微波热处理对马铃薯全粉品质改良及马铃薯面包消化特性的影响

李芮芷，李 师，陈 革，王妍文，杨庆余, ，朱华平，赵文琛，唐仁金

（1.沈阳师范大学粮食学院，辽宁沈阳 110034；2.中国农村技术开发中心，北京 110045）

马铃薯是全球第四大重要的粮食作物，在我国年产量达9000 万吨[1]，占全球总产量的1/4，但我国对马铃薯的加工利用远远落后于发达国家，主要由于国内市场马铃薯全粉和马铃薯衍生产品较少，进口依赖度大[2]。十三五以来，国家推进马铃薯主粮化战略，将马铃薯作为我国第四大主粮进行推广[1]，马铃薯相关主食产品的开发具有重大的意义。马铃薯营养均衡、全面，富含人体所需的18 种氨基酸[3]。马铃薯中含有大量淀粉，其中包含抗性淀粉（resistant starch，RS）。抗性淀粉是一类对人体健康有益的功能性膳食纤维，性质类似于溶解性膳食纤维，能够延缓食物在胃肠道中的消化速率[4]，其含量将对淀粉水解率起到重要的影响。提高食物中抗性淀粉含量将有助于降低食物血糖生成指数（glycemic index，GI），抗性淀粉可增强食物的饱腹感，具有预防肠道疾病、控制体重、调节血糖等功效[5]。

马铃薯全粉是以新鲜马铃薯为原料，经清洗、去皮、挑选、切片、漂洗、预煮、冷却、蒸煮、捣泥等工艺过程，脱水干燥而得的产品[6]，将其复水后可形成马铃薯泥，且具有马铃薯的风味物质和营养成分，但其中含有的脂肪酶极易导致酸败，影响马铃薯制品的贮藏稳定性[7]。此外，因马铃薯全粉中不含面筋蛋白，将马铃薯全粉与高筋小麦粉复配制成的面包结构及感官较差[6,8]。因此，如何对马铃薯全粉进行改良，提高其在马铃薯在其相关产品中的占比尤为关键。目前，常用的改良方法有物理法、化学法和生物法[9]。物理法中微波热处理可以加热杀菌，同时破坏生物体细胞内外环境，如蛋白质变性、破坏细胞膜和酶功能紊乱等[10]。在微波热处理马铃薯全粉过程中可使不溶性阿拉伯木聚糖、不溶性果胶类物质分子间连接键断裂，转化为水溶性聚合物[11−12]；因马铃薯全粉中含有大量淀粉，淀粉结构及性质的改变将很大程度上影响马铃薯全粉性质的改变，在微波热处理过程中淀粉有序结构被破坏，进而对消化特性产生影响，且在微波热处理过程中更多的亲水基团暴露[13]，吸水能力增强，因此，微波热处理技术在改良马铃薯全粉的品质及马铃薯食品研发中存在巨大的潜能。王常青[14]采用微波技术干燥马铃薯全粉，结果发现随着温度的升高，产品中VC破坏率越高，但微波干燥产品品质明显优于热风干燥。Dupuis 等[15]分别采用微波、挤压蒸煮的方式处理马铃薯，结果表明不同加工方式加热时间的延长都将导致淀粉体外消化率增加。其中挤压蒸煮因加工过程中的剪切作用和捏合作用，淀粉结构完整性严重破坏，淀粉体外消化率显著增加。李周勇等[16]采用微波-酶法处理马铃薯淀粉，在酶条件固定的情况下探究微波对马铃薯淀粉的影响，微波处理使部分马铃薯淀粉转化为抗性淀粉，提高马铃薯淀粉抗消化特性。目前鲜有报道将微波改性后的马铃薯全粉作为原料，将其与小麦粉进行较高比例复配制作马铃薯面包，探究微波热处理对马铃薯全粉及马铃薯面包的品质和消化特性的影响。

本研究采用微波热处理对马铃薯全粉进行改良，以高筋小麦粉和马铃薯全粉作为主要原料，并制备马铃薯面包。探讨不同微波功率对马铃薯面包结构和性质的影响规律。对比不同微波功率下马铃薯面包的结构和性质，对马铃薯面包的营养特性进行研究，旨在改善马铃薯面包质构、比容及感官评价等特性的同时，实现对马铃薯面包消化特性的调控，进一步降低马铃薯面包的升糖指数，为糖尿病人群提供更适宜的功能性食品，为开发营养健康的马铃薯相关产品奠定理论基础，同时也为推进马铃薯作为主粮化进程提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

马铃薯全粉（基本成分如下：水分含量4.23%、蛋白质7.6%、脂肪1.1%、碳水化合物71.9%） 甘肃正阳现代农业服务有限公司；高筋小麦粉 新乡市新良粮油加工有限责任公司；阿拉伯树胶粉、橄榄油、柠檬酸、柠檬酸钠 天津市进丰化工公司；蛋白酶、葡萄糖苷酶 河南万邦实业有限公司；α-淀粉酶（4000 u/g）、糖化酶（100000 u/g） 大连美仑生物技术有限公司；0.4 mol/L 醋酸钠试剂 合肥普尔美生物有限公司；3，5 二硝基水杨酸试剂 北京索莱宝科技有限公司；酵母 安琪酵母股份有限公司；黄油 内蒙古华琳食品有限责任公司；食用盐、白砂糖 市售；其他试剂 均为分析纯。

MZC-1070M 微波炉 青岛海尔科技有限公司；LD4-2 离心机 上海安亭科学仪器厂；CT3 质构仪 美国Brookfield 公司；JFZD 粉质仪 北京东方孚徳技术发展中心；HN-150Y 超声波细胞粉碎机 宁波新芝生物科技股份有限公司；OMJ-P 烤箱 河北欧美佳机械公司；DSC（Q20）差示扫描量热仪 美国TA 仪器公司。

1.2 实验方法

1.2.1 马铃薯全粉的改性 马铃薯全粉粉碎后过100 目筛，备用。取过筛后马铃薯全粉，以未经微波热处理的马铃薯全粉为对照。微波热处理条件为：取50 g 马铃薯全粉置于1000 mL 烧杯，料水比1:15，配成马铃薯全粉-水溶液，微波时间5 min，微波功率分别设定为300、450、600、750、900 W，在加热的同时匀速搅拌马铃薯全粉-水溶液。将经不同功率微波处理后的马铃薯全粉混合液置于恒温干燥箱，温度为45 ℃，时间为12 h。

1.2.2 马铃薯全粉面包的制作 马铃薯面包配方：分别将在300、450、600、750、900 W 功率下处理的马铃薯全粉按3:7 比例与高筋面包粉复配。以马铃薯全粉和小麦粉的质量之和为100%，其他原料占比为：酵母1%、盐1%、白砂糖8%、黄油6%。

马铃薯面包制作：取复配后的马铃薯全粉-小麦粉100 g，加入酵母1 g、盐1 g、白砂糖8 g 混匀，与约100 g 水混合成团，搅拌20 min 后加入黄油，继续搅拌直至面团揉出筋膜。将和好的面团整形后进行醒发，醒发条件为：温度35 ℃、相对湿度80%、发酵时间1.5 h。发酵完成后移入烤箱，烤制条件为：上火170 ℃、下火190 ℃、时间20 min，取出室温冷却2 h 备用[17]。

1.2.3 马铃薯全粉脂肪酶活性的测定 参考GB/T 23535-2009《脂肪酶制剂》和肖志刚等[9]的方法稍作修改，采用指示剂滴定法，用0.05 mol/L NaOH 滴定，记录NaOH 溶液消耗体积，计算马铃薯全粉内脂肪酶活性及残余酶活。公式如下：

式中：V（NaOH）1—样品消耗NaOH 体积（mL）；V（NaOH）2—空白消耗NAOH 体积（mL）；c—氢氧化钠标准溶液浓度（mol/L）；50～0.05 mol/L 氢氧化钠溶液1.00 mL 相当于脂肪酸50 μmol；n1—样品的稀释倍数；0.05—氢氧化钠标准溶液浓度换算系数；—反应时间15 min，以1 min 计；LA 活性1—样品钝化后酶活性（u/g）；LA 活性2—样品钝化前酶活性（u/g）。

1.2.4 马铃薯全粉不溶性膳食纤维含量的测定 参照GB 5009.88-2014《食品安全国家标准 食品中膳食纤维的测定》对马铃薯全粉中不溶性膳食纤维含量进行测定。

1.2.5 马铃薯全粉持水力的测定 参考Nawrocka等[18]的方法稍作修改，准确称取0.5 g 样品，置于50 mL离心管中，加入10 mL 蒸馏水，水浴振荡使其混合均匀，静置30 min 后离心（4000 r/min，15 min），移除上层液体，称重。持水力计算公式如下：

式中：W1—样品质量（g）；W2—离心管与样品总质量（g）；W3—离心管与沉淀物总质量（g）。

1.2.6 马铃薯全粉粉质特性的测定 将经不同微波功率处理的马铃薯全粉与小麦粉按3:7 比例混合后，参照GB/T 14614-2019《粮油检验 小麦面团流变学特性测试粉质仪法》对混合粉的粉质特性进行测定。

1.2.7 老化特性（DSC）的测定 采用差示量热扫描仪分别对面包芯的老化特性进行测定。首先将面包芯置于冻干机中冻干，冻干温度为零下40 ℃，冻干时间为12 h，冻干后进行研磨，并过100 目筛备用。用铝制坩埚称取3.0 mg 冷冻干燥的面包屑粉末，按1:2（w/w）的比例加入去离子水（6 μL），压盖密封后置于室温下平衡过夜。以空坩埚做为对照，扫描速率为10 ℃/min，扫描温度为20～140 ℃。分别在1、7 d观察淀粉老化吸热值的变化规律。淀粉回生程度计算公式如下[19]：

式中：RT%—回生度；ΔHret—淀粉回生的凝胶焓值；ΔHgel—初始凝胶焓值。

1.2.8 面包比容的测定 参考GB/T 20981-2007《面包》中比容的测定，采用油菜籽替代法测定面包体积，比容计算公式如下：

1.2.9 马铃薯面包感官评定 面包评分参考GB/T 14611-2008《粮油检验小麦粉面包烘焙品质试验 直接发酵法》中面包烘焙品质评分标准，组成10 人评分小组，根据面包形态、色泽、气味等内容进行评定，取其平均值。

1.2.10 面包质构的测定 面包制备24 h 后，将面包芯切成25 mm3的正方体，采用二次压缩法测定面包的TPA 特性。TPA 测试条件：采用P/36R 探头，测前、中、后速度均为1.0 mm/s，触发力5 g，压缩形变量50%。测量面包的硬度、弹性、内聚性以及咀嚼性。

1.2.11 马铃薯全粉面包体外淀粉消化特性的测定

1.2.1 1.1 葡萄糖标准曲线 参照张焕新等[20]进行改进。以葡萄糖含量为横坐标，540 nm 波长处的吸光度为纵坐标，绘制标准曲线，其回归方程为y=0.5614x−0.0117（R²=0.999）。

1.2.1 1.2 淀粉水解率和抗性淀粉的测定 称取0.5 g面包样品，加入0.4 mol/L 醋酸钠缓冲液10 mL，充分混合后加入10 mL 300 U/mLα-淀粉酶和40 μL 10000 U/mL 糖化酶混匀，在37 ℃、180 r/min 的条件下水浴振荡，在0、20、60、90、120、150、180 min时，分别取1 mL 消化液于10 mL 离心管中，加入4 mL无水乙醇灭酶。于8000 r/min 离心10 min，取上清液。采用DNS 法测定水解过程中葡萄糖的产生量。参照GB 5009.9-2016《食品安全国家标准食品中淀粉的测定》测定总淀粉含量。按照式（7）、式（8）计算淀粉水解率和含麸皮面包中抗性淀粉含量，分别以水解时间和淀粉水解率为横纵坐标，绘制水解曲线，该曲线遵循一级反应方程式[21−22]。

式中：TS—总淀粉质量，g；G0—水解0 min 时产生的葡萄糖质量，g；G120—水解120 min 时产生的葡萄糖质量，g

1.2.1 1.3 血糖生成指数预测值的测定 以白面包作为参照，白面包制作参考Brennan 等[23]的方法制备。采用GraphPad Prism 8 软件求得淀粉水解曲线下面积（area under curve，AUC），按照公式（8）得出的各样品淀粉水解指数（hydrolysis index，HI）并依据式（9）、式（10）分别求得当白面包、葡萄糖作为参照食物时的血糖生成指数预测值（Predicted Glycemic Index，PGI）[24−25]。

1.3 数据处理

利用Origin 9.1 对数据进行分析与统计，采用SPSS20.0 并进行单因素方差分析（Tukey’s Test），数据以X±SD 表示，显著性P<0.05。每个样品重复测三次，取其平均值。

2 结果与分析

2.1 不同微波功率对马铃薯全粉脂肪酶活性的影响

图1 为马铃薯全粉在不同微波功率处理下脂肪酶活性的变化规律。由图1 可知，随着微波功率的提升，脂肪酶残余酶活呈降低的趋势，当微波功率达到900 W 时降至1.23%，与未经微波热处理的马铃薯全粉相比降低了98.18%。这可能是因为微波热处理使马铃薯全粉中水、蛋白质等极性基团产生高速的取向运动[9]，分子间产生剧烈摩擦，随着微波功率的增大，分子间摩擦剧烈程度增大，进而使马铃薯全粉中脂肪酶活性降低。

图1 微波功率对马铃薯全粉脂肪酶活性的影响Fig.1 Effect of different microwave power on lipase activity of potato flour

2.2 不同微波功率对马铃薯全粉不溶性膳食纤维及持水力的影响

图2 为不同微波功率对马铃薯全粉中不溶性膳食纤维含量及持水力的影响。由图2 可知，马铃薯全粉经微波热处理后，随着微波功率的增加，马铃薯全粉不溶性膳食纤维含量总体呈降低趋势，未经微波热处理对照样不溶性膳食纤维含量为3.70%，当微波功率达到900 W 时，不溶性膳食纤维含量降至2.91%，与对照样相比降低了21.35%；马铃薯全粉经微波热处理后，持水力得到了提升。在300～750 W区间内，随着微波功率的增加，马铃薯全粉持水力总体呈上升的趋势，当功率达到750 W 时，持水力为5.71 g/g，与微波热处理前相比提升了20.97%。当微波功率达到900 W 时，持水力略微下降。可能是因为在微波作用下，不溶性膳食纤维分子间连接键断裂，部分转化为具有更强吸水能力的可溶性膳食纤维[26]，随着微波功率的增加，对马铃薯全粉颗粒的破坏程度增加，不溶性膳食纤维破坏程度增大，不溶性膳食纤维含量降低，同时使得马铃薯全粉中暴露出更多的亲水基团[13]，与水结合能力增强。马铃薯全粉中含有大量马铃薯淀粉，在微波热处理过程中，部分马铃薯淀粉可能转化为具有更高持水能力的抗性淀粉[11−12]，从而使得经适当微波热处理后的马铃薯全粉持水力呈增强趋势，但当微波功率达到900 W 时，过高功率的微波严重破坏了马铃薯全粉中淀粉与蛋白的结构，导致持水力略有下降[27]。

图2 微波功率对马铃薯全粉不溶性膳食纤维及持水力的影响Fig.2 Effects of different microwave power on insoluble dietary fiber and water holding capacity of potato flour

2.3 不同微波功率对马铃薯全粉粉质特性的影响

表1 为不同微波功率对马铃薯全粉粉质特性的影响。由表1 可知，马铃薯全粉经微波热处理后，吸水率、形成时间、稳定时间呈先升高后降低趋势，弱化度呈先降低后升高趋势，当微波功率为750 W 时，马铃薯全粉吸水率、形成时间及稳定时间分别达到最大值，弱化度达到最低值。马铃薯全粉经微波热处理后吸水率增加，可能是因为一定程度下的微波热处理使马铃薯全粉中更多的亲水基团暴露出来，吸水能力得到提升，这与持水力结果相一致。形成时间是反映面团中面筋质量和数量的重要指标[28]，形成时间的增长表明了在300～750 W 区间内，随着微波功率的增加，面筋质量得到提升，耐揉性更强，弹性更大；稳定时间的增长表明了面团的韧性更好、面筋强度增大；弱化度降低，表明面团耐放置，成品形状成型较好，当微波功率为750 W 时，面团的稳定时间达到了最大值，弱化度达到了最小值，说明此功率下面团面筋强度及韧性得到了较大提升，面团更耐放置，成品易成型；当微波功率达到900 W 时，则与300～750 W趋势相反。这可能是由于适度的微波热处理有利于促进小分子蛋白聚合[29]，强化面筋，提升了面筋的质量，进而改善了面团的粉质特性，而过度的微波热处理使全粉颗粒严重破损，对全粉的粉质特性产生了不利影响。

表1 微波功率对马铃薯全粉粉质特性的影响Table 1 Effect of different microwave power on the properties of potato flour

2.4 不同微波功率对马铃薯面包淀粉回生程度的影响

图3 为不同微波功率对马铃薯面包淀粉回生程度的影响，1 d 凝胶焓值范围约在0.30～1.02 J/g，面包储存7 d 后，淀粉回生的凝胶焓值上升，范围约在1.66～3.84 J/g，老化程度上升。可能是由于随着储存天数增加，面包水分流失和淀粉的回生作用引起面包老化。与WB0 相比，微波热处理后的马铃薯面包回生度降低，随着微波功率的增加，面包回生度呈先降低后升高的趋势。这可能是因为在一定范围内微波热处理条件下，部分半纤维素等不溶性物质间连接键断裂，转变为吸水性更强的可溶性膳食纤维，可溶性膳食纤维与面包中的淀粉形成竞争性吸水[30]，抑制了面包中水分向外扩散迁移，从而抑制了面包的老化。当微波功率达到900 W 时，全粉持水力降低，面包保持水分的能力降低，进而导致面包回生度与WB750相比有所提升。

图3 微波功率对马铃薯面包淀粉回生度的影响Fig.3 Effect of different microwave power on retrogradation degree of potato bread starch

2.5 不同微波功率对马铃薯面包比容、感官及面包横切面的影响

表2 为不同微波功率处理对马铃薯面包比容、感官的影响。由表2 可知，随着微波功率的增加，马铃薯面包比容和感官评分均呈先升高后降低的趋势，当微波功率达到750 W 时，WB750 比容达到最大值，为4.04 mL/g，与WB0 相比提高了66.94%，感官评分为89.1 分，与WB0 相比提高了26.56%。与WB0相比，微波热处理后的马铃薯全粉制作的面包比容更大，这可能是因为经过微波热处理后的马铃薯全粉吸水能力增强，蛋白质与水能够更充分的结合[29]，形成更为稳定的面筋空间网状结构，面筋强度增大，面包韧性增强，口感更佳。但过高的微波强度对全粉造成了严重损伤，导致全粉粉质特性变差，影响面团发酵成型，感官效果变差。

表2 微波功率对马铃薯面包比容、感官的影响Table 2 Effects of different microwave power on specific volume and sensory of potato bread

图4 为马铃薯面包横切面图片，由图4 可以看出，经微波热处理后的马铃薯全粉制成的面包更加蓬松，均匀的气孔结构较多，随着微波功率的增加，面包体积呈先增大后减小的趋势。这可能是由于面筋质量的改变对面团及焙烤后的面包产生的影响，由此可见，适度的微波热处理对马铃薯全粉及其制品产生了有利的影响，而过度的微波强度则会破坏全粉中淀粉与蛋白的结构，对马铃薯全粉及其制品产生不良影响。

图4 马铃薯面包横切面图片Fig.4 Cross section of potato bread

2.6 不同微波功率对马铃薯面包质构的影响

表3 为不同微波功率对马铃薯面包质构的影响结果。由表3 可知，在300～750 W 区间内，随着微波功率的增加，马铃薯面包硬度从261.67 g 降低至115.50 g，弹性从8.52 mm 提高至9.17 mm，而当功率为900 W，硬度升高至179.50 g，弹性下降至8.77 mm。与WB0 相比，经微波热处理后的马铃薯全粉制成的马铃薯面包硬度降低，弹性升高，内聚性和咀嚼性都得到了改善。这可能是因为微波热处理破坏了马铃薯全粉中的有序结晶结构[31]，使其内部结构更加疏松，且微波热处理后部分淀粉可能转化为吸水率更高的抗性淀粉，面包含水量增加，从而改善了面包的品质。WB750 各项质构指标达到最优值，这与比容、感官评定的结果相一致。

表3 微波功率对马铃薯面包质构的影响Table 3 Effect of different microwave power on texture of potato bread

2.7 不同微波功率对马铃薯面包消化特性的影响

图5 为不同微波功率对马铃薯面包淀粉水解率的影响。由图5 可知，与未经微波热处理相比，经过微波热处理后马铃薯全粉制成的马铃薯面包淀粉水解率降低。随着功率的增加，淀粉水解率在300～750 W区间内总体呈降低趋势，当微波功率为900 W 时，WB900 淀粉水解率与WB750 相比有所提升。这可能是由于在微波热处理下，不溶性膳食纤维转化为可溶性膳食纤维，可溶性膳食纤维溶于水后可形成高浓度溶胶或凝胶，阻碍了α-淀粉酶水解速率[32−34]，且适度的微波热处理后抗性淀粉增加，能够延缓淀粉的消化吸收，进一步降低淀粉水解速率，但当功率达到900 W 时，抗性淀粉含量降低，淀粉水解率略有提升。

图5 微波功率对马铃薯面包淀粉水解率的影响Fig.5 Effect of different microwave power on hydrolysis rate of potato bread starch

图6 为不同微波功率对马铃薯面包HI、PGI、抗性淀粉含量的影响，GI 值即血糖生成指数，用于反映食物对人体血糖水平的影响程度，通常以葡萄糖或白面包做为参照食品进行计算，目前体外淀粉消化研究中多以PGI 代替GI 值[35]。由图6 可知，随着微波功率的增加，马铃薯面包HI、PGI 值呈先增高后降低的趋势，在750 W 时达到最大值，分别为67.29%、46.34，抗性淀粉呈先增高后降低的趋势，在750 W处达到最高值，为43.60%；与未经微波热处理的马铃薯面包WB0 相比，HIWB750降低了26.42%，PGIWB750降低了23.93%，抗性淀粉提高了63.48%。Zhang等[36]研究发现，微波热处理过程中淀粉结构被破坏，直链淀粉浸出率增加。而直链淀粉含量与抗性淀粉得率呈正相关[12]。可见，适度的微波热处理能够提高马铃薯面包的抗性淀粉含量，增加马铃薯全粉中可溶性物质含量，延缓淀粉的消化速率，降低马铃薯面包的PGI 值；过度的微波强度对淀粉结构产生了严重破坏，淀粉结晶结构松散[31]，提高了酶在淀粉内的扩散及消化速率，且抗性淀粉含量降低，从而使面包PGI 值增加。

图6 不同微波功率对马铃薯面包HI、PGI、抗性淀粉含量的影响Fig.6 Effects of different microwave power on HI,PGI and resistant starch content of potato bread

3 结论

本研究采用微波热处理对马铃薯全粉进行改良，改良后的马铃薯全粉中脂肪酶、不溶性膳食纤维、植酸含量显著降低，持水力提高。将马铃薯全粉与小麦粉制成马铃薯面包后，与未经微波热处理的马铃薯面包相比，微波热处理后的马铃薯面包回生度降低，硬度降低、弹性上升，比容和感官评分显著提高（P<0.05），经过微波热处理后马铃薯全粉制成的马铃薯面包淀粉水解率降低，抗性淀粉含量提高，HI 与PGI 值降低。随着微波功率的增加，面包品质及消化特性在功率为750 W 时达到最优值，大幅度提高了马铃薯面包的感官及营养特性。可见，适度的微波热处理能够对马铃薯全粉起到改善作用，但过度的微波热处理对马铃薯全粉会产生不利影响，且由微波热处理后的马铃薯全粉制成的面包血糖生成指数显著降低（P<0.05），更适宜糖尿病患者或需要控制体重的人群食用。