人参渣是人参活性成分提取过程中伴随产生的副产物，含有大量膳食纤维，在生产加工中常常被丢弃，造成了资源的浪费和环境的污染。不溶性膳食纤维（IDF）是膳食纤维的主要成分，但是天然IDF结构紧密，不能使这些活性基团充分暴露出来，功能特性也因此受限，而且由于其不溶于水、口感粗糙的特点。因此，采用适当的改性技术充分改善IDF的结构和理化性质，进而提高其功能特性成为近年来的研究热点。
微生物发酵法是一种温和、高效的改性膳食纤维方法，利用微生物发酵制备的IDF，通常具有更好的结构和功能特性。羊肚菌、猴头菌和蜜环菌在液态发酵过程中能产生丰富的酶系，可以分解利用IDF的主要成分——纤维素、半纤维素和木质素，在实现对IDF改性的同时赋予其更多功效。吉林农业大学食品科学与工程学院的赵宇楠、蔡丹* 、刘景圣* 等以人参渣为主要研究对象，采用羊肚菌、猴头菌和蜜环菌生物转化人参IDF，比较发酵前后人参IDF的结构差异和功能特性，探究食用真菌发酵对人参IDF的影响，为人参渣的综合利用提供理论依据。
01
SEM分析
如图1所示，经3 种食用菌发酵后的样品相比发酵前出现大量片状结构以及蜂窝状孔洞，比表面积增大，整体结构变得疏松。说明3 种食用菌在发酵过程中都能产生活性物质破坏纤维的结构，使原本较为致密的结构变得疏松多孔。这种疏松多孔的结构可以导致更多的极性和非极性基团暴露，从而提高膳食纤维的水合特性和吸附能力。
02
粒径分析
如图2所示，经3 种食用菌发酵后的人参IDF粒径分布的主峰都出现了左移现象，未发酵样品只有一个粒径分布峰，发酵后的样品在3～26 μm出现小峰，说明发酵产生的纤维素酶等活性物质对人参IDF有一定降解作用，人参IDF的大颗粒物质被分解成小分子颗粒，这与SEM结果一致。粒径的减小会使人参IDF暴露出更多功能基团，有助于人参IDF发挥出更好的理化及功能特性。
03
FTIR分析
如图3所示，发酵前后人参IDF均具有膳食纤维的典型特征，具有基本一致的吸收峰，在吸收强度上有所变化。3 413 cm －1 对应纤维素和半纤维素羟基伸缩振动峰，2 800～3 000 cm－1间对应纤维素—CH和—CH2基团的振动峰，发酵后人参IDF在这两处的峰强度变弱，说明发酵产生的活性物质对样品中的纤维素和半纤维素产生了一定的降解作用，破坏了其组内氢键，促进了羟基基团的暴露。位于1 620cm－1附近的特征峰与糖醛酸和多酚中的羧基有关，发酵后的人参IDF在此处峰强度有一定程度的增强。1 345 cm－1处对应纤维素与半纤维素的O—H或C—O基团振动的特征峰，峰强度无明显变化。1 050 cm－1处的吸收峰则源于木质素或半纤维素的C—O—O伸缩振动，发酵后人参IDF在此处的峰强度明显减弱，说明发酵产生的活性物质对样品中的木质素也有一定的降解作用。综上，食用菌发酵并没有破坏纤维的基本化学结构。但峰值强度的差异表明发酵处理能够有效地去除人参IDF结构中的非晶态成分。
04
X射线衍射分析
如图4所示，发酵前后样品在2θ为21.72°时出现较强的吸收峰，在2θ为14.81°时出现微弱吸收峰，具有典型的纤维素I型结构特征，说明发酵并未使人参IDF晶体构型发生变化，只是在峰强度上有所差异。Origin软件计算结果显示，未发酵样品结晶度为13.78%，经羊肚菌、猴头菌和蜜环菌发酵后的样品结晶度分别为15.37%、18.57%和19.36%。结晶度的增加说明3 种食用菌发酵产生的活性物质对人参IDF的非结晶物质产生了一定的降解作用，促进了结晶区的暴露，从而导致人参IDF持水力、持油力、水膨胀力等理化特性的变化。
05
DSC分析
如图5所示，所有样品均出现两个吸热峰，IDF-C、IDF-M、IDF-H和IDF-A第1个吸热峰分别出现在110.82、137.84、139.80 ℃以及145.84 ℃，推断是在此温度下样品中的水分出现吸热蒸发现象。IDF-C、IDF-M、IDF-H和IDF-A第2个吸热峰分别出现在203.02、248.41、250.15 ℃以及257.56 ℃，可能是样品中的一些可溶性物质以及半纤维素多糖受热分解，也可以看作纤维素的预碳化过程。与未发酵相比，经3 种食用菌发酵后的人参IDF两个吸热峰均呈现明显右移的趋势，说明发酵后的人参IDF具有更高的热稳定性，这可能是由于在发酵过程中去除了部分纤维素和木质素，使IDF具有更高的结晶度导致。
06
水和特性
如表1所示，经3 种食用菌发酵，人参IDF的持水力、持油力和水膨胀力都显著提高，这是由于发酵使其结构发生变化，表面出现大量孔洞，比表面积增大，亲水、亲油的功能基团得以暴露，从而增加了样品对水分子、油分子的渗透和吸收能力，SEM、粒径分析结果也印证了这一结果。对比3 个菌种，蜜环菌发酵后的人参IDF对比未发酵提高程度最大，持水力、持油力和水膨胀力分别提高了74.2%、93.6%和124.38%。综上，食用菌发酵能够赋予人参IDF更好的水合性能，有助于其发挥出更好的功能特性。
07
葡萄糖吸附能力
如图6所示，对比未发酵处理，经3 种食用菌发酵处理后的人参IDF葡萄糖吸附能力显著提高，其中经蜜环菌发酵样品的葡萄糖吸附能力显著强于其他两个菌种，且随着葡萄糖浓度的梯度上升，样品的吸附能力在大幅提高，最高达到83.56 mg/g 。这可能是由于粒度减小使内部的功能基团暴露出来，从而增加了与葡萄糖的接触面积，且发酵后样品疏松多孔的结构也有利于促进葡萄糖的吸附作用。膳食纤维具有体外降血糖的功能主要源于其有效吸附葡萄糖的能力，能够在葡萄糖扩散和吸收过程中产生阻碍作用，从而降低肠道中葡萄糖浓度，减少肠壁吸收，维持餐后血糖水平，发酵后人参IDF所表现的有效吸附葡萄糖的能力为功能性食品的开发提供了思路。
08
葡萄糖透析延缓能力
如图7所示，经3 种食用菌发酵的人参IDF的葡萄糖透析延缓能力明显高于未发酵样品，其中经蜜环菌发酵样品的葡萄糖透析延缓能力较未发酵样品提升最大为68.27%。在15～45 min内，所有样品的葡萄糖透析延缓能力随透析时间的延长而不断增大，到45 min达到最大值后迅速降低。第7节结果表明人参IDF可以有效吸附葡萄糖，把葡萄糖阻截在纤维网络结构内，发酵后的人参IDF表面变得疏松，出现大量蜂窝状孔洞，增强了对葡萄糖的吸附作用，从而阻截了更多的葡萄糖分子。样品对葡萄糖的阻截能够降低小肠内葡萄糖的有效浓度，从而降低餐后血糖水平，但这种吸附和阻截作用有时间限制，很快会达到饱和，45 min之后扩散速度加快，这是由于IDF吸水膨胀达到饱和，黏度降低，从而降低了对葡萄糖的束缚力。
09
胆固醇吸附能力
如图8所示，与对未发酵人参IDF相比，经3 种食用菌发酵后人参IDF具有更好的胆固醇吸附能力，其中经蜜环菌发酵的人参IDF在pH 2和pH 7下的胆固醇吸附能力分别为8.44 mg/g和12.35 mg/g，是未发酵的1.28 倍和1.14 倍，这可能是发酵使人参IDF表面结构变得疏松，孔隙增加，粒径减小，从而增强了对胆固醇吸附作用。此外，体系的酸碱性也会影响人参IDF对胆固醇的吸附能力，在中性条件下的吸附能力大于在酸性环境中的吸附能力，这表明肠道环境更有利于膳食纤维对胆固醇的吸附，这是由于在酸性条件下体系中存在大量氢离子。随着pH值的升高，膳食纤维分子中的羧基解离并转化为与胆固醇分子具有较强结合能力的羧基阴离子，从而增强了膳食纤维对胆固醇的吸附能力。
10
胆酸钠吸附能力
如图9所示，与对未发酵人参IDF相比，发酵后人参IDF的胆酸钠吸附能力均有不同程度的提升，随着吸附时间的延长呈现先升高后降低的趋势，在45～60 min达到最大值为12.7 mg/g。 研究表明，膳食纤维对胆酸盐的吸附能力主要是由于IDF的吸附和裹挟能力。食用菌发酵过程中会产生纤维素酶等物质，对IDF有一定的降解作用，结构测定显示发酵后的人参IDF表面出现大量孔洞，能够有效束缚和裹挟胆酸盐分子，从而提高样品对胆酸钠的结合能力。
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亚硝酸盐吸附能力
如图10所示，与未发酵人参IDF相比，经3 种食用菌发酵后的人参IDF对亚硝酸盐的吸附能力都显著增强，且随着吸附时间的延长，吸附量在不断增加。经蜜环菌发酵所得样品具有最好的吸附效果，吸附时间150 min在pH 2下和pH 7下的吸附量达1 642.37 μg/g和1 249.13 μg/g。IDF对亚硝酸盐的吸附主要通过其蓬松的结构进行物理吸附以及分子的活性基团，特别是酚酸基团进行化学吸附。pH 2时IDF吸附效果好于pH 7，表明pH值对IDF吸附亚硝酸盐有较大影响，这可能是由于pH值的升高使IDF中的羧基解离，表面负电荷增多，产生排斥作用，从而阻碍了样品对 NO 2 － 吸附，这也说明人参IDF在胃中比在肠中能吸收更多的NO2－。
12
阳离子交换能力
如图11所示，随着NaOH溶液的添加，几个样品所在的溶液体系的pH值持续升高，其中未发酵IDF-C溶液的pH值从3.12升高至9.45，经3 种食用菌发酵后的IDF-M（2.91～9.30）、IDF-H（2.69～9.16）和IDF-A（2.63～9.12）所在溶液体系pH值升高幅度以及起始、终止pH值都明显低于IDF-C，其中经蜜环菌发酵IDF保持较低pH值的时间最长 。发酵后的样品拥有更多的糖醛酸基团，包含大量羟基和羧基，从而更加有利于样品发挥其阳离子交换性能。
结论
采用羊肚菌、猴头菌、蜜环菌发酵人参渣制备人参IDF，并对人参IDF进行结构的表征和功能特性的测定。结果表明，3 种食用真菌发酵都能够对人参IDF产生一定的降解作用，使其粒径减小，表面结构变得疏松多孔，暴露出更多的活性基团，结晶度提高，拥有更高的热稳定性。结构的变化进而影响了人参IDF的功能特性，对比3 个菌种，经蜜环菌发酵得到的人参IDF具有最好的功能特性，其持水力、持油力、水膨胀力、葡萄糖吸附能力、葡萄糖透析延缓能力、胆固醇吸附能力、胆酸钠吸附能力、亚硝酸盐吸附能力较未发酵样品分别提高了74.2%、93.6%、124.38%、82.17%、20.24%、14.04%、49.41%、24.49%，阳离子交换能力较未发酵也有显著提高。综上，大型食用真菌发酵可作为制备高活性人参IDF的方法之一，为人参渣中大量IDF的高品质利用提供思路。
本文《食用菌发酵对人参不溶性膳食纤维结构及功能特性的影响》来源于《食品科学》2023年44卷第22期80-88页，作者：赵宇楠, 贾丹丹, 蔡丹, 等。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20221111-131。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。
责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网。
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