食品添加劑對(duì)薯類(lèi)食品品質(zhì)影響的研究進(jìn)展

殷菲敏，張克，薛文通*

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院（北京 100083）

薯類(lèi)食品是以薯類(lèi)淀粉為主要原料的食品，薯類(lèi)淀粉被廣泛應(yīng)用于烘焙食品、嬰兒食品、甜點(diǎn)和休閑食品、3D打印食品等新型功能食品領(lǐng)域。淀粉是薯產(chǎn)業(yè)中的主要加工產(chǎn)品，淀粉特性影響最終產(chǎn)品的品質(zhì)，淀粉的理化性質(zhì)及其應(yīng)用與其支鏈淀粉的鏈長(zhǎng)和淀粉的功能性能密切相關(guān)[1]。淀粉的結(jié)構(gòu)功能受含水量、品種來(lái)源、環(huán)境條件（包括溫度，施加的壓力，加工過(guò)程中的機(jī)械損傷、物理或化學(xué)改性）、親水性膠體或小分子共溶質(zhì)（如糖和鹽）等因素的影響。薯類(lèi)食品的流變行為與其淀粉結(jié)構(gòu)、直鏈淀粉含量、顆粒大小分布、顆粒形狀、顆粒體積分?jǐn)?shù)和不同淀粉顆粒之間的相互作用有關(guān)[2]。因此，有必要深入認(rèn)識(shí)薯類(lèi)淀粉的性質(zhì)，并根據(jù)淀粉的性質(zhì)，有針對(duì)性地改良薯類(lèi)淀粉專(zhuān)用品質(zhì)。

食品添加劑在分子水平上與淀粉相互作用，破壞OH鍵，改變其構(gòu)象[3]。紅外光譜（FTIR）和X射線衍射（XRD）結(jié)果的對(duì)比表明，添加劑對(duì)淀粉結(jié)構(gòu)的影響主要是通過(guò)與OH和氫鍵的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的[3]。在薯類(lèi)食品原料中添加不同種類(lèi)的食品添加劑，可使其化學(xué)、機(jī)械和感官特性發(fā)生巨大的變化，從而促進(jìn)其更廣泛的功能應(yīng)用。事實(shí)上，這些在食品加工過(guò)程中應(yīng)用的改性實(shí)踐，是由于成分分子之間的相互作用，導(dǎo)致某些分子結(jié)構(gòu)的形成或缺失，從而調(diào)節(jié)了食品的重要理化特性、機(jī)械特性和感官特性[3]。研究食品添加劑對(duì)薯類(lèi)食品結(jié)構(gòu)特征的影響十分重要，因?yàn)檫@些特性影響整個(gè)食品的感官及其功能特性[4]。分析并總結(jié)了不同種類(lèi)的食品添加劑對(duì)薯類(lèi)食品品質(zhì)的影響，主要在食品添加劑方面為薯類(lèi)食品的加工和品質(zhì)改良提供理論指導(dǎo)和幫助。

1 不同食品添加劑對(duì)薯類(lèi)食品品質(zhì)影響

1.1 蛋白類(lèi)食品添加劑

用薯類(lèi)淀粉制作面包，給乳糜瀉患者提供更多的食物選擇。面筋蛋白是制作面包的關(guān)鍵成分。面筋蛋白不僅能提高面團(tuán)的吸水能力，并且能使面團(tuán)具有延展性、彈性和黏著性，使發(fā)酵氣體被截留并保持在面團(tuán)中，從而形成發(fā)育良好的高檔面包。而薯類(lèi)原料天然缺乏這種面筋蛋白，薯類(lèi)蛋白無(wú)法形成與面筋性質(zhì)類(lèi)似的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。因此，制作薯類(lèi)面包需要通過(guò)添加維持面團(tuán)結(jié)構(gòu)類(lèi)的改良劑，如大豆分離蛋白、谷朊粉等，來(lái)提高面粉中面筋蛋白含量，促進(jìn)面團(tuán)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，增強(qiáng)營(yíng)養(yǎng)及改善薯類(lèi)面包最終的特性。Villanueva等[5]通過(guò)酸化和添加蛋白質(zhì)（大豆分離蛋白、酪蛋白酸鈣）改善了無(wú)麩質(zhì)面包面團(tuán)的流變學(xué)和糊化特性。蛋白質(zhì)的加入增強(qiáng)了馬鈴薯淀粉面團(tuán)的強(qiáng)度。蛋白質(zhì)對(duì)黏彈性模量的影響取決于蛋白質(zhì)和淀粉的種類(lèi)。深入研究淀粉與蛋白質(zhì)的相互作用并加以應(yīng)用，有助于維持和提高薯類(lèi)食品的品質(zhì)。最新研究表明，氨基酸對(duì)薯類(lèi)淀粉功能特性也有影響。Wang等[6]發(fā)現(xiàn)馬鈴薯淀粉凝膠的硬度、彈性和凝膠強(qiáng)度隨酸性氨基酸的增加而降低，隨堿性氨基酸的增加而增加。堿性氨基酸和酸性氨基酸對(duì)淀粉凝膠結(jié)構(gòu)的影響相反。穩(wěn)定剪切試驗(yàn)表明，添加氨基酸的馬鈴薯淀粉比無(wú)添加的淀粉具有更強(qiáng)的剪切減薄特性。通過(guò)添加適當(dāng)?shù)陌被?，有可能生產(chǎn)出具有特定所需特性的薯類(lèi)淀粉基食品，且添加食物蛋白中缺乏或限制的必需氨基酸是改善人類(lèi)營(yíng)養(yǎng)健康品質(zhì)的一種有效途徑。

1.2 食用膠類(lèi)食品添加劑

天然淀粉一般不具備制備食品的理想性能。食品工業(yè)應(yīng)用中，通常將薯類(lèi)淀粉及其衍生物，與不同的水膠體混合，有利于改變?cè)系募庸ぬ匦?，進(jìn)而達(dá)到改善產(chǎn)品的穩(wěn)定性、功能特性和質(zhì)地等[2]。食用膠在食品加工中可充當(dāng)黏合劑，具有促進(jìn)產(chǎn)品復(fù)水、保持復(fù)水后產(chǎn)品形狀和穩(wěn)定賦型等作用。如黃原膠和瓜爾膠通過(guò)阻止水的滲透來(lái)抑制顆粒的膨脹，它們通過(guò)橋接和穩(wěn)定顆粒形狀來(lái)促進(jìn)顆粒締合，由于直鏈淀粉和淀粉膠系統(tǒng)形成了一個(gè)更強(qiáng)的三維網(wǎng)絡(luò)，從而使淀粉面團(tuán)流變特性更穩(wěn)定。瓊脂則是根據(jù)其已知的與其他多糖相互作用的能力，導(dǎo)致協(xié)同增加黏度[2]。此外，部分食品添加劑兼具膳食纖維和食用膠的性質(zhì)，比如果膠、瓜爾膠、瓊脂等低熱量物質(zhì)，能夠使人容易產(chǎn)生飽腹感，有利于通便、減肥，或被腸道微生物分解成有生物活性的小分子物質(zhì)。BeMiller等[7]研究指出，淀粉與水膠體混合后在淀粉類(lèi)食品中通常具有更好的結(jié)構(gòu)和外觀，因?yàn)榈矸酆退z體有一定的相似性（都是多糖分子）。Dankar等[2]研究了瓊脂、藻酸鹽等對(duì)馬鈴薯泥流變特性的影響，并從淀粉微觀結(jié)構(gòu)變化的角度對(duì)其進(jìn)行了解釋?zhuān)u(píng)價(jià)了Cox-Merz規(guī)則的適用性，該規(guī)則通過(guò)考察動(dòng)態(tài)黏度和穩(wěn)態(tài)剪切黏度之間的關(guān)系來(lái)表征材料的性能。結(jié)果證明隨著濃度從0.5%增加到1%，瓊脂和海藻酸鹽的屈服應(yīng)力增大，瓊脂和藻酸鹽對(duì)馬鈴薯泥的穩(wěn)定性有增加作用。海藻酸鹽的濃度與黏度呈U型關(guān)系，Dankar認(rèn)為在低濃度（0.5%）下，海藻酸負(fù)電荷狀態(tài)占主導(dǎo)地位，由于淀粉顆粒之間的斥力延緩了淀粉顆粒吸收水，導(dǎo)致黏度下降；而在高濃度（1%）下，高分子量海藻酸鈉和淀粉顆粒之間的相互作用可以形成一個(gè)水膠體-淀粉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致黏度增加[2]。Wang等[8]表示由于這些體系的復(fù)雜性和多樣性，它們的性質(zhì)既取決于淀粉-水膠體的比例，也取決于特定的淀粉-水膠體組合。

1.3 酶制劑類(lèi)食品添加劑

薯類(lèi)淀粉黏度較高，在生產(chǎn)過(guò)程中難以控制其稠度。例如，紅薯淀粉面條硬度高，透明度差，消費(fèi)者接受度低。因此，可以利用酶制劑進(jìn)行淀粉改性，進(jìn)而調(diào)節(jié)生產(chǎn)工藝，優(yōu)化薯類(lèi)淀粉的適用性、穩(wěn)定性和功能特性，以滿足各種工業(yè)應(yīng)用。Guo等[1]利用三種酶（糖化酶MABS、β-淀粉酶BA、轉(zhuǎn)葡糖苷酶TGAN）對(duì)甘薯淀粉進(jìn)行結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)修飾的研究。經(jīng)MABS→BA→TGAN處理后，淀粉中α-1, 6-糖苷鍵和短鏈的比例（DP≤24）增加，鏈的平均長(zhǎng)度、分子量和長(zhǎng)鏈比例（DP＞24）減?。蝗芙舛仍黾?，相對(duì)結(jié)晶度、黏度、糊化溫度和熔融焓降低；淀粉鏈間的相互作用減弱，從而使分子排列的規(guī)律性和淀粉的有序狀態(tài)減弱。結(jié)果表明，通過(guò)酶處理改變甘薯淀粉的支鏈結(jié)構(gòu)，為開(kāi)發(fā)新型甘薯淀粉基產(chǎn)品開(kāi)辟調(diào)節(jié)透明度、親水性、黏度、凝膠強(qiáng)度、糊化溫度和焓的新途徑。此外，淀粉的消化率與肥胖和飲食相關(guān)疾病的發(fā)生率有關(guān)?？煜矸郏≧DS）在人體小腸中被迅速消化吸收，導(dǎo)致血糖迅速升高，對(duì)糖尿病的發(fā)生有潛在危險(xiǎn)。慢消化淀粉（SDS）在小腸中緩慢消化、釋放葡萄糖，其與穩(wěn)定的葡萄糖代謝水平、糖尿病管理、認(rèn)知表現(xiàn)和飽腹感有關(guān)[9]，可以降低患糖尿病和心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)人體健康具有積極作用。在薯類(lèi)產(chǎn)品擠壓蒸煮過(guò)程中，熱處理、高壓和剪切力作用都會(huì)破壞薯類(lèi)淀粉顆粒結(jié)構(gòu)，增加其糊化程度，使其更易被淀粉酶利用。因此，食品工業(yè)中常用酶處理降低薯類(lèi)淀粉的消化率。如Ren等[10]用α-1, 4-葡聚糖分支酶（GBE）處理木薯淀粉，結(jié)果表明GBE處理降低了木薯淀粉的消化率。GBE處理后，RDS含量減少，SDS含量增加，木薯淀粉顆粒分子重排，木薯淀粉具有更致密的支鏈結(jié)構(gòu)，α-1, 6-糖苷鍵含量增加，短鏈比例增加，環(huán)狀淀粉分子含量增加，導(dǎo)致淀粉顆粒的空間位阻效應(yīng)增強(qiáng)，且能抑制胰酶和淀粉糖苷酶的水解活性，導(dǎo)致消化率降低。這種現(xiàn)象隨著處理時(shí)間的增加而變得更加明顯。結(jié)構(gòu)與消化率之間的關(guān)系可為食品加工企業(yè)生產(chǎn)消化率較慢的薯類(lèi)食品提供參考。

1.4 乳化劑類(lèi)食品添加劑

食品級(jí)乳化劑具有防止淀粉老化、乳化、濕潤(rùn)以及改善產(chǎn)品質(zhì)地結(jié)構(gòu)等多種特性，并具有保持最終產(chǎn)品形狀等作用。在淀粉糊化過(guò)程中，當(dāng)非晶態(tài)直鏈淀粉從淀粉顆粒中暴露并與脂肪酸或含有?；湹娜榛瘎┙佑|時(shí)，可形成螺旋狀包合物。這些復(fù)合物的形成對(duì)糊化淀粉的流變特性、老化和體內(nèi)外消化率有重要影響，受到廣泛關(guān)注[11]。如Kawai等[11]研究了脂肪酸、單酰基甘油和?；滈L(zhǎng)度不同的聚甘油脂肪酸酯對(duì)馬鈴薯淀粉糊化中復(fù)合物形成程度（復(fù)指數(shù)）和體外酶消化率的影響。研究發(fā)現(xiàn)，配體（脂肪酸、單酰基甘油、聚甘油脂肪酸酯）濃度越高，復(fù)指數(shù)越大，最后趨于平穩(wěn)。復(fù)指數(shù)最大值依次為聚甘油脂肪酸酯＞單酰甘油＞脂肪酸。具有長(zhǎng)?；湹闹舅?、單酰甘油和聚甘油脂肪酸酯大大降低了淀粉的酶解。李迪等[12]在探究單甘酯、卵磷脂對(duì)馬鈴薯重組米品質(zhì)影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著單甘酯含量增加，馬鈴薯重組米硬度不斷增大，黏性逐漸減小，彈性和咀嚼性增大，當(dāng)其添加量為0.50%時(shí)，感官評(píng)分較高；隨著卵磷脂含量增加，米粒感官評(píng)分逐漸升高，卵磷脂有利于擠壓成形，擠壓后米粒光澤明顯增加，重組米的蒸煮損失率逐漸降低，當(dāng)卵磷脂含量為0.50%時(shí)，感官評(píng)分較高。這些結(jié)果將有助于了解糊化淀粉中復(fù)合物的形成與體外消化率之間的關(guān)系。

1.5 無(wú)機(jī)鹽類(lèi)食品添加劑

無(wú)機(jī)鹽是一種強(qiáng)電解質(zhì)，可以電離成水中的陰離子和陽(yáng)離子，鹽的存在會(huì)影響水與淀粉之間的氫鍵和淀粉分子之間的相互作用，導(dǎo)致馬鈴薯淀粉的理化性質(zhì)發(fā)生一些變化[13]。目前的營(yíng)養(yǎng)指南強(qiáng)調(diào)減少加工食品中鹽含量的重要性，因?yàn)楦啕}攝入會(huì)導(dǎo)致健康問(wèn)題。然而，減鹽不僅影響食品的感官結(jié)構(gòu)，而且影響食品的質(zhì)地和穩(wěn)定性。因此，了解鹽對(duì)淀粉基體系相行為的影響是十分必要的[14]。Zhou等[13]在探究鹽對(duì)馬鈴薯淀粉理化、微觀結(jié)構(gòu)和熱性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，鹽析離子，如F-、SO42-等，能顯著降低馬鈴薯淀粉的溶解度、溶脹力、透明度和粒徑（p＜0.05），而鹽溶離子，如I-、SCN-等能顯著提高這些性質(zhì)（p＜0.05）。焦磷酸鈉和磷酸氫二鈉常在米粉生產(chǎn)中使用，其作用機(jī)理是溫度升高，可促進(jìn)淀粉的可溶性物質(zhì)滲出，增強(qiáng)淀粉間的結(jié)合力，此外磷酸根離子具有螯合作用，能使淀粉和蛋白質(zhì)分子螯合成大分子，從而增加米粉的抗拉強(qiáng)度，降低斷條率[15]。衛(wèi)萍等[15]研究發(fā)現(xiàn)，隨著磷酸鹽添加量的增大，馬鈴薯米粉的硬度顯著提高，咀嚼性也有升高趨勢(shì)；焦磷酸鈉添加量為0.02%的馬鈴薯米粉蒸煮損失率低于10%。總之，不同種類(lèi)的鹽及其濃度對(duì)不同薯類(lèi)淀粉理化性質(zhì)有不同的影響，這些性質(zhì)將為制備含多種鹽的薯類(lèi)食品提供信息。

1.6 淀粉類(lèi)食品添加劑

在許多食品應(yīng)用中，改性淀粉的性能優(yōu)于天然淀粉。除了物理化學(xué)改性，混合不同的天然淀粉是獲得新的淀粉性質(zhì)的另一種方法。淀粉混合物是一種有趣的清潔標(biāo)簽替代品，在食品工業(yè)中具有潛力。如果能在不影響產(chǎn)品品質(zhì)的前提下，用更便宜的淀粉部分替代更昂貴的淀粉，也能帶來(lái)經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)。淀粉共混物已經(jīng)在許多產(chǎn)品中得到了應(yīng)用（例如擠壓零食等）。當(dāng)討論淀粉共混物的性質(zhì)時(shí)，可以分為相加效應(yīng)和非相加效應(yīng)。當(dāng)共混物中的淀粉相互影響，且不能根據(jù)各淀粉的性質(zhì)來(lái)預(yù)測(cè)共混物的性能時(shí)，存在非加性效應(yīng)。相反，當(dāng)混合物的性質(zhì)可以從各淀粉的性質(zhì)預(yù)測(cè)出來(lái)時(shí)，就可以觀察到一種相加效應(yīng)[16]。高直鏈淀粉含量多的食品能夠形成較強(qiáng)的凝膠，而低直鏈淀粉含量多易溶出則導(dǎo)致食品蒸煮損失較大。直鏈淀粉含量與食品的硬度、咀嚼性呈顯著正相關(guān)，與黏著性呈顯著負(fù)相關(guān)。因此，通過(guò)添加不同的淀粉原料，調(diào)節(jié)直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例對(duì)食品的理化性質(zhì)、功能特性及其應(yīng)用至關(guān)重要。已有研究表明，添加綠豆淀粉能夠增強(qiáng)馬鈴薯米粉的韌性，降低馬鈴薯米粉的表面黏性[15]。淀粉共混物已經(jīng)在許多產(chǎn)品中得到應(yīng)用，了解不同的淀粉如何相互作用具有科學(xué)意義，也是薯類(lèi)食品開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。

1.7 抗氧化劑類(lèi)食品添加劑

抗氧化劑的作用是防止食品中維生素、脂質(zhì)等的氧化以及淀粉老化。常見(jiàn)的抗氧化劑有抗壞血酸、沒(méi)食子酸酯、丁基羥基茴香醚（BHA）和生育酚等酚類(lèi)物質(zhì)。以酚類(lèi)化合物為例，其生物活性往往與它們調(diào)節(jié)氧化和炎癥應(yīng)激的能力有關(guān)。特別的是，酚類(lèi)化合物還可以作為抑制淀粉消化酶的抑制劑，其能降低淀粉消化率的作用已被廣泛報(bào)道[17]。酚類(lèi)化合物由一個(gè)或多個(gè)羥基組成，它們可以與淀粉共價(jià)或非共價(jià)相互作用，形成淀粉-酚類(lèi)復(fù)合物，進(jìn)而影響淀粉的結(jié)構(gòu)和消化率。已有研究表明，酚類(lèi)化合物可以通過(guò)降低淀粉酶活性或增加淀粉的有序度等多種方式調(diào)節(jié)淀粉的消化率，且具有抑制淀粉老化的潛力[18]。Li等[19]采用傅里葉變換紅外光譜和碘結(jié)合技術(shù)對(duì)淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)進(jìn)行了表征，并對(duì)結(jié)合酚類(lèi)物質(zhì)對(duì)淀粉-酚類(lèi)物質(zhì)消化率的影響進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，淀粉和酚酸絡(luò)合降低了淀粉的糊化溫度、峰值黏度、熱糊黏度和冷糊黏度，且與酚類(lèi)絡(luò)合對(duì)玉米支鏈淀粉和馬鈴薯淀粉的消化率有一定的降低作用。淀粉-酚類(lèi)混合物的這些特性為合理設(shè)計(jì)含有酚類(lèi)抗氧化物質(zhì)的健康薯類(lèi)食品提供依據(jù)。

2 結(jié)語(yǔ)與展望

目前，關(guān)于薯類(lèi)食品的研究主要集中在不同薯類(lèi)品種品質(zhì)間的比較、抑制薯類(lèi)淀粉老化的問(wèn)題以及單一食品添加劑對(duì)薯類(lèi)淀粉基食品的結(jié)構(gòu)、功能作用和感官特性的影響上，對(duì)復(fù)合添加劑的綜合效果研究進(jìn)展緩慢。薯類(lèi)淀粉基主食食品的品質(zhì)改良是一個(gè)不斷探索的過(guò)程，對(duì)于在復(fù)雜的食品體系中添加不同的食品添加劑，探究其對(duì)薯類(lèi)加工新產(chǎn)品品質(zhì)的影響，很難確定其最佳組合和流變特性，且淀粉與淀粉或淀粉與非淀粉之間的分子間或分子內(nèi)作用力很難表征。為了滿足消費(fèi)者對(duì)于薯類(lèi)新產(chǎn)品外觀、質(zhì)地、營(yíng)養(yǎng)等多方面的要求，還需要進(jìn)行多方面的研究，如淀粉加工的流變特性、品質(zhì)控制、感官評(píng)價(jià)和結(jié)構(gòu)研究等。其中影響薯類(lèi)淀粉基食品廣泛應(yīng)用的一個(gè)主要原因是：隨著薯類(lèi)淀粉添加比例的增加，產(chǎn)品的黏度增加，嚴(yán)重影響食品感官特性。目前主要通過(guò)添加食品添加劑如海藻酸鈉等改良其品質(zhì)，未來(lái)可考慮在產(chǎn)品表面進(jìn)行包埋或通過(guò)適當(dāng)加工方式改變產(chǎn)品表面結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)薯類(lèi)主食食品。此外，要想將薯類(lèi)產(chǎn)品，如薯類(lèi)擠壓重組米、薯類(lèi)米粉等，在主食市場(chǎng)上加以推廣，僅僅研究其加工工藝、品質(zhì)改良是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還應(yīng)對(duì)產(chǎn)品的貯藏性、貨架期進(jìn)行研究。