关于再结晶直链淀粉微球消化抗性机制的结构学见解

《Food Hydrocolloids》：Structural Insights into the Digestive Resistance Mechanism of Recrystallized Amylose Microspheres

本研究系统探究了不同聚合度的直链淀粉通过可控结晶形成抗性淀粉III型（RS3）的能力。发现平均DP25的直链淀粉自发组装为均匀微球，经压力-热处理（PHT）后RS含量达84.6%，首次利用X射线纳米计算机断层扫描（Nano-CT）揭示了其内部致密且连续的结晶结构，为功能性食品开发提供新策略。

　　

Jiali Shi | Kaixiao Zeng | Minming Xu | Jiayue Guo | Yao Hu | Pengjie Wang | Fazheng Ren | Siyuan Liu

中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京100083

摘要

系统研究了不同平均聚合度（DP10–70）的直链淀粉组分通过控制重结晶形成抗类型3淀粉（RS3）的能力。在这些组分中，平均DP为25的直链淀粉表现出独特的自组装行为，在烹饪后自发形成均匀的微球，并显示出最高的RS含量（52.9%）。为了进一步提高其结构稳定性，采用30%湿度的压力-热处理（PHT），显著增强了DP25衍生的RS3的晶体框架，并将其烹饪后的RS含量提高到84.6%。首次使用X射线纳米计算机断层扫描（Nano-CT）来可视化重结晶直链淀粉微球的内部微观结构，揭示了其具有致密连续的晶体壳层，包裹着高度有序的内部晶体网络。这些多尺度结构特征共同赋予了出色的热稳定性和显著的抗酶水解性。总体而言，这项工作阐明了直链淀粉的链长依赖性组装机制，并为设计热稳定、高抗性的RS3提供了新的策略，具有在功能性食品开发中的广泛应用前景。

引言

抗性淀粉（RS）是指在肠道中无法被消化，并在结肠中由肠道微生物群发酵产生有益短链脂肪酸（SCFAs）的膳食淀粉部分（DeMartino & Cockburn, 2020; Zaman & Sarbini, 2016）。RS通常分为五种类型（RS1–RS5），其中通过支链淀粉重结晶形成的RS3由于其烹饪后对酶水解的卓越抗性而受到广泛关注（Liu, Reimer, & Ai, 2020; Ma, Hu, & Boye, 2020）。然而，相当一部分RS3（通常超过40%）在烹饪后仍然容易被消化（Li, Yuan, & Ai, 2020; Wang et al., 2023），这影响了其功能性。因此，开发具有增强热稳定性和抗消化酶能力的RS3在科学和实际应用上都非常重要。

RS3的消化性与其分子和超分子结构密切相关。直链淀粉的聚合度（DP）起着关键作用，因为它从根本上调节了直链淀粉链的自组装行为和结晶动力学，导致不同尺度上的结构转变，最终影响RS3的功能性（Adra, Zhi, Luo, & Kim, 2022; Chang et al., 2019）。然而，分子量分布对其抗消化性的影响仍有争议（Shi et al., 2025; Zhang et al., 2025）。据报道，平均DP为70–80的直链淀粉占退化淀粉凝胶的主要抗性组分（Botham et al., 1995）。相反，Mutungi et al.（2011）发现退化木薯淀粉中含有较高比例的DP为18–44的链。尽管梯度乙醇分级已被广泛用于缩小支链淀粉的分子量分布以增强抗消化性，但各组分之间仍存在显著的重叠（Hu et al., 2020; Lee, Kim, & Lim, 2023）。因此，获得具有更窄分子量分布的组分对于进一步研究分子量分布如何影响消化性至关重要。

更重要的是，直接可视化RS3的内部结构组织，特别是晶体和非晶区域的空间排列，仍然是一个重大挑战。作为半结晶材料，RS3的抗酶水解性主要归因于其晶体结构（Cai & Shi, 2014; Shi, Mao, & Shi, 2024）。然而，传统的淀粉结构表征技术缺乏捕捉晶体域的堆积密度、连续性和组织所需的分辨率或空间特异性，限制了我们对RS3结构-功能关系的理解。

本研究假设X射线纳米计算机断层扫描（nano-CT）能够可视化RS3内部晶体结构的空间分布。直链淀粉链是通过高直链淀粉豌豆淀粉（HAPS）的酶法脱支制备的，然后通过尺寸排阻色谱（SEC）分离成七个具有明确DP的组分。这些组分经过重结晶形成RS3，随后通过压力-热处理（PHT）进行结构优化。其中，DP25组分表现出最有利的分组装行为，在烹饪后形成了RS含量最高的微球（84.6%）。重要的是，这是首次使用nano-CT这种非破坏性的高分辨率3D成像技术直接可视化RS3微球的内部晶体结构。DP25-RS3的卓越抗酶性归因于其密集堆积且空间连续的晶体域，以及物理上阻碍酶渗透的坚固外层晶体壳。这些发现为RS3的消化性的分子和结构决定因素提供了新的见解，并为设计热稳定、抗消化的淀粉用于功能性食品应用奠定了基础。

材料

根据先前的研究（Shi et al., 2023），从皱缩的豌豆种子（Longwan7品种，直链淀粉含量94.4%）中提取了HAPS。普鲁兰酶（EC 3.2.1.41，≥ 1000 NPUN/g）购自Sigma-Aldrich（中国上海）贸易有限公司。本研究中使用的所有化学品均为试剂级。

直链淀粉的制备

直链淀粉的制备方法基于我们之前的研究，并进行了少量修改（Shi et al., 2023）。简而言之，HAPS（30% w/w，干淀粉基）悬浮在0.8 M盐酸水中

分子结构

图1显示了分离直链淀粉的整个淀粉分子量分布。通过尺寸排阻色谱柱（SEC），将DP16-Mixed样品分为7个组分（DP10、DP13、DP18、DP25、DP35、DP47和DP70）。根据DP16-Mixed的量计算，总回收率为91.4%（表S1）。随着洗脱时间的增加，直链淀粉的链长逐渐缩短，这符合尺寸排阻原理：较大的分子保留时间较短

结论

本研究提出了一种通过精确控制直链淀粉的平均DP来调节RS3的多尺度结构和消化性的合理策略。平均DP为25的直链淀粉自发组装成均匀的微球，显示出比其他组分更高的RS含量（52.9%）。利用高分辨率Nano-CT，证明了这些DP25微球具有不连续的晶体外壳（厚度：0.30 μm），内部晶体分布均匀

CRediT作者贡献声明

Jiali Shi：撰写——原始草稿，可视化，软件操作，实验研究，数据分析，概念化。Kaixiao Zeng：软件操作。Jiayue Guo：撰写——审稿与编辑。Minming Xu：软件操作。Pengjie Wang：撰写——审稿与编辑。Yao Hu：概念化。Siyuan Liu：撰写——审稿与编辑，项目管理，资金获取。Fazheng Ren：项目管理，资金获取

未引用参考文献

Chang et al., 2021; Gidley and Bulpin, 1987; Kim et al., 2023; Li et al., 2022.

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：32472263）、河南省优秀青年科学家自然科学基金（编号：242300421105）和河南省科技重大项目（编号：241110110300）的支持。我们感谢上海同步辐射设施（SSRF）的BL18B光束线提供的nano-CT测量支持。同时，我们也感谢中国科学院自动化研究所的Shen Lijun博士的帮助