微观分形特征与超分子结构对回生淀粉凝胶可消化性的影响

《Food Chemistry》：Insights into the effects of microscopic fractal features, supramolecular structures on digestibility of retrograded starch gels

　　

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  区分孔隙和基质的D_f以量化淀粉凝胶的微结构。
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  孔隙D_f与k?呈正相关，与C_∞呈负相关。
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  淀粉凝胶的D_f-消化性相关性优于传统指标。
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  高浓度淀粉凝胶形成更致密、均匀的结构，降低了C_∞。
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  超分子有序结构与孔隙D_f高度相关。

引言

淀粉是人类膳食碳水化合物的重要来源，其消化是餐后代谢的关键事件。淀粉的酶解水解释放葡萄糖，从而影响餐后血糖反应（Brownlee等，2018）。淀粉消化的速率和程度与其结构组织、物理化学状态和热力学特性密切相关。在糊化和回生过程中，分子间相互作用、结晶结构和凝胶网络组织的改变可以影响淀粉结构和酶的可及性，从而影响水解动力学和葡萄糖释放（Zhang等，2024；Zhong等，2025）。除了直链淀粉含量和植物来源外，还应考虑结晶多晶型（例如A型、B型和C型结构），因为它可能影响淀粉的水合行为、分子组织以及随后的酶可及性（Junejo等，2022；Y. Wang等，2022）。因此，了解淀粉凝胶的结构特征与其消化行为之间的关系，对于合理设计具有特定消化性的淀粉基食品具有重要意义。

淀粉凝胶是通过糊化和回生过程从谷物、块茎和豆类制备的——例如米线、小麦面条、凉皮、土豆或红薯面条和粉条（粉丝）等产品——是东亚和东南亚许多地区膳食结构的重要组成部分。值得注意的是，与通常避免回生的大多数淀粉基食品不同，对于米线、土豆或红薯面条和粉丝等产品，适当的回生不仅有助于获得理想的质地，而且能显著降低其消化性（Gao等，2024；Jiang等，2020）。因此，精确调控回生过程以降低淀粉凝胶基主食的消化性，是开发缓慢消化功能食品的有效策略。实现这一合理设计的关键在于阐明淀粉凝胶在回生过程中的结构演变及其影响消化性的潜在机制。

淀粉凝胶的微观形态特征、超分子和分子结构是影响其消化性的关键因素（Aleixandre等，2021；Li和Dhital，2022；Mengucci等，2022；Wee和Henry，2020；Zhou等，2024）。超分子结构、分子精细结构与淀粉消化性之间存在定量关系（Li和Dhital，2022；Zhou等，2024）。最近的研究建立了凝胶微观孔径、孔壁厚度和孔隙面积与淀粉消化性之间的定量相关性，这些相关性可能因淀粉来源、分子特性和结晶结构而异（Aleixandre等，2021；Mengucci等，2022）。然而，这些研究仅限于微观孔隙的简单定量指标，难以全面反映孔结构的表面形态、形状、连通性和空间分布状态。目前仍缺乏关于凝胶微结构细微特征与其消化性之间定量关联的深入研究。

分形是具有非整数维度的自相似结构，定义为D_f（García-Armenta和Gutiérrez-López，2022）；孔洞率（Λ_ε）是一个互补参数，用于描述分形结构内间隙分布的均匀性，两者常在分形分析中联合使用。近年来，分形分析已被广泛用于凝胶微结构的定量表征。尽管流变学技术也可用于此目的，但微孔结构和凝胶基质的量化通常通过显微镜技术（如扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM））结合图像分析和盒计数法进行（García-Armenta和Gutiérrez-López，2022）。传统上，用于描述淀粉凝胶孔结构的参数（如孔径、孔隙率和孔壁厚度）本质上基于欧几里得几何的标量指标（Qin等，2023）。这些参数隐含地假设孔隙具有规则的圆形或椭圆形轮廓以及均匀的空间分布。然而，实际上在淀粉凝胶回生过程中形成的孔隙网络高度不规则、粗糙且具有自相似性，表面在不同放大倍数下呈现出相似的复杂形态。分形维度由盒计数法确定，该方法计算多个尺度上的像素占用概率，可以量化这种与尺度无关的自相似复杂性（García-Armenta和Gutiérrez-López，2022）。相比之下，简单的欧几里得参数无法区分由孔隙网络结构引起的酶扩散差异。因此，引入分形维度可以从拓扑角度弥补传统参数在表征结构连通性和表面粗糙度方面的局限性。鉴于淀粉凝胶的消化性主要受其微结构控制（Abdullah Tan等，2024；），分形分析为关联淀粉凝胶微结构与消化性提供了先进的工具。然而，目前仍缺乏关于定量关联凝胶微结构分形特征与其消化性的深入研究。

基于上述考虑，假设与超分子结构密切相关的微观分形特征对淀粉凝胶的消化性有显著影响。因此，用小麦、高直链淀粉小麦、玉米、高直链淀粉玉米、马铃薯、豌豆和甘薯制备了不同浓度的淀粉凝胶，阐明了分形特征和超分子结构随淀粉植物来源和浓度的变化，并进一步研究了微观分形特征和超分子结构对淀粉凝胶消化性的影响。本研究有助于阐明淀粉凝胶在微结构水平上的构效关系，并为开发缓慢消化的淀粉基主食产品提供指导。

部分摘要

材料

小麦淀粉购自新乡亮润粗粮食品有限公司（中国新乡）；高直链淀粉小麦淀粉由河南省农业科学院（中国河南）提供；玉米淀粉和高直链淀粉玉米淀粉来自科田生物科技有限公司（中国惠州）；马铃薯淀粉和豌豆淀粉购自上海源业生物技术有限公司（中国上海）；甘薯淀粉购自烟台双塔食品股份有限公司（中国烟台）。

淀粉的基本化学特性

分析了不同植物来源淀粉的化学成分。如表1所示，各淀粉之间的水分和灰分含量存在显著差异（p?

结论

本研究调查了不同植物来源、不同浓度制备的淀粉凝胶的分形特征和超分子结构特性，并探讨了这些特征与消化性之间的关系。结果表明，除热力学性质外，分子有序结构与微观分形特征密切相关。在所有检查的微结构特性中，分形参数

CRediT作者贡献声明

李小露：撰写—审稿与编辑、撰写—原稿撰写、方法论、调查研究、形式分析、数据管理。洪静：资源。刘梅：资源。商佳颖：资源。刘子鹏：资源。郑雪玲：资源、项目管理、资金获取。刘冲：撰写—审稿与编辑、监督、资源、项目管理、资金获取、概念化。

未引用参考文献

Lin、Wang、Shi、Han和Yu，2025

Wang等，2024

Wang等，2024

Wang、Liu和Ai，2022

Wang、Ral、Saulnier和Kansou，2022

利益冲突声明

作者声明他们不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本工作由中国国家自然科学基金（32672998）、国家现代农业（小麦）产业技术体系建设项目专项基金（CARS-03-38）和河南理工大学创新团队计划（2025TXTD09）资助。

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