超声降解金线莲多糖：动力学过程、结构变化及其对小麦淀粉消化率的影响

《Food Research International》：Ultrasonic degradation of Dendrobium officinale polysaccharide: Kinetics, structural modification, and its impact on wheat starch digestibility

超声降解高聚多孔兰多糖（DOP）的动力学、结构演变及对小麦淀粉（WS）功能特性的影响。建立基于中期链断裂的动力学模型，证实超声处理显著降低DOP分子量（Mw）、粒径及表观粘度，同时提升溶解性和抗氧化活性。研究发现，DOP及其降解产物（UDOPs）通过分子量依赖机制调控WS的糊化特性、流变性和体外消化性，其中WS-DOP混合体系峰值粘度、弹粘性和抗性淀粉含量分别增加126.99%、51.44%和43.83%（p<0.05）。该研究为超声波定向修饰多糖功能特性提供理论依据，建立“降解-结构-活性-应用”一体化技术范式。

　　

Jinfeng Fu | Xiong Fu | Pingping Wang | Yuxuan Fu | Chun Chen

华南理工大学食品科学与工程学院，中国广州510640

摘要

本研究系统地探讨了高分子量铁皮石斛多糖（DOP）的超声降解过程，重点关注了降解动力学、物理化学变化、抗氧化活性以及其对小麦淀粉（WS）糊化、流变性和消化性的影响。基于中间链断裂机制的动力学模型准确描述了降解过程。结构分析表明，DOP的主要化学成分（主要由甘露糖（72%）和葡萄糖（27%）组成）及其功能基团在超声处理后保持完整，但其分子量（Mw）、粒径、表观粘度和持水能力显著降低。同时，降解产物（UDOPs）的溶解度和体外抗氧化活性显著增强。扫描电子显微镜（SEM）观察发现UDOPs的表面形态发生了明显变化。此外，DOP和UDOPs以分子量依赖的方式调节了WS的糊化、流变性和消化特性。与WS组相比，WS-DOP混合物的峰值粘度、粘弹性和抗性淀粉含量分别增加了126.99%、51.44%和43.83%（p

引言

铁皮石斛（Dendrobium officinale）属于兰科植物，在亚洲广泛分布（Chen, Wu等人，2021年），因其多种药理作用（包括免疫调节、抗氧化和降血糖作用）而被广泛应用于传统中药和功能性食品中（Cheng等人，2019年；Li等人，2023年）。铁皮石斛多糖（DOP）被认为是其主要的生物活性成分之一，对健康促进作用具有重要意义（He等人，2022年）。然而，天然DOP通常具有较高的分子量（Mw），这会导致粘度升高和溶解度降低，从而限制了其在食品和制药领域的应用。因此，需要有效的改性策略来提升其功能性和扩大工业应用范围。

多糖的生物活性和物理化学行为与其结构特性密切相关，如分子量（Mw）、单糖组成、糖苷键类型和链构象（Chen, Zhang, & Chen，2024年）。近期研究表明，控制多糖的降解可以提高其生物利用度和生物活性，尤其是低分子量片段（Hamed等人，2025年；Huo等人，2024年）。例如，使用创新辐射技术降解了 Siberian Polygonatum多糖（674 kDa），结果表明，210 kDa的放射降解产物（RPSP）在氧化炎症背景下具有有效的ROS清除作用（Tang等人，2025年）。Xu及其同事（Xu, Li等人，2025年）优化了H₂O₂/Vc降解方法的反应条件，发现从多花党参根中水解得到的低分子量多糖（5.97 kDa）在体外通过抑制Keap1激活Nrf2/HO-1通路来延缓T淋巴细胞衰老。

在食品系统中，多糖常被用作增稠剂、稳定剂和凝胶剂（Kraithong等人，2025年；Wang, Wang等人，2024年）。然而，过高的粘度可能对产品的质地和感官质量产生不利影响。例如，微生物多糖Welan gum可以提高酸奶凝胶的粘度、模量和触变特性，从而为吞咽困难患者提供更多饮食选择（Guo等人，2025年）。然而，食品的高粘度仍可能增加吞咽时的吸入风险。Ji及其同事（Ji等人，2023年）研究了不同多糖在乳制品中的影响，发现多糖的分子量和构象会影响乳制品的摩擦学和感官特性。其中，瓜尔胶的润滑效果最为显著。这些发现强调了调整DOP等多糖的分子量以改善其物理化学性质并优化其在复杂食品体系中的性能的重要性。

淀粉是日常饮食中碳水化合物的主要来源，小麦淀粉（WS）是面条、馒头和饺子等主食的关键成分。多糖的分子量会显著影响其在食品中的物理化学性质和功能表现。例如，与中等分子量的可溶性大豆多糖（SSPS）（747.03 kDa）和低分子量的SSPS（133.02 kDa）相比，添加高分子量的SSPS（1014.02 kDa）可以增强土豆淀粉凝胶的硬度和凝胶强度，并促进形成致密有序的凝胶网络结构（Shen等人，2025年）。同样，Bu等人（Bu等人，2024年）发现不同分子量的Flammulina velutipes多糖通过不同机制限制了大米淀粉的消化速率。具有三螺旋结构的高分子量多糖（1150 kDa）增加了粘度并与淀粉颗粒缠结，从而降低了大米淀粉凝胶的消化速率。相反，低分子量多糖（103 kDa）增强了淀粉与水分子之间的氢键作用，使大米淀粉凝胶形成更紧凑有序的网络结构，这也导致了消化速率的降低。然而，DOP分子量对其体外消化性和淀粉性质的影响尚未得到充分研究。

多种降解方法已被用于多糖的降解，包括酸水解、酶处理和自由基诱导切割（Chen, Wang等人，2023年）。其中，超声辅助降解作为一种绿色、高效且可扩展的技术受到了关注。超声产生的空化效应会产生强烈的剪切力和局部高温/高压，从而在不使用强化学物质的情况下断裂糖苷键（Cui & Zhu，2021年）。尽管已有研究报道了多糖的超声降解，但缺乏将降解动力学、结构变化和应用特性相结合的系统性研究。

为了解决这些关键问题，我们提出了一项以“降解–结构–活性–应用”连续体为中心的综合性研究。具体目标包括：（1）建立DOP超声降解的动力学模型；（2）评估降解对DOP的结构、物理化学和抗氧化性质的影响；（3）研究DOP及其降解产物对小麦淀粉糊化、流变性和体外消化性的影响。本研究旨在为DOP在功能性食品设计中的可控改性和价值利用提供机制理解和实用框架。

材料与试剂

铁皮石斛的干燥根茎购自中国广州的广州 Zhixin Pharmaceutical Co., LTD。单糖标准品2,2′-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline)-6-sulfonic acid（ABTS）和2,2′-Azobis(2-methylpropionamidine) dihydrochloride（AAPH），以及猪胰α-淀粉酶（8 × USP）购自中国上海的Shanghai Macklin Biochemical Co., Ltd。淀粉葡萄糖苷酶（1 × 10⁶ U / g）购自中国上海的Shanghai Yuanye Bio-Technology Co., Ltd。

超声处理下DOP的降解动力学

在不同多糖浓度和超声功率水平下系统研究了DOP的降解动力学。图1A和B展示了分子量（Mw）随超声时间的变化情况。图2A和B中的降解速率用于描述Mw的变化程度。

结论

本研究建立了铁皮石斛多糖（DOP）超声改性的综合“降解-结构-活性-应用”范例。我们成功证明了超声功率、处理时间和多糖浓度是控制降解动力学的关键参数，这些参数可以通过遵循中间链断裂机制的二阶动力学模型准确描述。重要的是，超声处理保持了DOP的主要化学结构。

CRediT作者贡献声明

Jinfeng Fu：撰写 – 原始稿撰写、可视化、验证、方法学设计、实验研究、数据分析。 Xiong Fu：指导、概念构思。 Pingping Wang：指导。 Yuxuan Fu：验证。 Chun Chen：撰写 – 审稿与编辑、指导、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2024YFF1105602）、中央高校基本科研业务费（2025ZYGXZR097）、云南傅雄专家工作站（202405AF140094）和珠海市基础与应用基础研究基金（2320004002608）的支持。

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