全 文 ：黑米、薏米、荞麦混合挤压膨化工艺及机理的研究
郝彦玲 ! 张守文
（!中国农业大学 北京 !###$% 哈尔滨商业大学 哈尔滨 !&##’(）
摘 要 以优质的黑米、薏米、荞麦粉为原料，采用先进的现代挤压膨化技术，研制集营养、保健、食用为
一体的五谷杂粮膨化粉及主食品。通过双螺杆挤压机、单螺杆挤压机对物料进行对比膨化实验，确定相应的
混合物料挤压膨化工艺流程及参数。结果表明，双螺杆挤压比单螺杆挤压膨化效果理想，% 种物料混合后膨
化效果好，各原料比例为：!（黑米） ) !（薏米） ) !（荞麦粉）*+& ) !& ) +#。对混合物料膨化的操作参数
为：物料水分 !&,-#,，挤压温度 !’!-!$+.，螺杆转速 /#-!!+ 0 1 234，膨化物的糊化度可达 $%5%,-
$(5+,。本文还讨论了混合物挤压膨化的物理化学变化和机理。
关键词 黑米 薏米 荞麦粉 挤压膨化
文章编号 !##/6’$+$（##+）#+6##6#’
黑米、薏米、荞麦粉都具有较高的营养价值
及药用价值。但黑米、荞麦粉颗粒质地坚硬，正
常蒸煮难以糊化，不易被人体消化吸收7!8，导致
其营养保健功能难以发挥；薏米的淀粉颗粒大，
采用传统加工技术有一定困难，淀粉不易糊化，
同时，薏米本身具有独特的不良气味。通过特殊
的挤压膨化技术可以解决这一难题。利用该项技
术对原料进行预处理，在单因素实验的基础上，
设计了三因素五水平的三元二次通用旋转回归实
验；采用 9:;:<9:<= 分析软件进行数据的处理、
回归方程的推导以及三维曲面的生成，从中揭示
各因素与目标函数（糊化度）之间的内在规律
性，并找出各因素操作的最优区域。
! 实验材料
!! 材料
薏米、黑米、荞麦粉：均由哈尔滨龙达粮油
食品公司提供。
!# 实验仪器
双螺杆挤压机（>?@A6! 型）、单螺杆挤压
机（>?@A6 型），均为哈尔滨商业大学机械系
自行研制。
# 实验方法和步骤
#! 原料成分测定
黑米、薏米、荞麦粉的成分分析结果见表 !。
## 利用单螺杆挤压机对物料进行膨化
据文献报导78，薏米膨化的适宜工艺参数为：
水分 !+,-!$,（物料加入水分后进行搅拌，使
其能充分吸收水分，促进物料的膨胀7%8），挤压温
度 !+#-!$#.，颗粒度 $#-!##目。
据文献报导7+8，黑米膨化的适宜工艺参数为：
水分 !%,-!$,，挤压温度 !&#-##.，颗粒度
$#-!##目。
本试验设定挤压温度为 !+#-!(#.，水分含
量 !+,-!(,，观察实验结果。
然后，在黑米、薏米、荞麦粉单独膨化的基
收稿日期：##%6#+6#
基金项目：黑龙江省自然科学基金项目（=#!6!）
作者简介：张守文，男，!/&( 年出生，教授
品种
水分
（,）
蛋白质
（,）
脂肪
（,）
淀粉
（,）
黑米 !+5% !!5% %5’ ’$5’
薏米 !#5+ !%5’ ’5 (’5$
荞麦粉 !% !#5 5% ’5
表 ! 黑米、薏米、荞麦粉的成分分析结果
:BCDE ! ;4BD3F3GBD 0EHIDFH JK GJ2LJH3F3J4 34
CDBGM 03GE、NJC’H FEB0H 03GE、CIGMOPEBF
QJD5 + RJ5 +
SEG5 # # +@JI04BD JK =P34EHE <4HF3FIFE JK TJJU 9G3E4GE B4U :EGP4JDJVW
中 国 食 品 学 报第 +卷 第 + 期
# # + 年 ! 月
第 ! 卷 第 ! 期
础上，对混合物料进行膨化。设定混合物料的挤
压温度 !#$%#&，水分含量 ’($%(，黑米和
薏米的颗粒度为 %#$## 目，混合物料 !（黑
米） !（薏米） !（荞麦粉）为 ) ) ，观察
实验结果。
!# 利用双螺杆挤压机对物料进行膨化
*+’+ 对单独物料进行膨化 操作工艺条件同单
螺杆挤压机对物料膨化，只是黑米、薏米不经粉
碎直接膨化，观察实验结果。
*+’+* 混合物料中各谷物比例的确定 在利用双
螺杆挤压机确定各物料比例的初步实验中，发现
当薏米的含量大于 !,(时，膨化过程时断时续，
膨化物的组织结构、膨化度等指标较差；当荞麦
粉的比例大于 ,,(时，容易出现堵机现象。因
此，在本实验中，黑米、荞麦粉、薏米 ’ 种原料
所占的百分比范围分别为：’#($-#(、*,($
,,(和 ,($!,(。
’ 种谷物通过 ./01221’三因子单形重心设
计 3-4 确定最佳比例，设定挤压温度 5#$%#&，
螺杆转速 #$*#6 7 89:，物料水分 !($-(，
然后观察实验结果。
各物料含量混合比 ; 最小混合比 <（最大
混合比 = 最小混合比）> ?9 （9;，*，’）
*+’+’ 对混合物料膨化工艺条件的确定
*+’+’+ 单因素实验 为研究水分对产品糊化度
的影响，在单螺杆挤压膨化的基础上，设定挤压
温度为 -#&，螺杆转速 *#6 7 89:，水分含量分
别为 *(、!(、-(、%(和 *#(条件下对混
合物料进行膨化，测定膨化物的糊化度，选出最
优水平为以后实验的零水平。
为研究螺杆转速对膨化物糊化度的影响，在
单螺杆挤压膨化的基础上，设定挤压温度为
-#&，水分含量 -(，螺杆转速分别为 -#、
%#、##、*# 和 !#6 7 89: 的条件下对混合物料
进行膨化，测定膨化物的糊化度，选出最优水平
为以后实验的零水平。
为研究挤压温度对膨化物糊化度的影响，在
单螺杆挤压膨化的基础上，设定螺杆转速 ##6 7
89:，物料水分 -(，挤压温度为 ,#、 -#、
5#、%# 和 @#&的条件下对混合物料进行膨
化，测定膨化物的糊化度，选出最优水平为以后
实验的零水平。
*+’+’+* 利用响应曲面法 研究挤压工艺条件对
膨化物糊化度的影响 在单因素实验的基础上，
设计了 个三因素五水平的三元二次通用旋转回
归实验。’个因素分别为螺杆转速、挤压温度和物
料水分。采用 .ABAC.ACDB分析软件进行数据的处
理、回归方程的推导以及三维曲面的生成，从中
揭示各影响因素与膨化物糊化度之间的内在规律
性，并找出各因素的最优区域。表 * 及表 ’ 分别
为各因素的零水平及变化区间和因素编码值表。
# 结果与讨论
#$ 单螺杆挤压机对物料进行膨化的特点
’++ 薏米的膨化特点 利用单螺杆挤压机对薏
米进行膨化时，膨化过程时断时续，这主要是由
于薏米的脂肪含量高（本实验所采用的薏米脂肪
含量高达 5+*(），影响膨化机的连续运转。物料
中的脂肪含量高，会产生润滑作用，使得物料与
螺杆的摩擦力大于机筒与物料的摩擦力，物料将
与螺杆一起旋转，这就不可能实现物料的输送。
在模头附近高温、高压的情况下，反压力还易使
物料逆流。物料的水分和油份越高，这种趋势就
越显著。因此，利用单螺杆挤压机对薏米单独膨
名称
物料水分（(）
?
挤压温度（&）
?*
螺杆转速（6 7 89:）
?’
?#E - 5# ##
!F * # *#
表 ! 各因素的零水平及变化区间表
AGHI1 * J16K I1L1I G:M /0G:N1 6G:N1 K2 2G/OK6P
水平
因 素
水分含量（(）
?
挤压温度（&）
?*
螺杆转速（6 7 89:）
?’
<6 @+’- %-+% ’!
< % %# *#
# - 5# ##
= ! -# %#
<6 *+-! ,’+* -5
表 # 因素和水平设计表
AGHI1 ’ Q1P9N: OGHI1 K2 O01 2G/OK6P G:M I1L1IP
黑米、薏米、荞麦混合挤压膨化工艺及机理的研究 *’
中 国 食 品 学 报 !# 年第 # 期
实验
序号
单形坐标 各成分混合比（$）
膨化度
% ! & 黑米 荞麦粉 薏米
% % ’ !( %( !)*!
! % & (( %( !)+
& % & !( #( %)’!
# % , ! % , ! #( # %( !)’!
( % , ! % , ! & # & %)*’
’ % , ! % , ! #( !( & !)
- % , & % , & % , & # &( !( !)!#
表 ! 膨化物膨化度的测定结果
./012 # 32425678/4798 52:;14: 9< 2=>/8:798 5/479
<95 2=45;?2? <19;5
化，在加工上存在困难，膨化效果差。
&)%)! 黑米的膨化特点 利用单螺杆挤压机膨化
黑米，整体上膨化效果好，但是偶尔出现堵机现
象。一方面是由于黑米本身质地坚硬，难以糊
化；另一方面单螺杆挤压机的螺杆短，转速高，
使得物料在机筒内停留的时间较短，物料不能达
到熔融状态而出现堵机现象。
&)%)& 荞麦粉的膨化特点 利用单螺杆挤压机对
荞麦粉进行膨化，荞麦粉不能正常输送，导致堵
机。这主要是因为荞麦粉粒度过小，加料后荞麦
粉很快变成熔融状态并包裹在螺杆上，与螺杆一
起旋转而起不到向前推进的作用；在加料阶段物
料被压实，不能实现物料的输送和有效膨化。
&)%)# 混合物料的膨化特点 考虑上述原因，把
& 种物料混合后进行膨化，这样可以缓和荞麦粉
粒度小及薏米脂肪高所带来的加工上的困难。但
是，由于单螺杆挤压机对多成分物料不具备混合
作用，而且温度难以控制，使得操作上稳定性
差，容易出现堵机现象。因此，本实验选用双螺
杆挤压机对物料进行膨化。
#$ 双螺杆挤压机对物料进行膨化的特点
&)!)% 对单独物料进行膨化的特点 双螺杆挤压
机膨化黑米、薏米效果好；膨化荞麦粉，导致堵
机，膨化过程无法进行。
&)!)! 混合物料中各原料比例的确定 采用
:@A2<<2’三因子单形中心设计法，研究不同比例
的黑米、薏米和荞麦粉挤压膨化的情况，测定结
果列于表 #。
膨化物的膨化度表现了谷物膨化后体积的增
加，是谷物膨化产品的重要物理性质。淀粉中直
链淀粉和支链淀粉之间的比例会影响挤压制品的
质构特性。由于支链淀粉的聚合度大，颗粒分子
之间作用力较弱，故易于膨化，使产品变轻、变
松脆；相反，直链淀粉含量高的原料制成的产品
质地较硬，膨化度低。当黑米、荞麦粉、薏米混
合物料的比例为 ’ B !( B %( 时，膨化物的膨化度
高达 !)*!。据文献报道C’D+E，薏米的直链淀粉含量
为 %()*$D!()+$，荞麦直链淀粉含量为 !($，黑
米具有糯性谷物的性质，支链淀粉的含量很高。
因此，随黑米比例的增加，膨化物的膨化度呈上
升趋势，但从营养角度考虑，赖氨酸是黑米与薏
米的第一限制氨基酸，而荞麦粉中赖氨酸的含量
丰富，FGH 模式中赖氨酸含量为 ()(，而荞麦粉
中的含量为 ()*+，综合考虑的结果是混合物料中
应增加荞麦粉的比例。因此，混合物料比例确定
为： !（黑米）B!（荞麦粉）B!（薏米）I#( B # B %(。
# 双螺杆挤压机膨化混合物料工艺参数的确定
糊化度是衡量挤压制品的重要质量指标。因
此，选膨化物的糊化度为目标函数，糊化度越
高，越易被吸收利用。
&)&)% 物料水分对膨化物糊化度的影响 在单螺
杆挤压膨化实验基础上，设定挤压温度为 %’J，
螺杆转速为 %!5 , 678，观察物料水分变化对膨化
物糊化度的影响，实验结果见图 %。
从图 % 可以看出：膨化物的糊化度在一定水
+(
+
-(
-
’(
%! %# %’ %+ !
物料水分（$）
糊
化
度
（
$
）
图 % 物料水分对糊化度的影响
K7L)% M<<2@4 9< 697:4;52 @984284 98 L21/4787N2? ?2L522
!#
第 ! 卷 第 ! 期
分含量范围内较高。水分过高或过低都会使糊化
度降低。当物料水分含量为 #$时，膨化物的糊
化度高达 %!&#$。因此，在实验中选 #$为零水
平。谷物被挤压的特点是’()：在挤出过程中完成
生物聚合物相的转变，即谷物由固体颗粒转变成
熔融状态。淀粉糊化发生在熔融状态。在挤压机
内，物料在熔融段停留时间越长，其糊化度越
高。当物料中的水分大于 %$时，由于挤压机腔
内系统被水稀释引起摩擦力降低，挤出物细长且
呈软条状，熔融段较短；而水分含量小于 !$
时，物料被挤压破碎成干粉状，虽然摩擦力很
高，但是淀粉吸水少而且不均匀，导致较难形成
融熔状态，熔融段也短，挤出物细而松脆，极易
出现焦化和堵塞模孔的现象。当混合物料水分含
量在 !$*%$时，挤压膨化产生剪切摩擦力大，
温度和水分适宜，淀粉颗粒吸水充分。而溶胀分
裂，物料内部有序的分子间氢键断裂，分散成无
序状态，原来的晶体结构被破坏，从而使淀粉产
生糊化作用。
+&+&, 螺杆转速对膨化物糊化度的影响 设定物
料水分为 #$，挤压温度为 #-.，观察螺杆转
速对膨化物糊化度的影响，实验结果见图 ,。
从图 , 可知，螺杆转速过高或过低都会使糊
化度降低，当螺杆转速为 --/ 0 123 时，膨化物
的糊化度高达 %-&#$。故在以后实验设计中选螺
杆转速 --/ 0 123为零水平。
+&+&+ 挤压温度对膨化物糊化度的影响 设定螺
杆转速为 --/ 0123，物料水分含量 #$，观察挤
压温度对膨化物糊化度的影响，实验结果见图 +。
从图 + 可以看出，当挤压温度为 4-.时，
膨化物的糊化度高达 (5$。因此，在以后实验设
计中挤压温度选 4-.为零水平。挤压温度太低，
淀粉的糊化不完全。这是由于温度低，水分子运
动不剧烈，不易渗透到淀粉的空间结构内；当挤
压温度过高时，则物料在机筒内焦糊并结成硬
块，膨化程度不均匀，尽管结构很疏松，但局部
仍有少量未膨化开的淀粉晶体颗粒存在。
+&+&! 利用响应曲面法研究挤压工艺条件对膨化
物糊化度的影响 在单因素实验的基础上，设计
了 个三因素五水平的三元二次通用旋转回归实
验（旋转回归实验结果略去）。
+&+&!& 物料水分（6）和挤压温度（6,）对膨
化物糊化度的影响 图 ! 反映物料水分和挤压温
度对膨化物糊化度的影响。从响应曲面及等高线
可以看出，沿挤压温度的增长方向，糊化度的变
化大。当挤压的温度小于 #5. 时，糊化度下降
很快；当挤压温度过低时，物料的淀粉中有未膨
化的晶体存在，水分不能充分渗入到晶体空间结
构中，导致淀粉的糊化不充分。故当 6 处于水
平（&,*,&-），6,处于水平（-&,*&-）时，糊化
度达 %!&+$以上。
+&+&!&, 物料水分（6）与螺杆转速（6+）对膨
化物糊化度的影响 图 5 反映了物料的水分含量
和螺杆转速对膨化物糊化度的影响趋势。从响应
曲面及等高线可知，螺杆转速对糊化度的影响比
图 ! 螺杆转速对糊化度的影响
728&, 9::;<= >: ?=A=2>3AB C;B><2=D >3
8;BA=232E;F F;8/;;
#- %- -- ,- !-
%5
%-
45
4-
#5
#-
螺杆转速（/ 0 123）
糊
化
度
（
$
）
5- #- 4- %- (-
(5
%5
45
#5
55
糊
化
度
（
$
）
图 挤压温度对糊化度的影响
728&+ 9::;<= >: ;G=/H?2>3 =;1I;/A=H/; >3 8;BA=232E;F F;8/;;
挤压温度（.）
黑米、薏米、荞麦混合挤压膨化工艺及机理的研究 ,5
中 国 食 品 学 报 !# 年第 # 期
物料水分对糊化度的影响显著。螺杆转速过高或
过低都会使熔融体在机腔中停留时间过短，导致
糊化度降低。故当 $% 处于水平（&’()!’），$*
处于水平（&’+()’+）时，糊化度高达 +*’*,以
上。
*’*’#’* 螺杆转速（$*）和挤压温度（$!）对膨
化物糊化度的影响 图 - 反映挤压温度和螺杆转
速对膨化物糊化度的影响趋势大致相同。糊化度
大小的决定性因素之一是物料的熔融体在机腔内
停留时间的长短，它取决于螺杆转速和挤压温度
的合理配置。故当 $! 处于水平（’%()%’#），$*
处于水平（&%’)’.）时，糊化度高达 +-’#,。
*’*’#’# 糊化度统计模型的建立 当采用二次多
项式拟合模型时，其模型的相关系数 / 0
’1.%.(，精确度高，此时统计模型如下：
2 01#’. &%’#$% 3#’!+$! &’*!$* &*’.*$%! 3
’-#+$%$! &’%%!$%$* &(’+*$!! &%’#*$!$* &(’%%$*!
（/!0’1#%）
! 结论
!# 单螺杆挤压机对薏米进行膨化，膨化过程
时断时续，加工上存在困难；对黑米膨化效果
1+
1#
1
+-
+!
.+
.#
.
!’
%’(
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&!’ &!’
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三维表面图（$26’789 %:;%(<）
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1#
1
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三维表面图（$26’789 %:;%(<）
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图 ! 物料水分（$#）和挤压温度（$%）对膨化物
糊化度的影响
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4 *
三维轮廓图（$26’789 %:;%(<）
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图 & 物料水分（$#）和螺杆转速（$’）对膨化物
糊化度的影响
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第 ! 卷 第 ! 期
#
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三维轮廓图（012(34- )$56)*7）
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图 ! 螺杆转速（#）和挤压温度（$）对膨化物糊化度的影响
=>?(% @AAB7C DA E7FBG FDCHC>DIHJ 5BJD7>C< HIK B;CFLE>DI CBMNBFHCLFB DI ?BJHC>I>8BK KB?FBB DA B;NHIE>5B MHCBF>HJ
好；对荞麦粉进行膨化，不能正常输送，导致堵
机，使膨化过程无法进行；对混合物料进行膨
化，易堵机，操作稳定性差。
%&$ 双螺杆挤压机单独膨化黑米、薏米效果好；
单独膨化荞麦粉，导致堵机，膨化过程无法进
行；/ 种物料混合后膨化效果好。混合物料中各
原料比例为：!（黑米） O !（ 薏米） O !（ 荞
麦粉）9 !* O )* O !$。对混合物料膨化的操作参
数：物料水分 )*PQ&$P，挤压温度 )’)Q)#!R，
螺杆转速 $Q))!F S M>I，膨化物的糊化度可达
#/(/PQ#%(!P。
参 考 文 献
)( 杨性民( 黑米芝麻营养糊 TUV ( 粮油食品科技，)*，/：&*Q&#
&( 顾林( 薏米挤压膨化特性的研究 TWV ( ’ 汕头国际谷物膨化和保健食品加工技术研讨论文集，)( %*Q%#
/( U( X( X( XHCYBG，.( W( YDEBMB<，HIK U( X( =HLZ>DI( @AAB7C DA 7DFI MD>ECLFB DI CYB NFDNBF>C>BE DA NBC ADDK B;CFL[
KHCBE TUV ( WBFBHJ WYBM(，)，’%（%）：*/Q*%
!( 梁朗都( 黑米膨化食品的研制 TUV ( 广州食品工业科技，)/，!：)!Q)#
*( 金万浩( 食品物性学 TXV ( 科学技术出版社，))
%( U>HI 3YBIJ> HIK \HFDJK WDF]B( ^YD7YBM>7HJ NFDNBF>C< DA IDFMHJ HIK GH;< _DZ’E CBHF’E（ 7D>; 2H7YFECHF7Y TUV ( WBFBHJ WYBM>ECF<，)，!)/Q!)%
’( 王健军( 荞麦一值得加快开发利用的作物 TUV ( 云南农业科技，)，%：)&Q)*
#( 纪丽连( 香血糯粒粒软糖的研制 TUV ( 食品研究与开发，)%，/：&&Q&/
( WH>G HIK ‘>DEHK< 2( XDKBJ ADF ?BJHC>I>8HC>DI DA GYBHC ECHF7Y >I H CG>I+E7FBG B;CFLKBF TUV ( U DA =DDK 37>BI7B，)/a
（!）：#’&
黑米、薏米、荞麦混合挤压膨化工艺及机理的研究 &’
中 国 食 品 学 报 !# 年第 # 期
欧洲食品安全机构（$%&’）的膳食产品、营养与敏
感性（()’）的专家组近日发表了 * 篇关于反式脂肪酸
在食品中的含量和食用反式脂肪酸与健康的关系的文章。
反式脂肪酸，与饱和脂肪酸一样均可升高血液中 +)+ 胆
固醇的水平，并因此增加了冠心病（,-)）的发生几率。
专家们得出结论，在相同的膳食摄入水平下，反式脂肪
酸对心脏健康的影响比饱和脂肪酸更严重。尽管如此，
饱和脂肪酸在大多欧洲国家的人均摄入量都超过了建议
水平，而目前反式脂肪酸的摄入量尚不足其十分之一。
()’ 专家委员会同时评估了其对健康的其他影响，并得
出结论：目前的证据尚不能有力证明 .%’/ 的摄入与癌
症、!型糖尿病或过敏症的相关性。最后，专家组还表
示，目前还没有一种可行的分析方法来区别天然 .%’ 和
食品加工过程中产生的 .%’。
在评估反式脂肪酸风险的过程中，()’ 专家组收集
了 .%’/ 在食品中天然存在的资料，如部分动物脂肪；通
过生产加工产生的 .%’/，比如对植物油的氢化。调查结
果发现，对 .%’/ 的摄入量不同的国家有很大差异，摄入
量最低的是地中海国家。.%’/ 对每日能量的供给约为
0123!02，而饱和脂肪酸为 *0123*42。最近的膳食
调查显示，.%’/ 在许多欧洲国家的摄入量有所下降，原
因是为降低 .%’/含量对食品配方作了改变。
很多人体试验的结果表明：增加膳食 .%’/ 摄入（当
与顺式单不饱和或顺式多不饱和脂肪酸比较）会提高血
液中 +)+ 胆固醇的水平，因此增加了患冠心病的风险。
+)+ 胆固醇的升高与 .%’/ 的摄入量存在线性关系。这些
研究同样表明，在相同的膳食水平下，.%’/ 比饱和脂肪
酸对心脏更具危害。这是因为，与饱和脂肪酸不同，
.%’/同时降低了血液中 -)+胆固醇的含量，并提高了甘
油三酯的水平。但是，欧洲人口中 .%’/ 的摄入量还不到
饱和脂肪酸的 * 5 *。
$%&’ 的 ()’ 专家委员会主席 ’6789: %6;<< 教授表
示，现有的证据基本能够支持我们原先的设想——.%’/
对心脏健康的危害大于饱和脂肪酸。但是，考虑到现有
的摄入水平，.%’/ 对显著增加患心血管疾病风险的危害
仍小于目前在大多数欧洲国家摄入过多的饱和脂肪酸。
对于一些其他的健康指标，人体实验并没有有力证
据表明 .%’/ 与血压或其他的与 ,-) 风险相关的指标间
具有联系（如：血小板凝集）；或与糖尿病相关的胰岛素
水平具有联系。流行病学的研究结果表明 .%’/ 与癌症、
!型糖尿病或过敏反应有关的证据并不充分。此外，也
没有证据表明 .%’/对婴儿和胎儿的发育具有负面影响。
〔文章来源：欧洲食品安全机构（!#=4=>*）
?::@A 5 5 BBB08C/D08E0F<: 5 张博成译〕
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