小麦胚乳和麸皮纤维素的结构分析：其对淀粉糊化及凝胶特性的影响

《Food Hydrocolloids》：Structural Analysis of Wheat Endosperm and Bran Cellulose: Effects on Starch Gelatinization and Gel Properties

纳米纤维素结构特性及其对小麦淀粉凝胶性能的影响研究。通过扫描电镜和透射电镜分析小麦胚乳和麸皮纤维素结构，发现纳米纤维素（CNF）在1-4%添加量下显著抑制淀粉膨胀溶解，形成连续三维网络，提升水分保持能力达15.2%，4% CNF系统弹性指数达0.85，凝聚力达0.55。

　　

英瑞峰|赵静怡|龙平|黄美桂

中国南京林业大学森林食品资源开发利用国家重点实验室，南京 210037

摘要

小麦胚乳中的纤维素由于其高度有序的微纤网络结构，有助于维持细胞完整性和增强机械强度。在本研究中，从小麦的胚乳和麸皮中提取了纤维素，并使用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜对其进行了结构表征。根据形态观察结果，选择了一种具有相似结构特征的商用纤维素，以研究纤维素结构对小麦淀粉糊化的影响。通过将小麦淀粉与两种结构不同的纤维素共糊化，制备了复合体系。通过流变测量、质地分析、低场核磁共振、持水能力（WHC）和SEM等手段，全面评估了纤维素对淀粉糊化和凝胶特性的影响。结果表明，当纳米纤维素的添加量为1%–4%时，可抑制淀粉的膨胀和溶解，且在相同浓度下，纳米纤维素微纤（CNF）的抑制效果更为显著。WHC和水化分析显示，纳米纤维素显著提高了持水能力。由于CNF具有延长的纤维形态，它形成了一个连续的网络，从而提高了淀粉复合材料的整体WHC。此外，CNF固有的柔韧性有助于保持复合凝胶的高弹性。值得注意的是，含有4% CNF的体系表现出最高的凝聚性和弹性（分别为0.55和0.85）。

引言

作为自然界中普遍存在的一种多糖，淀粉在食品工业中起着不可或缺的作用（Zheng等人，2024；Wang等人，2020；Wang等人，2021）。然而，天然淀粉凝胶常常存在一些局限性，如析水（脱水收缩）、对环境条件的敏感性以及快速消化性，这些限制了其更广泛的应用。因此，开发有效策略来增强淀粉凝胶的功能特性已成为重要的研究方向。淀粉的糊化行为对其质量、质地和稳定性有着关键影响（Li，2022）。一种有前景的方法是通过添加非淀粉多糖（NSPs）来构建复合体系，多糖之间的协同作用可以显著改善淀粉的性能（Li等人，2022）。常见的NSPs包括果胶、阿拉伯木聚糖（AX）、纤维素和β-葡聚糖（BG）。例如，桑树多糖通过增强持水能力来提高冻融稳定性，从而有效减少析水并强化凝胶基质（Fu等人，2023）。

纤维素是最丰富的天然聚合物之一，是植物细胞壁的主要成分（Zhang等人，2021b；Daza-Orsini等人，2024；Zhang等人，2021a）。在小麦籽粒中，细胞壁含有三种主要的NSPs：AX、BG和纤维素。这些多糖共同在胚乳内部形成了三维网络。其中，纤维素作为主要的结构骨架，通过其高度有序的微纤网络维持细胞形态和机械强度，并因其独特的物理化学性质而具有重要的实际价值。在小麦中，纤维素的分布具有组织特异性：它主要存在于麸皮中，占干重的2.80%–4.92%，在不同结构层（如外果皮层、中间层和糊粉层）之间存在显著差异。相比之下，胚乳中的纤维素含量较低，范围为0.20%–0.37%（Fan等人，2023；Fistes等人，2013）。

作为不溶性非淀粉多糖，纳米纤维素在淀粉凝胶体系中的效果通常不如可溶性纤维素（Sun等人，2025）。然而，作为纳米填料，它们可以通过“纳米增强”机制显著提高淀粉凝胶的机械性能。例如，将纤维素纳米晶体（CNC）添加到玉米淀粉凝胶中可以使弹性模量增加三倍以上。CNC的刚性晶体结构通过接触和重叠在淀粉凝胶网络中形成物理交联点，从而提高弹性模量和拉伸强度，同时降低淀粉的消化性（Xu等人，2023b）。相比之下，纤维素纳米纤（CNF）的长纤维结构能够通过缠结形成更密集的三维网络，限制消化酶对淀粉的接触并阻碍葡萄糖的扩散，从而有助于调节餐后血糖水平（Liu等人，2018）。这些例子突出了两者作用机制的核心区别：CNC主要作为一种刚性颗粒填料，通过形成局部交联来强化淀粉基质，而CNF则作为一种纤维网络形成剂，渗透并重构凝胶连续体。这种作用机制的根本差异源于它们的不同形态和界面性质，这也导致了它们对淀粉复合材料流变、质地和水化特性的不同影响（Mahardika等人，2019）。

在本研究中，从小麦的胚乳和麸皮中提取了纤维素，并使用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对其结构特征进行了表征。根据观察到的结构特征，选择了具有类似形态的商用纤维素，以研究纤维素结构对小麦淀粉糊化特性的影响。通过将淀粉与两种结构不同的纤维素共糊化，制备了复合凝胶。通过流变测量、质地分析、低场核磁共振（LF-NMR）、持水能力（WHC）评估和SEM成像等方法，评估了纤维素对淀粉糊化的影响。

材料

实验中使用的小麦籽粒均采自2023年冬季，产自河南省商丘市。纤维素纳米晶体（CNC，直径：3–5 nm，长度：200 nm，纯度>99%，原料来自棉花）和纤维素纳米纤（CNF，直径：10 nm，长度：5 μm，纯度>99%，原料来自木浆）分别从天津穆静玲科技有限公司和蒯沟科学研究纳米材料有限公司购买。小麦淀粉购自新乡市。

纤维素的提取与显微观察

小麦胚乳中的纤维素含量（0.75%）高于以往研究中分离出的胚乳纤维素含量范围（0.20%–0.37%）。这一较高的含量主要归因于本实验采用的手动解剖方法，该方法旨在分离纯胚乳组织，但可能包含了一定量的富含纤维素的麸皮层。相比之下，全麦面粉中的纤维素含量（2.4%）要高得多，这主要是由于麸皮的贡献。

结论

本研究结果表明，在1%–4%的添加浓度范围内，两种类型的纳米纤维素都能抑制淀粉的溶解和膨胀，且在相同浓度下，CNF的抑制效果更明显。WHC和水化特性的分析表明，纳米纤维素增强了淀粉体系的持水能力。由于其长纤维结构，CNF形成了一个连续的三维网络，显著提高了复合凝胶的WHC。

作者贡献声明

英瑞峰：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法学设计、资金获取。赵静怡：撰写——初稿撰写、实验设计、数据分析、概念构建。龙平：数据分析。黄美桂：数据分析

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明与本研究无任何利益冲突。

我们声明与任何可能不当影响我们工作的个人或组织没有财务或个人关系，也没有任何可能影响本文立场或手稿评审的职业或其他个人利益。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：31600153）的支持。