大米淀粉-明胶-茶多酚三元复合凝胶的消化特性及形成机制：茶多酚浓度、明胶类型及明胶/淀粉比例的影响

《Food Hydrocolloids》：Digestible properties and formation mechanism of rice starch-gelatin-tea polyphenols ternary composite gel: Effect of tea polyphenol concentration, type of gelatin and gelatin/starch ratios

本研究构建了大米淀粉、明胶和茶多酚三元复合凝胶系统，系统研究了淀粉/明胶比例（0:8-6:2）及茶多酚浓度（0.1%-0.5%）对凝胶形成机制及功能特性的影响。结果表明，B型明胶基凝胶的水持有能力显著提升，0.3%茶多酚浓度优化了凝胶网络结构，而0.5%浓度导致相分离，淀粉快速消化率降低至54.27%。该研究为开发功能性淀粉基食品提供了机制基础。

　　

王晨晨|徐静静|刘燕|王帆|冯冉|张宝

教育部生物工艺工程研究中心，合肥工业大学，中国安徽省合肥市屯溪路193号，230009

摘要

为了开发低消化率、高营养价值的淀粉基食品，本研究构建并系统探讨了米淀粉、明胶和茶多酚组成的三元复合凝胶体系。研究了米淀粉与明胶的比例（范围为0:8至6:2）以及茶多酚（TP）浓度（0.1%、0.3%和0.5%）对三元复合凝胶形成机制和功能特性的影响。与A型明胶（GA）相比，B型明胶（GB）基凝胶表现出显著增强的持水能力（WHC），尽管随着淀粉比例的增加，WHC从97.75%下降到75.57%。添加0.3%浓度的TP通过多酚介导的交联作用最有利于增强凝胶网络，而更高浓度的TP（0.5%）则会导致相分离和结构不均匀性。当米淀粉与明胶的比例为4:4且TP浓度为0.3%时，产生的凝胶网络最为均匀。在此比例及更高比例下，米淀粉与TP之间形成了V型晶体复合物，这导致快速消化性淀粉含量显著降低至54.27%。A型明胶与TP之间的强静电吸引力有效固定了TP；相比之下，B型明胶与TP之间的非静电弱相互作用促进了V型结构的形成。这些结果表明，A型明胶和B型明胶分别通过物理屏障调节淀粉的消化，并促进V型复合物的形成。这些发现为设计具有定制质地和改善营养特性的功能性淀粉基食品提供了重要见解。

引言

米淀粉是一种天然丰富的聚合物，具有温和的风味和高消化率，是制作米糕、米线、布丁和基于凝胶的食品等食品的理想原料（Dang, Imaizumi, Nishizu, Anandalakshmi, & Katsuno, 2023）。然而，仅含单一成分的淀粉基凝胶往往无法满足现代的营养需求。长期过量摄入富含快速消化性淀粉的加工食品与肥胖、糖尿病及相关代谢紊乱的风险增加有关（Luo, Tao, Han, Wang, & Li, 2023）。此外，淀粉的固有特性（如糊化作用和回生作用）显著影响凝胶的质地和消化率，从而限制了其在食品中的广泛应用。由于米淀粉本身难以形成稳定的凝胶网络（主要是由于其持水能力差），通常需要添加水溶性胶体或其他功能性成分来改善其结构特性（Nguyen Doan, Song, Lee, Lee, & Yoo, 2019）。

与单一成分的凝胶系统相比，复合凝胶系统作为一种有前景且有效的策略，能够协同改善淀粉基凝胶的功能性和营养性。近年来，已有研究报道了淀粉-蛋白质复合物在减少淀粉消化和增强凝胶特性方面的作用。添加大豆蛋白分离物（SPI）会抑制玉米淀粉的糊化过程，导致凝胶网络较弱，从而降低凝胶的强度和咀嚼性（Pi等人，2025）。由超声处理的大豆蛋白（URP，4%）和米淀粉（6%）制备的软复合凝胶硬度较低（62%-78.3%），且持水能力更高。凝胶粘度和剪切模量的相应降低归因于URP与淀粉的相互作用，部分抑制了淀粉的回生（Ji, Xiong, & Jiang, 2024）。然而，SPI和米蛋白与淀粉的结合容易受到pH值、温度、离子强度和相分离的影响。

明胶是一种从胶原蛋白部分水解中提取的蛋白质，在广泛的pH和温度条件下均表现出优异的凝胶化性能，适用于多种食品应用。根据生产工艺的不同，明胶可分为两种类型。明胶的类型是决定复合体系静电环境、分子间作用力和最终网络结构的关键因素（Liu等人，2024）。A型明胶（GA）通过酸处理制备，等电点（pI）在7到9之间。这种制备方法使分子链上保留了更多的酰胺基团，因此GA在中性pH条件下带有净正电荷（Zhang等人，2024）。B型明胶（GB）通常通过碱处理制备，pI范围为4.7-5.2。碱处理导致胶原蛋白部分脱酰胺，从而增加羧基含量，GB在中性pH条件下带有净负电荷（Zhu等人，2022）。与GB相比，在相同的明胶/淀粉比例和pH条件下，GA显著降低了玉米淀粉的RDS含量（Liu等人，2024）。Liu等人（2020）还报告了GA和GB在微生物转谷氨酰胺酶介导的反应中的交联行为差异。GA在交联效率上高于GB，这归因于其含有更多的酰基供体。GA基凝胶的硬度降低而弹性增加，而GB的凝胶特性几乎不受影响。这些研究表明，添加不同类型的明胶会影响淀粉基食品的质地和流变特性。

基于对淀粉-明胶二元系统的理解，人们越来越关注具有更强功能性和结构多样性的三元复合凝胶。特别是，添加茶多酚（TP）等生物活性化合物在提高凝胶系统的抗氧化能力以及调节复合基质的凝胶化和多尺度结构方面显示出巨大潜力（Li等人，2023；Zhu等人，2025）。尽管TP在淀粉或蛋白质基二元系统中的功能作用已得到越来越多的报道，但其在更复杂的三元系统（尤其是同时含有淀粉和明胶的系统中）的行为仍不够明确。GA（正电荷）和GB（负电荷）之间的相反电荷预计会从根本上影响明胶、淀粉和阴离子TP分子之间的相互作用。例如，假设在GA基系统中，静电吸引力会促进GA-TP复合物的形成，从而竞争性地隔离TP，限制了淀粉-TP V型晶体结构的形成；而在GB基系统中，GB和TP之间的静电排斥可能使TP分子向淀粉相聚集，促进直链淀粉-TP的包含和V型结晶。这种电荷介导的分子组装差异可能导致凝胶的微观结构、流变特性和淀粉消化率存在显著差异。因此，有必要系统探讨A/B型明胶在三元复合凝胶系统中的形成机制及其对淀粉消化特性的影响，以开发复杂的食品系统。

因此，基于A/B型明胶的属性差异和提出的假设，本研究系统探讨了米淀粉和明胶的比例、明胶的类型以及茶多酚浓度对复合凝胶质地和消化特性的影响。通过浊度和微观结构分析评估了凝胶的形态特征及各组分的作用。此外，通过晶体结构、热性质、分子构象和分子间相互作用的全面分析，阐明了明胶和TP抑制淀粉消化的机制。本研究不仅将GA和GB作为替代的凝胶化剂使用，还将其视为两种互补的模型蛋白，以系统揭示静电相互作用在淀粉-明胶-TP三元复合凝胶形成、结构和功能中的作用。这种方法为合理设计具有定制消化率和质地的下一代功能性食品提供了机制基础。

材料

米淀粉（纯度≥95%，直链淀粉含量：14.3%）、A型明胶（GA）、B型明胶（GB）、茶多酚（TP，多酚含量≥98%）和3,5-二硝基水杨酸（DNS）均来自中国上海的豫源生化试剂有限公司。葡糖淀粉酶（10^5 U/mL）和α-淀粉酶（来自猪胰腺，100 U/mg）由上海的Sigma-Aldrich有限公司提供。甲醇、二甲基亚砜和乙醇为分析级，购自中国药化试剂有限公司。

米淀粉-明胶-茶多酚凝胶的视觉外观

图1显示了米淀粉-明胶-茶多酚复合凝胶倒置玻璃瓶的光学图像。除A12和A18样品外，所有复合凝胶均呈固态，证实其形成了自支撑结构。与米淀粉-GA-TP相比，米淀粉-GB-TP生成的凝胶更加透明，凝胶强度更高，表明分子链排列更为有序，水溶性更好。随着淀粉比例的增加，两种复合凝胶的情况

结论

本研究建立了一种基于米淀粉、明胶和TP的三元复合凝胶体系。与GA基凝胶相比，GB基凝胶表现出显著更好的持水能力，尽管随着淀粉比例的增加，WHC从97.75%下降到75.57%。添加0.3%浓度的TP通过多酚介导的交联作用最有利于增强凝胶网络，而更高浓度的TP（0.5%）则会导致相分离和结构变化

作者贡献声明

张宝：撰写——初稿、验证、资金获取、概念构思。徐静静：实验研究、数据分析。刘燕：实验研究。王帆：数据分析。冯冉：撰写——审稿与编辑、可视化、数据分析。王晨晨：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、实验研究、数据管理、概念构思

未引用参考文献

Meng等人，2025；Zhang等人，2024；Zhao等人，2023。

利益冲突

所有作者均声明没有已知的利益冲突。

利益冲突声明

作者声明没有可能影响本文工作的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2023YFD2100705）、国家自然科学基金（32160533, 32472492）、安徽省自然科学基金（2308085MC108）以及中央高校基本科研业务费（JZ2023HGPB0290）的财政支持。