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Introduction

米糠是稻谷精加工过程中产生的主要副产物，富含膳食纤维、脂质及多酚等多种生物活性成分。其中，不溶性膳食纤维（IDF）是米糠的重要结构组分，主要由纤维素、半纤维素和木质素构成，约占米糠总膳食纤维含量的60%~80%。研究表明，米糠中约90%的酚类物质以结合态形式存在，通过酯键、醚键或糖苷键与IDF紧密结合。然而，与游离态酚类相比，结合态酚类的生物利用度较低，从而在一定程度上限制了米糠IDF功能特性的发挥。此外，米糠IDF质地较为粗糙、感官品质较差，这也在一定程度上限制了其在食品中的应用。因此，通过适当的改性手段改善其结构特性并促进酚类物质的释放，是实现米糠高值化利用的重要途径。

低温等离子体（CP）是一种新兴的非热物理加工技术。在电场作用下，气体被部分电离并产生电子、离子及多种活性粒子，从而对材料表面产生改性作用。该技术具有处理温和、反应迅速以及环境友好等优势，近年来已在污染物处理、材料表面改性以及食品杀菌保鲜等领域得到广泛关注。在膳食纤维改性方面，CP处理能够通过物理与化学作用的协同效应诱导结构变化：一方面，高能粒子的轰击会产生物理蚀刻效应，破坏材料致密的表层结构并形成更加粗糙的微观形貌；另一方面，活性粒子可参与化学反应，断裂部分关键化学键，从而削弱膳食纤维的聚集结构并改善其功能特性。

目前，关于CP改性米糠IDF的研究仍相对有限。长沙理工大学食品与生物工程学院易翠平教授团队尝试将CP作为一种绿色改性策略应用于米糠IDF，并系统评估不同处理条件（处理时间和工作电压）对米糠IDF中酚类物质可提取性、抗氧化活性以及理化和结构特性的影响。

图1 介质阻挡放电型CP装置示意图

Results and Discussion

酚类化合物的可提取性

随着CP处理时间的延长，米糠IDF中游离酚类化合物含量显著增加（图2A）。类似地，提高工作电压也促进了酚类化合物的释放；然而，当电压由70 kV进一步升高至80 kV时，游离酚含量出现下降趋势（图2B）。结果表明，在70 kV、20 min条件下处理效果最佳，此时游离酚类化合物含量达到153.65 mg GAE/100 g DW，较未处理样品提高了86.06%。此外，与延长处理时间相比，提高工作电压对酚类化合物释放的促进作用更为显著。

同时，CP处理显著降低了米糠IDF体系的pH值（P < 0.05）（图2C、D）。这一变化可能与CP处理过程中产生的活性氧和活性氮物种（ROS/RNS）有关，这些活性物种可能促进酸性官能团的形成，从而导致体系pH值下降。已有研究表明，与将样品粉末直接暴露于CP处理相比，在水介质中进行处理可在一定程度上保护生物活性成分。此外，在水相体系中施加强电场活化也被认为有助于提高酚类化合物的提取效率。

图2 CP处理后米糠IDF的游离酚含量和pH值

米糠IDF的体外抗氧化能力

CP处理显著提高了米糠IDF的体外抗氧化活性（图3）。总体来看，随着CP处理时间的延长以及工作电压的升高，米糠IDF的抗氧化能力呈上升趋势。在70 kV处理20 min条件下，DPPH自由基清除率提高了85.58%，ABTS⁺自由基清除率提高了72.31%，Fe³⁺还原能力增强了87.00%。此外，相关性分析表明，抗氧化能力的提升与游离酚类化合物含量的增加呈显著正相关。

图3 CP处理后米糠IDF的抗氧化能力

米糠IDF的理化性质

延长CP处理时间和提高工作电压均可提高米糠IDF的持水力（WHC）、持油力（OHC）和膨胀力（SC）（见原文）。与未处理样品相比，CP处理样品的WHC提高了0.99~1.30 倍，OHC略有增加，而SC的变化趋势与WHC基本一致。CP处理产生的蚀刻效应可能改变样品的孔隙结构及毛细作用，同时增加内部官能团的暴露，从而引起相关理化性质的变化。

米糠IDF的热重（TG）分析结果（图4）表明，在初始阶段（约30~120 ℃），处理样品的失重速率略有增加，这可能与CP处理破坏纤维表面结构并增加比表面积有关。在第二阶段（200~400 ℃），所有样品均出现主要的质量损失。在热降解的最终阶段（400~550 ℃），样品的失重速率逐渐降低。未处理样品的最终残余量为34.22%，而CP处理后样品的残余量为31.00%~33.37%。一般认为，膳食纤维材料的热稳定性与其结晶度及聚合度密切相关。

图4 CP处理后米糠IDF的TG曲线

米糠IDF的结构特性

如图5所示，CP处理显著改变了米糠IDF的表面微观结构。随着处理时间的延长和工作电压的升高，纤维表面逐渐变得更加粗糙，并出现褶皱和断裂等结构特征。在较长处理时间或较高电压条件下，还可观察到明显的蜂窝状结构。这些结构变化可能增加样品的比表面积，并使更多官能团暴露，从而在一定程度上促进酚类化合物的释放。

图5 CP处理后米糠IDF的SEM图

米糠IDF的傅里叶变换红外（FTIR）光谱如图6所示。未经处理样品与CP处理样品均呈现相似的特征吸收峰，但部分吸收峰的强度存在一定差异。约3 400 cm⁻¹处的宽吸收峰通常归因于羟基之间氢键的伸缩振动。与未处理样品相比，CP处理后的IDF在该波段的吸收强度有所增强，表明分子间氢键作用可能发生变化。2 922和2 859 cm⁻¹处的吸收峰对应多糖中甲基（–CH₃）和亚甲基（–CH₂）基团的C–H伸缩振动；1 163和1 054 cm⁻¹处的吸收峰分别与纤维素和半纤维素结构中的C–O伸缩振动有关，对应糖环上的C–O–H和糖苷键C–O–C结构。CP处理后这些吸收峰强度的变化表明纤维素和半纤维素的局部化学环境可能发生改变。位于663 cm⁻¹处的吸收峰与游离酚类化合物相关，而CP处理促进了部分结合态酚类的释放。

图6 CP处理后米糠IDF的FTIR谱图

CP处理对米糠IDF晶体结构的影响如图7所示。所有样品在2θ=21.6°处均呈现明显衍射峰，并在2θ≈34°附近出现较弱衍射峰，这与纤维素Ⅰ型的典型衍射特征基本一致，表明CP处理未改变米糠IDF的晶体类型。总体来看，CP处理可能主要作用于纤维表面及无定形区域。随着CP处理时间延长或工作电压在一定范围内升高，米糠IDF的相对结晶度呈现先下降后回升的趋势。初始阶段相对结晶度的降低可能与CP产生的蚀刻和氧化作用有关，这些作用可能破坏部分有序结构，使部分晶区向无定形区转变；在处理强度进一步增加时，结构可能发生一定程度的重排，或非晶区相对减少，从而使相对结晶度出现回升。然而，在更高电压（70~80 kV）条件下，等离子体对结构的破坏作用可能占主导，使相对结晶度再次下降。尽管存在一定波动，但所有处理样品的相对结晶度总体仍低于未处理IDF。相对结晶度的降低可能使纤维结构更加疏松，从而有利于溶剂进入纤维基质，并在一定程度上促进酚类化合物的释放。

图7 CP处理后米糠IDF的XRD谱图

Conclusion

在不同处理时间和工作电压条件下，CP处理显著提高了米糠IDF中酚类化合物的可提取性，并对其理化性质和结构特性产生影响。与未处理样品相比，在70 kV、20 min条件下处理后，米糠IDF中游离酚类化合物含量提高了86.06%，其抗氧化活性也显著增强。值得注意的是，与延长处理时间相比，提高工作电压对促进酚类化合物释放及抗氧化能力提升的作用更为明显。此外，CP处理提高了米糠IDF的WHC、OHC和SC，但其热稳定性略有降低。结构表征结果表明，CP处理使米糠IDF表面形成裂纹和孔隙等形貌特征，同时分子间氢键强度减弱，相对结晶度也出现一定程度的改变。总体而言，CP处理为米糠IDF的结构调控及功能特性改善提供了一种有效且绿色的技术途径，有助于拓展其在食品体系中的应用潜力。

第一作者简介

祝红，女，工学博士，硕士生导师。2024年6月毕业于华南理工大学，同年8月入职长沙理工大学。主要研究方向为谷物化学与品质、低温等离子体非热加工。主持“十四五”国家重点研发计划子课题、湖南省自然科学基金青年项目、重点实验室开放基金等科研项目3 项。在国际期刊发表论文26 篇，近三年以第一作者或通信作者在Trends in Food Science and Technology、Food Chemistry等期刊发表SCI论文8 篇；授权国家发明专利6 件；作为副主编编著《低温等离子体与食品生物大分子作用机制及应用》1 部；获湖南省科技进步二等奖。担任Agricultural Products Processing and Storage期刊首届青年编委。

通信作者简介

易翠平，女，工学博士，长沙理工大学食品与生物工程学院二级教授，博士生导师，湖湘学者拔尖人才。曾在澳大利亚、加拿大等多国访问交流。全国优秀粮油科技工作者，农业农村部标委会专家，中国食品学会调味面制品分会及全谷物分会委员。Journal of Cereal Science、《粮食食品科技》、《粮食与油脂》等期刊编委。主要从事大米加工、谷物化学与品质的教学与科研工作，主持“十四五”国家重点研发计划课题、国家自然科学基金等省部级科研项目10余项；主持获得湖南省科技进步二等奖、中国粮油学会科学技术一等奖等省部级奖励4 项。在Trends in Food Science and Technology、Food Hydrocolloids、Food Chemistry等学术期刊发表论文200余篇，授权国家发明专利20余件，主编著作5 部。