《International Journal of Biological Macromolecules》：Multiscale interaction of
Hericium coralloides polysaccharide with maize starch: Impact on structural properties and digestibility
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调控淀粉消化以缓解餐后高血糖是营养学领域的重要挑战，食用菌多糖因其结构特性可同时通过物理屏障和抑制α-葡萄糖苷酶活性双重机制调节淀粉消化。本研究以珊瑚状蜜环菌多糖（HCP）为对象，系统探究其与玉米淀粉的多尺度相互作用机制，发现HCP与淀粉形成广泛氢键网络，显著改变淀粉结晶度、储能模量（增加至1001 Pa）和持水能力，体外消化实验显示HCP将快速消化淀粉比例从68.3%降至41.5%，同时增加慢速和抗性淀粉比例。分子动力学模拟证实HCP对α-葡萄糖苷酶的束缚自由能（-104.80 kcal/mol）远超淀粉本身（-42.88 kcal/mol），并可通过自组装与淀粉形成稳定复合物。这些发现为开发低升糖指数功能食品提供了结构-功能调控理论框架。
王文杰|赵梦娜|高欣宇|赵欣烨|何轩宇|崔家兴|储璐璐|王浩
天津科技大学食品科学与工程学院，中国天津300457
摘要
调节淀粉消化以缓解餐后高血糖是营养学领域的核心挑战之一。食用蘑菇多糖因其具有调节食物结构和潜在抑制消化酶活性的双重功能，已成为非常有前景的天然淀粉改性剂。在这项研究中，选择了一种类似珊瑚的Hericium erinaceus多糖（HCP），其具有独特的β-(1→3)-半乳聚糖主链和岩藻糖/葡萄糖醛酸侧链，系统研究了其与玉米淀粉的多尺度相互作用及其调节淀粉消化率的机制。多尺度表征显示，HCP与玉米淀粉形成了广泛的氢键网络，显著改变了淀粉的结晶性，使凝胶的储能模量增加到1001 Pa（添加0.5% HCP时），并显著增强了保水性。体外消化实验表明，HCP通过形成物理屏障限制酶的接触，并通过与α-葡糖苷酶的强结合抑制其活性，使快速消化的淀粉含量从68.3%降至41.5%，而缓慢消化的淀粉和抗性淀粉含量分别增加到32.7%和25.8%。分子动力学模拟进一步揭示，HCP可以作为α-葡糖苷酶的有效且特异的配体，其结合自由能（-104.80 kcal/mol）明显强于玉米淀粉（-42.88 kcal/mol），表现出优异的结合强度和构象调节能力。此外，HCP可以与淀粉自组装形成稳定的复合聚集体。这些发现为基于多糖-淀粉相互作用设计低血糖指数的功能性食品提供了理论基础。
引言
近年来，随着全球饮食结构的快速变化，饮食中精制碳水化合物的比例显著增加[1]。研究表明，这种饮食导致的餐后血糖剧烈波动很可能会引发包括胰岛素抵抗、肥胖和2型糖尿病在内的代谢疾病[2]、[3]。作为人类饮食中最丰富的碳水化合物，淀粉的消化特性直接决定了葡萄糖的释放动力学。研究显示，淀粉分子链的有序性、结晶性及其与其他成分的相互作用显著影响了其酶促水解速率[4]、[5]。因此，通过调节淀粉的分子构象和多尺度结构特性来开发具有持续释放功能的低血糖指数（GI）食品，已成为改善碳水化合物代谢健康的核心策略之一。
在这种背景下，膳食多糖因其独特的物理化学性质和潜在的生理功能而在营养科学中受到了广泛关注[6]。多项研究阐明了多糖与淀粉之间的协同效应。例如，张等人证明卡拉胶形成了一个氢键网络，包裹了淀粉颗粒，从而降低了它们对消化酶的可用性[7]。同样，白团队的研究揭示了果胶能够创建一个粘弹性凝胶基质，物理上阻碍α-淀粉酶介导的淀粉链水解[8]。值得注意的是，膳食多糖相对于传统胶体材料的核心优势在于它们的“双重功能性”[9]。这些膳食多糖不仅通过凝胶化和拓扑缠结等物理相互作用改变淀粉的物理化学性质，还表现出内在的生物活性，可能协同抑制α-淀粉酶的活性[10]。这种物理修饰和生化调节的结合赋予了多糖-淀粉复合系统在功能性食品开发中的独特潜力。
Hericium coralloides多糖（HCP）是一种来自药用和可食用真菌的生物活性聚合物，因其具有的胃保护、免疫调节和抗氧化特性而受到广泛关注[11]。从结构上看，HCP具有由β-(1→3)糖苷键连接的半乳糖主链，以及形成复杂三维网络的α-(1→6)-分支岩藻糖和葡萄糖醛酸侧链[12]。这种独特的结构拓扑表明其与淀粉分子具有多价相互作用潜力。β-构型的主链可能在空间上补充淀粉的螺旋结构，促进分子间氢键的形成，而其阴离子羧基可以通过静电相互作用稳定复合物[13]、[14]。然而，现有研究大多仅限于单一尺度的表征，如流变性质或体外消化率，对于HCP与玉米淀粉在分子、超分子和宏观尺度上的协同机制的系统研究仍然不足。此外，迫切需要阐明HCP与淀粉消化之间结构-活性关系的分子基础，以及通过“物理屏障抑制酶活性”这一双重途径的协同调节机制。
本研究旨在通过整合多尺度表征和体外消化模型，阐明HCP与玉米淀粉（MS）之间的多尺度相互作用机制。它系统研究了HCP如何通过两种途径调节淀粉消化动力学：形成物理屏障和直接抑制α-葡糖苷酶活性。通过弥合宏观尺度凝胶性质与分子水平结合动力学之间的差距，本研究为低血糖指数功能性食品的合理设计提供了创新的理论框架。此外，它开创了一种利用天然真菌多糖精确调节碳水化合物代谢的新途径。
材料与试剂
国家食用菌品种改良中心福建分部提供了Hericium coralloides。葡萄糖醛酸、葡萄糖和EDTA（乙二胺四乙酸）购自Sigma Chemical Co.（美国密苏里州圣路易斯）。纯净水来自Milli-Q系统（Millipore，美国马萨诸塞州贝德福德）。天然玉米淀粉（MS），纯度为98%，水分含量为14.1%，蛋白质含量为0.30%，直链淀粉含量为29.4%，购自Source Leaf
糊化特性分析
淀粉糊化是淀粉在水介质和热共同作用下的复杂物理化学过程[20]。其基本特征包括淀粉颗粒的吸水和膨胀、晶体结构的解离、颗粒破裂，导致直链淀粉和支链淀粉的溶解，最终通过分子重组形成三维凝胶网络结构[21]。根据图1和表1，纯MS系统表现出典型的结论
与餐后高血糖相关的代谢紊乱日益普遍，这突显了调节淀粉消化动力学的创新策略的必要性。本研究阐明了HCP与MS之间的多尺度相互作用机制，揭示了它们在调节淀粉消化方面的协同效应。与以往仅关注单一尺度效应或单一机制的研究不同，这项工作首次建立了完整的“结构-消化率”调节关系
作者贡献声明
王文杰：撰写——原始草稿，软件使用，方法学设计，实验研究，数据分析，概念构建。赵梦娜：撰写——原始草稿，数据管理。高欣宇：数据可视化，实验研究。赵欣烨：项目监督，资源协调。何轩宇：结果验证，软件应用。崔家兴：数据可视化，软件使用。储璐璐：撰写——审稿与编辑，项目监督，资源协调，资金争取，概念构建。王浩：撰写——审稿与编辑，数据可视化。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：32502202）和天津食品安全监测技术重点实验室开放项目（编号：FSMTKL-202404）的支持
