小麦麸皮阿拉伯木聚糖缓解冷冻引起的淀粉损伤：多尺度结构、糊化特性与消化性

《Food Hydrocolloids》：Wheat bran arabinoxylan alleviates freezing-induced starch damage: multiscale structure, pasting properties, and digestibility

　　

摘要
本研究通过考察小麦麸皮阿拉伯木聚糖（WBAX）分子量和添加水平对冷冻淀粉多尺度结构、糊化特性和体外消化性的影响，调查了 WBAX 对冷冻淀粉的保护机制。颗粒形态分析结果表明，WBAX 有效保持了颗粒表面完整性并抑制了颗粒团聚。多尺度有序结构分析证实，WBAX 影响了冷冻淀粉的短程有序结构、纳米尺度层状结构和长程有序结构。具体而言，WBAX 诱导冷冻淀粉发生了以下变化：相对结晶度从 22.64% 降低至最低 15.15%；dBragg 从 12.57 nm 降低至最低 12.16 nm；1047 cm?1/1022 cm?1比值从 0.91 降低至最低 0.86。这些结构变化影响了冷冻淀粉的特性。WBAX 通过促进冷冻淀粉的水化和糊化，增强热稳定性和剪切稳定性，并抑制短期回生，从而改善了糊化特性。此外，WBAX 通过保持颗粒完整性，阻碍酶 - 底物接触，并增加体系粘度，从而调节冷冻淀粉的消化性，促进快消化淀粉、慢消化淀粉和抗性淀粉的转化。总体而言，本研究从“多尺度结构 - 糊化特性 - 消化性”的角度阐明了 WBAX 对冷冻淀粉的保护机制，为基于 WBAX 的冷冻产品的精确开发提供了理论依据。

引言
面团是由淀粉、蛋白质、水、酵母和其他成分组成的混合物。在这些成分中，淀粉是最丰富的成分，其多尺度结构（包括颗粒形态、长程有序结构、纳米尺度层状结构和短程有序结构）以及物理化学特性（糊化特性、热力学特性和消化性）显著影响面团和产品的质量（Zhang 等，2024）。然而，原淀粉存在固有的缺点，如易回生、热稳定性差和高血糖反应（Zhao 等，2025）。这些问题不仅导致淀粉基食品的质量恶化和保质期缩短，还增加了肥胖和糖尿病等慢性疾病的風險，从而限制了原淀粉在面团产品中的工业应用。

冷冻面团技术通过在处理过程中加入冷冻，有效减缓了淀粉的老化过程，从而延长了产品的保质期。然而，冷冻过程中形成的冰晶对淀粉结构造成物理损伤，导致其物理化学特性发生不利变化。这些变化主要体现在以下方面：（1）颗粒形态：冷冻后，淀粉颗粒表面出现孔洞、裂缝或凹陷，表明颗粒的结构完整性已受损（Xu 等，2022）。（2）长程有序结构：冷冻减少了淀粉的无定形态，增加了其相对结晶度（Tao, Zhang 等，2016）。（3）纳米尺度层状结构：冷冻增加了淀粉半结晶层和结晶层的厚度（Chi 等，2023）。（4）短程有序结构：冷冻后，代表淀粉短程有序程度和双螺旋结构比例的 1047 cm?1/1022 cm?1和 995 cm?1/1022 cm?1比值增加。这表明冷冻促进了淀粉链的迁移和重排，从而增强了淀粉的短程有序性（Liu 等，2023）。

冷冻诱导的淀粉多尺度结构演变进一步导致其物理化学特性的恶化，主要体现在以下方面：（1）糊化特性：峰值粘度、低谷粘度和最终粘度的降低表明冷冻抑制了淀粉的糊化过程（Yang 等，2019）。崩解值的增加表明冷冻处理的淀粉在热力和剪切力作用下更容易受到破坏，而回生值的增加表明冷冻促进了淀粉回生（Tao, Wang 等，2016）。（2）热力学特性：冷冻提高了淀粉的起始温度、峰值温度、结束温度和糊化焓，表明冷冻阻碍了淀粉的糊化过程（Xie 等，2026）。（3）消化性：冷冻促进慢消化淀粉和抗性淀粉转化为快消化淀粉，从而提高淀粉消化性（Wang 等，2023）。显然，虽然冷冻面团技术具有保鲜优势，但冷冻过程对淀粉结构和特性的负面影响不容忽视。因此，如何在利用冷冻面团技术延长淀粉保质期的同时，减轻冷冻诱导的多尺度结构损伤和物理化学特性恶化，是推动冷冻面团工业应用必须解决的关键科学问题。

非淀粉碳水化合物，包括非淀粉多糖和低聚糖，可以减轻冷冻对淀粉的不利影响（Yang 等，2020）。例如，Wang 等（2023）发现魔芋葡甘聚糖保护淀粉免受冷冻过程中的机械损伤，使其微观结构与新鲜淀粉相似。Guo 等（2026）报告称，添加魔芋葡甘聚糖降低了冷冻淀粉中快消化淀粉的含量，同时增加了慢消化淀粉和抗性淀粉的含量，从而有效抑制了冷冻引起的淀粉消化性增加。类似地，Zhang, Zhuang 等（2025）的一项研究表明，非淀粉低聚糖水苏糖也降低了冷冻淀粉中快消化淀粉的含量，同时增加了抗性淀粉的含量，展示了非淀粉碳水化合物对冷冻淀粉消化性的积极调节作用。此外，非淀粉碳水化合物有利于抑制冷冻淀粉的回生，这表现在黄精多糖诱导冷冻淀粉相对结晶度降低（Liu 等，2025）。Zhu 等（2026）进一步研究了森仙胶对冷冻淀粉短程有序结构和糊化特性的影响。结果表明，森仙胶降低了冷冻淀粉的 1047 cm?1/1022 cm?1比值，表明它有效抑制了冷冻引起的淀粉短程有序结构增加；同时，峰值粘度、低谷粘度和最终粘度的增加，以及崩解值和回生值的降低，表明森仙胶不仅促进了淀粉糊化，还增强了其抗回生性、热稳定性和剪切阻力。综上所述，非淀粉碳水化合物通过保护冷冻淀粉微观结构、调节多尺度有序结构演变和优化物理化学特性等多种机制，显示出改善冷冻淀粉低温稳定性的应用潜力。

小麦麸皮阿拉伯木聚糖（WBAX）是一种源自小麦麸皮的非淀粉多糖（Li, Li 等，2026），具有高营养价值，并已被证明可改善淀粉的结构特性和物理化学特性（Wang 等，2026）。例如，XRD 和回生特性分析表明，WBAX 通过干扰支链淀粉的重结晶，显著延缓淀粉的短期和长期回生（Hou 等，2020）。糊化特性结果显示，添加 WBAX 显著增加了淀粉的峰值粘度和最终粘度，同时降低了崩解值，表明它促进了糊化过程并增强了体系的热稳定性和剪切阻力（Yan 等，2022）。消化性结果进一步表明，WBAX 降低了淀粉的水解率，在抑制淀粉消化性方面表现出积极作用（Zhao 等，2025）。此外，WBAX 对淀粉结构和特性的影响受其分子量调节。Xie 等（2022）发现，随着 WBAX 分子量的增加，淀粉在 16.9°处的 XRD 衍射峰强度减弱，表明高分子量 WBAX 在抑制支链淀粉重结晶方面更有效。Wang 等（2022）报告称，虽然低分子量 WBAX 和高分子量 WBAX 都降低了淀粉的回生值，但前者的效果更为显著。Ying 等（2023）表明，WBAX 分子量越高，淀粉的水解率越低。然而，上述 WBAX 对淀粉结构和特性的调节作用均建立在常规面团系统中；它在冷冻面团系统中是否产生类似的积极作用仍有待进一步验证。

Yang 等（2024）的一项研究表明，淀粉对冷冻面团质量的影响比面筋蛋白更显著。尽管我们团队之前阐明了 WBAX 改善面筋蛋白低温稳定性的机制（Li, Zhang 等，2026），但关于淀粉在冷冻面团劣化过程中的核心作用以及 WBAX 对冷冻淀粉低温稳定性的影响的研究仍未被探索。假设 WBAX 可以影响冷冻淀粉从短程有序结构到纳米尺度层状结构，再到长程有序结构的多个层级有序组装，且这种效应依赖于分子量和添加水平，从而导致糊化特性和消化性的改善。

因此，在本研究中，将不同分子量（479.29、331.33 和 285.84 kDa）的 WBAX（通过木聚糖酶进行结构导向修饰制备）以不同添加水平（0.5%、1.0% 和 1.5%）掺入小麦粉中制备冷冻面团，随后从中分离出淀粉作为研究对象。旨在系统调查 WBAX 分子量和添加水平对冷冻淀粉低温稳定性的协同效应。具体研究内容如下：（1）采用扫描电子显微镜（SEM）观察、受损淀粉含量测定和粒径分析，揭示 WBAX 对冷冻诱导的淀粉颗粒形态物理损伤的缓解作用。（2）利用 X 射线衍射（XRD）、小角 X 射线散射（SAXS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱，阐明 WBAX 对冷冻淀粉多尺度有序结构的保护作用。（3）使用快速粘度分析仪（RVA）和差示扫描量热法（DSC），解读 WBAX 对冷冻淀粉糊化特性和热力学特性的改善模式。（4）进行体外消化性测试，明确 WBAX 对冷冻淀粉消化性的调节作用。综上所述，本研究旨在为作为新型冷冻保护剂的 WBAX 分子结构设计，以及提高淀粉基冷冻食品质量和延长保质期提供理论依据。

章节片段

材料
小麦麸皮购自山东鲁花（延津）面粉有限公司（中国新乡）。小麦粉购自中粮集团有限公司（中国北京），其近似成分如下：淀粉含量 65.61%，蛋白质含量 9.75%，水分含量 12.52%，脂肪含量 1.87%，灰分含量 0.39%。半干酵母购自安琪酵母股份有限公司（中国宜昌）。耐热 α-淀粉酶（A8750，40,000 U/g）和猪胰 α-淀粉酶（A8755，40-60 U/mg）均获得。

微观形态
小麦淀粉颗粒根据形态主要分为两种类型：大型盘状 A 型颗粒和小型球状 B 型颗粒。冷冻处理对淀粉微观形态的影响如图 1 所示。从冷冻面团中分离的淀粉颗粒表面表现出大量裂缝和凹陷，颗粒边缘不规则且团聚明显。这些结果表明冷冻诱导了对淀粉的损伤。

结论
在本研究中，不同分子量和添加水平的 WBAX 被用作外源添加剂，系统调查其对冷冻胁迫下小麦淀粉多尺度结构、糊化特性和消化性的影响。主要结论和相关机制总结如下（图 9）：
（1）WBAX 对冷冻淀粉微观形态的保护作用。
扫描电子显微镜（SEM）观察和受损淀粉含量定量分析证实了 WBAX。

利益冲突声明
作者声明无利益冲突。

CRediT 作者贡献声明
张佳慧：写作 - 回顾与编辑。
李丽：写作 - 回顾与编辑。
牛志鹏：写作 - 回顾与编辑。
马森：写作 - 回顾与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。
李梦媛：写作 - 原稿、软件、概念化。

李信浩：写作 – 审查与编辑
未引用的参考文献
Englyst 等，1999；Li 等，2026；Li 等，2026；Tao 等，2016；Tao 等，2016；Zhang 等，2025。
伦理指南
本研究不需要伦理批准。
利益冲突声明
? 作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或可能影响本文报道工作的个人关系。
致谢
本工作得到了河南省自然科学基金（编号：252300421032, 262300422716）、国家自然科学基金（编号：32272249）、中原人才领军计划（编号：264200510027）以及河南科技大学河南省食品工程技术研究中心/重点实验室（编号：GO202603）的支持。
李梦媛 | 李信浩 | 牛志鹏 | 张佳慧 | 李丽 | 马森
中国郑州河南科技大学食品科学与工程学院