水热碱处理与球磨协同改性豆渣不溶性膳食纤维增强酪蛋白凝胶特性

《Food Hydrocolloids》：Synergistic modification of okara insoluble dietary fiber by hydrothermal alkaline treatment and ball milling reinforces casein gel properties

　　

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  热碱处理促进氢键重排和网络形成。
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  球磨破坏无定形区域，增加比表面积和孔隙体积。
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  联合处理平衡了网络结构的保留与表面可及性的增强。
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  联合处理协同改善了凝胶连通性、持水性和弹性强度。

引言

大豆被广泛加工成各种产品，包括大豆油和分离大豆蛋白，产生大量豆腐渣作为副产物（Chen等，2026）。豆腐渣富含膳食纤维，占其干物质60%以上，其中不溶性膳食纤维（IDF）约占膳食纤维总量的90%（Ullah等，2018；Yoshida & Prudencio，2020）。豆腐渣IDF主要由纤维素、半纤维素和木质素组成（Tian等，2024；Wang等，2022）。在结构上，纤维素形成纤维骨架，半纤维素结合在纤维素表面，木质素则交织于多糖网络中。分子内和分子间广泛的氢键（主要涉及羟基）进一步促成了一个致密紧凑的木质纤维素结构（Ullah等，2018）。这种紧凑的结构降低了功能基团的可达性及其与其他食品成分之间的相互作用，从而限制了IDF在食品系统中的技术功能特性。因此，需要进行结构修饰以提高功能基团的可及性并增强豆腐渣IDF的物理化学功能。

削弱纤维素、半纤维素和木质素之间的缔合，同时重组氢键网络，是一种有效的途径（Zhao等，2023）。这种结构破坏还可以暴露出先前无法接触的功能基团，并促进其与食品基体中其他成分的相互作用（Boteju等，2026）。我们之前的研究表明，在105或121°C、pH 9.0-12.0条件下进行热碱处理，可以减弱纤维素、半纤维素和木质素之间的缔合，破坏氢键，并将紧密的纤维基质转变为相对松散的结构（Chen等，2019；Zhao等，2023）。然而，这种处理对粒径减小和比表面积的影响有限。这些局限性可能会损害IDF在食品基体中的分散性，导致粗糙的口感，并降低产品的均匀性。相对较低的比表面积也可能限制IDF与其他食品成分相互作用的可接触面积（Sangnark & Noomhorm，2003）。球磨可通过强烈的机械剪切、冲击和碰撞来应对这些局限性，这些作用破坏纤维聚集体和细胞壁结构，减小粒径并增加表面积（Ramachandraiah & Chin，2016）。例如，Beutinger等（2020）报道，以450 rpm转速球磨葡萄渣90分钟，可显著减小粒径并增加比表面积。球磨还具有操作简单且无需额外化学试剂的优点。然而，热碱处理和球磨依次处理如何共同影响豆腐渣IDF的结构和物理化学性质仍不清楚，特别是这两种处理是否对纤维修饰产生互补效应。

酸诱导的酪蛋白凝胶构成了许多乳制品的结构基础，如酸奶，这些产品因其高含水量、柔软质地和理想的感官特性而广受欢迎（Foroutanparsa等，2023）。然而，没有额外结构组分的酪蛋白凝胶往往表现出相对较弱的网络和容易发生乳清分离（Lee & Lucey，2010），这凸显了需要有效策略来增强凝胶基质。膳食纤维已被证明可以通过持水、填充和桥接效应来改善凝胶性能，这取决于其结构和物理化学特性。例如，柠檬皮纤维可以缩短酪蛋白凝胶的凝胶化时间并减少乳清分离（Wang等，2025），表明其持水性质起到了作用。橙皮纤维通过填充和桥接效应增强凝胶，形成更致密的网络并增加硬度（Mary等，2022），而苹果渣颗粒则促进形成更紧凑的凝胶结构并提高凝胶的硬度和内聚性（Wang等，2019）。这些发现表明，膳食纤维对酪蛋白凝胶的影响与其持水能力和物理嵌入凝胶网络的能力有关。然而，这些结构和物理化学特性如何影响酪蛋白凝胶的形成尚未进行系统研究。此外，之前研究中所用的纤维材料通常是含有不溶性和可溶性组分的复杂植物来源纤维制剂，而非定义明确的IDF。因此，IDF在酪蛋白凝胶形成中的作用及其对IDF特性的依赖性仍知之甚少。

我们假设，热碱处理与随后的球磨将对OIDF修饰产生互补效应，通过松散木质纤维素基质，同时进一步减小粒径并增加表面可及性。这些变化预计将改变OIDF在酪蛋白基质中的掺入方式，从而调节凝胶网络形成、流变行为和持水性。为了验证这一假设，我们系统表征了经过不同修饰处理的OIDF的结构和物理化学性质，并评估了它们对酸诱导酪蛋白凝胶的微观结构、流变特性和持水能力的影响。因此，本研究旨在探讨OIDF修饰及其产生的纤维特性如何影响酪蛋白凝胶性能，为凝胶食品系统中OIDF的靶向修饰和增值利用提供依据。

章节摘要

材料与试剂

豆腐渣购自安徽诺贝尔贸易有限公司（中国）。D-(+)-葡萄糖酸-δ-内酯（GDL，生化试剂，纯度99%）和罗丹明B（分析纯）购自上海麦克林生化科技有限公司。酪蛋白（从牛奶中提取）购自上海源叶生物科技公司。其他试剂，包括氢氧化钠和盐酸，均为分析纯。除另有说明外，实验中均使用去离子水。

通过热碱处理、球磨或两者结合对豆腐渣不溶性膳食纤维（OIDF）进行修饰

The

FT-IR光谱

采用傅里叶变换红外光谱仪研究OIDF修饰前后功能基团的变化。如图1a所示，2927 cm^-1处的弱吸收峰对应于多糖中次甲基（-CH₂）基团的伸缩振动。1053 cm^-1处的吸收峰反映了糖苷键（C-O-C）的伸缩振动，而893 cm^-1处的微弱峰归属于β-糖苷键的伸缩振动（Yang等，2021）。

结论

本研究表明，热碱处理和球磨通过不同但互补的修饰途径调节OIDF的功能。热碱处理松散了纤维基质，促进了氢键重排，并生成了更明显的类网络结构，而球磨则减小了粒径并显著增加了比表面积和孔隙体积，有利于在酪蛋白凝胶中发挥填充和表面相互作用。它们的依次

CRediT作者贡献声明

Lei Yongda： 撰写–初稿、可视化、调查研究、数据管理。 Wang Shuguang： 撰写–审阅与编辑、方法论、形式分析。 Zhao Qiangzhong： 验证、资源提供。 Zhao Mouming： 项目管理。 Zhao Xiujie： 方法论。 Zhuang Yongliang： 资源提供。 Chen Bifen： 撰写–审阅与编辑、监督、概念构思

利益冲突声明

作者声明，他们之间没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能影响本论文所报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（32402000和32502281）的支持。

Yongda Lei|Shuguang Wang|Qiangzhong Zhao|Mouming Zhao|Xiujie Zhao|Yongliang Zhuang|Bifen Chen