山东农业大学代养勇 Food Chemistry丨从“废料”到“宝藏”:看科学家如何用“碱+磨”魔法,点“渣”成金
- 2026-05-14 22:04:48
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河南工业大学的博士校友们 第46期
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2026.149319
豆渣中可溶性膳食纤维（SDF）占总纤维的比例不足5%，严重限制了其功能性与高值化利用。为此，本研究采用固体碱处理联合干法球磨（A-BM），开发了一种“化学解构-物理碾磨”双驱动策略。球磨5分钟使豆渣膳食纤维（ODF）的SDF含量提升至14.20%，而A-BM处理3分钟可进一步将其提高至38.02%，较对照组大幅提升。与干法球磨（BM，5分钟）相比，A-BM处理（3分钟）使阳离子交换能力提升13.51%，pH 2.0条件下的亚硝酸盐吸附能力提高10.13%，pH 7.0条件下的胆固醇吸附能力增强34.28%，葡萄糖吸附能力提高53.23%。结构表征显示，A-BM处理（3分钟）可形成多孔形态，降低结晶度，减小粒径，并使D[3,2]和D[4,3]分别降低33.01%和26.52%。以上结果证明A-BM是一种高效的ODF功能化策略，为其高值化应用提供了依据。
你有没有想过，每天被我们丢弃的豆渣（Okara），其实是个被埋没的“营养潜力股”？没错，就是做豆浆、豆腐剩下的那些湿乎乎的渣子。全球每年光是大豆加工就能产生超过5000万吨的豆渣，绝大部分都被浪费了。这不仅是资源的巨大损失，还造成了处理难题。
但最近，一群“食材魔法师”——来自山东农业大学的科研团队——在《Food Chemistry》期刊上公布了一项“黑科技”。他们只用“两板斧”：碱处理加上干法球磨，就像给豆渣做了一场深度“SPA”加“筋膜刀”，成功让这块“废料”华丽转身，变成了功能强大的“膳食纤维补充剂”。
他们是怎么做到的？效果有多神奇？让我们翻开这篇论文，一探究竟。
一、研究的起点：豆渣的“阿喀琉斯之踵”
要改造，先得了解它的短板。豆渣膳食纤维（ODF）虽然总量高达80%以上，品质优良，但它有个致命弱点：超过95%都是不溶性膳食纤维（IDF），而真正能发挥诸多健康益处（比如调节血糖、血脂，促进益生菌生长）的可溶性膳食纤维（SDF）含量还不到5%。
这就好比一块海绵，虽然能吸水（物理吸附），但自身不容易溶解，无法在肠道里被细菌有效利用，产生那些有益的“代谢物”。IDF就像粗糙的钢筋骨架，而SDF则是能让骨架“活”起来、形成凝胶网络的“水泥”。豆渣缺的，就是这关键的“水泥”。
所以，研究团队的核心目标非常明确：想尽办法，把豆渣里那些“顽固”的IDF，更多地转化成“好用”的SDF。
二、研究思路：为何选择“碱处理+球磨”这套组合拳？
科学家们可不是随便选的方法，他们借鉴了前人的智慧，并打出了一套精妙的“组合拳”。
1. 单打独斗的局限性：
纯物理研磨（BM）：用球磨机把豆渣磨碎。这就像用锤子砸核桃，能把大块砸成小块，增加表面积，但很难破坏核桃内部坚固的细胞壁结构（纤维素结晶区）。单独研磨，SDF提升有限。
纯化学处理（如酸或碱）：用化学试剂去“腐蚀”纤维结构。这能破坏一些化学键，但往往只作用于表面，容易造成表面过度降解，内部却“啃”不动。
2. 天才的“协同作战”构想：
既然各有短板，何不联手？团队提出了一个“化学解构-物理研磨”的双驱动策略（简称 A-BM）。
第一步：碱处理（化学解构）。用碳酸钠（Na₂CO₃）给豆渣做个“预处理”。碱的作用就像“拆墙工”，它能精准地打断纤维素链之间的氢键，并破坏木质素和半纤维素之间坚固的“混凝土”复合体。这样一来，原本致密、刚性的豆渣纤维结构就被“松绑”了，内部变得多孔、松散，为下一步的物理粉碎扫清了障碍。
第二步：干法球磨（物理粉碎）。在碱性环境下，直接用球磨机进行高速研磨。此时，经过碱“软化”的纤维，在球磨的剪切、撞击和摩擦的“机械力”下，简直不堪一击。它能被更高效地破碎、剥离，暴露出更多的内部结构和活性基团。
打个比方：如果把豆渣纤维看作一本用胶水粘得很紧的旧书（IDF结构）。单独用磨粉机（BM）只能把整本书压扁、撕破，但内页还粘着。而先喷上“解胶剂”（碱处理），把胶水溶解，让书页变松，再用磨粉机，就能轻松把书磨成非常细腻、可溶的纸浆（SDF）。这就是 1+1 > 2 的协同效应！
三、关键实验与震撼成果：当魔法照进现实
理论很美好，实践出真知。团队设计了一系列严谨的实验来验证他们的想法，结果令人振奋。
1. 核心指标大变化：SDF含量大幅提升！
这是最直接的胜利。未经处理的豆渣，SDF含量仅为3.07%。
单独球磨5分钟（BM-5），SDF提升到14.20%。
而采用碱处理+球磨3分钟（A-BM-3），SDF含量提升至38.02%！
这不仅仅是简单的叠加，更是协同作用的完美体现——碱处理让后续研磨的效率呈几何级数提升。
2. 结构大变身：从“铁板一块”到“千疮百孔”
通过扫描电镜（SEM）我们能看到直观的变化：
对照组：豆渣颗粒呈块状，表面光滑致密，像一块块小石头。
BM-5样品：表面被破坏，出现褶皱和孔洞，变得松散。
A-BM-3样品：变化最为剧烈！形成了高度多孔的形态，像一块蓬松的海绵或蜂巢，比表面积巨大增加。这正是其功能增强的物理基础。
3. 物理化学性能全面提升
结构的改变直接带来了功能的飞跃：
持水/持油力（WHC/OHC）：A-BM-3的持水力（12.22 g/g）和持油力（9.47 g/g）均达到峰值。这意味着它能在食品中更好地保持水分、改善口感，并能吸附油脂，有助于制作低脂食品。
溶解性（WSI）与溶胀性（SC）：均显著提高，说明改性后的豆渣纤维能更好地融入水体系，发挥功能。
表观粘度：A-BM-3的样品溶液粘度极高，表现出优秀的增稠和凝胶特性，可用于稳定酱料、冰淇淋等。
4. 健康吸附功能“开挂”
这是本次改造最重要的“增值”部分，模拟了豆渣纤维在人体内可能发挥的作用：
吸附亚硝酸盐（NIAC）：在模拟胃酸（pH 2.0）环境下，A-BM-3的吸附能力比普通研磨最佳值还高10.13%。它能有效“绑定”腌制食品中的有害亚硝酸盐，减少其危害。
吸附葡萄糖（GAC）：A-BM-3的能力比普通研磨最佳值高出53.23%。这意味着它在肠道中可以像“海绵”一样吸附葡萄糖，减缓糖分的吸收速度，对平稳餐后血糖非常有益。
吸附胆固醇（CAC）：在模拟肠道环境（pH 7.0）下，A-BM-3的胆固醇吸附能力比普通研磨最佳值高出34.28%。它能与胆汁酸结合，促使肝脏动用更多胆固醇来合成胆汁酸，从而辅助降低血液胆固醇水平。
5. 微观结构与机理揭秘
科学家们还用更精密的仪器探寻了“魔法”的本质：
红外光谱（FT-IR） 显示，A-BM处理后的豆渣，羟基（-OH）等亲水基团的信号显著增强，证明更多的活性位点被暴露出来。
X射线衍射（XRD） 表明，碱处理极大地破坏了豆渣纤维的结晶结构，使其从“整齐队列”（高结晶度）变成了“散兵游勇”（低结晶度，无定形态）。这正是IDF更容易被“磨”成SDF的关键。
四、关键结论与未来展望
这项研究成功地验证了“碱处理辅助干法球磨（A-BM）”是一种高效、快速、绿色的豆渣膳食纤维改性策略。
核心结论：仅需3分钟的A-BM处理，就能通过“化学松绑 + 物理粉碎”的协同作用，最大限度地将豆渣中的不溶性纤维转化为可溶性纤维，并使其结构变得多孔、松散。这不仅大幅提升了SDF含量，更全面增强了其持水、增稠、吸附葡萄糖/胆固醇/亚硝酸盐等关键功能属性。
应用前景：改造后的“超级豆渣纤维”，可以作为一种优异的食品配料，用于开发：
高纤维功能性食品：如面包、饼干、面条，在不影响口感的前提下增加纤维含量。
低脂/低卡食品：利用其高持油力和增稠性，替代部分脂肪。
血糖/血脂管理食品：发挥其吸附葡萄糖和胆固醇的特性。
绿色与高效：整个过程时间极短（3分钟），且使用的是固体碱，避免了大量废水产生，更环保，非常适合工业化放大生产。
当然，研究也有下一步。论文提到，目前还只是在“体外实验”中证明了这些功能，未来需要在动物甚至人体实验中，进一步验证其真实的健康效益。同时，也要研究如何将这种“超级纤维”更好地融入各种美食，保证风味不受影响。
结语
你看，科学的力量就是如此神奇。曾经食之无味、弃之可惜的豆渣，在研究人员巧妙的“组合魔法”下，正从令人头疼的加工废料，转变为一座有待挖掘的“营养与功能宝库”。这不仅仅是一项技术的突破，更是对可持续食物系统、循环经济的一次生动实践。
或许在不久的将来，当你吃下一块美味的高纤维面包，或者喝下一杯能帮助管理血糖的饮品时，你不会想到，其中蕴藏的能量与智慧，正来自于那些曾被我们忽视的、平凡的豆渣。而这，正是食品科学最迷人的地方——化寻常为非凡，点“渣”成金。
论文信息：
Hao Zhang, Dexiao Huang, Yangyong Dai, Yong Zhang, Combined alkaline deconstruction and dry milling: Dual-driven functionalization of okara dietary fiber, Food Chemistry, Volume 515, 2026, 149319, ISSN 0308-8146, https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2026.149319.
博士校友简介：
代养勇博士山东聊城人。博士、留学回国人员；山东农业大学教授、博士生导师、山东省粮食加工技术工程技术研究中心副主任。
主要研究方向：粮油及植物蛋白工程。荣获省科技进步二等奖、省技术发明二等奖、农业农村部科技发展论文二等奖、省高等学校科学技术二等奖等奖励。授权发明专利5项。
1998年本科毕业于山东师范大学生物系食品科学与工程专业；2005年硕士毕业于河南工业大学粮油食品学院；2012年博士毕业于山东农业大学食品学院；2012- 2015山东农业大学生命科学学院博士后；2013.10- 2014.05美国爱荷华州立大学访问学者；2018.08- 2019.08山东省聊城市茌平县科技副县长；2019.09- 2020.10山东省聊城市茌平区科技副区长。兼任国家食品审查员、泰安市高层次人才、山东省科技特派员、山东省食品科学技术学会理事。Food Hydrocolloids、Food Chemistry、Carbohydrate Polymers等期刊的审稿人。
近5年科研情况如下：主持国家自然科学基金面上项目1项（2023- 2026）、山东省自然科学基金1项（2023- 2025）、山东省研究生教育教学改革研究项目1项、横向课题2项。以通讯作者发表SCI论文27篇，其中1区TOP 17篇。指导研究生获得国家奖学金3项（2023王宁、2021贾淑琪、2020刘巧珍）、山东省优秀硕士论文奖2项（2021张玉杰、2022陈璐璐）。2021级硕士研究生王宁3年累计发表1区SCI TOP论文5篇。荣获山东省科技副职“先进个人”（鲁委人组办2020）、山东农业大学学生心目中十大优秀教师（2022）、优秀班主任（2021）等荣誉称号。
研究生招收专业：食品科学与工程（学博、学硕）、生物与医药（专博）、食品加工与安全（专硕）。联系方式:Email：dyyww@sdau.edu.cn
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