD全粉的TPC显著高于OD全粉（1.23 ± 0.006 vs. 1.18 ± 0.008 mg GAE/g；p = 7.5 × 10^?5），两种全粉的TPC均高于文献报道的烤杏核全粉、大麦全粉及多种甘薯全粉。

3.2 干燥方式对蔓越莓豆全粉营养特性的影响

FD产生更高的热量值（401 ± 1.6 Cal vs. 392 ± 0.9 Cal；p = 0.02），蛋白质（24.4 ± 2 vs. 23.4 ± 1.7 g）和脂肪（2 ± 0.5 vs. 1.7 ± 0.03 g）含量虽无统计学显著差异但FD数值更高。OD与FD的碳水化合物（70.7 ± 1.4 vs. 71.2 ± 2.7 g）、淀粉（30.7 ± 3.3 vs. 39.4 ± 0.7 g）、纤维（22.5 ± 1.6 vs. 21.5 ± 0.1 g）和糖（6.6 ± 0.5 vs. 6.9 ± 0.1 g）含量相当。OD保留了显著更高浓度的必需矿物质，其中钾（1701 ± 1.4 vs. 945 ± 91.9 mg）、铁（6.4 ± 0.4 vs. 4.8 ± 0.3 mg）、磷（501 ± 1.4 vs. 300 ± 28.3 mg）和锌（3 ± 0.3 vs. 1.7 ± 0.3 mg）显著高于FD。CBF每100 g含约21–23 g膳食纤维，约为加拿大"膳食纤维含量极高"食品分类标准（每份至少6 g）的四倍。

3.3 干燥方式对无麸质蔓越莓豆纸杯蛋糕品质特性的影响

体积与蛋糕瓤色泽方面，对照组纸杯蛋糕体积最高（0.09 ± 0.008），L*值（68.25 ± 3.02）和b*值（29.0 ± 0.88）显著更高、a*值（4.98 ± 0.49）更低，这与对照组以白米粉为主及传统无麸质产品因美拉德反应减少而色泽偏浅的已知趋势一致。两种豆基配方的a*值均显著高于对照组（p = 0.0006），可能归因于蔓越莓豆全粉中含有的花青素和黄酮类植物色素在加热时形成发色团。OD纸杯蛋糕的褐变指数最高（51.97 ± 0.68；p < 0.0001）。豆基处理之间，FD纸杯蛋糕显著更浅（L* = 53.42 ± 0.9 vs. 48.03 ± 0.7；p = 0.018）。水分含量与质构剖面方面，第1天两种豆基配方的水分含量无显著差异（OD为37.68 ± 1.4%，FD为40.06 ± 3.4%），均高于常规无麸质纸杯蛋糕的常见水平，归因于豆全粉中高纤维和蛋白质含量增强的保水性。TPA显示硬度、弹性回复、内聚性和咀嚼性在两种豆基配方之间均无显著差异。弹性是唯一受干燥方式显著影响的质构参数：OD纸杯蛋糕弹性更高（14.47 ± 2.65 mm vs. 8.91 ± 1.68 mm；p = 0.023）。贮藏行为方面，第1天至第7天期间两种配方的硬度、弹性和咀嚼性均显著增加，但第7天OD与FD纸杯蛋糕在任何质构参数上均无显著差异。两种配方均保留超过27%的水分，7天后仍保持柔软和弹性，表明豆基配方有助于维持无麸质纸杯蛋糕在贮藏期间的理想理化特性。

3.4 干燥方式对无麸质蔓越莓豆纸杯蛋糕感官特性的影响

45名评价员的感官评价显示，对照组在各属性上的得分均较高，反映了商业无麸质产品的感官熟悉度和优化配方特征。豆基纸杯蛋糕在外观、质构和总体接受度上无显著差异，但香气差异显著：FD全粉得分（"比较喜欢"，6.84 ± 1.1）显著高于OD全粉（"有点喜欢"，5.64 ± 1.7；p = 0.0002）。风味方面呈现类似趋势，从OD的"有点不喜欢"（4.44 ± 2.2）改善至FD的中性反应（"一般"，5.40 ± 1.6；p = 0.03）。值得注意的是，FD全粉纸杯蛋糕的香气与对照组无显著差异（6.84 ± 1.1 vs. 6.93 ± 1.2；p = 0.9），表明FD有效掩盖或中和了豆腥气味。JAR量表评估显示，FD配方对豆腥味强度有显著影响：49%的评价员认为FD纸杯蛋糕的豆腥味强度"恰到好处"，仅29%认为"过强"；而73%的评价员认为OD纸杯蛋糕的豆腥味"过强"（p = 0.017）。余味方面两处理间无显著差异，但OD配方的"过强"率最高（56%）。

四、讨论与结论

本研究的局限性包括：OD和FD在不同设施进行，虽已标准化源材料、前后处理步骤和所有分析测定至单一操作者和单一分析地点，但设施层面因素无法完全排除；水分和TPA比较仅限于配方完全相同的OD和FD配方；贮藏行为仅评估7天且仅通过水分含量和质构剖面分析；感官评价样本量有限（n = 45）且来自非代表性评价小组。

研究结论表明，干燥方式显著影响CBF的理化和营养特性以及无麸质蔓越莓豆纸杯蛋糕的品质和感官特征。FD显著提高了吸水能力和吸油能力、减小了粒径并增强了TPC。两种干燥方式在膳食纤维、脂肪、碳水化合物、淀粉、糖和蛋白质方面结果相当，但FD的热量值更高。在纸杯蛋糕中，FD产生显著更浅的产品和更低的褐变强度。豆基纸杯蛋糕表现出高水分含量，7天贮藏期间两种豆基配方表现出相近的贮藏行为，保持高水分和柔软弹性蛋糕瓤。感官分析进一步表明，FD纸杯蛋糕的豆腥味强度显著更低、香气喜好度更高，消费者接受度更优。总体而言，冻干CBF作为功能性配料在开发营养强化且具有良好质构和理想感官特性的无麸质纸杯蛋糕方面展现出强大潜力。未来研究应进一步优化配方和加工条件，并探究定期食用这些豆基纸杯蛋糕的健康益处，包括对肠道微生物群组成和代谢健康标志物的影响。