《Carbohydrate Polymers》：Reframing starch innovation for food security, sustainability, and metabolic health: From crop design to precision nutrition
编辑推荐：
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淀粉的多尺度结构将作物设计、加工和营养联系在一起。
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气候韧性要求在不同环境中保持稳定的淀粉产量和质量。
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替代性淀粉作物需要可扩展的加工方法和可行的市场途径。
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精准营养应匹配淀粉的结构和人体反应特征。
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人工智能的集成需要育
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淀粉的多尺度结构将作物设计、加工和营养联系在一起。
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气候韧性要求在不同环境中保持稳定的淀粉产量和质量。
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替代性淀粉作物需要可扩展的加工方法和可行的市场途径。
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精准营养应匹配淀粉的结构和人体反应特征。
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人工智能的集成需要育种、储存和营养领域之间的数据共享。
引言
淀粉是人类饮食中的主要碳水化合物，仍然是全球粮食系统的基石。淀粉主要来自玉米、水稻、小麦、马铃薯和木薯等主要粮食作物，为全球每日热量摄入提供了重要部分，并支撑着食品、饲料、制药、纺织和生物基产品等大规模产业（Blennow, 2025; Guo et al., 2023）。这种集中生产模式提高了效率，但也使淀粉的供应和质量受到气候不稳定性、水资源短缺、土壤退化和遗传多样性减少的影响（Elouafi, 2024）。重要的是，环境压力不仅影响作物产量：高温、干旱、盐度变化和其他干扰因素会改变淀粉的生物合成、分子结构、颗粒结构，最终影响其最终用途的功能（Ofoedu et al., 2025）。
同时，对淀粉的需求也在发生变化。肥胖、糖尿病和其他与饮食相关的代谢紊乱问题的增加，使人们不再仅仅关注淀粉的量，而是开始关注其消化性、抗性淀粉的形成、血糖调节以及结构与功能的关系，这些因素影响着生理健康（Sreenivasulu et al., 2023; Thompson et al., 2024）。可持续性的压力进一步要求多样化淀粉资源，提高加工效率，并减少损耗。因此，核心挑战不再是简单地最大化淀粉产量，而是从具有韧性和资源效率的系统中获得具有适当结构和功能特性的淀粉。
在过去十年中，多个领域取得了重要进展。在作物科学、基因组编辑、分子育种和应激生物学方面，人们改进了淀粉生物合成的方法，增强了气候韧性（Shen et al., 2022）。在食品加工和生物精炼研究中，可持续提取、副产品综合利用和绿色改性技术为减少浪费和提高资源效率开辟了新途径（Pandhi et al., 2025）。在营养和健康研究方面，抗性淀粉和碳水化合物消化机制的进展为基于淀粉的饮食策略提供了支持，这些策略旨在调节血糖和预防慢性疾病（Sreenivasulu et al., 2023; Thompson et al., 2024）。与此同时，包括智能传感和数据驱动的物流在内的数字技术正在重塑整个淀粉价值链中的育种、储存、可追溯性和质量预测。
尽管取得了这些进展，相关文献仍然存在很大程度的碎片化。这种碎片化使得难以预测某一阶段的干预措施如何影响价值链后续阶段的淀粉结构和功能。改变直链淀粉含量或支链淀粉结构的基因改造可能也会改变加工行为和消化性；环境条件可以改变同一基因型产生的结构表型；而加工或储存过程也可能重新组织到达消费者的淀粉结构。现有的综述往往分别讨论淀粉生物合成（Pfister & Zeeman, 2016）、作物改良（Guo et al., 2023）、加工技术（Wongsagonsup et al., 2026）、抗性淀粉（Deehan et al., 2020）或营养效应（Sreenivasulu et al., 2023），从而缺乏对上游干预措施如何影响下游功能的理解。
为了解决这一不足，本综述采用多尺度结构工程作为一个统一框架，将原本分散的淀粉价值链各阶段联系起来。其核心前提是，基因、环境、农艺和加工干预最终都作用于淀粉结构，而由此产生的结构表型则调节下游的加工行为、消化性、微生物发酵和代谢结果。通过将结构视为上游干预与下游功能之间的共同机制接口，这一框架使得作物设计、收获后管理、食品加工和营养分析能够在一个连贯的体系中进行。
因此，我们综合了四个相互关联领域的最新进展：(i) 具有气候韧性的作物设计；(ii) 深化淀粉资源的多样化、循环利用和收获后保存；(iii) 以结构为导向的设计，用于促进代谢健康和精准营养；(iv) 新兴技术，包括合成生物学、人工智能、植物-微生物组工程和基于淀粉的智能材料。通过从结构与功能的视角整合这些领域，本综述旨在识别发展更加韧性、可持续和健康导向的淀粉系统的关键进展、局限性和优先事项。
部分摘录
设计具有气候韧性的淀粉作物
具有气候韧性的淀粉生产不仅需要在环境压力下保持作物产量，还需要保留决定下游加工和营养质量的结构和功能特性。田间表现出的淀粉表型反映了遗传调控、环境条件和作物管理的综合效应，这些因素不能孤立考虑。基因干预定义了可实现的结构特征...
淀粉资源的多样化和循环利用
提高淀粉韧性不仅需要重新设计田间作物，还取决于淀粉资源在整个食品系统中的来源、加工、保存和升级方式。目前的淀粉供应仍高度集中于少数几种主要粮食作物，这使其容易受到气候冲击、虫害爆发、市场不稳定和资源压力的影响。同时，在加工过程中，大量的淀粉和富含淀粉的生物质被浪费或未得到充分利用...
为代谢健康设计淀粉系统
通过淀粉促进代谢健康的努力进入了一个新阶段，其中的核心问题不再是摄入多少淀粉或能分离出多少抗性淀粉，而是淀粉结构、食物基质环境和个体宿主生物学如何相互作用以决定实际生理结果。越来越多的证据表明，平均而言在代谢上有益的淀粉设计可能并不适用于所有人。因此，研究领域正在朝着...
下一代淀粉系统的创新技术
随着淀粉系统从经验优化转向系统级设计，新一代技术正在改变淀粉的生产、控制和监测方式。这些技术作为跨领域平台，实现了可编程生产、预测性决策和智能材料功能。这些能力体现在可编程生物工程（包括合成生物学和植物-微生物组方法）和人工智能支持的预测技术中...
结论
淀粉创新正逐渐从孤立性状的优化转向整个食品系统中结构表型的协调设计。基因、环境、农艺和加工干预最终决定了淀粉结构，进而影响加工功能、资源效率、消化性和营养响应。这种结构视角为连接作物生产、加工和资源利用提供了共同框架...
CRediT作者贡献声明
刘晓宁：撰写——初稿、可视化、调查、数据分析、概念化。王海兴：撰写——审稿与编辑、方法论、调查、概念化。陈兆杰：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、软件开发。方洋：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、软件开发。徐亚东：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、软件开发。冯凯：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、软件开发。
关于写作过程中生成式人工智能和人工智能辅助技术的声明
在准备本文的过程中，作者使用了ChatGPT来提高文章的可读性。使用该工具/服务后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对发表的内容承担全部责任。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了香港特别行政区研究资助委员会（Hong Kong SAR Research Grant Council）的“基于主题的研究计划（T11-104/22-R”）和“研究影响基金（R5011-18F”以及“创业基金（RAPs）”（隶属“战略招聘计划（P0053088”）和“健康与医学研究基金（P0056238”）”的支持。
刘晓宁 | 王海兴 | 陈兆杰 | 方洋 | 徐亚东 | 冯凯 | 丁莉 | 王淑军 | Andreas Blennow | James Kar-Hei Fang | 陈胜 | 钟玉月
