多分析技术结合化学计量学对储藏条件及姜黄粉添加对奶油甜面包贮藏影响的深入研究

《Applied Food Research》：A multi-analytical approach coupled with chemometrics for an in depth study of the effects of storage conditions and addition of turmeric powder on brioche storage

　　

本研究旨在评估改良气调包装（MAP；70:30 N₂:CO₂）与姜黄粉（3%）对低脂奶油甜面包理化性质、微生物学性质及功能特性的联合作用，并评价近红外（Near-Infrared, NIR）光谱作为一种无损工具在货架期监测中的适用性，以及其与传统有损分析方法的比较效果。研究人员在15天贮藏期内对对照组（CO）和姜黄强化组（TU）奶油甜面包进行了营养组成、水分、水分活度、色泽、质构、挥发性组成、多酚含量、抗氧化活性及可培养微生物群分析，同时对NIR光谱进行了主成分分析（PCA）。结果表明，姜黄显著提高了灰分和膳食纤维含量（6.44 vs 4.39 g/100 g），并因含有姜黄素类（curcuminoids）而增强了总酚含量（T₀时为1.48 vs 0.69 mg GAE/g）和抗氧化活性（T₀时为1.28 vs 0.20 μmol TE/g），其中姜黄素（curcumin）被鉴定为优势化合物。姜黄添加还显著影响色度参数，使产品颜色更深且黄红色更强。两类样品在不同贮藏条件下的水分和水分活度保持可比，质构参数仅表现出轻微变化，但PCA显示出与姜黄掺入相关的结构差异。在微生物学方面，MAP显著减缓了两种配方的腐败进程。尽管TU具有较高的初始微生物负荷，但“姜黄 × MAP”组合比未采用MAP的TU更有效地限制了微生物增殖，从而延长了微生物稳定性。此外，NIR光谱能够根据贮藏时间和配方成功区分样品，揭示出传统分析方法单独使用时无法检测到的与水分相关及结构性变化。总体而言，MAP与姜黄在品质保持方面具有互补效应，而NIR显示出作为烘焙制品综合货架期快速无损监测平台的强大潜力。

该研究发表于《Applied Food Research》，围绕低脂奶油甜面包在贮藏过程中的品质保持与货架期监测问题展开。新型烘焙制品研发近年来持续受到食品工业与学术界关注，尤其是低脂化、功能化以及面向特定消费群体的产品。然而，对此类产品而言，配方创新仅是产品开发的一部分，如何在保持安全性、感官质量和商业流通可行性的同时延长货架期，同样是产业化过程中的关键环节。奶油甜面包属于高水分活度的新鲜烘焙食品，极易在贮藏中发生老化、微生物繁殖、水分迁移和风味劣变等变化，进而导致硬化、组织结构退化、色泽和香气下降，最终削弱消费者接受度。因此，寻找兼顾天然配料强化、包装保鲜和快速监测的综合策略具有明确的技术意义和应用价值。

现有研究表明，改良气调包装（MAP）可通过调节包装内部气体比例抑制细菌与真菌生长，是延长烘焙制品货架期的重要手段；同时，富含生物活性成分的天然香辛料又可作为配方重构的重要来源。姜黄（Curcuma longa L.）因富含姜黄素类、多种挥发性萜类，并具有抗氧化、抗炎及潜在抑菌活性，而成为理想候选原料。但围绕低脂奶油甜面包体系，特别是含乳化填充凝胶（emulsion-filled gels, EFG，指将油脂以结构化形式嵌入凝胶网络中以降低脂肪含量）的产品中，姜黄添加与MAP协同作用的系统研究仍较有限。此外，传统货架期评价高度依赖水分、质构、微生物等破坏性检测，分析流程繁琐，难以满足工业实时监控需求。基于此，研究人员尝试将多分析手段与近红外（NIR）光谱、主成分分析（PCA）相结合，以建立对产品贮藏演变更全面的认识。

研究人员制备了两类奶油甜面包：对照组（CO）和以3%姜黄粉部分替代小麦粉的强化组（TU），两者均采用低脂配方，并使用EFG替代部分脂肪来源。样品分别在普通包装（NOMAP）和70:30 N₂:CO₂的MAP条件下贮藏，设置T₀、T₅、T₈、T₁₀、T₁₂、T₁₅等时间点，系统分析营养组成、挥发性有机化合物（VOC）、可培养微生物、总酚、抗氧化活性、色泽、水分、水分活度、质构及NIR光谱变化。研究表明，姜黄主要改善了功能品质和色泽特征，MAP则对微生物稳定性起决定性作用，而NIR能够提供传统方法难以揭示的水分状态与结构演化信息。该研究的重要意义在于提出了一种将天然功能配料、包装工程与无损光谱监测整合的烘焙食品货架期研究框架。

研究采用的关键技术方法主要包括以下几类：首先，构建低脂奶油甜面包模型体系，以EFG作为脂肪替代结构，并设置CO与TU两种配方以及NOMAP与MAP两种包装条件；其次，运用常规理化与功能分析方法测定营养组成、水分、水分活度、色泽、质构、总酚及DPPH自由基清除活性；再次，通过顶空固相微萃取-气相色谱/质谱联用（HS-SPME-GC/MS）和超高效液相色谱-二极管阵列-串联质谱（UHPLC-DAD-MS/MS）分别解析挥发性成分和姜黄素类组成；同时，采用可培养微生物计数评价总需氧嗜温菌（TAMC）、酵母和霉菌等；最后，对NIR原始光谱和质构数据实施PCA，以揭示配方和贮藏时间相关的系统性差异。

在“Chemical characterization of brioches”部分，研究首先从营养组成证实两类产品均符合低脂烘焙制品特征。姜黄添加并未显著改变蛋白质、脂肪、碳水化合物和能量值，但显著提高了灰分和膳食纤维含量，说明3%姜黄粉替代主要带来了矿物质和纤维组分的强化，而不会明显破坏基础营养结构。由于配方中采用EFG，成品脂质含量维持在每100 g不超过3 g的水平，从而符合低脂标识要求。

在“Volatile Profile”部分，研究通过HS-SPME-GC/MS比较了CO与TU的挥发性有机化合物构成。两组样品在醇类、醛类、酮类、酯类和呋喃类方面总体相近，乙醇和异戊醇是主要挥发物，反映出发酵和加工过程中酵母代谢的重要贡献。TU中特异出现并富集了一系列萜类化合物，如ar-tumerone、curlone、tumerone、α-curcumene和α-zingiberene，这些成分构成姜黄特征香气核心，也赋予样品更复杂的辛香、温暖和木质气息。部分化合物还具有潜在抗菌和抗氧化生物活性，提示姜黄不仅改变风味轮廓，也可能影响产品功能属性。

在“Phenolic Profile”部分，研究使用UHPLC-DAD-MS/MS定性定量分析TU中的姜黄素类。结果显示，TU中检测到姜黄素（curcumin, C）、去甲氧基姜黄素（demethoxycurcumin, DMC）和双去甲氧基姜黄素（bis-demethoxycurcumin, BDMC），且姜黄素含量最高。这一结果直接解释了TU总酚含量及抗氧化活性明显升高的原因。研究据此指出，姜黄添加使奶油甜面包获得了额外的功能性成分输入，是配方功能化的重要来源。

在“Enumeration of cultivable microbiota of bakery samples”部分，研究对不同贮藏时间和包装条件下的微生物变化进行了追踪。结果表明，姜黄原料自身携带一定初始微生物负荷，因此TU在初始时点的酵母、霉菌和TAMC水平高于CO。随着贮藏推进，所有样品TAMC总体上升，但MAP显著抑制了微生物繁殖。在无MAP条件下，TU于T₈已超过可接受阈值，而CO在T₁₂后明显恶化；相比之下，CO-MAP和TU-MAP均维持了更稳定的酵母和霉菌水平，直至T₁₅仍表现出更好的微生物学稳定性。研究据此认为，在本试验条件下，MAP是决定贮藏稳定性的首要因素，尽管单独姜黄抑菌作用难以被明确分离，但“姜黄 + MAP”的组合较未采用MAP者更能延缓腐败进程。

在“Total phenol, antioxidant activity and colour”部分，研究显示TU从生产初始到贮藏中后期均维持高于CO的总酚与抗氧化活性。T₀时TU总酚几乎为CO的两倍，DPPH抗氧化活性也显著更高，且在MAP贮藏过程中保持相对稳定。这说明姜黄素类具有持续贡献功能活性的能力。色泽分析表明，姜黄替代显著降低面包芯和表皮的L*值，并显著升高a*与b*值，使产品呈现更深、更红且更黄的综合色调。这一现象与姜黄素作为黄色酚类色素的性质一致。MAP本身对色泽、总酚及抗氧化活性影响不明显，而TU在贮藏后期面包芯黄色度略有下降，提示姜黄黄色素随时间存在一定降解。

在“Moisture, activity water, Textural profile analysis (TPA)”部分，研究发现无论比较配方差异还是包装方式差异，水分和水分活度均未出现显著变化，说明3%姜黄替代及MAP处理并未明显改变产品整体含水水平。OVAT分析同样未观察到显著趋势。质构方面，研究通过TPA并结合PCA解析贮藏中老化行为。PC1主要反映贮藏时间效应，随着时间推移，样品沿PC1由负向正移动，表现为硬度和咀嚼性增加、弹性和内聚性下降，符合淀粉回生（starch retrogradation）和面包老化的一般规律。PC2则反映配方差异，多数TU样品位于负轴，表现出相对较低的弹性和咀嚼性，提示姜黄掺入改变了面团网络与内部结构，但在3%添加量下，这种变化并未造成极端质构劣化。

在“NIR”部分，研究将NIR作为无损监测工具进行探索。原始光谱肉眼观察未见显著系统差异，因此进一步通过PCA揭示隐藏模式。结果显示，PC1解释了93.47%的方差，清晰反映贮藏时间主导的变化轨迹：新鲜样品位于正向，随贮藏推进逐步迁移至负向，表明NIR对面包老化相关的结构转变高度敏感。PC2解释5.60%的方差，可将TU与CO区分开来，说明姜黄添加引发了可检测的光谱差异。这些差异主要集中于与OH伸缩和弯曲振动相关的水吸收区域，提示NIR识别到的并非总水分含量差别，而是水分物理化学状态、迁移性及其与大分子相互作用方式的变化。换言之，传统水分和a_w测定显示“无显著差异”，但NIR揭示了更深层次的水分组织与基质微结构变化，这正是其在货架期监测中的突出价值。

综合讨论部分可归纳为：该研究通过多分析平台证实，低脂奶油甜面包的贮藏品质受配方因素和包装因素共同调控，但二者作用层面不同。姜黄主要贡献于营养强化、酚类富集、抗氧化能力提升和综合色泽重塑，并通过引入特征萜类改变挥发性风味组成；MAP则是抑制微生物生长、延长货架期的核心技术。传统破坏性分析可以有效识别老化与腐败等质量下降现象，但在解释水分状态及微结构演化方面存在局限。NIR联合PCA能够以快速、无损、整体性的方式监测产品随时间的变化，并区分不同配方的结构与水分行为差异，因此在工业烘焙流程中具有较高的应用前景。研究也指出，未来仍需进一步优化功能强化与品质保持之间的平衡，并评估批次差异及消费者感官接受度，但这些内容属于后续工作展望。

研究结论部分可译述如下：本研究全面评估了姜黄添加与改良气调包装在低脂奶油甜面包贮藏过程中对理化、功能和微生物演变的共同影响。姜黄通过提供姜黄素类化合物，提高了总酚含量和抗氧化活性，并显著改变了色泽参数；MAP则在抑制微生物增殖和延长产品稳定性方面发挥关键作用。尽管姜黄带来了较高的初始微生物负荷，但其与MAP联用较单一因素更能有效缓解腐败进程。常规破坏性分析在水分、水分活度和质构属性方面仅观察到有限差异，但成功捕捉了老化和微生物生长等关键品质劣变现象。与此同时，NIR光谱提供了关于产品演变的无损整合视角，能够追踪与老化相关的整体光谱强度变化，并识别姜黄样品与对照样品在水吸收带行为上的差异，而这些差异无法通过传统水分或a_w测定发现。总体而言，研究结果强调了将配方策略与适宜包装技术整合用于提升烘焙制品安全性与保质性的技术价值，同时也证明了NIR光谱作为快速、无损、实时货架期监测与工业决策工具的显著潜力。