挤压加工与 β-葡聚糖对青稞淀粉多尺度结构及体外消化率的协同效应

《Journal of Food Engineering》：Synergistic effects of extrusion processing and β-glucan on the multiscale structure and in vitro digestibility of highland barley starch

　　**摘要要点：**• β-葡聚糖（BG）通过氢键作用抑制了挤压诱导的淀粉链降解。• BG增加了挤压淀粉中单螺旋结构的内容量。• 低浓度BG（≤4%）降低了挤压后淀粉凝胶的黏弹性和焓值。• 高浓度BG（6%）在挤压淀粉表面形成了致密的包覆层。• BG通过物理屏障和水分竞争作用，将挤压淀粉的抗性淀粉（RS）含量提高至35.95%。**引言**淀粉是人体日常饮食中主要的能量来源，但其快速的消化速率与肥胖、2型糖尿病等代谢性疾病的发作密切相关（Galarregui等，2018）。为了拓展淀粉的应用范围并提升其营养价值，研究人员从物理、化学和生物学等角度探索了多种改性方法（Thanushree等，2022）。其中，高水分挤压技术是一种高效且绿色的热机械加工方法。该方法可在高温、高水分和高剪切条件下破坏淀粉的结晶结构，诱导淀粉发生糊化、降解和分子重排，从而显著提升淀粉的水溶性、糊化程度和流变特性（Fu等，2025；He, Zhang, Liao, & Shen, 2023）。然而，在改善加工特性的同时，挤压加工也不可避免地导致淀粉多尺度结构发生剧烈改变。挤压过程中产生的强剪切力破坏了淀粉粒的形态，高温使结晶区熔化，引发双螺旋解旋，甚至将直链淀粉和支链淀粉切割成短链片段（Wang等，2024）。这些结构变化通常导致无定形区比例增加，酶的可及性增强，从而加速淀粉的消化速率（Wang等，2024）。加工性能提升与慢消化需求之间的矛盾，已成为制约慢消化挤压谷物制品发展的关键瓶颈。添加非淀粉多糖是一种有效的物理调控策略。β-葡聚糖（BG）是由β-(1→3)和β-(1→4)糖苷键构成的线性多糖。其分子链上富含氢键活性位点，具有优异的保水能力和成胶特性（Othman, Moghadasian, & Jones, 2011）。已有研究证实，BG可通过氢键与淀粉形成复合物，显著影响淀粉的糊化和老化行为（Zhang等，2019）。此外，BG可通过提高体系黏度、竞争水分以及形成抗酶解的物理屏障等机制，降低速消化淀粉（RDS）含量，增加慢消化淀粉（SDS）和抗性淀粉（RS）的比例（Yang, Wang, Jiao, & Jin, 2024）。我们此前的研究发现，在挤压过程中，BG与淀粉之间的氢键复合作用或物理缠绕，可能限制剪切力对长淀粉链的过度降解，同时通过调控水分分布促进冷却阶段发生有序重排（Fu等，2026）。然而，对于BG在挤压条件下对淀粉链降解的抑制或促进作用，以及其对糊化过程中螺旋结构重建的影响，仍缺乏系统认识。此外，这些效应的浓度依赖关系及其多尺度结构基础尚不明确。基于此，本研究旨在揭示依赖于BG浓度的多尺度机制，并系统关联分子量保留、结晶结构演化、螺旋结构重建、微观形貌变化与消化动力学特性。基于上述分析，我们提出以下科学假设：在挤压加工过程中，不同浓度的BG通过氢键介导的分子间相互作用，既能保护淀粉分子链免受过度剪切降解，又能调控冷却阶段的重结晶行为，从而在改善加工特性的同时有效延缓淀粉的体外消化。本研究中以高原大麦淀粉（HBS）为原料，按0%、2%、4%和6%的梯度添加BG，采用高水分挤压技术制备HBS-BG复合体系。通过多尺度结构表征、理化性质分析和体外消化动力学研究，系统揭示BG浓度对挤压复合体系多尺度结构演化及消化行为的调控机制。本研究可为开发兼具优良加工性能和慢消化特性的挤压功能性高原大麦食品提供策略，同时也可为加深理解淀粉与非淀粉多糖在热机械加工过程中的相互作用调控机制提供参考。**材料与方法***材料*西藏农牧科学院（中国拉萨）提供了高原大麦（HB，藏青3000）。胃蛋白酶（≥400 U/mg）和胰酶（4 × USP）均由Sigma-Aldrich（中国上海）提供。*高原大麦淀粉的提取*按照Zhao等（2020）记载的实验方案，从高原大麦中提取HBS。通过该分离工艺所得淀粉组分的总体淀粉纯度（干基）约为93%。*β-葡聚糖的提取*本研究采用的提取操作参考了以下文献……**结果与讨论***颗粒结构*图2展示了不同样品的表面微观形貌。原淀粉态高原大麦淀粉（HBS）颗粒呈椭圆形或不规则形状，表面光滑完整，未见明显裂纹。挤压处理后，HBS颗粒的形貌被完全破坏，碎裂为不规则块状，并伴随严重的表面皱缩和团聚现象。这些变化表明，挤压过程中高温、高压和机械剪切的联合作用……**结论**本研究阐明了BG对挤压淀粉多尺度结构和消化特性的调控作用。BG通过氢键介导的相互作用有效保护淀粉链免受挤压诱导的降解，从而实现了更高的分子量保留率和更窄的分子量分布。BG降低了相对结晶度、短程有序度和双螺旋含量，同时诱导单螺旋结构的形成。在低浓度BG水平下……**作者贡献声明（CRediT）****田宇婷**：写作—审阅与编辑、验证、经费获取。**赵莺婷**：写作—审阅与编辑、经费获取。**项其森**：监督指导。**张文辉**：经费获取。**杜宾超**：调查研究。**杜泽宇**：调查研究。**程路杰**：监督指导。**吴小陆**：调查研究。**李宗培**：调查研究。**傅丽萍**：写作—初稿、研究方法、调查研究、数据整理。**未引用文献**Fu等，2025；Wang等，2022；Yang等，2021。**利益冲突声明**作者声明不存在任何已知的、可能影响本文所报道工作的竞争性经济利益或个人关系。**数据可用性声明**相关数据应要求提供。**利益冲突披露声明**作者声明与本工作不存在任何利益冲突。我们声明不存在任何商业性或关联性利益冲突，不会影响本文所提交工作的独立性。**致谢**作者感谢以下资助项目对本研究的支持：国家自然科学基金（项目编号：32402008）、国家燕麦与高原大麦产业技术体系（CARS-05）、福建省高校科技创新团队计划、福建农林大学科技创新基金项目（项目编号：KFB23125、KFB24093）。**作者列表**傅丽萍 | 李宗培 | 吴小陆 | 程路杰 | 杜泽宇 | 杜宾超 | 张文辉 | 项其森 | 赵莺婷 | 田宇婷