《Food Bioscience》：Effect of structural characteristics of highland barley β-glucan by various thermal processing methods on intestinal microbial community and fermentative products
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高寒barley β-葡聚糖经四种热处理（蒸汽、油炸、烘烤、挤压膨化）后，挤压膨化处理（EP）的HBBG展现出最强益生效果，显著提升肠道菌群总体丰度（p<0.05）及乳酸杆菌等有益菌绝对数量，并促进短链脂肪酸（SCFAs）生成及碳水化合物代谢通路富集。结构分析表明EP处理保留较高β-糖苷键比例，形成微孔结构，具有最佳水分保持能力和低粘度，增强微生物可及性。本研究为优化热处理工艺及开发新型益生产品提供了理论依据。
李蓉|高吉|张一云|戴子健|李思琪|吴彤|曹家倩|魏克凡|王超|沈群|薛勇
中国农业大学食品科学与营养工程学院国家果蔬工程技术研究中心，北京，100083，中华人民共和国
摘要
青稞是一种富含β-葡聚糖的谷物，在食用前通常会经过各种热处理方法。尽管β-葡聚糖对肠道微生物群的影响引起了大量研究兴趣，但热处理如何影响其益生元功能仍不清楚。在本研究中，使用四种热处理方法（蒸煮、煎炒、薄膜烘焙和挤压膨化）对青稞粉进行处理，随后提取了青稞β-葡聚糖（HBBG）。结果表明，挤压膨化处理的HBBG具有最显著的益生元效果。它显著增加了整体微生物数量（p < 0.05），并特别促进了多种有益细菌的生长，其中乳酸菌属（Lactobacillus）成为特征性菌属。此外，挤压膨化组产生的短链脂肪酸（SCFAs）最多，同时与碳水化合物和氨基酸代谢相关的途径也得到了增强。从结构上看，挤压膨化处理使HBBG的分子量适中，β-糖苷键保留率高，具有微孔性、高持水能力和低粘度，这些特性共同提高了微生物的可利用性。本研究为优化青稞β-葡聚糖的热处理技术提供了理论基础，并表明挤压膨化处理的HBBG具有作为新型益生元产品的潜力。
引言
β-葡聚糖是一种含有β-(1 → 3)和β-(1 → 4)糖苷键的多糖，天然存在于燕麦、大麦和小麦等谷物中（Brennan & Cleary, 2005）。它对人体健康具有多种益处（Wolever et al., 2010）。通过延缓胃排空，其高粘度和持水能力可以降低餐后血糖和2型糖尿病的风险（Hlebowicz et al., 2008）。在肠道健康方面，β-葡聚糖通过抑制机会性病原体和促进有益细菌来调节肠道微生物群（Wang et al., 2020）。例如，在健康大鼠中连续六周口服燕麦β-葡聚糖可剂量依赖性地增加乳酸菌（Lactobacillus）和双歧杆菌（Bifidobacterium）的数量，同时减少肠杆菌科（Enterobacteriaceae）的数量（Shen et al., 2012）。在高脂饮食诱导的2型糖尿病大鼠中，摄入燕麦β-葡聚糖可以改变肠道微生物群组成，增加梭菌属（Clostridium）和丁酸菌属（Butyricoccus）的数量，同时减少拟杆菌属（Bacteroides）、乳酸菌属（Lactobacillus）、摇摆菌属（Oscillospira）和瘤胃球菌属（Ruminococcus）的数量（Zhu et al., 2020）。在患有肠道炎症的小鼠中，β-葡聚糖通过增加短链脂肪酸（SCFAs）浓度、调节肠道微生物群和增强紧密连接蛋白表达来缓解炎症（Bai et al., 2021）。
青稞（Hordeum vulgare L. var. nudum Hook. f.）属于禾本科（Poaceae），是一种富含膳食纤维（如β-葡聚糖）的重要谷物作物，其营养价值与燕麦和普通大麦相当（He & Jia, 2008）。它是中国青藏高原的主要粮食作物，在印度和尼泊尔等国家也有种植（Ge et al., 2021）。为了扩大其食品工业应用，青稞经常经过煎炒、烘焙、挤压和膨化等热处理。许多研究表明，这些处理可以改变多糖的结构和理化性质。例如，烘焙可以引发多糖与蛋白质之间的美拉德反应，从而改变多糖的构象。超过100°C的灭菌处理可能会降解多糖主链，降低分子量和粘度。挤压和蒸煮可以将β-葡聚糖分解成低分子量片段，并提高其水溶性指数（Lee & Inglett, 2006）。这些结构和理化变化会影响多糖与肠道微生物群的相互作用。例如，β-葡聚糖对肠道微生物的调节作用取决于其分子量；高分子量的β-葡聚糖比低分子量的β-葡聚糖更有效地增加了仔猪体内双歧杆菌的数量（Luo et al., 2019）。此外，特定的糖苷键类型对益生元效果至关重要，多糖溶液的粘度也会影响微生物的利用（Huang et al., 2019）。然而，许多多糖的复杂结构阻碍了通过结构变化研究热处理如何改变其益生元功能的机制。相比之下，β-葡聚糖简单的、明确的结构使其成为研究热诱导结构变化如何影响肠道微生物群的理想对象。尽管关于β-葡聚糖对肠道微生物群和代谢物影响的研究很多，但大多数研究依赖于动物模型而非人类微生物群。在主要分类群发生重大变化时，相对丰度可能会产生误导，因为某个分类群的绝对丰度可能保持不变或上升（Tkacz et al., 2018）。在这种情况下，如果没有绝对量化，关于微生物群动态、功能能力和生态相互作用的推断将受到限制（Poudel et al., 2016）。
本研究旨在探讨不同热处理方法对青稞β-葡聚糖（HBBG）的结构特征及其对微生物和代谢物的调节作用的影响。本研究使用四种热处理方法（蒸煮、煎炒、烘焙、挤压膨化）处理青稞粉，然后提取β-葡聚糖进行体外批量发酵，以评估其对肠道微生物群和代谢物的影响。随后在多个尺度上表征了处理样品的结构、物理和溶液性质，以阐明不同热处理对青稞β-葡聚糖引起的肠道微生物群差异反应的机制。
材料与化学品
无麸皮的青稞（Zangqing 2000）粉由西藏奇正青稞健康科技有限公司提供。果寡糖（FOS）和间苯二酚（编号R8150）购自北京Solarbio科技有限公司（中国北京）。半胱氨酸（编号L804954）购自上海Macklin生化有限公司（中国上海）。所有其他化学试剂均为分析级。
去壳青稞粉的热处理
蒸煮（SH）处理：无麸皮的青稞粉
挤压膨化HBBG改变了肠道微生物群的组成和绝对丰度
进行体外发酵以评估热处理对HBBG益生元潜力的影响。48小时后对微生物DNA的分析显示，SH、SF、FB、EP和CG组之间的α多样性（Chao1, Shannon）没有显著差异（图1 B-C）。β多样性（PCA/NMDS）显示EP组与未处理的CG组差异最大，且最接近阳性对照组，表明有益的微生物群变化（图1 D-E）。在属水平上，EP组...
讨论
本研究测试了热处理通过结构和理化修饰改变青稞β-葡聚糖（HBBG）益生元功能的假设，测试了四种热处理后的HBBG类型作为人类肠道微生物群发酵的碳源，并进行了结构/理化表征。结果表明，尽管四种类型的HBBG都调节了肠道微生物群结构并增加了其绝对丰度，但这些效应的幅度...
结论
研究发现，在蒸煮、煎炒、薄膜烘焙和挤压膨化四种热处理条件下，挤压膨化处理的HBBG在体外发酵中表现出最显著的益生元效果，改变了微生物群结构并显著增加了肠道微生物群的绝对丰度，使乳酸菌成为优势菌属。此外，EP组产生的SCFAs水平最高...
作者贡献声明
李蓉：撰写——初稿，可视化，研究，数据管理。高吉：方法学，研究，数据管理。张一云：撰写——审稿与编辑，方法学，研究。戴子健：方法学，正式分析，概念化。李思琪：验证，资源获取，正式分析。吴彤：验证，资源获取，正式分析。曹家倩：方法学，研究，概念化。魏克凡：软件，方法学。王超：可视化，验证。沈群：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（2021YFD2100200/2021YFD2100201）和农业农村部粗粮加工重点实验室启动项目以及成都大学粗粮产业化工程技术研究中心（编号2023CC005）的支持。
