乙酸在山药（Dioscorea polystachya）热加工过程中对质地和果胶网络的稳定作用：多尺度结构与分子层面的研究

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Acetic acid-mediated stabilization of texture and pectin networks during thermal processing of Yam ( Dioscorea polystachya): Multi-scale structural and molecular insights

通过乙酸预处理可增强山药细胞壁果胶网络的热稳定性，抑制β-消除反应，促进钙介导交联，提高热加工后质地保持能力。采用多尺度分析技术验证了分子间氢键与结构稳定性的关联。

　　

Muhammad Burhan Khan Tareen|Nawal Saeed|Yanzhao Liu|Maqbool Ahamd|Xianqiang Chen|Guoxun Chen|Jie Li|Shoulei Yan

华中农业大学食品科学与技术学院，中国湖北省武汉市430070

摘要

本研究探讨了乙酸预处理如何改变果胶介导的细胞壁网络，并提高山药（Dioscorea polystachya）切片在热处理过程中的质地稳定性。通过结合免疫荧光显微镜、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、凝胶渗透色谱、同时热分析（STA）和分子动力学模拟的多尺度分析方法，研究发现1.2%的乙酸预处理显著提高了果胶的热稳定性。该处理将可被CDTA溶解的果胶（CSF）含量从10%增加到18%，并通过钙辅助的交联作用保持了均聚半乳糖醛酸（HG）和鼠李糖半乳糖醛酸-I（RG-I）区域的完整性。FT-IR和STA分析表明，乙酸处理后果胶中的甲基酯化结构得到保留，同时热稳定性也得到了增强；原位免疫标记实验确认主要? HG和RG-I表位在加热过程中未被破坏。分子动力学模拟进一步证实了这些观察结果，表明乙酸与半乳糖醛酸残基形成了稳定的氢键，从而抑制了β-消除反应并维持了Ca²⁺介导的连接区域。综上所述，乙酸是一种有效的果胶水胶体稳定剂，有助于保持热处理植物食品的理想质地。

引言

山药（Dioscorea属）是全球第四大栽培的根茎作物，仅次于木薯（Manihot esculenta）、甘薯（Ipomoea属）和马铃薯（Solanum属）（Padhan & Panda, 2020; Zhang et al., 2024）。作为数百万人的主食，特别是在西非，山药因其高碳水化合物含量以及丰富的蛋白质、维生素和矿物质而备受重视（Adesokan et al., 2024; Baah et al., 2009; Kouakou et al., 2025）。除了营养价值外，山药还为研究加工过程中植物细胞壁多糖的变化提供了重要材料（Tareen et al., 2025）。

质地是根茎作物的关键品质属性。烹饪过程中软化主要是由于细胞壁聚合物的结构分解和细胞间黏附力的丧失（Akissoe et al., 2011; Li et al., 2024; Liu, Bi, et al., 2020）。植物细胞壁是一个复合网络，其中纤维素微纤维提供结构刚性，而果胶和半纤维素则赋予其柔韧性和凝聚力（Burton et al., 2010）。在这些成分中，果胶由于酯化程度、单糖组成及其与钙和其他多糖的相互作用，在决定组织硬度方面起着核心作用（Effah-Manu et al., 2022）。

在热处理过程中，果胶的完整性会通过酶促和非酶促途径受损。果胶甲基酯酶（PME）会催化HG的脱酯反应，生成可形成钙介导交联的羧基（Mao et al., 2019）。非酶促机制包括β-消除反应和酸水解，这些反应会降解HG骨架并破坏RG-I侧链，其速率受温度、pH值和离子环境的影响（Krall & McFeeters, 1998）。这些结构变化与组织软化密切相关，并受温度、pH值和离子条件的强烈影响（Broxterman & Schols, 2018）。先前的研究表明，乙酸浸泡可以减缓β-消除反应、减少CSF的损失并增强细胞间的黏附力，但其在山药组织中的具体分子机制及其作用机制仍不清楚（Li et al., 2025; G. Liu, Liu, et al., 2020; Sun et al., 2023）。

新兴证据表明，温和的酸预处理可以调节果胶的酯化程度，促进钙介导的连接区域形成，并提高植物细胞壁的热稳定性（Jermendi et al., 2022）。在食品级有机酸中，乙酸（pKa 4.76）因其能在山药pH值约4.2–4.5时最佳激活PME而受到青睐，从而实现去甲基化/Ca²⁺交联而不引起过度水解。与柠檬酸（pKa 3.13；强钙螯合作用会破坏连接）或苹果酸（pKa 3.40/5.11；缓冲能力较差）不同，乙酸能够屏蔽尿苷酸残基，抑制β-消除反应（在100°C下通过C5-O6键断裂）（Li et al., 2025）。然而，关于弱有机酸如何在热处理过程中与果胶（尤其是HG和RG-I区域）相互作用的分子机制仍较为有限。因此，本研究假设乙酸预处理可以重新组织果胶的分子结构，通过稳定CSF来提高烹饪后的硬度。研究采用了多尺度方法，结合免疫荧光显微镜、FT-IR光谱、凝胶渗透色谱、热分析和分子动力学模拟，以探讨乙酸与果胶在热处理过程中的相互作用，重点关注β-消除反应的抑制和细胞完整性的保持。

原材料

2023年6月，从中国湖北省武汉市华中农业大学附近的当地市场采购了新鲜山药。购买了10公斤的新鲜山药，并丢弃了任何变质或患病的部分，以确保样品的质量。

样品制备

新鲜山药（Dioscorea polystachya）用自来水清洗、去皮后切成10–15毫米厚的切片。经过初步优化（见图S1和S2），选择1.2%（w/v）的乙酸作为预处理浓度，因为该浓度能够达到最佳效果

硬度

根据初步实验，研究了乙酸预处理后热处理对山药切片硬度的影响（补充图S1和S2总结了用于确定预处理条件的优化过程）。图1显示，经过乙酸溶液（AAIU）预处理的未煮制样品具有最高的硬度值（4263.58克），表明在热处理前组织结构得到了显著增强

结论

本研究表明，乙酸预处理在热处理过程中能够保持山药细胞壁果胶中HG和RG-I区域的结构完整性。通过促进钙介导的交联并减少β-消除引起的降解，乙酸维持了果胶水胶体网络的凝聚力。多尺度分析结果显示，乙酸抑制了果胶的溶解，保留了甲基酯化和低酯化的HG

CRediT作者贡献声明

Muhammad Burhan Khan Tareen：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件应用，方法学设计，数据分析，概念构思。Nawal Saeed：撰写 – 审稿与编辑。Yanzhao Liu：撰写 – 审稿与编辑。Maqbool Ahamd：撰写 – 审稿与编辑。Xianqiang Chen：撰写 – 审稿与编辑。Guoxun Chen：撰写 – 审稿与编辑。Jie Li：撰写 – 审稿与编辑。Shoulei Yan：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督

资助

本研究得到了湖北省重点研发项目（2021BBA093）的财政支持。

利益冲突声明

作者们之间没有利益冲突，所有作者均已批准手稿并同意将其提交给期刊。

致谢

本研究得到了湖北省重点研发项目（2021BBA093）的财政支持。图形摘要和图像的制作使用了Origin pro、Biorender（https://BioRender.com）和Adobe Photoshop软件。