《Food Chemistry: X》：Effect of superheated steam treatment on endogenous β-glucan and gel properties of highland barley whole flour: Changes in gel structure and starch digestibility
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过热蒸汽（Superheated steam, SS）处理提高了从青稞（Highland barley, HB）全粉中分离的β-葡聚糖的分子量（Mw）。热处理改变了淀粉的有序结构和蛋白质二级结构。SS-160处理组表现出更低的水分迁移率和更高的弹性（sprin
过热蒸汽（Superheated steam, SS）处理提高了从青稞（Highland barley, HB）全粉中分离的β-葡聚糖的分子量（Mw）。热处理改变了淀粉的有序结构和蛋白质二级结构。SS-160处理组表现出更低的水分迁移率和更高的弹性（springiness）。SS-180处理组在青稞凝胶中表现出最强的淀粉消化抑制作用。研究人员系统比较了SS在140–180 °C条件下与常规蒸制和炒制处理对青稞全粉及凝胶中β-葡聚糖含量和Mw的影响，并考察了处理相关的淀粉短程有序性、蛋白质构象、凝胶微观结构、水分分布、质构、流变学特性及淀粉消化性的变化。研究发现，所有热处理均提高了面粉中分离的β-葡聚糖Mw并改变了蛋白质二级结构，SS处理增强了淀粉短程有序性。SS-160处理组表现出更均匀的基质结构、更小的表观孔隙和更少的大空洞，同时具有更低的水分迁移率和最高的弹性。相比之下，SS-180处理组虽表现出更大且更不规则的孔隙和低于SS-160的弹性，但产生了最高的β-葡聚糖Mw和对淀粉水解的最强抑制作用。与蒸制和炒制相比，SS引起了更显著的大分子结构和凝胶特性变化。由于青稞缺乏面筋形成蛋白，热处理可能为改善青稞全粉凝胶特性提供实用途径。SS-160可能更适合于改善凝胶均匀性和弹性恢复，而当优先考虑减缓淀粉消化时则可选择SS-180，这为扩大青稞全粉在凝胶型和复合主食中的应用提供了依据。
论文解读
一、研究背景与意义
青稞（Highland barley, HB，Hordeum vulgare L. var. nudum Hook. f.）是中国青藏高原地区的主要谷物，作为传统主食被广泛消费。青稞富含膳食纤维、多酚等具有多种健康促进作用的生物活性化合物，使其作为功能性谷物受到越来越多的关注。然而，青稞缺乏面筋形成蛋白，限制了其在食品加工过程中形成具有凝聚力和弹性的网络结构的能力。此外，青稞含有脂质和活性酶，可能损害其贮藏稳定性。因此，需要预处理来改善其加工性能和货架期。
传统的蒸制和炒制是常见的谷物预处理方式，但通常需要30分钟以上且可能导致加热不均匀。过热蒸汽（Superheated steam, SS）具有高传热效率、降低能量需求以及可重复利用高温蒸汽等优势，已被用于灭活谷物中与脂质相关的酶、减少微生物污染、改善风味以及修饰谷物的理化性质。
青稞全粉的加工特性源于多组分基质而非单独的淀粉。淀粉提供主要的凝胶骨架，而内源β-葡聚糖和蛋白质也影响保水性、粘度、网络形成和酶可及性。研究人员此前的研究表明，SS处理显著改变了从青稞籽粒中分离的淀粉的多尺度结构和消化性，其中SS-180产生最强的结构破坏和最慢的淀粉消化。然而，青稞食品通常由全粉而非分离淀粉制备。在全粉凝胶制备过程中，淀粉与内源β-葡聚糖和蛋白质一起糊化，三种组分可能在籽粒预处理期间被修饰并在随后的凝胶形成和消化过程中相互作用。因此，仅分离淀粉的变化无法完全解释青稞全粉的凝胶特性和淀粉消化性。
已有研究表明，β-葡聚糖分子量（Mw）影响粘度、流变行为、β-葡聚糖-淀粉相互作用和淀粉消化性。然而，β-葡聚糖Mw对热处理的响应差异很大：烘烤降低了青稞粉中β-葡聚糖的Mw；微波处理、烤箱烘烤和热流化也导致青稞β-葡聚糖的显著解聚；相反，浸泡后压片-烘烤增加了青稞β-葡聚糖的Mw，蒸汽处理增加了燕麦β-葡聚糖的Mw。这些不一致的结果表明，水分条件和加热强度可能在不同谷物基质中对β-葡聚糖产生不同影响。然而，SS温度对青稞全粉中内源β-葡聚糖Mw的影响，以及同时发生的淀粉和蛋白质变化与凝胶特性和淀粉消化的关系，尚未被系统研究。
本研究比较了SS在140–180 °C条件下与常规蒸制和炒制对青稞粉和凝胶中β-葡聚糖含量和Mw的影响，并考察了处理相关的淀粉短程有序性、蛋白质构象、凝胶微观结构、水分分布、质构、流变学和淀粉消化性的变化。研究假设热处理类型和SS温度会差异性地修饰内源β-葡聚糖、淀粉和蛋白质，导致凝胶结构和淀粉消化性的处理依赖性差异。这些发现可增进对热处理后青稞全粉凝胶形成的理解，并为选择合适的预处理和扩大青稞全粉在主食中的应用提供基础。
二、主要技术方法
研究人员采用了多种关键技术手段：青稞籽粒（品种藏青320，采集自西藏，由拉萨绿润农业科技发展有限公司提供）分别进行SS处理（调质至20%水分后于140、160、180 °C处理6分钟，分别记为SS-140、SS-160、SS-180）、蒸制（30分钟）和炒制（浸泡12小时后160 °C烘烤30分钟）预处理；采用高效尺寸排阻色谱-多角度激光光散射-示差折光检测（HPSEC-MALLS-RID）测定β-葡聚糖分子量参数；采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析淀粉短程有序性和蛋白质二级结构；采用扫描电子显微镜（SEM）和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察凝胶微观结构及淀粉-蛋白分布；采用低场核磁共振（LF-NMR）测定水分分布；采用质构仪进行凝胶质构分析（TPA）；采用动态振荡流变仪测定粘弹性；采用体外消化模型结合一级动力学方程和对数斜率（LOS）模型评价淀粉消化性。
三、研究结果
3.1 青稞β-葡聚糖的表征
热处理后青稞粉的β-葡聚糖含量从5.22%略微下降至约5.03%，SS处理组中β-葡聚糖含量随SS温度升高呈轻微下降趋势。凝胶样品的β-葡聚糖含量略低于相应面粉样品，可能归因于凝胶制备过程中内源β-葡聚糖酶的活性。从面粉中分离的β-葡聚糖纯度在各处理间无显著差异，而凝胶分离物的纯度从天然凝胶的71.88%增加至SS-180的87.41%。
在分子大小方面，从天然青稞粉中分离的β-葡聚糖Mw为1.61 × 105 g/mol，热处理面粉中分离的β-葡聚糖Mw值更高，顺序为SS-180（2.23 × 105 g/mol）> SS-160（2.11 × 105 g/mol）> 蒸制（1.96 × 105 g/mol）> 炒制（1.86 × 105 g/mol）> SS-140（1.84 × 105 g/mol）。在凝胶分离物中，SS-180也表现出最高的Mw（2.05 × 105 g/mol）。SS处理前将籽粒调质至20%水分可能减少β-葡聚糖的热降解，有利于保留较大分子量级分的保留。SS的短处理时间和快速传热也可能限制链断裂。
3.2 青稞凝胶的淀粉和蛋白质结构
FT-IR分析表明，SS-160和SS-180显示出比天然凝胶更高的R1047/1022和更低的R1022/995，表明更高的淀粉短程有序性。这种增加可能反映了凝胶制备过程中淀粉链的重新缔合，加热过程中释放的直链淀粉和支链淀粉链在冷却时可重新缔合成更有序的局部结构域。这一解释与研究人员此前对从热处理青稞籽粒中分离淀粉的研究不同，后者中SS-180引起淀粉结晶有序性和双螺旋的最强破坏。因此，本研究中凝胶中观察到的更高短程有序性更可能反映全粉凝胶基质内的淀粉链重新缔合。
蛋白质构象分析显示，随着SS温度升高，α-螺旋和β-转角含量上升，而β-折叠和无规卷曲含量下降，表明蛋白质结构发生部分重排。热诱导的去折叠以及与淀粉和β-葡聚糖的接触改变可能参与其中。蒸制和炒制也改变了二级结构，但蒸制遵循不同的模式，其较低温度和较高水分环境可能导致不同程度的去折叠。
3.3 青稞凝胶的微观结构
SEM显微照片显示，天然凝胶具有大而不规则的孔隙。随着SS温度升高，孔隙形态最初变得更加均匀，表观孔隙更小。在180 °C时，更大且更不规则的孔隙重新出现。蒸制和炒制也比天然样品产生更少的大孔隙。这些形态差异表明，适度的SS处理可能有利于更均匀的凝胶形态，而过度的SS强度可能逆转这一趋势。
CLSM图像显示淀粉形成主要连续相，处理凝胶中蛋白质聚集更为明显。天然凝胶含有许多大的暗色空洞，这些空洞在热处理后几乎消失，尤其是在SS-160中。在SS-180时，更大的暗色区域重新出现，伴随更明显的蛋白质聚集，表明淀粉-蛋白质分布的异质性增加。
3.4 青稞凝胶的水分分布
LF-NMR解析出三个横向弛豫群体：T21（0.1–1 ms）、T22（1–10 ms）和T23（约100 ms），分别归属于结合水、固定水和自由水。自由水是主要组分，占总水分的95%以上。SS-160和SS-180显著增加了P21，所有处理均增加了P22，表明向低迁移率水分群体的转变，SS的作用强于蒸制和炒制。SS-180时P21和P22略有下降，可能与严重SS处理引起的淀粉解聚和较短淀粉链的较低持水能力有关。
3.5 青稞凝胶的质构特性
在质构参数中，弹性对处理的响应最强。所有热处理均显著增加弹性，SS-160达到最高值（2.73 mm）。粘附性在SS-140、SS-160、蒸制和炒制后增加。内聚性和胶粘性在各处理间无显著差异。硬度仅在炒制后与天然凝胶有差异。SS-160表现出更均匀的形态、更小的表观孔隙以及最高的结合水和固定水比例，这些同时观察到的现象表明形态和较低的水分迁移性可能促成了压缩后更大的恢复能力。
3.6 青稞凝胶的流变学特性
在温度扫描开始时，所有处理样品均表现出高于天然凝胶的G′和G″，SS-160给出最高初始值。加热过程中，SS-140表现出最高的G′和G″，表明在所测试条件下更大的体积粘弹性响应。频率扫描显示所有样品均呈凝胶样行为，G′始终高于G″，tan δ小于1，表明弹性主导结构。SS-140、蒸制和炒制维持相对较高的G′和G″值，而SS-160和SS-180显示较低值。SS-160表现出最均匀的凝胶形态和最高弹性，但并非最高G′，这可能反映两种测量的不同形变范围：G′在1%应变下获得，代表小形变弹性响应，而弹性反映30%压缩后的恢复。
3.7 青稞凝胶的体外淀粉消化性
热处理总体上降低了淀粉水解程度，SS处理降低了RDS和SDS并增加了RS，而炒制仅略微降低RDS。抑制效果随SS温度升高而增强，SS-180效果最强，将RDS和SDS分别降至40.24%和43.90%，RS增至15.87%。C∞从天然凝胶的93.40%降至SS-180的87.59%。LOS模型将消化分为快速和慢速阶段，热处理主要降低前30分钟内的水解。SS-180给出最低的k?和k?。较低的消化性与淀粉短程有序性增加、β-葡聚糖Mw升高（可增加粘度并限制酶扩散）以及蛋白质聚集增强（可能提供额外的物理限制）相关。全粉凝胶的消化性低于研究人员此前研究的分离青稞淀粉，进一步表明非淀粉组分的贡献。
3.8 热处理对青稞凝胶的作用机制
热加工伴随着更高的β-葡聚糖Mw、更大的淀粉短程有序性和改变的蛋白质二级结构。在适度处理下，特别是SS-160，这些同时发生的变化伴随着更均匀的基质、更低的水分迁移性和最高弹性。在严重处理下，SS-180表现出更大的孔隙、更强的蛋白质聚集和更低的弹性，但其更高的β-葡聚糖Mw、更大的淀粉有序性和改变的蛋白质分布伴随着最低的淀粉水解。因此，最高弹性和最强抗淀粉消化能力出现在不同的SS强度下。
四、结论
热处理修饰了青稞中的内源β-葡聚糖、淀粉和蛋白质，这些变化伴随着全粉凝胶的水分分布、微观结构、质构、流变学和淀粉消化性的差异。所有处理均提高了从面粉中分离的β-葡聚糖Mw并改变了蛋白质二级结构，SS处理增强了淀粉短程有序性。SS-160表现出更均匀的基质、更小的表观孔隙和更少的大空洞，同时具有更低的水分迁移性和最高弹性。相比之下，SS-180表现出更大且更不规则的孔隙和低于SS-160的弹性，但产生了最高的β-葡聚糖Mw和对淀粉水解的最强抑制作用。与蒸制和炒制相比，SS引起了更显著的大分子结构和凝胶特性变化。由于青稞缺乏面筋形成蛋白，热处理可能为改善青稞全粉凝胶特性提供实用途径。SS-160可能更适合于改善凝胶均匀性和弹性恢复，而当优先考虑减缓淀粉消化时则可选择SS-180，这为扩大青稞全粉在凝胶型和复合主食中的应用提供了基础。
