《Food and Bioproducts Processing》：Integrated Multi-omics and Random Forest Analysis Reveal the Role of Pea-Derived Nitrogen in Shaping Microbial-Enzymatic Networks and Amino Acid Metabolism in Medium-High-Temperature Daqu
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褐藻酸钠和岩藻多糖通过不同机制协同抑制木薯淀粉消化，1:1混合比例时抗性淀粉含量达31.83%，显著降低酶解活性并优化凝胶特性。
Supaluck Kraithong|向仕|Natthakan Rungraeng|Nasuha Bunyameen|Chalalai Jaisan|Saranya Suwanangul|Sukanya Tastub|Waraporn Sorndech|Phanthipha Laosam|Papungkorn Sangsawad
中国广西中医药大学海洋药物研究所海洋药物重点实验室，南宁530200
摘要
褐藻提取的藻酸和岩藻多糖通过不同的机制调节淀粉的消化率，但它们对木薯淀粉的联合效应尚未被研究。本研究考察了藻酸和岩藻多糖（基于淀粉的质量比为2%）在五种混合比例（1:0、0.75:0.25、0.5:0.5、0.25:0.75和0:1）下的效果。对这些多糖-淀粉复合材料进行了消化动力学、血糖生成指数（eGI）、抗性淀粉（RS）、糊化特性和流变性能、水分分布、结晶度、热性质以及抗氧化活性的分析。分子对接技术用于评估酶与多糖之间的潜在相互作用。藻酸与α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶发生相互作用，增加了糊液的粘度（1754 cP）和水分吸收量（2.05–10.87 g/g），并形成了密集的凝胶，部分限制了酶的扩散。然而，其较高的分解粘度（2735.5 cP）促进了颗粒的破裂，导致消化率略有下降（RS = 26.85%；eGI = 63.00）。岩藻多糖与淀粉的氢键作用更强，与葡萄糖淀粉酶相互作用，限制了淀粉颗粒的膨胀和分解，在加热过程中保持了结晶结构（ΔH = 14.61 J/g），并形成了多孔网络。这些效应更有效地抑制了淀粉的消化（RS = 32.86%；eGI = 57.18），并且总酚含量较高（7.44 mg GAE/g DW），抗氧化活性也更强。1:1的比例结合了这两种机制：藻酸增强了凝胶网络，而岩藻多糖稳定了淀粉结构。这种组合产生了最平衡的功能特性（RS = 31.83%；eGI = 57.95），表现为适中的水分吸收、稳定的凝胶网络和较高的结合水含量（A21 = 95.01%）。总体而言，藻酸和岩藻多糖通过互补机制降低了木薯淀粉的消化率，其1:1的比例优化了结构完整性和酶的抑制作用，为开发低血糖指数的淀粉基食品提供了基础。
引言
木薯（Manihot esculenta Crantz）是热带地区的主要作物，包括亚洲、非洲和拉丁美洲，为近5亿人提供主要食物来源。由于其耐旱性和稳定的产量，它在边缘农业环境中尤为重要（Visses et al., 2018）。2020年全球产量超过6000万吨（Scaria et al., 2024）。木薯淀粉因其高纯度、中性风味和理想的粘度而被广泛用作食品原料，尤其是在汤、烘焙产品和婴儿食品中（Aristizábal et al., 2017）。然而，它形成的凝胶较弱且消化迅速，可能导致较高的血糖反应（Shittu et al., 2016）。这些限制促使人们努力改善木薯淀粉的功能性，特别是通过应用水胶体。水胶体的有效性取决于其机制，可能包括增加粘度、降低酶的亲和力或改变淀粉颗粒的结构（Kraithong, Theppawong, Lee, et al., 2023；Lu et al., 2025）。比较具有不同机制的水胶体可以帮助了解哪些水胶体最适合调节木薯淀粉的消化率。藻酸和岩藻多糖都来源于褐藻，但具有不同的结构特征和功能行为。这些互补的特性为研究它们在淀粉基质中的联合效应提供了依据。藻酸是一种线性阴离子多糖，由β-D-甘露糖醛酸（M）和α-L-古洛糖醛酸（G）组成，含有–COO-基团赋予负电荷，–OH基团促进水合作用；其M/G块结构决定了凝胶化和流变性质（Abka-Khajouei et al., 2022；Santos et al., 2022；Tyagi et al., 2022）。商业化的藻酸（32–400 kDa）通过增加粘度和淀粉-多糖相互作用来适度降低淀粉的消化率（Bojorges, López-Rubio, et al., 2023；Bojorges, Martínez-Abad, et al., 2023；Kraithong, Theppawong, Ai, et al., 2023；Ramírez et al., 2015）。相应地，藻酸可以通过减少可冻结水分和增强粘弹性来提高冷冻面团的稳定性。从机制上看，它形成了粘稠的凝胶状网络，限制了酶的扩散（Aoki et al., 2012；Kraithong, Theppawong, Ai, et al., 2023；Kraithong, Theppawong, Lee, et al., 2023）。
相比之下，岩藻多糖是一种支链硫酸化多糖，主要由α-L-岩藻糖组成，具有异质性的连接方式、不同的硫酸化模式和分子量范围（100至5200 kDa（Ale & Meyer, 2013；Bilan et al., 2006；Etman et al., 2020；Kraithong, Ke, et al., 2025；Mensah et al., 2023）。据报道，岩藻多糖可以与淀粉颗粒或消化酶相互作用（Cho et al., 2011；Koh et al., 2020；Q. Yang et al., 2024）。岩藻多糖还可以通过限制颗粒膨胀和减少水分流动性来抑制淀粉的消化，例如在面包中加入3%的岩藻多糖后，消化率降低了21.5%，预测的血糖生成指数降低了17.7%（Koh et al., 2022）。
这两种多糖都具有抗氧化能力，藻酸表现出中等的DPPH清除能力、还原能力和Fe2+螯合作用，而低分子量、高硫酸化的岩藻多糖具有更强的自由基清除活性，有时甚至超过BHA和α-生育酚（Benslima et al., 2021；Sellimi et al., 2015）。
尽管藻酸和岩藻多糖的单独功能已经得到充分研究，但它们在淀粉基质中的联合效应尚未得到充分表征。据报道，岩藻多糖与其他水胶体（如κ-卡拉胶、黄原胶和瓜尔胶）有有益的相互作用（Bak & Yoo, 2024）。然而，在高消化率的木薯淀粉系统中，藻酸-岩藻多糖的组合尚未系统地进行研究。此外，每种多糖对消化酶的相互作用、淀粉-多糖关联以及结构改性的具体贡献仍不清楚，这限制了为控制淀粉消化率和改善凝胶性能而合理设计多糖组合的可能性。
藻酸和岩藻多糖通过不同的机制影响淀粉的消化。藻酸主要通过增加粘度和淀粉-多糖相互作用来调节消化率，形成限制酶扩散的凝胶网络。相比之下，岩藻多糖限制了淀粉颗粒的膨胀并减少了水分流动性，直接干扰了酶的亲和力和淀粉结构。单独使用每种多糖只能部分影响控制淀粉消化率和凝胶性能的因素；因此，它们的联合应用特别有利，因为它同时针对多个影响淀粉水解和凝胶强度的机制。
为了解决这些问题，本研究探讨了藻酸和岩藻多糖对木薯淀粉消化率、抗氧化活性、凝胶性质和结构-功能特性的单独和联合贡献。采用了分子对接、体外水解和抗氧化测定等方法来评估这些效应。此外还进行了流变测量（表观粘度、动态粘弹性和糊化特性）、水分吸收和溶解度指数（WAI和WSI）、热分析、X射线衍射（XRD）、低场核磁共振（LF-NMR）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）等分析。这些综合方法为开发低血糖指数的淀粉基食品提供了机制基础。
材料与试剂
木薯淀粉来自中国河南的新乡良润全谷物食品有限公司。该淀粉的含水量为3%，脂肪、灰分和纤维含量均低于0.5%。直链淀粉含量为30%。岩藻多糖（33–112 kDa；硫酸盐含量为5 mg/g；纯度为98%；批号C17044609；CAS编号9072-19-9）来自海带科植物。藻酸钠（分子量约74 kDa；纯度90%；分析级试剂；批号。
结果与讨论
在本研究中，样品分别用代码AF-1、AF-2、AF-3、AF-4和AF-5表示，对应于与藻酸钠和岩藻多糖以1:0、0.75:0.25、0.5:0.5、0.25:0.75和0:1的比例混合的木薯淀粉。
结论
藻酸钠和岩藻多糖通过不同的但互补的机制影响了木薯淀粉的水解。分子对接研究表明，藻酸可能与葡萄糖淀粉酶和α-淀粉酶相互作用，从而降低酶的亲和力。它还增加了糊液的粘度、水分吸收量、结合水含量和淀粉膨胀，并形成了密集的凝胶网络，部分限制了酶的亲和力。然而，它也促进了颗粒的破裂。
作者贡献声明
Chalalai Jaisan：资源提供，数据分析。Saranya Suwanangul：资源提供，数据分析。Sukanya Tastub：写作-审稿与编辑，数据分析。Supaluck Kraithong：写作-审稿与编辑，初稿撰写，可视化，监督，资源提供，方法学设计，研究开展，资金获取，数据分析，概念构思。Xiang Shi：写作-审稿与编辑，初稿撰写，方法学设计，数据分析。Natthakan Rungraeng：资源提供。未引用的参考文献
Bojorges et al., 2023; Kraithong et al., 2025; Kraithong et al., 2023; Kraithong et al., 2025; Lakshmana et al., 2019; Li et al., 2023; Mohidin et al., 2023; Suwanangul et al., 2025; Yang et al., 2024.利益冲突声明
作者声明他们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。数据可用性
数据可应要求提供。利益冲突声明
作者声明他们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ASEAN青年科学家计划（ATYSP，项目编号ATYSP2024005）和SUT研究与发展基金的支持。
