食品添加剂对薯类食品品质影响的研究进展

殷菲敏，张克，薛文通*

中国农业大学食品科学与营养工程学院（北京 100083）

薯类食品是以薯类淀粉为主要原料的食品，薯类淀粉被广泛应用于烘焙食品、婴儿食品、甜点和休闲食品、3D打印食品等新型功能食品领域。淀粉是薯产业中的主要加工产品，淀粉特性影响最终产品的品质，淀粉的理化性质及其应用与其支链淀粉的链长和淀粉的功能性能密切相关[1]。淀粉的结构功能受含水量、品种来源、环境条件（包括温度，施加的压力，加工过程中的机械损伤、物理或化学改性）、亲水性胶体或小分子共溶质（如糖和盐）等因素的影响。薯类食品的流变行为与其淀粉结构、直链淀粉含量、颗粒大小分布、颗粒形状、颗粒体积分数和不同淀粉颗粒之间的相互作用有关[2]。因此，有必要深入认识薯类淀粉的性质，并根据淀粉的性质，有针对性地改良薯类淀粉专用品质。

食品添加剂在分子水平上与淀粉相互作用，破坏OH键，改变其构象[3]。红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）结果的对比表明，添加剂对淀粉结构的影响主要是通过与OH和氢键的相互作用来实现的[3]。在薯类食品原料中添加不同种类的食品添加剂，可使其化学、机械和感官特性发生巨大的变化，从而促进其更广泛的功能应用。事实上，这些在食品加工过程中应用的改性实践，是由于成分分子之间的相互作用，导致某些分子结构的形成或缺失，从而调节了食品的重要理化特性、机械特性和感官特性[3]。研究食品添加剂对薯类食品结构特征的影响十分重要，因为这些特性影响整个食品的感官及其功能特性[4]。分析并总结了不同种类的食品添加剂对薯类食品品质的影响，主要在食品添加剂方面为薯类食品的加工和品质改良提供理论指导和帮助。

1 不同食品添加剂对薯类食品品质影响

1.1 蛋白类食品添加剂

用薯类淀粉制作面包，给乳糜泻患者提供更多的食物选择。面筋蛋白是制作面包的关键成分。面筋蛋白不仅能提高面团的吸水能力，并且能使面团具有延展性、弹性和黏着性，使发酵气体被截留并保持在面团中，从而形成发育良好的高档面包。而薯类原料天然缺乏这种面筋蛋白，薯类蛋白无法形成与面筋性质类似的网状结构。因此，制作薯类面包需要通过添加维持面团结构类的改良剂，如大豆分离蛋白、谷朊粉等，来提高面粉中面筋蛋白含量，促进面团网络结构的形成，增强营养及改善薯类面包最终的特性。Villanueva等[5]通过酸化和添加蛋白质（大豆分离蛋白、酪蛋白酸钙）改善了无麸质面包面团的流变学和糊化特性。蛋白质的加入增强了马铃薯淀粉面团的强度。蛋白质对黏弹性模量的影响取决于蛋白质和淀粉的种类。深入研究淀粉与蛋白质的相互作用并加以应用，有助于维持和提高薯类食品的品质。最新研究表明，氨基酸对薯类淀粉功能特性也有影响。Wang等[6]发现马铃薯淀粉凝胶的硬度、弹性和凝胶强度随酸性氨基酸的增加而降低，随碱性氨基酸的增加而增加。碱性氨基酸和酸性氨基酸对淀粉凝胶结构的影响相反。稳定剪切试验表明，添加氨基酸的马铃薯淀粉比无添加的淀粉具有更强的剪切减薄特性。通过添加适当的氨基酸，有可能生产出具有特定所需特性的薯类淀粉基食品，且添加食物蛋白中缺乏或限制的必需氨基酸是改善人类营养健康品质的一种有效途径。

1.2 食用胶类食品添加剂

天然淀粉一般不具备制备食品的理想性能。食品工业应用中，通常将薯类淀粉及其衍生物，与不同的水胶体混合，有利于改变原料的加工特性，进而达到改善产品的稳定性、功能特性和质地等[2]。食用胶在食品加工中可充当黏合剂，具有促进产品复水、保持复水后产品形状和稳定赋型等作用。如黄原胶和瓜尔胶通过阻止水的渗透来抑制颗粒的膨胀，它们通过桥接和稳定颗粒形状来促进颗粒缔合，由于直链淀粉和淀粉胶系统形成了一个更强的三维网络，从而使淀粉面团流变特性更稳定。琼脂则是根据其已知的与其他多糖相互作用的能力，导致协同增加黏度[2]。此外，部分食品添加剂兼具膳食纤维和食用胶的性质，比如果胶、瓜尔胶、琼脂等低热量物质，能够使人容易产生饱腹感，有利于通便、减肥，或被肠道微生物分解成有生物活性的小分子物质。BeMiller等[7]研究指出，淀粉与水胶体混合后在淀粉类食品中通常具有更好的结构和外观，因为淀粉和水胶体有一定的相似性（都是多糖分子）。Dankar等[2]研究了琼脂、藻酸盐等对马铃薯泥流变特性的影响，并从淀粉微观结构变化的角度对其进行了解释，评价了Cox-Merz规则的适用性，该规则通过考察动态黏度和稳态剪切黏度之间的关系来表征材料的性能。结果证明随着浓度从0.5%增加到1%，琼脂和海藻酸盐的屈服应力增大，琼脂和藻酸盐对马铃薯泥的稳定性有增加作用。海藻酸盐的浓度与黏度呈U型关系，Dankar认为在低浓度（0.5%）下，海藻酸负电荷状态占主导地位，由于淀粉颗粒之间的斥力延缓了淀粉颗粒吸收水，导致黏度下降；而在高浓度（1%）下，高分子量海藻酸钠和淀粉颗粒之间的相互作用可以形成一个水胶体-淀粉网络结构，导致黏度增加[2]。Wang等[8]表示由于这些体系的复杂性和多样性，它们的性质既取决于淀粉-水胶体的比例，也取决于特定的淀粉-水胶体组合。

1.3 酶制剂类食品添加剂

薯类淀粉黏度较高，在生产过程中难以控制其稠度。例如，红薯淀粉面条硬度高，透明度差，消费者接受度低。因此，可以利用酶制剂进行淀粉改性，进而调节生产工艺，优化薯类淀粉的适用性、稳定性和功能特性，以满足各种工业应用。Guo等[1]利用三种酶（糖化酶MABS、β-淀粉酶BA、转葡糖苷酶TGAN）对甘薯淀粉进行结构和物理化学修饰的研究。经MABS→BA→TGAN处理后，淀粉中α-1, 6-糖苷键和短链的比例（DP≤24）增加，链的平均长度、分子量和长链比例（DP＞24）减小；溶解度增加，相对结晶度、黏度、糊化温度和熔融焓降低；淀粉链间的相互作用减弱，从而使分子排列的规律性和淀粉的有序状态减弱。结果表明，通过酶处理改变甘薯淀粉的支链结构，为开发新型甘薯淀粉基产品开辟调节透明度、亲水性、黏度、凝胶强度、糊化温度和焓的新途径。此外，淀粉的消化率与肥胖和饮食相关疾病的发生率有关。快消化淀粉（RDS）在人体小肠中被迅速消化吸收，导致血糖迅速升高，对糖尿病的发生有潜在危险。慢消化淀粉（SDS）在小肠中缓慢消化、释放葡萄糖，其与稳定的葡萄糖代谢水平、糖尿病管理、认知表现和饱腹感有关[9]，可以降低患糖尿病和心血管疾病的风险，对人体健康具有积极作用。在薯类产品挤压蒸煮过程中，热处理、高压和剪切力作用都会破坏薯类淀粉颗粒结构，增加其糊化程度，使其更易被淀粉酶利用。因此，食品工业中常用酶处理降低薯类淀粉的消化率。如Ren等[10]用α-1, 4-葡聚糖分支酶（GBE）处理木薯淀粉，结果表明GBE处理降低了木薯淀粉的消化率。GBE处理后，RDS含量减少，SDS含量增加，木薯淀粉颗粒分子重排，木薯淀粉具有更致密的支链结构，α-1, 6-糖苷键含量增加，短链比例增加，环状淀粉分子含量增加，导致淀粉颗粒的空间位阻效应增强，且能抑制胰酶和淀粉糖苷酶的水解活性，导致消化率降低。这种现象随着处理时间的增加而变得更加明显。结构与消化率之间的关系可为食品加工企业生产消化率较慢的薯类食品提供参考。

1.4 乳化剂类食品添加剂

食品级乳化剂具有防止淀粉老化、乳化、湿润以及改善产品质地结构等多种特性，并具有保持最终产品形状等作用。在淀粉糊化过程中，当非晶态直链淀粉从淀粉颗粒中暴露并与脂肪酸或含有酰基链的乳化剂接触时，可形成螺旋状包合物。这些复合物的形成对糊化淀粉的流变特性、老化和体内外消化率有重要影响，受到广泛关注[11]。如Kawai等[11]研究了脂肪酸、单酰基甘油和酰基链长度不同的聚甘油脂肪酸酯对马铃薯淀粉糊化中复合物形成程度（复指数）和体外酶消化率的影响。研究发现，配体（脂肪酸、单酰基甘油、聚甘油脂肪酸酯）浓度越高，复指数越大，最后趋于平稳。复指数最大值依次为聚甘油脂肪酸酯＞单酰甘油＞脂肪酸。具有长酰基链的脂肪酸、单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]在探究单甘酯、卵磷脂对马铃薯重组米品质影响时发现，随着单甘酯含量增加，马铃薯重组米硬度不断增大，黏性逐渐减小，弹性和咀嚼性增大，当其添加量为0.50%时，感官评分较高；随着卵磷脂含量增加，米粒感官评分逐渐升高，卵磷脂有利于挤压成形，挤压后米粒光泽明显增加，重组米的蒸煮损失率逐渐降低，当卵磷脂含量为0.50%时，感官评分较高。这些结果将有助于了解糊化淀粉中复合物的形成与体外消化率之间的关系。

1.5 无机盐类食品添加剂

无机盐是一种强电解质，可以电离成水中的阴离子和阳离子，盐的存在会影响水与淀粉之间的氢键和淀粉分子之间的相互作用，导致马铃薯淀粉的理化性质发生一些变化[13]。目前的营养指南强调减少加工食品中盐含量的重要性，因为高盐摄入会导致健康问题。然而，减盐不仅影响食品的感官结构，而且影响食品的质地和稳定性。因此，了解盐对淀粉基体系相行为的影响是十分必要的[14]。Zhou等[13]在探究盐对马铃薯淀粉理化、微观结构和热性能的影响时发现，盐析离子，如F-、SO42-等，能显著降低马铃薯淀粉的溶解度、溶胀力、透明度和粒径（p＜0.05），而盐溶离子，如I-、SCN-等能显著提高这些性质（p＜0.05）。焦磷酸钠和磷酸氢二钠常在米粉生产中使用，其作用机理是温度升高，可促进淀粉的可溶性物质渗出，增强淀粉间的结合力，此外磷酸根离子具有螯合作用，能使淀粉和蛋白质分子螯合成大分子，从而增加米粉的抗拉强度，降低断条率[15]。卫萍等[15]研究发现，随着磷酸盐添加量的增大，马铃薯米粉的硬度显著提高，咀嚼性也有升高趋势；焦磷酸钠添加量为0.02%的马铃薯米粉蒸煮损失率低于10%。总之，不同种类的盐及其浓度对不同薯类淀粉理化性质有不同的影响，这些性质将为制备含多种盐的薯类食品提供信息。

1.6 淀粉类食品添加剂

在许多食品应用中，改性淀粉的性能优于天然淀粉。除了物理化学改性，混合不同的天然淀粉是获得新的淀粉性质的另一种方法。淀粉混合物是一种有趣的清洁标签替代品，在食品工业中具有潜力。如果能在不影响产品品质的前提下，用更便宜的淀粉部分替代更昂贵的淀粉，也能带来经济上的优势。淀粉共混物已经在许多产品中得到了应用（例如挤压零食等）。当讨论淀粉共混物的性质时，可以分为相加效应和非相加效应。当共混物中的淀粉相互影响，且不能根据各淀粉的性质来预测共混物的性能时，存在非加性效应。相反，当混合物的性质可以从各淀粉的性质预测出来时，就可以观察到一种相加效应[16]。高直链淀粉含量多的食品能够形成较强的凝胶，而低直链淀粉含量多易溶出则导致食品蒸煮损失较大。直链淀粉含量与食品的硬度、咀嚼性呈显著正相关，与黏着性呈显著负相关。因此，通过添加不同的淀粉原料，调节直链淀粉和支链淀粉的比例对食品的理化性质、功能特性及其应用至关重要。已有研究表明，添加绿豆淀粉能够增强马铃薯米粉的韧性，降低马铃薯米粉的表面黏性[15]。淀粉共混物已经在许多产品中得到应用，了解不同的淀粉如何相互作用具有科学意义，也是薯类食品开发的基础。

1.7 抗氧化剂类食品添加剂

抗氧化剂的作用是防止食品中维生素、脂质等的氧化以及淀粉老化。常见的抗氧化剂有抗坏血酸、没食子酸酯、丁基羟基茴香醚（BHA）和生育酚等酚类物质。以酚类化合物为例，其生物活性往往与它们调节氧化和炎症应激的能力有关。特别的是，酚类化合物还可以作为抑制淀粉消化酶的抑制剂，其能降低淀粉消化率的作用已被广泛报道[17]。酚类化合物由一个或多个羟基组成，它们可以与淀粉共价或非共价相互作用，形成淀粉-酚类复合物，进而影响淀粉的结构和消化率。已有研究表明，酚类化合物可以通过降低淀粉酶活性或增加淀粉的有序度等多种方式调节淀粉的消化率，且具有抑制淀粉老化的潜力[18]。Li等[19]采用傅里叶变换红外光谱和碘结合技术对淀粉颗粒的结构和理化性质进行了表征，并对结合酚类物质对淀粉-酚类物质消化率的影响进行了评价。结果发现，淀粉和酚酸络合降低了淀粉的糊化温度、峰值黏度、热糊黏度和冷糊黏度，且与酚类络合对玉米支链淀粉和马铃薯淀粉的消化率有一定的降低作用。淀粉-酚类混合物的这些特性为合理设计含有酚类抗氧化物质的健康薯类食品提供依据。

2 结语与展望

目前，关于薯类食品的研究主要集中在不同薯类品种品质间的比较、抑制薯类淀粉老化的问题以及单一食品添加剂对薯类淀粉基食品的结构、功能作用和感官特性的影响上，对复合添加剂的综合效果研究进展缓慢。薯类淀粉基主食食品的品质改良是一个不断探索的过程，对于在复杂的食品体系中添加不同的食品添加剂，探究其对薯类加工新产品品质的影响，很难确定其最佳组合和流变特性，且淀粉与淀粉或淀粉与非淀粉之间的分子间或分子内作用力很难表征。为了满足消费者对于薯类新产品外观、质地、营养等多方面的要求，还需要进行多方面的研究，如淀粉加工的流变特性、品质控制、感官评价和结构研究等。其中影响薯类淀粉基食品广泛应用的一个主要原因是：随着薯类淀粉添加比例的增加，产品的黏度增加，严重影响食品感官特性。目前主要通过添加食品添加剂如海藻酸钠等改良其品质，未来可考虑在产品表面进行包埋或通过适当加工方式改变产品表面结构，开发薯类主食食品。此外，要想将薯类产品，如薯类挤压重组米、薯类米粉等，在主食市场上加以推广，仅仅研究其加工工艺、品质改良是远远不够的，还应对产品的贮藏性、货架期进行研究。