《JOURNAL OF FOOD SCIENCE》：Bean Type Strongly Drives Specific Mechanical Energy and Distinguishes Extrudate Expansion During Extrusion Processing
编辑推荐：
专业术语翻译（摘要部分）
本研究探讨了豆类品种与挤压条件对由预熟化斑豆（pinto bean）、海军豆（navy bean）和黑豆（black bean）粉制备的膨化挤压产品之加工行为与品质属性的影响。研究人员将豆粉混合物在三种进料水分含量（14%、17%和2
专业术语翻译（摘要部分）
本研究探讨了豆类品种与挤压条件对由预熟化斑豆（pinto bean）、海军豆（navy bean）和黑豆（black bean）粉制备的膨化挤压产品之加工行为与品质属性的影响。研究人员将豆粉混合物在三种进料水分含量（14%、17%和20%，湿基）及三种螺杆转速（100、200和300 rpm）下进行挤压。产品特性强烈依赖于加工条件与豆类品种。海军豆生产的挤压产品膨化度更高、质地更柔软，其膨化率（expansion ratio）为1.58–2.49，硬度（hardness）为1.54–8.63 kg；相比之下，斑豆挤压产品的膨化率较低（1.30–1.88），硬度较高（2.62–15.55 kg）。黑豆挤压产品表现出介于两者之间的行为，膨化率为1.68–2.11，硬度为2.44–11.65 kg。对于所有豆类品种，颜色变化（color change）随加工条件的加剧而增大。水溶性指数（water solubility index，WSI）与所有豆粉的比机械能（specific mechanical energy，SME）呈强烈正相关，海军豆、斑豆和黑豆的皮尔逊相关系数（Pearson correlation coefficient）均达r ≥ 0.97。扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM）图像支持了上述发现，显示出依赖于加工条件和豆类品种的细胞结构，其范围从较为均匀的泡沫结构到合并的气孔及局部致密区域不等。K均值聚类（K-means clustering）揭示了由豆类品种和加工强度驱动的三种截然不同的挤压产品分组，将低能量、低膨化的黑豆和斑豆挤压产品与高黏度、高SME的海军豆配方区分开来。总体而言，研究结果表明，豆类品种显著影响挤压加工过程中的结构发育和能量需求，因此需要针对特定豆类进行工艺优化。
论文解读文章
一、研究背景与问题提出
豆类（pulse）原料因其高蛋白、高膳食纤维、营养密度高及可持续性等优势，正越来越多地被应用于挤压膨化食品的开发。在美国，斑豆、黑豆和海军豆是三大主要干豆市场类别，2025年产量分别达到960万、715万和314万英担（USDA数据）。这些豆粉可作为商业配料用于烘焙、面食、零食、谷物、无麸质食品及挤压产品中，因其能提供蛋白质、膳食纤维、持水能力、黏度和结构支撑。
然而，与高淀粉含量的谷物体系相比，全豆粉（whole bean flour）在挤压过程中面临更为复杂的问题。豆粉中较高的纤维和蛋白质含量会干扰淀粉熔体的流变特性、降低膨化性能并损害结构形成。已有研究表明，将扁豆粉、玉米淀粉和玉米油混合可开发膨化挤压产品，其中扁豆粉占67%的配方最适合膨化。但关于豆粉在不同进料水分和螺杆转速条件下的响应机制，以及豆类品种与加工参数之间的交互作用对挤压过程响应、膨化、密度和质构的影响，现有信息仍然有限。
具体而言，高纤维和高蛋白豆粉的挤压过程显著受其组成、水分含量、螺杆转速和温度之间交互作用的影响，这些因素共同决定扭矩（torque）、模头压力（die pressure）和比机械能（SME）。SME被视为热量和机械输入的重要指标，用于评估结构形成。一般认为，低SME导致低膨化，高SME则导致较高硬度和颜色损失。水分含量在不同阈值下表现出不同行为：在低至中等水分含量下通过增塑作用降低黏度和SME，但在高水分含量下抑制结构形成。
基于上述背景，研究人员提出假设：由于豆粉在组成和功能性上存在固有差异，豆类品种将显著影响SME和挤压产品质量，从而导致依赖豆类品种的膨化和质构差异。该研究的目的是评估豆类品种、进料水分和螺杆转速对SME及直接膨化豆粉挤压产品物理性质的影响。
二、研究内容与主要结论
本研究采用全因子实验设计，包含三个因素：豆类品种（黑豆、海军豆、斑豆）、进料水分含量（14%、17%、20%，湿基）和螺杆转速（100、200、300 rpm），共27个处理组合，每个组合重复两次，总计54次挤压运行。进料速率固定为60 g/min。研究得出以下主要结论：
豆类品种显著影响挤压过程中的能量需求和产品品质。海军豆在所有加工条件下均表现出最高的膨化率（1.58–2.49）和最低的硬度（1.54–8.63 kg），而斑豆膨化率最低（1.30–1.88）且硬度最高（2.62–15.55 kg），黑豆介于两者之间（膨化率1.68–2.11，硬度2.44–11.65 kg）。SME随螺杆转速增加而升高、随进料水分增加而降低，范围从224.69到713.38 kJ/kg。扭矩和背压（back pressure）随水分含量和螺杆转速的增加而降低，海军豆表现出最高的扭矩和背压值。水溶性指数（WSI）与SME在所有豆粉中均呈强烈正相关（r ≥ 0.97），表明WSI可作为挤压剪切强度的有效指标。颜色变化（ΔE）在低水分和高转速条件下达到最大值，归因于美拉德反应（Maillard reaction）等热反应在剧烈热机械条件下的加剧。
三、关键技术方法
研究人员使用了以下主要技术方法：差示扫描量热法（differential scanning calorimetry，DSC）用于测定热转变特性；布拉本德黏度仪（Brabender Visco-amylograph）用于糊化特性分析；双螺杆挤压机（twin-screw extruder，TSE 20/40）进行挤压加工；扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM）用于微观结构分析；质构仪（Texture Analyzer）测定硬度；色度仪（colorimeter）测定CIELAB颜色参数；水吸收指数（water absorption index，WAI）和水溶性指数（water solubility index，WSI）测定采用Anderson等方法；K均值聚类（K-means clustering）和皮尔逊相关分析（Pearson correlation）用于多元统计分析。原料为Archer-Daniels-Midland公司提供的预熟化斑豆、海军豆和黑豆粉。
四、研究结果
豆粉组成与理化性质差异：斑豆具有最高的总膳食纤维（total dietary fiber，TDF）、可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）、灰分、脂肪和热转变温度；海军豆膳食纤维最低但水吸收指数（WAI）最高。这些组成差异与挤压行为的差异密切相关。
热与糊化特性分析：DSC分析显示三种豆粉在20%水分下的热转变特性相似，玻璃化转变温度（Tg）约在120–130°C范围。糊化特性方面，黑豆粉在最终冷却阶段表现出最高黏度，海军豆次之，斑豆最低，这与各豆粉的WAI、脂肪含量和淀粉膨胀特性差异有关。
挤压加工行为：扭矩随水分和螺杆转速增加而降低（范围11.51–42.60 Nm），海军豆在14%水分、100 rpm时扭矩最大，斑豆在20%水分、300 rpm时扭矩最小。SME随转速增加而升高、随水分增加而降低（224.69–713.38 kJ/kg）。背压与扭矩趋势一致，随水分和转速增加而降低，海军豆表现出最高背压。
产品物理性质：膨化率范围1.30–2.49，海军豆最高、斑豆最低。高水分和低转速条件下膨化率降低，质地变硬。硬度范围1.54–15.55 kg，斑豆最高、海军豆最低。
色度分析：ΔE在低水分高转速条件下达到最大值（如海军豆14%水分、300 rpm时为18.53），在高水分低转速条件下最小（如黑豆20%水分、100 rpm时为4.35），表明剧烈加工条件加剧褐变反应。
WAI与WSI：WAI变化范围较小（3.56–4.34），而WSI随加工强度增加而显著升高，在低水分高转速条件下达到最大值，验证了WSI作为挤压剪切强度指标的有效性。
微观结构分析：SEM图像显示所有挤压产品均呈泡沫结构，在14%水分下出现更开放和合并的细胞结构，高水分条件下出现局部塌陷或厚壁融合片层，结构特征依赖于豆类品种和加工条件。
相关性热图：WSI与SME在所有豆粉中均呈强正相关（r ≥ 0.97）。斑豆的膨化率与硬度呈强负相关（r = ?0.95），SME与膨化率的相关性因豆类品种而异（斑豆r = 0.83，海军豆和黑豆相关性较弱）。
K均值聚类分析：聚类分析产生三个分组（簇I含6个样本、簇II含15个样本、簇III含6个样本）。簇I以高膨化率、高亮度、高背压和扭矩为特征，主要包含海军豆产品；簇II以低机械能输入、低膨化、颜色较深和较高硬度为特征，主要包含黑豆和斑豆产品；簇III以高SME和高WSI为特征，主要包含海军豆在高强度加工条件下的产品。
五、讨论总结与研究结论
研究结果表明，豆类品种对挤压膨化产品的结构发育和能量需求具有决定性影响。斑豆因较高的膳食纤维和脂肪含量，产生更致密、更硬的挤压产品；海军豆因最低的纤维含量和最高的WAI，表现出最佳的膨化性能；黑豆介于两者之间。WSI比WAI对挤压强度更为敏感，可作为评估挤压剪切强度的有效指标。尽管三种豆粉的DSC热转变特性相似，但微观结构和统计分析显示豆类品种在决定细胞结构发育、颜色变化和最终产品质构方面起关键作用。
研究结论指出，需要针对特定豆类确定最优挤压条件，以开发高蛋白、高纤维且膨化良好的产品。在三种豆粉中，海军豆粉在测试条件下表现出最佳的整体性能，因其膨化率最高且硬度最低。在研究的加工条件范围内，较低的进料水分和较高的螺杆转速总体上有利于改善膨化和产品结构。该研究成果可用于商业豆粉作为即食膨化食品开发原料的筛选。虽然豆粉的组成可作为选择功能性豆基挤压食品原料的标准，但还应评估水合行为、膳食纤维分布和热行为等其他特性。
