《Future Foods》：Unlocking the Functional Potential of Asparagus Fibre via a Novel Wet Ball Milling Strategy
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本研究针对传统纤维加工方法能耗高、功能改善有限的问题，探讨了通过调控球磨过程中的水分和温度条件来功能化芦笋副产物的新策略。结果表明，0°C湿法球磨能在较短时间内显著提升芦笋纤维的持水性、乳化稳定性及酶解效率，其功能提升主要归因于纤维形态的保留而非单纯的粒径减小。该研究为植物副产物的低碳、高值化利用提供了新思路。
每年芦笋加工产业都会产生大量下脚料——通常因为质地粗硬而被丢弃的芦笋根部，约占整根芦笋长度的三分之一。这些副产物富含膳食纤维，但通过传统的干燥和粉碎工艺得到的芦笋纤维功能性质不佳，限制了其在高附加值食品中的应用。传统的干法粉碎虽然能有效减小粒径，但往往导致纤维结构塌陷，功能提升有限；而现有的湿法加工技术（如胶体磨、微射流均质）虽然能更好地改善功能性质，却通常需要将原料稀释成低浓度悬浮液，并涉及能耗密集的预干燥和后续脱水步骤，工艺复杂且成本较高。因此，开发一种能直接处理高湿度原料、节能高效且能显著提升纤维功能性质的加工方法，对于实现芦笋副产物的高值化利用和推动食品工业的可持续发展具有重要意义。
为此，发表在《Future Foods》上的这项研究，创新性地探索了球磨技术在不同水分和温度条件下对白芦笋副产物（pomace）的加工效果。研究人员系统地比较了球磨过程中的关键操作参数——水分含量（湿态74% vs. 预干燥9%）和温度（0°C, -20°C, -40°C）——对所得芦笋纤维的理化特性、微观结构及功能性质的影响。研究旨在揭示不同球磨条件下纤维结构的演变规律与其功能提升之间的内在联系，为开发高效的植物纤维资源化技术提供理论依据和实践方案。
本研究采用的关键技术方法主要包括：利用实验室规模球磨机在不同温度（0°C, -20°C, -40°C）和水分条件（湿态74%，预干燥9%）下对芦笋副产物进行球磨处理；通过激光粒度分析、共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)和形态学分析系统表征了纤维的粒径分布、微观结构和颗粒伸长率；采用标准方法测定了纤维的技术功能特性，包括持水性(WHC)、溶胀性(SWC)和乳化活性(EA)；利用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析了纤维化学结构的变化；并通过酶解实验评估了球磨作为预处理对纤维素酶水解效率的提升作用；最后，还探讨了不同预处理方式对湿法球磨过程中纤维色泽变化的抑制效果。实验样品来源于荷兰本地芦笋生产商提供的白芦笋根部切割段。
3.1. 球磨纤维的技术功能特性
研究人员首先评估了不同球磨条件对芦笋纤维技术功能特性的影响。结果表明，水分含量和球磨温度是主导因素。在0°C下对湿态芦笋副产物进行球磨，即使不产生最小的颗粒，也能 consistently（一致地）获得最高的溶胀性、持水性和乳化活性。相比之下，对预干燥的副产物进行球磨虽然实现了最显著的粒径减小，但由于干燥纤维处于玻璃态（glassy state），其纤维结构发生塌陷，导致功能性质最差。在大多数条件下，将球磨时间从10分钟延长至30分钟并未显著提升功能性质，甚至导致溶胀性和持水性略有下降。这凸显了湿法球磨在短时间内高效改善纤维功能的潜力。
3.2. 微观结构观察与分析
3.2.1. 粒径分布
粒径分析显示，延长球磨时间能有效减小粒径。预干燥样品在-20°C下球磨后粒径减小最为明显，其分布峰值达到约20 μm。然而，功能性质最佳的0°C湿法球磨样品，其粒径与-20°C或-40°C的冷冻湿法球磨样品相似，均大于干燥球磨样品。这表明，粒径减小并非功能改善的唯一或决定性因素。
3.2.2. 共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)
CLSM图像提供了更直观的形态学证据。在0°C湿法球磨的样品中，芦笋副产物被破碎成较小的碎片，同时保持了长而纤维状的形态，这些细长的碎片相互缠绕，形成疏松的网络结构。相反，干法球磨样品虽然粒径最小，但完全失去了纤维状结构，转变为短而坚实的、无缠结的颗粒。这种微观结构的差异直接解释了功能性质的优劣：保留的纤维状和缠结结构有利于持水和稳定乳化液。
3.2.3. 颗粒伸长形态分析
形态学量化分析进一步证实了上述观察。颗粒伸长率（Elongation）定义为1减去宽长比，值越接近1表示颗粒越细长。湿法球磨（0°C）和冷冻湿法球磨（-20°C, -40°C）的样品表现出相似的高伸长率值，而干法球磨样品的伸长率显著较低。这与功能性质测试结果高度一致，表明纤维颗粒的形态（尤其是伸长程度）比单纯的粒径减小对功能性质的影响更大。
3.3. 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析
FT-IR光谱显示，球磨条件对纤维的化学结构影响有限。最显著的变化出现在950-1150 cm-1区域，0°C湿法球磨样品在此处的吸收峰强度最低，这可能表明纤维内部氢键网络被破坏，从而暴露出更多亲水基团，这或许是湿法球磨纤维持水性提高的原因之一。而代表纤维素骨架结构的C-H伸缩振动峰（~2920 cm-1和~2850 cm-1）在所有样品中保持一致，说明纤维素的化学结构主体在球磨过程中得以保持。
3.4. 纤维素酶水解球磨纤维的效率
酶解实验评估了球磨作为生物质预处理的效果。所有球磨样品的水解效率（以纤维二糖产率衡量）均高于未处理的对照。0°C湿法球磨样品和干法球磨样品的水解效率最高。尽管干法球磨样品粒径最小，比表面积最大，但湿法球磨样品因其更开放、多孔的纤维结构，同样为酶提供了良好的可及性，从而实现了高效水解。这表明湿法球磨是一种有效的机械预处理方法，可增强纤维副产物的酶解消化性，为其在生物炼制或益生元应用中的价值提升提供了可能。
3.5. 球磨芦笋纤维的色泽变化
研究也发现了一个需要关注的问题：0°C湿法球磨会导致纤维明显变暗。通过一系列预处理实验（水洗、酸处理、热处理、抗氧化剂浸泡、EDTA浸泡）发现，乙二胺四乙酸(EDTA)预处理对减轻变色效果最为显著。这表明变色很可能源于芦笋中多酚类物质与铁离子等金属离子相互作用形成深色络合物，而非美拉德反应或焦糖化（因处理温度低）。这为控制产品色泽提供了解决方案。
综上所述，本研究得出结论：球磨过程中的水分状态是决定芦笋纤维最终结构和功能的关键。干法球磨虽能高效减小粒径，但导致纤维结构塌陷，功能性质差。与之相反，在0°C下进行短时间（10分钟）的湿法球磨，能够更好地保留纤维的伸长形态和缠结网络结构，从而显著提升其持水性、粘度、乳化稳定性和酶解效率。研究强调，纤维的形态学特征（如伸长率）比单纯的粒径减小更能预测其功能性质。同时，研究还指出了湿法球磨过程中可能发生的多酚-金属离子络合导致的色泽问题，并验证了EDTA预处理的有效性。更重要的是，与需要预干燥和后续脱水的胶体磨等湿法工艺相比，湿法球磨能够直接处理高固含量的新鲜副产物，简化了工艺流程，显示出在能源效率和过程简化方面的显著优势。这项工作不仅为芦笋副产物的高值化利用提供了一条创新且可持续的技术路径，其揭示的水分和温度对植物纤维机械加工效果的影响规律，也对其他纤维类植物副产物的加工具有重要的借鉴意义。
