不同来源膳食纤维对米布丁综合品质的影响

在当前食品科学领域深入探索健康与营养的大背景下,米布丁作为国内甜品市场初露头角的半固态产品,凭借大米和牛奶为主要原料的天然组合和其独特的口感,展现出良好的生产及销售前景。相关的研究从提升食用观感到添加成分生产新型功能产品涉及多个方面,然而,不可忽视的是,对米布丁的研究实践仍面临许多亟待攻克的问题。传统米布丁的原料多为精白米和牛奶,不仅营养成分单一,而且在加热或冷却过程中易发生相变。同时,精白米中高比例的支链淀粉为主使其消化速度较快,食用后易导致血糖快速升高,对于糖尿病患者或需要严格控制血糖的人群来说极为不利[1]。还有相关研究表明,米布丁在冻融过程中存在稳定性较差的问题[2],影响产品货架期与口感。

鉴于米布丁所呈现出的这些亟待解决的问题,寻求科学有效的改良策略成为当下的研究重点。而膳食纤维,作为一类在食品科学领域中备受关注的功能性成分,逐渐进入研究者的视野。膳食纤维本质是一类不被人体消化酶分解的碳水化合物及其聚合物,主要包括可溶性膳食纤维和不可溶性膳食纤维两大类。可溶性膳食纤维如β-葡聚糖,在水中可以形成胶状物,抑制淀粉糊化[3],有助于延缓葡萄糖吸收[4];不可溶性膳食纤维则主要通过增加食物在消化道中的停留时间来促进肠道蠕动。已有研究表明,添加一定比例的燕麦中的β-葡聚糖就可以通过延缓达到峰值的时间来有效降低餐后血糖水平[5]。类似地,米糠不溶性膳食纤维按3%～12%(质量分数)添加到米粉中制成即食米粉时,增加抗性淀粉(resistant starch,RS)含量,可以显著延缓淀粉体外消化水解率,从而影响葡萄糖的释放[6]。除了促进肠道健康和调节血糖的功能外,膳食纤维还能显著改善食品的质构特性,实际案例显示,玉米高品质膳食纤维对面包的硬度和咀嚼性有显著影响,但对面包弹性和回复性的影响较小[7]。随着公众健康意识的不断提升,膳食纤维在全球范围内的食品加工行业得到了广泛应用,研究证实,添加适量的膳食纤维能有效改善产品的营养组成、质构特性和风味品质等[8],以荞麦为例,其中的膳食纤维就具有良好的降血糖和改善糖耐量的作用[9]。提取源膳食纤维如聚葡萄糖则可通过增加肠道黏度来抑制血糖水平的升高。

基于上述研究背景,膳食纤维在食品领域的应用研究已取得较为丰硕的成果,但当将研究视角聚焦于米布丁这一特定产品时,不难发现现有研究存在明显的空白区域。目前,关于膳食纤维对米布丁等淀粉基食品的热稳定性、质构特性和升糖指数的影响尚不明确。因此,本文创新性地将膳食纤维引入米布丁制备体系中,通过对不同来源膳食纤维的添加情况进行研究,旨在揭示其对米布丁热稳定性、质构特性和升糖指数的影响,为米布丁的品质改良和功能性提升提供全新的理论依据与技术支撑,推动米布丁在健康食品市场中的深度发展。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

香米,湖南隆平农场有限公司;牛奶,内蒙古蒙牛乳业有限公司;燕麦,黑龙江佳财农副产品有限公司;玉米、荞麦,赣州康瑞农产品有限公司;聚葡萄糖、菊粉,河南高宝实业有限公司;实验所用的其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

501超级恒温水浴,上海越磁电子科技有限公司;WMZK-01温度指示控制仪,无锡联泰仪表有限公司;DTS/12-4蒸汽杀菌锅,山东鼎泰盛机械科技有限公司;KQ3200B超声波清洗仪,昆山市超声仪器有限公司;FE28-pH计,梅特勒-托利多仪器有限公司;PX2202ZH电子分析天平(1%),奥豪斯仪器有限公司;BGZ-146电热恒温鼓风干燥箱,上海博迅实业有限公司;MasterTouch-RUVF超纯水机,上海和泰仪器有限公司;TA-XT plus质构仪,上海保圣实业发展有限公司;AXTG16G离心机,盐城市安信实验仪器有限公司;紫外-可见分光光度计,伟华科技(天津)有限公司;TA Instruments差示扫描量热仪Q2000,深圳市世纪远景电子设备有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 米布丁制作方法

选择无霉变、无虫害香米和辅料,每一个成品中香米与辅料质量比为5∶2,淘洗干净加入过量的水浸泡,取约与香米和辅料质量4倍的牛奶烹煮预热,浸泡后的原料和热牛奶混合,倒入奶锅,水浴40～45 min,半干还有一些流动奶的状态停止加热,在温度85 ℃时装灌并封口(装灌时要防止浆液玷污瓶口),封口后在90 ℃以上热水中杀菌20～30 min,采用自然冷却或用喷淋分段冷却,至40 ℃左右后冷藏。

1.3.2 原料基本营养成分测定

淀粉、蛋白质、脂肪、总膳食纤维含量测定分别参照GB 5009.9—2023《食品安全国家标准食品中淀粉的测定》、GB 5009.5—2025《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定》、GB 5009.6—2016《食品安全国家标准食品中脂肪的测定》、GB 5009.88—2023《食品安全国家标准食品中膳食纤维的测定》。

1.3.3 米布丁品质评价

1.3.3.1 析水率测定

米布丁的析水率测定参考KATEKHONG等[10]方法并稍作修改。将米布丁样品加热冷却,称量质量后放到-18 ℃下冷冻,室温解冻后用吸油纸轻轻吸去米布丁表面上的水分后称量,根据公式(1)计算样品析水率:

式中:A为加热冷却后获得的米布丁质量,g;B为冷冻擦干水分后凝胶质量,g。

1.3.3.2 持水率测定

米布丁持水率测定(water holding capacity, WHC)测定参考KOCHER等[11]方法并稍作修改。利用千分天平准确称取1 g凝胶样品置于50 mL离心管中,在3 835×g、4 ℃条件下离心15 min,用吸油纸擦拭掉米布丁表面上的水分后再称取样品的质量,根据公式(2)计算持水率:

式中:A为凝胶样品质量,g;B为擦干水分后样品质量,g。

1.3.3.3 热损失率测定

米布丁的耐热性能测定参考何叶等[12]方法稍作修改,以热损失率作为指标。称取浸泡前米布丁质量,将米布丁与80 ℃热水按质量比1∶4混合,置于80 ℃水浴20 min后称取浸泡后米布丁质量,根据公式(3)计算热损失率:

式中:A为浸泡前米布丁质量,g;B为浸泡后米布丁质量,g。

1.3.4 米布丁淀粉糊化特性的测定

参考WU等[13]的方法,稍作修改。采用差示扫描量热法(differential scanning calorimetry,DSC)对样品进行分析处理,得到各样品的淀粉糊化温度;测试条件:取试样5 mg于铝制干锅中,按m(样品)∶m(水)=1∶1加入纯水,密封后隔夜放置平衡,扫描温度范围为从40 ℃上升到120 ℃,升温速率为5 ℃/min。每个样品做3次平行试验。

根据李开耀[2]的方法稍作修改,选择TPA模式,探头P36R;测定参数为:测前速度1 mm/s,测中速度5 mm/s,测后速度5 mm/s;触发力45 g;压缩比40%。对6种样品进行测量。每种3次平行。

参考GB/T 19883—2018《果冻》设计感官评分标准表,由5位感官评价人员对米布丁进行感官评价打分,最终取总分平均值[14]。评分标准见表1。

1.3.7 升糖指数的测定

测量血糖生成指数(glycemic index,GI)的方法分为两大类:体内和体外消化法。由于体内测试所需要的志愿者较多,不稳定因素较多,故本实验采用体外消化法测量GI值。体外消化法测定米布丁血糖生成指数依据汤旻玥[15]及彭辉等[16]的方法稍加改动。称取100 mg的样品,加入蒸馏水2 mL,然后将样品放置于50 mL离心管中,水浴(100 ℃,15 min)使样品糊化,再添加13 mL pH 5.2的0.20 mol/L乙酸缓冲液,继续水浴(37 ℃,10 min)至平衡。加入0.2 mL混合酶液(胰α-淀粉酶400 U/mL,糖化酶20 U/mL),在37 ℃ 恒温水浴下振荡(转速为150 r/min),振荡反应时间设置为0、30、60、90、120、180 min,每个时间点分别取0.10 mL上清液经沸水浴5 min灭酶处理,以3 835×g离心5 min。取一定量溶液加1倍的DNS试剂沸水浴5 min,加8倍的蒸馏水于540 nm下测吸光度,通过公式(4)计算产品水解速率(hydrolyzing rate,HR),并绘制淀粉水解曲线:

葡萄糖含量单位为mg/g;样品质量单位为mg;由水解曲线得到水解指数(HI),从而通过公式(5)计算得出eGI值:

2 结果与分析

2.1 米布丁的基本营养成分

由表2可知,添加不同来源膳食纤维的米布丁基本营养成分的含量与空白组之间的基本营养成分存在差异。其中添加提取源膳食纤维的米布丁其总膳食纤维含量有显著提升,而添加谷物源膳食纤维的米布丁的总膳食纤维含量略有提升,其淀粉含量相对较多,各组蛋白质含量与脂肪含量无显著差异。这是因为淀粉仍为谷物源膳食纤维中最主要的部分,其膳食纤维占比较少(燕麦中β-葡聚糖含量为2.5%～8.3%,荞麦中总膳食纤维含量为8.4%,玉米籽粒中总膳食纤维含量占干物质的6.98%～9.76%),而提取源膳食纤维(聚葡萄糖、菊粉)属于经过加工提取的纯化膳食纤维,对于米布丁的总膳食纤维含量的提升效果更为显著。

2.2 米布丁的品质评价

析水率和持水率反映的是米布丁冻融稳定性,冻融稳定性可以用来衡量淀粉承受冷冻和解冻过程引起的负面物理变化的能力[17]。过高的析水率会使米布丁在冻融过程中水分流失,凝胶网络结构被破坏,导致米布丁质地松散、口感变差和营养流失。较高的持水率则可使米布丁在低温贮存时具有更好的保水性和抗冻融能力。而热损失率主要反映的是米布丁的耐热性能,热损失率过高会导致米布丁无法均匀受热,从而影响口感和外观,还会使热敏性营养成分被破坏,降低营养价值。由表3可知,添加不同来源膳食纤维的米布丁在析水率、持水率和热损失率方面存在差异。其中,空白米布丁的热损失率明显过高,冻融稳定性也相对较差,而聚葡萄糖米布丁热损失率最低,整体冻融稳定性较好。整体上,添加了膳食纤维的米布丁冻融稳定性和耐热性都更好,但添加提取源膳食纤维对耐热性和持水率的提高更显著,而添加谷物源膳食纤维更有利于析水率的降低,这是因为膳食纤维能够通过形成凝胶状结构改善食品的热稳定性和冻融稳定性。

2.3 米布丁的糊化特性

淀粉颗粒具有一定吸水性,在加热时水分会进入淀粉颗粒的无定形区与直链淀粉结合扩散发生溶胀,并随加热温度升高而更加剧烈,对食品的弹性、黏度以及硬度造成影响。因此,适宜的糊化对食品质量尤为重要。热力学性质能够反映淀粉在水溶液中加热糊化的难易程度[18]。据此采用DSC法,测得的数据如表4所示,结果可得添加不同来源膳食纤维均对米布丁的糊化温度均有较大提升,添加聚葡萄糖的米布丁糊化温度提升最为明显。

图1为添加不同来源膳食纤维所测得的DSC图,反映了添加不同来源膳食纤维对米布丁糊化特性的影响。由于米布丁淀粉的糊化为吸热反应,从吸热峰可判断米布丁的糊化开始温度T0、峰值温度TP、结束温度TC以及糊化焓ΔH和糊化温度范围Tr(表4)。糊化焓表示颗粒内支链淀粉紊乱发生糊化所需的能量,该值是通过对糊化峰面积进行积分计算的[19]。由表4可知,相较于空白米布丁而言,添加不同来源膳食纤维均可使糊化开始温度、结束温度以及糊化所需焓值增加,根据这些数据可知膳食纤维对大米淀粉的糊化起到了抑制作用,它们和大米淀粉颗粒之间对自由水存在竞争,从而降低了样品的水分活度并阻碍了淀粉颗粒随温度升高时发生膨胀,使糊化温度提升。而DSC曲线图只出现一个峰值的原因是样品含水量太大,淀粉吸水膨胀或是温度范围太小,未显示第2个吸收峰。

添加提取源膳食纤维对米布丁淀粉糊化峰值温度的提升效果更好,而对于添加谷物源膳食纤维的米布丁来说,添加荞麦膳食纤维会使峰值温度小幅度提升,添加燕麦膳食纤维峰值温度基本不变,添加玉米膳食纤维则会使峰值温度减小。但整体上,相较于空白米布丁而言,添加了膳食纤维的米布丁样品的淀粉糊化温度范围均有较大提升,总体向温度升高的方向改变,有助于提高淀粉糊化温度,并对大米淀粉糊化起抑制作用。这是因为膳食纤维对水的吸收较强,从而降低了样品水分活度,阻碍了淀粉颗粒随温度升高而膨胀[20]。其中添加玉米和荞麦比添加燕麦对提升大米淀粉糊化温度更显著,这是因为玉米和荞麦中淀粉含量更高,同时直链淀粉比例更高。

2.4 米布丁的质构特性

食品质构特性作为多模态感官评价体系的核心要素,通过触觉、视觉及力学感知构建成物性特征参数体系,是表征产品品质的关键质量指标。如表5所示,经ANOVA方差分析表明,谷物源膳食纤维与提取源膳食纤维使米布丁样品在多尺度质构特性上呈现显著差异性分布特征。具体表现是两类不同来源的膳食纤维使米布丁样品在硬度及弹性这些力学特性方面未呈现出统计学显著差异性,但在黏性、咀嚼性、内聚性及回复性等流变学参数上表现出显著差异性。其中荞麦膳食纤维表现出最强增稠效果,菊粉膳食纤维的添加则未引起显著变化,这是因为荞麦膳食纤维富含半纤维素-抗性淀粉复合网络结构,通过高效吸水膨胀,形成致密凝胶基质,显著增强黏性;而菊粉(β-2,1-果聚糖)因分子链柔性较高且缺乏刚性骨架,在米布丁体系中原位溶解度较高(溶解度达89.3%),未能有效构建空间网络结构,导致增稠效果不显著。在咀嚼性与内聚性方面,谷物源膳食纤维的添加均能使米布丁的2项指标得到提升,而提取源膳食纤维的引入导致米布丁咀嚼性和内聚性下降。值得注意的是,谷物源膳食纤维与提取源膳食纤维在调控咀嚼性与内聚性时表现出显著差异性,谷物源膳食纤维通过植物细胞壁半纤维素-木质素三维网状结构强化内聚性与咀嚼性,而提取源膳食纤维因化学脱脂导致纤维间氢键断裂,形成松散线性排列,显著降低力学性能。在回复性特性上,添加谷物源膳食纤维有助于提升回复性,而添加提取源膳食纤维会使回复性降低。这种差异可归因于纤维类型对米布丁基质凝胶结构的差异化调控,谷物源膳食纤维通过形成致密的三维网状结构增强各向同性力学性能,而提取源膳食纤维因高刚性纤维束的定向排列限制弹性恢复能力[21]。

2.5 米布丁的感官评价

感官评价是衡量食品外观、口感、香气和整体接受度的重要手段,不同来源膳食纤维添加会导致对米布丁的感官评价受到不同影响,由表6可知,添加了膳食纤维的米布丁感官评价均比空白组高,其中添加荞麦膳食纤维的米布丁整体气味最为醇厚,添加菊粉膳食纤维的米布丁口感提升效果最好。这种效果可归因于在加工过程中荞麦中的蛋白质、淀粉等成分与米布丁中的成分在加热条件下易发生美拉德反应,使香气更浓郁复杂[22];而菊粉作为一种具有吸湿性和膨胀性的水溶性膳食纤维,能够增加米布丁的水分含量和体积,从而改善米布丁的质地与口感。此外,添加玉米膳食纤维的米布丁整体接受度最好,添加提取源膳食纤维的米布丁的整体接受度较弱于添加谷物源膳食纤维的米布丁,这是因为谷物源膳食纤维携带有原料本身的天然风味,还含有淀粉、蛋白质等其他成分,与米布丁中的原有成分更兼容,还能保留更自然的食品结构,其中玉米本身的质地和成分与米布丁的其他成分融合的效果更良好。提取源膳食纤维则是经过加工提取的纯化纤维,虽然能使米布丁口感变软糯但由于其本身无明显风味和色泽,对米布丁感官方面的提升效果有限。

2.6 米布丁的升糖指数

GI为食用某食物后一定时间(一般为2 h)内血糖应答曲线下增值面积与标准食物(葡萄糖或白面包)餐后血糖应答曲线下增值面积的比值,反映了食物中碳水化合物增加餐后血糖水平的速率。通常,将GI值低于55的食物称为低GI食物,GI值56～70的食物称为中GI食物,GI值70的食物以上称为高GI食物[23]。本试验通过测定米布丁基本营养成分,确定其组成,锁定含量最高的碳水化合物,选用更稳定且成分单一的葡萄糖为标准食物,模拟体内消化的酶、pH和温度条件,并且细化时间梯度,集中观察消化速率快的前期,以此建立标准化体外消化的试验模型,预测米布丁的GI值[24]。得到的实验结果如表7所示,添加玉米、聚葡萄糖和菊粉可以有效将米布丁从高GI食品转化为中GI食品。

表7反映了添加不同来源膳食纤维对米布丁GI的影响。相较于空白米布丁,添加了膳食纤维的组别能有效降低米布丁的GI值。在添加谷物源膳食纤维的米布丁中玉米米布丁降低GI的程度最高,继而是燕麦和荞麦。这是因为本次试验使用的为煮制过的未去皮甜玉米,其含有的粗纤维可以控制血糖,增加小肠和大肠中难以消化的碳水化合物部分,降低碳水化合物的吸收率,延缓肠道的葡萄糖吸收,从而控制血糖[23]。在添加提取源膳食纤维的米布丁中,则是聚葡萄糖降低GI的效果更好。原因为聚葡萄糖作为人工合成的、低热量、低血糖指数的特殊碳水化合物,具有含水溶性膳食纤维和益生元的特点,其不被人体消化吸收,基于此不会引起血糖升高,且聚葡萄糖可阻碍食物与消化液充分接触,减缓消化速度,使葡萄糖吸收减慢[1],未来研究会结合动物实验(如小鼠血糖响应[25])进一步验证体外消化法的可靠性,并探讨膳食纤维对餐后血糖的长期调控机制。

3 结论与讨论

本研究通过分析不同来源膳食纤维对米布丁综合品质的影响,发现没有添加膳食纤维的米布丁糊化温度较低,升糖指数最高,感官等品质均较差于其他添加了膳食纤维的米布丁。其中,提取源膳食纤维(聚葡萄糖、菊粉)在改善米布丁的热稳定性和冻融稳定性方面效果更为显著,并能通过延缓淀粉消化显著降低升糖指数。然而,这类膳食纤维也存在一些弊端,由于添加后黏性增加和其本身天然风味缺失导致其感官评分略低于谷物源膳食纤维组。与之相比,谷物源膳食纤维则凭借含有天然蛋白-淀粉复合物以及风味优势,在提升米布丁咀嚼性和内聚性方面表现更卓越,从而获得了更高的感官接受度,其中以添加玉米膳食纤维的米布丁效果最为显著。研究证实,膳食纤维通过多维度协同作用优化了米布丁的营养功能、加工稳定性及感官品质等方面,为开发功能导向型的米布丁产品提供了坚实的理论依据。从市场角度来看,提取源纤维由于其在血糖控制方面的突出表现,更适合糖尿病等特殊膳食需求的人群;而谷物源纤维凭借其良好的感官特性,则更契合大众市场升级的需求。然而,在研究过程中也发现,添加膳食纤维后的米布丁通常需要较高的淀粉糊化温度,这使得米布丁达到高糊化程度存在一定难度,进而会对产品的稳定性和口感品质产生影响。因此,未来研究者计划进一步平衡纤维添加比例以改善糊化工艺,并结合小鼠模型系统地评估膳食纤维米布丁的餐后血糖响应及长期代谢效应,探索其与肠道菌群调控的关联机制,推动低GI米布丁的产业化应用。

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