《Food Hydrocolloids》：From binary to quaternary systems: Role of protein, fiber, and tannin interactions in modulating starch-based networks and their properties
编辑推荐：
吞咽困难是一种吞咽障碍性疾病，影响各年龄段患者食物或液体从口腔安全、有效输送至胃部，在老年人群中尤为普遍。除窒息和误吸风险外，长期吞咽困难还会导致食欲不振、脱水、体重减轻、免疫力下降及营养不良，尤其是蛋白质、维生素和矿物质等必需营养素摄入不足，并伴随与心理和
吞咽困难是一种吞咽障碍性疾病，影响各年龄段患者食物或液体从口腔安全、有效输送至胃部，在老年人群中尤为普遍。除窒息和误吸风险外，长期吞咽困难还会导致食欲不振、脱水、体重减轻、免疫力下降及营养不良，尤其是蛋白质、维生素和矿物质等必需营养素摄入不足，并伴随与心理和社会挑战相关的其他严重健康后果。为应对这些挑战，吞咽困难饮食管理的目标是实现吞咽安全、营养及代谢充分性和感官可接受性。为降低与稀薄液体食物相关的误吸风险，粘度调节被广泛用于改善吞咽困难食物的吞咽控制，同时需精心优化流变特性和营养充足的配方，以在不影响可接受性的前提下提升营养价值。
传统质地改良食品，尤其是淀粉基配方，可能营养密度较低且血糖生成指数（GI）较高，导致餐后血糖快速升高，从而限制了其对血糖调节系统受损的老年人的适用性。因此，吞咽困难食品的开发应超越质地和粘度修饰，转向精心选择原料及其配方，以确保吞咽安全、代谢功能性、营养充足性并改善血糖控制。在此背景下，低血糖生成指数且质地改良的软食提供了一种有前景的方法，因为它们可以提供适合安全吞咽的流变特性，同时兼具较慢的碳水化合物消化和更持续的葡萄糖释放。然而，此类食品中质地、流变行为、营养组成和碳水化合物消化率之间的相互作用尚未被充分理解，凸显了整合配方策略的必要性。
淀粉是一种由直链淀粉和支链淀粉组成的多功能多糖，由于其在食品体系中的功能特性，最常被用作吞咽困难食品中的结构和增稠组分。在糊化过程中，淀粉颗粒吸水膨胀并失去其有序结构，导致粘度增加和糊体形成，而随后的冷却促进直链淀粉重新缔合和凝胶网络形成。在此过程中，富含支链淀粉的膨胀颗粒对糊粘度贡献显著，而浸出的直链淀粉在冷却过程中对连续相形成和早期凝胶形成起重要作用。这些转变直接影响淀粉基食品的流变及质地属性，如粘度、凝胶强度、内聚性和保水能力。然而，在纯淀粉凝胶中，储存期间会发生过度回生，导致凝胶老化，表现为硬度增加、水分分布改变、质地变化和稳定性受损。因此，基于直链淀粉与支链淀粉组成、糊化-胶凝特性和回生趋势来选择淀粉，对于配方设计吞咽困难食品至关重要。此外，天然淀粉本身提供的蛋白质和膳食纤维有限，并可能表现出快速消化性、脱水收缩，或根据植物来源和加工条件在储存期间产生不良的质地变化。
在吞咽困难食品中加入优质外源蛋白质，可以提高蛋白质密度，同时调节界面密度、流变行为、质地、体系稳定性，并延长食物饱腹感，从而进一步增强质地、感官吸引力和代谢可加工性，特别是支持易受年龄相关性肌肉流失影响的老年人的肌肉维持。蛋白质的存在通过竞争水分子和非共价缔合（包括氢键、静电和疏水相互作用），改变了淀粉的水合、糊化、粘度、糊化行为、回生和消化特性，具体取决于加工条件。这些相互作用导致淀粉膨胀、直链淀粉迁移率和水分分布改变，从而影响食品基质中淀粉-蛋白质网络的形成和稳定性，并最终决定食品的质地和流变属性。此外，在某些配方和加工条件下，蛋白质可能限制酶对淀粉的可及性，从而减少淀粉水解。然而，这些效应的方向和程度取决于蛋白质类型和来源、淀粉类型和来源、蛋白质与淀粉比例、pH、离子强度、加工条件、储存条件和时间。因此，战略性选择和掺入蛋白质可能为定制吞咽困难食品以提升营养价值并兼具理想属性提供机会。对植物基蛋白质的偏好是由消费者对可持续性和更健康食品选项日益增长的认识所驱动的。近年来，蚕豆蛋白（一种豆类蛋白质）因其高蛋白质含量（富含球蛋白和白蛋白）、温和风味、消化率、理想的胶凝和乳化特性，以及增强淀粉基配方的营养价值和结构特征的能力，已成为设计吞咽困难食品的有前景的蛋白质候选物。然而，天然蚕豆蛋白的溶解性和功能性能相对较差，这可以通过改变蛋白质结构和分子间相互作用的物理化学加工来改善，从而增强与质地改良吞咽困难食品相关的流变功能性。
添加膳食纤维（如车前子壳）可以进一步提升营养价值，同时影响食品基质、持水性、粘度和碳水化合物消化，尽管其水平必须优化以保留食品理想的吞咽和感官属性。此外，膳食纤维在小肠中抵抗消化，基本完整地到达结肠，通过增加粪便体积支持肠道功能并促进排便。车前子壳来源于卵叶车前（*Plantago ovato*）的黏液种子皮，主要由称为阿拉伯木聚糖的非淀粉多糖组成，其中广泛分支的杂木聚糖构成主要部分（约占总重量的55-60%）。这些复杂的杂木聚糖主要由75%的木糖和23%的阿拉伯糖残基组成，对其强大的保水和凝胶形成特性贡献显著，因此使其成为一种多功能膳食纤维，在设计吞咽困难食品方面具有相当大的潜力。车前子壳在食品体系中表现出多种技术功能性行为，主要归因于其高度亲水和广泛分支的多糖结构、水结合能力和凝胶形成能力。水合时，其多糖链通过氢键和聚合物链缠结形成内聚性、虽弱但热可逆的凝胶网络，从而影响水分分布和流变行为。壳浓度和温度条件在调节凝胶的流变属性中起重要作用。剪切变稀凝胶行为通常取决于分子结构、壳来源、加工和提取条件。纤维通过物理截留和分子间缔合与淀粉链和颗粒相互作用，通常在淀粉结构周围形成粘性或网状屏障。其高水结合能力降低了淀粉膨胀的水分可用性，从而改变糊化行为和微观结构发展。此外，可溶性和不溶性纤维表现出不同的机制：可溶性纤维倾向于通过竞争水分来限制颗粒膨胀，而不溶性纤维可能通过水分再分配促进膨胀。当用于复合食品体系时，它调节粘度、粘弹性、内聚性、凝胶强度和基质稳定性，同时构建纤维密度、调节水分流动性、结构完整性、改善质地特性并降低所得聚合物网络的酶可及性。因此，通过这些功能属性，车前子壳可以在食品体系中充当天然增稠剂和稳定剂。
此外，这种高粘度纤维还表现出多种健康促进作用，包括降低胆固醇、改善血糖调节、增强饱腹感、体重管理和心血管保护，以及支持胃肠功能、肠道微生物群稳定性和肠道规律性。其抗氧化和结肠保护特性进一步增加了其在食品体系中的营养保健潜力。总的来说，这些物理化学和营养属性使车前子壳成为开发稳定的、富含纤维且流变学定制的吞咽困难食品的一种有前景的多功能成分。
此外，富含抗氧化、抗炎和抗菌属性的植物源性多酚，由于其通过与淀粉和蛋白质相互作用来改变食品结构和消化的能力，可以作为吞咽困难食品的功能性食品成分。多酚，特别是单宁，是富含羟基的高反应性化合物，以其对淀粉和蛋白质的强亲和力而闻名。单宁可以与直链淀粉链形成非包合物和包合物复合物，导致淀粉组织、回生行为和消化率发生显著改变。葡萄籽单宁是多种多酚（单体和聚合单宁）的丰富来源，在改善淀粉体系的理化、微观结构、质地-流变和消化特性方面发挥重要作用。它们的存在可以破坏淀粉链的重新缔合，削弱凝胶刚性，并增强抗氧化能力。此外，单宁可能抑制消化酶或竞争淀粉上的结合位点，从而有助于降低血糖反应。
尽管蛋白质、纤维和多酚对淀粉的影响已在二元体系中得到广泛探索，但它们同时存在时可能产生无法从相应二元组合预测的相互作用。近期三元体系研究表明，蛋白质和多糖可以通过协同和竞争性相互作用改变淀粉膨胀、直链淀粉浸出、水分分布和网络发展。根据组分类型和浓度，这些相互作用可能增强连续基质，或反而促进优先的蛋白质-多糖缔合和相分离，导致显著不同的流变和结构响应。同样，将多酚掺入淀粉-蛋白质和淀粉-多糖体系可以改变氢键、蛋白质聚集和淀粉链组织，从而影响凝胶结构和消化敏感性。最近的综述同样强调，三元蛋白质-多酚-多糖体系受竞争性氢键、疏水和静电相互作用支配，其功能行为不能简单地从单个二元相互作用中推断。重要的是，这些多组分效应并非总是一致的协同效应。据报道，纤维-多酚组合根据分子结构、浓度和水合行为，既可以增强结构完整性并限制酶可及性，也可能干扰淀粉-多酚缔合并减少抗性淀粉形成。同样，蛋白质可能通过物理屏蔽和酶螯合有助于减少淀粉水解，同时改变可用于网络形成的水和淀粉链。因此，近期研究提出，多组分淀粉体系的关键挑战是在机械性能和受控消化率之间取得平衡，而不是独立地最大化网络强度或消化抗性。
尽管取得了这些进展，现有工作主要由二元和三元体系主导。跟踪从二元到三元再到四元淀粉-蛋白质-纤维（亲水胶体）-多酚基质转变的系统性比较仍然很少。这是一个重要的空白，因为几种生物分子的共存可以产生竞争性、协同性或拮抗性相互作用，改变水合、分子缔合、网络连续性和酶可及性，而这些在低阶体系中不明显。近期关于二元和三元淀粉基体系的综述同样将缺乏系统的多组分机理研究视为一个未解决的研究需求。
在此背景下，本研究系统地考察了玉米淀粉-蚕豆蛋白-车前子壳纤维-葡萄籽单宁体系在二元、三元和四元组合中的行为。玉米淀粉提供主要的糊化多糖基质，而车前子壳通过其强水合和网络形成能力充当主要的非淀粉亲水胶体。掺入蚕豆蛋白以增加蛋白质密度并改变基质组织，而葡萄籽单宁作为能够与淀粉、蛋白质和车前子壳相关网络相互作用的缩合多酚调节剂被包括在内。本研究评估了逐渐增加的组合复杂度如何影响淀粉基体系的糊化行为、分子水平光谱响应、微观结构、抗氧化活性、质地-流变和消化特性。
据研究人员所知，在共同配方和分析框架下直接比较二元、三元和四元淀粉-蛋白质-纤维-多酚体系的系统性研究仍然非常有限。因此，本研究侧重于竞争性和协同性相互作用如何随着组合复杂性的增加而出现，以及这些变化如何转化为亲水胶体网络结构和功能性。通过将分子和结构观察与流变、质地和消化响应联系起来，这项工作为理解多组分淀粉基质提供了机理基础，对需要控制淀粉消化率的营养强化、质地改良软食（包括面向吞咽困难的软食）具有潜在的相关性。
### 论文解读文章
**1. 研究背景与问题提出**
吞咽困难作为一种吞咽障碍性疾病，在老年人群中高发，严重影响患者的生活质量与营养状况。为保障吞咽安全，通过增稠调节食物质地是常见的干预手段，其中淀粉基配方因其良好的糊化与凝胶特性而被广泛使用。然而，传统淀粉基食品存在营养密度低、血糖生成指数（GI）高的问题，易导致餐后血糖快速升高，难以满足老年人对代谢调控的特殊需求。因此，新一代吞咽困难食品的开发需兼顾吞咽安全、营养强化与血糖控制。
在淀粉基食品中引入外源蛋白质、膳食纤维和多酚类功能成分是提升其营养价值和功能特性的有效策略。蚕豆蛋白因其高蛋白含量和良好功能特性备受关注，但天然状态下其溶解性和功能性有待改善；车前子壳纤维（主要成分为阿拉伯木聚糖）具有强持水性和凝胶形成能力，能显著影响体系流变特性和消化行为；葡萄籽单宁作为缩合多酚，可通过与淀粉、蛋白质的相互作用调节网络结构和酶解特性。然而，尽管这些组分在二元体系中的作用已被广泛研究，但在更接近实际食品体系的三元和四元体系中，它们之间的竞争性与协同性相互作用机制尚不明确。现有研究多为二元或三元体系，系统地比较从二元到三元再到四元体系的结构与功能演变的研究十分匮乏。这构成了一个关键的知识空白，因为多组分的共存可能产生无法从低阶体系预测的复杂交互效应。因此，本研究旨在系统地考察玉米淀粉-蚕豆蛋白-车前子壳纤维-葡萄籽单宁在二元、三元及四元组合体系中的相互作用，阐明组分复杂度增加如何影响体系的糊化行为、微观结构、流变学特性、抗氧化活性及体外消化特性。该研究为设计营养强化、质构修饰并具控糖潜力的软食（尤其是面向吞咽困难人群的低GI食品）提供了理论依据。论文发表于《Food Hydrocolloids》。
**2. 研究技术与方法**
研究人员采用系统性的配方设计方法，构建了从纯淀粉（S）到二元（SP、SF、ST）、三元（SPF、SPT、SFT）及四元（SPFT）共8种体系，其中S代表淀粉，P代表蚕豆蛋白，F代表车前子壳纤维，T代表葡萄籽单宁。主要采用的研究方法包括：利用快速粘度分析仪（RVA）评估体系的糊化特性，并对糊化曲线进行数学模型拟合；运用傅里叶变换红外光谱（FTIR）及其二维相关光谱（2D-COS-FTIR）分析分子间相互作用和蛋白质二级结构变化；通过X射线衍射（XRD）测定相对结晶度，以表征淀粉长程有序结构。此外，还使用了激光粒度仪测定粒径分布、Zeta电位仪分析表面电荷、扫描电子显微镜（SEM）观察微观结构、质构仪测定凝胶质构特性、流变仪分析粘弹性，以及FRAP和ABTS法测定抗氧化活性。体外模拟消化实验用于测定快消化淀粉（RDS）、慢消化淀粉（SDS）和抗性淀粉（RS）的含量。最后，应用多元方差分析（MANOVA）、三因素方差分析、加和期望模型和Pearson相关分析等方法对数据进行统计处理。样本来源方面，玉米淀粉和车前子壳粉购自新西兰本地供应商，蚕豆蛋白由美国加州的Green Boy Group提供，葡萄籽单宁购自Enartis Tan UVA。
**3. 研究结果**
**3.1 糊化行为与模型分析**
RVA结果表明，纤维的加入显著降低了体系的峰值时间（PeT）和成糊温度（PT），并增加了峰值粘度（PV）和低谷粘度（TV），这归因于车前子壳纤维的高持水性与凝胶网络形成能力。蛋白质则主要影响冷却阶段的粘度发展，显著提高了最终粘度（FV）和回生值（SB），表明其在网络形成中发挥主导作用。单宁的加入则普遍降低了体系的粘度参数，并干扰了蛋白质和纤维介导的网络结构。对糊化曲线的数学拟合进一步量化了各组分的影响，纤维体系的希尔模型S值较低，表明粘度发展更具渐进性；蛋白质体系在冷却阶段的模型参数与高SB%一致，支持其在网络强化中的关键角色。
**3.2 分子相互作用与结构表征**
FTIR分析显示，各组分间的相互作用以氢键和疏水相互作用等非共价键为主。蛋白质二级结构分析发现，在SP体系中检测到高比例的β-折叠结构，表明热诱导的蛋白质展开和聚集促进了有序网络的形成。单宁的加入进一步增加了β-折叠含量，尤其在SPT体系中。2D-COS-FTIR光谱揭示了氢键区域和碳水化合物区域的显著协同变化，表明淀粉分子环境的改变与体系组构成密切相关。XRD结果显示，所有复合体系的相对结晶度（RC）均低于纯淀粉。但值得注意的是，较高RC并不与高回生值（SB）直接相关，表明冷却阶段的粘度发展并非仅源于淀粉重结晶，蛋白质网络和纤维水合作用也贡献显著。
**3.3 微观结构与理化特性**
SEM图像显示，纯淀粉凝胶呈现均匀的多孔蜂窝状结构；蛋白质的加入使其结构变得致密且不均匀；纤维体系表现出不规则的片状结构；单宁体系则形成更致密、孔隙更少的网络。粒径分析表明，纤维的加入导致体系中出现100-1000 μm的第二峰，表明形成了不均一的淀粉-纤维缠结网络。Zeta电位测定显示，纤维体系（SF、SPF、SFT、SPFT）表现出更强的负电性，分散稳定性提高，而蛋白质和单宁的加入则降低了表面电荷强度。
**3.4 质构特性与流变学行为**
质构分析（TPA）表明，含纤维体系的凝胶硬度最高，单宁的加入会降低纤维体系的硬度。流变学测试显示，所有体系均为弹性主导（G' > G"）的弱凝胶结构。SPF和SPFT体系展现出最高的粘弹性模量，而ST体系模量最低。幂律模型拟合的K'值变化趋势与RVA结果高度一致，再次证实了蛋白质在增强网络强度中的核心作用。单宁降低了体系的粘弹性，但提高了其屈服应变，表明其干扰了组分间有效的链缔合。
**3.5 抗氧化活性与体外消化特性**
抗氧化实验表明，体系抗氧化活性主要来源于单宁。SFT和ST体系表现出最高的 FRAP 值和 ABTS 清除能力。然而，含有蛋白质的体系（SPT和SPFT）其抗氧化活性显著低于不含蛋白质的体系，这归因于蛋白质与单宁的结合掩蔽了部分酚羟基。体外消化实验揭示了复杂的组分效应。蛋白单独加入提高了RDS含量并消除了RS；纤维单独加入则显著降低了RDS并大幅增加了RS；单宁单独加入增加了SDS和RS含量。在三元体系中，SFT体系实现了最低的RDS（38.46%）和最高的RS（46.48%），表明纤维和单宁在限制淀粉水解上具有协同作用。四元SPFT体系的消化特性介于三元体系之间，未表现出超越所有三元体系的抗消化性能。加和期望模型分析显示，SPT和SFT体系在RS生成上表现出正向偏离（协同作用），而SPF和SPFT表现为负向偏离，再次证明组分间的相互作用是非加性的。
**4. 讨论与结论总结**
本研究表明，从二元到四元的组分复杂度增加，引起了淀粉基体系理化、结构、质构-流变和营养特性的非加和性变化。车前子壳纤维作为主要非淀粉多糖，主导了水合、粘度和粘弹性网络的形成；蚕豆蛋白则通过热诱导聚集和与淀粉链的相互作用，在冷却阶段对网络组织起关键性调控作用，并发生依赖于组构成的构象重排；葡萄籽单宁作为多酚调节剂，通过与淀粉、蛋白质和纤维的竞争性结合，改变了体系的压力响应、流变行为和消化特性。此研究建立了一个理解多组分淀粉基质中竞争与协同效应的机理框架，证明了四元体系的功能并非其各二元或三元组分的简单叠加。该研究为设计具有可控淀粉消化率的营养强化、质构修饰软食（如面向吞咽困难人群的低GI食品）提供了重要的理论依据。研究也指出，未来研究需直接表征水合基质中的组分结合和水分分布，并评估水解动力学、预测血糖反应及吞咽相关性能，以最终确定特定低血糖或吞咽困难适用性。
