《LWT》：Saccharomyces cerevisiae and
Lactiplantibacillus plantarum fermentation combined with long-wavelength ultraviolet irradiation effectively improved the physicochemical and functional properties of okara insoluble dietary fiber
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为了提升豆渣不溶性膳食纤维（IDF）粗糙、难消化的特性，研究人员评估了长波紫外（UV）辐照与微生物发酵（酿酒酵母与植物乳杆菌）协同改性对IDF结构与性能的影响。研究发现，协同处理可破坏IDF晶体结构，改变功能基团，从而显著提升其持水/持油、抗氧化、胆固醇吸附、胆酸钠吸附及葡萄糖吸附能力，为豆渣高值化利用提供了新策略。
在中国，每年产生大约2000万吨湿豆渣，占大豆加工干重的15%-20%。这些富含膳食纤维的副产品，本应是健康食品领域的宝贵资源，却因其质地粗糙、口感不佳、容易腐败变质，长期以来多被用作廉价饲料甚至直接废弃。这不仅造成了资源的巨大浪费，也使得豆渣中不溶性膳食纤维（Insoluble Dietary Fiber, IDF）的健康潜能未能得到充分开发。IDF虽然具有促进肠道蠕动、吸附胆固醇和葡萄糖等潜在益处，但其致密的结构和较大的分子尺寸限制了其理化与功能特性的发挥。如何破解这一难题，将“豆渣”变“金渣”，成为食品科学领域的一个关键议题。
以往的研究者们尝试了多种方法，无论是利用乳酸菌和酵母进行生物发酵，还是采用超声波、超高压等物理手段，都取得了一定效果，但也各有局限：生物法降解效率较低，物理法则设备成本高昂，且单一改性技术的效果往往有限。于是，寻找一种操作简便、成本适宜且能产生协同效应的组合改性技术，成为了推动豆渣资源高值化利用的突破口。长波紫外（UV）辐照技术以其工艺简单、无需复杂设备、易于工业化应用而进入研究视野。它能断裂纤维素键，破坏聚合物的致密结构。那么，将这种物理方法与高效的微生物发酵结合起来，会不会产生“1+1>2”的效果呢？特别是，如果改变处理的先后顺序，又会对最终产品的性能产生怎样的影响？为了回答这些问题，一篇发表在《LWT》期刊上的研究，系统探讨了长波紫外辐照与微生物发酵（酿酒酵母S. cerevisiae和/或植物乳杆菌L. plantarum）组合改性对豆渣IDF结构、性质与功能的综合影响。
为开展此项研究，研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：首先，对豆渣样品进行了多种改性处理，包括单一的长波紫外辐照、单一的微生物发酵（酵母、乳酸菌单独及混合发酵），以及两种顺序的联合处理（先辐照后发酵，或先发酵后辐照）。其次，通过扫描电子显微镜观察了改性前后IDF的微观结构形貌。再者，利用傅里叶变换红外光谱和X射线衍射分析了IDF的官能团变化与晶体结构。此外，还通过体外模拟实验，系统测定了改性IDF的持水性、持油性、膨胀力、抗氧化能力以及对胆固醇、胆酸钠和葡萄糖的吸附能力。
3.1. 不同改性方法对IDF微观结构的影响
扫描电镜结果显示，未经处理的IDF结构紧密有序。单一长波紫外辐照使其网络变得松散、部分破碎。单一的微生物发酵（无论是酵母还是乳酸菌）使纤维基体疏松，孔隙变大，表面更粗糙。而酵母与乳酸菌混合发酵则使IDF结构更加杂乱，孔隙增多。当采用联合处理时，结构变化更为明显，纤维基质出现更广泛的破碎，表面粗糙度和多孔性显著增加。值得注意的是，先进行酵母/乳酸菌混合发酵再进行长波紫外辐照处理得到的样品，其碎片更为均匀，表明该处理顺序可能产生了更稳定、更有效的改性效果。
3.2. FT-IR光谱分析
红外光谱分析表明，所有处理均导致IDF在3420 cm-1（O-H伸缩振动）和2927 cm-1（C-H伸缩振动）等处的吸收峰减弱，说明处理破坏了纤维素和半纤维素的结构，影响了相关基团的振动特性。联合处理，特别是先发酵后辐照的样品，这种减弱效应更为显著。位于1057 cm-1附近的吸收峰（与半纤维素的酰氧键或木质素的C-O键有关）也随处理强度增加而逐渐减弱，表明联合处理对这些化学键造成了更明显的破坏或修饰。
3.3. 不同改性方法对IDF晶体结构的影响
X射线衍射分析显示，所有样品均保持I型纤维素的特征衍射峰，表明晶体类型未变。但改性处理后，IDF的结晶度普遍降低。与未处理样品相比，单一长波紫外辐照使结晶度降低了6.85%。而联合处理，尤其是先混合发酵后辐照的样品，其结晶度降低幅度最大（相对于未处理样品降低23.10%），说明联合处理能更有效地破坏纤维素分子间的氢键，降低结晶区比例，增加无定形成分含量。
3.4. 不同改性方法对IDF热力学稳定性的影响
差示扫描量热法分析表明，所有样品在75-100°C区间均有一个与水分蒸发相关的吸热峰。联合处理样品的峰温分布在84-88°C之间，其中先混合发酵后辐照的样品显示出相对更好的水合与热稳定性。在250-300°C附近与半纤维素、木质素热分解相关的放热峰分析显示，微生物发酵在一定程度上提高了样品的热稳定性，而长波紫外辐照则可能因破坏结构而略微降低热稳定性。先混合发酵后辐照的样品，其放热峰温度高于先辐照后混合发酵的样品，表明前者具有更稳定的结构。
3.5. 单糖组成分析
单糖组成分析显示，豆渣IDF主要由阿拉伯糖、半乳糖、木糖、葡萄糖和甘露糖构成。长波紫外辐照后，葡萄糖、阿拉伯糖和木糖含量增加。微生物发酵改变了单糖分布，混合发酵样品中木糖含量显著升高。联合处理进一步改变了单糖组成，先辐照后混合发酵的样品中葡萄糖、木糖和鼠李糖含量大幅增加，而先混合发酵后辐照的样品中阿拉伯糖和鼠李糖含量更高，但木糖和葡萄糖含量降低，这与扫描电镜中观察到的后者结构破碎更均匀、对纤维素降解作用可能较弱的结果相一致。
3.6. 不同改性方法对IDF物理性质的影响
改性显著提升了IDF的持水能力和持油能力。其中，先进行酵母/乳酸菌混合发酵再进行长波紫外辐照的样品在这两项指标上表现最佳，其持水力和持油力分别达到未处理样品的1.24倍和1.27倍以上。这表明协同处理通过增加孔隙和复杂化纤维排列，增强了IDF的水合与亲脂能力。在膨胀力方面，单一微生物发酵能提高膨胀力，而单一长波紫外辐照会降低膨胀力。联合处理中，先发酵后辐照样品的膨胀力显著高于先辐照后发酵的样品，但低于单一发酵样品，这可能与结构破碎后大分子质量减少、完整性下降有关。
3.7. 不同改性方法对IDF抗氧化活性的影响
改性处理普遍提升了IDF的抗氧化能力。在DPPH自由基清除能力上，联合处理样品，特别是先发酵后辐照的样品，清除能力最强，达到单一辐照样品的1.82倍。在ABTS自由基和羟基自由基清除能力上，也观察到类似的趋势，联合处理展现出优于单一处理的抗氧化效果。这可能是由于微生物发酵释放了具有抗氧化活性的小分子物质，而紫外辐照产生的低分子量化合物也能提供电子和氢原子来清除自由基。
3.8. 不同改性方法对IDF胆固醇吸附能力的影响
在模拟胃肠环境下，所有改性IDF在中性条件下的胆固醇吸附能力均优于酸性条件。联合处理，特别是先发酵后辐照，能最有效地提升IDF在酸性和中性环境下的胆固醇吸附能力。这归因于处理改变了IDF的空间结构，增加了表面粗糙度和孔隙率，从而增强了与胆固醇分子的结合。
3.9. 不同改性方法对IDF胆酸钠吸附能力的影响
胆酸钠吸附能力是评价降血脂潜力的重要指标。所有改性处理均大幅提升了IDF的胆酸钠吸附能力，其中先进行酵母/乳酸菌混合发酵再进行长波紫外辐照的样品表现最为突出，其吸附能力是未处理样品的4.50倍，且显著高于其他处理。混合发酵产生的代谢产物可能使IDF在后续辐照中更易降解，形成更松散的结构，从而提供更多的吸附位点。
3.10. 不同改性方法对IDF葡萄糖吸附能力的影响
改性处理也显著增强了IDF的葡萄糖吸附能力。联合处理的效果优于单一处理，其中先混合发酵后辐照的样品，其葡萄糖吸附能力是未处理样品的2.44倍。这可能是由于紫外辐照破坏了纤维的结晶区，使其更容易被微生物降解，从而形成分层多孔结构，增加了对葡萄糖的吸附容量。
该研究得出结论，长波紫外辐照与微生物发酵的联合使用，特别是先进行酵母和植物乳杆菌混合发酵，再进行长波紫外辐照的处理顺序，能协同破坏豆渣不溶性膳食纤维的晶体结构和致密网络，改变其官能团和单糖组成，从而最有效地改善其理化特性与功能性质。经过此优化工艺改性的IDF，在持水性、持油性、抗氧化活性，尤其是在吸附胆固醇、胆酸钠和葡萄糖方面展现出显著提升的性能，其吸附能力分别达到未处理样品的1.57倍、4.50倍和2.44倍。这项工作不仅阐明了一种高效的豆渣IDF组合改性机理，更为开发具有降血糖、降血脂潜力的功能性食品配料提供了一种操作相对简便、易于工业化推广的技术方案，对推动豆渣这一大宗农副产物的高值化资源利用具有重要的理论与实践意义。未来，该技术在大规模工业化应用中对豆渣IDF性能的影响，将是下一步需要深入研究的重点。
