啤酒糟阿拉伯木聚糖的挤压驱动工艺-结构-功能关系

《Food Hydrocolloids》：Extrusion-Driven Process-Structure-Function Relationships of Arabinoxylan from Brewer’s Spent Grain

　　

挤出加工提高了阿拉伯木聚糖（AX）的回收率和纯度

• 高温和高循环次数降低了阿/X（阿拉伯糖/木糖）比率和分子量
• 挤出诱发了剪切变稀行为和长期乳液稳定性
• 挤出在物理化学功能性与可发酵性之间产生了权衡
• 工艺-结构-功能关系支持面向应用的AX生产

引言
啤酒糟（BSG）是酿酒行业最丰富的副产物，是一种未被充分利用的木质纤维素资源，富含蛋白质、纤维素和半纤维素，具有可观的增值潜力（Jaguey-Hernández等，2023）。在这些成分中，阿拉伯木聚糖（AX）是主要的半纤维素组分，因其结构多样性和广泛的物理化学及生物学特性而备受关注。AX主要由β-(1→4)-连接的木糖骨架组成，在C-2和/或C-3位上被α-L-阿拉伯糖呋喃糖残基取代，并可能根据植物来源和加工历史含有酚类和其他少量取代基（Pérez-Flores等，2019）。分子量、阿拉伯糖取代及相关酚类成分的差异可显著影响AX的溶解度、流变行为、界面特性和生物可及性（Bangar等，2025；Zannini等，2022）。因此，在回收BSG衍生的AX同时控制这些结构特征，对于开发功能性生物聚合并提高BSG的增值利用至关重要。由于木质纤维素细胞壁的顽固组织结构，从BSG中高效回收AX仍然具有挑战性。AX通过共价和非共价相互作用与纤维素、木质素和蛋白质紧密结合，这些因素共同导致了水不溶性阿拉伯木聚糖（WUAX）在BSG中的主导（Bai等，2025）。碱提取可以破坏氢键网络并切断AX与酚类化合物之间的酯键，从而促进AX溶解（Zannini等，2022）。然而，传统的碱提取方法通常需要较为苛刻的化学条件或较长的加工时间才能获得可接受的产率，同时存在多糖链严重降解的风险，导致结构和功能性能出现不理想的转变。因此，提取的挑战超越了产率和纯度的优化，延伸至对理想结构特征的控制性保持。热机械挤出已被越来越多地探索作为提高谷物和木质纤维素基质中AX可及性的预处理方法（Konan等，2022）。与许多传统的间歇式预处理不同，挤出可以作为一种连续、高固含量加工方式运行，为工艺集成和潜在放大提供了优势。通过在连续过程中结合热、剪切和压力，挤出可以物理破坏细胞壁结构并促进否则难以提取的多糖组分的释放（Konan等，2022）。对小麦和黑麦麸皮的研究表明，挤出可以增加分析可提取AX的比例（Andersson等，2017）。在小麦胚乳中也报道了类似观察结果，其中AX水提取性的增强伴随着向低分子量组分的转变（Fadel等，2018）。对小麦麸皮AX的更深入研究进一步阐明了挤出诱导的结构修饰与溶解度和黏度之间的关联（Demuth等，2020），而近期关于米糠衍生AX的研究表明，挤出诱导的结构变化也会影响消化敏感性和微生物可发酵性（Park等，2027）。重要的是，这些响应在不同谷物基质或加工条件下并不一致，表明挤出对AX的结构和功能效果并非普遍适用。然而，这些研究中的许多主要量化了加工麸皮中AX的可提取性，而非将AX作为独立组分回收。此外，早期关于挤出与AX的相关研究主要集中在水溶性AX上，对随后通过碱提取回收的AX关注较少。这种区分尤其重要，因为谷物副产物中相当大比例的AX仍然是水不溶性的，并且与木质纤维素基质紧密结合。因此，对碱回收AX的表征对于确定挤出如何影响一个更广泛且不易提取的AX组分至关重要，该组分与下游增值利用相关。总体而言，这些发现表明挤出可以改变AX的可及性和分子特征，但它们并未建立这种预处理如何影响随后通过碱提取从BSG中回收的AX组分的结构和功能。在BSG中，据报道挤出可改善可溶性AX的释放，但先前的研究主要关注AX的回收或后续生物处理，而非系统表征分离AX的结构和功能特征（Cervantes-Ramirez等，2022）。一个更基本的问题是挤出是否仅仅增加了从BSG中回收的AX数量，还是改变了随后通过碱提取获得的AX的结构特征。鉴于BSG衍生AX的结构异质性，挤出诱导的基质破坏可能改变结构上不同的AX组分对回收材料的相对贡献。在这种情况下，AX回收率的提高可能反映了AX组分组成特征的转变，而非简单的定量提取效应。此类转变将具有直接的功能影响，因为有利于流变或界面性能的结构特征不一定与有利于微生物利用的特征一致。因此，核心未解决问题是：挤出预处理是否推动了碱回收BSG-AX的结构-功能特征的转变，以及这些变化是否产生了协调改善或分化的物理化学和发酵响应。澄清这一问题将使挤出辅助的BSG增值超越产率提高，转向面向应用的AX结构和功能特性的定向调控。基于挤出综合热和机械效应，我们假设挤出预处理将破坏BSG的木质纤维素基质并促进AX的部分解聚，导致分子量降低和阿拉伯糖取代发生变化。分子量的降低预计会减少AX分散液的一致性系数，而挤出诱导的结构修饰也预计会改变乳液化和热降解行为。此外，部分解聚还预计会改善AX的微生物可及性，从而增强发酵和短链脂肪酸的产生。为验证该假设，采用甘油辅助锥形双螺杆挤出作为上游热机械预处理，甘油用作加工介质。本研究探讨了挤出温度（150和180°C）和加工循环次数（1、3、5次）如何影响BSG衍生AX的回收、结构和功能特性，旨在建立工艺-结构-功能关系。回收的AX通过单糖组成、分子量分布、傅里叶变换红外（FTIR）光谱和形态进行了表征，同时进行了热稳定性、流变行为、乳液性能和体外发酵动力学的综合功能评估。通过整合这些响应，本研究确定了挤出诱导的结构变化是否在不同物理化学和生物学功能中产生了协调或分化的效应，为BSG衍生AX的受控生产提供了基础，以获得定制的功能特性。

材料
BSG由帕克韦酒厂（美国弗吉尼亚州塞勒姆）提供。纯乙醇（200 proof）购自Decon Labs. Inc.（美国宾夕法尼亚州金士顿）。包括硫酸（H2SO4）、碳酸钡（BaCO3）、磷酸氢二钠（NaH2PO4）、磷酸氢二钠（Na2HPO4）、甘油（≥99.0%）、氯化钠（NaCl）、氢氧化钠（NaOH）、盐酸（HCl）、十二烷基硫酸钠（SDS）、中链甘油三酯（MCT）、乙酸（AA）、丙酸（PA）等化学品。

AX回收率、纯度和化学组成
挤出预处理显著提高了AX的回收率和纯度，其响应取决于挤出温度和循环次数（图1A）。AX回收率从对照组的38.68%增至180-5C组的51.11%，而纯度提高了近10%（从68.11%提升至78.02%）。更高的纯度伴随着酸不溶性木质素含量降低（9.37%降至7.22%）、残余蛋白质减少（6.15%降至2.55%）和总酚类化合物减少（32.46降至27.52 mg GAE/g）（表1），表明更为有效的分离。

结论
本研究建立了挤出预处理后从BSG中提取的AX的明确工艺-结构-功能关系。挤出提高了AX的回收率和纯度，其中180-5C显示出最高的提取性能，同时改变了阿拉伯糖取代、分子量分布、形态和分散行为。这些结构修饰伴随着分化的功能响应。特别是，180-5C表现出最强的剪切变稀行为和……

作者贡献声明
Sean F. O'Keefe：撰写–审阅与编辑，资源。Ann M. Stevens：撰写–审阅与编辑，资源。David D. Kuhn：监督，项目管理，资金获取。Young-Teck Kim：监督，项目管理，方法论，概念化。Haibo Huang：撰写–审阅与编辑，监督，资源，项目管理，方法论，资金获取，概念化。Shuo Jiang：撰写–初稿，可视化，验证，方法论。

未引用文献
Fadel等，2018；Ka?uráková等，2000。

伦理审批与参与同意
人体粪便样本采集自健康成人捐赠者。在样本采集前获得了所有捐赠者的书面知情同意。样本经混合、编码和去标识化后用作体外发酵的接种物。本研究中未采集或分析任何个人可识别信息。

出版同意
不适用。

数据与材料可用性
支持本研究结果的资料可从通讯作者处合理请求获取。

利益冲突声明
? 作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢
本工作得到弗吉尼亚理工约翰·李·普拉特动物营养项目和美国农业部（USDA）农业研究局（ARS）非辅助合作协议（NACA）58-2030-4-081的支持。我们感谢帕克韦酿酒公司慷慨提供本研究所需的原始BSG。我们还感谢Tiedemann材料表征实验室（MCL）、纳米表征与制造实验室（NCFL）以及NSF GlycoMIP。

作者列表：Shuo Jiang | Zunhuang He | Jung Mun Yang | Hongchen Shen | Yixiang Xu | Sean F. O'Keefe | Ann M. Stevens | David D. Kuhn | Young-Teck Kim | Haibo Huang