# 中文标题 单螺杆挤压工艺变量的优化：利用啤酒糟（BSG）和蔓越莓果渣与大豆粉、米粉开发增值早餐谷物

《ACS Food Science & Technology》：Optimization of Single-Screw Extrusion Processing Variables to Develop Valorized Breakfast Cereals Using Brewers’ Spent Grain (BSG) and Cranberry Pomace with Soy Flour and Rice Flour

　　

# 摘要翻译
本研究对利用啤酒糟（BSG）、大豆粉和米粉生产早餐谷物的挤压条件进行了优化，并考察了蔓越莓果渣的添加对质构特性和感官特性的影响。研究人员采用中心复合旋转设计（CCRD），通过改变挤压温度（131–159 °C）和挤压机螺杆转速（258–342 rpm）制备了13种挤压产品。采用响应面法（RSM）对膨胀比、硬度、脆性、密度、孔隙率、复水比、水溶性指数（WSI）、L值和总色差等理化性质进行建模。温度和螺杆转速均对这些性质有显著影响（P < 0.05），模型预测准确率为80%至97%。最优条件（135–138 °C和290–300 rpm）可获得具有理想结构和质构特性的挤压产品。随后添加0–15%蔓越莓果渣，以观察多种富纤维副产物协同加工对质构及感官特性的影响。质构和感官评价表明，在不降低消费者偏好的前提下，蔓越莓果渣的添加量可达5%。这些发现证明了食品副产物协同利用以开发增值挤压早餐谷物的可行性。

# 论文解读文章

## 研究背景与意义

挤压技术已成为现代食品工业中广泛应用的关键加工方法，可用于开发挤压谷物、休闲食品、组织化植物蛋白、宠物食品和糖果等多种产品。挤压是一种高温短时（HTST）加工技术，淀粉质、蛋白质及其他功能性原料在温度、压力和剪切力的共同作用下，通过小孔模具（die）塑化形成最终产品。传统挤压谷物/零食通常以高碳水化合物原料（如玉米粉、米粉、木薯淀粉）为主，而将碳水化合物与蛋白质复配以开发营养均衡的挤压谷物产品正日益受到关注。大豆蛋白因含全部九种必需氨基酸而被视为完全植物蛋白，大豆粉具有良好的持水性和挤压耐热性，常与碳水化合物复配用于挤压加工。

当前，利用食品工业副产物/废弃物开发增值挤压产品、提升挤压产品营养特性的市场需求不断增长。啤酒糟（BSG）是啤酒酿造工业的主要副产物，富含膳食纤维（35–60%）、蛋白质（15–26%）、脂质、维生素和矿物质，并含具有抗癌、抗氧化和抗炎活性的羟基肉桂酸类化合物；蔓越莓果渣（CP）是蔓越莓汁加工工业的副产物，富含纤维和抗氧化物质（多酚和花青素），但因蛋白质含量低、pH低且填埋易引发环境问题而应用受限。尽管BSG和果渣已分别被探索用于挤压加工，但将二者联合添加并研究其在热机械加工过程中的交互效应仍十分有限。多种副产物协同利用因高纤维含量和复杂组成而面临独特挑战，可能显著影响挤压产品的膨胀行为和结构特性。此外，挤压温度和螺杆转速会通过影响蛋白质变性和淀粉糊化、物料在挤压机筒内的停留时间及组分间相互作用，进而改变挤压产品的聚合物结构。因此，优化挤压工艺变量对开发BSG、大豆粉、米粉和蔓越莓果渣复配挤压产品具有重要意义。本研究旨在：（1）采用中心复合旋转设计（CCRD）和响应面法（RSM），优化单螺杆挤压机操作变量（挤压温度和螺杆转速）对BSG、大豆粉和米粉复配挤压产品理化性质的影响；（2）考察蔓越莓果渣添加对BSG、大豆粉和米粉复配挤压产品质构和感官特性的影响。

## 主要关键技术方法

研究人员采用中心复合旋转设计（CCRD），以挤压温度（131–159 °C）和螺杆转速（258–342 rpm）为自变量，包含4个析因点、4个轴向点和5个中心点共13组实验；采用响应面法（RSM）建立二阶多项式回归模型，并通过方差分析（ANOVA）验证模型预测效率。使用单螺杆挤压机（Tiger 20，美国American Extrusion International）进行挤压实验，原料为大豆粉（35%）、米粉（30%）、BSG（25%）及罗汉果提取物、乳粉、卵磷脂、单甘酯和食盐等功能辅料，进料水分25%，进料速率20 kg/h。采用质构仪（Instron）测定硬度、脆性及质构剖面分析（TPA）参数。感官评价招募了来自威斯康星大学斯托特分校社区的73名未培训感官评价员，采用9点快感标度进行评价。BSG由当地Jacob Leinenkugel Brewing Company捐赠，蔓越莓果渣由Cranberry Network LLC捐赠。

## 研究结果

### 3.1 挤压产品理化性质的回归与响应面建模

根据CCRD设计制备了13种不同挤压产品，测定了膨胀比、硬度、脆性、固体密度、表观密度、孔隙率、复水比、水溶性指数（WSI）、L值和总色差等理化性质。ANOVA结果显示，挤压温度和螺杆转速对所有响应变量均有显著影响（P < 0.05），模型预测精度为80–97%，表明所建立的RSM回归模型能有效预测响应变量随自变量的变化。

#### 3.1.1 膨胀比

挤压温度与膨胀比呈反比线性关系，螺杆转速与膨胀比呈正比线性关系。最高膨胀比（1.39）出现在131 °C和300 rpm条件，最低膨胀比（1.17）出现在159 °C和300 rpm条件。相对较低的挤压温度（131–140 °C）可能有利于米粉淀粉糊化和大豆粉蛋白质变性，降低熔体黏度，促进气泡成核和增长；而高于140 °C的温度可能导致淀粉和蛋白质热降解，降低模头压力，从而降低膨胀比。BSG高含量的不溶性膳食纤维可能破坏连续淀粉基质、抑制气泡形成。螺杆转速提高可增加机械剪切和比机械能（SME）输入，增强熔体均匀性和黏度，促进淀粉糊化和蛋白质变性，从而提高膨胀比。

#### 3.1.2 硬度与脆性

挤压温度与硬度呈二次关系，与脆性呈反比关系；螺杆转速与硬度呈反比关系，与脆性呈正比线性关系。温度低于140 °C时硬度随温度升高而降低，超过140 °C后硬度随温度升高而增加；脆性随温度升高而降低。较高的螺杆转速可增强剪切力、改善混合、缩短停留时间、产生更高机械能，导致更多细胞壁破裂和膨化，形成更开放酥脆的基质，从而降低硬度和增加脆性。

#### 3.1.3 密度与孔隙率

挤压温度与表观密度呈二次关系，与孔隙率呈相反二次关系；螺杆转速与表观密度呈反比关系，与孔隙率呈正比线性关系。温度升至约140 °C时表观密度降低、孔隙率增加，进一步升温则表观密度增加、孔隙率略有降低。螺杆转速增加可降低熔体黏度并增加面团弹性，促进淀粉糊化，增加膨胀体积，从而降低表观密度并增加孔隙率。固体密度在各处理间变化很小（0.76–0.83 g/mL），这归因于蛋白质–碳水化合物基质固有密度相对恒定。

#### 3.1.4 复水比

挤压温度对复水比呈反比线性效应，螺杆转速对复水比呈正比线性效应。较低的热能（131–140 °C）和较高的机械剪切（270–330 rpm）组合可能促进淀粉糊化、蛋白质展开和模头闪蒸时气泡形成，增强膨胀并形成更开放孔隙网络，从而改善水分渗透并提高复水比。复水比与膨胀比和孔隙率呈线性正相关，与表观密度呈反比关系。

#### 3.1.5 水溶性指数（WSI）

挤压温度对WSI呈反比线性效应，螺杆转速对WSI呈二次效应。较高温度可能导致淀粉和蛋白质快速降解，引发还原糖与氨基的过度美拉德反应，生成高分子量类黑素色素和蛋白质–碳水化合物交联网络，其水溶性较差；高螺杆转速伴随的强烈机械剪切可能与蛋白质聚集及与降解淀粉片段或膳食纤维的复合物形成有关，导致WSI降低。纤维结合酚类化合物和变性蛋白质也可能参与交联，将可溶性分子截留在不溶性基质中。

#### 3.1.6 L值与总色差

挤压温度和螺杆转速对L值和总色差均呈线性效应，L值和总色差均随温度和螺杆转速的增加而增加。较高的挤压温度可能导致BSG和大豆粉中天然色素（如酚类化合物）降解，使挤压产品表面相对变亮，从而L值增加；较高的螺杆转速增强机械剪切并改善混合，形成更均匀的产品结构和表面，进一步提高L值。同时，加剧的加工条件可能促进米粉中还原糖与大豆蛋白中氨基酸之间的美拉德褐变和非酶促反应，生成新的有色化合物，增加总色差。

### 3.2 数值优化与图形优化

采用期望函数法进行数值优化，最优解为挤压温度135 °C、螺杆转速305 rpm，期望值为0.815。在此条件下预测响应变量为：膨胀比1.35、硬度39.32 N、脆性7.64、固体密度0.79 g/mL、表观密度0.43 g/mL、孔隙率44.68%、复水比195.92%、WSI 15.55%、L值41.57、总色差18.75。在135 °C和300 rpm下进行验证实验，各响应变量的百分比预测误差为1.47–8.46%，且预测值与实验值无显著差异（P > 0.05）。图形优化显示最优区域为挤压温度135–138 °C、螺杆转速290–300 rpm。

### 3.3 蔓越莓果渣添加对感官与质构特性的影响

#### 3.3.1 感官特性

73名感官评价员对0%、5%和15%蔓越莓果渣添加挤压产品的颜色、味道、质地和总体可接受性进行了9点快感标度评价。ANOVA结果显示，蔓越莓果渣添加对颜色偏好无显著影响（P > 0.05），这归因于蔓越莓果渣中天然红色花青素色素赋予了良好接受的视觉外观。但对味道、质地和总体可接受性有显著影响（P < 0.05）。Tukey事后检验表明，0%和5%添加样品在味道、质地和总体可接受性方面无显著差异，而15%添加样品显著低于对照组。对照样品的总体可接受性评分为5.97/9，5%添加为5.62/9，15%添加仅4.62/9。味道评分下降可能归因于蔓越莓果渣固有的酸味和轻微苦味；质地评分下降可能与高添加量下粗纤维和不溶性固形物导致砂粒感或硬度增加有关。

#### 3.3.2 质构特性

质构剖面分析（TPA）结果表明，挤压产品硬度（N）随蔓越莓果渣添加量增加而显著增加（P < 0.05），对照、5%和15%添加样品的硬度分别为49.04 N、58.97 N和66.42 N。这归因于蔓越莓果渣中较高纤维和不溶性固形物含量增强了挤压产品的结构密度，纤维丰富的果渣破坏了淀粉熔体连续性，限制气泡增长和稳定化，从而降低膨胀并形成更致密刚硬的基质。内聚性和弹性在各添加水平间无显著变化（P > 0.05），表明基础淀粉–蛋白质基质即使添加15%果渣仍保持结构完整性。胶黏性和咀嚼性随果渣添加量增加呈数值上升趋势，但差异未达统计学显著水平。

## 总结讨论与结论

本研究通过响应面法（RSM）建立的回归模型能够以80–97%的准确率预测BSG、大豆粉和米粉复配挤压产品的理化性质随挤压温度和螺杆转速的变化。响应面模型表明，挤压温度增加了硬度、密度、L值和总色差，降低了膨胀比、脆性、孔隙率、复水比和WSI；螺杆转速增加了膨胀比、脆性、孔隙率、复水比、L值和总色差，降低了硬度、表观密度和WSI。0–15%蔓越莓果渣的添加显著影响挤压产品的质构特性和感官特性，感官和质构分析结果表明，在不显著影响质地、味道或总体可接受性的前提下，蔓越莓果渣可添加至5%。

结论：食品工业副产物啤酒糟（BSG）和蔓越莓果渣与大豆粉、米粉一起，在最优条件（挤压温度135–138 °C、螺杆转速290–300 rpm）下通过单螺杆挤压机被转化为增值挤压谷物/零食。挤压温度和螺杆转速显著影响BSG、大豆粉和米粉复配挤压产品的理化性质，RSM模型预测准确率为80–97%。蔓越莓果渣添加量可达5%而不显著影响产品质地、味道或总体可接受性。利用蔓越莓果渣和BSG开发增值挤压产品，因其高纤维和抗氧化剂含量，为消费者提供了良好的质构特性和健康益处，同时促进了食品工业的可持续性。本研究展示了多副产物体系在挤压条件下的行为，为可持续增值早餐谷物的开发提供了基础，并为未来研究此类挤压材料的营养成分、生物活性特性和微观结构特征奠定了基础。