湿热处理制备的不同V型淀粉-白藜芦醇复合物对体外消化率及肠道菌群发酵谱的调控

《Carbohydrate Polymers》：Modulation of in vitro digestibility and gut microbiota fermentation profiles of different V-type starch-resveratrol complexes fabricated via heat-moisture treatment

　　

摘要

V型淀粉（5型抗性淀粉，RS5）是促进代谢健康的有前景膳食成分，但在多酚调控下，其不同结晶亚型的构效关系仍不明确。本研究通过湿热处理（HMT），分别以乙醇、叔丁醇和水杨酸为客体分子制备了三种V型淀粉变体（V6、V7和V8）及其白藜芦醇（RA）复合物，并系统评估了其多尺度结构、体外消化性、分子相互作用以及粪便发酵特性。X射线衍射分析证实成功诱导了V6、V7和V8结晶形态。白藜芦醇的掺入呈剂量依赖性增加了相对结晶度和V型结晶含量。V8复合物展现出最高的白藜芦醇复合物率和抗性淀粉含量（28.03%），而V7复合物则优先形成慢消化淀粉。分子动力学模拟显示，水杨酸对直链淀粉的结合亲和力最强，且稳定的V8螺旋空腔通过氢键和范德华相互作用容纳了两个白藜芦醇分子。体外粪便发酵实验表明，V6和V8复合物显著促进了短链脂肪酸的产生并富集了有益菌Faecalibacterium和Bifidobacterium，而V7复合物则刺激了机会性病原体（Escherichia和< />）的生长。这些发现阐明了V型淀粉-多酚相互作用的分子基础，为设计基于淀粉的功能食品提供了合理框架。

引言

抗性淀粉（RS）作为一种功能性食品原料，由于其能够逃逸上消化道的酶水解并在结肠中经微生物发酵，从而带来可观的生理和营养益处，已引起广泛关注（Bakshani等人，2025年；Gerrick等人，2024年；Mars等人，2020年；Xie等人，2025年）。RS发挥多种健康促进作用，包括降低血糖反应、改善脂质代谢、增强肠屏障功能以及调节肠道菌群组成（Deehan等人，2020年；Li, Zhang等人，2024年）。其发酵代谢产物，特别是短链脂肪酸（SCFAs），作为关键的信号分子，介导宿主-微生物串扰并传递全身性代谢益处（Venkataraman等人，2016年；Zheng等人，2020年）。在五种已确立的RS亚型中，5型RS（V型直链淀粉包合物）在基于结构的营养设计中占据独特地位（Gutiérrez & Tovar，2021年；Zheng等人，2026年）。与回生淀粉或化学改性淀粉衍生物不同，V型淀粉采用左手单螺旋构象，其内部疏水空腔能够以非共价相互作用包封客体分子（Chung等人，2009年；Martin-Gallausiaux等人，2021年；Park等人，2024年）。这种结构可塑性使得脂质、醇类和多酚等多样化客体分子的受控引入成为可能，使V型淀粉成为靶向营养工程中高度通用的平台（Wang等人，2025年）。

直链淀粉根据客体分子的分子大小、几何形状和疏水性组装成三种不同的V型结晶亚型：V6、V7和V8（Le等人，2022年；Li等人，2025年；Zhou等人，2025年）。这些亚型在螺旋直径、每圈螺旋的葡萄糖残基数以及螺旋间堆积排列方式上存在根本差异（Gutiérrez & Tovar，2021年；Yang等人，2024年）。乙醇等小分子脂肪族客体通常诱导形成每圈含六个葡萄糖单元的V6螺旋，形成紧密堆积、高度有序的结晶结构，赋予其强烈的酶抗性。叔丁醇等中等大小的支链分子倾向于形成每圈含七个残基的V7螺旋，其空腔更大但分子堆积较松散。水杨酸等刚性芳香族客体需要V8螺旋的扩展空腔，后者每圈可容纳八个葡萄糖残基（Li等人，2025年）。尽管这种结构分类已得到广泛认可，但这些V型亚型的营养学后果仍然知之甚少。现有研究的绝大多数几乎完全集中在V6型淀粉-脂质包合物上，并普遍假设更高的结晶度和更高的抗性淀粉含量自动转化为更优越的益生元效应（Li, Zhang等人，2024年；Pletsch等人，2025年；Zheng等人，2026年）。因此，V7和V8亚型几乎未受到关注，且在标准化条件下对三种亚型的消化性和结肠发酵行为进行系统比较研究的缺乏尤为关键。这一研究空白尤其重要，因为V6、V7和V8之间的结构差异不仅仅是结晶学层面的——它们具有直接的营养学含义。螺旋空腔大小和堆积密度决定了酶的可达性、包合物在胃肠道中的稳定性，并最终决定了结肠发酵的速率和程度。

白藜芦醇是一种极具价值的生物活性客体分子，其具有已证实的抗氧化、抗炎和菌群调节活性（Tan & Kong，2020年）。它同时调节淀粉结构并增强营养功能。作为α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的天然抑制剂，多酚发挥双重作用：它们既作为客体配体参与V型包合物形成，在消化过程中释放后又能直接抑制酶活性，产生协同酶抗性（Fan等人，2022年；Le等人，2022年；Wang等人，2025年；Yang等人，2024年；Zhu等人，2025年）。尽管既往工作已证实白藜芦醇可与直链淀粉形成包合物并改变淀粉结晶结构，但其在不同V型螺旋空腔中的结合能力和构象稳定性仍不明确，且将白藜芦醇负载效率与后续淀粉消化性联系起来的分子机制尚未阐明（Deng等人，2026年）。

在物理改性技术中，湿热处理（HMT）因其环境友好且可扩展的特点而脱颖而出，是改善淀粉结构的有效方法（Chung等人，2009年）。在HMT条件下，有限水分结合热能促进淀粉链降解、天然双螺旋解旋以及部分结晶区破坏，显著增加链 mobility并促进分子重排（Zhu等人，2025年）。大量研究已证实，HMT有效促进直链淀粉-客体包合物的形成并增强其热稳定性和酶抗性（Li等人，2025年；Li, Sun等人，2024年；Li, Zhang等人，2024年；Liu等人，2025年）。尽管已有研究证明在HMT条件下乙醇可制备V6型淀粉，但在低水分条件下能否制备V7和V8构型仍探索不足（Li等人，2025年）。基于现有证据，我们假设在湿热处理条件下，不同客体分子驱动淀粉产生差异性结构重排，形成V6、V7和V8结晶亚型，这些亚型——由于螺旋空腔大小和堆积稳定性的差异——展现出差异性的白藜芦醇结合能力，进而导致不同的体外消化特性以及在结肠发酵期间对肠道菌群演替和短链脂肪酸产生截然不同的调节效应。

为弥补上述研究空白，本研究通过湿热处理，分别以乙醇、叔丁醇和水杨酸为模型客体分子制备了三种V型大米淀粉变体（V6、V7、V8），并进一步制备了三个白藜芦醇负载水平的淀粉-白藜芦醇复合物。结合多尺度结构表征、分子动力学模拟、体外酶消化和人类粪便发酵实验，实现了三个目标。首先，我们建立了客体分子性质与V型结晶亚型形成之间的关系。其次，我们阐明了V6、V7和V8复合物中白藜芦醇结合能力和消化性差异的分子机制。第三，我们比较了不同复合物对肠道菌群组成和SCFA产生的调节效应。本工作为V型淀粉-多酚相互作用提供了机制洞察，并通过客体分子选择为定制淀粉营养功能提供了实用框架。

章节片段

材料

大米淀粉（ST，直链淀粉含量：15.48%，纯度：98%，M_w：5.3701×10⁷ g/mol，M_n：1.2563×10⁷ g/mol）购自秦皇岛鹏远淀粉有限公司（中国秦皇岛）。白藜芦醇（纯度≥99%）购自上海麦克林生化科技有限公司（中国上海）。猪胰酶、淀粉葡萄糖苷酶和胆汁盐购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。GOPOD试剂盒由Megazyme International Ireland Ltd.（爱尔兰Bray）提供。其他所有化学试剂

V型淀粉-白藜芦醇复合物的结晶结构

原生和HMT改性大米淀粉的X射线衍射图谱如图1A所示。原生大米淀粉（ST）在约15°、17°、18.1°和23.3°处显示出特征性的A型衍射峰。经HMT与客体分子处理后，A型峰强度显著降低。ST-EtOH在7.5°、13.0°和20.0°（2θ）处显示出新的反射峰，为典型的V6型结晶结构。ST-TBA在6.9°、11.9°和18.3°处显示出对应于V7型结晶度的峰。ST-SA在

结论

本研究系统考察了通过湿热处理以不同客体分子制备的V6、V7和V8型淀粉-白藜芦醇复合物的结构特征、体外消化性、分子相互作用机制及肠道菌群发酵特性。结果表明，乙醇、叔丁醇和水杨酸分别成功诱导形成了V6、V7和V8结晶结构。白藜芦醇的掺入呈剂量依赖性增强了

CRediT作者贡献声明

Jiahao Li：原稿撰写、可视化、项目管理、方法论、调查研究、正式分析、数据整理。Deyi Yang：验证、调查研究、正式分析、数据整理。Qiyong Guo：项目管理、方法论、正式分析、数据整理。Zengjiang Zhang：审阅与编辑、监督、方法论、概念化。Ling Chen：审阅与编辑、监督、资源提供、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢来自中国国家重点研发计划（2022YFF1100101）和国家自然科学基金一般项目（32372276）的资助。

Jiahao Li|Deyi Yang|Qiyong Guo|Zengjiang Zhang|Ling Chen

华南理工大学，食品科学与工程学院，广东省天然产物绿色加工与产品安全重点实验室，淀粉和植物蛋白加工工程研究中心，教育部，广州，510640，中国