《Journal of Functional Foods》：Molecular and microstructural cues for starch digestive heterogeneity in Indian pearl millet (
Pennisetum Glaucum)
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为解决珍珠粟(Pearl Millet, PM)作为低升糖指数(GI)食品潜力未被充分开发的难题，研究人员通过解析11种印度珍珠粟基因型的淀粉组分、晶体结构、流变特性与微观特征，阐明了淀粉分子组成与颗粒结构协同调控消化速率的机制。研究发现，高缓慢消化淀粉(SDS)含量、高结晶度和高糊化峰值粘度(PV)的基因型其预测升糖指数(pGI)更低，研究结果为培育适宜血糖管理的功能食品专用珍珠粟品种提供了关键理论依据。
随着全球范围内饮食相关的代谢性疾病如2型糖尿病和肥胖症的兴起，开发有助于调节餐后血糖水平的低升糖指数食品日益受到重视。在这个背景下，珍珠粟因其独特的淀粉特性、无麸质性质和生物活性化合物而脱颖而出。作为一种营养丰富且气候适应性强的谷物，珍珠粟在低升糖功能食品应用中展现出巨大潜力。然而，与主要谷物相比，关于珍珠粟淀粉消化率和血糖反应的分子及结构驱动因素仍知之甚少，这限制了其潜力在健康导向和气候适应性食品系统中的充分挖掘。为了揭示这一问题，印度农业研究所食品基质实验室的研究团队开展了一项深入研究，成果发表在《Journal of Functional Foods》上。
为探明珍珠粟基因型间淀粉消化异质性的成因，研究人员首先在2023-2024年种植季栽培了11个印度珍珠粟基因型，包括5个地方品种和6个高产品种。研究团队综合运用了多种分析技术，包括测定淀粉成分（总淀粉、直链淀粉、支链淀粉）、蛋白质含量，通过体外淀粉水解动力学评估消化率并计算预测升糖指数(pGI)，利用流变仪分析糊化特性，采用X射线衍射(XRD)评估晶体结构，并通过显微技术观察谷物微观结构，最后通过主成分分析(PCA)整合所有数据，解析关键决定因素。
3.1. 珍珠粟基因型的农艺形态性状和产量表现
研究人员评估了11个珍珠粟基因型的农艺性状。分析结果显示，基因型间在开花天数（46-55天）、成熟期（75-85天）、株高（180-240厘米）、穗长（18-30厘米）、穗围（1.55-2.62厘米）及籽粒产量（1898-3607千克/公顷）等方面存在显著差异，尤其是Pusa-1803的产量最高。这些显著的基因型变异为后续营养与功能食品开发的定向选择提供了基础。
3.2. 珍珠粟基因型淀粉质量及蛋白质含量的变异
淀粉质量指标在基因型间差异显著。总淀粉含量(TSC)在51.81%（Dhodsar Local）到69.39%（86M94）之间变化。直链淀粉含量(TAC)范围为18.27%（86M94）至27.68%（HHB-67 Improved），而支链淀粉含量(TAPC)则从30.62%（Dhodsar Local）到51.12%（86M94）。蛋白质含量在9.84%（ProAgro 9001）至13.39%（HHB-67 Improved）之间。这些组分差异为理解后续消化性能的差异奠定了物质基础。
3.3. 珍珠粟基因型间的淀粉水解动力学及预测升糖指数变异性
通过体外淀粉水解动力学评估淀粉消化特性。快速消化淀粉(RDS)含量范围为26.32%（HHB-67 Improved）至44.74%（PC-701），而缓慢消化淀粉(SDS)含量则在14.65%（Pusa-1803）至27.44%（Chanana Bajri）之间。预测升糖指数(pGI)范围是54.63至58.87，其中PC-701最高，HHB-67 Improved最低。相关性分析显示，pGI与SDS呈显著负相关(r = -0.633)，总淀粉含量与RDS和pGI也呈负相关。这表明更高的SDS比例与更低的血糖反应相关，而更高的总淀粉含量相较于RDS，也能减缓血糖上升。
3.4. 珍珠粟基因型的流变特性调控淀粉消化动力学
流变学分析揭示了淀粉糊化行为的差异。峰值粘度(PV)范围是1697.00至2363.67 mPa.s，糊化温度(PT)范围为70.59°C至74.41°C。关键发现是，峰值粘度(PV)与pGI呈显著负相关(r = -0.828)。较高的PV通常表明淀粉结构更复杂，限制了酶的快速接近与分解，从而减缓餐后葡萄糖释放。这表明流变特性可以作为预测淀粉消化速率的一个有用指标。
3.5. X射线衍射晶体结构分析指导珍珠粟淀粉消化性
X射线衍射(XRD)分析显示所有基因型均表现出典型的A型结晶性。相对结晶度在18.44%（Dhodsar Local）至26.97%（HHB-67 Improved）之间变化。高结晶度与低pGI显著负相关(r = -0.788)。结果表明，淀粉颗粒中更有序、紧密堆积的双螺旋结构能够限制酶的可及性，从而降低体外淀粉水解速率，产生更低的血糖反应。Chanana Bajri表现出高度有序的晶体结构，这与它最高的SDS含量相符。
3.6. 珍珠粟籽粒的微观结构决定因素影响淀粉水解
显微结构分析显示，基因型间在关键参数上存在显著差异。果皮厚度在29.44至57.85微米之间，淀粉粒直径范围是6.73至12.39微米。较小的淀粉粒通常具有更高的表面积与体积比，理论上会促进更快的水解，但研究发现，尽管珍珠粟淀粉粒较小，但由于其淀粉粒表面可能缺乏孔隙，并且存在直链淀粉-脂质复合物，反而可能限制酶的作用。果皮厚度、胚乳细胞表面积和淀粉粒尺寸等微观结构特征共同构成了酶扩散的物理屏障，从而影响消化速率。
3.7. 珍珠粟基因型的主成分分析
主成分分析整合了组分、消化性、糊化和微观结构特征。前两个主成分解释了44.33%的总变异。PC1（22.83%）主要受总支链淀粉含量、相对结晶度、最终粘度(FV)和胚乳细胞表面积影响。PC2（21.49%）则主要与RDS、SDS、水解指数(HI)、速率常数(k)、pGI、崩解粘度(BDV)和果皮厚度相关。PCA结果将基因型分为几组：Chanana Bajri、PC-701和86M94表现出较高的SDS和较低的pGI，这与更紧密有序的淀粉基质特征相符。而Dhodsar Local和Pusa-1803则与较高的RDS和pGI关联。分析表明，珍珠粟的淀粉消化性不仅受直链淀粉与支链淀粉比例影响，更受淀粉-蛋白质基质微观结构排列的调控。
结论与讨论
该研究系统揭示了不同珍珠粟基因型间淀粉消化特性的分子与微观结构基础。高缓慢消化淀粉(SDS)含量、高结晶度和高峰值粘度(PV)的基因型呈现出更低的预测升糖指数(pGI)，表明其淀粉消化速率更慢，葡萄糖释放更平缓。研究指出，果皮厚度、细胞壁完整性和淀粉颗粒尺寸等微观结构特征是调控酶可及性的关键物理屏障。主成分分析清晰地将基因型按其消化特性聚类，例如Chanana Bajri、PC-701和86M94被归为具有紧凑结构、缓慢消化类型的基因型。
这项研究的意义在于，它不仅阐明了影响珍珠粟淀粉消化异质性的关键因素，更重要的是为育种项目提供了明确的筛选目标。通过选择具有高结晶度、高SDS和特定微观结构的基因型，可以培育出更适合糖尿病患者或需要控制血糖人群食用的低GI珍珠粟品种。研究结果为开发以珍珠粟为基础的功能性食品，以帮助管理血糖和代谢健康，提供了坚实的科学依据和数据支撑，有助于充分利用这种气候适应性强的营养谷物，构建更具韧性和健康益处的食物系统。未来研究可以结合体内血糖测量和感官评价，进一步验证这些基因型在实际应用中的效果。
