《Current Food Science and Technology Reports》：Starches in Extruded and Processed Foods
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本综述旨在对挤压作为一种可持续的淀粉改性技术进行全面的批判性分析。具体而言，该综述探讨了挤压加工如何改变来自不同植物来源的淀粉的结构、理化及功能特性，以及加工参数如何影响这些改性。近期研究表明，挤压通过糊化、结晶区破坏和分子解聚等机制显著影响淀粉结构。加工条件
本综述旨在对挤压作为一种可持续的淀粉改性技术进行全面的批判性分析。具体而言，该综述探讨了挤压加工如何改变来自不同植物来源的淀粉的结构、理化及功能特性，以及加工参数如何影响这些改性。近期研究表明，挤压通过糊化、结晶区破坏和分子解聚等机制显著影响淀粉结构。加工条件，包括机筒温度、水分含量和螺杆转速，在决定这些转变的程度方面起着决定性作用。此外，新兴方法——如酶辅助挤压、挤压耦合三维（3D）打印以及先进挤压蒸煮系统——已显示出以更高精度调控淀粉功能性的巨大潜力。值得注意的是，挤压还与抗性淀粉形成的增加相关，有助于改善营养特性。挤压促进淀粉中显著的分子重排，从而增强技术性能并扩大工业适用性。通过加工参数控制结构改性的能力使挤压成为设计具有靶向功能性的淀粉基配料的多功能工具。此外，抗性淀粉的生成凸显了其在开发更健康食品中的潜力。总体而言，挤压代表了一种强大且适应性强的策略，对淀粉基食品系统未来的研究创新具有重要意义。
**引言**
淀粉被认为是仅次于纤维素的第二丰富的碳水化合物。作为一种能量来源，它为全球人类提供约60%至80%的热量摄入。淀粉主要存在于玉米、马铃薯、小麦、木薯和大米中，可通过不同方法提取，涉及将淀粉颗粒与其他大量营养素（如蛋白质）及其他植物组织分离。在食品工业中，天然淀粉存在一些限制其应用的局限性，例如冷水糊化能力低、溶解性和剪切强度低，以及高回生和脱水收缩，且易于热分解。因此，作为改善其性能的替代方案，淀粉需经过改性处理，可应用物理、化学和酶法处理。挤压是一种可广泛用于淀粉改性的技术，因为它涉及高温、湿度和剪切力的作用，能促进多种现象，如淀粉熔融和糊化、蛋白质变性以及直链淀粉与脂质之间复合物的形成。此外，该技术已被用于提高营养素的消化率和生物利用度。在此背景下，挤压技术因其快速、高效且环境可持续地促进结构和功能变化的能力，已成为淀粉改性的有前景策略。高温、压力和机械剪切的组合导致淀粉分子组织的显著变化，直接影响糊化、消化率和回生等特性。此外，最近的进展，如酶法挤压和三维打印，进一步扩展了该技术在获得具有特定功能性配料方面的潜力。因此，本综述旨在汇集和讨论挤压在淀粉改性中的主要进展，重点关注其对结构、理化和技术特性的影响，以扩大其在加工食品中的应用。
**淀粉结构**
淀粉颗粒主要由两种多糖组成：直链淀粉和支链淀粉。两者均由通过α-(1,4)键连接的d-葡萄糖残基链构成，并通过α-(1,6)-糖苷键相互连接，从而在聚合物中形成分支。淀粉的结构被认为是复杂的，其中直链淀粉和支链淀粉呈现出五个不同层次：第一层为淀粉的单个线性链；第二层为通过α-(1→6)糖苷键形成直链淀粉和支链淀粉；第三层为支链淀粉侧链（A和B1）组织成双螺旋，形成半结晶区域，分支点位于无定形相中；第四层为半结晶片层与无定形区域交替组织成生长环。直链淀粉通常被描述为线性分子，尽管其某些链中可能存在小分支。这些链很长，可包含数百甚至数千个葡萄糖单元。相比之下，支链淀粉具有高度分支的结构，由相对较短的链组成。其结构中约5%对应分支点，这使得分子具有相当复杂的组织。支链淀粉的短链倾向于形成双螺旋，这些双螺旋组织成结晶区域，有助于淀粉颗粒的半结晶性质。在大多数天然淀粉颗粒中，支链淀粉按重量计构成主要成分，而直链淀粉占15%至30%。另一方面，转基因淀粉可含有约50%至80%的直链淀粉。在其他情况下，蜡质淀粉不含或含极少的直链淀粉。淀粉以颗粒形式的生物合成始于脐点，其形状和大小多种多样，从球形到多边形、椭圆形和不规则小管。这些结构具有半结晶部分和结晶部分，因此被称为半结晶结构。淀粉颗粒本质上是半结晶的，同时含有结晶区和无定形区。结晶区由支链淀粉外部链的短片段形成，聚合度（DP）约为10至20个葡萄糖单元。含直链淀粉的淀粉倾向于产生结构完美度较低的纳米晶体，表明直链淀粉的存在干扰了结晶组织。支链淀粉在淀粉颗粒片层中表现出复杂且相对无序的组织，形成相互连接的主链网络。从该网络中，短链组织成双螺旋并结晶，形成由许多协同作用的螺旋组成的结晶区域。与经典的“簇”模型不同，证据表明一种更开放和灵活的结构（构建块模型）负责这些片层的形成。去分支酶的作用对于防止过度分支和允许半结晶结构的形成至关重要；没有它，会形成可溶性结构（植物糖原）。链的灵活性，尤其在无定形区域，解释了颗粒在热水中溶胀的能力。直链淀粉有助于提高颗粒稳定性，降低链流动性，并充当片层之间的一种“配体”。此外，直链淀粉和支链淀粉都能与碘形成复合物，反映螺旋片段的存在。总体而言，支链淀粉主要负责淀粉的半结晶结构，更近期的模型表明，其组织比先前认为的更加动态、灵活且层次性较低。当经历挤压过程时，淀粉的性质和结构会发生若干变化，这是由于暴露于热、剪切力以及压力。该过程促进共价氢键的断裂，影响淀粉的晶体结构，从而促进淀粉分子的重排，导致抗性淀粉的形成。每种淀粉结构对不同食品中淀粉的最终消化率以及物理、化学或组合改性对其性质的结果都有影响。例如，天然、糊化或回生形式的淀粉显著影响其消化率。由于其结晶结构，天然淀粉更难以被消化；另一方面，在水分存在下加热的淀粉颗粒经历糊化过程，这通常涉及吸水、颗粒溶胀、双螺旋解旋和粘度发展。这些变化可显著促进淀粉消化率。
**抗性淀粉与淀粉改性**
**抗性淀粉**：根据消化速度和位置，淀粉可分为三部分：快速消化淀粉（RDS）、缓慢消化淀粉（SDS）和抗性淀粉（RS）。RDS对应快速水解部分，促进血糖立即升高。SDS在小肠中完全消化，但速度较慢。RS则不被小肠中的消化酶降解，到达结肠后被肠道微生物群发酵。RS已被分为5种类型：RS1（物理上包埋在细胞内的天然淀粉）；RS2（未糊化的天然淀粉颗粒）；RS3（糊化和回生的淀粉）；RS4（化学改性淀粉）；RS5（与脂质复合的直链淀粉）。通常，所有抗性淀粉都具有相同的共同特征，即较低的水保留能力、较低的吸油能力和较低的溶胀力，这使其成为食品中的功能性配料。这是由于改性过程中直链淀粉含量增加和结构致密化，以及表面官能团的变化，使其对水和油滴的可及性降低。淀粉主要呈现三种多晶型物（A、B和C），由双螺旋的排列定义。A型更致密且水合较少，而B型具有更开放的结构和更大的保水性。C型是A和B的组合，常见于豆类，V型则由淀粉与脂质相互作用产生。在结构上，颗粒组织成结晶层和无定形层（生长环），带有半结晶块。通常，B型和C型淀粉由于酶的可及性较低而更耐酶消化。然而，淀粉消化率不仅取决于结晶度，还取决于颗粒大小和形状、直链淀粉/支链淀粉比例、分子结构和表面形态等因素。由于认识到RS及其亚型的重要性，已实施不同技术来增加天然淀粉源中的RS含量，旨在将其用作食品配方中的配料。
**淀粉改性**：天然形式的淀粉未经任何加工，具有多种限制使其在很大程度上不适合应用。因此，工业界和科学界不断评估各种能促进淀粉改性的过程，以增加其有利特性并减少缺陷。改性过程促进了天然淀粉物理和化学特性的若干变化。许多研究报道，改性淀粉具有更大的糊透明度、增加的糊和凝胶质地、成膜性和粘附性，另一方面，它们也具有较低的回生，以及糊凝胶化和凝胶脱水收缩的倾向。在这些淀粉改性过程中，挤压技术已广泛用于食品工业，因为它是一种低成本、高产量、节能且环境友好的过程。
**挤压加工**
食品挤压是一种涉及蒸煮和成型的过程，用于生产具有特定结构、功能和感官特性的食品。食品挤压机涉及在短时间内施加高温，例如可在20至200秒的时间间隔内变化于70至170°C。该过程结合了多个单元操作，如热、压力和高度机械剪切。根据螺杆数量，挤压机可表征为单螺杆、双螺杆和多螺杆挤压机。通常，挤压过程涉及通过旋转螺杆将原料输送通过料筒，其中物料经受压缩、混合和高剪切，促进其均质化。在湿度存在下温度和压力的升高导致向熔融态的转变，并发生理化转变。在模具出口处，压力快速下降导致物料膨胀，产生多孔结构。在该过程中，发生重要改性，如糊化和淀粉降解，以及其他食品成分的变化。粘弹性特性的变化主要受加工变量影响，包括：螺杆转速；温度；水分含量；挤压机几何形状（料筒和螺杆）；以及淀粉和进料组成（如直链淀粉-支链淀粉比例、脂质含量）。
**近期挤压加工技术及其在淀粉改性中的应用**
**近期挤压技术**：在挤压过程中，高水分含量下水分被认为是关键参数，因为淀粉糊化取决于水分含量、温度、时间和剪切形式。例如，低湿度可能导致有限糊化，因为干燥环境使淀粉难以吸水，从而难以膨胀和破裂。在这种情况下，当过程未发生时，会导致低糊化度，这可能损害淀粉基食品的口感和质地，使其变硬和干燥。另一方面，高湿度挤压导致淀粉糊化，使其水分增加到大于40%的值，从而增加其膨胀和破裂。酶法挤压被认为是一种新兴技术，其中涉及在过程中使用内源淀粉酶。挤压机为酶促过程提供理想条件，因为原料中存在内源酶，如淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶和脂肪酶。因此，由于酶的作用导致降解，生物大分子如淀粉、蛋白质和纤维素发生改性或降解。三维（3D）打印通过热挤压是一种涉及加热物料的过程，允许在保持流动性和粘度一定时间的同时发生固化。通常，将原料置于料筒中，通过挤压逐层获得，从而能够生产3D食品。增强挤压蒸煮技术（IECT）涉及一种相对于传统挤压的新挤压形式。该技术具有更长的螺杆长度（1950厘米）、更长的停留时间（18–90秒）、较低的温度范围（50–150°C）和降低的螺杆转速（15–75 rpm），这导致更有影响力的改性，有助于糊化过程中淀粉颗粒更大的膨胀。
**挤压诱导淀粉改性的研究**：挤压过程可以断裂共价氢键并促进淀粉晶体结构的显著变化，这有利于淀粉分子的重排并促进抗性淀粉的形成。这些改性显著影响淀粉的消化率。例如，在Cui等人进行的研究中，应用HE-3DP技术来改性小麦淀粉和咖啡酸的结构。根据结果，作者报告高剪切力和水热处理的应用促进了小麦淀粉晶体结构的破裂，这有助于降低结晶度并增加无定形部分。此外，观察到快速消化淀粉的减少和水合能力的改变，由于分子降解导致峰值粘度和粘度崩解值降低，表明热稳定性可能增加。挤压技术可有效地用于生产预糊化淀粉，严格控制操作参数如温度、压力和剪切强度至关重要。高温有利于淀粉链的糊化，促进晶体结构的解体。同时，适当的压力和剪切条件加剧颗粒破裂和分子降解，导致亲水基团可用性增加。因此，观察到预糊化淀粉功能特性的优化，特别是其水合能力、分散性和粘度发展。在食品工业中，通过挤压的预糊化淀粉可用于生产营养糊和速溶汤，其中它用作增稠和增强风味。重要的是要注意，水分含量与温度一起对淀粉糊化产生强烈影响。在低水分可用性条件下，与过量水系统相比，观察到糊化温度升高。另一方面，在过量水分含量下，由于颗粒高度溶胀，淀粉微晶可能变得无序，因此结晶结构不会保留在更高温度下熔化。一些食品在低湿度条件下挤压，例如谷物在12%–16%水分（湿基）条件下，这低于糊化所需条件，因此溶胀力不相关。在这些条件下，过程的主要效应与高剪切力和特定机械能相关，这些促进淀粉链（直链淀粉和支链淀粉）的断裂，导致分子量降低。因此，结构化网络和分子间相互作用形成能力下降，导致回生倾向降低和储存期间形成的凝胶流变特性减弱，根据Roman等人观察到的结果。除水分含量外，其他点对于确定挤压产品的最终质地也是基本的，例如淀粉的组成和分子结构。高直链淀粉含量的淀粉导致致密和坚硬的产品，而高支链淀粉含量导致轻质、弹性且均匀膨化的挤压物。Sharma等人进行的一项研究评估了不同来源淀粉（如玉米、豌豆和豆类淀粉）的挤压效果。结果表明，玉米淀粉在挤压后具有更大的膨化和较低的结构强度，而富含直链淀粉的豆类淀粉导致膨化较小、更致密和更坚硬的产品。最后，挤压参数，尤其是螺杆温度和转速，直接影响淀粉结构。增加喷嘴长度和直径比会增加膨化率和剪切，降低粘度。另一方面，低剪切保留淀粉颗粒，降低面团粘弹性和膨化。在高粱挤压物中，Mahasukhonthachat等人在中等湿度（约30%）和中等螺杆转速（约250 rpm）条件下观察到更大的淀粉消化。另一方面，在更高转速（约300 rpm）下，缓慢消化淀粉部分增加，快速消化淀粉减少。在高粱-大麦挤压中，螺杆转速对消化率没有显著影响。
**结论**
挤压作为一种高效且多功能的淀粉改性技术脱颖而出，促进其结构和功能特性的显著变化。该过程以高温、压力和剪切的组合为特征，导致晶体结构破裂、糊化和分子重组，有利于抗性淀粉的形成和消化率的调节。此外，操作参数如水分含量、温度和螺杆转速对产品的最终性能起决定性作用。最近的进展，包括酶法挤压、3D打印和改进的挤压技术，进一步扩展了淀粉在加工食品中的应用可能性。这样，挤压不仅改善了淀粉的技术特性，而且有助于开发具有更好营养和功能质量的产品，巩固其作为食品工业有前景的策略。
