综述：膳食纤维与淀粉之间的相互作用机制：多尺度层面的结构调控及其对物理化学性质的影响

《Food Hydrocolloids》：Interaction mechanisms between dietary fiber and starch: Structural modulation at multi-scale levels and its impact on physicochemical properties

本文系统探讨膳食纤维与淀粉的相互作用机制，包括物理陷阱、分子缠绕、粘度效应、水分竞争和非共价相互作用，分析这些机制如何调控淀粉多尺度结构，并影响其消化性、流变性和热稳定性等关键性能，为功能化淀粉开发提供理论支撑。

　　

魏玉斌|李梦圆|马森

河南工业大学食品科学与工程学院，郑州，中国

摘要

天然淀粉是一种可再生、环保的资源，广泛存在。然而，其在食品中的应用受到一些缺点的限制，例如糊化后容易发生回生、抗剪切性差以及热稳定性不足。研究表明，由于膳食纤维具有出色的持水能力、结合油脂的能力、膨胀能力和吸附能力，因此被广泛用于改性和改善淀粉的物理化学性质。尽管现有研究主要集中在膳食纤维-淀粉复合体对功能性的影响上，但对其相互作用的深入机制理解仍然不够充分。为了填补这一空白，本综述重点探讨了膳食纤维与淀粉之间的相互作用。首先，阐明了基本的相互作用机制（物理包裹、分子缠结、粘度效应、水分竞争效应和非共价相互作用）。其次，系统地讨论了这些相互作用如何调节淀粉的多尺度结构，包括颗粒形态、生长环、晶体和短程有序结构、螺旋结构以及分子结构。最后，阐明了这些结构变化对淀粉关键物理化学性质（如体外消化性、流变行为、糊化特性和冻融稳定性）的影响。本研究旨在为有针对性地改性和开发先进的淀粉基食品提供坚实的理论基础和有价值的见解。

引言

淀粉是一种广泛存在、无毒、低成本且生物相容的可再生资源，是食品加工工业的基础。它被广泛用作增稠剂、凝胶剂和稳定剂（Chen等人，2023；Sudheesh等人，2024）。然而，天然淀粉的更广泛应用受到一些固有缺点的限制，包括冷水溶解度低、糊化后容易发生回生、抗剪切性差以及冻融稳定性差（He、Du等人，2025）。此外，作为重要的膳食成分和主要能量来源，淀粉的消化性是调节餐后血糖水平的关键因素（Qin等人，2025）。淀粉在唾液和胰淀粉酶的作用下转化为糊精、寡糖和麦芽三糖，然后在小肠中由α-葡萄糖苷酶水解为葡萄糖（Wu等人，2021）。这一过程的速率和程度直接决定了餐后血糖升高的幅度和速度（Cao等人，2024）。长期摄入富含淀粉的食物可能导致餐后血糖剧烈波动，从而可能诱发胰岛素抵抗，并显著增加患2型糖尿病、肥胖症和心血管疾病等代谢综合征的风险（Gu等人，2025）。因此，调节淀粉类食物的消化和葡萄糖的吸收对于维持血糖稳态至关重要。淀粉的消化性受其内在结构的影响。例如，表面积较大的小淀粉颗粒更容易被酶水解，因此淀粉的消化性与颗粒大小呈负相关（Li、Wang等人，2023）。此外，直链淀粉分子具有线性结构，通过氢键形成抗酶攻击的晶体区域。相比之下，支链淀粉的高度分支结构导致晶体堆积相对松散。研究表明，富含短链（A和B₁）的淀粉消化速率更快，而长链（B₂和B₃）则通过螺旋堆积促进双螺旋的形成。长链比例越高，越有利于形成有序、紧凑的晶体和层状结构，从而增强对酶的抵抗力，降低淀粉的消化速率（Gebre等人，2023）。因此，调节淀粉的多尺度结构以改变其物理化学性质并降低其消化速率对于保护人类健康和提高淀粉基食品的质量至关重要。

膳食纤维（DF）被称为“第七大营养素”。流行病学研究一致表明，摄入膳食纤维可以有效预防糖尿病、结肠癌和便秘等各种慢性疾病。根据水溶性，膳食纤维可分为可溶性膳食纤维（SDF）和不可溶性膳食纤维（IDF）（Li & Ma，2024）。SDF是一类富含亲水官能团（如羟基（-OH）和羧基（-COOH）的水溶性多糖，包括果胶、β-葡聚糖、水溶性阿拉伯木聚糖、菊粉等）。相比之下，IDF主要由纤维素、部分半纤维素、木质素和几丁质组成（He等人，2026；Opperman等人，2025）。由于其持水能力、阳离子交换能力和溶解性等特性，膳食纤维被广泛用于改性的物理化学性质（Li、Zheng等人，2025）。因此，按特定比例将淀粉与膳食纤维混合是一种安全有效的淀粉物理改性方法。然而，膳食纤维的功能特性受其结构特征的影响，包括官能团、分子量、分支程度、链构象、粒径、微观结构、电荷性质和结晶度。膳食纤维的相对分子量影响其在水中的聚集状态以及加工过程中淀粉的水合和热糊化（Zhang、Liu等人，2025）。例如，低分子量的阿拉伯木聚糖（5.67×10⁴ Da）通过与淀粉颗粒竞争有限的水分来增加其持水能力，从而抑制淀粉糊化。相反，高分子量的苹果果胶可以增强淀粉凝胶的强度和热稳定性（Hou等人，2020；Liu等人，2026）。此外，较大的比表面积和较低的结晶度也提高了膳食纤维的持水能力，尤其是IDF。IDF的较小粒径使其比表面积增大，能够与水形成更多的氢键。同时，SDF的低结晶度使水更容易渗透纤维，增加水结合位点，这两种机制都提高了持水能力（Li、Wang等人，2024）。具有更多亲水支链或带电基团的SDF（例如含-COOH的果胶、β-葡聚糖）可以形成高粘度的水合胶体，阻碍水分迁移和淀粉分子重排，从而抑制淀粉回生。Li等人（Li、Pan等人，2024）证明β-葡聚糖可以抑制大麦淀粉的水合和糊化。不同的膳食纤维对淀粉的同一性质可能产生不同的影响。例如，一项关于木薯淀粉中三种膳食纤维的研究显示，半纤维素比木质素更有效地降低淀粉的消化性，而木质素在降低糊状物粘度和提高热稳定性方面更有效（Lv等人，2025）。

目前的研究主要集中在利用膳食纤维来改性淀粉的物理化学性质上。然而，膳食纤维与淀粉之间的相互作用机制尚未系统总结，包括物理包裹、分子缠结、粘度效应、水分竞争和非共价相互作用。此外，这些机制如何调节淀粉的多尺度结构并进而影响其功能性质（如消化性、流变性、糊化特性、热性质和冻融稳定性）仍有待全面探讨（Ye等人，2025）。因此，本综述的主要目标如下：（1）总结膳食纤维与淀粉之间的相互作用机制；（2）阐明这些相互作用机制如何调节淀粉的多尺度结构性质，从而影响其物理化学性质。目的是为膳食纤维-淀粉复合体系在食品中的应用提供必要的理论基础和概念性见解。

章节片段

膳食纤维与淀粉的相互作用

膳食纤维与淀粉之间的相互作用是一个复杂的过程，其中核心机制是影响淀粉多尺度结构和物理化学性质的关键因素。根据当前的研究，这种相互作用可以归因于以下方面：物理屏障效应（包括物理包裹、分子缠结和粘度效应）、水分竞争效应和非共价相互作用。如图1所示。然而，这些机制通常并不

膳食纤维-淀粉相互作用对淀粉多尺度结构的影响

如图2所示，天然淀粉具有复杂的层次结构，主要包括颗粒结构（如颗粒、生长环和块状物）、有序结构（如层状结构、晶体结构、短程有序结构和螺旋结构）以及分子结构（Chi等人，2021；Zhu等人，2023）。在最基本的层面上，淀粉由直链淀粉和支链淀粉分子组成，这些分子通过α-1,4-糖苷键连接

膳食纤维-淀粉相互作用对淀粉物理化学性质的影响

膳食纤维的物理包裹和粘度效应可以包裹或填充淀粉颗粒之间的空隙。这使得颗粒在糊化过程中充分膨胀而不解体，从而抑制直链淀粉的渗出，并阻碍酶对底物的接触，延缓淀粉的消化（Ning、Cui、Yuan等人，2020；Zhang、He等人，2025）。与膳食纤维的分子缠结可以削弱淀粉颗粒的天然网络，同时促进更稳定的结构形成

结论

本文综述了膳食纤维与淀粉之间的相互作用机制，以及这种相互作用如何影响淀粉的多尺度结构和物理化学性质，总结如下：

1.

高分子量和大粒径的IDF主要通过物理包裹效应抑制淀粉颗粒的膨胀和直链淀粉的渗出。这减小了孔径，抑制了淀粉的糊化，提高了系统的紧凑性，从而增加了相对结晶度和热稳定性

展望

尽管现有研究揭示了膳食纤维影响淀粉结构和性质的多种机制，但在定量分析、智能预测和针对性应用方面仍存在局限性。为了推动该领域向营养导向和智能发展方向前进，未来的研究应重点关注以下关键领域的突破：

(1)

基于分子动力学模拟的定量研究仍然相对较少。

伦理指南

本研究不需要伦理批准。

作者贡献声明

魏玉斌：撰写——原始草稿、软件开发、概念构思。李梦圆：撰写——审稿与编辑。马森：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思

未引用参考文献

He等人，2025；Li等人，2024；Li等人，2025；Li等人，2025；Li等人，2025；Li等人，2024；Li等人，2023；Ma等人，2025；Ning等人，2020；Yu等人，2024；Zhang等人，2024；Zhang等人，2025。

利益冲突声明

作者声明没有需要声明的利益冲突。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：32272249）和河南省自然科学基金（编号：252300421032）的支持。