研发一种可3D打印的栗子粉：通过热湿处理实现淀粉与脂质的复合，从而提升其可打印性和代谢功能

《Food Bioscience》：Engineering a 3D-printable chestnut flour: Starch-lipid complexation via heat-moisture treatment enhances printability and metabolic functions

　　

摘要

虽然全谷物面粉因其营养价值而受到关注，但其功能性应用往往受到技术性能不佳的限制。本研究以富含难以消化碳水化合物和多酚的全栗仁面粉（WCF）为模型系统，开发了一种协同改性策略，结合热湿处理（HMT）和脂质添加（玉米油）来克服这些限制。处理后的材料（HMT-WCF-L）形成了V型淀粉-脂质复合物，结晶度恢复到7.9%，自由酚含量提高到2.241毫克当量/克，显著增强了抗糖基化活性——尤其是对甲基乙二醛衍生的AGEs（抑制54.7%）。这种改性面粉具有优异的3D打印性能，烘焙过程中形状保持能力更强，热变形减少，这得益于其良好的剪切稀化和结构恢复特性。从营养角度来看，HMT-WCF-L的血糖反应较低（C_max = 57.9），抗性淀粉（RS）含量较高（19.3%）。在喂食高脂饮食的小鼠中进行的体内实验显示，该面粉显著抑制了体重增加和空腹高血糖，并通过丰富有益菌群（如乳酸菌、粪杆菌）和上调与短链脂肪酸代谢相关的微生物途径，积极调节了肠道微生物组。这项工作提供了一种材料设计策略，同时提高了全食物面粉的加工性能、代谢功能和肠道微生物组的相容性，为开发结构化、低血糖指数的功能性食品提供了潜在方法。

引言

向“全食物营养”转变使得从完整谷物或种子磨制的全面粉成为功能性食品创新的战略性成分（Haskey等人，2025年）。全面粉定义为来自最少加工的谷物或种子的粉末，体现了营养完整性的概念，使其成为旨在实现精准营养和代谢健康设计的食品核心组成部分。与精制面粉不同，全面粉保留了天然膳食纤维、微量营养素、多酚化合物和抗性淀粉（RS），完美满足了消费者对清洁标签和营养密集型食品的核心需求，同时具有调节肠道微生物群和延缓血糖升高的潜在健康益处（Bunge等人，2024年）。然而，全面粉固有的技术缺陷严重限制了其在现代食品系统中的大规模应用：水化能力差、淀粉消化速度快、颗粒质地粗糙，在3D打印和烘焙等加工过程中容易出现结构崩溃、形状不稳定和层间粘合不足等问题（Lin等人，2020年）。因此，开发温和的物理改性技术以同时改善全面粉的加工适应性（如3D打印的可挤出性、烘焙时的形状保持性）和增强其健康促进特性（如增强抗糖基化活性、增加抗性淀粉含量）已成为食品科学的前沿研究热点，也是行业的迫切需求（Xu等人，2025年，Xu等人，2025年，Xu等人，2025年）。

在各种物理改性方法中，热湿处理（HMT）因其在有效性、可扩展性、温和性、成本效益以及保持食品天然完整性方面的平衡而脱颖而出（X. Yang等人，2019年）。与极端热处理或机械处理方法不同，后者会降解热敏感的生物活性化合物，降低功能性，并对营养成分造成不可逆的损害，HMT在有限的水分水平和适中温度下进行操作，诱导可控的结构重组而不导致完全糊化（Chaturvedi等人，2025年）。这使其特别适合用于改性全面粉，因为在全面粉中保留天然植物化学物质和膳食纤维至关重要。更重要的是，HMT可以在含脂系统中实施，促进淀粉-脂质复合物的形成（Qiyong Guo等人，2024年，Guo等人，2024年）。这些复合物不仅有助于减缓淀粉消化速度和提高抗性淀粉含量，还能改善面粉基质的水化和粘弹性。因此，HMT提供了一条独特途径，可以同时调整全面粉的营养组成和技术性能，符合健康促进和加工适应性的双重目标。

为了将功能增强的面粉转化为吸引人的食品形态，需要先进的结构化技术。3D打印作为一种革命性的增材制造技术，已成为基于淀粉的材料的理想工具，能够精确制造出具有可控几何形状、分层结构和定制营养分布的产品（Liu等人，2017年，Liu等人，2017年）。与传统加工方法不同，3D打印利用糊化浆料的剪切稀化和粘弹性特性实现逐层沉积，解决了改性全面粉加工性能不佳的问题，同时满足了消费者对个性化食品的需求。最近的研究表明，它能够利用改性淀粉（如难以消化的水稻面粉和富含抗性淀粉的玉米面粉）制造功能性食品，改善了形状保持性和感官质量（Zeng等人，2021年）。然而，大多数现有研究仅关注打印性能的优化，忽视了营养功能性和结构设计的整合——尤其是对于成分复杂的全面粉基质。

尽管已有这些进展，但将HMT驱动的材料重新设计、3D打印加工性能和生理功能相结合的综合方法在全面粉系统中仍大多未被探索（Zheng等人，2023年）。特别是对于像全栗仁面粉（WCF）这样具有独特营养特性的全面粉——富含多酚、抗性淀粉（RS）、膳食纤维和必需矿物质（如钾、镁），同时具有低脂和无麸质的特性——系统研究HMT-脂质改性如何调节其3D打印性能并协同增强代谢健康益处（如血糖控制、抗糖基化活性、肠道微生物组调节）仍然不足（F. Yang等人，2015年）。WCF独特的营养组成使其成为功能性食品开发的理想候选者，但其固有的局限性（水化能力差、消化速度快、质地粗糙）阻碍了其在3D打印和大规模应用中的直接使用（Qiu等人，2023年）。这样的研究不仅有助于提高未充分利用的农业资源的利用率，还能提供理解加工引起的结构变化如何影响全食物基质功能结果的机制框架。

因此，本研究提出了一种综合加工策略，将脂质辅助的HMT与3D食品打印技术（3DP）相结合，将WCF转化为结构精确且功能增强的零食。研究的系统目标包括：在定义条件下（6%玉米油、30%水分、105°C）研究HMT如何调节WCF基材料的微观结构、糊化行为和打印性能；评估3D打印结构的体外淀粉消化动力学、抗氧化活性和抗糖基化潜力；并通过高脂饮食诱导的小鼠模型评估其体内抗肥胖效果和肠道微生物组调节能力。通过建立加工参数、多尺度结构演变和生物活性结果之间的连贯联系，本研究为设计具有改进特性的功能性食品提供了实用框架，这些食品利用了全食物成分的固有优势，通过合理整合物理和数字制造方法。

章节片段

材料

WCF从中国陕西的Guanchen Biotechnology Co., Ltd.购买，其组成包括78%的碳水化合物（含12%膳食纤维）、6.5%的蛋白质、3.9%的脂质和11.6%的水分。玉米油从当地超市购买（含有58%亚油酸、26%油酸、11%棕榈酸和2%硬脂酸）。牛血清白蛋白（BSA）、葡萄糖（GLC）、乙二醛（GO）和甲基乙二醛（MGO）来自中国的Macklin Biochemical Co., Ltd.（上海）。猪胰酶来自...

WCF粉末的微观特性

在明场显微镜下（图1a），R-WCF显示出不规则的角状颗粒（与纯栗仁淀粉的典型椭圆形不同），这归因于蛋白质和膳食纤维附着在淀粉颗粒上（Qiyong Guo, Guo等人，2024年，Guo等人，2024年）。HMT-WCF（图1e）没有明显的形态变化，表明HMT（105°C，2小时）主要改变了淀粉的内部结构而非外部结构。相比之下，添加了玉米油的HMT-WCF-L（图1i）显示出部分颗粒...

结论

本研究表明，通过添加脂质的热湿处理能有效改性全栗仁面粉，形成V型淀粉-脂质复合物。这种结构重组同时增强了其打印性能和烘焙稳定性，改善了缓慢消化特性和抗糖基化活性。体内实验表明，改性面粉减轻了喂食高脂饮食小鼠的肥胖和高血糖，这与肠道微生物组组成的改变以及产生短链脂肪酸的菌群富集有关

CRediT作者贡献声明

Xiankang Xu: 数据管理、资金获取、研究、验证、可视化、初稿撰写。Xixi Zeng: 研究。Qiyong Guo: 研究、撰写——审核与编辑。Ling Chen: 架思、资金获取、方法论、项目管理、撰写——审核与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2022YFF1100101）和国家自然科学基金（32372276）的财政支持。

Xiankang Xu|Xixi Zeng|Qiyong Guo|Ling Chen

食品科学与工程学院，广东省天然产物绿色加工及产品安全重点实验室，教育部淀粉和植物蛋白加工工程研究中心，中国南方科技大学，广州，510640