啤酒糟高值化利用：挤压玉米食品的理化特性、功能活性与代谢组学机制研究

本研究针对啤酒酿造副产物啤酒糟(BSG)的高值化利用问题，通过将其以不同比例(0–35 wt%)添加到挤压玉米基食品中，系统探究了BSG对产品理化特性、抗氧化能力、α-淀粉酶抑制活性及代谢谱的影响。研究发现30 wt% BSG为最佳添加比例，在保持感官可接受性的同时显著提升了持水持油性、膳食纤维和总酚含量。体外消化后，BSG强化挤压产品表现出增强的抗氧化活性(FRAP和DPPH法)和α-淀粉酶抑制潜力，UHPLC-MS非靶向代谢组学进一步揭示了9-顺式视黄酸和色氨酸-脯氨酸等关键生物活性物质，富集了免疫和葡萄糖调节通路(如肠道IgA、PI3K-Akt、FoxO信号通路)。该研究为开发高纤维功能性食品提供了理论依据和技术支撑。

　　

随着全球可持续发展战略的推进，食品加工副产物的高值化利用已成为循环经济框架下的重要研究方向。啤酒酿造过程中产生的固体副产物主要包括啤酒糟(BSG)、啤酒花糟和啤酒酵母，其中BSG占比高达85%，年产量超过1.8亿吨。传统上BSG多作为低价值动物饲料或进行填埋处理，但其高有机物含量易导致腐败和微生物降解，带来环境污染风险。开发BSG的高值化利用策略不仅可减轻环境负担，还能为食品工业提供新型功能性原料，符合"碳中和"背景下的资源再生需求。

BSG富含膳食纤维(超过60%)、蛋白质(19–30%)和多酚化合物(约2300 mg/kg)，其中酚酸主要以不溶性结合形式存在，具有显著的生物活性特性。尽管BSG具有显著营养优势，但其高纤维含量往往会损害食品基质的质构特性，导致硬度增加、脆度降低和明显褐变。为应对这些挑战，研究人员开发了物理改性、生物处理和挤压膨化等预处理技术。挤压膨化作为热机械协同处理技术，可有效改善BSG的持油能力和膨胀特性，但在生物活性功能成分保留率和消化特性影响机制方面的研究仍不足。

为此，研究人员在《Food Chemistry: X》发表了题为"High-value utilization of brewers' spent grain in extruded corn-based foods: physicochemical, functional, and metabolomic insights"的研究论文，系统探讨了BSG-玉米糁复合体系中梯度添加BSG对功能成分转化、消化特性及质构-营养相互作用机制的影响。

研究采用的主要技术方法包括：单螺杆挤压膨化技术处理不同比例(25、30、35 g/100 g)的BSG-玉米混合物；扫描电镜(SEM)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析微观结构演变；体外模拟消化模型评估消化相的影响；UHPLC-MS非靶向代谢组学分析生物活性化合物；以及理化特性(持水性、持油性、色泽、质构)、抗氧化活性(DPPH、FRAP法)和α-淀粉酶抑制活性等测定。实验所用新鲜BSG由重庆嘉威啤酒有限公司提供，玉米糁购自重庆北碚区超市。

3.1. BSG对玉米膨化食品物理特性和感官评价的影响

研究发现BSG的添加显著改变了产品的色泽特性，亮度(L)从85.37降至64.55，黄色度(b)从36.56降至22.36，总色差(ΔE)从22.93增至25.17。这种暗化和色调转变主要源于BSG中的色素、酿造过程中形成的类黑精以及高温挤压过程中美拉德反应的增强。质构方面，BSG添加显著增加了产品硬度(从1448.70 g增至2016.59 g)、咀嚼性(从715.18 g增至1206.97 g)和回弹性(从0.29%增至0.47%)，而弹性则有所降低。感官评价显示，30 wt% BSG在功能性和感官可接受性之间达到最佳平衡。

3.2. BSG对挤压玉米产品持水/持油性、可溶性固体和膳食纤维的机制效应

实验结果表明挤压膨化通过双重机制改善持水性(WHC)：机械剪切力和高温高压条件导致淀粉颗粒破碎和糊化，暴露更多亲水基团；BSG中的膳食纤维发生微纤丝网络重组，增加比表面积并形成多孔结构。30 wt% BSG挤压样品的WHC和OHC值分别为0.34±0.01 g/g和0.20±0.02 g/g。总膳食纤维(TDF)含量分析显示，35 wt% BSG挤压样品的TDF含量达到0.34±0.01 g/g，比未挤压组提高8%。FTIR光谱分析揭示了纤维素、半纤维素和蛋白质特征峰的变化，证实了挤压过程中分子结构的改变。

3.3. BSG和挤压对淀粉消化率、α-淀粉酶抑制和血糖反应调节的影响

研究发现增加BSG含量可显著增强α-淀粉酶抑制活性，25 wt% BSG挤压组的α-淀粉酶抑制率达到41.16±7.18%，35 wt% BSG组达到49.06±6.47%。体外模拟消化后，α-淀粉酶抑制活性下降至20.33±0.58%，这可能与消化后酚类物质种类和含量的变化以及蛋白质-多酚相互作用有关。消化率分析显示，35 wt% BSG挤压组的消化率达到59.03±0.41%，显著高于未挤压组(14.04±1.20%)。还原糖释放量随BSG含量增加而下降，表明BSG的添加有助于控制餐后血糖波动。

3.4. BSG强化挤压产品中酚类化合物的释放和生物活性

研究表明挤压过程促进了酚类化合物的释放和提取，增强了其生物活性。35 wt% BSG挤压组的总酚含量(TPC)达到5.98±0.85 mg GAE/g样品。抗氧化活性分析显示，DPPH自由基清除能力和FRAP抗氧化能力均随BSG含量增加而显著提高。体外消化后，挤压样品的上清液表现出显著更高的FRAP值，30 wt%和35 wt% BSG组的FRAP抗氧化活性分别达到21.82±0.38和22.27±0.20 μmol TE/g样品，表明胃肠道消化促进了生物活性化合物从BSG基质中的释放。

3.5. BSG混合挤压产品的结构改性

SEM显微图像揭示了样品组的明显微观结构变化。未挤压对照组呈现光滑颗粒状表面，而挤压膨化组显示显著更粗糙的表面，具有微裂纹、孔隙和不规则形貌。消化后的挤压样品显示广泛的结构分解，呈现高度多孔的纤维网络结构，这种更大的消化程度可能归因于挤压后表面粗糙度和孔隙度的增加，提供了更大的表面积从而增强了酶接触和活性。

3.6. BSG强化挤压产品的代谢组学见解

代谢组学分析发现1262个总鉴定代谢物中有270个显著差异(126个上调和144个下调)。显著变化的代谢物包括(S)-2-(羟甲基)戊二酸、色氨酸-脯氨酸和4-羟基肉桂酰胍丁胺，同时富集了免疫/代谢通路如肠道IgA网络、FoxO信号传导和PI3K/Akt信号传导。通路富集分析揭示了48条通路，其中"肠道IgA生产免疫网络"通路虽然FDR校正后处于边际显著范围，但其通路影响值达到1.0，表明该通路在整体代谢重塑中占据关键拓扑位置。FoxO和PI3K/Akt信号通路的富集为免疫代谢调节提供了机制见解，FoxO转录因子作为免疫细胞中的代谢"主调节器"连接代谢流与免疫功能。

研究结论表明，将25–35 wt% BSG通过单螺杆挤压技术加入玉米粉中可显著增强挤压产品的功能和营养价值。挤压不仅提高了持水性(0.34±0.015至0.4±0.012 g/g)、持油性(约0.21 g/g)和总膳食纤维含量(0.27±0.01至0.34±0.014 g/g)，还促进了结合多酚的释放。在模拟肠道消化过程中，35 wt% BSG组的消化上清液中总多酚含量达到7.70±0.24 mg GAE/g样品，抗氧化活性增强，α-淀粉酶抑制率接近50%。代谢组学分析进一步揭示了关键生物活性化合物的上调，如(S)-2-(羟甲基)戊二酸、色氨酸-脯氨酸和4-羟基肉桂酰胍丁胺，以及健康相关通路的富集，包括肠道免疫球蛋白A产生、FoxO和PI3K/Akt信号通路。在测试的配方样品中，30 wt% BSG混合物在增强生物活性和可接受的感官属性之间达到了最佳平衡。这些发现强调了挤压加工的BSG-玉米配方作为增值谷物基功能性食品的潜力，并为后续产品开发和临床评估提供了机制框架。

该研究的重要意义在于为啤酒糟的高值化利用提供了科学依据和技术路径，开发出的功能性食品不仅具有增强的营养特性和健康益处，还有助于解决酿酒工业副产物的环境问题，符合可持续发展和循环经济的理念。通过多维度评估框架的建立，该研究为BSG在膨化食品中的精确应用提供了理论支持，推动了谷物基功能性食品的创新开发。