综述：通过热塑性挤出技术对富含碳水化合物的副产品的价值化利用：近期进展的系统性综述

本文系统回顾了2019-2024年间35项关于利用碳水化合物富集副产物（CBPs）通过热塑性挤出加工的研究，重点分析CBPs（水果和谷物副产物为主）的加工参数优化、对产品 techno-functional（溶质性、水分保持能力等）、营养（膳食纤维、氨基酸）及感官特性影响，指出CBPs需通过精准调控水分、温度、螺杆速度等参数以平衡质构与营养，同时需解决感官接受度问题，为减少食品浪费和可持续开发提供策略。

　　
### 碳水化合物富集副产物通过热塑性挤压加工的近期进展：系统性文献综述

#### 一、研究背景与意义
随着全球粮食浪费问题日益严峻（每年约损失1.3亿吨食物），工业副产物的高效利用成为食品科学领域的重要研究方向。碳水化合物富集副产物（Carbohydrate-rich By-products, CBPs）作为主要研究对象，其来源广泛涵盖谷物加工（如小麦麸皮、玉米 bran）、水果加工（如橙皮、菠萝皮）以及酿酒和烘焙副产物（如麦糟、面包碎屑）。这类副产物富含淀粉、膳食纤维及蛋白质，具有作为功能性食品原料的潜力。热塑性挤压技术因其高温高压条件下的高效混合能力，成为改善CBPs techno-functional特性的核心工艺。

#### 二、研究范围与方法论
研究采用系统性文献综述（SLR）方法，基于PRISMA指南对2019-2024年间Scopus数据库的7612篇文献进行筛选。通过关键词组合（如“carbohydrate-rich by-products”“thermoplastic extrusion”）和排除标准（如动物饲料研究、非食品应用），最终纳入35篇符合条件的研究。数据提取涵盖CBPs类型、预处理工艺、挤压参数优化及最终产品的理化特性，并借助VOSviewer进行关键词共现分析。

#### 三、CBPs类型与加工特性
1. **原料分布**
- 水果副产物占比最高（44%），主要来自柑橘类（橙、菠萝）和浆果类（黑加仑、醋栗）加工残留物；
- 谷物副产物占36%，以小麦麸皮（28%）、玉米 bran（25%）和水稻麸皮（23%）为主；
- 烘焙与酿酒副产物占比约20%，包括面包碎屑（12%）、麦糟（7%）和豆渣（1%）。

2. **加工参数优化**
- **温度**：谷物CBPs（如小麦麸皮）需更高温度（150-180℃）以促进淀粉糊化，而水果CBPs（如菠萝皮）最佳温度范围较窄（120-160℃）以避免过度褐变；
- **水分含量**：纤维含量高的CBPs需提高水分（15-33%）以改善流动性，例如黑currant pomace在20%湿度下可获得最佳膨胀效果；
- **螺杆转速**：高速（200-500rpm）适用于颗粒较细的CBPs（如豆渣），低速（100-200rpm）则更适合大颗粒物料（如橙皮）；
- **设备选择**：双螺杆挤压机（59%研究采用）因剪切力强、混合均匀，更适合处理纤维类CBPs；单螺杆设备（41%）在成本敏感型研究中更常见。

#### 四、技术特性与功能优化
1. **物理性质改良**
- **膨胀性**：谷物CBPs（如玉米 bran）在双螺杆设备中膨胀指数（EI）可达2.92，而水果CBPs（如芒果皮）因高纤维导致EI降低至1.26；
- **质构特性**：挤压后的CBPs具有更高的硬度（如黑currant pomace硬度提升34.12%）和咀嚼性（如小麦麸皮制品硬度增加59.84%），但脆度（crunchiness）常因纤维含量过高而下降；
- **水分吸收**：通过调整水分含量和温度，CBPs的水分吸收指数（WAI）可提升40-60%，显著优于天然原料。

2. **化学结构调控**
- **抗性淀粉形成**：挤压后的水稻麸皮（水稻 bran）抗性淀粉含量增加3.2倍，黑currant pomace在15%添加量下达到1.05%；
- **褐变控制**：预干燥（40-60℃）可有效减少挤压过程中的美拉德反应，例如菠萝皮经预干燥后褐变度降低27%；
- **纤维改性**：挤压使纤维颗粒细化（如筛分至80-200微米），孔隙率提升（达30-50%），增强水分保持能力（WAI提升18-32%）。

#### 五、营养与功能性提升
1. **营养成分增强**
- 膳食纤维含量普遍提升32-40%，如挤压后的黑currant pomace膳食纤维达10.03%；
- 必需氨基酸（如赖氨酸）增加18-26%，尤其在发酵预处理的小麦麸皮中；
- 酶解后释放的短链脂肪酸（SCFAs）和抗氧化物质（如多酚、类黄酮）浓度显著提高。

2. **生物活性物质保留**
- 通过调整挤压温度（≤140℃）和水分（≥20%），可减少热敏感成分（如维生素C）损失率至15%以下；
- 预处理工艺（如发酵、酶解）对活性物质保留效果显著，例如黑currant pomace经酵母发酵后花青素保留率提高42%。

#### 六、感官特性与市场适配性
1. **感官评价关键指标**
- **颜色**：挤压后的CBPs制品普遍存在褐变（ΔE值达6.64），需通过预干燥（温度≤70℃）和添加护色剂（如维生素C）改善；
- **风味**：水果CBPs（如芒果皮、菠萝皮）赋予制品独特香气，但过度加工会导致风味物质（如萜烯类）损失；
- **质地**：60%的受试者偏好纤维含量20-30%的挤压零食，硬度控制在3-5N·mm时可平衡脆度与咀嚼感。

2. **区域化产品开发差异**
- **亚洲市场**：偏好高纤维、低糖分产品（如挤压燕麦麸皮面条），需通过双螺杆设备（L/D比25-35）实现精细调控；
- **欧洲市场**：注重功能性零食（如黑currant pomace膨化零食），采用单螺杆设备（L/D比4-20）以降低成本；
- **拉美市场**：肉类替代品（如挤压玉米 bran混合豌豆蛋白）占比最高（17%研究），需通过高压处理（≥2MPa）增强持水性。

#### 七、挑战与未来方向
1. **现存问题**
- **加工均匀性**：纤维含量＞30%的CBPs易导致物料在挤压机内分布不均；
- **感官平衡**：高纤维产品（如添加量＞15%）普遍存在“纤维口感”问题，需通过预处理（微粉碎、酶解）改善；
- **设备兼容性**：现有挤压机对大颗粒CBPs（如完整水果籽）处理效率低下。

2. **技术创新路径**
- **智能挤压系统**：集成在线近红外（NIR）光谱监测，实时反馈淀粉糊化度和水分分布；
- **复合预处理工艺**：如黑currant pomace经冷冻干燥（-40℃/72h）后挤压，活性物质保留率提升至89%；
- **3D打印技术**：利用挤压成型的CBPs颗粒（粒径80-120μm）作为生物墨水，开发可食用营养补充剂。

#### 八、结论
热塑性挤压技术通过精准调控加工参数，可有效提升CBPs的 techno-functional特性（膨胀性提高40-60%、持水性增强30%），并改善营养价值（膳食纤维增加32-40%、必需氨基酸提升18-26%）。然而，感官属性的优化仍需突破性技术创新，建议后续研究聚焦于：
1. 建立CBPs原料-加工参数-产品特性的数学映射模型；
2. 开发模块化挤压设备以适配不同规模生产线；
3. 深入研究挤压过程中的活性成分转化机制。

该研究为食品工业副产物的高值化利用提供了理论依据，预计到2030年，CBPs在挤压产品中的市场份额将达全球零食市场的12.7%（Statista, 2023）。