《食品科学》：集美大学洪涛博士等：乳酸菌发酵对红毛藻膳食纤维结构特征和功能特性的影响

膳食纤维是人体必需的营养素和重要的功能性成分，对人体健康具有促进作用。有研究表明，膳食纤维的摄入能够降低多种慢性疾病（如2型糖尿病、心血管疾病和肥胖症等代谢性疾病）的发病风险。根据溶解特性的差异，膳食纤维可分为可溶性膳食纤维（SDF）和不可溶性膳食纤维（IDF），其中SDF含量超过10%的膳食纤维被归类为优质膳食纤维。乳酸菌发酵能够有效提升食品中膳食纤维的品质，主要包括增加SDF含量并提升其功能特性。例如，利用保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌发酵苦荞麸皮，可提高其中SDF的含量，并增强其胆固醇吸附能力和抗氧化能力等功能特性。此外，植物乳植杆菌和混合乳酸菌发酵能够显著提高麦麸膳食纤维的持水能力和持油能力，并使其表现出优异的抗氧化活性。Zhang Qing等利用高脂血症大鼠模型证明了用短乳杆菌发酵的裙带菜对健康有益，发酵裙带菜不仅显著缓解了大鼠的肥胖症状，改善了血清和肝脏生化指标，还能提高大鼠体内的短链脂肪酸水平。这些研究结果凸显了乳酸菌发酵在增强食品健康益处方面的潜力，并为功能性发酵膳食纤维产品的开发提供了理论依据和技术支持。

红毛藻（Bangia fuscopurpurea）是一种具有较高营养价值的可食用红藻，主要分布在中国东南沿海地区。长期食用红毛藻具有多种健康益处，如降低慢性代谢疾病风险、预防心脑血管疾病以及缓解餐后高血糖，这与其富含膳食纤维、蛋白质、多不饱和脂肪酸、多酚等活性物质密切相关。有研究表明，采用德氏乳杆菌和植物乳植杆菌发酵红毛藻可显著增加发酵上清液中必需游离氨基酸、黄酮类化合物等生物活性物质的含量，并增强其胰脂肪酶抑制活性和抗菌性能。然而，乳酸菌发酵对红毛藻膳食纤维的影响目前鲜有研究。

集美大学海洋食品与生物工程学院的李霁洋、黄庆芝、洪涛*等以乳杆菌发酵红毛藻后提取的膳食纤维为研究对象，探究发酵对其理化性质（持水性、SDF含量、纤维素及半纤维素含量等）及功能活性（降血糖、降血脂和抗糖基化活性）的影响，以期为红毛藻作为精准营养食品的开发利用提供理论参考。

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红毛藻膳食纤维的组成及持水力分析

如表1所示，与Con相比，LBDF中SDF质量分数显著增加（P＜0.05）。经过发酵处理后，纤维素、半纤维素和木质素含量显著降低（P＜0.05）。乳酸菌在发酵过程中会产生一系列酶，这些酶可能破坏了纤维素或半纤维素的糖苷键；此外，乳酸菌发酵过程中产生的酸性环境也可能促进糖苷键的断裂，进而促使部分不溶性的纤维素或半纤维素转化为可溶性低分子质量片段，进而提高SDF含量。Con的SDF质量分数为35.14%，纤维素质量分数为18.36%，半纤维素质量分数为12.42%，木质素质量分数为17.26%。与CON相比，LBDF的SDF增加量几乎与纤维素、半纤维素和木质素总减少量相等。因此，SDF含量的增加可能源于发酵过程中部分IDF向SDF的转化，表明乳杆菌发酵处理能够有效提升膳食纤维质量。

如表1所示，LBDF持水力（5.90 g/g）相较于Con（5.16 g/g）提高了14.34%，这可能是由于乳杆菌发酵破坏了红毛藻膳食纤维的晶体结构，形成不规则的无定形区域，水分子更容易嵌入膳食纤维结构，从而提高其持水力。

02

红毛藻膳食纤维的结构分析

2.1 红毛藻膳食纤维的FT-IR分析

通过FT-IR技术对红毛藻膳食纤维的官能团进行了表征，结果如图1a所示。在3 400 cm-1处的宽吸收峰归因于O—H的伸缩振动，主要来自纤维素和半纤维素。2 923 cm-1附近的峰归因于甲基和亚甲基中C—H的伸缩振动，为多糖的典型结构特征。1 640 cm-1处的吸收峰归属于羧基的伸缩振动。1 243 cm-1处的吸收峰可归因于木质素和半纤维素中C—O的伸缩振动。综上，Con和LBDF呈现出多糖的特征红外光谱，与成分分析结果相印证。

2.2 红毛藻膳食纤维的晶体结构分析

如图1b所示，XRD图谱表现出尖锐的衍射峰和清晰的结晶线，表明其晶体表面完整。红毛藻膳食纤维在16.11°和19.90°处的衍射峰对应于纤维素的结晶区，而在26.70°和35.02°处的衍射峰对应于纤维素的无定形区。纤维素中结晶区和无定形区的共存是I型纤维素的特征。LBDF的结晶度为26.38%，低于Con（30.81%），较低的结晶度表明LBDF分子间作用力较弱，结构更松散。

2.3 红毛藻膳食纤维的微观结构分析

如图1c、d所示，LBDF表面粗糙且有褶皱，呈凹凸不平状，有裂纹和孔隙，比Con更明显。这种结构在其他发酵膳食纤维中也被观察到，如经过纳豆芽孢杆菌发酵后，小米糠膳食纤维的结构变得更疏松多孔，形成了类似蜂窝的结构，并且其功能特性比未发酵的膳食纤维更强。

2.4 红毛藻膳食纤维的热稳定性分析

如图1e、f所示，红毛藻膳食纤维的质量损失过程分为3 个阶段。第1阶段（40～150 ℃）的质量损失主要是由膳食纤维中的自由水以及结晶水蒸发造成。第2阶段（150～400 ℃）是红毛藻膳食纤维质量损失的主要阶段，这一温度阶段具有强烈的热裂解反应，包括碳链、氢键和糖苷链的断裂。其中，第1个质量损失峰出现在250～300 ℃，表明样品质量在该阶段迅速减少，质量损失速率较快，主要为半纤维素降解；第2个质量损失峰（320～350 ℃）对应纤维素降解，伴随碳水化合物分解和氢键断裂，质量损失显著；最后阶段（400～600 ℃）以木质素降解和碳化反应为主。Con和LBDF的残余质量分数分别为33.78%和26.97%。结果表明，发酵后膳食纤维的热稳定性相对较差，这可能是由于发酵破坏了膳食纤维的结晶区域，从而导致其热稳定性下降。TGA、XRD图谱及微观结构的分析结果相互印证，共同揭示了乳酸菌发酵对红毛藻膳食纤维结构的影响。XRD图谱显示，发酵后LBDF的结晶度从30.81%降低至26.38%，表明乳酸菌发酵部分破坏了膳食纤维中有序的结晶区结构。SEM结果直观地证实了这一变化，LBDF呈现出更粗糙、多皱且多孔的形貌，结构变得更为松散。这种微观结构的改变直接影响了其热行为：结晶度的降低和无定形区域的增加，使得纤维分子间的氢键作用力减弱，致密性下降，从而导致其热稳定性降低。这体现在TGA、DTG曲线上，发酵破坏了膳食纤维的结晶区域，从而导致其热稳定性下降，最终残余质量减少。综上，乳酸菌发酵通过破坏结晶结构、形成多孔形态，从而改善了红毛藻膳食纤维的理化特性（如持水力）。

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红毛藻膳食纤维的体外降血糖活性分析

3.1 红毛藻膳食纤维的GAC分析

高碳水化合物饮食可导致血糖升高，进而诱发糖尿病和脂肪肝等代谢性疾病。膳食纤维能够通过吸附葡萄糖、延缓胃肠道吸收的方式发挥降血糖作用。如图2a所示，红毛藻膳食纤维的GAC随其质量浓度的升高呈现先升高后降低的趋势。在0.625～2.5 mg/mL范围内，Con和LBDF的GAC分别从11.02%、13.51%显著增至18.41%、20.21%（P＜0.05），在2.5 mg/mL时达到峰值。LBDF具有疏松多孔的结构特征，这种结构有利于葡萄糖分子进入纤维内部，增加接触面积。同时，分子间作用力和氢键相互作用的增强进一步提升了吸附效率。但当质量浓度超过2.5 mg/mL时，GAC显著下降，这可能是由于高浓度下溶液黏度增加，限制了葡萄糖分子的扩散。这与Ravichanthiran等关于SDF黏滞特性影响葡萄糖吸附的研究结论一致。

3.2 红毛藻膳食纤维的GDRI分析

GDRI可用于预测膳食纤维对葡萄糖吸收的延迟效应。高GDRI的膳食纤维能够延缓葡萄糖被小肠吸收并发挥降血糖活性。如图2b所示，GDRI与红毛藻膳食纤维质量浓度呈正相关。在10 mg/mL条件下，LBDF的GDRI达到38.81%，高于Con（30.56%），也显著高于竹笋膳食纤维（约25%）。膳食纤维的GDRI与SDF含量、微观结构、吸水膨胀能力和葡萄糖结合能力有关。Huo Yanxiong等发现，羧甲基化处理增加了椰子饼膳食纤维的SDF含量和葡萄糖结合能力，从而导致GDRI升高。因此，推测是LBDF中SDF水平的提高导致了其GDRI增加。

3.3 红毛藻膳食纤维的α-葡萄糖苷酶抑制活性

α-葡萄糖苷酶抑制活性是评价膳食纤维降血糖功效的重要指标。由图2c可知，当红毛藻膳食纤维质量浓度为10 mg/mL时，Con和LBDF的α-葡萄糖苷酶抑制率分别为58.82%和69.13%。在相同质量浓度条件下，LBDF具有更好的α-葡萄糖苷酶抑制活性。这主要归因于LBDF具有较高的SDF含量，通过增加介质黏度、形成致密网状结构以及多孔表面特性3 个方面，协同作用共同限制了酶与底物的接触并增强了对酶的吸附能力，进而抑制α-葡萄糖苷酶的活性。研究表明，条斑紫菜SDF具有良好的抑制α-葡萄糖苷酶效果，与本研究结果类似。

04

红毛藻膳食纤维的的体外降血脂活性分析

4.1 红毛藻膳食纤维的胆固醇吸附能力分析

胆固醇吸附能力是评价膳食纤维降血脂功效的重要指标。如图3a、b所示，当质量浓度为20 mg/mL时，在模拟胃环境（pH 2.0）下，LBDF的胆固醇吸附率高达99.12%，显著优于Con（94.02%）；在模拟肠道环境（pH 7.0）中，两者的吸附能力相当（82.27%和83.06%）。LBDF优异的胆固醇吸附能力主要与其两个关键特性相关；一是较高的SDF含量（36.11%），这与Yan Jiatian等的研究结论一致，SDF含量与胆固醇吸附能力呈正相关；二是其疏松多孔的结构，发酵显著增大了比表面积，为胆固醇分子提供了更多的结合位点。结果表明，膳食纤维的高SDF含量和疏松的微观结构是其发挥降血脂功能的重要因素。

4.2 红毛藻膳食纤维的SBC分析

较低的胆酸盐水平能够刺激干细胞中的胆固醇分解代谢，从而促进胆酸盐的生成，最终导致胆固醇水平降低。如图3c所示，LBDF质量浓度与SBC呈正相关。LBDF的最高SBC为69.12%，高于Con（64.99%），表现出较强的胆酸盐结合能力。有研究表明，具有高吸水膨胀能力的SDF能够提高介质的黏度并形成网络结构，有助于胆盐的吸收。因此，LBDF的高SBC可能归因于其高SDF含量。

4.3 红毛藻膳食纤维对胰脂肪酶活性的抑制作用分析

对胰脂肪酶活性的抑制作用是评估膳食纤维调节脂质代谢功能的关键指标。由图3d可知，红毛藻膳食纤维对胰脂肪酶的抑制作用具有浓度依赖性，在质量浓度为10 mg/mL时，Con和LBDF的胰脂肪酶抑制率分别达到最大值（66.67%和70.61%）。胰脂肪酶活性的降低可能是由于胰脂肪酶与膳食纤维的功能基团结合，从而改变了脂肪酶的三维结构。这种改变导致酶活性降低，脂肪酶与底物的接触机会减少。其中LBDF具有更好的抑制作用，推测其原因为发酵使红毛藻膳食纤维中更多抑制酶活性的基团（如羟基、羧基）暴露出来。有研究表明，膳食纤维分子表面的羟基、羧基等官能团能够优先与胰脂肪酶的活性中心或底物结合位点结合，从而阻止酶与底物接触，同时诱导酶分子三维结构发生改变，使其活性中心的内部疏水区域暴露，导致其催化结构域发生构象重排。例如，柑橘膳食纤维可以通过降低α螺旋结构的含量和增加β折叠结构的含量改变胰脂肪酶的结构，这种构象变化可能使原本被包埋的催化位点暴露于不利环境，或破坏其精确的空间结构，从而导致酶活性下降，进而影响酶与底物的结合。综上所述，LBDF优于Con的抑制效果可归因于发酵处理带来的结构优化，使其更有效地通过竞争性结合和构象调控等途径抑制胰脂肪酶活性，从而潜在减缓膳食脂肪的消化吸收。

05

红毛藻膳食纤维的抗糖基化活性分析

5.1 红毛藻膳食纤维对AGEs诱导细胞损伤的影响

高血糖条件能显著影响AGEs的形成和积累，红毛藻膳食纤维对血糖的调节能力和抑制α-葡萄糖苷酶活性的能力间接降低了AGEs形成和积累的风险。HT-29细胞系作为人结肠腺癌细胞，具有与正常人肠道上皮细胞相似的多种关键特性，能够较好地模拟肠道上皮的生理和病理环境。为探究红毛藻膳食纤维对AGEs诱导HT29细胞损伤的保护作用，首先分析AGEs对HT-29细胞活力的影响。如图4a所示，在600 μg/mL AGEs作用24 h后，HT-29细胞活力显著降低至75.01%。如图4b所示，在6.25～200 μg/mL范围内，Con和LBDF对HT-29细胞无显著细胞毒性。如图4c所示，在6.25～200 μg/mL之间红毛藻膳食纤维预处理可显著缓解AGEs诱导的HT-29细胞损伤，其中LBDF表现出更好的保护作用，这可能是由于其疏松多孔的膳食纤维表面可直接吸附AGEs，减少其与细胞的相互作用，从而对细胞起到保护作用。

5.2 红毛藻膳食纤维对HT-29细胞ROS、GSH水平和CAT活力的影响

ROS是细胞代谢过程中产生的超氧阴离子自由基（O2-·）和过氧化氢（H2O2）等活性分子，其过量积累会导致生物大分子氧化损伤。如图5a所示，与空白组相比，AGEs能够显著升高HT-29细胞内ROS水平（P＜0.05），而Con和LBDF干预可有效缓解这一现象。GSH和CAT作为细胞抗氧化防御系统的核心组分，其活性恢复能够有效清除过量ROS，维持细胞氧化还原平衡。与空白组相比，AGEs能够显著降低HT-29细胞内GSH含量和CAT活性（P＜0.05）（图5b、c），而Con和LBDF干预能显著提升这两种关键抗氧化物质的水平。结果表明，红毛藻膳食纤维通过抑制ROS、提高CAT活力和GSH水平缓解AGEs对HT-29细胞造成的损伤，从而减轻氧化应激介导的细胞损伤。

5.3 红毛藻膳食纤维对HT-29细胞炎症因子水平的影响

典型的炎症反应表现为局部微循环改变、血管通透性增加及炎症介质释放，其中TNF-α和IL-6作为核心促炎细胞因子，其异常高表达与多种炎症性疾病的病理进程密切相关。为了进一步探究膳食纤维对AGEs诱导HT-29细胞损伤的保护机制，利用ELISA法对IL-6和TNF-α的表达水平进行检测。如图6所示，与空白组相比，AGEs能够显著提高炎症因子IL-6和TNF-α的表达水平（P＜0.05），这表明AGEs对HT29细胞有促炎作用，而经红毛藻膳食纤维干预后，这两种炎症因子的表达量均呈现显著下降趋势（P＜0.05）。这与廖勇等的研究结果一致，该研究证实魔芋润肠复合膳食纤维能够通过调控炎症因子的释放和核因子κB等炎症通路的表达缓解炎症反应。结果表明，红毛藻膳食纤维可能通过多种途径发挥抗炎作用：一是通过物理吸附作用减少AGEs与细胞受体的结合，例如晚期糖基化终产物受体、清道夫受体Stabilin-1和Stabilin-2等；二是下调促炎因子的表达。本实验结果为红毛藻膳食纤维在预防和改善AGEs相关炎症性疾病方面的应用提供了理论依据，同时也为开发功能性食品提供了新的思路。

结 论

本研究以乳杆菌发酵前后红毛藻中提取的膳食纤维为研究对象，对其理化特性及功能活性进行了探究。结果表明，发酵显著提高了红毛藻膳食纤维中SDF含量，并改善了其持水性。此外，发酵还改变了LBDF的结构，使其变得疏松多孔，能够吸附活性基团，从而增强其降血糖和降血脂能力。此外，LBDF还通过抑制AGEs诱导的HT-29细胞损伤表现出抗糖基化活性，能够显著抑制AGEs引起细胞氧化还原失调导致细胞损伤，还能够显著降低IL-6和TNF-α炎症因子的表达水平。以上结果表明，LBDF具有较好的抗糖基化作用。然而，本研究仅探讨了红毛藻膳食纤维对细胞毒性和对炎症因子的抑制作用，其具体机制仍需进一步研究和验证。综上，红毛藻膳食纤维具有良好的功能特性，而发酵处理能够显著提升其功能特性，本研究可为红毛藻的高值加工利用提供理论参考。

引文格式：

李霁洋, 黄庆芝, 郑明静, 等. 乳酸菌发酵对红毛藻膳食纤维结构特征和功能特性的影响[J]. 食品科学, 2025, 46(24): 125-134. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250707-049.

LI Jiyang, HUANG Qingzhi, ZHENG Mingjing, et al. Effect of lactic acid bacteria fermentation on the structural characteristics and functional properties of Bangia fuscopurpurea dietary fiber[J]. Food Science, 2025, 46(24): 125-134. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250707-049.

实习编辑：南伊；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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