低温等离子体辅助酸热法高效合成抗性糊精：等离子体电压和处理时间的影响

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Efficient synthesis of resistant dextrin via cold plasma-assisted acid-heat process: Influence of plasma voltage and treatment time

　　介质阻挡放电（DBD）等离子体被用作一种新颖的预处理策略，以辅助蜡质玉米淀粉的酸热制备抗性糊精。研究了等离子体电压（60–80 V）和处理时间（60–120 s）对所得抗性糊精的产率、结构特征、理化性质和酶解抗性的影响。等离子体预处理使抗性糊精的最高产率达到75.40%，显著高于对照组（67.49%），但过强的等离子体强度（超过70 V或超过90 s）会导致产率明显下降。结构分析表明，等离子体处理促进了不可消化糖苷键的形成，包括α-1,2、β-1,2、β-1,4和β-1,6键。体外消化实验表明，等离子体辅助抗性糊精的抗性部分含量高达92.69%，显著高于传统制备的抗性糊精（80.77%）。此外，等离子体处理显著提高了溶解度和α-淀粉酶抑制活性。相关性分析表明，等离子体产生电压与抗性部分含量、α-1,2糖苷键比例和平均支化度呈更显著的正相关。本研究将为开发高效的抗性糊精制备方法提供理论基础。经济发展和生活水平的提高推动了饮食向更精细成分转变的趋势。因此，纤维摄入不足已成为糖尿病、高脂血症和高血压等慢性疾病的主要促成因素之一（Ramsteijn & Louis, 2024）。膳食纤维被广泛定义为聚合度为三个或更多的碳水化合物聚合物，以及寡糖和木质素，这些物质不能被人体小肠内的内源性消化酶水解。数十年来，膳食纤维对代谢调节和肠道稳态的有益作用已被充分记录（Zhang et al., 2024）。根据水溶性，膳食纤维可分为可溶性纤维和不溶性纤维。在可溶性纤维中，抗性糊精因其优越的加工性能而受到广泛关注，包括低甜度、高溶解度和优异的热稳定性（Li et al., 2023; Xie, Gou, Peng, Zheng, & Chen, 2021）。传统上，抗性糊精通过玉米淀粉的酸热处理生产，该过程涉及复杂的转糖基化和再聚合反应，产物具有低分子量并含有非典型糖苷键——包括α-1,2、β-1,2和β-1,6——使其能够抵抗小肠消化并允许被结肠微生物群利用（Trithavisup, Shi, Krusong, & Tananuwong, 2022）。抗性糊精的摄入与一系列生理益处相关，如调节血糖和血脂、调节肠道微生物群以及增加饱腹感（Han, Kang, Bai, Xue, & Shi, 2018; Wei et al., 2023）。酸热处理，即在酸催化剂存在下进行干热以诱导糊精化，是目前生产抗性糊精最广泛采用的方法（Li et al., 2023）。酸热过程在高温条件下，通过有机酸或无机酸催化进行，淀粉通过复杂的反应被转化：解聚、转糖基化和再聚合。首先，酸水解断裂淀粉的α-1,4和α-1,6糖苷键，生成单糖、寡糖和低分子量糊精。随后，这些片段发生转糖基化，与相邻的游离羟基形成新的糖苷键，生成支化结构。同时，产生的小分子片段再聚合为高度支化的糊精，从而抵抗消化（Trithavisup, Krusong, & Tananuwong, 2019）。在此过程中，淀粉来源、烘焙温度和持续时间、酸的浓度和类型（例如盐酸、乳酸、酒石酸、柠檬酸）通常是决定抗性糊精结构和性质的主要因素（Chen, Zhang, Ma, Zhu, & Shen, 2022; Guo et al., 2025a）。然而，传统酸热方法经常受到一些缺陷的限制（Li et al., 2023）。例如，酸催化剂在淀粉基质中分散不良，导致反应条件不均匀和局部热点过热；而恶劣的反应条件（高温、长时间）使淀粉极易炭化，降低了所需抗性部分的产率。这些限制可以通过等离子体预处理部分缓解，因为等离子体引起的表面蚀刻可以通过促进氢离子渗入淀粉颗粒来改善酸的可达性，从而可能提高酸热过程的效率。为了应对制备效率的限制，微波、高压和超声处理等物理辅助方法在抗性糊精制备的应用中已获得广泛关注（Kapusniak et al., 2024; Shen et al., 2024; Trithavisup et al., 2019）。这些物理方法被认为遵循相似的原理，即微波或超声产生的局部热能可以加速淀粉的解聚和结构重排，从而促进抗性糊精的形成。最近，冷等离子体作为一种高效的淀粉改性方法而崭露头角，被认为在食品加工应用中极具前景。等离子体被公认为物质的第四种状态，由光子、自由基、电子、中性气体原子、带电离子和其他活性物种的复杂混合物组成（Dharini, Jaspin, & Mahendran, 2023）。特别是，介质阻挡放电（DBD）等离子体产生系统需要较低的工作温度，并能在常压下获得高密度均匀放电（Shen et al., 2024）。DBD等离子体具有独特的优势，包括低能耗、温和的工作条件和固有的环境相容性（Gupta, Guha, & Srivastav, 2023）。先前的研究表明，DBD等离子体改性淀粉可以诱导链降解、有序结构破坏、表面蚀刻和交联，同时保持颗粒完整性并可能引入新的官能团（Ma et al., 2026; Xue et al., 2026）。这些改性通常导致淀粉结晶度和分子量下降、糊化性能减弱、酶消化抗性降低以及化学反应可达性提高（Huang et al., 2025; Li et al., 2025; Ma et al., 2026）。因此，我们假设等离子体引起的淀粉结构改性，特别是链降解和构象无序化，可以为后续酸热过程提供更多的还原末端并增加淀粉链的运动能力，从而促进抗性糊精的产率并改变其结构组成和功能性质。在我们先前的研究工作中（Fu et al., 2026），通过正交实验优化了工艺参数，包括等离子体产生电压、等离子体处理时间、盐酸用量和酸热时间，以抗性糊精产率为响应变量。在考察的参数中，等离子体产生电压和等离子体处理时间对抗性糊精产率的影响更大。基于这些结果，这两个参数被选为本研究的主要加工变量。据我们所知，DBD等离子体此前已广泛用于淀粉改性，但其作为酸热制备抗性糊精的预处理尚未见报道。本工作中，以蜡质玉米淀粉为原材料，系统研究了不同等离子体产生电压和处理时间对所得抗性糊精产率和结构特征的影响。采用凝胶渗透色谱法（GPC）、傅里叶变换红外光谱法（FTIR）和质子核磁共振波谱法（1H NMR）对抗性糊精的结构特征进行了全面表征。此外，还评估了其溶解度、流变行为、对α-淀粉酶的抑制活性以及体外消化特性。本研究旨在阐明DBD等离子体处理对抗性糊精分子结构的机制，并为开发基于等离子体的抗性糊精生产技术在理论基础上提供支持。蜡质玉米淀粉购自百龙创园生物技术有限公司（中国山东），其直链淀粉含量为3.36 ± 0.29%（湿基）。耐热α-淀粉酶（EC 3.2.1.1, JS247996, 2 × 10? U/mL）购自源叶生物技术有限公司（中国上海）。淀粉糖化酶（EC 3.2.1.3, RH114086, 1 × 10? U/mL）购自龙研化学有限公司（中国上海）。猪胰α-淀粉酶（EC 3.2.1.1, A3176-500KU, ≥5 U/mg）购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。抗性糊精对α-淀粉酶的体外抑制活性根据Yao等人（2025）描述的方法并稍作修改进行评估。将淀粉（1.0 g，干基）悬浮于40 mL磷酸缓冲液（0.1 M，pH 6.8）中，在沸水浴中搅拌糊化10 min，冷却至25 °C，并用相同缓冲液稀释至100 mL（1%，w/v，预糊化淀粉溶液），储存在4 °C以备进一步使用。对于抑制实验，取200 μL抗性糊精溶液。图1展示了等离子体产生电压和等离子体处理时间对抗性糊精产率的影响。在相同的酸热条件下，未经过等离子体预处理所获得的抗性糊精产率为67.49 ± 0.70%。等离子体预处理后，所有经等离子体处理的样本的产率均显著高于未处理的对照组（p < 0.05），产率范围为73.20%至75.40%。随着等离子体强度的逐渐增加，产率为。开发了一种新颖的等离子体辅助酸热策略，在等离子体电压60–80 V和处理时间60–120 s的条件下，从蜡质玉米淀粉合成抗性糊精，并对其结构、理化性质和功能特性进行了表征。该方法实现了高达75.4%的产率，产物具有较低的分子量和富含不可消化糖苷键的高度支化结构。如1H NMR所示，等离子体处理显著改变了糖苷键。Mingrui Fu：撰写——初稿、方法论、研究、数据整理。Yuru Feng：可视化、验证。Enning Tian：可视化、研究。Shuang Dong：撰写——审阅与编辑、资源。Fei Ren：资源、形式分析。Peng Guo：撰写——审阅与编辑、监督、资源、项目管理、资金获取、概念化。Guo et al., 2025bWang et al., 2025作者声明不存在任何可能影响本文所报道工作的已知的竞争性经济利益或个人关系。本研究得到国家自然科学基金（编号：32402017）和山东省自然科学基金（编号：ZR2025MS416）的资助。Mingrui Fu | Yuru Feng | Enning Tian | Shuang Dong | Fei Ren | Peng Guo山东理工大学农业工程与食品科学学院，中国淄博 255000