四川大学迟元龙团队研究高压与水分协同作用对山药淀粉消化特性的影响

本研究为定制山药淀粉营养功能、开发低升糖淀粉食品提供理论依据。

作者｜安 耘

运营｜魏雨欣

图片｜网 络

来源｜FFL未来食品实验室

FFL总结与推荐

一、技术推荐

淀粉消化特性直接决定餐后血糖、人体能量供给与肠道健康，按消化速率可分为快速消化淀粉RDS、慢消化淀粉SDS、抗性淀粉RS，其中SDS可平稳缓释葡萄糖，是控糖食品的核心原料。因此，通过物理、化学或酶法改性淀粉结构以调控其消化性，已成为食品科学的研究热点。

静水压（HHP）属于非热绿色物理改性技术，不破坏淀粉共价键，仅改变分子氢键与空间构象，能诱导淀粉颗粒及晶体结构重塑，但现有研究大多固定在单一水分下开展高压实验，缺少宽梯度水分与不同压力的系统对照，二者协同调控机理尚不清晰。

铁棍山药为药食同源原料，淀粉含量高，拥有独特C型晶体结构，以及良好的溶胀与持水优势，但现有改性手段难以精准调控其消化性能，针对静水压结合多梯度水分调控山药淀粉多级结构及消化行为的研究存在空白。鉴于此，四川大学生物质科学与工程学院迟元龙团队采用两级压力、五档水分开展对照试验，从颗粒形貌、长程晶体、短程有序、分子螺旋多维度解析结构变化，关联体外消化指标，阐明压力-水分协同机制，建立可定向调控消化特性的山药淀粉绿色加工思路，为功能性山药主食开发提供数据支撑。

二、核心痛点

现有HHP改性淀粉文献多采用固定水分条件，未覆盖宽水分梯度，无法区分不同水分对高压作用的放大或抑制效应，难以揭示压力与水分二者协同或拮抗关系，工艺参数缺乏完整参考区间。

三、本技术核心优势

研究提取铁棍山药原生淀粉，配制20%、30%、50%、70%、90%五组水分悬浮液，分别采用450MPa、600MPa静水压处理20min，处理后冻干粉碎。

原生山药淀粉颗粒完整光滑，无破损；450MPa下低水分时仅出现轻微凹陷，高水分时颗粒开裂塌陷；600MPa破坏作用更强，低水分时颗粒边缘碎裂，70%、90%高水分下淀粉严重破碎，粘连成膜状结构。高压与水分存在协同破坏效应，压力越高、水分越大，淀粉颗粒破损程度越严重。

▲图1 原生及高压处理山药淀粉扫描电镜图

450MPa下随水分上升，淀粉粒径小幅上升，70%后趋于稳定；600MPa下水分越高，颗粒团聚、膨胀越显著，YS-600-70和YS-600-90的D50、D90大幅升高，高水分高压会促使淀粉溶胀、颗粒聚集，粒径分布变宽，均一性下降。红外光谱中1047/1022、995/1022特征比值同步下降，说明短程有序双螺旋结构被破坏，无定形区域增多，600MPa高水分组结构无序化程度最高。

▲图2 原生与高压改性山药淀粉粒径分布曲线

▲图3 山药淀粉X射线衍射图谱与傅里叶红外光谱

高压提升无定形组分占比，降低单、双螺旋结构含量；600MPa下，90%水分样品双螺旋含量仅41.50%，无定形高达56%，长、短程有序结构同步被破坏。

▲图4 山药淀粉固体13C核磁共振谱图

高压处理后淀粉糊化起始温度、峰值温度上升，糊化焓大幅降低，晶体均匀性提升；回生焓随压力、水分升高显著下降，600MPa下70%、90%水分样品几乎无回生吸热峰，证明高压高水分可抑制淀粉分子重排结晶，显著提升储藏过程中的抗老化稳定性。

▲图5 差示扫描量热DSC热分析图谱

原生淀粉以抗性淀粉为主，慢消化淀粉含量极低；450MPa下仅小幅提升RDS，SDS增长不明显；600MPa下随水分升高，RS大幅下降，SDS显著提升，90%水分时SDS达到29.89%；高压力搭配高水分可定向富集慢消化淀粉，而整体结晶度高低无法直接解释该变化，核心诱因是B型晶体占比提升。

▲图6 淀粉消化组分RDS/SDS/RS柱状图

水解速率随压力、水分升高持续加快，600MPa下90%水分样品最终水解率接近90%；一级动力学拟合R²均大于0.9，消化符合单相酶解模型；450MPa样品酶解速率常数偏低，颗粒结构致密阻碍淀粉酶渗透；600MPa高水分淀粉破碎严重，酶可充分接触底物，消化速率大幅提升。

▲图7 淀粉体外水解动力学曲线与LOS斜率拟合图

RDS、SDS与B型晶体、平均粒径显著正相关；RS、结晶度、双螺旋含量呈显著正相关；PC1将有序晶体指标与消化指标完全分离，直接证明晶体亚型是决定消化快慢的核心因素，而非整体结晶度高低。

▲图8 结构-消化相关性热图与主成分PCA载荷图

450MPa下水分增加仅轻度破坏有序结构，后期趋于稳定，消化特性变化平缓；600MPa高水分持续瓦解A型晶体，提升B型晶体相对比例，促进RS向SDS和RDS转化；模型直观阐明压力分级效应与水分协同增效机制，并解释慢消化淀粉富集的分子结构根源。

▲图9 压力-水分协同调控山药淀粉机理模型示意图

四、总结

本研究以铁棍山药淀粉为对象，探究450MPa、600MPa两种静水压搭配20%～90%梯度水分的协同改性作用，系统分析复合处理对淀粉多尺度结构与体外消化特性的影响。静水压会破坏淀粉颗粒结构并促使颗粒团聚，粒径增大；450MPa条件下，随水分提升，淀粉结晶度、分子有序度、双螺旋含量先下降后趋于稳定；600MPa下上述指标随水分升高持续显著降低。DSC结果表明高压处理可降低淀粉回生焓，提升储藏抗老化性能。仅在600MPa下高水分体系能明显提升慢消化淀粉（SDS）含量，进一步分析证实SDS提升与整体结晶度、双螺旋总量无直接关联，核心诱因是B型晶体相对占比上升。

本研究阐明不同压力下水分发挥差异化调控作用，为通过压力-水分耦合处理定制山药淀粉营养功能、开发低升糖淀粉食品提供理论依据。

*\ 参考文献：**

Liu Z, Zhang X, Lv X, et al. The synergistic effect of high pressure and moisture on the digestibility of yam starch[J]. Food Hydrocolloids, 2026, 181: 112970.