《Foods》：Effects of High-Moisture Extrusion Conditions on the Functionality and In Vitro Digestibility of Waxy and High-Amylose Barley Flours
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本研究评估了高湿挤压（HME）如何改变两种具有对比性淀粉结构的大麦粉——蜡质大麦（Annapurna?）和高直链淀粉大麦（Hilose?）——的结构、功能性及体外消化特性。研究人员在三种水分含量（50%、60%和70%）和两种螺杆转速（100和150 rpm）
本研究评估了高湿挤压（HME）如何改变两种具有对比性淀粉结构的大麦粉——蜡质大麦（Annapurna?）和高直链淀粉大麦（Hilose?）——的结构、功能性及体外消化特性。研究人员在三种水分含量（50%、60%和70%）和两种螺杆转速（100和150 rpm）条件下对样品进行处理。水分含量是影响两种大麦基质响应的主要加工因素，但变化的幅度和方向在很大程度上取决于大麦的组成。在50%水分和150 rpm条件下，较高的单位机械能（SME）与直链淀粉含量增加及抗性淀粉形成相关，其中Hilose?的抗性淀粉含量达到13.8%。相反，在70%水分条件下加工则增加了吸水率和快速消化淀粉含量，Annapurna?的快速消化淀粉含量达到69.6%。中等条件（60%水分，100 rpm）有利于β-葡聚糖保留，并与较高的慢速消化淀粉含量相关，Hilose?的慢速消化淀粉含量超过40%。HME还诱导了基质依赖性的体外蛋白质消化率变化以及淀粉和蛋白质结构组织的改变，这一点通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析和蛋白质分子量分布得以证实。总体而言，研究结果表明，HME对功能性和营养效应的影响取决于加工条件与大麦基质内在淀粉结构之间的相互作用，这支持了利用HME获得具有差异化技术和营养特性的大麦粉的可行性。
# 高湿挤压调控大麦粉结构与营养特性的研究解读
## 研究背景与问题提出
现代饮食中快速消化碳水化合物和高比例低生物利用度蛋白质的过度摄入，已成为肥胖、2型糖尿病等代谢性疾病日益流行的重要推手。谷物基质中的淀粉、蛋白质和膳食纤维等大分子营养素，可通过热机械加工实现结构重组，进而改变酶的 accessibility 并调节消化特性。大麦（*Hordeum vulgare* L.）因富含可溶性膳食纤维尤其是β-葡聚糖而备受关注，其降胆固醇和改善血糖控制等生理功效已获美国食品药品监督管理局和欧洲食品安全局的认可。此外，淀粉组成对消化性和抗性淀粉（RS）形成具有决定性影响。挤压作为一种热机械加工手段，可在控制条件下诱导淀粉和蛋白质的结构转变，但传统低水分挤压（LME）虽能高效糊化淀粉和变性蛋白质，却常伴随高剪切和高湿条件导致的β-葡聚糖降解、蛋白质交联及淀粉片段化等营养品质劣变问题。相比之下，高湿挤压（HME）在较高水分条件下运行，所需单位机械能（SME）较低，理论上可促进淀粉糊化和蛋白质去折叠同时减轻加工强度，但其结构修饰效果高度依赖于食品基质特性。目前，针对大麦粉的HME应用研究仍不充分，尤其是蜡质与高直链淀粉两种截然不同的淀粉架构如何与HME条件交互作用，驱动化学成分变化、大分子重组、工艺功能性及营养消化性的改变，这一知识缺口严重制约了以功能为导向的大麦配料开发。研究人员因此以蜡质大麦Annapurna?和高直链淀粉大麦Hilose?为对象，系统考察HME对两种大麦基质理化组成、大分子组织结构、工艺功能性及体外淀粉和蛋白质消化性的调控规律。
## 研究概述与核心发现
研究人员选用来自Semillas Batlle SA（西班牙）的两种无壳大麦品种，在三种水分含量（50%、60%、70%）和两种螺杆转速（100、150 rpm）条件下开展双螺杆高湿挤压实验，通过系统比较挤压前后样品在化学组成、水合特性、体外淀粉消化性、体外蛋白质消化率及傅里叶变换红外光谱（FTIR）和分子量分布等方面的变化，揭示加工条件与基质内在结构的交互作用机制。结果表明，水分含量是主导大麦基质响应方向的首要加工变量，但其效应方向和幅度强烈依赖于淀粉架构类型。50%水分配合150 rpm的高剪切条件通过促进支链淀粉降解和分子重排，显著提高直链淀粉表观含量并诱导抗性淀粉形成，其中Hilose?的RS含量达到13.8%；70%水分则促进完全糊化，使Annapurna?的快速消化淀粉（RDS）高达69.6%，同时增强吸水能力；中等湿度（60%水分，100 rpm）条件最有利于β-葡聚糖保留，并与超过40%的慢速消化淀粉（SDS）形成相关联。这一发现证实HME可作为大麦粉功能定向修饰的有效工具，通过将原料内在特性与可控加工条件相结合，能够制备具有差异化技术及营养特性的谷物配料，为血糖调控型食品开发提供了全新思路。
## 关键技术与方法
研究人员采用同向双螺杆挤出机（TwinLab-F 20/40，C.W. Brabender?）在恒定喂料速率3 kg/h、机筒温度梯度50–100 °C条件下完成挤压处理，实时记录模头压力（DP）和SME。化学组成分析采用Dumas燃烧法测定蛋白质，Megazyme试剂盒测定β-葡聚糖、总淀粉和直链淀粉含量。体外淀粉消化性依据Englyst法分为RDS（20 min内水解）、SDS（20–120 min）和RS（120 min后未水解部分）；体外蛋白质消化率（IVPD）采用pH-drop法测定。结构表征方面，利用FTIR-ATR分析淀粉短程有序结构（1047/1022 cm?1和995/1022 cm?1比值）及蛋白质二级结构（酰胺I带和酰胺II带），并通过高效液相色谱（HPLC）测定蛋白质分子量分布。统计分析采用三因素方差分析（ANOVA）、Tukey HSD检验、Dunnett多重比较检验及主成分分析（PCA）。
## 主要研究结果
### 挤压参数的交互效应
三因素ANOVA显示，品种（V）对几乎所有响应变量的影响最为强烈，证实了大麦基质内在特征在决定功能性和消化性结果中的主导作用。V×rpm交互作用仅对WAC和WAI显著，表明螺杆转速对两种大麦品种的影响方向相似；而V×MC交互作用对除蛋白质含量和OAC外的大多数性状均显著，指示水分效应具有强烈基质依赖性。rpm×MC交互作用则主要影响功能性和消化性相关指标。
### 挤压产品的化学组成与挤压参数
50%水分条件普遍提高SME和DP，而150 rpm增加SME但降低DP。挤压后两种大麦的β-葡聚糖含量均下降，Annapurna?减少25–29%，Hilose?减少27–36%，且在60–70%水分条件下保留率相对较高。直链淀粉含量在挤压后总体增加，50%水分+150 rpm条件下增幅最大，Annapurna?的直链淀粉含量从5.34%增至12.25%，增幅超过55%。该现象归因于挤压过程中支链淀粉优先降解，而非天然直链淀粉的真实增加。
### 水合与功能特性
挤压后WAC呈基质依赖性变化：Annapurna?在70%水分时达到最高WAC，而Hilose?则在50%水分时最大，反映出淀粉刚性结构对机械能的不同需求。OAC在挤压后未发生显著变化。WAI在两种大麦中均下降，与β-葡聚糖降解有关。WSI在挤压后均显著上升，Annapurna?在50%水分+150 rpm时达到最大值，而Hilose?在60%水分+100 rpm时最大。SP方面，Hilose?在50%水分+150 rpm时显著增加，Annapurna?则保持较高SP且处理间无显著差异。
### 体外淀粉消化性
水分含量是影响淀粉分级的最主要因素。RDS在70%水分时普遍增加，Annapurna?达到69.6%，与完全糊化后形成的无定形结构易被酶解相关；Hilose?的RDS则因高直链淀粉结构的刚性而较低。SDS在60%水分+100 rpm时达到峰值，Hilose?超过40%，该条件恰好与最高β-葡聚糖保留率相吻合，且相关性分析证实β-葡聚糖含量与SDS呈显著正相关（r = 0.525，p = 0.017）。RS在50%水分+150 rpm时最大，Hilose?达13.8%，明显高于Annapurna?，归因于高剪切条件下支链淀粉降解后线性分子增多、分子重排形成抗酶解的RS3型回生淀粉。
### 体外蛋白质消化率
HME对IVPD的效应呈鲜明的品种对比：Annapurna?在所有挤压条件下IVPD均下降，最低值出现在100 rpm+70%水分，与蛋白质聚集体及蛋白质-淀粉-β-葡聚糖复合物的形成有关；Hilose?的IVPD在挤压后与天然粉基本持平或升高，最高值出现在150 rpm+60%水分，表明较高机械能可破坏高直链淀粉基质的刚性蛋白质-淀粉组装体，提高酶可及性。
### FTIR结构与分子量分布分析
挤压后两种大麦的1047/1022 cm?1比值均下降，表明淀粉结晶有序度降低，结构向无定形状态转变；995/1022 cm?1比值在Annapurna?中下降而在Hilose?中上升，提示高直链淀粉基质中线性直链淀粉发生部分双螺旋重组。蛋白质二级结构方面，挤压诱导α-螺旋含量下降和无规卷曲含量增加，与部分蛋白质去折叠一致，其中60%水分对无规卷曲形成的促进作用最强。酰胺I/酰胺II比值是最敏感的响应参数，最低值出现在150 rpm+50%水分。蛋白质分子量分布（MWD）显示，两种大麦在150 rpm+50%水分条件下均出现大分子片段（>13,000 Da）减少、中低分子量片段增加的现象，与蛋白质裂解相符；Annapurna?在150 rpm+70%水分时出现较多高分子量物质，提示在该高湿条件下蛋白质聚集占优势，而Hilose?的MWD则相对稳定。
### 主成分分析
分别对两种大麦进行的PCA显示，水分含量与PC1强相关（Annapurna?解释48.71%，Hilose?解释48.65%的方差），螺杆转速主要与PC2相关（分别解释21.73%和22.68%）。50%水分样品在PC1正侧聚集，并与较高直链淀粉含量和RS形成相关；60–70%水分样品则与SDS和β-葡聚糖含量更接近。WAC与RDS正相关，表明具有更开放基质结构的样品更易于水吸收和酶水解。PCA进一步证实了水分含量作为主导加工因子、基质淀粉架构作为响应调节器的核心地位。
## 结论与展望
研究结论明确表明，HME能够以基质依赖性方式改变大麦粉的结构、理化和营养特性，水分含量是最具影响力的加工变量。两种大麦基质在SME和DP方向上对MC和转速的响应相似，但其组成差异导致了淀粉和蛋白质层面的不同响应。50%水分+150 rpm条件通过高机械能输入促进直链淀粉含量增加和抗性淀粉形成，为开发低升糖指数配料提供了可行的加工窗口；70%水分有利于提高淀粉糊化程度、吸水性和RDS，适用于需要快速能量释放的产品设计；60%水分+100 rpm条件则通过β-葡聚糖保留和慢速消化淀粉富集，为血糖平稳释放型食品提供了新的加工策略。HME诱导的蛋白质二级结构和分子量分布的基质特异性变化，提示挤压对IVPD的影响取决于蛋白质去折叠、裂解、聚集与淀粉-β-葡聚糖基质内相互作用的动态平衡。整体而言，利用蜡质与高直链淀粉大麦的内在差异，通过HME加工条件的精确调控，可生产具有差异化结构、技术和营养特性的功能性大麦配料，为以健康为导向的谷物食品开发提供了科学依据和实践路径。
