《Food Science & Nutrition》：Quality Comparison of Apios Starch Gel and Whole Apios Gel and Effect of Oil Addition on Retrogradation Inhibition in Whole Apios Gel
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本研究系统比较了全美土栾儿（Apios americana）凝胶与淀粉凝胶的理化特性及感官品质，并深入探讨了油脂添加对全凝胶老化（Retrogradation）行为的抑制作用。通过质构分析（TPA）、析水率、感官评价、差示扫描量热法（DSC）及傅里叶变换红外光谱（FTIR）等表征手段，证实全凝胶在质构接受度和持水性方面更具优势，且添加4%油脂可显著降低硬度、改善弹性、抑制析水。DSC结果显示4%油脂添加组的焓值（ΔH）最低，FTIR分析进一步揭示了油脂通过减弱氢键作用抑制淀粉分子重结晶的机制。本研究为开发抗老化、高附加值的全块茎凝胶食品提供了理论依据和实践策略。
引言
美土栾儿（Apios americana Medicus），又称大地豆，是一种原产于北美洲的多年生藤本豆科块茎植物。其块茎富含碳水化合物、蛋白质、膳食纤维、钙、铁、维生素C以及皂苷和异黄酮等生物活性物质，具有抗氧化、抗高血压和抗糖尿病等生理功能。尽管对其生物活性的研究较多，但关于美土栾儿在食品加工中的应用，特别是作为凝胶类食品原料的潜力，尚未得到充分探索。淀粉基凝胶在传统和商业食品体系中应用广泛，但其主要限制在于老化，即糊化淀粉链在储存过程中逐渐重新结合和重结晶，导致硬度增加、析水率升高和消费者接受度下降。添加脂质、蛋白质和糖等成分已被证明可以通过与直链淀粉和支链淀粉形成稳定的相互作用来延缓重结晶。其中，脂质添加可通过形成直链淀粉-脂质复合物来延缓重结晶。传统的凝胶生产通常通过湿法研磨、沉淀和干燥等过程提取淀粉，这往往导致营养损失并产生大量副产物。相比之下，直接利用全美土栾儿制备凝胶可能具有营养和环境优势，因为全块茎保留了蛋白质、膳食纤维、矿物质和维生素等非淀粉成分。因此，本研究旨在比较全美土栾儿凝胶和提取的美土栾儿淀粉凝胶的理化及感官特性，并研究油脂添加对全美土栾儿凝胶在储存期间老化抑制的影响。
材料与方法
实验所用美土栾儿于2025年3月从韩国庆尚南道晋州市采收，选取质地柔软坚实、无腐烂或表面损伤的块茎，于4°C冰箱中储存直至使用。储存期设定为1天、3天、7天和14天，以观察凝胶在不同阶段的老化和品质变化。
淀粉制备过程包括：去皮美土栾儿块茎（300克）与1升蒸馏水在搅拌机中均质，所得浆液通过粗棉布过滤收集淀粉悬浮液。悬浮液静置沉淀2小时（额外加1升水），沉淀的淀粉于4°C储存24小时后，在阳光下干燥并去除多余水分。
全美土栾儿凝胶和美土栾儿淀粉凝胶的制备：将美土栾儿与水在搅拌机中混合，在电磁炉上以强度7煮沸2分钟，随后全美土栾儿凝胶以强度5再煮3分钟，淀粉凝胶煮2分钟。凝胶倒入容器（15×10×8厘米）中冷却4小时。全美土栾儿凝胶与水的比例为1:6，淀粉凝胶为1:5。
质构特性使用质构分析仪（TA-XT Express v2.1）进行三点测定，采用质地剖面分析（TPA）测试，测量硬度、粘附性、弹性、咀嚼性、胶粘性和内聚性。
析水率测定参照相关方法，制备后，将100克凝胶置于带盖容器中，在4°C储存，分别于第1、3、7和14天观察测量。析水率计算公式为：析水率（%）=（析出液体重量（克）/凝胶重量（克））× 100。
感官评价经淑明女子大学机构审查委员会批准，由食品营养系15名受过培训的研究生作为小组成员，在受控的光照和温度条件下，使用7点量表对风味、味道、颜色、弹性和整体偏好等感官属性进行评估。
为研究油脂添加的影响，在美土栾儿与水混合并加热形成凝胶后，根据浓度（0%、2%、4%和6%）添加油脂（HaePyo菜籽油），强度降至5，加热至完成。最终凝胶在容器中冷却30分钟，覆盖后室温硬化4小时备用。
老化分析还采用了差示扫描量热法（DSC）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）。DSC分析中，含有不同油脂浓度的凝胶样品在4°C储存1、3、7和14天后，进行冷冻干燥并研磨成粉末。取适量粉末与蒸馏水以1:4比例混合于铝盘中，使用同步热分析仪（SDT 650, DSC2500）从20°C升温至120°C，加热速率10°C/分钟，记录起始温度（To）、峰值温度（Tp）、终止温度（Tc）和焓变（ΔH）。FTIR分析使用ATR-FTIR（Thermo Fisher Scientific, Nicolet IS50），扫描范围800–4000 cm-1，扫描32次取平均值。
统计分析使用SPSS统计软件（版本26）进行，结果以均值和标准差表示。采用t检验和单因素方差分析（ANOVA）评估样本间差异，若在p < 0.05水平存在显著差异，则随后进行Duncan多重范围检验进行事后分析。
结果与讨论
全美土栾儿凝胶与美土栾儿淀粉凝胶的品质特性
质构特性
全美土栾儿凝胶和美土栾儿淀粉凝胶的质构特性表明，全美土栾儿凝胶的硬度（p < 0.05）和胶粘性（p < 0.01）显著高于淀粉凝胶，且表现出更大的咀嚼性，表明其凝胶结构更坚实。两种凝胶的粘附性值均为负值，表明均未表现出强烈的粘性。两种凝胶之间的弹性无显著差异。全美土栾儿凝胶较高的硬度、胶粘性和咀嚼性可能归因于蛋白质和膳食纤维等非淀粉成分的存在，这些成分通过额外的分子间相互作用有助于形成更致密的凝胶网络。
析水特性
在4°C储存14天的析水率评估显示，第1天两种凝胶均未观察到析水。第3天，全美土栾儿凝胶的析水率（4.83% ± 0.58%）显著低于淀粉凝胶（5.87% ± 0.40%）（p < 0.05）。第7天，淀粉凝胶的析水率显著增加至9.13% ± 0.42%，而全美土栾儿凝胶保持在较低水平（5.47% ± 0.15%）（p < 0.001）。第14天观察到类似趋势，全美土栾儿凝胶的析水率始终低于淀粉凝胶。析水率反映了凝胶的结构稳定性，与淀粉老化和网络收缩密切相关。淀粉凝胶较高的析水率可能与其较高的淀粉浓度和缺乏稳定性的非淀粉成分有关。全美土栾儿凝胶持续较低的析水率表明其具有增强的持水能力和较慢的老化进程，支持其作为稳定凝胶食品的应用潜力。
感官评价
感官评价结果显示，全美土栾儿凝胶在风味（4.67 ± 1.11）和味道（4.60 ± 1.40）上得分显著高于淀粉凝胶（分别为p < 0.05和p < 0.001）。颜色、弹性和整体偏好方面未观察到显著差异，但全美土栾儿凝胶在弹性和整体喜好度上的平均值略高。对凝胶食品的感官感知受硬度、弹性等质构属性影响强烈。全美土栾儿凝胶在风味和味道上较高的偏好得分可能与全块茎中固有化合物的保留及其坚实而有弹性的质地有关。
油脂含量对全美土栾儿凝胶老化特性的影响
质构特性
对不同油脂含量（0%、2%、4%和6%）的全美土栾儿凝胶在储存期间的质构特性分析表明，所有样品的硬度在储存期间均显著增加（p < 0.001）。储存14天后，对照组（0%油脂）凝胶的硬度达到1.44 ± 0.00 N，而含4%油脂的凝胶硬度显著较低（1.00 ± 0.00 N），表明其结构刚性进程较慢，老化延迟。随着油脂含量增加，咀嚼性显著降低，从第14天对照组的127.62 ± 1.86 N × mm 降至4%油脂组的96.34 ± 1.99 N × mm（p < 0.001）。胶粘性呈现类似趋势，从对照组的140.21 ± 3.53 N 显著降至4%油脂组的97.80 ± 2.02 N。粘附性值随油脂浓度增加负值变小（0%油脂为-0.20 ± 0.04 g × s，4%油脂为-0.02 ± 0.00 g × s），表明粘性降低。弹性在各样品间相对稳定，4%油脂样品的弹性（0.99 ± 0.00 mm）略高于对照组（0.91 ± 0.02 mm）。这些结果表明油脂的加入干扰了分子重排，降低了糊化淀粉链重新关联的速率，从而延缓了结构硬化。这与先前研究报道一致，即直链淀粉-脂质复合物的形成抑制了直链淀粉的重结晶，降低了凝胶硬度，并改善了储存稳定性。总体而言，4%油脂浓度是保持理想质构属性和抑制老化的最佳浓度。
析水特性
含不同油脂浓度（0%、2%、4%和6%）的全美土栾儿凝胶在4°C储存第1、3、7和14天的析水率评估显示，第1天所有样品均无水分分离。第3天，析水率根据油脂浓度呈现显著差异（p < 0.001），数值分别为3.43% ± 0.12%（0%油脂）、2.40% ± 0.10%（2%油脂）、1.93% ± 0.06%（4%油脂）和1.53% ± 0.06%（6%油脂）。第7天，所有样品的析水率进一步增加，但4%和6%油脂组仍表现出显著较低的水分分离（分别为3.40% ± 0.10% 和 3.00% ± 0.10%），远低于对照组（5.27% ± 0.06%）。储存14天后，对照组凝胶的析水率达到4.30% ± 0.20%，而4%油脂样品显示出显著较低的值（2.73% ± 0.06%），表明其持水能力更优（p < 0.001）。析水率随油脂浓度增加而持续降低，表明油脂干扰了凝胶基质内淀粉链的重新关联和结构收缩。先前研究报道脂质添加通过形成直链淀粉-脂质复合物促进淀粉凝胶的持水性，这些复合物可作为重结晶的屏障，从而限制水分释放。本研究结果证实4%油脂最能有效抑制水分分离并改善老化稳定性。
差示扫描量热法（DSC）分析老化特性
差示扫描量热法（DSC）用于研究油脂添加对全美土栾儿凝胶老化的影响。DSC是一种测量物质与参比物之间能量输入随温度变化的技术，ΔH（焓变）值是DSC曲线峰下的面积，代表样品在特定温度区间吸收或释放的总热量。本研究结果显示，第7天，ΔH值从对照组（0%油脂）的4.02 J/mg降至2.40 J/mg（2%油脂）、0.65 J/mg（4%油脂）和1.41 J/mg（6%油脂），最低值始终出现在4%油脂样品中。第14天观察到类似模式，对照组ΔH增加至6.01 J/mg，但4%油脂样品仍保持显著较低（0.77 J/mg），表明重结晶显著减少，老化抑制增强。起始温度（To）在储存7天前，4%和6%油脂含量下较高；储存7天后，2%和4%油脂含量下较高。峰值温度（Tp）在储存3天后，4%油脂含量下观察到最高值，超过4%后峰值温度呈下降趋势。终止温度（Tc）随油脂含量和储存时间有所变化。当油脂含量超过4%时，焓变值增加。这些结果表明适量的油脂添加有效干扰了储存期间的分子重排，降低了老化速率。4%油脂的强抑制效应支持了先前关于直链淀粉-脂质相互作用可减少重结晶并改善热稳定性的研究发现。DSC结果证实4%油脂是保持全美土栾儿凝胶在储存期间热稳定和结构稳定的最佳浓度。
傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析老化特性
傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析用于探讨油脂添加对全美土栾儿凝胶老化的影响。FTIR与淀粉的结晶、分子链构象和螺旋结构有关，可用于分析短程有序结构的变化。光谱中3700–3100 cm-1范围内的振动影响OH基团，与羟基键合，特别是氢键相关。本实验表明，在3280 cm-1处的氢键强度，含油脂样品明显弱于无油脂样品。先前研究在3600–3100 cm-1范围内识别出两个峰，强度降低表明氢键减弱，这与油脂乳液的加入相关。本研究结果与之一致，表明脂质复合物的形成干扰了氢键，有助于抑制老化。FTIR光谱中2923和2852 cm-1处的峰对应于与淀粉-脂质复合物相关的CH伸缩振动。在所有添加油脂的凝胶样品中，约1740 cm-1处的峰归因于羰基（C=O）的振动，表明油脂加入影响了FTIR光谱。淀粉的结构FTIR光谱特征出现在800–1300 cm-1区域。约1152 cm-1处的峰与C–O–C和C–OH键相关，在添加油脂的凝胶中随储存时间变化相对较小，表明结构稳定。1077 cm-1处的峰与直链淀粉和支链淀粉骨架结构相关，在添加油脂的凝胶中保持相对恒定，但在对照组凝胶中随储存时间增加。约995 cm-1处的峰与分子内氢键和老化过程中分子重排程度相关。尽管所有样品的峰强度均随储存时间增加，但含2%和4%油脂的凝胶变化小于对照组，表明有效抑制了老化。总体而言，FTIR分析证实油脂削弱了氢键作用，减少了与老化相关的短程有序化，中等油脂浓度显示出最稳定的结构模式。
结论
本研究评估了利用全块茎开发全美土栾儿凝胶的可行性，并比较了其与美土栾儿淀粉凝胶的品质和老化特性。全美土栾儿凝胶表现出显著低于淀粉凝胶的析水率和更优的感官接受度，表明其在持水性和消费者偏好方面具有优势。此外，油脂（0%–6%）的加入有效抑制了老化，其中4%油脂效果最强，表现为硬度和胶粘性降低、析水率值下降以及DSC分析中的最低焓变。FTIR光谱进一步证实添加油脂的样品中氢键作用减弱，短程结晶度受到抑制，支持了油脂对淀粉分子重新结合的抑制作用。这些结果表明，全美土栾儿凝胶通过利用全块茎而非提取淀粉，提供了营养、功能和可持续性优势，且4%油脂浓度是改善质构稳定性和延缓储存期间老化的最佳选择。本研究结果支持全美土栾儿凝胶作为一种新型凝胶食品的潜在工业应用。未来的研究应关注工艺放大以及温度、湿度等储存环境因素的影响，以提升其商业化潜力。
