了解黑高地产大麦中淀粉基质的重塑及其消化率：多酚-麦谷蛋白结合途径的不同作用

《Food Hydrocolloids》：Understanding starch matrix remodeling and digestibility in black highland barley: Differential roles of polyphenol–glutelin assembly pathways

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摘要

全谷物中的淀粉消化率不仅受淀粉本身结构的影响，还受到内在非淀粉成分之间相互作用的影响。为了研究内源性多酚-麦谷蛋白组装如何调节淀粉基质结构及体外消化率，研究人员构建了基于黑高地大麦淀粉的系统。将非氧化（NPG）和氧化（CPG）多酚-麦谷蛋白组装分别以NPG–S和CPG–S的形式引入淀粉中。通过非还原性和还原性条件下的SDS-PAGE分析，结合尺寸排阻HPLC和侧链反应性测定，发现NPG形成的是一种不稳定的组装体，而CPG则表现出更高的氨基和硫醇相关侧链参与度，并部分保留了抗还原的高分子量物质。糊化试验和流变测量以及扫描电子显微镜观察显示，CPG–S形成的基质比NPG–S更紧密、更具弹性，其膨胀程度更低，可溶性链的释放也较少。红外光谱、碘结合实验和链长分析表明，在高比例下，NPG–S中螺旋结构破坏更严重，直链淀粉分支更加丰富；而CPG–S则较好地保持了短程有序性和较长分支的比例。基于对数斜率（LOS）的分析发现，不同系统之间的消化曲线行为存在差异，部分配方呈现双相消化曲线，而其他配方则保持单相。NPG–S中含有更多缓慢消化的淀粉（SDS组分），增加CPG–S的比例会逐渐减少SDS组分和预测的最大水解程度，同时增加抗性淀粉（RS）的含量并降低第二阶段的水解速率。这些结果表明，多酚和麦谷蛋白单独影响淀粉的消化，而它们的组装方式通过建立控制淀粉重排和酶可及性的基质环境来改变淀粉的结构演变和水解过程。

引言

淀粉是主要的膳食碳水化合物，其消化行为与餐后血糖反应密切相关（Singh等人，2010年）。谷物类食品中的淀粉消化率不仅受其内在结构特征（如直链淀粉/支链淀粉比例、超分子结构以及糊化后链的重排）的影响，还受到加工和消化过程中周围基质成分所施加的结构限制（Cheng等人，2025年；Korompokis等人，2021年；Schepper等人，2020年；Meng等人，2025年）。在全谷物系统中，蛋白质、多酚和其他内源性成分共同组装成一个复杂的基质，这个基质调节水分分布、凝胶网络结构、酶的可及性和水解动力学（Hemalatha等人，2016年；Li、Pernell和Ferruzzi，2018年；López-Barón等人，2017年；Ye等人，2018年）。这些由基质介导的效果并非各个成分的简单叠加，而是与它们之间的特定分子相互作用有关，这表明基质内部的相互作用模式可能比成分组成本身对淀粉的结构演变和消化率更为重要（Chen等人，2018年；Li等人，2023年；Meng等人，2024年，2025年）。

黑高地大麦（Hordeum vulgare L. var. nudum）作为一种典型的全谷物系统，在加工和消化过程中多种内源性成分共存并相互作用，为研究此类基质介导的效果提供了理想的模型（Hu等人，2025年；Moza和Gujral，2016年；Zeng等人，2018年）。我们之前的研究表明，漆酶诱导的酚类氧化促进了这种基质中的蛋白质交联，生成了更紧密的网络结构，从而降低了黑高地大麦产品的淀粉消化率（Fan等人，2022年）。这表明，通过改变多酚-蛋白质的相互作用途径可以调节淀粉的消化。然而，以往的研究主要集中在二元淀粉-多酚或淀粉-蛋白质系统上，或者在多组分系统中这些相互作用途径并未被独立控制（Huang等人，2024年；Lu等人，2022年；Meng等人，2024年）。因此，目前仍难以确定淀粉结构和消化率的变化是由于多酚和蛋白质的单纯共存还是由于它们之间特定的关联方式。这种区分在大麦基三元系统中尤为重要，因为预形成的蛋白质-多酚组装可能在糊化之前就为淀粉基质引入了不同的结构背景（Li等人，2021年）。这些结构差异可能会进一步影响热加工和消化过程中的淀粉水合、链重排、基质形成以及酶的可及性，所有这些都与淀粉的结构演变和水解行为密切相关（Singh等人，2010年；Toutounji等人，2019年）。因此，明确不同蛋白质-多酚关联模式的结构后果对于理解大麦淀粉-蛋白质-多酚系统中基质级对淀粉重排和酶水解的调控机制至关重要。

已有大量研究表明，多酚和蛋白质通过不同的关联途径相互作用，这些途径在加工和消化过程中的稳定性各不相同（Li等人，2021年；Quan等人，2019年）。在非氧化条件下，相互作用通常由可逆的非共价关联主导，这类关联对环境因素敏感（Ozdal等人，2019年）。相比之下，氧化条件可能促进更持久的关联，可能涉及共价相互作用，这类关联对热处理或消化过程的破坏作用较小（Dai等人，2023年；Keppler等人，2020年）。尽管这些关联途径已在蛋白质-多酚系统中得到描述，但在大麦基三元系统中，非氧化和氧化多酚-麦谷蛋白组装途径是否对淀粉基质的重塑和消化率有不同调控作用仍不清楚。具体来说，目前尚不清楚这些组装方式是否会对大麦基质中的淀粉水合、膨胀、短程有序性、凝胶网络形成和酶水解产生不同的影响。

因此，本研究建立了可控的黑高地大麦淀粉系统，以评估多酚-麦谷蛋白关联模式如何调节淀粉基质结构及体外消化率。选择富含麦谷蛋白的组分是因为麦谷蛋白在大麦热加工过程中作为关键的基质相关蛋白，其较高的表面疏水性和持水能力使其能够介导淀粉-蛋白质基质中的蛋白质聚集和水分重新分布（Liang等人，2025年）。这些特性使得麦谷蛋白适合用于研究多酚-麦谷蛋白关联模式如何调节淀粉基质的发展、水合行为和酶的可及性。为了减少组成上的混淆，所有配方中的淀粉、麦谷蛋白和多酚的总量保持一致。使用二元P–S和G–S系统来分别研究多酚和麦谷蛋白的单独作用，而三元NPG–S和CPG–S系统虽然多酚与麦谷蛋白的比例相同，但预先建立的关联方式不同。因此，NPG–S和CPG–S之间的差异可以主要归因于关联方式的差异，而非成分剂量的不同。我们假设非氧化和氧化多酚-麦谷蛋白组装在淀粉糊化之前会产生不同的结构背景，这些背景会在热加工过程中进一步影响淀粉的结构重排、基质稳定性以及酶的可及性。

章节片段

材料和化学试剂

黑高地大麦粉（品种Longzi；淀粉含量50.43%，蛋白质含量9.54%，水分含量9.46%，脂肪含量2.33%）购自中国河南濮阳中粮面粉工业有限公司。胰酶（P7545）、淀粉葡萄糖苷酶（10,115）、α-淀粉酶（10,080）和胃蛋白酶（P7000）购自中国上海的Sigma-Aldrich Trading有限公司。碱性蛋白酶（B8361）购自中国北京的北京Solarbio科技有限公司。总淀粉测定试剂盒（K-TSTA-100A）和葡萄糖

多酚的组成

多酚的组成通过LC–MS进行分析，共鉴定出27种化合物（见表S1）。具体而言，检测到了香草酸、咖啡酸、丁香酸和阿魏酸等酚类物质，这与先前关于高地大麦的研究结果一致（Ge等人，2021年；Tang等人，2021年）。黄酮类化合物是主要成分，包括黄酮醇（如槲皮素、山柰酚及其苷类）、黄烷-3-醇（如儿茶素衍生物和表儿茶素）和原花青素。

结论

本研究表明，内源性多酚和麦谷蛋白的组装方式通过改变基质结构、淀粉结构演变和酶的可及性进一步调节了大麦淀粉的消化率。在热加工过程中，CPG–S中的氧化多酚-麦谷蛋白组装通过增强的分子间关联和协同非共价相互作用促进了更加紧密的基质形成，而NPG–S则表现出相对更灵活的基质

作者贡献声明

Jia-Xuan Fan：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，方法学设计，实验设计，数据管理，概念构思。Bruce R. Hamaker：撰写 – 审稿与编辑，指导，资源协调。Xiao-Na Guo：指导，方法学设计，实验设计，数据管理。Ke-Xue Zhu：撰写 – 审稿与编辑，指导，资源协调，项目管理，资金申请，概念构思。

资助

本工作得到了江苏省研究生研究与实践创新计划（KYCX22_2390）的资助，并得到了青兰计划和江南大学江苏省食品安全与质量控制协同创新中心的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

Jia-Xuan Fan|Bruce R. Hamaker|Xiao-Na Guo|Ke-Xue Zhu

江南大学食品科学与资源国家重点实验室，中国江苏省无锡市蠡湖路1800号，214122

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