酶解脱支与高静水压协同调控莲子淀粉-共轭亚油酸微胶囊结构及消化特性的分子机制

《Food Chemistry: X》：Synergistic effects of enzymatic debranching and high hydrostatic pressure on the structural and digestive properties of –conjugated linoleic acid microcapsules

本研究针对热敏性生物活性物质包埋稳定性难题，创新性地将酶解脱支(ED)与高静水压(HHP)技术联用，系统探究了其对莲子淀粉(LS)-共轭亚油酸(CLA)微胶囊多尺度结构及体外消化特性的影响。通过多尺度表征技术证实300 MPa/6 h处理组可形成V型晶体复合物，抗性淀粉(RS)含量提升至25.5%，显著高于未处理组(9.6%)，为开发结肠靶向递送系统提供了新策略。

　　

随着健康意识的提升，功能食品市场蓬勃发展，富含维生素、益生菌和多不饱和脂肪酸等生物活性成分的产品备受青睐。然而，这些活性成分在加工、储存和消化过程中极易受到氧气、光照、热和pH值波动的影响而降解失活，限制了其在强化食品中的应用。微胶囊技术通过壁材包裹核心物质，形成物理屏障，可有效保护敏感成分。但目前食品微胶囊生产多采用喷雾干燥、热固化等传统热加工技术，高温会削弱壁材机械强度导致芯材泄漏，尤其对热敏性成分如共轭亚油酸(CLA)破坏严重。热加工还存在高能耗、长周期等问题，增加了生产成本。因此，开发非热加工技术对于保护热敏性成分至关重要。

在此背景下，福建农林大学食品科学学院的研究团队在《Food Chemistry: X》上发表了最新研究成果，探讨了酶解脱支(ED)和高静水压(HHP)这两种非热加工技术协同作用对莲子淀粉(LS)基CLA微胶囊结构和功能的影响。该研究旨在阐明ED和HHP如何协同调控淀粉分子与CLA的复合行为，并评估微胶囊在模拟消化环境中的释放特性，为开发稳定的、具有结肠靶向潜力的淀粉基递送系统提供理论依据和技术支持。

为开展此项研究，作者主要应用了几项关键技术方法。研究以新鲜莲子中提取的莲子淀粉(LS)和CLA为原料，通过控制普鲁兰酶作用时间(0, 3, 6, 12小时)制备了不同脱支程度的淀粉(P-LS)，再与CLA混合后，在不同压力水平(300, 500, 600 MPa)的HHP下处理形成微胶囊(P-LS-CLA)。利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析短程有序结构，X射线衍射(XRD)表征晶体结构，固态¹³C核磁共振(NMR)探测分子水平相互作用，小角X射线散射(SAXS)解析片层结构。体外消化实验则采用了一种模拟大鼠消化系统的动态体外大鼠消化(DIVRSD)模型，评估微胶囊中淀粉组分的消化动力学，并通过环境扫描电子显微镜(SEM)观察消化过程中微观形貌的变化。

3.1. 傅里叶变换红外光谱(FTIR)光谱

通过FTIR光谱分析了CLA、LS-CLA和P-LS-CLA的短程有序结构。结果显示，与游离CLA相比，LS-CLA中CLA的特征峰（如982 cm^-1和946.9 cm^-1处的双键相关振动峰）仍然存在，表明CLA主要是物理包埋，其双键结构暴露在外。而在P-LS-CLA（尤其是6小时脱支处理组）中，这些特征峰消失或减弱，同时出现了与淀粉链相互作用相关的新峰（如2925 cm^-1处的亚甲基伸缩振动），说明CLA的成功包埋及其双键被有效掩蔽。通过计算1045/1022 cm^-1和995/1022 cm^-1的吸光度比值评估有序度，发现300 MPa压力下处理6小时的样品有序度最高(0.9759)，这与该条件下最高的包封率相对应，表明适度的脱支促进了淀粉与CLA形成有序的复合结构。而过长的脱支时间（12小时）则会破坏这种有序性。

3.2. XRD

XRD分析揭示了微胶囊的晶体结构变化。未脱支的LS-CLA样品显示出莲子淀粉固有的C型晶体特征峰（12°, 20°），同时出现了V型复合物特征峰（7°, 12°, 20°），表明有部分直链淀粉与CLA形成了V6型复合晶体。经过3小时和6小时脱支处理的P-LS-CLA样品，其衍射图谱中主要呈现V型晶体特征峰，说明脱支处理促进了直链淀粉或短线性链与CLA的专一性复合，形成了更均一的V型晶体结构。当脱支时间延长至12小时，衍射图中出现了A型晶体的特征峰（15°, 17°），这是由于过度脱支产生了大量短链（DP ≤ 12），这些短链更倾向于自身重排形成A型晶体，而非与CLA复合。晶体分布计算表明，300 MPa/6 h处理组的微晶区比例最高(32.09%)，说明该条件下形成了最为致密有序的复合物结构。

3.3. NMR

固态¹³C NMR光谱从分子层面提供了复合物形成的证据。在LS-CLA的谱图中，C₁区域（96-106 ppm）存在多个信号峰，反映了残留的C型晶体结构。同时，在30.5 ppm处出现了CLA碳链的信号，表明CLA未完全进入淀粉螺旋空腔。而在P-LS-CLA的谱图中，C₁区域在103.5 ppm处呈现单一尖锐峰，这是V型晶体的典型特征。更重要的是，CLA碳链的信号位移至31.6 ppm，对应于CLA分子末端的甲基，这表明在P-LS-CLA中，CLA的脂肪酸链被完全包裹在直链淀粉形成的左旋螺旋内部，仅末端甲基暴露在外。C_2,3,5区域信号强度的相对变化也表明P-LS-CLA中直链淀粉的运动自由度降低，进一步证实了更紧密复合物的形成。

3.4. 小角X射线散射(SAXS)

SAXS用于分析微胶囊中纳米尺度的片层结构。天然LS在q = 0.068 ?^-1处有一个明显的散射峰，对应于其固有的半结晶片层重复单元。LS-CLA样品此峰消失，结构趋于无定形。而所有P-LS-CLA样品在0.03-0.06 ?^-1范围内出现了散射峰，表明形成了新的半结晶片层结构。通过布拉格方程计算，3小时、6小时和12小时脱支处理组的片层重复距离分别为11.88 nm、11.45 nm和11.23 nm，随着脱支时间增加，重复距离减小，说明分子链线性化程度提高，分子间作用力增强，形成了更紧密的片层堆砌。质量分形维数(D_m)分析显示P-LS-CLA的D_m值低于LS-CLA，表明其内部结构更为有序和规整。

3.5. 体外消化

3.5.1. 消化曲线

利用DIVRSD模型模拟消化过程发现，300 MPa/6 h处理的P-LS-CLA在消化初期（0-20分钟）表现出较高的葡萄糖释放量，这归因于未被复合的短链淀粉的快速酶解。但在消化后期（120-180分钟），其葡萄糖含量显著低于天然淀粉和未脱支的LS-CLA。淀粉组分分析显示，300 MPa/6 h处理组的抗性淀粉(RS)含量高达25.5%，而天然淀粉和未脱支LS-CLA的RS含量分别约为7%和9.6%。这表明ED-HHP协同处理有效促进了直链淀粉与CLA形成难以被酶解的复合物，从而显著提升了微胶囊的消化抗性。

3.5.2. 消化形态

SEM观察消化过程中的形貌变化揭示了其消化机制。天然淀粉和LS-CLA在消化过程中表面逐渐出现孔洞和侵蚀。而P-LS-CLA在消化初期表面覆盖一层糊状物（可能是易消化的短链淀粉），随着消化进行，表面变得粗糙并出现碎片。消化终点（180分钟）时，P-LS-CLA残留物中出现了均匀的球形晶体，这些球形晶体被认为是直链淀粉-CLA复合物在酶解掉周围无定形区域后，其稳定的微晶结构发生重排和聚集形成的。这种球形晶体的形成与直链淀粉的链长有关，较长的链有利于形成规整的球晶，这也解释了为什么过度脱支（产生过多短链）反而会降低复合物的有序性和消化抗性。

综上所述，本研究系统阐明了酶解脱支(ED)与高静水压(HHP)协同作用对莲子淀粉-共轭亚油酸(LS-CLA)微胶囊多尺度结构及体外消化特性的影响机制。研究证实，300 MPa HHP结合6小时ED处理是最佳工艺条件，能显著促进直链淀粉与CLA形成结构致密、高度有序的V型晶体复合物。这种特殊的结构使得微胶囊的抗性淀粉(RS)含量显著提升至25.5%，展现出优异的消化缓释特性，并最终在消化末端形成稳定的球形晶体残留物，预示着其具备结肠靶向递送CLA的潜力。该研究不仅为理解非热加工技术调控淀粉-脂质复合物形成的分子机制提供了深入见解，而且为开发用于热敏性生物活性物质的高效、稳定递送系统提供了一条创新且可持续的技术路径，克服了传统热加工的局限性，对功能食品产业的创新发展具有重要意义。