莲子淀粉-C18脂肪酸复合物的益生元效应：体外消化和发酵过程中结构变化的作用

《Food Chemistry》：Prebiotic effects of lotus seed starch-C18 fatty acid complexes: Role of structural changes during in vitro digestion and fermentation

　　

摘要

尽管淀粉-脂质复合物作为益生元成分的研究兴趣日益增长，但脂肪酸（FA）不饱和度对其发酵行为及肠道菌群调控的影响仍存在争议，这在很大程度上归因于各研究间结构表征的不一致性。本文利用高直链淀粉含量的莲子淀粉（LS），通过动态高压微射流技术系统制备了与不同不饱和度的C18脂肪酸（如硬脂酸（SA）、油酸（OA）、亚油酸（LA）和α-亚麻酸（ALA））的复合物。复合物的稳定性和消化抗性随脂肪酸不饱和度的增加而降低。LS-SA的消化速度最慢，富集了丁酸产生菌属（如Bifidobacterium（双歧杆菌）和< />（梭菌属））。LS-OA促进了Sutterellaceae（萨特氏菌科），可能与β-氧化有关。LS-LA和LS-ALA增强了unclassified_c__Bacilli（未分类杆菌）、Litchfieldia（利奇菲尔德氏菌）和，其中LS-LA还刺激了Ligilactobacillus，已知该菌能产生共轭亚油酸。值得注意的是，LS-ALA显著提高了乙酸、丙酸和丁酸的含量。这些结果表明，脂肪酸不饱和度的差异通过淀粉基质与脂肪酸配体的协同效应，与LS-FA复合物的结构稳定性和益生元功效相关。本研究澄清了此前关于脂肪酸不饱和度的矛盾之处，并为合理设计淀粉基配方以定向调控肠道菌群提供了机制框架。

引言

直链淀粉螺旋结构内的疏水空腔可通过范德华力和疏水作用包裹脂质链，形成具有V型单螺旋结构的淀粉-脂质复合物，即5型抗性淀粉（RS5）（Chen等，2026）。这些复合物不仅改变了淀粉的糊化、凝胶化和消化特性，还通过酶抗性提高了抗性淀粉含量，显示出作为结肠靶向递送载体和益生元的潜力（Chen等，2026；Zhang等，2025；Zhang等，2026）。值得注意的是，与其他类型的抗性淀粉（RS）相比，淀粉-脂质复合物在体外粪便发酵过程中展现出更优的促进短链脂肪酸（SCFA）产生的能力，尤其是丁酸，这在维持肠道屏障和发挥抗炎作用方面起着关键作用（Qin等，2021；Zhang等，2025）。因此，阐明这些复合物在消化和发酵过程中的结构演变及其对肠道菌群的特定调控机制，对于设计改善肠道健康的靶向策略至关重要。

动态高压微射流（DHPM）提供了一种制备淀粉-脂肪酸（FA）复合物的可控方法。其集成冷却系统最大限度地减少了脂质受热损伤，这对于易氧化的不饱和脂肪酸尤为重要（Liu等，2025；Zhu，2021）。在高压条件下，材料经历强烈的剪切、湍流和空化作用，导致微细化和均质化，从而改变其结构和理化性质（Zhu，2021）。该工艺将脂肪酸分散成淀粉中的细小液滴，增加了界面接触并促进复合化（Zhu，2021）。同时，淀粉颗粒的机械破碎释放了直链淀粉并降低了分子量，进一步促进了稳定复合物的形成（Seo等，2015）。我们之前的研究表明，与传统加热均质法制备淀粉-亚麻酸复合物以及α-淀粉酶预改性法相比，DHPM处理形成的复合物中α-亚麻酸的含量远高于其他两种热处理方法（p < 0.05，补充图1）。因此，DHPM为制备此类复合物以进行详细的结构和功能研究提供了良好的可控手段。

脂肪酸的分子特征，特别是链长和不饱和程度，是决定复合物结构和功能的关键因素（Chen等，2026）。对于不同饱和度的脂肪酸，双键引入的空间位阻和链扭曲被认为是有效包入直链淀粉螺旋腔的限制因素（Yu等，2024；Zhang等，2026）。然而，关于不饱和度影响的报告似乎相互矛盾：一些研究表明，增加不饱和度会降低热稳定性、结构有序度和消化抗性（Sun, Jin等，2025），而另一些研究观察到特定的不饱和脂肪酸（如油酸 > 亚油酸 > 硬脂酸）在某些条件下可以增强结晶性（Jia等，2018）。这些差异表明，不饱和度的影响并非线性，而是高度依赖于初始组装条件和淀粉基质本身。

在此背景下，植物淀粉来源的选择变得至关重要。在各种淀粉中，莲子淀粉（LS）作为一种设计淀粉-脂质复合物的特别有前景的基质而脱颖而出。与传统的谷物淀粉（如高直链淀粉玉米淀粉，通常呈现B型结晶性）不同，LS具有特征性的C型多晶型结构，且直链淀粉含量很高（≥40%）（Guo等，2024）。LS的C型结构（包含A型和B型同质异构体的混合物）具有更高的结晶度（Guo, Jia等，2019）。A型和B型淀粉晶体的共存导致LS具有较高的糊化温度范围和快速冷却后的回生，这显著影响了LS的糊化动力学和消化性（Chen & Zhu，2024）。此外，LS中的直链淀粉含有长的线性链段，易于形成紧密的螺旋结构（Chen & Zhu，2024）。因此，LS是制备淀粉-脂肪酸复合物的理想淀粉基础。

尽管取得了这些进展，淀粉-FA复合物在整个胃肠道中的结构命运与其最终的益生元效果之间的关系仍不清楚，特别是从刻意设计FA分子的角度来看。最近的研究强调，复合物的多尺度架构将加工条件与最终的消化和发酵行为联系起来（Chen等，2026）。复合物在上部的抗性架构不仅决定了到达结肠的残留量，还可能预先配置其作为微生物底物的可用性和后续的发酵模式。由于已知膳食纤维的细微结构差异会驱动特定的微生物代谢反应（Chen等，2026），在LS这样表征良好的淀粉基质中调节FA不饱和度，可能实现对淀粉-FA复合物的精密工程，从而定向肠道菌群组成和代谢产物，尤其是SCFA谱。然而，这些复合物在序贯消化和发酵过程中结构转变如何进行，以及FA不饱和度如何转化为不同的益生元效果，仍待深入探索。

为解决这些矛盾和空白，我们假设C18脂肪酸的不饱和度与莲子淀粉-FA复合物在消化过程中的多尺度结构稳定性和降解动力学相关，从而决定了其在发酵过程中对肠道菌群和代谢产物的选择性调控。具体而言，我们提出饱和脂肪酸可能增强V型螺旋结构的稳定性，可能减缓酶降解并促进特定的微生物结果，而增加不饱和度预计会加速复合物降解并使发酵向不同的代谢谱转变。然而，与这些过程相关的特定微生物分类群和短链脂肪酸特征仍需系统表征。利用DHPM，我们制备了莲子淀粉与一系列C18脂肪酸的复合物。在这个统一平台上，我们研究了FA不饱和度如何影响模拟胃肠和结肠发酵过程中的消化动力学和结构演变。综合光谱和色谱分析监测了动态结构变化，而体外粪便发酵结合SCFA测定和高通量测序将发酵结果与微生物群落变化联系起来。本研究旨在探索不饱和度指导的组装与益生元功效在分子、消化和微生物尺度上的关联，为设计可能具有肠道健康意义的下一代功能性淀粉基材料提供框架。

各章节摘要

材料

用于提取莲子淀粉（LS）的新鲜冷冻莲子购自福州圣典食品有限公司（中国福州）。LS按照此前建立的水提法提取，并用乙醇水溶液纯化（Zhang等，2014）。制备的LS中直链淀粉的比例不低于40%，且具有C型结晶结构（Guo等，2024）。

本研究中使用的C18脂肪酸（FA），包括硬脂酸（SA，95%）、油酸

LS-C18 FA复合物的模拟胃肠消化

LS-C18 FA复合物的消化曲线和对数斜率（LOS）拟合曲线如图1a和b所示。在整个消化过程中，原淀粉LS（未进行微射流处理）表现出最低的降解率。LD组（未添加FA的微射流LS）显示出介于原淀粉LS和LS-FA复合物之间的降解率。在慢消化阶段，LS-FA复合物的消化速率随C18脂肪酸不饱和度的增加而增加（图1a）。

水解对于

结论

本研究证明，通过DHPM制备的LS-C18 FA复合物能有效调节淀粉消化性和肠道微生物发酵。饱和脂肪酸复合物（LSA）表现出更高的结构稳定性、更慢的消化速度，并选择性促进了丁酸产生菌（Bifidobacterium（双歧杆菌）和< />（梭菌属））。相比之下，不饱和脂肪酸复合物，特别是LLA和LALA，降解更快，富集了不同的细菌分类群并塑造了多样的SCFA谱。特别地，

伦理声明

本研究按照ARRIVE（动物研究：体内实验报告）指南进行。

本研究获得中国人民解放军联勤保障部队第九〇〇医院实验动物福利与伦理委员会批准（批准号：2024-36）。

CRediT作者贡献声明

Lu Liu：审稿与编辑、撰写初稿、可视化、方法学、形式化分析、数据整理、概念化。Haoyu Wang：资源、调查、形式化分析、数据整理。Fujing Luo：撰写初稿、方法学、调查、概念化。Yi Zhang：撰写初稿、方法学、调查、概念化。Baodong Zheng：监督、资源、方法学。Zebin Guo：审稿与编辑、撰写初稿，

资金来源

本研究得到国家自然科学基金（项目编号U22A20549）和福建省"青年拔尖人才"专项经费（闽人才〔2021〕5号）的资金支持。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

Lu Liu|Haoyu Wang|Fujing Luo|Yi Zhang|Baodong Zheng|Zebin Guo