超高压处理破壁灵芝孢子粉：结构修饰与功能增强的机理与应用研究

《LWT》：Unraveling the mechanisms of ultra-high pressure processing on structural modification and functional enhancement of Ganoderma lucidum spore powder

本研究针对灵芝孢子(GLS)因坚硬孢子壁导致生物活性成分难以释放的问题，创新性地采用超高压(UHP)非热加工技术对GLS进行结构改性。研究发现600 MPa UHP处理可有效破坏孢子壁结构，显著提升粗多糖(CPC)、总三萜(TTC)和总酚(TPC)的溶出率，并改善其水合特性(WHC/WSI)和粉体流动性。主成分分析确定15 min为最佳处理时间，且改性孢子粉在黄原胶体系中表现出优异的分散稳定性和流变特性，为开发高附加值功能性食品提供了新思路。

　　

灵芝，这一被誉为"仙草"的药用真菌，在亚洲已有两千多年的应用历史，被收录于《中国药典》并获批为药食同源物质。其核心价值在于富含多糖、三萜类和酚类等生物活性成分，具有免疫调节、抗氧化、抗肿瘤等多重功效。然而，灵芝孢子(GLS)作为其生殖单位，虽然活性成分含量更高，却因具有由几丁质、纤维素和木质素构成的双层孢子壁，就像给珍宝上了把"硬锁"，严重阻碍了人体对内部活性成分的吸收利用。传统破壁方法存在热降解或化学残留等问题，因此开发高效、安全的孢子破壁技术成为产业发展的关键瓶颈。

为解决这一难题，聊城大学的研究团队在《LWT》期刊上发表论文，创新性地将超高压(UHP)这一非热加工技术应用于GLS的结构改性。研究发现，600 MPa的UHP处理能够有效破坏GLS的孢子壁结构，将其从原有的梨形形态转变为不规则粗糙表面，同时降低结晶度。这种结构变化显著提升了粗多糖(CPC)、总三萜(TTC)和总酚(TPC)等生物活性成分的溶出率，并改善了粉体的水合特性（持水性WHC和溶解性WSI）和流动性（松装/振实密度、卡尔指数、豪斯纳比）。主成分分析(PCA)确定15分钟为最佳处理时间。更重要的是，UHP改性后的GLS在黄原胶等胶体溶液中表现出优异的分散稳定性和粘弹性特征，为其在功能性液体食品中的应用奠定了基础。

研究采用的主要技术方法包括：扫描电子显微镜(SEM)观察孢子形态变化，傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)分析结构特征，差示热重分析(DTG)评估热稳定性，同时系统测定了化学成分、色差参数、水合性质和粉体流动性等指标。所有实验均设置三次重复，数据采用SPSS进行方差分析。

3.1. GLS粉末的形态学分析

通过SEM观察发现，未处理的天然GLS(NGLS)呈现完整的梨形形态，而经UHP处理后，孢子表面出现明显皱缩、变形，形成不规则结构。这种结构变化源于超高压静水压力导致的内腔塌陷和孢子壁局部应力变化，增大的比表面积为水分吸收和生物活性成分释放提供了更多反应位点。

3.2. GLS粉末的结构特性

FTIR分析揭示了GLS中三萜类、多糖、蛋白质和碳水化合物的特征吸收峰。UHP处理后总结晶指数(TCI)降低，表明高压破坏了微晶网络，增加了无定形区域比例。XRD显示所有样品在22°附近出现纤维素I型特征衍射峰，但结晶峰位置和形状基本不变。DTG结果表明UHP处理降低了孢子粉的热稳定性，使其在较低温度下开始快速分解。

3.3. GLS粉末的化学成分

UHP处理显著提升了主要生物活性成分的含量。处理5-20分钟的GLS中CPC显著增加(p<0.05)，这归因于高压促进不溶性纤维素和半纤维素向可溶性形式的转化。TTC从NGLS的极低水平提升至2.50%-2.71%，TPC也从0.53 mg/g增加至0.54-0.56 mg/g。值得注意的是，处理25分钟的样品CPC与NGLS无显著差异，表明过长时间处理可能导致多糖链解聚或聚集。

3.4. GLS粉末的色差参数

UHP处理导致L、a、b*值显著降低，颜色变深。这主要源于表面粗糙度增加引起的光散射变化，以及细胞破裂后酚类和色素等活性成分的释放与化学转化。

3.5. 水合性质

UHP处理使WHC从139.98%提升至最高154.50%，WSI也从4.99%-6.24%显著提高。结构分析表明，高压处理破坏了孢子壁中的氢键和糖苷键，暴露出更多亲水基团，同时产生的裂纹和孔隙结构增强了水分吸附能力。

3.6. 流动特性

UHP处理显著改善了GLS粉体的流动性。松装密度从0.15 g/cm³提升至0.20-0.22 g/cm³，振实密度从0.30 g/cm³增至0.34-0.37 g/cm³。卡尔指数和豪斯纳比的降低表明粉末流动性得到改善，这源于颗粒尺寸分布、颗粒间作用力和内部孔隙率等多因素的综合作用。

3.7. 主成分分析(PCA)

PCA分析显示前两个主成分累计贡献率达87.0%，其中PC1(74.1%)与TTC、TPC、CPC、WSI、WHC和密度参数呈强正相关。UGLS-15在PC1和PC2上均产生正向影响，获得最高综合评分，被确定为最佳处理条件。

3.8. GLS溶液的分散性和流变性

在四种胶体溶液（羧甲基纤维素钠CMC-Na、海藻酸钠、瓜尔胶、黄原胶）和去离子水中，UGLS-15在黄原胶溶液中表现出最佳分散稳定性。流变学测定显示，黄原胶体系的储能模量(G')、损耗模量(G'')和复数粘度均最高，表明其具有最强的网络形成能力和稳定性。

该研究证实UHP处理是一种有效的GLS非热改性技术，能够通过破坏孢子壁结构显著提升生物活性成分的溶出率和功能特性。确定的15分钟最佳处理条件为产业化应用提供了参数依据，而改性孢子粉在黄原胶体系中的优异性能展示了其在功能性饮料领域的应用潜力。与传统热加工方法相比，UHP技术的非热特性能够更好地保留热敏性活性成分，为开发高品质灵芝孢子产品提供了新途径。未来研究需聚焦工艺放大和体内生物利用度验证，以充分发挥这一技术的商业化价值。