《Ultrasonics Sonochemistry》：Ultrasound-assisted engineering of dietary fiber from cauliflower waste: a cavitation-driven process–structure–function approach
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花椰菜（*Brassica oleracea* var. *botrytis*）加工残渣是膳食纤维的丰富来源，但由于其不溶性膳食纤维含量高且功能性有限，一直未得到充分利用。本研究探讨了超声辅助酶解提取（UAEE）作为一种绿色方法，以提高膳食纤维的回收率并改善其
花椰菜（*Brassica oleracea* var. *botrytis*）加工残渣是膳食纤维的丰富来源，但由于其不溶性膳食纤维含量高且功能性有限，一直未得到充分利用。本研究探讨了超声辅助酶解提取（UAEE）作为一种绿色方法，以提高膳食纤维的回收率并改善其理化性质，以适用于烘焙应用。研究人员评估了超声振幅（40–80%）和处理时间（20–40 min）对提取率、膳食纤维组成、粒径、功能特性及结构特征的影响。超声处理显著（*p* < 0.05）提高了提取率和可溶性膳食纤维含量，同时减小了粒径，并改善了持水力、持油力和溶胀力。扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）的结构分析表明，超声处理后纤维表面发生显著破坏，官能团可及性发生改变。将改性膳食纤维以不同替代水平添加到饼干中，其中10%添加量在营养强化、理化品质、质构和感官接受度之间达到了最佳平衡。所选配方的饼干在室温储存90天期间还保持了令人满意的微生物和感官品质。这些研究结果表明，超声辅助酶解提取是将花椰菜加工废弃物转化为具有改善技术性能和潜在烘焙应用价值的功能性膳食纤维的有效策略。
# 超声辅助酶解提取花椰菜废弃物膳食纤维：从过程-结构-功能关联到烘焙应用验证的系统研究
## 1. 研究背景与科学问题
膳食纤维作为一种可持续的功能性食品配料，因其明确的健康功效和改善食品体系技术功能特性的能力而受到广泛关注。在膳食纤维的两大主要组分中，可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber, SDF）凭借优异的持水性、黏度特性、乳化能力和凝胶形成性能，在功能性食品开发中具有重要价值；而不溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber, IDF）则主要通过增加粪便体积促进胃肠道健康。因此，将自然界中含量丰富的IDF高效转化为具有更高功能价值的SDF，已成为食品科学领域的研究热点。
果蔬加工业的迅速扩张产生了大量农工业副产物，约占加工总生物量的25–60%。其中，花椰菜（*Brassica oleracea* var. *botrytis*）加工残渣——包括外叶、茎和修剪碎料——是一种富含膳食纤维但长期未得到充分利用的木质纤维素资源，且其纤维以不溶性组分为主。将这些残渣转化为功能性食品配料，既符合循环生物经济理念，又能同时减轻环境负担并创造附加值。然而，花椰菜废弃物致密的木质纤维素结构限制了溶剂可及性，降低了膳食纤维的可提取性和功能性，亟需能够改变其结构组织的创新加工技术。
超声辅助提取作为一种环境友好的非热加工技术，通过声空化效应强化提取过程。空化气泡的形成、生长和内爆塌缩产生局部剪切力、微射流和湍流，从而增强溶剂渗透、破坏植物细胞壁并改善传质效率。当与酶解相结合时，超声辅助酶解提取（ultrasound-assisted enzymatic extraction, UAEE）具有协同优势：空化作用通过破坏木质纤维素基质增强酶的可及性，而酶则选择性水解纤维素、半纤维素和果胶聚合物。尽管已有研究探讨了超声处理对柑橘皮、燕麦麸、桑葚、西兰花副产物等膳食纤维提取的改善作用，但这些研究大多聚焦于提取率或SDF产量，鲜有研究系统地将超声加工参数与空化诱导的结构改性、理化功能特性及在终端食品中的实际表现相关联。此外，超声改性膳食纤维在实际食品体系中的验证仍然有限，加工条件、结构转化与功能行为之间的机制关系尚不充分明确。
基于上述背景，本研究选取花椰菜加工废弃物作为研究对象，理由在于：其一，商业化修整作业会产生大量此类废弃物；其二，其纤维素、半纤维素和果胶多糖含量丰富且主要以不溶性膳食纤维形式存在；其三，其复杂的木质纤维素结构为研究超声辅助结构改性和不溶性向可溶性膳食纤维转化提供了理想模型。据研究人员所知，这是首项将花椰菜加工废弃物膳食纤维的超声辅助酶解提取与综合结构表征（SEM和FTIR）、水合相关功能特性评价、粒径-功能性能相关性分析以及饼干模型中的实际应用验证和储存稳定性评估相结合的研究。
## 2. 研究目标与主要技术方法
本研究旨在：（i）优化花椰菜加工废弃物膳食纤维的超声辅助酶解提取工艺；（ii）探究超声诱导的结构修饰及其对功能特性的影响；（iii）建立加工条件、结构转化与功能性之间的机制关系；（iv）评估提取膳食纤维在功能性饼干中的技术性能。
研究人员采用的主要技术方法包括：全因子完全随机设计（3×3，超声振幅40%/60%/80% × 处理时间20/30/40 min）；顺序酶解预处理（热稳定α-淀粉酶、蛋白酶、淀粉葡萄糖苷酶）；20 kHz高强度探头式超声处理器（VCX-750，美国），脉冲模式（5 s开/5 s关），实际超声功率180–420 W，能量密度216–1008 J mL
?1；膳食纤维组分测定采用酶-重量法（AOAC 991.43）；粒径分析采用激光衍射粒度仪（Mastersizer 3000，Malvern Panalytical，英国）；形貌和元素组成表征采用场发射扫描电子显微镜配备能量色散X射线光谱（SEM-EDX，Gemini SEM 500，Carl Zeiss AG，德国）；官能团环境分析采用傅里叶变换红外光谱（FTIR，Perkin Elmer Spectrum Two）；热性能评价采用差示扫描量热法（DSC，DSC 8000，PerkinElmer）。花椰菜废弃物原料采集自印度SKUAST-Kashmir食品加工与培训中心（FPTC）。统计分析采用双因素方差分析、Tukey HSD事后检验、Pearson相关分析和多元线性回归（SPSS 26.0和R Studio 4.2.1）。
## 3. 主要研究结果
### 3.1 超声处理对提取效率的影响
提取率从U1T1（40%振幅，20 min）的14.65%显著增加至U3T3（80%振幅，40 min）的19.60%，总体增幅约33.8%。可溶性膳食纤维（SDF）含量表现出最显著的响应，从12.05%增至21.01%，增幅约74.4%。双因素方差分析表明，超声振幅和处理时间均极显著影响提取率和SDF含量（*p* < 0.001），且两者间存在显著交互作用。处理时间对变异贡献大于振幅（提取率SS：时间43.554 vs. 振幅19.986；SDF SS：时间153.674 vs. 振幅50.257）。多元线性回归模型良好拟合了实验数据（R2 = 0.956–0.982）。
### 3.2 超声处理对粒径和功能特性的影响
平均粒径从159.70 μm（U1T1）降至92.88 μm（U3T3），降幅约41.8%。持水力（WHC）从1.92 g g
?1增至4.32 g g
?1，持油力（OHC）从0.91 g g
?1增至2.10 g g
?1，溶胀力（SC）从4.53 mL g
?1增至11.17 mL g
?1。回归模型显示粒径与振幅和时间均呈负相关，而WHC、OHC和SC均随加工强度增加而提高（R2 = 0.964–0.992）。研究人员指出，由于实验设计未包含单独超声和单独酶解对照，观察到的响应应归因于UAEE组合处理体系的整体效应。
### 3.3 膳食纤维的结构、形态和热表征
SEM观察显示，未处理纤维呈现相对致密光滑的表面，而UAEE处理后的纤维表面逐渐变得粗糙和非均质，表现为不规则碎片化、表面裂隙、微通道和孔隙率增加，且以80%振幅、40 min处理最为显著。EDX分析表明碳和氧为主要元素，钾、钙、钠、磷、氯为微量矿物元素，UAEE处理未引入额外元素。FTIR光谱显示，处理后样品在3300–3400 cm
?1（O–H伸缩振动）、1600–1650 cm
?1（羰基/吸附水）和1000–1100 cm
?1（C–O–C和C–O伸缩振动）区域出现强度或轮廓差异，指示氢键环境和极性基团可及性发生变化，但FTIR不能独立证明糖苷键断裂等分子尺度事件。DSC分析显示，纤维在150–220 °C出现宽吸热转变（与结合水脱除和无定形区松弛有关），在250–350 °C出现结构多糖的热降解转变，且在170–180 °C以下无显著热转变，表明纤维在饼干烘烤温度范围内具有热稳定性。
### 3.4 饼干的理化性质
膳食纤维添加显著（*p* < 0.05）增加了饼干水分含量（从3.67%升至7.60%）和水活度（从0.33升至0.52），但所有配方水活度均低于0.60的安全阈值。饼干体积从26.50 cm3（对照）降至18.37 cm3（最高替代水平），降幅约31%；比容从1.44降至1.04 cm3 g
?1。这些变化归因于膳食纤维对面筋蛋白的稀释作用、高持水性导致的自由水减少以及纤维表面对淀粉-面筋相互作用的物理干扰。
### 3.5 感官评价
感官评价显示，膳食纤维的添加显著影响饼干的外观、味道、质地和总体接受度。对照配方得分最高，随着纤维替代水平增加各感官属性逐步下降，但所有配方的总体接受度均高于6.0（9点喜好度量表）。B2（10%膳食纤维）取得最佳平衡，总体感官接受度为7.7 ± 0.22。
### 3.6 色泽特性
仪器色泽分析表明，纤维添加显著降低亮度L*（从69.14降至63.39），增加红度a*（从6.84增至9.55），降低黄度b*（从28.37降至24.64）。总色差ΔE从0.00增至10.27，B2的ΔE为5.15，属于可注意但仍可接受的范围，与感官评价中外观得分的变化趋势一致。
### 3.7 质构剖面分析
质构分析显示，硬度从28.65 g增至45.33 g（增幅约58%），咀嚼度从13.27增至15.44 g，而脆裂性从9.22降至7.15 g，内聚性从0.55降至0.44，弹性从1.44降至1.04。B2配方在质构特性和感官接受度之间保持了良好平衡。
### 3.8 储存稳定性
在90天常温储存期间，B2饼干水分含量从5.17%升至6.07%，水活度从0.40升至0.49，总菌落总数从120.67增至517.00 CFU g
?1；对照饼干相应参数变化较小。所有微生物计数均远低于国际公认的即食烘焙产品微生物限量标准，水活度始终低于0.60，且在整个储存期间未观察到可见霉菌生长。
### 3.9 储存期间感官品质变化
储存期间两种配方的感官属性均逐渐下降，但所有指标在整个90天储存期间保持在6.0以上的可接受阈值。B2饼干总体接受度从8.3降至6.9，与水分含量增加和质构轻微软化趋势一致。感官品质的下降归因于正常理化老化过程而非微生物腐败。
## 4. 讨论与结论
本研究的讨论部分强调，超声辅助酶解提取通过声空化效应实现对花椰菜废弃物膳食纤维的结构改性：空化气泡塌缩产生的局部剪切力、微射流和压力波动破坏了致密的木质纤维素结构，酶解进一步增加了纤维组分的可及性，二者协同促进了粒径减小、孔隙率增加和极性基团暴露，从而改善了纤维的水合性能和油结合能力。SEM、FTIR和DSC分析从形态、化学环境和热行为层面为结构改性提供了佐证。Pearson相关分析和MLR模型初步建立了加工参数-结构特征-功能特性之间的定量关系框架。在饼干应用验证中，10%替代水平（B2）在营养强化、理化品质、质构特性和感官接受度之间实现了最佳平衡，且产品在90天常温储存期间保持微生物安全和感官可接受。
研究结论指出，超声辅助酶解提取是将花椰菜（*Brassica oleracea* var. *botrytis*）加工废弃物转化为具有增强理化特性和技术功能性的膳食纤维的有效且可持续的策略。在所研究的处理组合中，80%超声振幅处理40 min获得了最高的提取率（19.60%）和可溶性膳食纤维含量（21.01%），相较于最低处理条件有显著改善。超声辅助加工还减小了粒径，形成了更多孔的纤维微观结构，并显著改善了持水力、持油力和溶胀力。将改性膳食纤维以10%替代水平（B2）加入饼干，在营养强化、功能表现和感官接受度（总体感官评分7.7/9）之间取得了最佳平衡，且产品在90天常温储存期间保持微生物安全和感官可接受。该研究为利用超声辅助酶解提取技术将花椰菜加工废弃物转化为适用于烘焙应用的高附加值功能配料提供了实践路径，支持可持续副产物利用和循环生物经济倡议。
