利用超声波作用，高地大麦淀粉会发生与功率相关的结构变化：从结构的破坏到重新组装，从而提高其对消化的抵抗力

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Power-dependent structural transformation in highland barley starch via ultrasonication: From disruption to reassembly for enhanced resistance to digestion

　　

摘要

本研究的目的是探讨超声波如何调节高原大麦淀粉（HBS）的多尺度结构及物理化学性质，并系统解释四个结构层次（颗粒、层状结构、晶体和分子链）与体外消化率之间的关系。研究结果表明，超声波处理对HBS的结构产生了三重影响：破坏-重组-分解。在适当的超声波功率水平（400–500 W，尤其是500 W）下，HBS的多尺度结构从以破坏为主的状态转变为以重组为主的状态。这一过程促进了分子链的重新排列，使得双螺旋结构和晶体秩序得以恢复，并伴随分支点网络的部分重组。这种重构的架构改善了HBS的膨胀性能、溶解性和流变特性，同时增强了系统的热稳定性。这种强化的物理屏障抑制了消化酶的活性，使抗性淀粉（RS）的比例从9.12%增加到了18.35%。本研究扩展了超声波改性在食品工业中的潜在应用。经过超声波改性的HBS可能作为开发低血糖指数的食品成分具有潜在价值。

引言

国际糖尿病联合会（IDF，2025年）的最新报告预测，到2050年全球八分之一的成年人将患有糖尿病，相当于约有8.53亿人患有这种疾病。目前，仅依赖药物治疗并不是治疗疾病的首选方法。健康的日常饮食对于增强免疫力和预防代谢疾病至关重要。大米是世界上超过一半人口的主食，其中含有相对较高的抗性淀粉（RS）含量（淀粉可根据消化速度分为快速消化淀粉RDS、缓慢消化淀粉SDS和抗性淀粉RS）。过量且长期食用大米可能导致血糖水平升高，这是2型糖尿病的主要原因之一（Meng等人，2025年）。然而，粗粮的RS含量较低，但SDS和RS含量比大米高。适量食用粗粮有助于调节血糖水平并降低代谢风险（Chen、Zhao等人，2025年）。因此，精制主食如白米、白面条和白馒头现在不太受欢迎，而RS含量相对较低的粗粮逐渐被纳入人们的日常饮食中。

高原大麦（HB）是禾本科大麦属的一个物种，与小麦、燕麦和荞麦同属粗粮类。HB富含蛋白质、纤维和维生素（Dang等人，2022年）。因此，HB在食品加工领域具有巨大的发展潜力。高原大麦淀粉（HBS）占HB总量的47.90%–79.0%，对其加工特性、营养价值和功能性具有重要影响。深入研究HBS的结构和功能对于开发基于HB的功能性食品至关重要（Fu等人，2025年；Obadi等人，2021年）。淀粉是一种天然生物聚合物，由直链淀粉（amylose）和支链淀粉（amylopectin）组成。直链淀粉是通过α-1,4-糖苷键连接的葡萄糖单元构成的线性聚合物。而支链淀粉则通过α-1,6-糖苷键形成分支结构。这两种分子类型共同赋予了淀粉颗粒复杂的层次结构，包括分子、晶体、层状和颗粒系统（Junejo等人，2022年）。多尺度结构特性影响淀粉的物理化学性质，包括其消化行为。然而，天然HBS存在一些局限性，如较高的消化率和不足的热稳定性。因此，有必要研究HBS的多尺度结构调控机制以改善其性能。为了增强淀粉的功能性，研究人员探索了多种加工方法（Sifuentes-Nieves等人，2026年；Ye等人，2025年）。

物理改性技术对淀粉改性具有显著潜力，因为它通常安全、环保且经济可行。Monu等人（2025年）证明，豇豆种子的发芽显著改变了提取淀粉的物理化学性质和粘性，同时降低了直链淀粉的含量。Rungchang等人（2025年）报告称，超声波辅助的燕麦种子发芽显著改善了水分吸收动力学、总酚含量和抗氧化活性。这些研究表明，物理改性可以有效调节谷物和淀粉的功能性。在这些方法中，非热超声波技术因其清洁性、可持续性和易用性而受到广泛青睐。超声波处理通过改变淀粉的分子结构来影响其宏观性质。Yao等人（2025年）研究了不同功率水平对碎米淀粉结构和消化率的影响，结果发现400 W的超声波功率提高了淀粉的结晶度，使其微观结构更加有序，缺陷减少，抗性淀粉含量从18.70%增加到34.84%。Wang等人（2023年）研究了不同功率水平对莲藕淀粉多尺度结构和物理化学性质的影响，发现270 W的超声波功率下莲藕淀粉表现出最大的短程有序性、层状厚度、粘弹性和热稳定性。此外，功率的提高会导致有序结构的破坏。相反，Yan等人（2025年）发现200 W和400 W的超声波处理显著减小了荞麦淀粉的粒径、结晶度和有序结构，有效增强了其膨胀能力。总体而言，这些研究表明超声波功率对不同类型淀粉的结构变化和性质有不同的影响。目前，关于利用超声波改性HBS的多尺度结构和功能性（主要是消化率）的研究还相对较少。

基于此，本研究分析了超声波处理从淀粉颗粒外层向内部调节HBS多尺度结构的机制，并探讨了超声波对HBS物理化学性质和消化率的影响。这项工作为开发新型、安全、高效且具有理想性能的改性淀粉产品提供了理论和实践基础。

章节片段

材料与试剂

HB由中国青海省格尔木南露兰农业发展有限公司购买。标准直链淀粉购自德国Sigma-Aldrich Trading Co., Ltd.（Merck KGaA）。来自日本东京的Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.提供了α-葡聚糖酶（黑曲霉）（30–60 U/mg）和α-淀粉酶（猪胰腺）（40–60 U/mg）。葡萄糖含量检测试剂盒（GOPOD格式，BL863A）购自中国北京的Langjieko Technology Co., Ltd。其他化学品

扫描电子显微镜（SEM）

图1展示了原始HBS颗粒和超声波改性HBS颗粒的表面形态。原始HBS颗粒表面光滑，无孔隙和裂纹。观察到两种不同大小的原始HBS颗粒，较大颗粒主要为圆盘状、椭圆形或透镜状，而较小颗粒多为不规则多边形或角状。这一发现与Kong等人（2016年）的实验结果一致。

结论

总之，本研究系统阐明了超声波功率对HBS多尺度结构、功能性质和体外消化率的调控作用及其背后的机制。研究结果表明，超声波处理的效果并非简单的破坏，而是一个包含破坏-重组-分解的三重过程。低功率超声波处理主要表现为破坏作用，导致颗粒表面侵蚀

CRediT作者贡献声明

杨怡艳：撰写——初稿、方法学设计、实验研究。朱莹：数据验证。王天瑞：数据验证。李佳怡：实验研究。常志鑫：正式数据分析。徐静：撰写——修订与编辑、项目监督、资金申请、正式数据分析、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2024YFF1105602）的支持。

杨怡艳|朱莹|王天瑞|李佳怡|常志鑫|徐静

中国黑龙江省哈尔滨市东北农业大学化学与分子工程学院