从薏苡（Coix lachryma-jobi L. var. ma-yuen Stapf.）种壳中提取的一种新型多糖的结构表征及其对非发酵冷冻面团的冷冻保护作用

《Food Hydrocolloids》：Structural characterization of a novel polysaccharide from adlay ( Coix lachryma-jobi L. var. ma-yuen Stapf.) seed hulls and its cryoprotective effects on non-fermented frozen dough

菽麦壳提取的酸性多糖AHP-SE-3通过氢键和疏水作用稳定非发酵冷冻面团结构，抑制冰晶形成与蛋白质解聚，改善硬度、弹性和网络稳定性，验证了植物源多糖作为冷冻保护剂的潜力。

　　

万秀萍|张雪梅|孙美文|王丽莎|黄仁帅|胡燕|陈光晶

贵州贵阳大学食品科学与工程学院，贵州贵阳550005，中国

摘要

冰晶形成和蛋白质解聚导致的冷冻损伤会显著降低冷冻面团产品的质量和结构完整性。在本研究中，从薏米壳中分离出一种新型的12.72 kDa酸性多糖（AHP-SE-3）。结构分析显示，其主链由→4)-β-D-Xylp-(1→4)-β-D-Xylp-(1→6)-β-D-Galp-(1→4)-α-D-GlcAp-(1→4)-连接组成，含有三个不同的侧链，并具有三螺旋构象。为了评估其冷冻保护作用，将AHP-SE-3以0%、0.5%、0.75%和1.0%（w/w）的浓度加入非发酵冷冻面团配方中，并在-18°C下储存60天后进行测试。结果表明，即使在0.5% AHP-SE-3的添加量下，面团的质地特性（硬度、弹性、内聚性）、粘弹性模量（G′和G″）以及面筋网络稳定性也得到了改善，同时蛋白质解聚现象也有所减少。低场核磁共振（LF-NMR）实验表明，AHP-SE-3限制了水的运动性并减少了冷冻面团中可冻结水的比例，从而减轻了储存过程中冰晶引起的损伤。巯基定量和傅里叶变换红外（FT-IR）光谱分析证实了二硫键和蛋白质二级结构的稳定性，表明面筋蛋白得到了结构上的稳定。这些保护作用归因于AHP-SE-3的亲水性，它能够将水固定在面团基质中，并与面团中的大分子成分形成广泛的氢键相互作用。总体而言，AHP-SE-3改善了非发酵冷冻面团的质地、流变学和微观结构特性，显示出其作为植物来源的冷冻保护剂的潜力，通过氢键和疏水相互作用稳定面团基质。本研究不仅阐明了AHP-SE-3的结构-功能关系，还为薏米壳这种未充分利用的农业副产品的增值利用提供了依据，使其成为清洁标签、高质量冷冻食品的功能性成分。

引言

冷冻面团技术于20世纪50年代引入欧洲，标志着食品加工领域的一项重大进展。此后，该技术在全球范围内得到广泛应用，尤其是在烘焙业和中国主食产业中。其流行主要归因于其能够降低水分活度、抑制微生物代谢、延缓面团老化并显著延长保质期（Tan, Li, Han, & Wu, 2023）。通过集中生产、低温储存和高效分销，冷冻面团系统有效降低了生产成本，减少了劳动力需求，并实现了基于面粉的产品（如蒸馒头、汤饺子和饺子）的工业化标准化（Jiang, Sun, Guo, & Zhu, 2025）。在冷冻过程中保持面团质量对于生产高质量的冷冻烘焙食品至关重要。食品工业中常用发酵和非发酵面团系统，其中非发酵面团因其便捷性、稳定性和更长的保质期而备受青睐。非发酵面团在冷冻和解冻过程中能够保持结构完整性，因此被广泛应用于各种食品中。相比之下，虽然发酵面团因其发酵特性和更好的质地而受到重视，但在冷冻储存过程中维持面团质量方面存在独特挑战。冷冻面团质量指的是面团在冷冻、储存和解冻过程中的物理和化学稳定性，包括质地、粘弹性、水分运动性和结构完整性等参数。这些参数直接影响最终烘焙产品的特性，如质地、体积和内部结构，这对消费者的接受度至关重要（Giannou, Kessoglou, & Tzia, 2003）。尽管冷冻面团技术具有诸多优势，但仍面临主要挑战，即储存过程中冰晶的形成和再结晶。这些冰晶会破坏面筋网络，导致面团结构和功能性能下降。特别是较大的冰晶会加剧面筋损伤，而温度波动会促进再结晶，进一步损害三维面筋基质（Zhu et al., 2026）。结果，蛋白质发生解聚，面筋大聚集体减弱，流变性能下降，持气能力降低（He, Guo, Ren, Cui, Han, & Liu, 2020）。此外，冷冻浓缩会形成高渗环境，严重影响酵母的存活能力，导致烘焙产品体积减小、硬度增加、内部结构不规则、质地粗糙和风味减弱（Jiang, Guo, Xing, & Zhu, 2023; Li, Wang, Qiu, Fan, Wang, & Qian, 2023）。此外，小麦淀粉的结晶度和理化性质在冷冻条件下也会发生显著变化（Liu et al., 2020）。

为减轻冷冻储存对面团结构的不良影响，采取了多种策略，包括优化冷冻工艺（Niu, Guo, Yang, & Li, 2024）、使用耐冷冻酵母菌株（Takano, Naito, Ishida, Koizumi, & Kano, 2002）以及添加冷冻保护剂（Zhao, Shi, Yang, Gu, Jiang, & Wang, 2022）。其中，多糖作为一种有前景的冷冻保护剂脱颖而出。这些天然水胶体通常用作增稠剂、凝胶剂、稳定剂和乳化剂，已被证明可以增加面团粘度、保持水分、抑制冰晶形成并强化面筋网络。这些综合效果有助于改善质地、外观、冻融稳定性和在某些情况下提高营养价值。多项研究证实了多种多糖在冷冻面团系统中的功能性。例如，Laminaria japonica多糖通过形成氢键限制水分运动性和抑制淀粉回结晶，从而降低了冷冻面团的结晶度和焓（Fu et al., 2021）。类似地，红芸豆多糖也被报道可以限制水分迁移、增加面团水合度和粘弹性，并以剂量依赖的方式增强面团稳定性（Bai et al., 2024）。魔芋葡聚糖的添加可以减少可冻结水、促进弹性面筋网络的形成并保持微观结构完整性（Lu, Guo, Fan, Wang, & Yan, 2023）。大豆壳多糖（SHP）能够增强粘弹性、延缓淀粉水解，并在冷冻过程中减少对淀粉颗粒和结晶度的损伤，从而强化面筋基质（Huang et al., 2024）。此外，从小麦麸皮中分离出的抗冻多糖可以抑制冰晶再结晶，改变晶体形态从立方体到层状，保持酵母存活能力，并最小化面筋解聚，从而形成更加均匀和有弹性的蛋白质网络（Wang et al., 2023）。因此，将小麦麸皮和大豆壳等农业副产品转化为功能性食品级水胶体已成为一种可持续且有效的策略。

在这种背景下，薏米（Coix lachryma-jobi L. var. ma-yuen Stapf）壳——约占薏米总加工量的10-20%——是一种未充分利用的资源，具有巨大的功能潜力。这些壳富含生物活性化合物，包括多糖、酚类、脂质和膳食纤维，为开发高附加值食品成分提供了有希望的基础（Wan, Wang, Zhang, Zhang, Shi, & Chen, 2025）。我们之前的工作使用蒸汽爆炸辅助热水提取（SE）成功从薏米壳中提取了酸性多糖，其主要成分包括半乳糖、葡萄糖、木糖和半乳糖醛酸。这些薏米壳多糖（AHP）表现出对模拟胃肠消化的抵抗力，并具有降脂和益生元特性（Zhang, Huang, Yang, Shi, & Chen, 2025）。然而，它们在面粉基或冷冻面团系统中的应用尚未得到充分探索。先前的研究表明，富含羟基的植物多糖可以通过固定水分、强化面筋网络和减轻冰晶损伤，在冷冻面团系统中发挥冷冻保护作用（Cui, Liu, Wu, Sui, & Zhang, 2019; Li et al., 2022; Wang et al., 2023; Zhao et al., 2022）。鉴于它们类似的富含羟基的结构和已建立的生物活性，推测薏米壳多糖在冷冻面团中也具有类似的冷冻保护功能。然而，目前尚不清楚AHP是否具有抗冻能力以及其背后的结构机制。这一知识空白限制了它们在冷冻食品应用中的更广泛使用。

因此，本研究的目标是：（i）从薏米壳中提取并纯化一种酸性多糖组分（AHP-SE-3）；（ii）使用高效凝胶渗透色谱（HPGPC）、高效阴离子交换色谱（HPAEC）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、紫外光谱（UV）、刚果红测定、原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）、甲基化分析和核磁共振（NMR）对其结构特征进行表征；（iii）评估其在不同冷冻储存时间下对非发酵面团的流变特性、水分分布、面筋网络完整性和微观结构的影响。本研究主要关注非发酵冷冻面团，由于其便捷性、稳定性和在工业生产中的易用性，在食品工业中越来越重要。研究结果有望阐明AHP作为冷冻保护水胶体的功能机制，为开发可持续和高质量的冷冻面团产品提供理论和实践指导。

化学试剂和实验材料

2022年12月从中国贵州的兴仁聚丰薏米有限公司采购了风干薏米壳，并在4°C下储存直至使用。用于面团制备的高筋小麦粉（蛋白质含量为12.2%，干基）来自中国广东的亿海 Kerry 食品有限公司，未添加额外的活性小麦面筋。牛血清白蛋白（BSA）、氯化钠、甘氨酸、L-半胱氨酸和5,5′-二硫代双（2-硝基苯甲酸）（DTNB）由

AHP-SE-3的制备

根据我们之前的研究（Zhang et al., 2025）建立的方案，使用蒸汽爆炸辅助热水法从薏米壳中提取了粗多糖（AHP-SE）。AHP-SE的提取产率为1.68%（w/w），基于干壳重量计算，远高于传统热水提取方法，证明了蒸汽爆炸辅助提取法的效率。粗多糖的分级采用DEAE-52

结论

本研究成功从薏米壳这种未充分利用的农业副产品中分离并表征了一种新型酸性多糖（AHP-SE-3）。AHP-3主要由阿拉伯糖、半乳糖、木糖和半乳糖醛酸组成，重量平均分子量（Mw）为12.72 kDa。结构分析显示，AHP-3的主链由→4)-β-D-Xylp-(1→4)-β-D-Xylp-(1→6)-β-D-Galp-(1→4)-α-D-GlcAp-(1→4)-连接组成。三个侧链为

CRediT作者贡献声明

万秀萍：撰写 – 审稿与编辑、方法学、数据分析。王丽莎：撰写 – 审稿与编辑、概念构思。黄仁帅：撰写 – 审稿与编辑。张雪梅：撰写 – 初稿撰写、验证、方法学、数据分析。孙美文：数据分析。胡燕：撰写 – 审稿与编辑。陈光晶：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、概念构思

未引用的参考文献

Chen et al., 2024; Chen et al., 2024; Chen et al., 2025; Guo et al., 2022; Li et al., 2023; Li et al., 2023; Wan et al., 2026; Zhang et al., 2025.

数据可用性

本次研究分析的所有数据均包含在本文中。

利益冲突声明

根据期刊政策，作者未发现任何可能影响本研究的财务或个人关系。

致谢

本研究的资金支持来自贵州省生态特色食品新品质加工与储存重点实验室（项目编号ZSYS [2025]023）、贵州省高层次创新人才培训计划——“****”（项目编号ZKHT-GCC-[2023]001）以及贵州省教育厅的青年科技人才培养项目（项目编号[2020]088）。