《Bioactive Carbohydrates and Dietary Fibre》：Investigation on physical modifications enhance the functional and glycaemic modulation potential of finger millet soluble dietary fiber
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本研究评估了超声、高压及高温处理对小米米糠可溶性膳食纤维（SDF）理化性质、结构及体外消化性能的影响，发现超声处理显著提升SDF的功能特性，如持水能力（19.13 g/g）和膨胀能力（11.07 mL/g），并增强其抗糖尿病潜力（葡萄糖吸附量21.24 mmol/L，α-淀粉酶抑制率25.54%），优于其他处理，为绿色改性技术提供依据。
Kotinadham Sai Lahari|Sai Babu|Chagam Koteswara Reddy|Tapasya Kumari
生命科学系，食品科学与技术部，GITAM（被认定为大学），维沙卡帕特南 530045，印度
摘要
本研究探讨了三种物理改性技术——超声波处理（UMF）、高压处理（HPMF）和高温处理（HTMF）对指状小米中提取的可溶性膳食纤维（SDF）的物理化学性质、功能特性、结构以及体外消化率的影响。在各种处理方法中，超声波处理显著提高了关键的功能特性，包括持水能力（19.13 g/g）、膨胀能力（11.07 mL/g）、油脂结合能力（0.34 g/g）以及对葡萄糖（21.24 mmol/L）、胆固醇（14.55 mg/g）和胆酸钠（21.71 mg/g）的吸附能力。此外，它还提高了阳离子交换能力（0.87 mM/g）。利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）进行的结构分析表明，与高压和高温处理相比，超声波处理增加了纤维表面的孔隙率，破坏了纤维结构，并暴露出更多的活性功能基团。这些结构变化有助于改善葡萄糖的扩散延迟（35.22%）和α-淀粉酶的抑制（25.54%），显示出更好的血糖控制潜力。超声波产生的局部空化效应能够在无需极端温度或压力的情况下有效破坏纤维结构。总体而言，研究结果表明超声波处理是一种有前景且环保的方法，可以增强小米衍生可溶性膳食纤维的营养价值和功能特性，使其成为开发高质量、有益健康的食品成分的宝贵技术。
引言
指状小米（Eleusine coracana），也被称为ragi，是一种重要的小米作物，在非洲和印度次大陆的部分地区广泛种植（Maharajan等人，2022年）。在印度，主要在卡纳塔克邦种植和消费，安得拉邦、泰米尔纳德邦、奥里萨邦、马哈拉施特拉邦、北阿坎德邦和果阿邦也有少量种植。其产量在主要谷物中排名第六，仅次于珍珠粟、高粱、水稻、小麦和玉米（Maharajan等人，2022年；Reddy和Viswanath，2019年）。指状小米是一种小籽粒的谷物，籽粒直径约为1.2-1.8毫米。籽粒具有浅棕色至砖红色的种皮，表面略带波浪状（Abioye等人，2022年）。从营养角度来看，它含有约5-8%的蛋白质、2-3%的脂肪、65-75%的碳水化合物、15-20%的膳食纤维和2.5-3.5%的矿物质。值得注意的是，它是钙（344 mg/100 g）和钾（408 mg/100 g）的极佳来源，因此被归类为功能性食品（Maharajan等人，2022年）。100克指状小米可提供约336千卡的能量（Abioye等人，2022年）。此外，它还是铁、钾、镁、锌以及B族维生素（包括烟酸、吡哆醇和叶酸）等必需微量营养素的良好来源（Yang等人，2022年）。
膳食纤维（DF）被认为是人体所需的第七大必需营养素。许多干预试验和流行病学研究证实，充足的膳食纤维摄入与降低肥胖、2型糖尿病和心血管疾病的风险有关（Kumari等人，2024a）。根据水溶性，膳食纤维大致分为两类：不可溶性膳食纤维（IDF）和可溶性膳食纤维（SDF）。与IDF相比，SDF具有更好的物理化学性质，因此被认为具有更广泛的生理功能和工业应用（Kumari等人，2025年）。SDF可以通过增加肠道内腔的粘度来延缓胃排空，减缓营养物质的消化，并降低餐后血糖水平。从食品加工的角度来看，SDF还因其出色的乳化能力和凝胶形成能力以及持水能力而具有显著的功能优势，这些特性有助于改善食品的质地、口感和整体感官质量（Yang等人，2022年）。
物理改性方法通常被认为比生物和化学改性方法更优，因为它们环保、安全、成本效益高且无毒。包括超声波处理、挤出、高压或热湿处理在内的物理方法可以在不引入化学试剂或微生物的情况下有效改变SDF的分子结构、粒径和功能特性（Kumari等人，2024b）。这些方法可以增加表面孔隙率，修改多糖基质，并改善生物活性和保湿性能，这一点在小米麸皮中的可溶性膳食纤维中得到了体现（Wei等人，2022年）。Dong等人（2023年）使用响应面方法优化了从竹笋中提取可溶性膳食纤维的超声波辅助高温烹饪工艺，与未经处理的D-SDF2相比，UH-SDF1的产量显著提高。UH-SDF的结晶度更高（28.73%），粒径更小（601.52 μm vs. 242.59 μm），微观结构也更疏松。此外，其DPPH和羟基自由基清除率分别比D-SDF高8.91%和7.49%，表明其具有更好的抗氧化功能，适用于抗炎食品。
糖尿病是一种全球性的代谢紊乱，其特征是血糖水平升高，可能是由于胰岛素缺乏或胰岛素抵抗引起的。功能性成分如改性膳食纤维在血糖管理方面显示出潜力（Kumari等人，2025年）。Wang等人（2025年）证明，来自西兰花茎和叶的可溶性膳食纤维（B-SDF）在高脂饮食诱导的小鼠中表现出显著的降血糖效果，通过改善葡萄糖不耐受并恢复葡萄糖稳态。这种效果与肠道微生物群组成的调节有关，具体表现为厚壁菌门（Firmicutes）的减少和拟杆菌门（Bacteroidetes）的增加（p < 0.05），以及Eubacterium属的增加和Lachnospiraceae NK4A136及Alistipes属的减少，表明B-SDF通过肠道微生物群介导的机制降低血糖水平。
然而，目前关于单一改性技术的研究较多，而关于多种改性方法联合使用的研究较少。此外，针对指状小米衍生可溶性膳食纤维的物理改性技术的比较研究也有限，特别是在其抗糖尿病潜力方面，这凸显了当前科学理解上的不足。本研究评估了指状小米膳食纤维在碱性提取后经过高压（HP）、高温（HT）和超声波辅助提取（UAE）处理后的功能特性。为了评估这些处理引起的结构变化，采用了多种分析方法，包括扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和比色分析。通过葡萄糖吸附能力（GAC）、葡萄糖透析延迟指数（GDRI）和α-淀粉酶抑制活性（AIA）研究了提取的SDF的潜在降血糖作用，为其在管理餐后血糖水平方面的作用提供了见解。
材料与化学品
指状小米来自印度安得拉邦的维沙卡帕特南。其他试剂和化学品均为分析级。
指状小米面粉的制备
将指状小米颗粒彻底清洗并用清水冲洗，然后在室温下浸泡4小时。浸泡后，排出多余的水分，并在45°C的热风烤箱中干燥24小时。干燥后的颗粒用锤式研磨机研磨至粒径≤250 μm。所得面粉再通过80目筛网进行筛选。
纯度、产量和糖成分的分析
超声波处理（UMF）显著提高了天然指状小米（FSDF）中可溶性膳食纤维（SDF）的提取产量，达到17%。相比之下，高温处理（HTMF）和高压处理（HPMF）的产量分别为10%和11%。超声波处理产生的较高产量归因于声空化效应，这种效应破坏了植物细胞壁结构，促进了纤维成分的溶解，并有助于释放结合的多糖。结论
本研究考察了指状小米可溶性膳食纤维（SDF）在经过高温、高压和超声波处理前后的物理化学性质、结构变化以及体外消化率。超声波处理通过空化效应起作用，声波产生微小气泡，这些气泡破裂后破坏了纤维结构，增加了其表面积和溶解度。高温处理会导致热降解，从而破坏大分子结构。
作者贡献声明
Chagam Koteswara Reddy：撰写——审稿与编辑、资源准备、数据分析。Sai Babu：撰写——初稿撰写、可视化处理、验证、方法学设计、实验设计、数据管理、概念构建。Kotinadham Sai Lahari：验证、方法学设计、实验设计、数据管理、概念构建。Tapasya Kumari：撰写——审稿与编辑、项目监督、资金筹集、数据分析、概念构建
利益冲突声明
作者声明本文不存在利益冲突。
数据获取
本研究中的数据可向相应作者索取。利益冲突声明
作者声明本文不存在利益冲突。致谢
作者衷心感谢GITAM（被认定为大学）提供的支持，同时也感谢GITAM（被认定为大学）MURTI设施中的FE-SEM、FT-IR、XRD等仪器技术人员提供的帮助。
