低水分挤压改性香菇菌柄（LESs）增强面团性能：膳食纤维组成的关键影响及其在开发低升糖指数功能食品中的潜力

《Food Chemistry: X》：Extrusion-modified Lentinula edodes stems enhance dough properties: Dependence on dietary fiber composition

为提升富含膳食纤维的真菌副产物在面制品中的应用价值，研究人员探索了低水分挤压预处理对香菇菌柄（LESs）的改性作用，并系统研究了改性后LESs对小麦面团结构特性、流变行为及体外消化率的影响。结果表明，适当添加挤压改性LESs（≤15%）能促进面团中水合凝胶网络的形成，延缓淀粉回生，降低淀粉水解率，这为开发兼具优良质构和益生元功能的新型烘焙食品提供了理论依据。

　　

传统的面制品，如面包、面条、蛋糕等，虽然美味，但在质构表现、感官品质和营养构成方面仍有提升空间。小麦粉作为食品生产的主要原料，其功能特性在很大程度上决定了最终产品的品质。近年来，富含膳食纤维的食用真菌作为潜在的质构改良剂和营养强化成分受到广泛关注。香菇菌柄（Lentinula edodes stems， LESs）是香菇加工的副产物，含有丰富的膳食纤维，但主要成分为不溶性膳食纤维（IDF），直接添加到面团中可能会破坏淀粉基质连续性，不利于面制品品质。如何通过物理改性技术，调控LESs中膳食纤维的组成与结构，从而改善其在面团体系中的功能表现，成为一个值得研究的问题。本研究旨在探索低水分挤压（Low-moisture extrusion， LME）预处理对LESs的改性效果，并系统评估改性后LESs对不同添加水平下面团结构特性、流变性质和体外消化率的影响。此项研究成果发表在《Food Chemistry: X》上。

为了开展这项研究，作者团队主要运用了几种关键技术方法：首先，使用平行同向双螺杆挤出机对含水量调整为30%（w/w）的LESs进行低水分挤压预处理（三区温度分别为60°C、80°C和100°C）。随后，将未处理及挤压处理的LESs以不同比例（10%、15%、20%， w/w）与小麦粉混合，制备面团样品。在表征分析方面，研究者采用了多种技术：利用激光粒度分析仪（Mastersizer 3000）测定面团样品的粒径分布；通过场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）观察微观结构；采用X射线衍射仪（XRD）分析结晶结构，并计算相对结晶度；借助傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）分析分子短程有序结构；使用快速粘度分析仪（RVA）测定糊化特性；利用流变仪（HR20）进行动态频率扫描和稳态剪切测试以评估流变行为；采用质构分析仪（TMS-Pilot）进行质地剖面分析（TPA）；最后，通过体外模拟消化实验评估淀粉的消化特性，计算总水解率以及快速消化淀粉（RDS）、慢消化淀粉（SDS）和抗性淀粉（RS）的比例。所有数据均通过SPSS软件进行统计分析和显著性检验。

研究结果部分如下：

3.1. 粒径分析

通过激光粒度分析发现，随着挤压改性LESs添加量的增加，EW样品的粒径分布变宽。在15%添加水平下，EW-15样品的平均粒径比未添加LESs的WD样品增加了35.07%。这可能归因于挤压诱导产生的可溶性组分增强了LESs与淀粉之间的相互作用，促进了淀粉水合与溶胀。相反，添加未处理LESs的LW样品粒径减小，其中LW-15样品粒径最小。这被认为是由于LESs中的不溶性膳食纤维限制了淀粉聚集和水分子渗透，从而抑制了淀粉颗粒的溶胀。

3.2. 微观结构分析

扫描电镜图像显示，添加未处理LESs会导致面团结构出现断裂，这可能是因为不溶性纤维阻碍了水分渗透并破坏了基质连续性。相比之下，挤压改性LESs的加入促进了面团中蜂窝状网络结构的形成。这些不规则孔隙可能是由冻干过程中的水分蒸发造成的。此外，可溶性膳食纤维在面团基质中保留了更多的水分，从而促进了孔隙形成。

3.3. 晶体结构分析

XRD结果表明，所有样品在2θ为13°、17°、20°和24°处均显示出衍射峰，表明存在B型和V型晶体构象。添加未处理LESs的LW-15样品的相对结晶度低于WD样品，表明不溶性膳食纤维的加入会干扰直链淀粉重排和双螺旋结构形成，从而抑制淀粉回生。而添加挤压改性LESs（特别是EW-15样品）显著提升了面团的相对结晶度。这表明挤压引起的膳食纤维组成和结构变化可能促进了淀粉链的重新缔合和结晶域的发展。

3.4. 分子结构

FTIR光谱分析显示，在指纹区（900-1200 cm^-1）进行了高斯分峰拟合。加入未处理LESs后，LW样品的R_1047/1022和R_995/1022值均下降，这表明LESs可能阻止淀粉链重排并抑制短程有序结构的形成，这与XRD结果一致。而EW-15样品的R_1047/1022和R_995/1022值达到最大，说明适当水平的挤压改性LESs可有效调节淀粉分子结构，增强面团体系的短程结构有序性。?1 to 1022 cm^?1(R_1047/1022, blue line) and 995 cm^?1to 1022 cm^?1(R_995/1022, red line); (c)-(d) Deconvoluted spectra (900–1200 cm^?1). WD sample represents the wheat dough without untreated LESs addition, while the LW-10, LW-15, and LW-20 samples denotes the wheat dough added with 10%, 15%, and 20% untreated LESs, respectively. EW-10, EW-15, and EW-20 samples represent the wheat dough added with 10%, 15%, and 20% extruded LESs, respectively.">

3.5. 快速粘度分析

RVA结果显示，与WD样品相比，LW样品表现出更高的峰值粘度（PV）、谷值粘度（TV）和最终粘度（FV）。而挤压改性LESs的加入则显著降低了EW样品的粘度。衰减值（BV）反映了淀粉颗粒在糊化过程中的热稳定性和回生倾向，添加LESs增大了BV，表明LESs降低了面团体系的热稳定性并加速了回生。回生值（SV）代表淀粉重结晶程度，与直链淀粉在短期回生过程中的重排有关。相对于WD样品，EW样品显示出显著更低的SV值，表明淀粉回生被延迟。这表明在15%以下的水平添加挤压改性LESs有利于在面团中形成稳定的凝胶网络，同时延缓淀粉回生。

3.6. 流变特性

动态流变分析表明，所有样品的储能模量（G‘）均高于损耗模量（G”），表明体系以弹性为主。随着未处理LESs添加量的增加，LW样品的G‘值降低，这可能是因为LESs与淀粉竞争水分，限制了可用于糊化的水量。随着挤压改性LESs添加量的增加，G‘和G”值逐渐下降，表明面团凝胶网络被削弱。稳态剪切流变行为分析显示，所有面团样品的表观粘度均随剪切速率增加而降低，呈现剪切稀化行为。所有样品的流动行为指数（n）均小于1，证实了其假塑性特征。这些结果表明，LESs对流动行为的调控为优化富含纤维的烘焙产品的质构和流变特性提供了可能。

3.7. 质构分析

质地剖面分析（TPA）显示，与WD样品相比，LW样品的硬度更低，这可能归因于LESs中的不溶性膳食纤维渗入面团基质并破坏了其致密结构。相比之下，EW样品的硬度、咀嚼性和弹性均显著更高。这归因于挤压改性LESs可以诱导蛋白质、淀粉和膳食纤维之间发生交联，从而形成复杂的凝胶网络。适当添加挤压改性LESs（约15%）有利于生产出具有优异咀嚼性和弹性的面团。

3.8. 体外消化

体外消化实验结果表明，与WD样品相比，添加未处理LESs加速了淀粉水解。有趣的是，添加15%的挤压改性LESs使面团的总水解率从49.62%降至46.23%。这种降低可以解释为挤压过程中产生的可溶性膳食纤维比例增加，其与淀粉分子相互作用并限制了酶的可及性。在淀粉组分方面，EW-15样品表现出最高比例的RS，达到55.17% ± 1.11%。这些结果表明，富含膳食纤维的材料具有调节淀粉消化率和餐后血糖反应的潜力。

3.9. 相关性分析与潜在机制

皮尔逊相关性分析表明，未处理LESs的添加水平与总水解率呈正相关，而与相对结晶度、R_1047/1022比值、硬度、咀嚼性和弹性呈负相关。挤压改性LESs则与硬度、咀嚼性和弹性呈正相关，而与相对结晶度、R_1047/1022比值和总水解率呈负相关。基于此，研究提出了LESs调控小麦粉结构和理化性质的潜在机制。低水分挤压作为一种改性技术，通过高温挤压和膨胀效应的协同作用，有效调控了膳食纤维的组成并增强了其功能特性。具体而言，该过程主要通过在高压力和剪切应力的协同作用下破坏分子间氢键，促进不溶性纤维向可溶性纤维的转化。可溶性组分因其强亲水性促进了凝胶化，导致面团内形成连续致密的凝胶网络结构。这种网络结构限制了消化酶的可及性，延缓了淀粉水解过程。相比之下，LESs中的不溶性纤维可能破坏面团基质的连续性并损害网络完整性，从而增强了淀粉水解。微观结构演变与功能特性之间的联系，突显了挤压改性LESs在塑造面团结构和调节消化率方面的关键作用。

本研究清晰地揭示了香菇菌柄（LESs）对面团结构参数、流变行为和体外消化率的显著影响，且这种影响取决于膳食纤维组成和添加水平。以不溶性膳食纤维为主的未处理LESs主要破坏了淀粉基质的连续性，导致面团弹性和粘度减弱。相比之下，挤压改性LESs可以通过氢键与溶出的直链淀粉相互作用，从而降低面团粘度。更重要的是，较高比例的可溶性膳食纤维促进了致密凝胶网络的形成，这限制了酶的可及性并降低了淀粉水解率。总而言之，在可溶性和不溶性膳食纤维之间取得适当的平衡对于精细调整面团结构和质构至关重要，而合适的加工条件可以进一步最大化其功能和营养效益。这些结果为开发兼具理想品质和显著健康益处的富含纤维的烘焙产品提供了支持。该研究不仅为香菇菌柄副产物的高值化利用提供了新思路，也为开发低升糖指数（Glycemic Index， GI）的功能性淀粉基食品提供了创新的策略。通过物理改性调控膳食纤维组成，可以定向改善面制品的加工特性和营养品质，具有重要的理论价值和广阔的应用前景。