不同酶解脱支条件下超声-热处理玉米淀粉-茶多酚体系的多尺度结构与体外消化行为

《Food Chemistry: X》：Multiscale structure and in vitro digestibility of ultrasound-heat-treated corn starch-tea polyphenol systems prepared under different enzymatic debranching conditions

　　

本研究考察不同酶解脱支条件对玉米淀粉（corn starch, CS）-茶多酚（tea polyphenols, TP）体系结构及消化特性的影响。采用不同普鲁兰酶（pullulanase）剂量处理的CS，在固定超声-热处理（ultrasound–heat treatment, UHT）条件下制备淀粉-TP体系，并分析其结构及体外消化特性。随着普鲁兰酶剂量增加，分支度（degree of branching, DB）降低，而表观复合指数（apparent complex index）先升高后降低，UHTDB-2最高达34.03%。与UHT-CS相比，不同酶解脱支条件提高了R_1047/1022、R_1022/995和结晶度（crystallinity），同时降低焓值（enthalpy, ΔH）。不同样品的淀粉水解行为存在差异，消化程度随普鲁兰酶剂量增加先降低后升高。结果表明，酶解脱支条件与UHT-CS-TP体系的结构特征及体外消化行为相关，为淀粉基食品材料的结构调控和消化改善提供参考。

淀粉是膳食能量的重要来源，其消化行为受分子结构、结晶排列和加工条件等多因素影响。按体外酶解速率和消化程度，淀粉通常分为快速消化淀粉（rapidly digestible starch, RDS）、慢速消化淀粉（slowly digestible starch, SDS）和抗性淀粉（resistant starch, RS）；RDS易快速水解，SDS和RS水解较慢或具有较强抗酶解性。淀粉消化不仅取决于分子组成，还受分子链排列、结晶结构和分子间相互作用影响。淀粉分子链重组和有序结构变化可改变消化酶对底物的可及性，从而影响水解速率和程度。因此，调控淀粉分子组织状态和多尺度结构、降低快速水解组分并延缓体外消化，是淀粉基食品结构与功能调控的重要方向。茶多酚（tea polyphenols, TP）富含酚羟基，可通过氢键和疏水作用等非共价相互作用与淀粉分子作用，影响淀粉结构特征和消化行为；既往研究表明TP可改变不同来源淀粉的理化性质和局部有序结构，并可能通过与淀粉分子作用或抑制消化酶活性影响淀粉水解。淀粉与多酚可形成包合型或非包合型复合结构，其相互作用模式受淀粉分子结构、多酚类型和加工条件共同影响。多酚对淀粉消化行为的影响可能同时涉及淀粉分子结构变化和消化酶活性调节，因此不能仅依据结晶结构或体外水解速率判断特定复合结构及其抗酶机制。酶解脱支是调控淀粉分子结构的重要方法。普鲁兰酶（pullulanase）可选择性水解支链淀粉中的α-1,6糖苷键，降低淀粉分支度并改变后续分子链段组织状态；既往研究显示酶解脱支可影响淀粉链段重排和分子间聚集，超声、热处理等物理加工可改变淀粉分子排列、聚集状态及其与多酚的相互作用。Gu et al. (2023)研究了不同分支度脱支淀粉与番茄红素的复合行为，提示淀粉支链结构变化可影响其与客体分子作用及复合体系结构特征；Zhao et al. (2019)研究了物理场处理下淀粉-茶多酚体系的结构与消化性，Wang, Huang, et al. (2026)进一步探讨了超声处理对脱支淀粉与绿原酸复合行为的影响。然而，不同酶解脱支条件下淀粉支链结构变化，以及超声-热处理条件下玉米淀粉-茶多酚体系的多尺度结构和消化特性仍待进一步研究。基于此，研究人员以不同剂量普鲁兰酶对玉米淀粉（corn starch, CS）进行酶解脱支预处理，采用质子核磁共振（¹H NMR）测定分支度（degree of branching, DB）并计算脱支度（degree of debranching, DD），在固定超声-热处理条件下制备玉米淀粉-茶多酚体系，并利用傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR）、X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）、差示扫描量热法（differential scanning calorimetry, DSC）、扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）、粒度分析和体外消化实验，系统比较不同酶解脱支条件下体系的结构特征、热转变行为和消化动力学差异，旨在为酶解脱支调控淀粉-茶多酚体系结构和消化性提供实验依据。

研究人员以CS（直链淀粉含量23.95%，脂肪含量0.1%；上海源叶生物科技有限公司）为原料，糊化后按100、200、300、400、500 NPUN/g淀粉加入普鲁兰酶（上海阿拉丁生化科技股份有限公司），60 °C酶解8 h，经离心、灭酶、乙醇沉淀洗涤干燥制得DB-1至DB-5，并以原CS为参照；TP（上海阿拉丁生化科技股份有限公司）按5%（w/w）加入，在固定超声-热处理（300 W、25 min、2 s开/2 s关，随后90 °C 10 min）下制备UHT-CS和UHTDB-1至UHTDB-5。采用¹H NMR测定DB/DD，Folin-Ciocalteu法测定表观复合指数（apparent complex index），并进行FTIR、XRD、DSC、SEM、激光粒度、碘染色、Englyst体外消化及一级动力学和预测血糖生成指数（predicted glycemic index, pGI）分析。

3.1 DB与DD分析（DB and DD analysis）：¹H NMR显示α-1,6和α-1,4糖苷键相关异头氢信号分别约在4.85 ppm和5.07 ppm；CS的DB为3.43%，随普鲁兰酶剂量增加DB逐渐降低，DB-1至DB-5的DB分别为2.04%、1.04%、1.02%、1.01%和0.92%，DD由40.52%升至73.18%，但DB-2至DB-5的DD仅由69.68%升至73.18%，说明高酶剂量下进一步变化较小。结论是酶解脱支有效降低α-1,6连接结构比例，为后续链段重排及与TP相互作用提供不同结构基础。

3.2 表观复合指数分析（Apparent complex index analysis）：采用Folin-Ciocalteu法测定，随普鲁兰酶剂量增加，UHT-CS-TP体系表观复合指数先升高后降低，UHTDB-2最高（34.03%），显著高于其他处理组（P<0.05）；UHTDB-3至UHTDB-5逐渐降低而DB变化较小，说明表观复合指数不随分支度持续降低而升高，可能与脱支淀粉链段重排、分子间缔合和回生过程有关。

3.3 FTIR分析（FTIR analysis）：各处理样品主要特征吸收带基本一致，未见明显新特征峰；1518 cm^?1附近吸收特征发生变化，UHTDB-2在该区域相对较弱，可能与TP相关芳香环骨架振动基团的化学环境和相对贡献变化有关；3400 cm^?1附近宽OH伸缩振动带存在差异，可能与淀粉链段构象调整和氢键环境变化有关。对1200–800 cm^?1去卷积并计算R_1047/1022和R_1022/995，UHT处理提高CS的R_1047/1022；随酶剂量增加该比值先升后降，UHTDB-2较高（2.36），说明该条件下局部短程有序结构相对较高。

3.4 XRD分析（XRD analysis）：CS在2θ约15.04°、17.24°、18.16°和23.18°呈现典型A型结晶特征；处理后原A型特征峰明显减弱，并在约13°和20°出现新衍射特征，与V型有序结构一致，但不能直接证明TP进入淀粉单螺旋腔；考虑乙醇沉淀、乙醇洗涤及玉米淀粉内源脂质作用，研究人员将13°和20°衍射特征归因于V型有序结构而非直接鉴定为TP包合晶体。UHT降低CS相对结晶度；随普鲁兰酶剂量增加，处理样品相对结晶度先升后降，UHTDB-2最高（20.55%）。结论是脱支引起的链段重排和分子间聚集变化影响体系结晶结构和相对结晶度。

3.5 热性能分析（Thermal properties analysis）：DSC结果显示，CS的T_p为70.95 °C、ΔH为10.23 J/g，UHT-CS的T_p为68.56 °C、ΔH为7.65 J/g；与UHT-CS相比，随普鲁兰酶剂量增加，处理样品热转变温度先升后降，UHTDB-1和UHTDB-2的T_p分别升至93.35 °C和98.25 °C，UHTDB-2在处理样品中ΔH最高（表2为8.52 J/g），说明其发生吸热转变的部分有序结构需要更高温度解离；高剂量UHTDB-3至UHTDB-5的T_o、T_p、T_c逐渐降低，表明高酶剂量处理样品热转变行为明显不同，吸热峰还可能涉及重聚集或回生形成的有序结构。

3.6 SEM分析（SEM analysis）：CS颗粒轮廓相对完整、表面较光滑；经酶解脱支和超声-热处理后，原颗粒形态大部分消失，出现不同程度不规则聚集和多孔结构。UHT-CS整体较致密、局部较光滑且孔少；UHTDB-1和UHTDB-2呈更明显不规则聚集和多孔形态，UHTDB-2局部孔较细并具互联聚集结构；高剂量UHTDB-3至UHTDB-5出现较大不规则空腔和较疏松形态。结论是糊化、颗粒结构破坏、分子链重聚集及酚类参与可改变体系微观结构。

3.7 粒度分析（Particle size analysis）：与CS相比，UHT显著增大D₅₀、D₉₀和体积平均径D(4,3)；与UHT-CS相比，所有脱支样品D₅₀、D₉₀和D(4,3)明显增大，D₁₀降低，提示粒径分布范围可能变宽。结论是脱支样品表观颗粒或聚集体尺寸更大，与颗粒结构破坏、分子链重排和分子间聚集有关，TP相关相互作用也可能参与粒径调控。

3.8 碘染色分析（Iodine staining analysis）：与CS相比，UHT-CS碘蓝值和相对碘结合能力显著降低；与UHT-CS相比，所有脱支样品碘蓝值和相对碘结合能力升高，说明不同酶解脱支条件下样品碘结合能力增强，可能与α-1,6糖苷键水解后淀粉链段结构及分子组织状态变化有关。UHTDB-2碘蓝值为0.68，低于其他酶解脱支处理组，而其表观复合指数最高（34.03%），可能与链段重排、分子间聚集和TP相关相互作用有关。

3.9 体外消化性分析（In vitro digestibility analysis）：CS的RDS含量较高（78.27%），RS较低；与CS相比，UHT-CS和所有脱支样品RDS降低、RS升高；UHTDB-2RDS最低、RS最高，与其较高表观复合指数、相对结晶度和热转变温度相一致，可能与其较高抗酶解性相关。普鲁兰酶脱支后淀粉链段重排和重结晶可促进有序结构形成并提高RS比例；TP相关相互作用也可能通过抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶活性降低淀粉水解程度。高剂量UHTDB-5的RDS回升至58.07%、RS降至22.31%，说明更高酶剂量未持续提高体系抗酶性。

3.10 消化动力学与pGI分析（Digestion kinetics and pGI analysis）：一级动力学拟合显示，CS的C_∞为91.74%、k为0.032 min^?1；所有处理样品C_∞低于CS，UHTDB-2的C_∞最低（57.797%），水解指数（hydrolysis index, HI）降至54.323，pGI趋势与HI基本一致；UHTDB-5的C_∞和HI明显升高（HI 84.38）。结论是适度酶解脱支可降低体系水解程度，但更高酶剂量未持续增强抗酶性，可能与不同脱支条件下链段重排、分子间聚集和有序结构形成差异及TP相关效应有关。

3.11 机制讨论（Mechanistic discussion）：普鲁兰酶通过水解α-1,6糖苷键降低淀粉分支度，影响淀粉链段重排和分子间聚集；后续超声-热处理中链段可进一步重组，并通过氢键等非共价作用与TP相互作用，影响体系分子组织状态和有序结构。UHTDB-2表观复合指数最高（34.03%），短程有序结构相关响应较高，相对结晶度较高，T_p达98.25 °C。结构变化进一步影响体外消化：链段重排和有序结构形成可改变消化酶对底物可及性，TP相关作用亦参与调控淀粉水解；随普鲁兰酶剂量增加，消化程度总体先降后升，说明分支度降低不一定持续增强抗酶性。V型样衍射特征和消化行为变化还可能受淀粉回生、乙醇处理和内源脂质影响，不能直接归因于TP包合结构形成。酶解脱支结合TP处理为改善淀粉基食品结构和体外消化性提供潜在途径，但脱支过程组分损失可能影响实际得率，TP添加可能改变食品颜色和涩味而影响感官可接受性，较高热转变温度也不直接代表良好加工稳定性，未来仍需结合实际食品体系评估得率、感官品质和加工过程中的结构稳定性。

讨论部分总结：该研究将酶解脱支、超声-热处理与TP复合相结合，表明适度脱支可促进体系有序结构形成并降低体外消化程度，但分支度降低与抗酶性增强并非线性关系；结构表征与消化动力学结果共同支持链段重排、分子间聚集、有序结构及TP相关作用参与调控，同时指出V型样衍射和消化行为受多种加工与组分因素影响，应用前需考虑得率、感官和加工稳定性。

研究结论翻译：本研究系统探讨了不同酶解脱支条件下超声-热处理玉米淀粉-茶多酚体系的多尺度结构和体外消化特性。结果表明，与CS相比，随普鲁兰酶剂量增加，淀粉分支度逐渐降低，但降低幅度趋于平缓；体系表观复合指数先升高后降低，UHTDB-2最高（34.03%）。不同酶解脱支条件改变体系短程和长程有序结构。超声-热处理样品中，UHTDB-2具有最高峰值温度（98.25 °C）和焓值（8.50 J/g）。适度酶解脱支有利于降低体系淀粉水解程度，而进一步提高普鲁兰酶剂量未持续增强其抗酶性。这表明分支度降低不一定持续增强体系抗酶性。酶解脱支条件可能通过影响淀粉链段重排和有序结构形成，改变体系结构特征和体外消化行为。本研究为调控淀粉-茶多酚体系结构和消化特性提供实验证据。未来研究应进一步整合淀粉链长分布分析、匹配的无茶多酚对照和分子相互作用分析，以阐明结构变化与消化行为关联的潜在机制。