固态发酵菌粉强化挤压膨化制品的功能与结构特性研究

《Foods》：Functional and Structural Properties of Extruded Products Enriched with Mushroom-Fermented Flour

　　

： 挤压膨化技术能够开发高营养密度的休闲食品，但大多数商业膨化制品依赖营养贫乏的谷物粉。本研究评估了来自灵芝（Ganoderma sessile，GS）和平菇（Pleurotus ostreatus，PO）的蘑菇发酵粉（mushroom-fermented flours，MFF）以递增替代水平掺入后，对玉米基膨化制品的理化、结构、营养及功能（生物活性）特性相对于玉米对照组的影响。10–20%的部分替代显著降低了膨化指数（expansion index）和硬度，并降低或维持了密度，相对于玉米对照组而言，且未引起结构塌陷。在100%替代水平下，两个菌种表现出显著差异：GS100保持了与玉米对照组在统计学上无差异的膨化指数，其密度数值上更接近但仍显著不同于玉米对照组，同时表现出显著低于含玉米配方的最终糊化粘度；PO100则产生了整个数据集中最高的密度和最低的膨化指数，其糊化曲线基本平坦，尽管两种菌粉在蛋白质、灰分和碳水化合物含量上表现出相近的变化。MFF的掺入显著提高了蛋白质、灰分、总酚、三萜类化合物及还原力，相对于玉米对照组而言，其中100%替代水平下的增益最大；自由基清除能力仅在100% MFF膨化制品中显著提高。这些结果表明，固态发酵结合挤压膨化是生产营养和功能增强型休闲食品的有效策略。

论文解读：

一、研究背景与问题

挤压膨化技术是食品加工工业中的核心技术之一，在即食和即煮食品生产中发挥重要作用，同时也能实现食品副产物的增值利用。该技术通过高温短时处理、高压和高剪切力作用，能够改善食品的质构、消化率和货架稳定性。然而，当前市场上大多数膨化制品使用营养贫乏的原料，如玉米粉和精制淀粉，这些原料蛋白质含量有限、缺乏必需氨基酸，生物活性化合物稀少。此外，许多即食产品高糖高盐，能量密度高但营养价值低。

为应对膨化制品营养缺陷的问题，研究者探索了掺入富含蛋白质、膳食纤维和生物活性化合物的替代原料。蘑菇因其高蛋白质、高膳食纤维和丰富生物活性化合物而被视为功能性配料。以往研究多采用子实体来源的蘑菇粉掺入膨化配方，但固态发酵来源的真菌粉——即真菌在底物上定殖并原位生物转化而不形成子实体——迄今仅应用于烘焙或蒸制食品基质，尚未见应用于挤压膨化加工的报道。子实体来源蘑菇粉生产成本高，且产生大量无法进入食品工业的废弃底物。相比之下，MFF避免了子实体形成的时间和成本，不产生废弃底物残留。

研究人员此前已证明，GS和PO发酵的全麦粉在掺入烘焙产品后能保留其增强的营养和生物活性特性。然而，挤压膨化使同一发酵基质经历根本不同的热机械环境——高剪切、高温短时加热和模口处的膨胀依赖结构形成——其对含MFF配方的影响尚未被表征。因此，本研究旨在评估GS和PO来源的MFF以递增替代水平掺入后，对玉米基膨化制品的理化、结构、营养和功能特性的影响。

二、研究设计与技术方法

研究人员采用单因素实验设计，以发酵粉添加百分比为因素，设4个水平（0%、10%、20%、100%）。响应变量包括膨化制品的物理特性（膨化指数、硬度、吸水指数、水溶性指数）、营养特性（近似组成、可溶性蛋白和还原糖含量）以及功能特性（多酚和三萜含量、抗氧化能力和DPPH自由基清除活性）。每种配方生产两个独立挤压批次，各批次分别评估响应变量。

主要技术方法包括：固态发酵制备MFF（以全麦为底物，分别接种GS和PO菌种，25°C暗处培养14天）；双螺杆挤压膨化加工（Thermo Scientific Process 11，L/D比40，3 mm模口，筒体温度30–130°C梯度，螺杆转速600 rpm）；膨化制品物理特性测定（数字卡尺测量膨化指数和密度，质构仪测定硬度）；RVA快速粘度分析仪测定糊化特性；化学分析（Lowry法测可溶性蛋白，Somogyi–Nelson反应测还原糖，Folin–Ciocalteu法测总酚，比色法测三萜含量，铁氰化钾法测还原力，DPPH法测自由基清除能力）。

三、研究结果

3.1 蘑菇发酵粉特性

发酵粉相比未发酵粉具有更高的粗蛋白、灰分、可溶性蛋白和还原糖含量，以及更低的碳水化合物含量。两种MFF均表现出更高的总酚含量、还原力和自由基清除活性。MFF的糊化曲线显示部分淀粉预糊化，这归因于接种前的灭菌处理本身，而非发酵过程。

3.2 挤压工艺参数

10–20%替代水平的玉米–MFF混合物在比机械能（SME，139–179 Wh/kg）和模口压力（9.0–10.5 bar）上与玉米对照组无显著差异。而GS100和PO100表现出显著更低的SME，归因于发酵过程中淀粉含量降低和预糊化淀粉的存在减少了螺杆剪切阻力。相反，GS100和PO100的模口压力高于含玉米样品，与其较高纤维含量相关。

3.3 MFF对膨化制品物理特性的影响

10–20%部分替代显著降低了膨化指数（EI），其中GS20、PO10和PO20形成统计学同质组（1.76–1.82 mm/mm），GS10居中（1.90 mm/mm）。两种MFF在10–20%替代水平下降低或维持了密度。GS100的EI（1.97 mm/mm）与玉米对照无统计差异，但密度（0.49 g/cm3）显著不同；PO100则表现出全数据集最低EI（1.33 mm/mm）和最高密度（1.03 g/cm3），与严重结构塌陷一致。

3.4 膨化制品硬度

含发酵粉的膨化制品硬度显著低于玉米对照（64.6 N），GS100为全数据集最低硬度（35.8 N），所有玉米–MFF混合物和PO100形成统计重叠的中间组（37.7–44.2 N）。值得注意的是，PO100尽管密度最高，其硬度与10–20%混合物无显著差异，表明其结构塌陷对应的是致密但低内聚性、易碎基质，而非致密的蛋白质–淀粉网络。

3.5 吸水指数与水溶性指数

玉米对照具有最高WAI（612.45%），与GS10和PO10无统计差异；GS20和PO20形成显著较低的中间组；GS100和PO100为最低值（390.00%和404.35%），两者无显著差异。WSI方面，玉米对照为25.10%，玉米–MFF混合物显著降低至12.85–15.20%，而100% MFF样品回升，PO100（24.25%）与玉米对照无统计差异。

3.6 糊化特性

所有样品均未在升温阶段产生真正的峰值粘度，而是接触冷水后立即上升，记录为冷峰（CP）。玉米–MFF混合物的冷峰粘度比挤出玉米高1.6–2.5倍。GS100和PO100的糊化曲线低平，但GS100在冷却阶段表现出可辨的最终粘度上升（FV=1383 cP），而PO100曲线基本平坦（FV=411 cP），表明GS100保留了更多的可再缔合淀粉聚合物。

3.7 化学与营养特性

蛋白质和灰分含量随MFF比例增加而显著提高，100%替代时粗蛋白增加至玉米对照的2.0倍（GS100）和2.3倍（PO100），灰分增加至8.4倍（GS100）和11.4倍（PO100）。可溶性蛋白含量提高至14.8倍（GS100）和16.4倍（PO100），还原糖提高至10.6倍（GS100）和12.0倍（PO100）。脂质仅在100% MFF中显著增加。总酚和三萜含量随MFF比例增加而显著提高，铁氰化钾还原力同步增加，但自由基清除能力仅在100% MFF样品中显著提高。

四、讨论与结论

讨论部分指出，GS100和PO100在近似组成变化相近的情况下表现出截然不同的物理行为，表明仅凭整体近似组成无法解释两种100% MFF膨化制品的相反表现。GS100在RVA分析中较高的最终粘度（1383 vs. 411 cP）与其保留更多功能性可再缔合生物聚合物一致。研究提出若干非互斥假说，包括菌种间细胞壁多糖组成差异、灰分/矿物质含量差异以及真菌菌丝体的物理存在对流变学和吸湿性的影响，但均需直接表征确认。

研究结论：掺入GS或PO来源的MFF改善了玉米膨化制品的营养特性，提高了粗蛋白、灰分和抗氧化化合物含量。10–20%替代水平下，MFF降低了膨化指数和硬度，降低或维持了密度，且不损害膨化制品结构，支持这些混合物用于强化膨化休闲食品的潜力。100%替代时两菌种表现分化：PO–MFF膨化制品表现出全数据集最高密度和最低膨化指数，与低内聚性、易碎基质一致；而GS–MFF膨化制品保持了与玉米对照统计无差异的膨化指数，同时具有低密度和最低硬度。据研究人员所知，这是固态发酵来源真菌粉——区别于子实体来源蘑菇粉——被应用于挤压膨化加工的首次报道。研究结果同时强调，未来需要进行感官评价和生物利用度研究，以确定消费者应用的实际替代限度。