玉米来源的阿拉伯木聚糖可以调节淀粉的糊化特性、凝胶结构以及老化过程

《Journal of the Science of Food and Agriculture》：Maize-derived arabinoxylans modulate starch pasting, gel structure, and retrogradation

　　玉米阿拉伯木糖苷（MAX）对玉米淀粉基凝胶的流变学、微观结构和储存稳定性的影响研究。通过添加不同浓度（1-9 g/100 g）的MAX，发现其显著降低水分结合能力（从0.95降至0.74 g/g），同时提高油结合能力（从0.61增至0.73 g/g）。流变学分析表明MAX抑制了淀粉的膨胀和回生，使峰值粘度、崩解值和最终粘度均降低，其中9 g/100 g MAX的峰值粘度比对照组低30%。微观结构显示低浓度MAX（1-3 g/100 g）形成多孔结构，而高浓度（6-9 g/100 g）则生成致密且连续的孔隙网络，增强凝胶硬度（从144 g增至395 g）和弹性恢复能力（从0.21到0.61）。PCA分析进一步验证了MAX浓度依赖性对凝胶性能的调控作用。

　　在现代食品工业中，淀粉作为许多谷物食品体系中的核心成分，其物理和化学特性直接影响产品的质地、稳定性和整体质量。淀粉的这些性能往往受到与其他食品成分的相互作用影响，其中膳食纤维如阿拉伯木聚糖（arabinoxylans, AX）的作用尤为显著。AX是一类带有负电荷的非淀粉多糖，广泛存在于谷物细胞壁中，不仅贡献于膳食纤维含量，还对食品的结构和功能特性产生深远影响。本研究聚焦于玉米阿拉伯木聚糖（Maize Arabinoxylans, MAX），探讨其在玉米淀粉凝胶体系中对水分吸收、糊化行为、质地以及微观结构的调控作用。

MAX与玉米淀粉的相互作用是通过构建一个简化体系进行研究的，即在没有蛋白质和脂质等其他成分干扰的情况下，单独考察MAX对淀粉凝胶性能的影响。这种简化方法有助于揭示MAX在食品体系中的基础功能特性，从而为实际应用提供理论依据。MAX在结构上与小麦或黑麦AX存在差异，例如其阿拉伯糖与木糖的比值较低，且较少的香草醛交联，这些因素可能影响其溶解性、粘度以及与淀粉的相互作用能力。因此，MAX在玉米淀粉中的行为可能与来自其他谷物的AX有所不同，从而在食品加工中展现出独特的调控效果。

研究中，通过水结合能力（WBC）和油结合能力（OBC）的测定，观察到MAX的添加显著改变了淀粉凝胶的水分和油脂吸附特性。随着MAX浓度的增加，WBC呈现下降趋势，而OBC则逐步上升。这种变化表明MAX在一定程度上限制了淀粉网络对水分的保持能力，同时增加了其对油脂的吸附能力。这一现象可能与MAX分子通过氢键或其他非共价相互作用吸附在淀粉颗粒表面或与溶解的直链淀粉结合有关，从而改变了淀粉的吸水性和膨胀能力。此外，MAX分子中含有的香草醛可能通过非共价键（如氢键、疏水作用和静电相互作用）与淀粉分子发生作用，进一步影响其水合特性。

在糊化行为方面，RVA（快速粘度分析仪）曲线揭示了MAX对淀粉粘度的显著调控作用。随着MAX浓度的增加，峰值粘度、降解粘度和最终粘度均呈现下降趋势，表明MAX在一定程度上抑制了淀粉颗粒的膨胀，减少了直链淀粉的释放，并降低了凝胶的回凝现象。这种粘度的降低可能源于MAX对淀粉颗粒的物理阻隔作用，减少了颗粒间的摩擦力，同时限制了淀粉分子在糊化过程中的重组能力。然而，MAX的加入并未显著改变淀粉的糊化温度，这表明其主要影响在于粘度变化，而非影响淀粉的热力学行为。

在质地分析方面，通过TPA（质构剖面分析）发现，MAX的添加显著增强了凝胶的硬度、咀嚼性、弹性和胶质感。特别是在48小时的冷藏后，MAX含量≥6 g/100 g的样品表现出更高的硬度和咀嚼性，这表明MAX在一定程度上强化了淀粉网络的结构，提高了其在储存过程中的稳定性。这一结果与之前关于小麦AX的研究一致，即AX的加入能够延缓淀粉的回凝过程，从而改善凝胶的长期稳定性。然而，MAX的添加对弹性的影响则表现出一定的浓度依赖性，当MAX含量达到9 g/100 g时，其对弹性的影响最为显著，而较低浓度的MAX则可能不足以形成稳定的结构，导致弹性相对较低。

微观结构分析进一步揭示了MAX对淀粉凝胶形态的调控作用。通过扫描电子显微镜（SEM）和数字图像处理技术，研究人员观察到随着MAX浓度的增加，凝胶的结构逐渐从开放、多孔的形态转变为致密、均匀的结构。低浓度MAX（1–3 g/100 g）导致凝胶形成较多的大孔，而高浓度MAX（6–9 g/100 g）则促进了更紧密的结构形成，减少了大孔的数量，并增加了细胞壁的厚度。这种结构变化可能与MAX对水分分布和局部粘度的调控有关，从而影响了凝胶的形成和稳定性。通过形态计量学分析，研究还发现不同孔径范围内的分布比例变化与MAX浓度密切相关，其中中等孔径（1000–10000 μm2）的增加与硬度、咀嚼性和弹性等质地参数呈现出高度正相关，这表明中等孔径结构在维持凝胶的机械性能方面发挥了关键作用。

此外，通过主成分分析（PCA）进一步量化了MAX浓度对各项指标的综合影响。PCA结果显示，MAX的添加显著改变了淀粉凝胶的物理特性，特别是在高浓度（≥6 g/100 g）时，MAX表现出更强的结构强化作用，显著提高了凝胶的硬度和稳定性，同时抑制了粘度的发展。而低浓度MAX（1–3 g/100 g）则主要影响了凝胶的孔隙率和结构的开放程度，这种变化可能对某些食品体系（如需要良好水分保持能力的产品）具有潜在的应用价值。PCA还揭示了MAX在不同浓度下对各项指标的相对贡献，表明其作用机制在低、中、高浓度下存在显著差异，这种浓度依赖性为MAX在不同食品体系中的功能优化提供了理论支持。

从实际应用角度来看，MAX的添加不仅有助于改善淀粉凝胶的质地和稳定性，还可能为食品工业提供新的原料选择。由于MAX来源于玉米麸皮，这种副产品在加工过程中往往被忽视，因此其利用具有可持续发展的意义。通过本研究，MAX在玉米淀粉中的功能特性得到了系统性揭示，为开发高纤维、低添加、高稳定性的淀粉基食品提供了理论依据。例如，在需要良好水分保持能力的食品体系中，低浓度MAX可能被用于调控孔隙率，而高浓度MAX则可能被用于增强凝胶的结构强度和稳定性。这种浓度依赖性的调控能力使得MAX在食品配方设计中具有更大的灵活性和应用潜力。

研究还指出，MAX的添加可能对淀粉回凝现象产生抑制作用，这在冷藏食品中尤为重要。淀粉在冷却过程中容易发生回凝，导致凝胶质地变硬、变脆，影响食品的口感和外观。而MAX的加入通过限制淀粉分子的再结合，延缓了这一过程，从而提高了凝胶的储存稳定性。这种特性使得MAX在需要长时间保存的食品体系中具有重要价值，尤其是在开发高纤维、低脂肪的食品时，MAX能够有效提升产品的结构稳定性和感官品质。

值得注意的是，本研究中MAX的添加浓度范围（0–9 g/100 g）覆盖了较广的区间，为深入理解MAX在不同浓度下的作用机制提供了数据支持。通过对比不同浓度MAX对淀粉凝胶性能的影响，研究人员发现MAX在低浓度下主要通过改变水分分布和局部粘度来调控凝胶的物理特性，而在高浓度下则通过增强结构连结和减少孔隙率来提高凝胶的稳定性。这种浓度依赖性的行为为MAX在食品工业中的合理应用提供了明确的指导方向，同时也为未来的研究指明了方向，即需要进一步探讨MAX在不同分子量范围内的作用，以及其在复杂食品体系中的表现。

从更广泛的角度来看，MAX作为膳食纤维的一部分，不仅具有改善食品质地和稳定性的功能，还可能对健康产生积极影响。例如，AX已被证明具有益生元活性、抗氧化能力以及对血糖水平的调节作用。因此，MAX的添加不仅有助于提升食品的物理性能，还可能为开发功能性食品提供新的思路。这种多方面的功能特性使得MAX在食品工业中具有广阔的前景，尤其是在开发低糖、高纤维的健康食品方面。

本研究的发现为MAX在食品工业中的应用提供了科学依据，同时也揭示了MAX在调控淀粉基食品性能中的独特作用。通过系统性分析MAX在不同浓度下的影响，研究不仅加深了对AX与淀粉相互作用的理解，还为食品配方设计和加工工艺优化提供了理论支持。未来的研究可以进一步探索MAX在不同食品体系中的应用，例如在烘焙食品、即食食品和功能性食品中的表现。此外，还可以通过改变MAX的分子量、化学修饰或与其他成分的协同作用，进一步拓展其在食品工业中的应用范围。

总之，MAX在玉米淀粉中的作用机制具有高度的浓度依赖性，其在低浓度下可能用于调控凝胶的开放性和水分保持能力，而在高浓度下则有助于增强结构稳定性。这种特性使得MAX成为食品工业中一个重要的功能性成分，为开发高纤维、低添加、高稳定性的食品提供了新的可能性。通过深入研究MAX的结构和功能特性，未来可以更好地利用这一天然资源，推动食品工业向更健康、更可持续的方向发展。