发酵和超声预处理结合发酵对野葡萄（Cissus quadrangularis L.）茎浆的营养、植物化学和体外生物可及性的影响

《Food Chemistry Advances》：Effects of Fermentation and Ultrasound Pretreatment Followed by Fermentation on Nutritional, Phytochemical and In Vitro Bio-accessibility of Veldt Grape ( Cissus quadrangularis L.) Stem Pulp

　　

研究人员作为生物加工策略，比较评估了使用酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）（活性干酵母）进行的正常发酵（NF）和超声预处理后发酵（UPFF），以提升未充分利用的可食用植物资源——野葡萄（Cissus quadrangularis L.）茎浆的营养品质、生物活性特征和体外生物可及性。研究人员初步评估了发酵持续时间（2–5天），随后将选定的3天发酵期与超声预处理（20–50分钟）相结合。两种策略均提高了植物化学物质含量和抗氧化活性，同时降低了抗营养因子，且在UPFF下观察到更显著的效果。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析表明分子相互作用发生变化，但主要官能团无实质性改变，而X射线衍射（XRD）和高分辨率扫描电子显微镜（HR-SEM）证实了处理依赖性的结晶度和结构特性变化。基于对理化、植物化学、抗营养和矿物质特征的综合评估，研究人员选择了NF3和UPFF-40进行模拟胃肠消化研究。UPFF-40显示出更高的多酚（66%）、黄酮类化合物（52%）、抗氧化剂（73%）和矿物质（57–90%）生物可及性，而抗营养因子的生物可及性相对较低（19–41%）。这些发现强调，UPFF是一种有效的生物加工策略，可改善野葡萄茎浆的营养品质和胃肠生物可及性，支持其作为可持续、营养密集型功能食品成分的潜在应用。

**论文解读：发酵与超声预处理结合发酵改善野葡萄茎浆营养品质及体外生物可及性**

**研究背景与问题**

随着全球人口预计到2050年接近100亿，食品生产系统面临巨大压力，对可持续、营养密集型食品资源的需求日益增长。同时，营养不良、微量营养素缺乏及饮食相关非传染性疾病的流行，凸显了开发具有增强营养和生物活性价值食品的必要性。未充分利用的植物作物（NUCs）因其丰富的营养和功能潜力而受到关注，但现代食品系统仅依赖少数主粮作物。野葡萄（Cissus quadrangularis L.），一种适应干旱和半干旱条件的多年生肉质攀援植物，具有显著的营养和治疗潜力，富含矿物质（铁、钙、镁、磷、钾、锌）、多酚和膳食纤维。然而，其茎浆也含有抗营养因子（ANFs），如鞣酸、植酸、草酸盐和皂苷，这些次级代谢产物会与蛋白质和矿物质形成不溶性复合物或抑制消化酶，从而降低营养素的生物利用度。目前，关于加工策略（如发酵和超声预处理）对野葡萄茎浆的抗营养因子、矿物质可及性及植物化学物质在模拟胃肠条件下生物可及性的影响，研究仍十分有限。因此，本研究假设，与正常发酵（NF）相比，超声预处理后发酵（UPFF）能更显著地改善野葡萄茎浆的植物化学特征、抗氧化活性，减少抗营养因子，且不造成矿物质的大量损失，并提升养分生物可及性。

**研究内容与结论**

研究人员系统比较了正常发酵（NF）和超声预处理后发酵（UPFF）两种生物加工策略对野葡萄茎浆的影响。通过理化、植物化学、矿物质、抗营养因子分析，结合高分辨率扫描电子显微镜（HR-SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）进行结构表征，并采用INFOGEST静态体外胃肠消化模型评估生物可及性。结果表明，UPFF处理（尤其是UPFF-40：40分钟超声结合3天发酵）在提升植物化学物质含量、抗氧化活性及减少抗营养因子方面效果优于NF，且保留了较多的必需矿物质。UPFF-40处理后的样品在模拟胃肠消化中展现出更高的多酚、黄酮、抗氧化剂和矿物质生物可及性，同时抗营养因子的生物可及性维持在较低水平。该研究证实，UPFF是一种有效的生物加工策略，可显著提升野葡萄茎浆的营养品质和胃肠生物可及性，为其作为可持续、营养密集型功能食品成分的潜在应用提供了科学依据。该论文发表在《Food Chemistry Advances》。

**主要关键技术方法**

研究人员采用的主要关键技术方法包括：1）样品来源：印度泰米尔纳德邦当地市场采购的野葡萄新鲜可食茎（四翅型），经清洗、去皮、漂烫后制备茎浆匀浆。2）正常发酵（NF）：将匀浆与9%蔗糖混合，接种0.24%活性干酵母（Saccharomyces cerevisiae），在30°C、25 rpm下发酵2–5天。3）超声预处理后发酵（UPFF）：在接种前，使用探头式超声处理器（20 kHz, 300 W, 40%振幅, 脉冲模式）对匀浆进行20–50分钟超声处理，随后按相同条件发酵3天。4）理化特性分析：pH测定、Hunter色差仪测色。5）植物化学与抗氧化评估：Folin-Ciocalteu法测定总酚含量（TPC），氯化铝比色法测定总黄酮含量（TFC），DPPH法测定抗氧化活性。6）抗营养因子分析：比色法测定植酸、鞣酸、皂苷，高锰酸钾滴定法测定草酸盐。7）矿物质分析：采用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）测定铁、钙、镁、磷、钾。8）结构表征：FTIR分析功能基团变化，XRD测定结晶度指数（CI%），HR-SEM观察微观形态。9）体外胃肠消化：采用INFOGEST静态模型，模拟口腔、胃、肠阶段，离心后收集生物可及性组分，计算各指标生物可及性百分比。

**研究结果**

**3.1. 理化性质**
**3.1.1. pH变化的影响**：与新鲜样品相比，NF导致pH下降27%，NF3（3天发酵）达到最低值（pH 4.60），归因于有机酸积累。UPFF处理导致pH快速下降44%（UPFF-20），与超声诱导的结构变化和膜通透性增加有关，提升了发酵效率。
**3.1.2. 颜色变化的影响**：NF和UPFF处理均导致颜色变暗（L*值降低），NF3和UPFF-40表现出适度的颜色变化。UPFF-50的ΔE值最高，表明颜色偏差最大。超声处理加剧了褐变，可能与多酚转化和美拉德反应有关。

**3.2. 营养、植物化学和抗营养因子**
**3.2.1. 植物化学物质和抗氧化活性**：NF处理在3–4天达到TPC和TFC峰值（86.98 mg GAE/g和54.15 mg QE/g），随后下降。UPFF-40进一步提升了植物化学物质释放（TPC: 94.67 mg GAE/g, TFC: 62.95 mg QE/g），抗氧化活性也相应提高（UPFF-40: 73.64%），归因于空化效应破坏基质并增加传质。
**3.2.2. 抗营养因子的影响**：NF和UPFF均显著降低了鞣酸、皂苷、植酸和草酸盐含量。UPFF处理降幅更大（鞣酸降低64%，皂苷46%，植酸68%，草酸盐71%），与酵母酶解和超声破坏细胞结构促进酶-底物接触有关。
**3.2.3. 矿物质组成的影响**：新鲜茎浆矿物质含量顺序为Ca > K > Mg > P > Fe。处理后矿物质浓度略有下降，但NF3和UPFF-40保留了较好的矿物质水平，如UPFF-40中Ca为22.893 mg/g，K为26.660 mg/g。
**3.2.4. 抗营养因子与矿物质摩尔比评估**：所有处理均降低了植酸:Fe、鞣酸:Fe、草酸盐:Ca及(植酸+鞣酸):Fe的摩尔比，表明抗营养因子与矿物质相互作用的潜力降低，有利于矿物质可及性。UPFF-50的Phy:Fe比降至0.22，远低于阈值1。

**3.3. FTIR分析**：FTIR光谱显示，所有样品均保留主要官能团吸收带，但强度变化表明分子相互作用改变。UPFF-40和NF3在1700–1500 cm?1（羰基和芳香C=C）及1200–900 cm?1（C-O/C-O-H）区域出现更显著且平衡的峰，反映了有机酸、酚类及碳水化合物结构的修饰。

**3.4. XRD分析**：新鲜样品呈半结晶衍射图（CI=28.73%）。NF3（CI=24.80%）和UPFF-50（CI=23.31%）显示最低结晶度，表明无定形区域增加。UPFF-40（CI=29.43%）保持与新鲜样品相似的结晶度，体现了处理依赖性的结晶与非晶区域分布变化。

**3.5. 形态学研究**：HR-SEM显示，新鲜样品细胞壁致密完整。NF处理逐渐导致细胞结构破坏、表面侵蚀。UPFF处理（尤其是UPFF-40）导致更广泛的组织崩解和纤维束碎片化，UPFF-50则完全丧失结构取向，表明超声和发酵协同作用加速了基质破坏。

**3.6. 体外胃肠生物可及性**
**3.6.1. 植物化学物质和抗氧化活性**：模拟消化后，所有样品绝对浓度下降，但处理组生物可及性显著高于新鲜样品。UPFF-40的多酚生物可及性为66%，黄酮为52%，抗氧化活性为73%，均高于NF3（59%, 39%, 53%）和新鲜样品（59%, 34%, 37%）。
**3.6.2. 抗营养因子的生物可及性**：消化后，各抗营养因子的生物可及性均较低：鞣酸21–39%，皂苷28–40%，植酸34–41%，草酸盐19–21%。处理组（NF3和UPFF-40）的初始含量较低，且生物可及性低于新鲜样品，可能与处理诱导的降解和基质改变有关。
**3.6.3. 矿物质组成的生物可及性**：UPFF-40表现出最高的矿物质生物可及性：铁57%，钙79%，镁59%，磷86%，钾90%。NF3的相应值分别为47%, 51%, 42%, 45%, 85%，均显著高于新鲜样品（30%, 35%, 29%, 33%, 72%）。这与抗营养因子减少及发酵产生的低分子量有机酸促进矿物质溶解有关。

**结论总结与讨论**

本研究通过比较正常发酵（NF）和超声预处理后发酵（UPFF）对野葡萄（Cissus quadrangularis L.）茎浆的影响，得出以下结论：两种加工策略均能提升植物化学特征和抗氧化活性，同时降低抗营养因子，其中UPFF处理效果更显著。模拟胃肠消化表明，选定的NF3和UPFF-40处理相较于新鲜样品，增加了植物化学物质、抗氧化剂和矿物质的生物可及性，同时保持了抗营养因子较低的生物可及性。FTIR分析显示分子相互作用改变但主要官能团保留，XRD和HR-SEM证实了处理依赖性的结晶度和结构形态变化。这些组成和结构修饰与提升的体外生物可及性相关联，尤其在UPFF-40处理中表现突出。综合比较表明，UPFF（尤其是UPFF-40）优于NF，展现出更优的营养、功能和体外生物可及性特征。该加工材料具有潜在的营养强化价值，可作为一种功能性成分应用于强化面粉混合物、功能性饮料、烘焙产品等，支持未充分利用植物资源在功能性食品开发中的利用。研究人员建议，需要进一步的体内研究、产品开发和感官评价来验证这些发现并评估实际食品应用。