高地大麦整粒籽粒中胚乳淀粉的热诱导结构与消化特性变化：来自原位细胞壁通透性的更深入研究

《LWT》：Thermally induced structural and digestive modifications of endosperm starch in whole highland barley kernels: A closer insight from in situ cell wall permeability

　　研究通过多尺度结构分析、流变学及体外消化实验，揭示了高原大麦热处理（100-200°C，5-50分钟）对内胚乳淀粉结构及消化特性的影响机制。结果表明，延长处理时间显著降低分子量（27.15×10^6 g/mol）、结晶度（15.61%）及粘弹性模量（G'），同时促进β-葡聚糖与淀粉的复合结构形成，使快速消化淀粉（RDS）向慢速消化淀粉（SDS）转变，其中150°C处理50分钟的样品C∞值最低（82.73%）。该研究为优化热处理工艺调控大麦淀粉功能特性提供了理论依据。

　　该研究探讨了热处理对高原大麦（HB）内核淀粉在分子、结构和物理化学层面的影响，以及其背后的消化机制。通过使用荧光葡聚糖探针进行原位观察，研究发现热处理后的细胞壁结构具有不同的渗透性，其中细胞壁基质和膨胀的淀粉组成的复合网络阻碍了探针的扩散。热处理导致了形成暗环并破坏了马耳他十字结构，这些形态变化与淀粉表面损伤密切相关。多尺度结构分析表明，热处理降低了淀粉的分子量（从155.40×10?降至27.15×10? g/mol）和相对结晶度（从27.02%降至15.61%），但增加了淀粉中直链淀粉与支链淀粉的比例（从0.29升至0.61）以及凝胶化程度。这些变化还导致了HB淀粉凝胶的粘弹性模量（G′和G″）降低。处理时间的延长比相同温度下的短时间处理对结构破坏具有更强的影响。值得注意的是，热处理促进了短程有序结构的形成，并增强了细胞壁纤维与凝胶化淀粉之间的纠缠，从而将快速消化淀粉转化为慢速消化淀粉。150-25-HBS和150-50-HBS样品表现出最低的平衡消化率（C∞，分别为84.39±2.6%和82.73±0.19%）。这些发现为设计具有改善慢速消化特性的HB基食品提供了宝贵的见解。

高原大麦（HB）作为一种无壳大麦品种，相较于传统谷物，展现出更强的环境适应性和更优越的营养价值，逐渐成为一种有前景的经济作物，吸引了越来越多的科学和商业关注。已有研究表明，饮食中摄入HB可以显著降低血糖和胆固醇水平，显示出对心血管疾病、糖尿病和某些癌症的潜在预防作用。HB的主要成分包括淀粉、蛋白质、脂质和β-葡聚糖，其中淀粉作为HB内核中的主要碳水化合物成分，占49.14%–68.62%。除了提供能量，HB淀粉（HBS）还决定了全谷物的加工和功能特性，因为长期摄入富含快速消化淀粉（RDS）的食物与代谢功能障碍和心血管风险增加有关。淀粉的结构是复杂且分层的，包括双螺旋、晶粒结构、生长环和完整颗粒。这种多层次的结构从根本上决定了HBS的生理功能，同时也决定了加工后的全谷物HB产品的质地、营养特征和整体质量。

热处理被广泛认为是提高HB储存稳定性和拓展其在食品工业应用的主要预处理方法。传统热处理通常涉及对整个谷粒（全谷系统）进行处理，随后将煮熟的HB磨成面粉进行食用。然而，关于完整HB谷粒热处理后内胚乳淀粉结构和物理化学变化的直接证据仍然有限。此前的研究已经指出，直接处理淀粉是扩展其应用范围的一种方法。例如，微波辐射可以破坏支链淀粉分子，从而改变HBS的流变特性。热湿处理已被证明可以破坏HBS的层状结构，并诱导分子链的重新排列，从而增加慢速消化淀粉（SDS）的含量。同样，水热处理也被报道可以提高大麦淀粉的冻融稳定性、最终粘度、流变特性和溶解性。然而，需要注意的是，HB在传统饮食中主要以全谷粒形式消费。因此，热处理对内胚乳淀粉结构的改变应被理解为全谷粒矩阵的背景下。热处理对完整谷粒的改变可能与直接热处理淀粉不同。一方面，热处理全谷粒可以促进淀粉与其他成分如β-葡聚糖和蛋白质之间的相互作用。另一方面，从营养角度来看，全粉被认为在烹饪质量上优于直接热处理的淀粉。因此，有必要研究热处理HB谷粒后的成分变化，而不仅仅是直接热处理的淀粉。

为了系统地研究不同热处理（温度和时间）对全高原大麦谷粒内胚乳淀粉的多尺度结构变化，以及这些结构变化与分离淀粉的物理化学、流变学和体外消化特性之间的关系，同时阐明这些变化与全谷粒细胞壁渗透性的联系，本研究旨在为设计具有改善慢速消化特性的HB基食品提供基础见解。通过多尺度结构分析，研究发现热处理显著降低了淀粉的分子量、相对结晶度，同时增加了直链淀粉与支链淀粉的比例和凝胶化程度。这些变化也导致了HB淀粉凝胶的粘弹性模量（G′和G″）的减少。处理时间的延长比相同温度下的短时间处理对结构破坏具有更强的影响。值得注意的是，热处理促进了短程有序结构的形成，并增强了细胞壁纤维与凝胶化淀粉之间的纠缠，从而将快速消化淀粉转化为慢速消化淀粉。150-25-HBS和150-50-HBS样品表现出最低的平衡消化率（C∞，分别为84.39±2.6%和82.73±0.19%）。这些发现为设计具有改善慢速消化特性的HB基食品提供了宝贵的见解。

本研究通过多种技术手段，包括扫描电子显微镜（SEM）、偏振光显微镜（PLM）和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM），对热处理后的HB谷粒和分离淀粉的形态进行了分析。结果表明，热处理对HB谷粒内胚乳淀粉的结构和细胞壁渗透性产生了显著影响。SEM分析显示，150-25-HBS和150-50-HBS样品中的淀粉颗粒表现出明显的聚集，这可能是由于部分凝胶化造成的。PLM分析显示，控制组（Control-HBS）的淀粉颗粒呈现出明显的马耳他十字结构，而100-5-HBS和150-5-HBS则表现出较弱的双折射强度和部分十字结构的丧失。随着热处理的持续时间增加，马耳他十字结构几乎消失，只剩下残余的明亮区域，表明内部结构被显著破坏。同样，200-5-HBS样品中的淀粉颗粒表面变得粗糙且凹陷，浅浅的凹陷和沟槽更加明显。直接热处理的淀粉表现出更明显的凝胶化、粘附和变形，这可能是由于更高效的热传递造成的。总体来看，这些结果表明，热处理时间对HB谷粒内的淀粉颗粒具有更显著的破坏作用。

通过荧光葡聚糖探针的渗透实验，研究还观察到热处理后细胞壁的渗透性变化。200 kDa的葡聚糖探针由于其较大的水动力半径，表现出较低的细胞渗透性，而50 kDa的探针则在热处理后的细胞中显示出更强的荧光信号，表明其渗透性增强。这说明热处理破坏了细胞壁的完整性，使得淀粉颗粒内部的结构得以暴露，从而促进酶的扩散和淀粉的消化。此外，随着热处理的严重程度增加，细胞壁的完整性明显受损，表现为更多的探针渗透和荧光信号增强。β-葡聚糖部分覆盖在大淀粉颗粒上的观察结果进一步支持了完整细胞壁的屏障功能。这种物理包覆与酶消化特性的调节是一致的。研究还指出，尽管热处理后的细胞壁可能在初始阶段允许探针渗透，但完全凝胶化后形成的致密淀粉基质由于其高密度和受限的孔隙网络，显著阻碍了进一步的探针移动。

在分子结构方面，研究通过高效液相色谱-多角度激光光散射和折射指数检测（HPSEC-MALLS-RID）分析了不同热处理对淀粉分子量的影响。结果表明，热处理显著降低了淀粉的分子量（Mw和Mn），而分子量分布的多分散指数（PDI）虽然略有增加，但并未达到统计学显著水平。这表明，热处理可能通过促进支链淀粉分子链的解聚，从而降低淀粉的分子量。不同热处理条件下观察到的淀粉分子量变化可能与不同的细胞壁破坏程度有关。此外，淀粉的链长分布（CLD）分析显示，不同热处理条件下淀粉的链长分布存在显著差异，其中150-25-HBS和150-50-HBS样品中的短链（DP 100–500）和中链（DP 500–5000）比例显著增加，而长链（DP 5000–20000）比例减少。这种变化与淀粉分子量的降低密切相关，并进一步影响了其消化特性。

通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）分析，研究还探讨了热处理对淀粉晶体结构的影响。FTIR光谱显示，热处理导致了淀粉分子间氢键的断裂和O–H伸缩振动的变化，而XRD分析表明，热处理显著降低了淀粉的相对结晶度。这些变化与偏振光显微镜下观察到的马耳他十字结构的破坏相一致。同时，热处理促进了淀粉分子的短程有序结构的形成，如通过观察到的R1047/1022和R995/1022的吸收比值的变化。其中，150-50-HBS样品表现出最低的R1047/1022和R995/1022值，表明其对淀粉短程有序结构的破坏最为严重。这些结果与之前关于热处理对小麦和燕麦淀粉的研究一致。

在物理化学性质方面，研究分析了不同热处理条件下淀粉的化学成分和粘度特性。结果表明，所有热处理条件下的淀粉纯度均超过80%，与之前的报道一致。膳食纤维和蛋白质含量在不同处理条件下变化不大，但150-25-HBS和150-50-HBS样品中膳食纤维含量显著增加，这可能是由于热处理引起的细胞壁破坏促进了纤维与淀粉颗粒的结合。此外，热处理显著增加了淀粉的直链淀粉与支链淀粉的比例，这与淀粉分子量的降低和晶体结构的破坏密切相关。粘度分析显示，热处理后淀粉的峰值粘度和最终粘度均增加，表明淀粉颗粒的膨胀能力增强，分子排列更加紊乱。然而，150-25-HBS和150-50-HBS样品的粘度显著降低，这可能是由于淀粉晶体的熔融、分子链的断裂和颗粒结构的破坏所致。此外，热处理还显著增加了淀粉的分解值，表明其在热处理过程中的结构稳定性有所提高。这些结果与之前关于热处理对小麦淀粉的研究一致。

在流变特性方面，研究使用了Herschel–Bulkley模型和Power Law模型分析了不同热处理条件下淀粉的粘弹性特性。结果表明，随着剪切速率的增加，所有淀粉糊的表观粘度均降低，显示出剪切变稀的特性。不同热处理条件下淀粉的粘弹性模量（G′和G″）均有所降低，表明热处理显著削弱了淀粉凝胶的结构。其中，150-50-HBS样品表现出最低的粘度，这可能与其分子量的显著降低和分子链的短程有序结构的破坏有关。同时，研究还发现，热处理时间对淀粉的流变特性具有更显著的影响，而温度的影响相对较小。这些结果表明，热处理时间是调控淀粉流变特性的关键因素。

在体外消化方面，研究发现淀粉的消化性表现出明显的双效应：热处理加速了消化速率，但降低了最终消化程度。这与淀粉结构的破坏和新形成的淀粉与非淀粉成分之间的复合结构有关。例如，热处理后形成的致密凝胶基质可能限制了酶的扩散和消化。通过主成分分析（PCA）和皮尔逊相关性分析，研究进一步揭示了不同热处理条件下淀粉结构、物理化学特性和消化性之间的关系。结果显示，快速消化淀粉（RDS）与膳食纤维、蛋白质含量、G′n′和Tp呈显著正相关，但与分子量（Mw和Mn）和灰分含量呈负相关。慢速消化淀粉（RS）则与DD、DO和TV呈正相关，但与消化速率常数（k）和Tp、To呈负相关。这表明，热处理促进了淀粉与非淀粉成分之间的相互作用，从而影响了其消化特性。

研究还探讨了热处理对细胞壁结构和渗透性的影响及其对淀粉消化性的调节机制。细胞壁作为主要的结构屏障，限制了淀粉的凝胶化和酶的渗透。尽管热处理可能削弱细胞壁的完整性，从而提高淀粉的消化性，但直接证据表明细胞壁基质可能阻碍酶的渗透和扩散。通过荧光探针渗透实验，研究发现热处理时间对细胞壁完整性的影响更为显著。随着处理时间的延长，细胞壁逐渐退化，导致渗透性增强，并促进细胞壁纤维与凝胶化淀粉之间的纠缠，从而调节淀粉的消化性。这些机制表明，处理时间是热处理对HB淀粉结构和功能变化的关键因素。因此，通过优化热处理条件，特别是采用较长的处理时间和适中的温度，可能有助于调控HB基食品的消化特性，从而改善其营养价值。

综上所述，本研究系统地阐明了热处理对高原大麦内核淀粉的多尺度结构、物理化学特性和消化性的影响。结果表明，处理时间比温度本身对淀粉结构的破坏更为显著。结构分析显示，热处理显著降低了淀粉的分子量、相对结晶度和支链淀粉的链长，同时增加了细胞壁的渗透性。这些变化导致了淀粉消化性的双重特性：结构破坏加速了消化速率，但形成的致密凝胶基质则降低了最终消化程度。值得注意的是，150-50-HBS样品表现出最显著的结构和功能变化，这进一步强调了处理时间在淀粉消化性调节中的关键作用。通过优化热处理条件，特别是采用较长的处理时间和适中的温度，可能有助于调控HB基食品的消化特性，从而改善其营养价值。这些发现为设计具有改善慢速消化特性的HB基食品提供了重要的理论依据和实践指导。