温度循环逆向作用对挤压脱支淀粉多尺度结构及消化率的影响

《Food Hydrocolloids》：Effect of temperature-cycled retrogradation on the multiscale structure and digestibility of extruded-debranched starch

　　

摘要：

抗性淀粉，尤其是3型抗性淀粉（RS3），因其潜在的健康益处而受到关注。然而，传统的等温回生过程受到淀粉成核和晶体生长所需不同温度条件的限制。在本研究中，将挤压脱支淀粉（EDS）置于4/45°C的循环温度条件下，通过不同的循环间隔（6、12和24小时）以及循环次数（1–3次），来研究其多尺度结构及体外消化率的变化。所有样本均呈现B+V型混合晶体多态性，且层状长周期相近（21–23纳米），这表明循环参数对晶体多态性和层状周期性影响有限。相比之下，FTIR检测到的双螺旋有序度以及SAXS检测到的分形指数随循环次数的增加而上升，说明分子的有序性及聚集体堆积程度有所提高。相对结晶度仅有轻微变化（11.5%–13.5%），而抗性淀粉含量则显著上升。在所测试的处理方式中，间隔6小时的3次循环能够在更短的处理时间内获得较高的RS含量（59.38%）。这些结果表明，通过温度循环回生可以调节淀粉的结构及其消化率，从而控制链的重新结合与超分子组装，为开发具有可控酶解性的清洁标签淀粉成分提供了可能。

引言

包括肥胖和2型糖尿病在内的心血管代谢疾病日益普遍，这与饮食模式、生活方式以及环境因素的变化密切相关。因此，维持血糖稳定并保障胃肠道健康已成为公共卫生与营养科学领域的重点任务（Feng等人，2024年）。抗性淀粉是指在健康人的小肠中无法被酶分解，进而进入结肠后被肠道微生物发酵，产生短链脂肪酸（主要为乙酸、丙酸和丁酸）的淀粉部分（Das等人，2024年；Kovacs等人，2025年）。这些代谢物可作为结肠细胞的能量来源，同时有助于调节葡萄糖代谢、肠道屏障功能以及免疫反应（Canfora、Jocken和Blaak，2015年；Farooq和Yu，2024年）。根据其结构特征及抗酶机制，抗性淀粉通常被分为五种类型。3型抗性淀粉是通过糊化淀粉链，尤其是直链淀粉，发生回生和重结晶，形成含有双螺旋结构的有序结构而产生的。RS3之所以备受关注，是因为它无需经过化学改性即可生成，通常具有较高的热稳定性，并且在食品加工过程中仍能保持抗酶水解性。这些特性使得RS3成为开发低消化性淀粉基食品的理想清洁标签成分（Ning等人，2025年）。

淀粉颗粒是由结晶区和非晶区交替构成的分层结构。这些结晶区主要是由支链淀粉外部链形成的双螺旋有序排列构成的，不过直链淀粉的贡献程度则取决于淀粉的植物来源及加工历史（Zhu，2018年）。当淀粉在过量的水中加热时，水分子会渗透到淀粉颗粒中，破坏分子间的氢键，导致颗粒膨胀、结晶序态丧失，甚至颗粒结构部分或完全破坏。这种从有序到无序的转变被称为糊化（Yan、McClements、Luo、Liu和Ye，2024年）。在随后冷却过程中，无序的淀粉链会通过氢键重新结合，逐渐重新形成有序结构，这一过程被称为回生或重结晶（Singh、Kaur和McCarthy，2007年）。回生过程中形成的有序区域可以提高淀粉的热稳定性和抗酶性。抗酶性通常与至少两种互补的结构特征有关：首先，密集排列的有序区域可能会限制淀粉酶接触易受攻击的糖苷键；其次，双螺旋结构相比非晶或无序的淀粉链，更难被α-淀粉酶作用于（Junejo、Flanagan、Zhang和Dhital，2021年；Hoover，2001年）。这些结构特征共同作用，可减缓淀粉的水解及葡萄糖的释放。那些在小肠中未被消化的淀粉部分可进入结肠继续发酵，进一步发挥其营养功能（Chen等人，2024年）。因此，淀粉回生过程连接了分子重新结合、超分子有序化以及酶解性之间的关系。

淀粉回生是一个与时间相关的过程，可大致分为短期阶段和长期阶段。短期回生主要发生在凝胶形成的早期，此时以直链淀粉链的重新结合和有序化为主导，通常在糊化后几小时内发生。而长期回生则与支链淀粉外部链的逐步重新有序化及紧密堆积有关，这一过程可能持续数天甚至数周（Geng等人，2026年）。从动力学角度来看，回生过程包括成核、晶体生长以及随后有序区域的重新排列（Ning等人，2025年）。温度是调控这些阶段的关键因素，因为它既影响分子的活动性，也影响链结合的热力学驱动力。在相对较低的温度下，只要分子活动性足够，较大的过冷度有助于核的形成。而在略高于有序区域熔点的较高温度下，更高的分子活动性则有利于链的排列、晶体生长以及结构重组。不过，过高的分子活动性可能会破坏新形成的核，降低成核效率。因此，有利于成核和晶体生长的温度条件并不一定相同，单一的等温回生处理可能无法同时优化这两个过程（Liu、Liu、Yang、Jiao和Jin，2024年；Liu等人，2022年）。

温度循环回生通过在不同有利于成核的温度条件与有利于分子活动性和晶体生长的温度条件之间切换，为解决上述问题提供了一种可能的方法。与传统等温回生相比，温度循环可通过让淀粉依次处于低温和高温环境中，促进链的反复重新结合及结构重组。这一过程可能增加有序区域的形成，提升抗酶性，但其效果很大程度上取决于淀粉系统的特性（Jiang等人，2024年）。最佳处理条件会因淀粉来源、分子结构、直链淀粉含量、支链淀粉链长分布以及预处理历史（包括糊化程度和酶法脱支处理）而有所不同。因此，为某种淀粉系统设计的温度循环方案可能无法直接应用于另一种淀粉系统。我们之前的研究提出了一种基于挤压辅助的酶法脱支策略用于生产RS3。在该过程中，第一步挤压可促进淀粉糊化，而在第二步挤压时加入普鲁兰酶，选择性地水解支链淀粉的α-1,6糖苷键，从而生成短线性链（Liu、Shi、Jin和Jiao，2022年）。该方法提高了脱支效率，缩短了反应时间，提升了工艺的连续性。同时，它也增加了可用于后续重新结合和重结晶的线性链的比例。进一步的研究表明，挤压脱支淀粉的回生行为与温度相关。在45°C时，更高的链活动性有助于更大的晶体生长及产品回收率，而在4°C时，更大的过冷度则有利于核的形成（Liu等人，2024年）。这些观察结果表明，4°C到45°C之间的温度范围或许能够同时具备低温成核和高温分子重组的优势，从而有助于RS3的形成。

基于上述发现，本研究探讨了在4°C至45°C之间进行温度循环回生处理对挤压脱支淀粉的影响。系统评估了循环间隔（即在各温度下保持的时间）以及循环次数对淀粉样品的物理化学性质及体外消化率的影响。通过多种分析技术，研究了淀粉的结晶形态、相对结晶度、短程分子有序性、层状结构、热行为、热降解稳定性以及体外消化率等特性。本研究旨在阐明温度循环参数如何影响挤压脱支淀粉的多尺度结构及抗酶性，同时找出能在保证RS生成的同时缩短加工时间的最佳处理条件。这些研究结果可为未来开发具有可控消化性的清洁标签RS3成分提供理论依据，不过仍需在试验规模及实际食品加工条件下进行进一步验证。

章节节选

材料与化学试剂

玉米淀粉（含28%直链淀粉）购自中国山东的山东诸城兴茂玉米发展有限公司。普鲁兰酶（P889304，1000 U/g）购自中国上海的Macklin生化科技有限公司。用于测定总淀粉含量（K-TASTA）和直链淀粉含量（K-AMYL）的检测试剂盒购自爱尔兰布雷的Megazyme International Ireland Ltd公司。胃蛋白酶（来源于猪胃黏膜，活性≥250 U/mg）、淀粉葡萄糖苷酶（来源于黑曲霉，活性≥260 U/mL）等试剂亦为研究所需。

ATR-FTIR分析

图1-a展示了采用不同循环间隔和循环次数处理后的温度循环回生挤压脱支淀粉（EDS）的ATR-FTIR光谱。所有样本均在约3278和2921 cm^-1处出现特征吸收峰，分别对应于羟基（O-H）和亚甲基（C-H）基团的伸缩振动。3000–4000 cm^-1区域的宽峰与O-H伸缩振动有关，且对该区域的氢键作用十分敏感。

结论

本研究系统地分析了在4/45°C温度循环回生过程中，循环间隔和循环次数对挤压脱支淀粉（EDS）的多尺度结构、热行为以及体外消化率的影响。温度循环回生通过双螺旋结构、超分子堆积以及降低淀粉的可及性等多种机制，改变了EDS的结构有序性，进而提升了其抗酶性，而非通过其他途径实现。

CRediT作者贡献说明

金正宇：实验验证、研究指导、资源提供。刘清月：初稿撰写、实验研究。周彤彤：文章润色与编辑。杨悦悦：文章润色与编辑、初稿撰写、数据可视化、软件应用、方法设计、实验研究、正式分析、数据整理、概念构建。焦爱权：文章润色与编辑、研究指导、资源提供。

未引用参考文献

Huang等人，2026年；Lee和Lai，2025年；Liu等人，2024年、2022年、2025年；Wang等人，2010年。

利益冲突声明

所有作者均无利益冲突需要声明。

致谢

本研究得到了中国《国家“十四五”科学和技术发展规划》（编号：2022YFF1100505）、江苏省农业科技创新基金（编号：CX (17) 2022）以及江苏省自然科学基金（编号：BK20241006）的支持。

杨悦悦|刘清月|周彤彤|金正宇|焦爱权

中国江苏无锡市江南大学食品科学与技术学院，邮编214122