漆酶介导酚酸掺入淀粉纳米颗粒对淀粉老化的结构依赖性影响

《Food Chemistry》：Structure-dependent effects of laccase-mediated phenolic acid incorporation into starch nanoparticles on starch retrogradation

　　

•漆酶催化将酚酸（PA）整合到淀粉纳米颗粒（SNPs）中。
•PA 的结构决定了改性 SNPs 的结晶和热降解行为。
•PA-SNPs 抑制了玉米淀粉的短期和长期回生。
•单宁酸-SNPs 表现出对淀粉回生最强的抑制效果。

引言
淀粉是一种天然存在的植物生物聚合物，广泛用于食品和非食品工业。然而，原淀粉固有的局限性，如加工耐受性差和冻融稳定性低，限制了其在食品产品中的应用（An 等，2024）。为了克服这些挑战，采用各种物理、化学和酶法改性来改善原淀粉的物理化学性质。淀粉纳米颗粒（SNPs）是改性淀粉的一种形式，通常通过物理或化学处理以及酶解从原淀粉中制备（Chen, Ding, 等，2024；Hao 等，2018）。SNPs 具有独特的特性，包括可生物降解性、生物相容性和高比表面积，使其成为理想的 functional carriers or interface modifiers（功能性载体或界面改性剂）（Apostolidis 等，2024；Qiu 等，2019；Sun 等，2024）。然而，未改性的 SNPs 通常表现出有限的两亲性，这可能限制其在油水界面有效吸附或调节淀粉链再关联的能力（Kim 等，2015；Yao 等，2023）。此外，缺乏固有的抗氧化功能以及在某些条件下易团聚的倾向可能进一步限制其更广泛的应用（Park 等，2024）。

酚酸（PAs）是植物来源的次级代谢产物，也是人类饮食的重要组成部分，公认具有健康益处（Di Lorenzo 等，2021；Liu, Zhong, 等，2020）。它们是关键的膳食酚类化合物，以其高生物利用度、良好的水溶性和强抗氧化特性而著称（Luan 等，2023）。阿魏酸（FA）、咖啡酸（CA）、没食子酸（GA）和单宁酸（TA）被认为是无毒的 PAs，允许用于食品应用（Luan 等，2023；Zuo 等，2024）。它们的结构差异主要体现在酚羟基的数量上：FA 有一个，CA 有两个，GA 有三个，而 TA 是由多个 GA 单元组成的聚合酯。值得注意的是，这四种 PA 构成了一个结构可调的系列，其羟基密度和分子尺寸逐渐增加（FA < CA < GA < TA），这使得可以系统地进行结构 - 功能比较，以阐明酚羟基丰度和位阻效应如何控制其接枝行为和抗回生性能（Xiang 等，2024）。

最近的研究表明，多酚可以通过自由基接枝反应与多糖和蛋白质等大分子形成共价相互作用，这些反应可以由包括 Vc/H2O2 和漆酶介导的氧化偶联在内的催化系统引发（Zhang 等，2023）。通过共价相互作用形成的这些络合物表现出增加的稳定性，使其更适合食品应用（Chen, Huang, 等，2026；Liu 等，2017）。因此，多酚 - 淀粉包合物的形成可以增强多酚的稳定性并促进其持续释放，从而可能提高 PAs 的生物利用度（Deng 等，2021；Huo 等，2025）。特别是，将 PAs 结合到淀粉上可以通过氢键和位阻调节淀粉链再关联和水重新分布，从而改善回生阻力和储存稳定性等功能特性。此外，漆酶介导的接枝具有高反应效率、副产物少、反应条件温和和环保等优势，使其成为各种应用的有前景的方法（Liu 等，2021）。在漆酶催化过程中，PAs 的酚羟基可以被氧化形成邻醌或自由基，从而与大生物聚合物上的亲核基团形成共价键（Shogren & Biswas, 2013；Zhang 等，2024）。此外，共价接枝可以提供比非共价络合更耐用且在空间上更局部的功能位点，从而增强长期功效和储存稳定性。因此，漆酶介导的改性提供了一种有前景的策略，用于将酚类功能引入 SNPs，尽管具体的相互作用模式取决于底物结构和反应条件。

淀粉回生是淀粉类食品质量劣化的主要原因，导致保质期和消费者接受度降低（Shen 等，2026；Yu 等，2022）。它是一个多尺度过程，涉及糊化淀粉链在冷却和储存期间的再关联和逐步有序化（Ning 等，2025）。回生可分为短期和长期过程。短期淀粉回生是不可逆的，主要源于糊化直链淀粉在冷却过程中快速重结晶，而长期回生是部分可逆的，发生在糊化淀粉长期储存过程中支链淀粉缓慢重结晶时（Geng 等，2026；Zeng 等，2022）。这些分子变化伴随着结晶组织、水重新分布和凝胶网络性质的改变，最终导致硬化和储存稳定性降低等不良质量劣化。淀粉回生的持续性和大部分不可逆性限制了淀粉在食品生产中的应用。因此，开发能够破坏多个结构水平上淀粉链再关联的食品相容方法对于改善淀粉基产品的储存质量仍然至关重要（Ning 等，2025）。目前延缓回生的策略包括 (i) 掺入功能性成分，(ii) 调整储存条件，和 (iii) 优化加工参数。添加外源物质，如多酚、多糖、蛋白质、乳化剂、亲水胶体和改性淀粉，已被证明是最有效的方法（Shen 等，2026）。

淀粉基纳米颗粒因其结构相容性而作为淀粉回生的改性剂受到关注，因为其颗粒性质可以限制淀粉链的移动性并影响凝胶网络的发展。然而，未改性淀粉纳米颗粒的效果在储存过程中可能不会持续。例如，一项先前的研究报告称，掺入 5%–15% 的大米和小麦衍生淀粉纳米晶体减少了短期回生；然而，回生焓和其他劣化指数的增加表明长期回生并未得到有效抑制（George 等，2021）。这些观察结果表明，仅依靠淀粉纳米颗粒提供的物理干扰可能不足以维持对淀粉链再关联的持续控制。因此，有必要在颗粒表面引入额外的功能性相互作用位点，以实现更有效和持久的回生调节。

许多研究表明，将 PAs 掺入淀粉可以改变分子间或分子内内力，以及回生过程中淀粉的重排和聚集，从而抑制该过程（Yu 等，2021；Yu 等，2022；Zhang 等，2022）。通常，PAs 通过其酚羟基通过非共价力与淀粉相互作用，如氢键、疏水力和静电作用力。例如，FA、isoFA、4-羟基苯甲酸和 CA 的存在已被证明可以防止紫薯淀粉在长期回生过程中的重结晶（Su 等，2020）。研究强调了各种酚类化合物显著影响淀粉回生，重点关注非共价相互作用、位阻和水重新分布等机制（Qiu 等，2023；Wang 等，2021）。先前比较肉桂酸、咖啡酸和阿魏酸的研究表明，这三种酚酸均减少了回生玉米淀粉的回生焓、短程分子有序度和相对结晶度，其中咖啡酸表现出最大的抑制作用（Yu 等，2022）。同样，没食子酸通过限制淀粉链再关联和促进淀粉基质内的水分保留有效延迟了红薯淀粉的回生（Rolandelli 等，2024）。据报道，多酚介导的结构调节还通过增强氢键和破坏有序结晶结构来抑制玉米淀粉的短期和长期回生（Luo, Fan, 等，2024；Luo, Zhou, 等，2024）。据报道，包括 TA、表没食子儿茶素没食子酸酯、CA、FA 和白藜芦醇在内的多酚抑制了挤压米淀粉的短期回生，有效性顺序为 TA > 表没食子儿茶素没食子酸酯 > CA > FA > 白藜芦醇（Yu 等，2022）。总之，这些发现表明，酚羟基的数量和排列，以及分子复杂性，显著影响淀粉 - 酚类相互作用以及淀粉回生的程度和持久性。然而，PAs 在延缓淀粉回生方面的实际功效通常受限于其在物理混合时的移动性和竞争置换，这可能导致加工和储存过程中功能的时间依赖性丧失。在这种情况下，共价固定化提供了一种创建持久功能位点的有前景的策略。然而，接枝化学（例如酚羟基密度和位阻效应）与淀粉回生抑制之间的关系仍未得到充分确立。

本策略通过漆酶介导的改性将酚类结构整合到预形成的 SNPs 中。该方法将酚类功能与纳米级淀粉基载体相结合，使生成的 PA-SNPs 能够结合 SNPs 的位阻约束和多个酚类相互作用位点。因此，PA-SNPs 可能通过不同于游离酚酸、常规淀粉 - 多酚络合物和简单物理混合物的机制来调节淀粉链再关联。此外，PAs 的分子结构可能影响其整合到 SNPs 中，并决定生成的 PA-SNPs 的物理化学性质和抗回生性能。

迄今为止，很少有研究系统地将 PA 分子结构与酚类整合、PA-SNPs 结构特性以及短期和长期淀粉回生抑制联系起来。在本研究中，选择了四种结构不同的 PA（FA、CA、GA 和 TA），在相同的漆酶介导改性条件下建立分子结构、酚类整合、颗粒性质和抗回生性能之间的关系。这种比较设计使得能够在一个统一的实验框架内评估羟基取代模式和分子复杂性对 PA-SNPs 功能性质的影响。本研究旨在阐明在相同改性条件下制备的 PA-SNPs 之间的结构依赖性差异，特别关注酚羟基模式和分子复杂性的差异。本研究并非旨在定量区分 PAs 和 SNPs 之间共价偶联和非共价相互作用的贡献，或隔离游离 PAs 的影响。

本研究旨在 (i) 通过漆酶介导改性制备 FA、CA、GA 和 TA 改性的 SNPs；(ii) 使用 X 射线光电子能谱 (XPS)、傅里叶变换红外光谱 (FT-IR)、X 射线衍射 (XRD) 和热重分析 (TGA) 表征改性 SNPs 的酚类整合和物理化学性质；(iii) 使用回生度 (DR)、质构剖面分析 (TPA) 和 XRD 评估其对玉米淀粉短期和长期回生的影响；以及 (iv) 建立 PA 分子结构、酚类整合、PA-SNPs 结构特性及其抑制短期和长期淀粉回生能力之间的关系。本研究为理解通过漆酶介导改性形成的 PA-SNPs 复合物的结构特征提供了理论基础，并为设计具有定制回生特性的淀粉基配方提供了实际见解。

部分摘录
材料与化学品
漆酶（来源于曲霉，120 U/g）购自中国上海原叶生物科技有限公司。漆酶活性以单位 (U) 定义，其中 1 U 对应于在 pH 5.0 和 25 °C 下每分钟转化 1 μmol 邻苯二酚所需的酶量。FA (C10H10O4, ≥99%)、CA (C9H8O4, ≥99%)、GA (C7H6O5, ≥99%)、TA (C76H52O46, ≥98%) 和 Folin-Ciocalteu 试剂 (1 mol/L) 购自中国上海麦克林生化科技有限公司。管所使用的其他所有化学品均为

酚酸整合到 PA-SNPs 中
结合比是 PA-SNPs 合成中的一个关键参数。它随着 PAs 中酚羟基数量的增加而显著增加 (p < 0.05)，FA-SNPs、CA-SNPs、GA-SNPs 和 TA-SNPs 分别达到 16.8、19.4、25.8 和 128.4 mg/g。这种趋势与 PAs 的分子结构和反应活性密切相关。如图 1 所示，PAs 对 SNPs 的漆酶介导改性可能涉及共价和非共价相互作用途径：1) 该

结论
本研究证明，通过漆酶介导将结构不同的 PAs 整合到 SNPs 中提供了一种调节淀粉回生的可调策略。这种方法与使用游离酚类化合物或依赖淀粉和多酚之间物理缔合的传统方法不同。酚类整合分析，连同 XPS 和 FT-IR 表征，支持了 PA 衍生结构整合到 SNPs 中，证据包括羰基和

生成式人工智能使用声明
作者在稿件准备过程中未使用生成式人工智能和人工智能辅助技术。

CRediT 作者贡献声明
刘孟宇：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，方法论，调查，数据管理。吴燕文：项目管理。欧阳洁：写作 – 审阅与编辑，监督，资金获取，概念化。

伦理声明
作者声明本研究不涉及人类或动物受试者。

资金
本工作得到中国山东省重点研发计划（乡村振兴科技创新提振行动计划）（2023TZXD075）的支持。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本论文中报告的工作。

刘孟宇 | 吴燕文 | 欧阳洁