《食品科学》：南京财经大学汤晓智教授等：挤压条件对黑青稞粉淀粉有序结构、功能性组分及理化特性的影响

青稞，禾本科大麦属，是早熟、耐寒、产量稳定、适应性强的杂粮，属于高原优质经济作物。青稞营养组成具有三高两低的特点，富含维生素、矿物质、多酚、黄酮、花青素等功能性组分，长期食用可有效减少营养缺乏症的发生。在不同青稞中，黑青稞的多酚种类丰富，花青素含量较高，具有良好的抗氧化、抗癌、调节血脂、降低胆固醇、降血糖功效，有助于预防及控制糖尿病、肥胖症等慢性疾病的发生。但黑青稞中较高的膳食纤维和较低的麸质含量也导致其制品的适口性差，不易加工成型，极大地限制了黑青稞功能食品的开发。因此，如何在高效保留黑青稞营养组分的同时改善黑青稞粉的理化和加工特性，对显著提升全青稞产品品质的研究具有较强的现实意义。

南京财经大学食品科学与工程学院的吴迪、孙悦、汤晓智*等以黑青稞粉为原料，利用双螺杆挤压机在不同挤压温度（55、70、85、100 ℃）和喂料水分质量分数（30%、40%、50%）条件下制备挤压改性粉，通过对样品中淀粉有序（长程和短程）结构表征、功能性组分（多酚、黄酮、花青素、膳食纤维、

-葡聚糖）和理化特性（糊化度（DG）、色差、水合特性、糊化特性和流变特性）测定，并通过相关性分析明确挤压温度和喂料水分含量与淀粉结构、功能性组分和理化特性的相关性。本研究有助于阐明黑青稞粉挤压改性过程中淀粉结构与功能性组分变化和理化特性间作用关系，可为实现杂粮产品品质精准调控和功能性杂粮食品开发提供理论基础 。

1 温度和水分对挤压过程SME的影响

SME值的高低可以有效反映样品的挤压程度。如表1所示，不同挤压条件处理的样品SME值存在显著差异（

P

＜0.05），在39.91～347.87 kJ/kg，且30%-55 ℃样品的SME值最高，是因为此时淀粉分子吸水溶胀但尚未完全糊化，挤压改性粉流动性较差，物料在筒内停留时间更长，受到的剪切作用较强。50%-85 ℃样品的SME值最低，是由于淀粉分子糊化降解，分子质量降低，挤压改性粉由固体转变为黏弹性流体，黏度显著降低，物料在筒内快速流过，受到的剪切作用较小。当喂料水分含量保持不变时，随着挤压温度升高，SME值降低，这是因为高温促进了淀粉糊化，增强了物料的流动性，从而减少了物料与螺杆及筒体之间的摩擦。在温度保持不变的情况下，随着喂料水分含量的增加，SME值降低，这可能是由于水分子的塑化作用增强了物料分子的柔韧性，进而减少了摩擦 。

2 温度和水分对挤压改性粉中淀粉有序结构的影响

2.1 XRD

图1结果显示，黑青稞原粉在15°、17°、18°和23°处呈现出强烈的衍射峰，为典型的A型结构。在20°处观察到较弱的衍射峰，表明存在少量V型结构。挤压后，A型峰强度降低，甚至消失，V型峰强度随温度上升逐渐增强。55 ℃和70 ℃挤压改性粉仍可见A型峰，是因为低温挤压时淀粉链舒展不完全，仅部分螺旋结构解旋糊化。而85 ℃和100 ℃挤压改性粉的A型结构不明显，表明高温下大部分淀粉糊化，双螺旋解旋，长程有序性降低。解旋的淀粉可能与黑青稞原粉中的客体分子（如脂质、多酚等）形成淀粉-脂质或淀粉-多酚复合物，使得样品出现了V型结构。由表1可知，挤压改性粉的RC为12.53%～19.00%，低于黑青稞原粉（25.12%）。随着温度和喂料水分的升高，挤压改性粉的RC呈下降趋势。在喂料水分不变时，挤压改性粉的RC与温度呈反比关系，高温促进淀粉分子螺旋解旋，降低其长程有序性。同时，剪切作用通过破坏淀粉分子内和分子间的氢键，使淀粉螺旋结构解旋，形成更多无定形结构，降低样品的RC。然而，也有研究表明挤压过程中淀粉链降解会形成短直链，可与游离的脂质、多酚等客体分子形成V型复合物，从而增加样品的RC。温度不变时，样品RC随喂料水分增加而下降，可能是更多水分子的渗透增强了淀粉颗粒的溶胀，使其在剪切作用下长程有序性被破坏。

2.2 FTIR

如图2所示，所有样品FTIR图谱峰形相似，说明挤压改性后并无官能团消失和生成。R1 047/1 022和R995/1 022的值可以揭示不同挤出条件下短程有序和双螺旋结构的变化。由表2可知，30%-55 ℃、40%-70 ℃、50%-55 ℃和50%-70 ℃样品经反卷积处理后，R1 047/1 022显著低于黑青稞原粉，而其他样品与黑青稞原粉无显著性差异。喂料水分为30%时，30%-55 ℃、30%-70 ℃样品在高剪切作用下，淀粉短程有序结构被破坏；30%-85 ℃和30%-100 ℃样品在剪切作用和热效应的共同影响下，降解后舒展的淀粉链在后续冷却过程中发生重排，增加其短程有序性。喂料水分为40%和50%时，随着温度的升高，R1 047/1 022起初呈现下降趋势，是因为在热效应的作用下，淀粉糊化，其短程有序结构被破坏。随着温度的进一步升高，R1 047/1 022的比值也逐渐升高，可能是高温促进淀粉无定形区域发生重排。70 ℃挤压改性粉的R1 047/1 022的比值最低，可能是因为淀粉颗粒吸水溶胀，较高剪切力和一定热效应使淀粉的短程有序结构受到更严重的破坏。低温改性样品

R

995/1 022 值较低， 高温改性样品与黑青稞原粉无显著性差异的结果与短程有序结构变化规律类似，这可能是双螺旋结构的破坏与生成的竞争导致。喂料水分相同，85 ℃挤压改性粉较高的双螺旋比例可能归因于挤压时较小的剪切作用与充足热量会促进淀粉无定形区域重排 。

3 温度和水分对挤压改性粉功能性组分的影响

3.1 多酚、黄酮、花青素

样品的总多酚、总黄酮和花青素含量如表2所示。与黑青稞原粉相比，挤压改性粉的总多酚、总黄酮和花青素含量均显著降低，总多酚和总黄酮含量的变化与挤压温度和喂料水分呈反比。其中，多酚比黄酮和花青素受温度影响更显著。挤压改性粉中总多酚、总黄酮和花青素的含量的显著降低主要是因为挤压导致多酚、黄酮和花青素的降解、氧化和溶出。温度越高，其降解和氧化越严重；喂料水分越高，溶解和浸出增强，也会导致含量降低。此外，挤压过程中的剪切力会断裂多糖的部分糖苷键和氢键，使得部分结合酚变为游离酚，而在水热作用下，更加舒展的淀粉链也会与多酚形成V-型复合物，导致测定值偏低。挤压后总黄酮和花青素含量断层式降低，说明黄酮和花青素对于剪切和水热作用更为敏感。其中，55 ℃挤压改性粉的多酚和黄酮含量保留较多，是因为低温对多酚和黄酮的破坏较小，其分子结构和化学性质能够较好地保持稳定，从而使其得以较多保留。100 ℃挤压改性粉花青素保留较多，可能是花青素的糖苷化形式在高温下比游离形式更稳定。此外，花青素与淀粉通过氢键和疏水相互作用形成复合物，这种复合物结构可以显著提高花青素的热稳定。

3.2 膳食纤维和

-葡聚糖

由表2可知，与黑青稞原粉相比，改性样品的SDF含量均显著升高，这主要是由于挤压过程中剪切作用打断了纤维之间的氢键，导致纤维素、半纤维素和木质素降解，从而增加了SDF的含量。IDF的变化趋势则有所不同：在55 ℃条件下挤压改性粉的IDF含量降低，这可能是由于该温度下剪切作用较强，导致IDF部分转化为SDF；而40%-100 ℃、50%-85 ℃和50%-100 ℃条件下的样品IDF含量相较于黑青稞原粉显著升高（

P

＜0.05），这可能是由于高温高湿环境下生成了更多抗性淀粉，导致测量值偏大。此外，55 ℃挤压改性粉的TDF与黑青稞原粉无显著差异，这主要是由于剪切作用较强，主要发生IDF向SDF的转变，导致总量变化不大。其他样品的TDF含量均增加，这可能是由于在更高的温度下，热和剪切作用不仅使IDF部分转化为SDF，还生成了更多的抗性淀粉，这些抗性淀粉在测定过程中被划为IDF，最终导致TDF含量增加 。

挤压过程对

-葡聚糖含量的影响也十分显著。除30%-85 ℃和30%-100 ℃样品外，挤压均显著增加了样品中

-葡聚糖的含量。整体来看，55 ℃和70 ℃挤压改性粉的

-葡聚糖含量增幅高于85 ℃和100 ℃挤压改性粉，且随着挤压温度和喂料水分的升高，

-葡聚糖含量增幅逐渐下降。这一现象可能与挤压过程中物料受到的剪切作用强度有关。在55 ℃和70 ℃条件下，物料受到更强的剪切作用，破坏了黑青稞原粉中的细胞壁和胚乳，断裂了淀粉和纤维的糖苷键和氢键，从而释放了更多的

-葡聚糖。而在85 ℃和100 ℃条件下，物料受到的剪切力较小，导致糖苷键和氢键破坏较少，

-葡聚糖的增幅因此下降 。

3.3 还原糖含量

样品的还原糖含量见表2。挤压后，除30%-85 ℃样品外，其他样品的还原糖含量显著增加。这主要是因为在挤压过程中，水热和剪切作用促使淀粉分子降解，从而产生更多还原糖。当喂料水分含量相同时，还原糖含量随温度升高先降低后升高，且在85 ℃时最低。这一现象可能与淀粉的短程有序结构变化密切相关，高温促进了淀粉分子的糊化和降解，但过高的温度反而导致还原糖的进一步转化。在55 ℃和70 ℃条件下，挤压改性粉中的还原糖含量高于85 ℃和100 ℃的样品。挤压温度相同时，还原糖含量随喂料水分含量的增加而显著增加，这可能是由于水的塑化作用增加了淀粉链的流动性，使充分溶胀的淀粉颗粒在剪切力和酶解作用下更易发生降解。30%-85 ℃样品的还原糖含量与黑青稞原粉无显著差异，可能是因为在此条件下淀粉受到的剪切力最小，淀粉颗粒破坏程度不高，几乎无还原糖产生。50%-55 ℃样品的还原糖含量最高，一方面可能是部分淀粉酶在此条件下未完全失活，仍能催化淀粉水解成还原糖；另一方面，这与淀粉链的断裂程度较高有关，这与前面的淀粉有序结构结果相吻合。改性后的黑青稞粉因还原糖含量高，适合用于发酵和糖酵解过程。例如，在制作面包时，更多的还原糖可以为酵母发酵提供更多的糖源，提高发酵效率，使面包更加松软。在啤酒酿造中，更多的还原糖可以加速糖化过程，提高糖化效率，进而提升啤酒的风味和品质。

4 温度和水分对挤压改性粉理化特性的影响

4.1 DG

由表3可知，挤压改性粉的DG值整体介于39.63%到94.38%之间，显著高于黑青稞原粉（15.14%，

P

＜0.05）。随挤压温度和水分的升高，DG值呈上升趋势。喂料水分相同时，DG值正比于温度的变化，这可能是热效应作用破坏淀粉分子间和分子内的氢键，使双螺旋解旋，破坏淀粉的结晶结构。温度相同时，DG值正比于喂料水分含量，是因为更多的水分子渗透，淀粉颗粒溶胀增强，促进淀粉分子糊化崩解，这与XRD结果吻合 。

4.2 色差

由表3可知，挤压改性粉的

L

*值介于66.50到70.81之间，显著低于黑青稞原粉（78.87），挤压后样品的

a

b

*和WI值均显著增加。喂料水分含量一定，随温度的升高，挤压改性粉的

L

*值整体呈现先升高后降低的趋势，在85 ℃时最高。但

a

b

*和WI值随温度和喂料水分变化的规律不明显。挤压改性粉的

L

*值在85 ℃时最高可能是在该条件下淀粉受到的剪切力相对较低，淀粉结构破坏较小，还原糖含量最低，美拉德反应较少。

a

b

*和WI值随温度和喂料水分的变化无明显规律，说明挤压处理对色泽的影响可能与多种因素有关。首先，挤压处理可能导致黑青稞原粉中花青素等色素成分的浸出和氧化使得颜色暗淡。其次，挤压处理后，挤压改性粉的DG值明显增加，淀粉分子部分糊化或裂解会产生游离糖，与赖氨酸和其他氨基酸的游离末端发生美拉德反应。另外，挤压处理会改变黑青稞原粉的水合特性，也会影响挤压改性粉颜色 。

4.3 水合特性

由表3可知，挤压改性粉的WAI为3.88～10.68 g/g、WSI为21.82～47.60 g/100 g、SP为7.35～13.67 g/g，与黑青稞原粉相比存在显著差异（

P

＜0.05）。当喂料水分质量分数为30%时，挤压改性粉的WAI、WSI和SP均显著高于黑青稞原粉，这主要是因为挤压过程中剪切作用使淀粉颗粒破裂，有序结构被破坏，分子间和分子内的氢键断裂，双螺旋解旋，从而暴露更多的羟基与水接触。同时，纤维被降解，暴露出更多与水分子结合的位点。此外，WSI的增加还与SDF的增加和还原糖的产生有关。在喂料水分质量分数为40%和50%时，挤压改性粉的WAI和SP随温度升高而增加，与Zhang Zhuo等的研究结果相似。这可能是因为高温有利于淀粉分子的糊化和膨胀。55 ℃和70 ℃挤压改性粉的WAI和SP低于85 ℃和100 ℃挤压改性粉，这表明在较高温度下，淀粉颗粒吸水溶胀，受到更大剪切力和热效应作用，短程有序结构受到更严重的破坏，水合能力降低。挤压改性粉的WSI随温度升高呈现先升高后降低的趋势，在70 ℃时达到最大值。WSI的变化与SDF的增加和还原糖的产生密切相关 。

挤压改性粉的这些特性使其在食品工业中具有潜在应用价值。例如，其较高的保水性可以延缓淀粉的回生，从而延长谷物制品的货架期。因此，挤压改性粉可以作为食品添加剂用于改善食品的质地和延长保质期。

4.4 糊化特性

由图3可知，50%-55 ℃和50%-70 ℃样品的糊化曲线与黑青稞原粉不同，可能与其较低的短程有序度、较低的WAI和SP以及较高的还原糖含量有关。这些特性使样品在加热吸水过程中难以充分溶胀，从而影响了糊化特性。其余样品糊化曲线与黑青稞原粉相似，但峰值黏度出现时间有所提前，这主要是因为挤压过程中样品经过预糊化过程，且DG越高，峰值黏度时间提前越早。由表4可知，挤压改性粉的糊化特性特征值与黑青稞原粉存在显著差异（

P

＜0.05）。峰值黏度和崩解值随温度升高而增加，55 ℃和70 ℃挤压改性粉的峰值黏度和崩解值低于黑青稞原粉，这可能是在剪切作用下更多的B1和B2链被降解成A链，直链淀粉浸出也更多，抑制了峰值黏度的增加。而100 ℃挤压改性粉的峰值黏度和崩解值高于黑青稞原粉，这可能与其更好的有序结构、WAI和SP有关。此外，SDF（包括

-葡聚糖）可能对样品的黏度升高起到了重要作用。

-葡聚糖在水中溶解后本身具有较高的黏度，还能与其他物质形成交联网络，进一步增加体系黏度。样品峰值黏度的提高，可以改善食品的增稠能力和稳定性，如酱料、酸奶等。崩解值随温度和喂料水分的变化规律可能与高温挤压处理引起淀粉颗粒大部分糊化或裂解，形成凝胶结构不稳定有关。除50%-100 ℃样品外，其余样品的谷值黏度均显著低于黑青稞原粉，并随着喂料水分含量增加而降低。这主要是因为高水分条件下，淀粉颗粒的有序结构被破坏，导致其凝胶形成能力下降。所有挤压改性粉的最终黏度和回生值均低于黑青稞原粉，且随着喂料水分含量的升高呈下降趋势。这是因为挤压处理破坏了淀粉颗粒的结构，在强剪切力下，直链淀粉被释放，并与多酚、脂质形成V型复合物，抑制直链淀粉的重排，从而降低凝胶的回生值。这种结构变化不仅降低了样品形成凝胶的能力，但也赋予了其较强的抗老化特性 。

4.5 动态流变学特性

所有样品

G

G

”和tan

变化趋势如图4所示。挤压改性粉的

G

’和

G

”值均小于黑青稞原粉，且随着喂料水分含量的增加而降低。这表明高水挤压时，挤压改性粉形成的凝胶黏弹性较差，淀粉凝胶网络较弱，凝胶的强度大幅降低。这与Wang Yanli等的研究结果类似，认为这可能与分子质量降低和外链缩短有关。样品tan

＜1说明其凝胶均表现出弹性类固相行为。整体上看，除了50%-70 ℃样品外，其他样品凝胶的tan

都随着温度的升高而增加。这表明样品流体性质增强，凝胶强度较弱。凝胶在较低频率下表现更像固体（tan

较低），在较高频率下表现得更像液体（tan

较高）。50%-55 ℃样品更高的tan

说明其形成的凝胶流动性更好，这可能与其较高的还原糖含量、较低的WAI和SP以及短程有序结构有关。这些会使淀粉吸水溶胀困难，导致挤压改性粉黏度低，流动性好。50%-70 ℃样品tan

随着频率增加而降低，说明其高频下表现出更强的弹性特性，而黏性特性相对减弱 。

5 不同挤压条件下挤压改性粉淀粉结构与功能性组分和理化特性间相关性分析

挤压条件与挤压改性粉功能性组分与淀粉结构和理化特性指标间的相关分析结果如图5所示。喂料水分与挤压改性粉的SME极显著负相关（

P

＜0.01），说明水分子塑化作用通过提升物料在挤压时的流动性降低SME。SME与总多酚含量呈正相关，这可能与高水分挤压，物料流动性增强，在螺杆中停留时间较短，导致多酚破坏较少有关。挤压温度与挤压改性粉的DG、IDF、峰值黏度、崩解值极显著正相关，并与总多酚、

-葡聚糖、RC呈极显著负相关（

P

＜0.01）。在低温条件下，总多酚和

-葡聚糖含量较高，淀粉分子舒展不完全，与多酚接触较少，多酚对于淀粉的长程有序影响较低。随着温度的升高，淀粉的DG增加、RC降低，淀粉链舒展，与多酚的接触更多，形成更多的V型复合物，使得IDF含量增加。同时，

-葡聚糖与淀粉的相互作用增强，限制了水的流动性，增加了体系的黏度。WAI、SP与糊化特性（峰值黏度、峰谷黏度、崩解值和最终黏度） 和

R

1 047/1 022 呈显著正相关 ，与还原糖含量和WSI显著负相关。说明淀粉短程有序度越高，越有利于淀粉分子的膨胀吸水增加其糊化特性；此外，SDF和还原糖的溶出导致WSI变大，同时其与淀粉竞争吸水会阻碍淀粉颗粒的吸水溶胀能力 。

综上，挤压过程中黑青稞粉在糊化、塑化与剪切共同作用下调控淀粉结构与功能性组分变化，进而影响挤压改性粉的理化特性。温度升高主要增强了糊化作用，促使淀粉DG显著上升、RC下降，淀粉链充分舒展，与

R

1 047/1 022 所表征的淀粉短程有序结构形成相关，这种结构变化使淀粉更易与水分子结合，提升WAI和SP，进而增强糊化特性。喂料水分的增加主要增强了塑化作用，增强了物料流动性，缩短其在螺杆内的停留时间，降低SME和流变特性，减少多酚热降解，有利于多酚、黄酮、花青素等活性成分保留 。

结 论

本实验系统研究了挤压温度和喂料水分对黑青稞淀粉结构、功能性组分和理化特性的影响，利用相关性分析明确了关键指标。结果表明，挤压破坏淀粉的长程有序结构，随着温度的升高，淀粉结构A型结构特征峰逐渐消失，V型结构形成，双螺旋结构破坏，无定形区域重排，短程有序提高，使得挤压改性粉的WAI和SP得到改善，峰值黏度升高。高温挤压改性粉可作为增稠剂和保水剂使用。挤压处理降低了多酚、黄酮和花青素含量，但增加了膳食纤维、

-葡聚糖和还原糖的含量。低温挤压改性粉适合作为发酵食品添加剂使用。挤压还提高了样品的DG值和抗回生能力，减弱了凝胶网络形成能力，可有效延缓淀粉回生，延长产品保质期。上述结论为杂粮制品挤压加工精准调控和功能性食品开发提供了科学依据。挤压改性粉作为多功能食品添加剂，有助于推动食品加工技术进步 。

作者简介

通信作者：

汤晓智 教授

南京财经大学食品科学与工程学院

汤晓智， 南京财经大学食品科学与工程学院教授，博士生导师 ， 美国堪萨斯州立大学谷物科学系博士、博士后。江苏省高层次创新创业计划引进人才，江苏高等学校优秀科技创新团队“粮油食品绿色精深加工技术”带头人。主要社会兼职：全国生化检测标准化技术委员会委员；全国特殊食品标准化技术委员会委员，特殊医学用途配方食品、特殊膳食食品抽检监测专家委员会委员；中国粮油学会小麦加工与面条制品分会委员；《Journal of Future Foods》 编委。主要研究方向：天然生物高分子的分子结构调控，功能修饰及产业化应用；粗杂粮的绿色精深加工与功能产品创制；食品安全风险因子的快速检测及危害物阻控消减技术研究。作为首席科学家承担了“十三五”国家重点研发计划重点专项项目；已在国内外学术期刊上发表论文200余篇，其中SCI收录论文120余篇，ESI高被引论文9 篇，连续入选2021、2022、2023年全球前2%顶尖科学家榜单 。

第一作者：

吴迪 副教授

南京财经大学食品科学与工程学院

吴迪， 南京财经大学食品科学与工程学院副教授，硕士生导师 ， 2016年博士毕业于南京大学化学专业，首批全国粮食行业科技特派员，江苏省科技副总。主持国家自然科学基金和国家重点研发计划“食品安全关键技术研发”重点专项子课题等国家级科研项目2 项，江苏省重点研发计划（现代农业）子课题等省部级项目3 项，已在国内外学术期刊上发表论文40余篇，授权国家发明专利7 项。主要研究方向为粮油食品绿色加工及副产物综合利用 。

本文《挤压条件对黑青稞粉淀粉有序结构、功能性组分及理化特性的影响》来源于《食品科学》2025年46卷19期，作者：吴迪，孙悦，杜思葳，陆瑜，刘军，汤晓智。DOI：10.7506/spkx1002-6630-20250430-256。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑：彤禾；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网