《JOURNAL OF FOOD PROCESSING AND PRESERVATION》：Effect of Partially Replacing Wheat Flour With Modified Water Yam Flour on the Physicochemical, Chemical, Textural, and Sensory Properties of Bread
编辑推荐：
由于水山药采后损失严重，且食品工业对高膳食纤维含量、更优加工特性烘焙制品的开发兴趣日益增长，本研究评估了以湿热改性（HMT）水山药（Dioscorea alata）粉部分替代小麦粉对面包理化、化学、物理、微生物及感官特性的影响。研究设置了0%、15%、25%和
由于水山药采后损失严重，且食品工业对高膳食纤维含量、更优加工特性烘焙制品的开发兴趣日益增长，本研究评估了以湿热改性（HMT）水山药（Dioscorea alata）粉部分替代小麦粉对面包理化、化学、物理、微生物及感官特性的影响。研究设置了0%、15%、25%和35%四个替代水平的面包配方。研究人员分别测定了原粉和改性粉的理化（pH、酸度和堆积密度）、化学（水分、蛋白质、灰分、脂肪和纤维）、功能性（WRC、ORC、SP、S、EAI和ESI）及色度学特性。随后，采用官方AOAC方法、仪器分析和感官测试（60名面包日常消费者参与）对面包的理化（pH和酸度）、化学、物理（重量、高度、体积、比容和质量损失）、微生物、色度、感官（颜色、香气、滋味、质地［柔软度］和总体可接受性）及质构特性（硬度、内聚性、弹性、回复性、咀嚼性和粘附性）进行了评价。结果表明，HMT提高了改性粉的持水能力（2.291 g/g）和膳食纤维含量（2.335%）。与对照组相比，25%替代处理组具有更高的水分（23.716%）、纤维（0.474%）和碳水化合物（47.506%）含量。同样，除35%替代处理组外，所有处理组的感官可接受性与对照组相似。35%高替代水平导致面包体积降低55.0%、比容降低52.9%、面包高度降低28.8%（与对照组相比）。研究结论认为，添加不超过25%的改性粉是生产高纤维含量面包的可行替代方案，且不会损害其结构质量或商业可接受性。
论文解读
一、研究背景与意义
山药是一种原产于非洲和亚洲的热带作物，隶属于薯蓣科（Dioscoreaceae），其中薯蓣属（Dioscorea）最为重要，已鉴定物种超过600种。2023年全球山药产量达89,345,124.97吨，尼日利亚是主要生产国，占全球总量的97.6%；美洲贡献了1.6%的产量，其中哥伦比亚以412,819.66吨的产量脱颖而出。在具有重要经济和营养价值的物种中，Dioscorea alata（水山药）因栽培容易且适应多种气候条件而成为全球种植最广泛的品种。该块茎以其诱人的形状、风味和较长的采后寿命而具有较高的商业价值，同时富含淀粉、膳食纤维和维生素等营养成分，是粮食安全和农业经济的重要食物来源。
然而，水山药面临诸多挑战：采后损失严重（由储存和加工不当引起），影响品质和供应；附加值衍生产品开发有限，错失了增强其在农工经济中影响力的机会。将山药加工成面粉是提高其商业价值并实现食品工业（尤其是焙烤制品）多元化利用的关键策略。但用替代面粉部分替换小麦面粉可能影响面筋网络的形成，降低面团弹性和面包体积。为缓解这些负面影响并改善替代面粉的功能特性，研究人员评估了多种物理加工技术，其中湿热处理（HMT）尤为突出——该技术广泛用于在不改变淀粉分子结构的前提下改善淀粉功能特性，可增强吸水能力、结晶度和面团混合特性，提高热稳定性，并促进抗性淀粉的形成，从而提供降低快速消化淀粉的营养益处。已有研究表明，HMT改性的甘薯粉在5%–15%替代水平下可保持与对照面包相当的物理和感官特性，HMT改性魔芋粉在10%和15%添加水平下可制得可接受的理化及感官特性的面包。然而，关于HMT改性水山药粉在焙烤制品中的应用信息仍然有限，因此有必要开展进一步研究以确定其对面包技术和感官品质的影响。本研究旨在评估以改性Dioscorea alata粉部分替代小麦粉对面包理化、物理、微生物和感官特性的影响。
二、主要技术方法
研究人员采用以下关键技术方法开展研究：水山药粉的制备参照Obadina等方法并加以改进，包括挑选、清洗、去皮、切片（2 mm）、1%柠檬酸浸泡、50°C热烫3 min、浸泡4 h、70°C强制对流干燥2 h、粉碎过筛。面粉的HMT改性参照Yu等方法，将水分调至20%，密封容器中5°C冷藏24 h，再于80°C对流烘箱处理5 h，最后50°C干燥至水分含量10%。面粉理化性质测定包括pH和酸度（体积滴定法）、堆积密度；化学成分分析采用AOAC官方方法测定水分、粗蛋白、灰分、粗脂肪和粗纤维，碳水化合物以差减法计算；色度采用色差仪测定L*、a*、b*值并计算白度指数（WI）；功能特性测定包括持水能力（WRC）、持油能力（ORC）、溶胀力（SP）和溶解度（S）、乳化活性指数（EAI）和乳化稳定性（ESI）。面包制备基于Ochelle等方法并改进，设置对照组（100:0）和三个实验处理组T1（85:15）、T2（75:25）、T3（65:35），配料包括小麦粉/山药粉（54.82%）、糖（9.87%）、盐（0.77%）、人造黄油（10.96%）、鸡蛋（4.94%）、水（16.45%）、酵母（1.64%）、香草精（0.55%）和防霉剂（0.027%），经混合揉捏10 min、第一次发酵1 h、整形、再发酵1 h、180°C烘烤20 min。面包评价包括理化性质（pH和酸度）、化学成分（AOAC方法）、物理性质（重量、高度、体积、比容和质量损失）、色度、质构剖面分析（TPA，采用TA.XT Plus质构仪）、微生物分析（依据哥伦比亚技术标准NTC 1363）和感官评价（60名18–50岁面包日常消费者，7点喜好标度）。数据分析采用完全随机单因素设计，面粉性质比较用Student's t检验（p < 0.05），面包变量用单因素方差分析（ANOVA）结合Tukey's HSD多重比较检验（显著性水平5%），每个处理三次独立实验重复，每次分析测定三次。
三、研究结果
面粉理化性质。 原粉pH为5.65（微酸性），改性后升至5.72，HMT倾向于略微升高pH，可能因热处理导致酸性化合物损失；滴定酸度呈相反趋势，改性后略有下降。堆积密度改性后略有增加（从1.093增至1.120 g/mL），可能与热处理过程中淀粉颗粒内部结构重组导致更紧密的堆积有关。
面粉化学成分。 原粉水分含量4.56%，改性后显著增至10.74%（因HMT处理前需调湿），但均低于13%的推荐保藏限值。蛋白质含量无显著差异（4.727%），脂肪含量亦无显著变化（约0.14%）。灰分含量从1.69%显著降至1.40%，可能与处理过程中的矿物质损失有关。膳食纤维含量从1.60%显著增至2.33%，因HMT可引起支链淀粉中键的断裂，产生更多直链淀粉线性链，这些链可表现为抗性淀粉，从而在改性粉中产生更高的膳食纤维含量。碳水化合物含量从84.17%降至79.26%，部分因HMT改变淀粉结构使部分支链淀粉转化为直链淀粉并形成难消化结构，部分因水分增加在差减法中的反映。
面粉色度。 HMT导致L*值显著降低（从90.517降至85.627），a*和b*值显著增加（分别从?0.253增至1.820、从6.227增至8.967），白度指数从88.650降至82.963，表明面粉变暗并略向红黄色调偏移，可能归因于热处理诱导的非酶褐变反应（尤其是美拉德反应）以及淀粉结构变化和有色化合物浓度的改变，但变化幅度肉眼几乎不可察觉。
面粉功能特性。 WRC从1.907显著增至2.291 g/g，归因于HMT诱导的淀粉结构重组使直链淀粉和支链淀粉链上羟基基团更充分暴露，利于与水分子形成氢键，同时部分蛋白质变性也可能贡献于持水能力提升。ORC从1.017增至1.154 mL/g（无显著差异），呈正向趋势。SP从3.682降至2.665 g/g，S从0.233%降至0.106%，因HMT提高淀粉结晶度，形成更有序结构限制颗粒膨胀。EAI从51.666%降至18.333%，ESI从91.582%降至55.555%，与表面蛋白热变性降低其在油/水界面形成稳定膜的灵活性有关，但对低脂烘焙基质结构不构成关键影响。
面包理化性质。 面包pH值在5.57–5.78之间，处于焙烤制品4.5–6.0的最佳范围内，各处理间无显著差异。滴定酸度在改性粉面包中（0.09%–0.10%）显著高于对照组（0.05%），可能与酵母对热处理部分水解淀粉的作用促进产酸有关，但未显著影响pH。
面包化学成分。 水分含量在T1（23.960%）和T2（22.686%）中较对照组（22.617%）有所增加，T3（20.339%）则降低，低中水平替代促进持水能力，所有处理均符合NTC 1363规定的20%–40%水分范围。膳食纤维含量随替代水平增加而显著递增（对照组0.231%、T1 0.341%、T2 0.474%、T3 0.472%），归因于HMT增强抗性淀粉形成，不仅改善营养特性，还可促进消化健康、增加饱腹感和有助于血糖控制。碳水化合物含量在T1（46.185%）和T3（50.601%）间存在显著差异，随改性粉比例增加而升高，因改性粉碳水化合物含量（79.26%）高于小麦粉（约68.70%–73.90%）。蛋白质、脂肪和灰分无显著差异，蛋白质呈轻微下降趋势（归因于山药粉蛋白含量低于小麦粉的稀释效应），但均符合NTC 1363对面包蛋白质≥9%的最低要求。
面包物理性质。 面包重量随替代水平增加呈上升趋势（从43.276 g增至44.536 g，无显著差异），与改性粉较高WRC促进烘烤过程中水分保留有关。面包高度从对照组的4.400 cm显著降至T3的3.133 cm，与面筋含量减少直接相关（面筋对发酵过程中气体保留至关重要）。面包体积从166.667 cm3显著降至75.000 cm3（T3），归因于热处理淀粉溶胀能力降低；比容从3.628 cm3/g降至1.709 cm3/g，反映更高的面包屑密度和较低的通气性。烘烤质量损失在各处理间无显著差异，改性粉面包略高，因高初始吸水性在缺乏结构化面筋网络时允许更多水分释放。
面包色度。 面包屑L*值无显著差异，a*值随替代水平增加而显著递增（从?0.177增至2.797），b*值从20.297降至17.990，ΔE在T3中最高（3.947），表明仪器检测到明显颜色差异但肉眼仅感知轻微变暗。面包皮各色度参数均无显著差异，L*、a*、b*值在各处理间保持稳定，ΔE虽增加但无统计学意义，整体颜色变化视觉影响极小。
面包质构特性（TPA）。 硬度随替代水平增加而显著递增（对照组4501.735 g、T1 5249.110 g、T2 5614.293 g、T3 6200.883 g），归因于水山药粉掺入部分削弱面筋网络导致更致密坚硬的面包屑结构，且HMT诱导淀粉结构变化促进组分间更强相互作用。粘附性和回复性在各处理间无显著差异，表明面包保持与对照相似的稳定内部质地。内聚性从对照组的0.593显著降至T3的0.498，与面筋网络连续性降低和面包屑内部结构变化有关，但中等替代水平下产品整体完整性未受损害。弹性从0.920显著降至0.835，与改性淀粉比例相关，部分削弱面筋网络和气体保留能力。咀嚼性无显著差异（2450–2599 g），表明分解面包所需能量未被替代所损害。
微生物分析。 所有面包样品（对照组、T1、T2、T3）的微生物计数均低于NTC 1363规定的最大限量：嗜温好氧菌（350–420 CFU/g，限值5000 CFU/g）、凝固酶阳性金黄色葡萄球菌（<10 CFU/g，限值<100 CFU/g）、霉菌和酵母（10 CFU/g，限值100 CFU/g）、沙门氏菌（25 g中均未检出）和蜡样芽孢杆菌（2–3 CFU/g，限值10 CFU/g），表明产品微生物学安全、适合食用。
感官评价。 T1和T2在面包屑颜色、面包皮颜色、香气、质地（柔软度）和总体可接受性方面均与对照组无显著差异，表明高达25%的替代水平不损害感官接受性。T3在面包屑颜色、面包皮颜色、香气、滋味和总体可接受性方面显著低于对照组，但评分仍处于中性范围（既不喜欢也不讨厌），表明35%替代虽改变部分感官属性但面包仍在可接受范围内；质地（柔软度）是例外，T3得分最低（3.475），表明高替代水平可能影响该属性并降低感知柔软度。总体而言，15%和25%替代处理的可接受性与对照组相当，而更高水平影响产品感知。
四、结论与讨论总结
本研究证明，采用HMT改性水山药粉可改善其功能特性，表现为持水能力（从1.907增至2.291 g/g）和膳食纤维含量（从1.601%增至2.335%）的提升，这与HMT诱导的淀粉结构变化有关——淀粉链中羟基基团更充分暴露从而增强与水分子相互作用，并可能形成抗性淀粉。在烘焙面包中，pH、蛋白质、脂肪和灰分等理化性质保持在NTC 1363规定范围内；T1和T2水分含量略有增加，与改性粉WRC提高促进面包基质中水分保留有关；膳食纤维含量随替代水平递增，有助于改善产品营养特性。质构分析显示轻微变化，硬度略有增加但不影响粘附性、回复性和咀嚼性等参数，表明面包屑结构稳定。感官评价表明15%和25%替代处理具有与对照组相当的可接受性，更高水平则影响产品感知。微生物分析确认了面包的安全性。总体而言，以HMT改性山药粉部分替代小麦粉用于面包制作是可行的，25%替代水平最为适宜，可在理化、化学、物理、微生物和感官品质之间保持平衡。本研究凸显了山药作为面包制作替代原料的潜力。
