K2CO3改性豆渣难溶性膳食纤维在Pickering乳液乳化及消化过程中的结构与功能优化

《Food Hydrocolloids》：Structural and functional enhancement of K2CO3-modified Okara insoluble dietary fiber for Pickering emulsion emulsification and digestion

　　

Mingzhu Liu|Xuelu Ding|Shan Yu|Qin Cen|Wenkang Hu|Zhiru Dai|Huaimao Tie|Xuefeng Zeng|Yuejun He

贵州大学资源与环境工程学院，教育部喀斯特地质资源与环境重点实验室，中国贵阳550000

摘要

豆渣是大豆加工过程中产生的高膳食纤维副产品，但目前其利用率较低。虽然其不可溶性膳食纤维具有较高的营养价值，但由于其天然的致密结构以及有限的界面活性，限制了其在食品领域的应用。为提升其功能特性，本研究采用食品级K₂CO₃对不可溶性膳食纤维进行改性，以改善其结构与界面性能。研究探讨了改性纤维在皮克林乳液中的界面组装行为及稳定机制。结果表明，K₂CO₃处理改变了不可溶性膳食纤维的微观结构，使其结晶度降至17.32%，同时显著提升了改性纤维的泽塔电位（?20.83 mV），进而增强了其保水能力、吸油能力及润湿性。由此，含有20%油相的改性纤维皮克林乳液形成了更小且分布更均匀的液滴结构，展现出更高的乳化活性与稳定性。模拟胃肠道消化实验进一步表明，改性纤维在脂质滴界面形成的致密颗粒层能有效抑制液滴聚集及脂肪酶的吸附，使得120分钟时的游离脂肪酸释放率仅为53.07%，显示出优异的脂质缓释能力。这项研究显著提升了豆渣不可溶性膳食纤维的结构与界面功能，使其有望成为一种理想的天然固体乳化剂，同时也为开发稳定的乳化食品、控脂食品以及功能性递送系统提供了新途径。

引言

豆渣是大豆深度加工过程中产生的主要副产品。作为全球最大的大豆消费国，中国每年产生的豆渣量超过2000万吨（Xie等人，2022）。豆渣富含不可溶性膳食纤维（占比50%–70%）、蛋白质以及多酚类活性成分。然而，由于其含水量高、质地粗糙且易变质，其在食品工业中的应用十分有限，目前的高值利用率还低于30%，大量资源被低效加工或直接废弃，带来了严重的环境与经济负担（Li等人，2019）。作为大豆残渣中的主要化学成分，不可溶性膳食纤维具有多孔网络结构以及丰富的功能基团，因而具备出色的保水能力、吸附性能、膨胀能力以及表面活性。此外，它在调节肠道微生物群、增强饱腹感以及降低代谢性疾病风险方面也发挥着重要作用（Yu等人，2023）。不过，天然的不可溶性膳食纤维通常嵌藏在由纤维素、半纤维素和木质素构成的致密复合结构中，内部氢键网络极为紧密，这导致其溶解度低、生物利用度差，功能基团也难以被有效利用，从而限制了其在食品中的应用效果（Feng等人，2024）。因此，对不可溶性膳食纤维进行改性，以充分挖掘其潜在价值并推动功能性食品的发展至关重要。这一方法也是实现大豆残渣高值利用的重要途径。

目前，用于改性不可溶性膳食纤维的方法主要包括物理法、化学法和生物发酵法（Xie等人，2019）。其中，物理改性虽能部分破坏纤维细胞壁和结晶区域，但往往受设备限制和能耗较高影响，且改性后的稳定性较差（Chen等人，2023）。生物改性具有选择性高、反应条件温和等优点，但其漫长的工艺周期和较差的可控性使得其难以满足工业应用需求（Bao等人，2021）。相比之下，化学方法——尤其是碱处理——由于反应可控、效率高且成本低，被视为调控不可溶性膳食纤维结构与功能的有效策略（Zheng等人，2018）。研究表明，碱性环境能够削弱纤维素、半纤维素和木质素之间的氢键网络，使原本致密的纤维微观结构变得疏松，从而使羟基和羧基等活性基团更加暴露出来，进而显著提升不可溶性膳食纤维的吸水能力、吸附性能以及表面活性（Wang等人，2021）。Wang等人发现，碱处理能够提高猕猴桃不可溶性膳食纤维的热稳定性和吸水性能（Wang等人，2021）；Sun等人（2023）也证实，K₂CO₃处理能够有效减小甘薯残渣纤维的粒径，同时增加其比表面积，进而提升其界面反应性。值得注意的是，与传统的强碱（如NaOH、KOH）相比，食品级弱碱K₂CO₃的反应条件更为温和，且不易造成过度的纤维素降解，因此在食品体系中具有更高的安全性与更精准的结构控制能力。由此可见，K₂CO₃改性不仅能改善不可溶性膳食纤维的内部结构，还能进一步提升其在皮克林乳液中的界面吸附能力与乳化性能。

近年来，随着食品行业对“清洁标签”、天然乳化剂以及结构可调控食品系统的需求不断增加，以固体颗粒为稳定剂的皮克林乳液已成为食品乳化技术的重要发展方向。与传统依靠合成表面活性剂（如Span或Tween）或可溶性蛋白通过降低界面张力来实现稳定的乳液不同，皮克林乳液是通过微米级或纳米级固体颗粒在油水界面发生不可逆吸附而形成致密的界面层，这使得该体系具有优异的抗絮凝性、热稳定性、抗剪切性以及良好的储存稳定性（He等人，2020；Kalashnikova等人，2011）。鉴于合成表面活性剂可能带来的健康与安全风险，研发安全、高效且来源可持续的固体颗粒乳化剂已成为食品乳化剂研究领域的重点方向（Liu等人，2016；Zhao等人，2022）。在众多食品级固体颗粒中，基于多糖的颗粒因其出色的生物相容性和可再生性而备受关注。其中，不可溶性膳食纤维凭借其颗粒大小适宜、多孔网络结构、强大的保水能力以及良好的界面吸附性能，在乳液稳定、脂质包封以及控释方面展现出独特优势（Shang等人，2025；Zou等人，2025）。先前的研究表明，纤维素及其衍生物，如纳米纤维素和微晶纤维素，能够在油水界面形成稳定的吸附层，有效抑制液滴聚并，同时为乳液赋予良好的流变学性质（Duffus等人，2016；Wen等人，2014；Winuprasith等人，2015）。然而，关于食品级弱碱性K₂CO₃改性不可溶性膳食纤维在皮克林乳液中应用的系统研究仍然较少，其界面稳定机制以及结构调控对脂质滴稳定性及胃肠道消化过程中脂质释放行为的影响也尚未得到充分阐明。

为填补这一研究空白，本研究采用食品级K₂CO₃对大豆残渣不可溶性膳食纤维进行温和的碱处理，使其结构变得更加疏松多孔，同时将粒径降至微米级别。本研究首次系统评估了该改性纤维在皮克林乳液中的乳化性能、界面吸附行为，以及其在脂质消化过程中对脂肪释放的调控作用。这项工作不仅为大豆残渣副产品的价值化利用提供了理论支持，也为在功能性食品、控脂食品以及递送系统中开发天然食品级固体乳化剂提供了新的技术路径。

章节节选

化学品与原材料

新鲜豆渣由贵州中益食品有限公司提供（中国贵州）。食品级碳酸钾由中国国家医药集团化学试剂有限公司提供。商业用大豆油购自河北谷中食品有限公司（中国河北）。苏丹红、胃蛋白酶和溴化钾来自阿拉丁生化科技有限公司，而脂肪酶、胆盐和氢氧化钠则购自天津科密欧化学试剂有限公司。

U-IDF与M-IDF的理化性质分析

如图1所示，采用食品级弱碱K₂CO₃处理显著提升了豆渣不可溶性膳食纤维的功能性能。与未改性的不可溶性膳食纤维相比，其保水能力从8.01 ± 0.47 g/g上升到了12.26 ± 0.25 g/g，增幅达53.06%。Xu等人（2023）指出，乳酸菌与酿酒酵母的混合发酵能够进一步提高大豆膳食纤维的保水能力

结论

本研究表明，食品级K₂CO₃的温和碱处理显著改善了豆渣不可溶性膳食纤维的理化性质与微观结构，从而提升了其作为皮克林乳液食品级固体稳定剂的性能。与未改性的不可溶性膳食纤维相比，改性后的纤维粒径更小且分布更均匀，表面负电荷密度更高，润湿性也更佳。其结构更为疏松、多孔、粗糙

CRediT作者贡献说明

Huimao Tie：可视化处理。xuefeng zeng：写作——审稿与编辑、项目管理、资金获取。Yuejun He：项目管理、资金获取。Mingzhu Liu：写作——初稿撰写、可视化处理、方法设计、正式分析、数据整理、概念构建。Xuelu Ding：写作——初稿撰写、资源筹备。Wenkang Hu：资源筹备。Zhiru Dai：方法设计。Shan Yu：可视化处理。Qin Cen：资源筹备、实验研究、正式分析

未引用参考文献

Liu等人，2021a；Liu和Tang，2016；Liu和Tang，2013；Liu等人，2021b；Qi等人，2021；Sun，2002；Winuprasith和Suphantharika，2015；Yang等人，2020；Zhang等人，2020a；Zhang等人，2020b；Zheng和Li，2018。

利益冲突声明

作者声明，在本论文的发表过程中不存在任何利益冲突。本研究为原创性研究，尚未在其他期刊上发表，也未被其他机构受理发表。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了贵州省农业重点项目的资助（黔科合志成[2024] normal 096；黔科合成果[2023] 中大011）。