《Food, Nutrition and Health》：Analysis of eating quality and nutritional properties of millet reconstituted rice
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摘要：小米（粟，Setaria italica L.）是一种营养丰富的杂粮，在开发健康主食方面广受青睐。然而，目前鲜有研究系统表征在梯度小米添加比例下挤压小米-大米重组米的综合品质变化。本研究采用双螺杆挤压技术，以五种小米替代比例（0%、20%、40%、60%
摘要：小米（粟，Setaria italica L.）是一种营养丰富的杂粮，在开发健康主食方面广受青睐。然而，目前鲜有研究系统表征在梯度小米添加比例下挤压小米-大米重组米的综合品质变化。本研究采用双螺杆挤压技术，以五种小米替代比例（0%、20%、40%、60%、80%和100%）制备重组米，并测定涵盖营养成分、蒸煮特性、表面外观、质构特性和体外消化性等一系列指标，以阐明小米比例对挤压重组米营养品质和食用品质的调控效应。结果表明，提高小米比例显著增加了粗脂肪、粗蛋白、亚油酸、亚麻酸、酸性氨基酸和中性氨基酸的含量（P < 0.05）。同时，亮度（L）下降，而红度（a）和黄度（b*）持续升高。蒸煮损失率先降后升，在80%小米替代时达到最低值；相反，吸水率和膨胀势随小米比例升高而稳步增长。较高的小米添加量促进了弱结合水向强结合水的转化，并改善了基质的水分保留能力。所有样品中均鉴定出V型直链淀粉-脂质复合物（第5型抗性淀粉，RS5），其中80%小米组具有最大相对结晶度（7.08%）。扫描电子显微镜结果显示，80%小米样品形成了均匀致密的淀粉基质，其中分布着均匀的微小孔隙，而100%小米组则呈现松散、破碎的结构并伴有大空腔。60%小米组的胶粘性和咀嚼性最低，且总体感官评分最高。快速消化淀粉（RDS）含量在各组间差异显著，RDS在60%小米替代时达到峰值，在80%时急剧下降，而慢速消化淀粉（SDS）和抗性淀粉（RS）在所有处理中保持相对稳定。综上所述，60%小米替代可获得更优的日常食用质构和感官表现，而80%小米样品则呈现最高的V型结晶度和优异的降血糖能力。本研究系统揭示了小米添加调控挤压重组米的多尺度品质演变规律，为开发低血糖生成指数、营养强化的小米功能性主食提供了理论依据和技术支持。
一、研究背景与问题
大米是全球尤其是亚洲地区最主要的 staple food（主食），中国超过60%的人口以大米为主食，东北和南方地区人均年消费量约80 kg。随着生活水平提高和生活节奏加快，人们对主食的便捷性、营养性、口感及安全性提出了更高要求。重组米作为一种新型主食，既能满足日常膳食需求，又符合传统饮食习惯，具有巨大的市场潜力。重组米是以全谷物为主要原料，将碎米与杂粮按一定比例混合后经挤压加工制成的米粒状主食产品，相较于全谷物食品具有更细腻的质地和更好的消化吸收特性，可显著提升谷物的营养价值和可接受性。
小米（Setaria italica L.）是一种营养密集的杂粮，富含淀粉、脂质、蛋白质、膳食纤维、维生素和矿物质。挤压过程中的高温、高压和强烈剪切力可使小米内源组分发生显著结构改性：天然A型淀粉重排为V型直链淀粉-脂质复合物，改善体系吸水性和溶解性并调控淀粉消化性；热剪切诱导蛋白质变性展开，形成的蛋白-脂质复合物结合游离脂质以抑制脂质氧化、延长货架期；水解蛋白释放的游离氨基酸与淀粉降解产生的还原糖经美拉德反应赋予重组米独特风味并重塑基质微观结构。现有动物实验已证实小米添加可显著改善重组米营养品质，并对肠道健康改善和慢性病干预产生积极作用。
然而，目前关于挤压复合重组米的研究主要集中在青稞、藜麦、燕麦等杂粮，针对小米重组米的研究相对匮乏，且大多仅优化挤压工艺参数。虽有研究证实挤压加工可显著改变小米的理化与结构特性，但鲜有研究系统揭示梯度小米替代比例对重组米综合品质的调控规律，不同小米添加水平对产品感官、质构和营养特性的协同机制仍不明确。因此，本研究系统考察不同小米添加比例对重组米食用品质和营养品质的影响，并阐明其对口感、质构特性和营养成分的调控机制，为小米重组米配方优化提供实验支持，也为基于小米的挤压主食深加工产业化应用提供理论依据和数据参考。
二、研究内容与主要结论
研究人员采用双螺杆挤压机（DG52-II，济南德固机械设备有限公司，中国济南），将小米粉以0%、20%、40%、60%、80%和100%（w/w）的比例掺入大米粉中，分别标记为C-0、C-2、C-4、C-6、C-8和C-10。生产工艺包括：原料经80目筛粉碎过筛、混合、喂料、挤压蒸煮、切割造粒、气力干燥、冷却和收集成品。挤压工艺参数为：喂料速率150 g/min，物料含水量36%，螺杆转速150 rpm，机筒温度Ⅱ区60 ℃、Ⅲ区140 ℃、Ⅳ区150 ℃、Ⅴ区70 ℃、Ⅵ区90 ℃，切刀转速1500 rpm。研究人员系统测定了营养组成、色泽、蒸煮特性、脂肪酸、水分分布、氨基酸组成、微观结构、结晶特性、质构特性、感官评价和体外消化特性等指标。
研究主要得出以下结论：随着小米添加比例的增加，重组米的粗脂肪含量从0.16%升至0.47%，粗蛋白含量从6.69%升至10.28%，而淀粉含量从70.08%降至64.61%，均低于原料水平。色泽方面，亮度L值持续下降，红度a和黄度b值持续上升，呈现明显的梯度颜色变化。蒸煮损失率先降后升，C-8组（80%小米）达到最低值3.54%；吸水率和膨胀势则随小米比例升高而稳步增长。脂肪酸分析显示，亚油酸和亚麻酸含量随小米比例增加而显著升高（P* < 0.05），C-10组所有脂肪酸含量最高。低场核磁共振（LF-NMR）结果表明，随小米比例增加，弛豫时间逐渐缩短，弱结合水向强结合水转化，水分保持能力增强。氨基酸分析显示，酸性氨基酸（天冬氨酸Asp、谷氨酸Glu）和中性氨基酸（苏氨酸Thr、丝氨酸Ser、脯氨酸Pro、丙氨酸Ala、缬氨酸Val、甲硫氨酸Met、异亮氨酸Ile、亮氨酸Leu、苯丙氨酸Phe、酪氨酸Tyr）含量随小米比例增加而升高，而碱性氨基酸（甘氨酸Gly、赖氨酸Lys、精氨酸Arg）则呈相反趋势，组氨酸His因咪唑环热稳定性强而略有增加。X射线衍射（XRD）分析显示，所有样品均呈现13°和20°处的V型特征衍射峰，C-8组相对结晶度最高达7.08%，C-10组降至5.05%。扫描电子显微镜（SEM）观察显示，C-8组形成均匀致密的淀粉基质，孔隙细小均匀分布；C-10组则呈现松散破碎结构并伴大空腔。质构分析（TPA）表明，小米添加显著降低了硬度、弹性、内聚性、胶粘性和咀嚼性，C-4组硬度最低（47.31 N），C-6组胶粘性和咀嚼性最低。感官评价中，C-6组（60%小米）在色泽、风味、外观结构、软硬度和适口性五个维度均表现最优，总分最高达78分，较对照组提升9.3%。体外消化试验显示，各组RS和SDS含量无显著差异，RDS含量呈先升后降趋势，C-6组最高，C-8组显著低于C-6组。
三、关键技术方法
本研究主要采用以下关键技术方法：双螺杆挤压技术制备不同小米替代比例的重组米；低场核磁共振（LF-NMR）测定水分分布状态；气相色谱-火焰离子化检测器（GC-FID）分析脂肪酸组成；全自动氨基酸分析仪测定氨基酸组成；X射线衍射（XRD）表征淀粉结晶结构并计算相对结晶度；扫描电子显微镜（SEM）观察样品截面微观结构；质构仪（TPA）测定质构特性；参照GB/T 15682-2008标准由20名 trained 专业人员（10男10女，年龄20-50岁）进行感官评价；体外酶解法结合DNS比色法测定快速消化淀粉（RDS）、慢速消化淀粉（SDS）和抗性淀粉（RS）含量。原料小米品种为长生13，大米品种为稻花香2号，均为市售商品。
四、研究结果
理化性质：小米原料的脂肪含量（1.35%）和蛋白含量（12.23%）均高于大米（1.12%和10.50%），而淀粉含量（72.44%）低于大米（76.13%）。随小米比例增加，重组米脂肪含量从0.16%升至0.47%，蛋白含量从6.69%升至10.28%，淀粉含量从64.61%至70.08%变化，均低于原料水平。挤压高温使蛋白质变性降解并与淀粉、脂质交联聚合，淀粉大分子链断裂降解为小分子糊精，小米添加引入更多非淀粉物质，共同导致检测含量下降。
色泽：随小米比例增加，L值下降，a和b*值上升，透明度和亮度降低，色相由偏绿转向偏红并呈现更明显的黄色调。这归因于挤压导致的淀粉糊化以及还原糖与氨基酸之间的美拉德反应。
蒸煮特性：蒸煮损失率先降后升，C-8组最低（3.54%）。挤压高温剪切破坏淀粉氢键和有序结晶结构，促进直链淀粉-脂质复合物形成，抑制淀粉溶出泄漏。吸水率和膨胀势随小米比例增加呈上升趋势，挤压产生的微孔和粒间空隙为水分渗透提供通道。
脂肪酸：所有样品检出棕榈酸、硬脂酸、油酸、亚油酸和亚麻酸五种脂肪酸，亚油酸为主要脂质成分。随小米比例增加，亚油酸和亚麻酸含量显著升高，C-10组各脂肪酸浓度最高。挤压破坏蛋白网络和淀粉颗粒结构，使结合脂质解离为游离脂肪酸，小米添加引入的脂质底物增量占主导地位。
水分分布：LF-NMR T2反演谱显示两个峰T21和T22，表明存在两种水分状态。随小米比例增加，弛豫时间逐渐缩短，水分子流动性降低，持水能力增强。T22逐渐减小表明弱结合水向强结合水迁移，所有样品均未检测到自由水。
氨基酸组成：酸性氨基酸和中性氨基酸含量在C-0组最低，随小米比例增加逐渐升高，C-8和C-10组维持高丰度，酪氨酸Tyr在C-8组达最大值。小米蛋白中这些氨基酸本底含量较高且热稳定性强。碱性氨基酸Gly、Lys、Arg含量在C-0组最高，C-10组最低，因挤压高温下易被美拉德反应消耗。His因咪唑环热稳定性好且小米本底含量高而略有增加。
X射线衍射：所有样品在13°和20°处呈现V型特征衍射峰，代表V型直链淀粉-脂质复合物（RS5）。相对结晶度存在显著差异，C-2组最低（3.07%），C-8组最高（7.08%），C-10组降至5.05%。80%添加量最有利于V型晶体形成，过量添加则干扰直链淀粉与脂肪酸的有序结合。
扫描电子显微镜：C-0组呈平坦致密基质，仅少量微小孔隙。随小米比例增加，孔隙数量和直径逐渐增大。C-8组形成均匀致密、孔隙细小均匀分布的完整有序淀粉网络。C-10组出现大量大直径空腔，淀粉基质松散破碎。80%比例下大米和小米淀粉分子链相容性最佳，形成交联均质的稳定熔融基质。
质构特性：小米添加显著降低硬度、弹性、内聚性、胶粘性和咀嚼性。C-4组硬度最低（47.31 N），C-6组胶粘性和咀嚼性最低。挤压高温使小米蛋白变性，破坏大米淀粉链间相互作用，V型复合物和分散膳食纤维削弱刚性连续淀粉凝胶网络。
感官评价：C-6组（60%小米）在全部五个感官维度表现最优，总分最高（78分），适口性得分较对照组提升3.6%，总分提升9.3%。小米比例低于60%时各感官指标递增，超过60%后综合感官品质持续下降。高比例下美拉德反应过度强烈使米粒表面变暗并产生不良苦味和焦糊味。
体外消化特性：各组RS和SDS含量无显著差异。挤压彻底破坏淀粉颗粒结构，游离直链淀粉与内源脂质组装为有序V型复合物，阻碍α-淀粉酶渗透；小米醇溶蛋白和膳食纤维构建交联网络增强基质致密性。同时小米引入的非淀粉组分稀释淀粉基质，两种相反效应相互抵消导致RS和SDS不变。RDS含量呈先升后降趋势，C-6组最高，C-8组显著降低。低替代比例下多孔松散基质利于酶渗透，高替代比例下充足脂质形成丰富V型复合物，变性蛋白交联形成致密蛋白网络，共同阻碍淀粉酶解。
五、讨论与结论
讨论部分指出，60%小米替代组（C-6）具有均衡的质构特性和最高感官评分，适合作为优先考虑口感和风味的日常主食；80%小米替代组（C-8）呈现最高V型RS含量、致密连续的微观基质和最低RDS含量，具有突出的营养优势和低血糖消化性能，适用于血糖管理功能性主食。小米添加量在60%-80%范围内可维持重组米良好的营养和食用品质。小米添加虽显著提升重组米的营养和功能特性，但具体配比应根据产品定位选择，以协调营养价值、质构和感官体验。
研究结论：随着小米比例增加，样品呈现颜色变深、蒸煮损失降低、吸水率提高、弱结合水向强结合水转化、不饱和脂肪酸和热稳定氨基酸富集、V型淀粉-脂质结晶度和消化行为改变等规律性变化。综合多指标评估区分了不同产品开发需求的最优配方：60%小米替代适用于追求口感的常规日常主食，80%小米替代适用于血糖管理的功能性主食。本研究为小米重组米的定向配方设计和生产工艺优化提供了严格的实验证据和数据支持，有助于推动其进一步发展和产业化应用。
