食物来源的不溶性膳食纤维的水合特性：组分异质性的多尺度调控及尺寸效应

《Food Hydrocolloids》：The hydration properties of food-derived insoluble dietary fiber: Multi-scale regulation of component heterogeneity and size effect

　　农业副产品经酶辅助多阶段研磨制备梯度尺寸不溶性膳食纤维（IDF），其微结构、化学组成及比表面积变化协同提升吸水性能，为功能性肉制品开发提供理论依据。

　　在食品科学与加工领域，膳食纤维作为一种重要的功能性成分，近年来受到越来越多的关注。特别是不溶性膳食纤维（IDF），因其良好的吸水性和营养价值，被广泛应用于肉制品加工中。然而，IDF在实际应用中仍面临一些挑战，例如由于其颗粒粗大导致的肉制品质地变差和水分保持能力下降等问题。为了克服这些障碍，研究人员采用了一种环境友好的酶辅助多级研磨工艺，将三种具有代表性的农业副产品——柑橘皮（CP）、大豆渣（SR）和小麦麸皮（WB）转化为不同粒径的IDF颗粒。通过这种技术，IDF颗粒的粒径被分为宏观、微米和纳米三个级别，每个级别的颗粒在吸水性能上表现出显著差异。

研究表明，IDF的吸水性能与其组成成分的异质性和颗粒尺寸密切相关。在粒径减小的过程中，IDF的微观结构和化学成分发生了显著变化，这些变化进一步影响了其吸水能力。例如，在柑橘纤维中，随着粒径的减小，果胶成分的释放得到了增强，这为吸水性能的提升提供了关键支持。而在大豆纤维中，随着颗粒细化，纤维素丝的暴露程度增加，这同样促进了其吸水能力的改善。此外，粒径减小还增加了IDF的比表面积，使得更多的亲水基团得以暴露，从而提高了水分结合位点的密度。这些因素共同作用，形成了吸水性能提升的协同效应。

从宏观角度来看，IDF颗粒的尺寸变化对肉制品的质地和水分保持能力产生了深远影响。粗大的IDF颗粒在肉制品中往往难以均匀分散，容易造成口感粗糙和颗粒感明显的现象。这种问题限制了IDF在肉制品中的广泛应用。而通过精细研磨，IDF颗粒能够更好地融入肉制品的凝胶结构中，从而改善产品的整体质地。精细颗粒还能够渗透到凝胶的微孔结构中，缓解局部应力，实现更均匀的分布。这种结构上的优化不仅提升了产品的感官品质，还改善了其物理性能，如水分保持能力和油吸收能力。

从化学成分的角度来看，IDF的吸水性能与其内部的成分组成密切相关。在本研究中，通过酶辅助的多级研磨工艺，研究人员对三种来源的IDF进行了系统分析。结果表明，经过处理后，IDF中的纤维素和半纤维素含量显著增加，这与酶解过程的有效性密切相关。同时，果胶含量在柑橘IDF中也出现了明显的提升，从18.70%增加到25.57%。这种成分的改变使得IDF在不同粒径下展现出不同的吸水特性。例如，粒径较小的IDF颗粒由于其更高的比表面积和更多的亲水基团暴露，表现出更强的吸水能力。而在粒径较大的IDF颗粒中，由于结构较为完整，其吸水能力相对较弱。

在微观结构层面，IDF的吸水性能受到其表面形态和内部结构的影响。通过高分辨率的显微镜技术，研究人员发现，随着粒径的减小，IDF的表面变得更加粗糙，这为水分的吸附提供了更多的接触点。同时，IDF的内部结构也发生了变化，部分原本被包裹在纤维内部的亲水成分得以释放，进一步增强了其吸水能力。此外，粒径减小还导致了纤维孔隙的形成，这些孔隙为水分的渗透和储存提供了更多的空间，从而提升了整体的吸水性能。

除了表面形态和内部结构的变化，IDF的吸水性能还与其化学键的性质密切相关。尽管机械加工并未改变IDF的化学键类型，但它显著增加了无定形区域的比例。这种变化使得IDF在吸水过程中能够更有效地与水分分子相互作用，从而提升了其吸水能力。然而，这种无定形区域的增加也对IDF的热稳定性产生了一定的影响。在高温环境下，IDF的热稳定性可能会下降，这需要在实际应用中加以考虑。

从实际应用的角度来看，IDF的粒径和化学成分的优化对于提升肉制品的品质和健康属性具有重要意义。通过精细控制IDF的粒径，不仅可以改善肉制品的质地，还能提高其水分保持能力和油吸收能力。这在一定程度上减少了肉制品中脂肪和盐分的添加量，从而提升了产品的健康价值。此外，IDF的加入还能够补偿肉类天然缺乏的膳食纤维，使其在营养功能上更加全面。这种双重优势使得IDF成为肉制品加工中极具潜力的添加剂。

为了更全面地理解IDF的吸水性能，研究人员采用了多种多尺度表征技术，包括纤维表面形态分析、晶体结构评估、分子间化学键分析等。这些技术的应用不仅揭示了IDF在不同粒径下的结构变化，还进一步阐明了这些变化如何影响其吸水能力。例如，表面形态分析显示，随着粒径的减小，IDF的表面变得更加粗糙，这为水分的吸附提供了更多的接触点。晶体结构评估则表明，粒径减小对IDF的晶体结构产生了影响，使得其内部的分子排列更加松散，从而提高了水分的渗透能力。

分子间化学键的分析则揭示了IDF在吸水过程中的化学机制。虽然机械加工并未改变IDF的基本化学键类型，但它显著增加了无定形区域的比例。这种变化使得IDF在吸水过程中能够更有效地与水分分子相互作用，从而提升了其吸水能力。然而，这种无定形区域的增加也对IDF的热稳定性产生了一定的影响。在高温环境下，IDF的热稳定性可能会下降，这需要在实际应用中加以考虑。

此外，研究人员还发现，IDF的吸水性能与其来源密切相关。不同来源的IDF由于其化学成分和结构的差异，在吸水能力上表现出不同的特性。例如，柑橘IDF由于其较高的果胶含量，表现出更强的吸水能力。而大豆IDF由于其较高的纤维素含量，则在吸水性能上具有一定的优势。这些发现为IDF在不同食品体系中的应用提供了重要的理论依据。

通过本研究，研究人员不仅揭示了IDF在不同粒径下的结构和化学特性变化，还进一步阐明了这些变化如何影响其吸水性能。这些结果对于指导IDF在功能性食品开发中的精准应用具有重要意义。例如，在肉制品加工中，通过选择合适的IDF来源和粒径，可以有效提升产品的质地和水分保持能力，同时减少脂肪和盐分的添加量，从而提高产品的健康价值。此外，这些研究结果还可以为其他食品体系中IDF的应用提供参考，如烘焙食品和面制品等。

在实际应用中，IDF的粒径和化学成分的优化需要结合具体的食品体系进行。例如，在肉制品加工中，IDF的粒径需要足够细小，以确保其能够均匀分散在肉制品的凝胶结构中，从而改善产品的质地。而在烘焙食品中，IDF的粒径则需要适当控制，以确保其不会影响产品的整体口感和外观。因此，研究IDF在不同粒径下的吸水性能，不仅有助于提升食品的品质，还能够为食品工业提供更加科学和可持续的解决方案。

综上所述，本研究通过环境友好的酶辅助多级研磨工艺，成功地将三种农业副产品转化为不同粒径的IDF颗粒，并系统地分析了这些颗粒在吸水性能上的差异。研究结果表明，IDF的吸水性能受到其组成成分的异质性和粒径变化的共同影响，这些因素通过协同作用，显著提升了IDF的吸水能力。通过多尺度表征技术的应用，研究人员进一步揭示了IDF在不同粒径下的结构和化学特性变化，为IDF在功能性食品开发中的精准应用提供了理论支持和实践指导。这些发现不仅有助于提升肉制品的品质和健康属性，还为其他食品体系中IDF的应用提供了重要的参考价值。