新型双改性马铃薯淀粉的制备与特性分析及其在烘焙产品中的应用

《Applied Food Research》：Preparation and characterisation of novel, dual-modified potato starches and their performance in baked products

　　汤姆曼·约翰娜·安吉拉|斯科伊尔巴·伊丽莎白|施密特·马库斯|波尔豪伊斯·迈克尔|奥德豪伊斯·艾丽达·安娜·卡塔琳娜·玛丽亚|赫雷斯·赫罗·扬|赫雷斯·安德烈
生物基经济研究中心，汉ze应用科学大学，Zernikeplein 11号，9747 AS 格罗宁根，荷兰

**摘要**
通过结合退火和离子交换一步对马铃薯淀粉进行双重改性，被证明是一种有效改变其功能性特性的策略。这种双重改性方法已被放大用于食品应用研究，并针对原生马铃薯淀粉和蜡质马铃薯淀粉在优化条件下进行了实验（55°C下处理24小时，分别在MgCl2溶液和KCl溶液中进行）。退火使原生马铃薯淀粉的糊化温度提高了约5.0°C，蜡质马铃薯淀粉的糊化温度提高了约7.6°C（通过差示扫描量热法测定），同时相对结晶度也有所提高（通过X射线粉末衍射测定）。通过对结合了磷酸酯基团的阳离子进行离子交换，可以进一步微调改性淀粉的糊化性能。二价阳离子会引起离子交联，从而降低峰值粘度。

在烘焙试验中，使用这种改性淀粉制备了面包（用20%的物理改性淀粉替代小麦面粉，并添加了活性面筋）和松饼（用改性淀粉完全替代小麦淀粉）。含有原生马铃薯淀粉和双重改性马铃薯淀粉的面包体积略小（减少10-15%），密度也稍高（增加23-27%）。无论是新鲜状态还是储存后，松饼样品在比体积和硬度方面仅观察到微小差异。这表明双重改性淀粉已成功应用于面包和松饼中，从而丰富了关于烘焙产品中改性马铃薯淀粉的应用研究。

**1. 引言**
在面包、蛋糕和意大利面配方中用马铃薯淀粉替代小麦淀粉的研究已经相当成熟。使用马铃薯淀粉的动机包括制作无麸质产品，以及利用这种广泛可用且更耐存储的替代品来丰富食物来源，从而促进更可持续的饮食（Goucher等人，2017年；Horstmann等人，2018年；Nemar等人，2015年；Noda等人，2015年；Villanueva等人，2018年；Witczak等人，2019年）。最近，联合国粮食及农业组织（FAO）强调了马铃薯及其衍生物对全球粮食安全的重要性，预计未来十年全球马铃薯产量将翻一番（Dongyu，2022年）。已有研究证明，在小麦面包中添加活性面筋并掺入马铃薯淀粉是可行的，尽管这样会使面包的蛋白质含量降低（Nemar等人，2015年）。此外，还有报道指出，在小麦面包配方中加入马铃薯产品可以通过改善质地和保水性能来减少面包老化（Whitney & Simsek，2020年）。为了扩展马铃薯淀粉的应用范围，人们采用水热改性来改变其晶体结构，进而改变其功能特性（Fonseca等人，2021年；Yao等人，2023年）。与其他植物淀粉相比，马铃薯淀粉具有独特的性能，如高膨胀能力和显著的离子交换能力（由于其含有磷酸单酯基团）（Noda，2021年；Reyniers等人，2020年）。最近的研究表明，水热改性与离子交换的组合可以产生多种产品特性（Thomann等人，2024年、2025年、2026年）。到目前为止，关于热湿处理过的马铃薯淀粉在面包和蛋糕中的应用研究较多（Collar & Armero，2018年；Fonseca等人，2021年；Hosseini等人，2024年；Hu等人，2023年；Paternina-Contreras等人，2025年）。然而，据我们所知，关于烘焙产品中改性马铃薯淀粉的应用研究仍然非常有限。大部分应用研究集中在面条上，而在冰淇淋和蛋黄酱等其他食品中的应用较少（Bangar等人，2023年；Delcour等人，2000年；Fonseca等人，2021年；Werlang等人，2021年；Yao等人，2023年）。因此，通过一步退火和离子交换制备的双重改性淀粉被视为进一步放大和应用研究的有希望的候选材料。

**2. 制备与分析方法**
2.1. **材料**
食品级原生马铃薯淀粉的含水量为15.82%（w/w），直链淀粉含量为23.97%（参考文献：Thomann等人，2024年）。蜡质马铃薯淀粉的含水量为16.16%（w/w），天然不含直链淀粉（来源：Royal Avebe，Veendam，荷兰）。食品级MgCl2·6H2O的纯度为99.0%（Nedmag，Veendam，荷兰）。分析级KCl（Thermo Scientific，Waltham，美国）的纯度超过99%。用于制备王水的介质包括37%盐酸（Boomlab，Meppel，荷兰）和65%硝酸（SigmaAldrich，Zwijndrecht，荷兰）。ICP-OES标准品（适用于Mg、Ca、Na、K和P）的浓度为10 g/L（Lab Kings，Hilversum，荷兰）。用于DSC设备校准的纯铟由制造商提供（Thermo Fisher，Hilversum，荷兰）。可消化淀粉和抗性淀粉测定试剂盒购自Megazyme（Megazyme Neogen，Bray，爱尔兰）。除非另有说明，所有化学品均按收到时的状态使用。

**2.2. 退火工艺**
退火过程重复进行两次，以获得足够的试验材料。实验装置包括带有顶置搅拌器的双层反应容器，连接到一个由专用软件（Labworldsoft，版本6，德国）控制的水浴。首先，将875克原生马铃薯淀粉或蜡质马铃薯淀粉（按干基计）分散在2625克水中或盐溶液中，使淀粉浓度达到25%。所用溶液为去离子水或含有5% KCl或2% MgCl2·6H2O的水溶液。反应器封闭后加热至55°C，保持24小时（包括加热和冷却阶段，各3小时）。随后，将所得淀粉产品在真空条件下过滤，并用去离子水洗涤五次（总计4.5升）。淀粉在通风烘箱中于35°C下干燥过夜，以避免部分糊化，并确保样品充分干燥（含水量约为15%（w/w）以便储存）。干燥后的淀粉研磨后室温储存（约20°C），直至后续分析。退火装置的示意图见参考文献（Thomann等人，2024年）。

**2.3. 电感耦合等离子体-光学发射光谱（ICP-OES）**
为了测定淀粉样品中的Mg、Ca、Na、K和P浓度，将约5克淀粉（湿重）称量放入陶瓷杯中（记录精确质量和含水量），然后在500°C的烤箱中加热1小时。灰化后的样品悬浮在超纯水中，加入12毫升37%盐酸和4毫升65%硝酸。混合物加热至130°C并保持45分钟。冷却后，加入超纯水至总体积为100毫升。使用注射器和注射器过滤器（LLG Labware-syringe filters SPHEROS，PES，0.22 μm，直径25 mm，德国）以避免灰分颗粒污染。测磷时，使用未处理过的淀粉样品（记录精确质量和含水量），并按照灰化样品的制备方法进行处理。

**2.4. X射线粉末衍射（XRD）**
使用Bruker Advance D8 Powder XRD仪器（采用θ-θ几何结构）分析样品的结晶类型和相对结晶度。测量范围为3°至30° 2θ（时间/步长=0.65，增量=0.03）。相对结晶度通过Spectragryph光学光谱软件进行测定，包括基线校正（Advanced Baseline；自适应25%粗糙度设置）以及对比未处理和基线校正后的光谱积分（Menges，2022年）。相对结晶度定义为结晶峰面积与包含结晶峰和非晶背景的总面积之比。

**2.5. 差示扫描量热法（DSC）**
使用DSC25仪器（Thermo Fisher，带自动取样器，美国）分析淀粉样品的热性质，包括糊化起始温度、峰值温度、结束温度及糊化焓变。样品制备过程为：从淀粉悬浮液中取5至10毫克样品（按干基计占比20%），放入Tzero样品皿中，并用压紧器密封。样品皿以10°C/分钟的速率从25°C加热至90°C。测量至少重复两次。使用铟标准品进行校准。

**2.6. 快速粘度分析仪（RVA）**
使用RVA4500仪器和专用RVA杯及搅拌器（Perten Instruments，斯德哥尔摩，瑞典）进行测量。样品按干基计算占比28.0克，加入去离子水。测量过程中，样品从50°C加热至95°C。根据糊化曲线确定峰值粘度、最低粘度、最终粘度以及分解温度、回落温度等参数。

**2.7. 膨胀力（SWP）和溶解度**
根据文献方法（Thomann等人，2024年；Zhou等人，2014年），在70°C或90°C条件下对淀粉悬浮液（按干基占比2%）的膨胀力和溶解度进行三次重复测定。膨胀力计算公式为：膨胀力 = （凝胶残渣重量 × 100）/ （样品重量（干基）× （100 - 溶解度）。沉淀物的重量用于计算溶解度。

**2.8. 抗性淀粉含量**
使用Megazyme公司的可消化和抗性淀粉测定试剂盒（K-DSTRS，爱尔兰）按照Englyst等人（Englyst等人，1992年）的方法测定淀粉样品的抵抗性。校准使用五种不同浓度的葡萄糖标准品（重复两次），并通过微孔板和分光光度计（Biotek，EPOCH2，微孔板读数器，美国）完成测定。快速可消化淀粉（RDS）的测量时间为20分钟后，缓慢可消化淀粉（SDS）为2小时后，总可消化淀粉（TDS）和抗性淀粉（RS）的测量时间分别为20分钟和2小时后。此外，在t(0)和t(end)时间点也采集了额外样本。**面团配方及烘焙流程**
**参考面包**：将750.0克小麦面粉（基准）与水（根据测定的吸水性添加）混合，再加上112.5克活性面筋、5.0%的酵母、1.5%的盐、1.0%的糖和1.0%的脂肪（所有成分均基于面粉重量计算）。所有原料使用螺旋揉面机混合成面团（1分钟第一档速度，5分钟第二档速度）。面团在32°C、80%湿度环境下放置20分钟进行发酵。然后将面团分成三等份，手工整形后覆盖并室温下静置10分钟。面包面团用长形成型机塑形后放入烤盘中。随后在32°C、80%湿度条件下进行60分钟的二次发酵，最后在230°C下烘烤30分钟。

**马铃薯淀粉烘焙测试**：将600.0克小麦面粉与150.0克马铃薯淀粉混合，并根据测定的吸水性加水。其余步骤与参考面包相同。面包冷却一夜后，测量其体积、烘焙损耗及比体积。所有测试重复三次，并报告平均值和标准差。

**烘焙设备**：
- 螺旋揉面机“SP 12 D”型（Diosna，奥斯纳布吕克，德国）
- 发酵箱G 86 W型（Manz Backtechnik GmbH，克雷格林根，德国）
- 长形成型机“Frilado Type II”型（原属Frilado B?ckerei-Maschinenfabrik，现已停产）
- 烘烤炉“Daub Backmeister”型（原属Daub Backtechnik GmbH，汉堡，现已停产）

**面粉及混合物吸水性测定**：采用AACC国际标准方法54-21.02，使用Brabender farinograph仪器（Anton Paar TorqueTec，杜伊斯堡，德国）进行。

**面包体积测定**：依据AACC国际标准方法10-05.01（AACC，2001），使用菜籽置换法测量面包体积。比体积通过烘焙前后体积差计算，单位为[cm3/g]。

**磅蛋糕配方及烘焙流程**：
将225.0克小麦面粉分别与225.0克小麦淀粉（基准）或225.0克马铃薯淀粉混合。其他原料包括：315.0克脂肪、360.0克糖、315.0克全蛋、13.5克乳化剂、45毫升水、7.5克小苏打和3.0克盐。使用Hobart N50型搅拌机（Hobart，特洛伊，俄亥俄州）混合1分钟第一档速度、3分钟第三档速度。将面团分成三份（每份400.0克），放入烤盘中，180°C下烘烤40分钟。面包冷却一夜后，测量体积、烘焙损耗及比体积。所有测试重复三次，并报告平均值和标准差。

**质地分析**
使用Texture Analyser TA.XTplus仪器（Stable Micro Systems，戈达尔明，英国）测定面包硬度，该仪器配备直径25毫米的铝制压头。测试参数：预测试速度2毫米/秒，测试速度3毫米/秒，复测速度10毫米/秒，释放力5克，压缩度50%。评估软件为Textur Exponent 32版本6.1.7.0。从面包中心切割3.0厘米厚的切片，测量压缩至50%所需的力量（单位：牛顿）。所有测试重复三次，并报告平均值和标准差。在烘焙后1天、3天及7天分别进行质地分析以评估面包老化情况。

**颜色测定**：使用Konica Minolta CR-5colorimeter（东京，日本）测量面包内部颜色，测量区域为30毫米，光源类型为D65。面包烘焙后1天，在每片背面两点进行颜色测量。结果以CIE L*a*b*色彩空间表示。

**统计分析**：采用单因素方差分析（ONE-WAY ANOVA）和Tukey HSD检验，显著性标准为p < 0.05。

**结果与讨论**
3.1 **退火与矿物富集**：
将天然马铃薯淀粉（NPS）和蜡质马铃薯淀粉（WPS）（含水量25%）分别在去离子水（ANN NPS和ANN WPS）、2%氯化镁六水合物溶液（ANN NPS Mg和ANN WPS Mg）以及5%氯化钾溶液（ANN NPS K和ANN WPS K）中退火。退火条件为55°C、24小时，包含3小时的升温期和降温期。退火温度低于凝胶化温度，且高于我们之前的研究温度（Thomann等人，2024年），以便收集更多数据。

**淀粉回收率与离子交换**：退火后淀粉回收率较高，其矿物组成分析证实发生了离子交换（表1）。去离子水退火导致矿物含量总体下降；而氯化镁溶液有效提高了马铃薯淀粉中的镁含量，氯化钾溶液提高了钾含量，同时消耗了其他矿物质。马铃薯淀粉中的矿物质阳离子与支链淀粉的磷酸基团结合。研究表明，WPS中的高磷含量使其具有更高的阳离子负载能力（Thomann等人，2024年）。

3.2 **退火对淀粉结晶度的影响**：X射线衍射（XRD）能表征淀粉粉末的长程有序结构，差示扫描量热法（DSC）则能反映颗粒结晶区域在凝胶化过程中的热变化。退火通常可改善结晶结构（Fonseca等人，2021；Yao等人，2023）。天然马铃薯淀粉和蜡质马铃薯淀粉的XRD图谱见补充信息（图S1），其结晶类型和相对结晶度见表2。WPS的相对结晶度为36.3%，高于NPS的32.5%，因为WPS中不含直链淀粉。WPS中较高的磷含量促进了阳离子的吸附。研究表明，将这种双重改性工艺从200克放大到1.75公斤规模是可行的（Thomann等人，2024年）。

**结论**：
- 退火显著提高了淀粉的结晶度和稳定性。
- 离子交换改变了淀粉的结晶结构和性能：去离子水退火导致矿物含量下降；氯化镁溶液增加了镁含量，氯化钾溶液增加了钾含量。
- 退火对淀粉结晶度有显著影响：NPS的相对结晶度从32.5%升至38.8%，WPS的相对结晶度从36.3%升至37.3%。
- X射线衍射和差示扫描量热法显示，WPS的结晶类型和稳定性优于NPS。在ANN WPS中，糊化过程在RVA测量的时间范围内完成。最终粘度受到的影响较小，因为在短时间内直链淀粉的再结晶是主导机制，而支链淀粉的逆向转化发生得更慢。ANN NPS和ANN WPS的重复实验显示出相似的结果（见SI中的图S3和表S1）。下载：下载高分辨率图像（401KB）下载：下载全尺寸图像

图1. 原始（NPS）（a）和蜡质马铃薯淀粉（WPS）（b）在双重改性前后的糊化曲线。这两种淀粉分别在去矿物质水中（ANN NPS和ANN WPS）、氯化镁溶液中（ANN NPS Mg和ANN WPS Mg）以及氯化钾溶液中（ANN NPS K和ANN WPS K）进行退火处理。

通过镁离子对相邻磷酸基团的离子交联限制了淀粉链的移动性和/或直链淀粉的渗出，这体现在ANN NPS Mg和ANN WPS Mg的峰值粘度较低上（图1）。在ANN NPS K和ANN WPS K中，所有之前存在的钙离子都被钾离子取代，导致峰值粘度升高。由于在分解后磷酸基团的邻近性丧失，最终粘度受到的影响较小（Reyniers等人，2020；Thomann等人，2025）。然而，由于仍有部分完整的颗粒残留，镁的粘度抑制效应在ANN NPS Mg中仍然可见。

图2显示，在70°C和90°C的两种测量温度下，无论是经过离子交换与否，原始马铃薯淀粉的膨胀功率（SWP）和溶解度值都有所提高。这里形成的凝胶由于颗粒结构更稳定，能够保持更多的水分。对于蜡质马铃薯淀粉，在70°C和90°C的测量中观察到ANN对其SWP和SOL的不同影响。这一现象可以从DSC结果中解释。ANN WPS、ANN WPS Mg和ANN WPS K在69-70°C左右开始糊化，并在77-78°C左右完成糊化。因此在较低的测量温度下，膨胀和吸水过程没有完成；而在较高温度下测量时，无论是否进行离子交换，WPS的SWP都有所增加。正如之前所讨论的，这种持水能力的增加预计源于强化的颗粒结构，使得更多的水分被吸收而不会导致凝胶崩解。ANN NPS和ANN WPS的重复实验显示出相似的结果（表S1）。

图2. 在70°C（蓝色条形）和90°C（橙色条形）下，原始（a）和蜡质（b）淀粉样品的膨胀功率和溶解度。同一测量温度和同一图中的条形如果字母相同，则没有显著差异。显著差异定义为p < 0.05。

ANN NPS Mg和ANN WPS Mg由于离子交联导致的膨胀受限，表现出较低的SWP。另一方面，由于缺乏二价阳离子，ANN NPS K和ANN WPS K表现出较高的膨胀功率。在较高的测量温度下，样品之间的差异更加明显。这些发现与之前讨论的RVA结果一致。

3.4. 对淀粉样品消化率的影响

表3显示了原始和蜡质马铃薯淀粉在退火前后的可消化淀粉和抗性淀粉的含量。在马铃薯淀粉中，由于天然的较高淀粉结晶度和表面孔隙的缺失，存在RS 2型抗性淀粉（Bojarczuk等人，2022；Reyniers等人，2020；Schmidt等人，2023；Sempio等人，2026）。ANN NPS和ANN WPS的重复实验结果也显示出来。所有测量样本的抗性淀粉（RS）含量没有显著差异，因为标准偏差较大。总可消化淀粉（TDS）的含量作为一个有用的指标，用于衡量消化率的变化，因为其标准偏差较小。两种ANN NPS样本的TDS都显著低于原始马铃薯淀粉（NPS）。同样，蜡质马铃薯淀粉的退火也显著降低了总可消化淀粉的含量。早期研究表明，将原始马铃薯淀粉在50°C下退火会导致总可消化淀粉的轻微下降（Thomann等人，2024）。与此一致的是，更高温度下的退火通过完善结晶结构进一步降低了NPS的消化率（见下表3）。

表3. 原始马铃薯淀粉（NPS）和蜡质马铃薯淀粉（WPS）在去矿物质水中退火20分钟（快速，RDS）、120分钟（慢速，SDS）和240分钟（总，TDS）后的可消化淀粉含量。240分钟后的未消化淀粉量为抗性淀粉含量（RS）。

空单元格
可消化淀粉 [g/100g] t0
RDS [g/100g]（20分钟后）
SDS [g/100g]（120分钟后）
TDS [g/100g]（240分钟后）
RS [g/100g]（240分钟后）
NPS 0.6 ± 0.0 b
2.5 ± 0.4 a,b
2.4 ± 0.1 a
6.7 ± 0.0 b
71.9 ± 0.9 a
ANN NPS 3.2 ± 1.3 b
3.2 ± 0.7 a,b
1.6 ± 0.9 a
5.1 ± 0.2 c,d
75.8 ± 4.9 a
ANN NPS duplo 1.9 ± 0.2 b
3.6 ± 0.3 a,b
0.8 ± 0.1 a
4.3 ± 0.2 d,e
68.0 ± 1.4 a
WPS 6.0 ± 0.0 a
3.9 ± 0.5 a
2.6 ± 1.3 a
8.9 ± 0.2 a
71.0 ± 3.1 a
ANN WPS 2.7 ± 0.2 b
3.6 ± 0.2 a,b
1.1 ± 0.7 a
5.8 ± 0.4 b,c
71.3 ± 4.2 a
ANN WPS duplo 2.1 ± 1.0 b
2.1 ± 0.1 b
1.2 ± 0.0 a
4.0 ± 0.3 e
74.9 ± 0.7 a

同一列中带有相同上标字母的数值没有显著差异。显著差异定义为p < 0.05。

由于没有进行烘焙食品的消化率研究，因为不进行多次冻融循环会导致储存和运输过程中消化率的显著变化（Tao等人，2015），因此无法从这些结果中得出关于烘焙食品中淀粉消化率的任何结论。尽管如此，Whitney和Simsek报告称，马铃薯面粉对小麦面包有积极影响，因为它可以提高抗性淀粉含量并降低血糖指数（Whitney & Simsek，2020）。同样，也有研究报道马铃薯面粉对无麸质蛋糕的膳食纤维含量有正面影响（Li等人，2020）。

3.5. 烘焙试验

为了制备小麦面包（WB），用淀粉样本替代了20%的小麦面粉。参考面包由小麦面粉和小麦淀粉按4:1的比例混合而成。初步测试表明，用小麦面粉和原始马铃薯淀粉混合物制成的面包感官质量显著下降（结果未显示），这是由于混合物中面筋蛋白被稀释所致。为了弥补这一效果，添加了活性面筋。研究发现，活性面筋的最优添加量为面粉和淀粉混合物的15%。实际上，文献研究表明马铃薯淀粉的整体蛋白质含量低于1%（Nemar等人，2015；Reyniers等人，2020；Zaidul等人，2008）。由于蜡质马铃薯淀粉会导致面团形成的不良和面包结构的塌陷（C. S. Park & Baik，2007；Purna等人，2011），因此没有在面包中测试蜡质马铃薯淀粉。

制备磅蛋糕（PC）时，通常使用小麦面粉和小麦淀粉的混合物。参考蛋糕由小麦面粉和小麦淀粉按1:1的比例混合而成。在样品蛋糕中，小麦淀粉完全被相应的马铃薯淀粉替代。由于蛋糕结构主要由鸡蛋蛋白组成，因此不需要额外的活性面筋。为了确保可重复性，三种不同的日子里分别制作了三份烘焙产品，每种淀粉样品共制作了九个烘焙产品。

图3展示了烘焙产品的代表性扫描切片。三种不同日子制作的面包切片的概述可以在SI中找到（图S4）。含有淀粉样本的面包与参考面包相似，从这些图像中未见明显的外观差异。这表明含有ANN NPS、ANN NPS Mg、ANN NPS K和NPS的面包样品制备成功。含有NNPS的面包比参考面包膨胀得稍多。仅在含有原始马铃薯淀粉的磅蛋糕样品中观察到与参考面包的高度有小差异，但这些差异在不同的烘焙日之间并不一致（图S5）。同样，含有蜡质马铃薯淀粉的磅蛋糕在整个烘焙日中的外观也与参考蛋糕相似，没有明显偏差（图3和S6）。这证实了用（改性）原始和蜡质马铃薯部分替代小麦面粉是成功的，制备出了外观良好的磅蛋糕。为了进一步了解情况，测定了面包样品的特定体积，这将在下一节中讨论。

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图3. 扫描的面包样品图像。该图像是用BioRender.com创建的。

3.6. 烘焙产品的特定体积

参考面包的特定体积为5.52 ± 0.28 mL/g。所有含有（退火）原始马铃薯淀粉的面包样品的体积都略有但显著较小，除了含有ANN NPS Mg的面包（图4(a)）。由于部分用马铃薯淀粉替代了小麦面粉，面筋含量较低，但通过添加活性面筋得到了补偿。然而，与参考面包相比，面筋网络的质量可能较差，这会导致面团的持气能力降低，从而导致体积略小。此外，先前研究表明马铃薯淀粉的持水能力显著优于小麦淀粉，从而在烘焙过程中水分蒸发较少。因此，最终的面包重量较大，解释了较低的特定体积（Wang等人，2022）。此外，已知在小麦面粉中存在少量受损的淀粉，它们可以作为发酵过程中的易利用碳水化合物来源，从而促进面包体积的增加（Hu等人，2023；Juki?等人，2019；Paternina-Contreras等人，2025）。可能的原因是，不含马铃薯淀粉的参考面包中含有更多的受损淀粉，导致其特定体积稍大。然而，更多的受损淀粉也会导致面包 crust 变得更暗，但在参考面包中没有观察到这一现象（将在后续章节中讨论）。所有含有（退火）原始马铃薯淀粉的面包样品之间的差异不显著，特定体积范围为4.97 ± 0.58 mL/g至4.71 ± 0.51 mL/g。这与观察结果一致，即总体上所有含有马铃薯淀粉的面包切片在外观上没有明显差异（图3和S4）。这与之前报道的淀粉糊化性质的差异有些矛盾（图1）。这可以解释为20%的替代比例较低以及添加了活性面筋，从而抵消了马铃薯淀粉之间的差异。

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图4. 包括参考面包（a）在内的小麦面包样品的特定体积，以及包括参考磅蛋糕（b）在内的磅蛋糕样品的特定体积。同一图中的条形如果字母相同，则没有显著差异。显著差异定义为p < 0.05。

总体而言，所有磅蛋糕的特定体积相似，与参考样品没有显著差异（见下图4(b)）。虽然磅蛋糕中的总马铃薯淀粉含量高于面包，但蛋糕结构还包含鸡蛋蛋白和脂肪，而面包结构主要由面筋和淀粉组成。含有退火原始马铃薯淀粉（ANN NPS、ANN NPS Mg和ANN NPS K）的磅蛋糕显示出非常相似的特定体积，范围为2.39 ± 0.02 mL/g至2.52 ± 0.10 mL/g，而参考蛋糕的特定体积为2.50 ± 0.03 mL/g。含有原始马铃薯淀粉的磅蛋糕的特定体积略低，为2.52 ± 0.10 mL/g。这可能是由于NPS相比ANN NPS具有更强的吸水性和膨胀性，从而在烘焙过程中减少了水分蒸发，增加了产品重量。所有含有（退火）蜡质马铃薯淀粉的磅蛋糕的体积都略小于参考蛋糕。含有ANN WPS Mg的磅蛋糕的特定体积最小，为2.19 ± 0.03 mL/g。在含有WPS、ANN WPS或ANN WPS K的磅蛋糕中，没有发现比容的显著差异。这些结果也与糊曲性质大致一致，高峰值粘度与烘焙过程中水分保留导致的低体积之间存在明显关联。需要注意的是，不同马铃薯淀粉对产品比容的影响有所减轻，从而使它们能够在未来的产品中使用。虽然预计矿物质组成对比容有较大影响，但未能得到证实。由于添加了食盐且淀粉样品量相对较少，所有烘焙样品中的主要矿物质都是钠。因此，马铃薯淀粉的离子结合能力对包含ANN NPS、ANN NPS Mg和ANN NPS K或ANN WPS、ANN WPS Mg和ANN WPS K的烘焙产品之间的比容变化影响被降低了。这表明有多种适合食品应用的马铃薯淀粉。

3.7. 储存实验
初始面包芯硬度及其随时间的变化是衡量烘焙食品保质速度的重要指标。因此，使用质地分析仪在储存1天、3天和7天后测定了烘焙样品的硬度。这里，硬度的变化主要受支链淀粉退化的影响（Hu等人，2023；McGee，2004）。下图5显示了所有面包样品初次压缩测试所需的力量随时间的变化。一天后，含有（退火）天然马铃薯淀粉的面包比参考小麦面包（539±32克）稍硬，但仍处于可接受范围内。含有NPS、ANN NPS、ANN NPS Mg、ANN NPS K的面包在第一天没有显著差异。储存3天后，所有面包样品的硬度都按比例增加。储存7天后，所有面包样品的硬度进一步增加。参考面包在整个测量期间显示出最低的压缩测试值。值得注意的是，含有ANN NPS的面包表现不同，其硬度低于其他含有马铃薯淀粉的面包。然而，ANN NPS面包的硬度与较软的参考面包或其他较硬的面包样本没有显著差异。值得注意的是，7天后出现了霉菌生长，可能影响了测量结果。

3.7. 储存实验
初始面包芯硬度及其随时间的变化是衡量烘焙食品保质速度的重要指标。因此，使用质地分析仪在储存1天、3天和7天后测定了烘焙样品的硬度。这里，硬度的变化主要受支链淀粉退化的影响（Hu等人，2023；McGee，2004）。下图5显示了所有面包样品初次压缩测试所需的力量随时间的变化。一天后，含有（退火）天然马铃薯淀粉的面包比参考小麦面包（539±32克）稍硬，但仍处于可接受范围内。含有NPS、ANN NPS、ANN NPS Mg、ANN NPS K的面包在第一天没有显著差异。储存3天后，所有面包样品的硬度都按比例增加。储存7天后，所有面包样品的硬度进一步增加。参考面包在整个测量期间显示出最低的压缩测试值。值得注意的是，含有ANN NPS的面包表现不同，其硬度低于其他含有马铃薯淀粉的面包。然而，ANN NPS面包的硬度与较软的参考面包或其他较硬的面包样本没有显著差异。值得注意的是，7天后出现了霉菌生长，可能影响了测量结果。

与比容类似，较高的硬度可能是由于马铃薯淀粉的较高的吸水性导致面筋网络较差或膨胀更强所致。由于Every等人（Every等人，1998）表明比容与面包老化速率和程度之间存在负相关，因此这些结果与前一节的内容一致。这也与Barros等人的结果一致，他们用抗性玉米淀粉部分替代小麦面粉制备了面包（Barros等人，2018）。作者报告称面包芯水分、比容和硬度变化不大，但储存期间的老化速率较低。虽然这里使用的马铃薯淀粉并非完全抗性淀粉且来源不同，但仍有相似之处。此外，有研究报道添加马铃薯面粉后面包芯硬度增加，同时面包芯到外皮的湿度迁移减少（Ju等人，2020）。2026年的一项研究报道，添加了抗性淀粉（RS）的小麦面包的比容降低，硬度显著增加（Sempio等人，2026），这些抗性淀粉来自高直链淀粉玉米淀粉、大米和小麦淀粉。他们添加的淀粉中的抗性淀粉含量与本研究中使用的（退火）马铃薯淀粉样品（68-75% RS（类型2）相当（第3.4节）。虽然本研究中未量化烘焙食品中的抗性淀粉含量，但在含有（改性）马铃薯淀粉的小麦面包中也出现了比容降低和硬度增加的趋势。这也可能与抗性淀粉含量等因素有关。

图6显示了所有磅蛋糕在测量期间初次压缩测试的结果。由于糖的保水性能和卵磷脂的乳化性能等因素，磅蛋糕的老化速度较慢（McGee，2004）。图6显示，一天后蛋糕之间的面包芯硬度没有显著差异。储存3天和7天后，PC ANN NPS的硬度最低，而PC NPS的硬度最高。第7天时，两者所需的压缩力存在统计学上的显著差异，但第3天由于标准差较大而没有显著差异。根据质地分析仪的结果，PC ANN NPS、PC ANN NPS Mg和PC ANN NPS K的矿物质组成没有影响。这些结果表明，对于磅蛋糕而言，ANN NPS在延缓老化速率和程度上远优于NPS。这为进一步的产品开发提供了重要的基准，未来应关注退火马铃薯淀粉的应用。有趣的是，NPS的退火带来的积极效果在WPS中没有体现，因为在储存3天到7天期间老化速率明显加快（Yu等人，2016）。

总之，新鲜状态下所有磅蛋糕（天然和蜡质）之间没有统计学上的显著差异，而在储存过程中开始出现小差异。因此，可以用天然和蜡质（改性）马铃薯淀粉部分替代小麦面粉。蜡质马铃薯淀粉中缺乏直链淀粉并不会影响用其部分制作的磅蛋糕的体积和质地。此外，根据质地分析仪的结果，也未观察到矿物质组成的影响。同样，也没有观察到天然和蜡质马铃薯淀粉退火的效果。相反，磅蛋糕在整个烘焙试验中表现出相似的高质量。由于缺乏关于物理改性淀粉在模型食品中应用的研究，这些结果对于可能的产品开发具有价值。

3.8. 烘焙食品的颜色分析
由于外观是质量和消费者接受度的重要标志，因此对所有面包和蛋糕样品的面包芯进行了颜色测量。由于a*值（红色）和b*值（黄色）没有变化，因此仅讨论L*值（亮度）。在CIE L*a*b*色空间中，较高的L*值表示颜色较亮，较低的L*值表示颜色较暗。图7显示，与参考值的波动很小，可能肉眼无法察觉。面包样品的L*值在73到69之间，而磅蛋糕的L*值在81到78之间。这些结果对于未来的消费者接受度很有希望。

4. 结论
使用新型淀粉产品成功制备了小麦面包和磅蛋糕；总体而言，它们在比容、质地分析和面包芯颜色方面表现良好。因此，用天然和蜡质双改性马铃薯淀粉部分替代小麦面粉是可行的。此外，用马铃薯淀粉部分替代小麦面粉可能有利于多种化食品来源（Dongyu，2022；Goucher等人，2017）。然而，在制备的烘焙产品中，离子交换马铃薯淀粉未能提高目标矿物质的浓度以将其归类为强化食品，这也因为所有样品中的主要阳离子都是来自食盐添加的钠（Johnson & Johnson，2016；美国食品药品监督管理局，2024）。高盐含量可能也减弱了矿物质淀粉组成对产品特性 的影响。关于淀粉在单独和模型产品中的行为的结果为进一步探索潜在的食品应用提供了有用的基础。此外，据我们所知，本项目是首次研究退火马铃薯淀粉在烘焙产品中的应用，为在强化食品中应用清洁标签淀粉及其减少小麦使用、从而降低种植环境影响的潜力提供了相关见解（S. Park & Kim，2021；Razzaque，2018）。最近的一项研究调查了在小麦面包中添加来自高直链淀粉玉米淀粉、大米和小麦淀粉的抗性淀粉，旨在增加膳食纤维含量以获得健康益处（Sempio等人，2026）。由于马铃薯淀粉天然富含抗性淀粉（类型2），并且退火会提高其相对结晶度从而增加抗性淀粉含量，因此未来研究可以更加重视这一膳食方面（Fonseca等人，2021；Reyniers等人，2020）。在这项初步可行性研究之后，未来的工作可以探讨含低盐量的磅蛋糕的制备，以及用食用级氯化镁部分替代，并增加双改性淀粉的含量。还可以包括由小组进行的感官和风味评估以及烘焙产品的消化性研究，以进一步评估双改性马铃薯淀粉在更可持续饮食中的潜力。

作者贡献
J.A.T.：调查、方法论、概念化、可视化、撰写——初稿；E.S.：正式分析、方法论、概念化、可视化、撰写——审阅和编辑；M.S.：方法论、概念化、撰写——审阅和编辑；M.P.：监督、撰写——审阅和编辑；A.A.C.M.O.：监督、撰写——审阅和编辑；H.J.H.：监督、概念化、验证、方法论和资金获取；A.H.：监督、概念化、验证、方法论、撰写——审阅和编辑、资金获取。所有作者都阅读并同意了发表的手稿版本。

本研究得到了东格罗宁根创新中心的支持，是Hanze大学、格罗宁根大学、Royal Avebe和Nedmag之间的合作项目的一部分。作者感谢Regiodeal Oost Groningen和Nationale Programma Groningen对这项研究的财政支持。

Johanna Angela Thomann报告称，Royal Avebe提供了设备、药品或供应品；Michael Polhuis报告称与Royal Avebe之间存在关系，包括雇佣关系。如果还有其他作者，他们声明没有已知的竞争性财务利益或可能影响本文工作的个人关系。

数据将应要求提供。

本研究未涉及人类和动物的实验。

Ethical Statement
当前研究未涉及人类和动物的实验。

CRediT作者贡献声明
Thomann Johanna Angela：撰写——初稿、可视化、方法论、调查、概念化。
Sciurba Elisabeth：撰写——审阅与编辑、可视化、方法论、概念化。
Schmidt Marcus：撰写——审阅与编辑、方法论、概念化。
Polhuis Michael：撰写——审阅与编辑、监督。
Oudhuis Alida Anna Catharina Maria：撰写——审阅与编辑、监督。
Heeres Hero Jan：验证、监督、方法论、资金获取、概念化。
Heeres André：撰写——审阅与编辑、验证、监督、方法论、资金获取、概念化。