高内相乳液中超二阶（Type II）和超三阶（Type III）抗豌豆淀粉的比较研究：多尺度结构、乳液稳定性及益生菌递送

《Food Hydrocolloids》：Comparative Study of Type II and Type III Pea Resistant Starch in High Internal Phase Emulsions: Multiscale Structure, Emulsion Stability and Probiotic Delivery

　　

摘要

在这项研究中，将II型（PRS2）和III型（PRS3）抗性淀粉引入到乳清蛋白分离物（WPI）-果胶复合高内相乳液（HIPEs）中，这些抗性淀粉具有不同的加工诱导的多尺度结构，以调节界面和网络组织，从而保护益生菌。系统比较了它们的多尺度结构、与WPI-果胶的相互作用以及对乳液稳定性和益生菌存活率的影响。X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、尺寸排阻色谱、小角X射线散射和扫描电子显微镜显示，PRS2保留了部分颗粒形态和C型结晶性，而PRS3形成了具有B型结晶性的紧密聚集物。简化的分子动力学模型以及比较性的变性剂和选择性溶剂测定表明，非共价结合模式存在配方依赖性差异。实验观察显示，PRS2主要为颗粒状结构，而含有PRS3的复合体则具有更为连续的基质形态。这些观察结果表明，配方行为取决于PRS2和PRS3的加工诱导结构特性，包括结晶组织、分子量分布、水合作用、纳米级聚集和形态的差异。HIPEs也表现出不同的响应：某些PRS3配方表现出较低的非短期不稳定性、更受限的水分运动性以及在受热和冻融条件下的更强抵抗力，而PRS2则表现出更明显的浓度依赖性。使用Lactiplantibacillus plantarum作为模型益生菌，序列模拟胃部和肠道暴露实验表明，某些基于PRS3的HIPEs在胃部暴露期间保持了较高的可回收活力，而结构分析显示在转移到肠道介质后基质变得较为松散。0.5PRS3配方在2小时的模拟胃部暴露后仍保持8.80 log CFU/g的活力，并在4小时的模拟肠道暴露后达到9.25 log CFU/g的可回收活力。总体而言，抗性淀粉的加工诱导多尺度特性有助于解释其在WPI-果胶基质中的组织方式，以及HIPE稳定性和益生菌存活率在模拟胃肠道条件下的配方特异性差异。

引言

随着经济发展和生活方式的改变，公共卫生关注的重点已从基本营养充足转向生理功能调节和慢性疾病预防（Sarita et al., 2025）。肠道微生物群作为一个关键的微生态系统，在能量代谢、免疫调节和疾病发生中起着重要作用（Mukhopadhya & Louis, 2025; Sanders et al., 2019）。通过饮食干预来调节肠道微生物群组成被认为是改善宿主健康的重要策略（Bu et al., 2025）。益生菌在抑制病原细菌、增强肠道屏障功能和调节免疫反应方面具有显著作用。Lactiplantibacillus plantarum是一种常用的益生菌菌株，不仅在结肠中，而且在小肠中也表现出促进健康的作用。在小肠组织中，其细胞壁成分与肠道上皮细胞和肠道相关淋巴组织相互作用，从而调节全身免疫。同时，其代谢活动产生有机酸和短链脂肪酸，进一步有助于健康调节（Wang, Tang, Zhang, & Zhang, 2022; Wang et al., 2023）。然而，在食品加工、储存和胃肠道传输过程中，益生菌容易因热、酸、氧气和消化酶的作用而失活，限制了其健康益处（Kathiriya et al., 2023; Tripathi & Giri, 2014）。因此，提高益生菌在加工和胃肠道传输过程中的存活率仍然是功能性食品研究的重要目标。

使用聚合物载体进行微胶囊化可以改善胃肠道耐受性（Bu et al., 2025; Wang et al., 2024a）。蛋白质-多糖复合基质可以通过分子间相互作用形成互连网络，从而减少益生菌接触不利条件的机会。基于乳液的输送系统在油水界面创建物理屏障，减少益生菌接触恶劣环境因素（Agriopoulou et al., 2023; Xie et al., 2025）。然而，胶囊化性能仍依赖于具体配方，且存在耐酸性、释放行为、加工耐受性或储存稳定性方面的局限性（Agriopoulou et al., 2023; Bu et al., 2025; Rehman et al., 2024）。因此，设计结合结构稳定性和胃肠道响应性的食品级系统还需要进一步研究。

高内相乳液（HIPEs）的特点是内相体积分数超过74%，形成紧密堆积的乳液滴，形成具有粘弹性的三维凝胶状网络和优异的物理稳定性（Abdullah et al., 2020; Rehman et al., 2024）。通过界面膜和连续相网络的协同作用，HIPEs可以有效保护生物活性成分，减少它们接触酸、消化酶和氧气的作用（Zhang et al., 2023b）。在食品系统中，HIPEs通常利用天然蛋白质、多糖和复合颗粒作为稳定剂，实现油溶性和水溶性生物活性成分的封装和可控释放（Li et al., 2025; Zhang et al., 2024a; Zhang et al., 2025a）。

作为一种结构多糖，抗性淀粉（RS）具有高结晶性、紧密的分子堆积和对酶消化的抵抗力，使其适合作为乳液系统中的乳化剂或Pickering稳定剂（Maphosa et al., 2025; Zhu et al., 2024）。不同类型的抗性淀粉具有不同的结构特征。II型抗性淀粉保持其天然的颗粒形态和结晶结构，而III型抗性淀粉通过糊化和逆向降解形成紧密有序的再结晶结构（Niu et al., 2025）。这些结构特征会影响乳液系统中的界面吸附、网络形成和胃肠道反应。据报道，由食品生物聚合物稳定的HIPEs可以提高益生菌在模拟胃肠道消化过程中的存活率（Gao et al., 2022; Sun et al., 2024）。抗性淀粉颗粒还被证明可以增强乳液稳定性并调节封装小分子的释放（Noor et al., 2022）。在这项研究中，使用来自Pisum sativum L.种子的II型（PRS2）和III型（PRS3）抗性淀粉作为模型三元HIPE的结构组分，与乳清蛋白分离物（WPI）和果胶结合，用于保护益生菌。乳清蛋白提供界面膜稳定性，果胶增强连续相网络，抗性淀粉调节网络结构同时提高消化耐受性。获取PRS2和PRS3所采用的加工方法导致了结晶组织、分子量分布、短程有序性、水合作用、纳米级聚集和形态的差异。本研究结合多尺度结构表征、物理化学测量、分子动力学模拟和模拟胃肠道暴露，评估了这些特性与WPI-果胶组装、HIPE稳定性和益生菌存活率之间的关系。这些发现有望为选择抗性淀粉的制备和添加水平提供指导，以在模拟WPI-果胶HIPEs中平衡物理稳定性和益生菌保护。

章节摘录

材料

乳清蛋白分离物（WPI，纯度90%）、果胶（来自苹果，酯化度：30%）和模拟胃肠道液体（模拟胃液和模拟肠液，不含酶）均购自上海源野生物科技股份有限公司（中国上海）。田间豌豆淀粉（直链淀粉含量：43.5%，水分含量：11.2%）同样来自上海源野生物科技股份有限公司（中国上海）。猪胰α-淀粉酶（10080，活性≥50 U/mg）和Aspergillus niger

抗性淀粉的多尺度结构、形态和物理化学性质

使用XRD、FTIR、SEC、SAXS、SEM以及膨胀力和溶解度测定系统地表征了豌豆天然淀粉（PS）、II型抗性淀粉（PRS2）和III型抗性淀粉（PRS3）的结构和水合性质。如图1a所示，PS在2θ为15.09°、16.97°和23.18°处显示出强衍射峰，显示出典型的C型结晶结构（Sun et al., 2020）。经过酶水解后，PRS2的衍射图案基本保持不变

结论

本研究系统地比较了II型（PRS2）和III型（PRS3）抗性淀粉的多尺度结构特性，并评估了其对WPI-果胶组装、HIPE稳定性和益生菌存活率的影响。PRS2保持了C型结晶性和部分颗粒形态，但在酶水解后显示出较低的分子量、较低的结晶性和破坏的短程有序性，并主要通过颗粒组织发挥作用

CRediT作者贡献声明

Zhishuang Ma： 数据管理。Zhen Ma： 写作——审稿与编辑、方法学研究、资金获取、概念化。Hongqin Wang： 写作——初稿撰写、可视化、实验研究、数据管理。Xinzhong Hu： 写作——审稿与编辑、资金获取

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（32472286）、西安市科技项目（23NYGG0067）、中央高校基本科研业务费（GK202602025）以及国家燕麦和荞麦产业技术体系（CARS-07-E1）的资助。