《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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為了提升豆渣不溶性膳食纖維（IDF）粗糙、難消化的特性，研究人員評估了長波紫外（UV）輻照與微生物發酵（釀酒酵母與植物乳桿菌）協同改性對IDF結構與性能的影響。研究發現，協同處理可破壞IDF晶體結構，改變功能基團，從而顯著提升其持水/持油、抗氧化、膽固醇吸附、膽酸鈉吸附及葡萄糖吸附能力，為豆渣高值化利用提供了新策略。
在中國，每年產生大約2000萬噸濕豆渣，占大豆加工干重的15%-20%。這些富含膳食纖維的副產品，本應是健康食品領域的寶貴資源，卻因其質地粗糙、口感不佳、容易腐敗變質，長期以來多被用作廉價飼料甚至直接廢棄。這不僅造成了資源的巨大浪費，也使得豆渣中不溶性膳食纖維（Insoluble Dietary Fiber, IDF）的健康潛能未能得到充分開發。IDF雖然具有促進腸道蠕動、吸附膽固醇和葡萄糖等潛在益處，但其致密的結構和較大的分子尺寸限制了其理化與功能特性的發揮。如何破解這一難題，將“豆渣”變“金渣”，成為食品科學領域的一個關鍵議題。
以往的研究者們嘗試了多種方法，無論是利用乳酸菌和酵母進行生物發酵，還是采用超聲波、超高壓等物理手段，都取得了一定效果，但也各有局限：生物法降解效率較低，物理法則設備成本高昂，且單一改性技術的效果往往有限。于是，尋找一種操作簡便、成本適宜且能產生協同效應的組合改性技術，成為了推動豆渣資源高值化利用的突破口。長波紫外（UV）輻照技術以其工藝簡單、無需復雜設備、易于工業化應用而進入研究視野。它能斷裂纖維素鍵，破壞聚合物的致密結構。那么，將這種物理方法與高效的微生物發酵結合起來，會不會產生“1+1>2”的效果呢？特別是，如果改變處理的先后順序，又會對最終產品的性能產生怎樣的影響？為了回答這些問題，一篇發表在《LWT》期刊上的研究，系統探討了長波紫外輻照與微生物發酵（釀酒酵母S. cerevisiae和/或植物乳桿菌L. plantarum）組合改性對豆渣IDF結構、性質與功能的綜合影響。
為開展此項研究，研究人員主要運用了以下幾項關鍵技術方法：首先，對豆渣樣品進行了多種改性處理，包括單一的長波紫外輻照、單一的微生物發酵（酵母、乳酸菌單獨及混合發酵），以及兩種順序的聯合處理（先輻照后發酵，或先發酵后輻照）。其次，通過掃描電子顯微鏡觀察了改性前后IDF的微觀結構形貌。再者，利用傅里葉變換紅外光譜和X射線衍射分析了IDF的官能團變化與晶體結構。此外，還通過體外模擬實驗，系統測定了改性IDF的持水性、持油性、膨脹力、抗氧化能力以及對膽固醇、膽酸鈉和葡萄糖的吸附能力。
3.1. 不同改性方法對IDF微觀結構的影響
掃描電鏡結果顯示，未經處理的IDF結構緊密有序。單一長波紫外輻照使其網絡變得松散、部分破碎。單一的微生物發酵（無論是酵母還是乳酸菌）使纖維基體疏松，孔隙變大，表面更粗糙。而酵母與乳酸菌混合發酵則使IDF結構更加雜亂，孔隙增多。當采用聯合處理時，結構變化更為明顯，纖維基質出現更廣泛的破碎，表面粗糙度和多孔性顯著增加。值得注意的是，先進行酵母/乳酸菌混合發酵再進行長波紫外輻照處理得到的樣品，其碎片更為均勻，表明該處理順序可能產生了更穩定、更有效的改性效果。
3.2. FT-IR光譜分析
紅外光譜分析表明，所有處理均導致IDF在3420 cm-1（O-H伸縮振動）和2927 cm-1（C-H伸縮振動）等處的吸收峰減弱，說明處理破壞了纖維素和半纖維素的結構，影響了相關基團的振動特性。聯合處理，特別是先發酵后輻照的樣品，這種減弱效應更為顯著。位于1057 cm-1附近的吸收峰（與半纖維素的酰氧鍵或木質素的C-O鍵有關）也隨處理強度增加而逐漸減弱，表明聯合處理對這些化學鍵造成了更明顯的破壞或修飾。
3.3. 不同改性方法對IDF晶體結構的影響
X射線衍射分析顯示，所有樣品均保持I型纖維素的特征衍射峰，表明晶體類型未變。但改性處理后，IDF的結晶度普遍降低。與未處理樣品相比，單一長波紫外輻照使結晶度降低了6.85%。而聯合處理，尤其是先混合發酵后輻照的樣品，其結晶度降低幅度最大（相對于未處理樣品降低23.10%），說明聯合處理能更有效地破壞纖維素分子間的氫鍵，降低結晶區比例，增加無定形成分含量。
3.4. 不同改性方法對IDF熱力學穩定性的影響
差示掃描量熱法分析表明，所有樣品在75-100°C區間均有一個與水分蒸發相關的吸熱峰。聯合處理樣品的峰溫分布在84-88°C之間，其中先混合發酵后輻照的樣品顯示出相對更好的水合與熱穩定性。在250-300°C附近與半纖維素、木質素熱分解相關的放熱峰分析顯示，微生物發酵在一定程度上提高了樣品的熱穩定性，而長波紫外輻照則可能因破壞結構而略微降低熱穩定性。先混合發酵后輻照的樣品，其放熱峰溫度高于先輻照后混合發酵的樣品，表明前者具有更穩定的結構。
3.5. 單糖組成分析
單糖組成分析顯示，豆渣IDF主要由阿拉伯糖、半乳糖、木糖、葡萄糖和甘露糖構成。長波紫外輻照后，葡萄糖、阿拉伯糖和木糖含量增加。微生物發酵改變了單糖分布，混合發酵樣品中木糖含量顯著升高。聯合處理進一步改變了單糖組成，先輻照后混合發酵的樣品中葡萄糖、木糖和鼠李糖含量大幅增加，而先混合發酵后輻照的樣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，這與掃描電鏡中觀察到的后者結構破碎更均勻、對纖維素降解作用可能較弱的結果相一致。
3.6. 不同改性方法對IDF物理性質的影響
改性顯著提升了IDF的持水能力和持油能力。其中，先進行酵母/乳酸菌混合發酵再進行長波紫外輻照的樣品在這兩項指標上表現最佳，其持水力和持油力分別達到未處理樣品的1.24倍和1.27倍以上。這表明協同處理通過增加孔隙和復雜化纖維排列，增強了IDF的水合與親脂能力。在膨脹力方面，單一微生物發酵能提高膨脹力，而單一長波紫外輻照會降低膨脹力。聯合處理中，先發酵后輻照樣品的膨脹力顯著高于先輻照后發酵的樣品，但低于單一發酵樣品，這可能與結構破碎后大分子質量減少、完整性下降有關。
3.7. 不同改性方法對IDF抗氧化活性的影響
改性處理普遍提升了IDF的抗氧化能力。在DPPH自由基清除能力上，聯合處理樣品，特別是先發酵后輻照的樣品，清除能力最強，達到單一輻照樣品的1.82倍。在ABTS自由基和羥基自由基清除能力上，也觀察到類似的趨勢，聯合處理展現出優于單一處理的抗氧化效果。這可能是由于微生物發酵釋放了具有抗氧化活性的小分子物質，而紫外輻照產生的低分子量化合物也能提供電子和氫原子來清除自由基。
3.8. 不同改性方法對IDF膽固醇吸附能力的影響
在模擬胃腸環境下，所有改性IDF在中性條件下的膽固醇吸附能力均優于酸性條件。聯合處理，特別是先發酵后輻照，能最有效地提升IDF在酸性和中性環境下的膽固醇吸附能力。這歸因于處理改變了IDF的空間結構，增加了表面粗糙度和孔隙率，從而增強了與膽固醇分子的結合。
3.9. 不同改性方法對IDF膽酸鈉吸附能力的影響
膽酸鈉吸附能力是評價降血脂潛力的重要指標。所有改性處理均大幅提升了IDF的膽酸鈉吸附能力，其中先進行酵母/乳酸菌混合發酵再進行長波紫外輻照的樣品表現最為突出，其吸附能力是未處理樣品的4.50倍，且顯著高于其他處理。混合發酵產生的代謝產物可能使IDF在后續輻照中更易降解，形成更松散的結構，從而提供更多的吸附位點。
3.10. 不同改性方法對IDF葡萄糖吸附能力的影響
改性處理也顯著增強了IDF的葡萄糖吸附能力。聯合處理的效果優于單一處理，其中先混合發酵后輻照的樣品，其葡萄糖吸附能力是未處理樣品的2.44倍。這可能是由于紫外輻照破壞了纖維的結晶區，使其更容易被微生物降解，從而形成分層多孔結構，增加了對葡萄糖的吸附容量。
該研究得出結論，長波紫外輻照與微生物發酵的聯合使用，特別是先進行酵母和植物乳桿菌混合發酵，再進行長波紫外輻照的處理順序，能協同破壞豆渣不溶性膳食纖維的晶體結構和致密網絡，改變其官能團和單糖組成，從而最有效地改善其理化特性與功能性質。經過此優化工藝改性的IDF，在持水性、持油性、抗氧化活性，尤其是在吸附膽固醇、膽酸鈉和葡萄糖方面展現出顯著提升的性能，其吸附能力分別達到未處理樣品的1.57倍、4.50倍和2.44倍。這項工作不僅闡明了一種高效的豆渣IDF組合改性機理，更為開發具有降血糖、降血脂潛力的功能性食品配料提供了一種操作相對簡便、易于工業化推廣的技術方案，對推動豆渣這一大宗農副產物的高值化資源利用具有重要的理論與實踐意義。未來，該技術在大規模工業化應用中對豆渣IDF性能的影響，將是下一步需要深入研究的重點。
