食品添加劑對薯類食品品質影響的研究進展

殷菲敏，張克，薛文通*

中國農業大學食品科學與營養工程學院（北京 100083）

薯類食品是以薯類淀粉為主要原料的食品，薯類淀粉被廣泛應用于烘焙食品、嬰兒食品、甜點和休閑食品、3D打印食品等新型功能食品領域。淀粉是薯產業中的主要加工產品，淀粉特性影響最終產品的品質，淀粉的理化性質及其應用與其支鏈淀粉的鏈長和淀粉的功能性能密切相關[1]。淀粉的結構功能受含水量、品種來源、環境條件（包括溫度，施加的壓力，加工過程中的機械損傷、物理或化學改性）、親水性膠體或小分子共溶質（如糖和鹽）等因素的影響。薯類食品的流變行為與其淀粉結構、直鏈淀粉含量、顆粒大小分布、顆粒形狀、顆粒體積分數和不同淀粉顆粒之間的相互作用有關[2]。因此，有必要深入認識薯類淀粉的性質，并根據淀粉的性質，有針對性地改良薯類淀粉專用品質。

食品添加劑在分子水平上與淀粉相互作用，破壞OH鍵，改變其構象[3]。紅外光譜（FTIR）和X射線衍射（XRD）結果的對比表明，添加劑對淀粉結構的影響主要是通過與OH和氫鍵的相互作用來實現的[3]。在薯類食品原料中添加不同種類的食品添加劑，可使其化學、機械和感官特性發生巨大的變化，從而促進其更廣泛的功能應用。事實上，這些在食品加工過程中應用的改性實踐，是由于成分分子之間的相互作用，導致某些分子結構的形成或缺失，從而調節了食品的重要理化特性、機械特性和感官特性[3]。研究食品添加劑對薯類食品結構特征的影響十分重要，因為這些特性影響整個食品的感官及其功能特性[4]。分析并總結了不同種類的食品添加劑對薯類食品品質的影響，主要在食品添加劑方面為薯類食品的加工和品質改良提供理論指導和幫助。

1 不同食品添加劑對薯類食品品質影響

1.1 蛋白類食品添加劑

用薯類淀粉制作面包，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鍵成分。面筋蛋白不僅能提高面團的吸水能力，并且能使面團具有延展性、彈性和黏著性，使發酵氣體被截留并保持在面團中，從而形成發育良好的高檔面包。而薯類原料天然缺乏這種面筋蛋白，薯類蛋白無法形成與面筋性質類似的網狀結構。因此，制作薯類面包需要通過添加維持面團結構類的改良劑，如大豆分離蛋白、谷朊粉等，來提高面粉中面筋蛋白含量，促進面團網絡結構的形成，增強營養及改善薯類面包最終的特性。Villanueva等[5]通過酸化和添加蛋白質（大豆分離蛋白、酪蛋白酸鈣）改善了無麩質面包面團的流變學和糊化特性。蛋白質的加入增強了馬鈴薯淀粉面團的強度。蛋白質對黏彈性模量的影響取決于蛋白質和淀粉的種類。深入研究淀粉與蛋白質的相互作用并加以應用，有助于維持和提高薯類食品的品質。最新研究表明，氨基酸對薯類淀粉功能特性也有影響。Wang等[6]發現馬鈴薯淀粉凝膠的硬度、彈性和凝膠強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淀粉凝膠結構的影響相反。穩定剪切試驗表明，添加氨基酸的馬鈴薯淀粉比無添加的淀粉具有更強的剪切減薄特性。通過添加適當的氨基酸，有可能生產出具有特定所需特性的薯類淀粉基食品，且添加食物蛋白中缺乏或限制的必需氨基酸是改善人類營養健康品質的一種有效途徑。

1.2 食用膠類食品添加劑

天然淀粉一般不具備制備食品的理想性能。食品工業應用中，通常將薯類淀粉及其衍生物，與不同的水膠體混合，有利于改變原料的加工特性，進而達到改善產品的穩定性、功能特性和質地等[2]。食用膠在食品加工中可充當黏合劑，具有促進產品復水、保持復水后產品形狀和穩定賦型等作用。如黃原膠和瓜爾膠通過阻止水的滲透來抑制顆粒的膨脹，它們通過橋接和穩定顆粒形狀來促進顆粒締合，由于直鏈淀粉和淀粉膠系統形成了一個更強的三維網絡，從而使淀粉面團流變特性更穩定。瓊脂則是根據其已知的與其他多糖相互作用的能力，導致協同增加黏度[2]。此外，部分食品添加劑兼具膳食纖維和食用膠的性質，比如果膠、瓜爾膠、瓊脂等低熱量物質，能夠使人容易產生飽腹感，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。BeMiller等[7]研究指出，淀粉與水膠體混合后在淀粉類食品中通常具有更好的結構和外觀，因為淀粉和水膠體有一定的相似性（都是多糖分子）。Dankar等[2]研究了瓊脂、藻酸鹽等對馬鈴薯泥流變特性的影響，并從淀粉微觀結構變化的角度對其進行了解釋，評價了Cox-Merz規則的適用性，該規則通過考察動態黏度和穩態剪切黏度之間的關系來表征材料的性能。結果證明隨著濃度從0.5%增加到1%，瓊脂和海藻酸鹽的屈服應力增大，瓊脂和藻酸鹽對馬鈴薯泥的穩定性有增加作用。海藻酸鹽的濃度與黏度呈U型關系，Dankar認為在低濃度（0.5%）下，海藻酸負電荷狀態占主導地位，由于淀粉顆粒之間的斥力延緩了淀粉顆粒吸收水，導致黏度下降；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水膠體-淀粉網絡結構，導致黏度增加[2]。Wang等[8]表示由于這些體系的復雜性和多樣性，它們的性質既取決于淀粉-水膠體的比例，也取決于特定的淀粉-水膠體組合。

1.3 酶制劑類食品添加劑

薯類淀粉黏度較高，在生產過程中難以控制其稠度。例如，紅薯淀粉面條硬度高，透明度差，消費者接受度低。因此，可以利用酶制劑進行淀粉改性，進而調節生產工藝，優化薯類淀粉的適用性、穩定性和功能特性，以滿足各種工業應用。Guo等[1]利用三種酶（糖化酶MABS、β-淀粉酶BA、轉葡糖苷酶TGAN）對甘薯淀粉進行結構和物理化學修飾的研究。經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，鏈的平均長度、分子量和長鏈比例（DP＞24）減小；溶解度增加，相對結晶度、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律性和淀粉的有序狀態減弱。結果表明，通過酶處理改變甘薯淀粉的支鏈結構，為開發新型甘薯淀粉基產品開辟調節透明度、親水性、黏度、凝膠強度、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疾病的發生率有關。快消化淀粉（RDS）在人體小腸中被迅速消化吸收，導致血糖迅速升高，對糖尿病的發生有潛在危險。慢消化淀粉（SDS）在小腸中緩慢消化、釋放葡萄糖，其與穩定的葡萄糖代謝水平、糖尿病管理、認知表現和飽腹感有關[9]，可以降低患糖尿病和心血管疾病的風險，對人體健康具有積極作用。在薯類產品擠壓蒸煮過程中，熱處理、高壓和剪切力作用都會破壞薯類淀粉顆粒結構，增加其糊化程度，使其更易被淀粉酶利用。因此，食品工業中常用酶處理降低薯類淀粉的消化率。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構，α-1, 6-糖苷鍵含量增加，短鏈比例增加，環狀淀粉分子含量增加，導致淀粉顆粒的空間位阻效應增強，且能抑制胰酶和淀粉糖苷酶的水解活性，導致消化率降低。這種現象隨著處理時間的增加而變得更加明顯。結構與消化率之間的關系可為食品加工企業生產消化率較慢的薯類食品提供參考。

1.4 乳化劑類食品添加劑

食品級乳化劑具有防止淀粉老化、乳化、濕潤以及改善產品質地結構等多種特性，并具有保持最終產品形狀等作用。在淀粉糊化過程中，當非晶態直鏈淀粉從淀粉顆粒中暴露并與脂肪酸或含有酰基鏈的乳化劑接觸時，可形成螺旋狀包合物。這些復合物的形成對糊化淀粉的流變特性、老化和體內外消化率有重要影響，受到廣泛關注[11]。如Kawai等[11]研究了脂肪酸、單酰基甘油和酰基鏈長度不同的聚甘油脂肪酸酯對馬鈴薯淀粉糊化中復合物形成程度（復指數）和體外酶消化率的影響。研究發現，配體（脂肪酸、單酰基甘油、聚甘油脂肪酸酯）濃度越高，復指數越大，最后趨于平穩。復指數最大值依次為聚甘油脂肪酸酯＞單酰甘油＞脂肪酸。具有長酰基鏈的脂肪酸、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、卵磷脂對馬鈴薯重組米品質影響時發現，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，當其添加量為0.50%時，感官評分較高；隨著卵磷脂含量增加，米粒感官評分逐漸升高，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，當卵磷脂含量為0.50%時，感官評分較高。這些結果將有助于了解糊化淀粉中復合物的形成與體外消化率之間的關系。

1.5 無機鹽類食品添加劑

無機鹽是一種強電解質，可以電離成水中的陰離子和陽離子，鹽的存在會影響水與淀粉之間的氫鍵和淀粉分子之間的相互作用，導致馬鈴薯淀粉的理化性質發生一些變化[13]。目前的營養指南強調減少加工食品中鹽含量的重要性，因為高鹽攝入會導致健康問題。然而，減鹽不僅影響食品的感官結構，而且影響食品的質地和穩定性。因此，了解鹽對淀粉基體系相行為的影響是十分必要的[14]。Zhou等[13]在探究鹽對馬鈴薯淀粉理化、微觀結構和熱性能的影響時發現，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（p＜0.05）。焦磷酸鈉和磷酸氫二鈉常在米粉生產中使用，其作用機理是溫度升高，可促進淀粉的可溶性物質滲出，增強淀粉間的結合力，此外磷酸根離子具有螯合作用，能使淀粉和蛋白質分子螯合成大分子，從而增加米粉的抗拉強度，降低斷條率[15]。衛萍等[15]研究發現，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；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，不同種類的鹽及其濃度對不同薯類淀粉理化性質有不同的影響，這些性質將為制備含多種鹽的薯類食品提供信息。

1.6 淀粉類食品添加劑

在許多食品應用中，改性淀粉的性能優于天然淀粉。除了物理化學改性，混合不同的天然淀粉是獲得新的淀粉性質的另一種方法。淀粉混合物是一種有趣的清潔標簽替代品，在食品工業中具有潛力。如果能在不影響產品品質的前提下，用更便宜的淀粉部分替代更昂貴的淀粉，也能帶來經濟上的優勢。淀粉共混物已經在許多產品中得到了應用（例如擠壓零食等）。當討論淀粉共混物的性質時，可以分為相加效應和非相加效應。當共混物中的淀粉相互影響，且不能根據各淀粉的性質來預測共混物的性能時，存在非加性效應。相反，當混合物的性質可以從各淀粉的性質預測出來時，就可以觀察到一種相加效應[16]。高直鏈淀粉含量多的食品能夠形成較強的凝膠，而低直鏈淀粉含量多易溶出則導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，與黏著性呈顯著負相關。因此，通過添加不同的淀粉原料，調節直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例對食品的理化性質、功能特性及其應用至關重要。已有研究表明，添加綠豆淀粉能夠增強馬鈴薯米粉的韌性，降低馬鈴薯米粉的表面黏性[15]。淀粉共混物已經在許多產品中得到應用，了解不同的淀粉如何相互作用具有科學意義，也是薯類食品開發的基礎。

1.7 抗氧化劑類食品添加劑

抗氧化劑的作用是防止食品中維生素、脂質等的氧化以及淀粉老化。常見的抗氧化劑有抗壞血酸、沒食子酸酯、丁基羥基茴香醚（BHA）和生育酚等酚類物質。以酚類化合物為例，其生物活性往往與它們調節氧化和炎癥應激的能力有關。特別的是，酚類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道[17]。酚類化合物由一個或多個羥基組成，它們可以與淀粉共價或非共價相互作用，形成淀粉-酚類復合物，進而影響淀粉的結構和消化率。已有研究表明，酚類化合物可以通過降低淀粉酶活性或增加淀粉的有序度等多種方式調節淀粉的消化率，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合技術對淀粉顆粒的結構和理化性質進行了表征，并對結合酚類物質對淀粉-酚類物質消化率的影響進行了評價。結果發現，淀粉和酚酸絡合降低了淀粉的糊化溫度、峰值黏度、熱糊黏度和冷糊黏度，且與酚類絡合對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-酚類混合物的這些特性為合理設計含有酚類抗氧化物質的健康薯類食品提供依據。

2 結語與展望

目前，關于薯類食品的研究主要集中在不同薯類品種品質間的比較、抑制薯類淀粉老化的問題以及單一食品添加劑對薯類淀粉基食品的結構、功能作用和感官特性的影響上，對復合添加劑的綜合效果研究進展緩慢。薯類淀粉基主食食品的品質改良是一個不斷探索的過程，對于在復雜的食品體系中添加不同的食品添加劑，探究其對薯類加工新產品品質的影響，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作用力很難表征。為了滿足消費者對于薯類新產品外觀、質地、營養等多方面的要求，還需要進行多方面的研究，如淀粉加工的流變特性、品質控制、感官評價和結構研究等。其中影響薯類淀粉基食品廣泛應用的一個主要原因是：隨著薯類淀粉添加比例的增加，產品的黏度增加，嚴重影響食品感官特性。目前主要通過添加食品添加劑如海藻酸鈉等改良其品質，未來可考慮在產品表面進行包埋或通過適當加工方式改變產品表面結構，開發薯類主食食品。此外，要想將薯類產品，如薯類擠壓重組米、薯類米粉等，在主食市場上加以推廣，僅僅研究其加工工藝、品質改良是遠遠不夠的，還應對產品的貯藏性、貨架期進行研究。