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临床试验表明，谷物中只有大约三分之一的难消化碳水化合物能被肠道微生物利用。为了解决这个难题，研究人员对全谷物纤维应用了多种加工方法，发现不溶性细胞壁基质的可发酵性得到了显著提升，这可能是由于纤维降解细菌的可及性提高了。在全谷物（WGs）的加工处理中，挤压加工因其精简、高效且连续的系统而脱颖而出。在挤压机内，碳水化合物的分子间氢键受到压力、温度和剪切力的协同作用，导致淀粉分解和糊化、部分纤维降解和退化，最终改变了全谷物的碳水化合物状况。
挤压加工对全谷物的各种碳水化合物成分有不同的影响，在胃肠道内产生不同的消化和代谢结果，如餐后血糖水平、肠道微生物群组成、短链脂肪酸等，这些又会影响人类健康。例如，挤压加工可以影响全谷物中快速消化淀粉（RDS）、慢速消化淀粉（SDS）和抗性淀粉（RS）的比例，这与血糖生成指数（GI）值显著相关。具体来说，GI 值与 RS 和 SDS 含量呈负相关，与 RDS 含量呈正相关。一项体外研究发现，经挤压加工处理的薏苡仁的消化率明显低于传统烹饪处理的薏苡仁。这种变化伴随着 RDS 和 SDS 的百分比降低，以及 RS 比例的增加。另一项动物研究发现，在高脂肪饮食中添加挤压加工的全谷物（荞麦、燕麦和黑豆）可增加小鼠体内丁酸盐的产生，提高拟杆菌门的相对丰度，并降低厚壁菌门的相对丰度，这改善了小鼠的肠道菌群紊乱。
然而，目前关于挤压技术在全谷物加工中的应用研究主要集中在结构、物理化学和功能特性的变化上，如孔隙和裂缝的出现、分子颗粒分布、表面粗糙度、膨胀性、粘度、淀粉消化率等。在阐述加工方法、全谷物与肠道健康之间的关系时，当前研究中仍有几个关键点需要解决：（1）基于对碳水化合物组分以及肠道健康的影响，比较挤压技术对不同类型全谷物的加工益处；（2）评估不同种类的挤压全谷物（EWGs）产品对需要控制血糖的人群的饮食适宜性；（3）探索上消化道消化后，挤压全谷物消化食糜对结肠微生物组的实际影响。
为了解决这些紧迫的问题，我们对挤压工艺、碳水化合物、消化和代谢之间的相互作用进行了全面研究。我们选择了对八种广泛消费的全谷物进行挤压膨化处理，即大麦（Hordeum vulgare L.）、谷子（Setaria italica var. germanica (Mill.) Schred）、荞麦（Fagopyrum esculentum Moench.）、青稞（Hordeum vulgare Poaceae）、薏苡仁（Coix lacryma-jobi L.）、高粱（Sorghum bicolor (L.) Moench）、燕麦（Avena sativa L.）和糜子（Panicum miliaceum L.）。我们检测了这些全谷物在挤压处理前后的碳水化合物组成，并通过体外口腔、胃和小肠消化模型分析了挤压全谷物的淀粉水解趋势、组分、消化动力学模型和血糖生成指数。随后，采用体外粪便发酵模拟研究挤压全谷物消化物对气体产生、pH 值、短链脂肪酸和肠道微生物组成的影响。体外模型对于研究特定的饮食成分特别有效，因为新鲜获得的人类粪便样本在短时间内保留了与人类肠道中相似的微生物特征。这种方法不仅节省时间和资源，还避免了伦理问题，并允许对实验变量进行严格控制，提高了可重复性。通常情况下，该实验包括将底物、培养基和粪便样本加入一个封闭系统中，然后进行 24 至 48 小时的发酵。本研究通过全面的体外全消化代谢模拟，深入探究了挤压全谷物与胃肠道健康之间的复杂相互作用。这些发现为开发基于挤压全谷物的功能性产品提供了坚实的科学依据。
挤压后的青稞、荞麦、薏苡仁、谷子、大麦、燕麦、糜子和高粱样品分别命名为 HE、BUE、CE、FE、BE、OE、PE、SE。我们的研究结果表明，挤压加工可以显著影响淀粉的结构特性和消化率。挤压处理后，谷子、大麦和高粱中的总膳食纤维（TDF）含量显著增加（p<0.05）。挤压全谷物（EWGs）的消化结果表明，挤压后的薏苡仁、燕麦和高粱由于淀粉水解程度低以及抗性淀粉（RS）和慢速消化淀粉（SDS）含量较高，能够更好地控制血糖生成指数（GI）值。总膳食纤维含量较高的挤压全谷物（HE、FE、SE、OE 和 BE）显示出更高的短链脂肪酸产量，其中挤压青稞在产生丙酸和丁酸方面表现出优越的能力。挤压大麦、荞麦、燕麦和黍子显著提高了微生物多样性。所有八种挤压全谷物都显著抑制了嗜胆菌属的生长，并促进了普雷沃氏菌属、巨单胞菌属、巨球型菌属、双歧杆菌属、副拟杆菌属和考拉杆菌属等有益细菌的生长。这项研究为挤压技术在功能性全谷物产品中的应用提供了坚实的科学依据。
图形摘要
Fig. 1. In vitro starch hydrolysis rate of eight EWGs. Results are expressed as means ± SD (n = 3). Different superscript letters in the same column mean p < 0.05 according to one-way ANOVA with Tukey's post-hoc test. Abbreviations: BE, barley extrudates; OE, oats extrudates; FE, foxtail millet extrudates; PE, proso millet extrudates; SE, sorghum extrudates; HE, highland barley extrudates; CE, coix seed extrudates; BUE, buckwheat extrudates.
Fig. 2. Starch fractions (g/100 g) of EWGs. Results are expressed as means ± SD (n = 3). Different superscript letters on a cylinder of the same color mean p < 0.05 according to one-way ANOVA with Tukey's post-hoc test. Abbreviations: BE, barley extrudates; OE, oats extrudates; FE, foxtail millet extrudates; PE, proso millet extrudates; SE, sorghum extrudates; HE, highland barley extrudates; CE, coix seed extrudates; BUE, buckwheat extrudates.
Fig. 3. Gas production and pH changes during in vitro fermentation (samples are pre-digested). (A) gas production of digested WGs extrudates; (B) pH of digested WGs extrudates. Results are expressed as means ± SD (n = 3). Different superscript letters mean p < 0.05 at 48 h, according to one-way ANOVA with Tukey's post-hoc test. Abbreviations: BE, barley extrudates; OE, oats extrudates; FE, foxtail millet extrudates; PE, proso millet extrudates; SE, sorghum extrudates; HE, highland barley extrudates; CE, coix seed extrudates; BUE, buckwheat extrudates; INU, inulin; FEI, fecal inoculum.
Fig. 4. Main SCFAs production during in vitro fermentation (samples are pre-digested). (A) total SCFAs; (B) acetic acid; (C) propionic acid; (D) butyric acid. Results are expressed as means ± SD (n = 3). Different superscript letters mean p < 0.05 at 48 h, according to one-way ANOVA with Tukey's post-hoc test. Abbreviations: BE, barley extrudates; OE, oats extrudates; FE, foxtail millet extrudates; PE, proso millet extrudates; SE, sorghum extrudates; HE, highland barley extrudates; CE, coix seed extrudates; BUE, buckwheat extrudates; INU, inulin; FEI, fecal inoculum.
Fig. 5. Diversity analysis of gut microbiota after 48 h in vitro fermentation (samples are pre-digested). (A) Chao1 index; (B) Shannon index; (C) Principal component analysis (PCA). Results are expressed as means ± SD (n = 3). “∗” means p < 0.05 between sample and blank control group compared (fecal inoculum) based on independent samples t-test. “#” means p < 0.05 between sample and positive control group (inulin) based on independent samples t-test. Abbreviations: BE, barley extrudates; OE, oats extrudates; FE, foxtail millet extrudates; PE, proso millet extrudates; SE, sorghum extrudates; HE, highland barley extrudates; CE, coix seed extrudates; BUE, buckwheat extrudates; INU, inulin; FEI, fecal inoculum.
Fig. 6. Relative abundances in phylum and genus levels of gut microbiota after 48 h in vitro fermentation (samples are pre-digested). (A) relative abundances in phylum; (B) relative abundances in genus; (C) Abundances of major genus. Results are expressed as means ± SD (n = 3). Different superscript letters mean p < 0.05 among different samples according to one-way ANOVA with Tukey's post-hoc test. Abbreviations: BE, barley extrudates; OE, oats extrudates; FE, foxtail millet extrudates; PE, proso millet extrudates; SE, sorghum extrudates; HE, highland barley extrudates; CE, coix seed extrudates; BUE, buckwheat extrudates; INU, inulin; FEI, fecal inoculum.
https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2024.110756
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肉与肉制品 蛋与蛋制品 水产品 奶及奶制品
豆及豆制品 果蔬及果蔬制品 大米及米制品 食用菌
炎症性肠病 糖尿病 肝病 神经疾病
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