《食品科学》：浙江省农业科学院吴卫成副研究员、胡薇薇副研究员等：全谷物基质结构对淀粉消化特性影响研究进展

全谷物是指完整的、碾成粉状、碎块状或压成片状的谷物颖果，主要由胚乳（占比80%～85%）、胚芽（2%～3%）及麸皮（12%～18%）组成。作为重要的日常膳食，全谷物富含膳食纤维、矿物质、多酚、植物甾醇和维生素等生物活性物质，具有减轻炎症、降低患癌风险、改善代谢综合征等健康益处。淀粉是谷物的主要营养成分，也是人体重要的能量来源。根据淀粉在小肠中被水解的情况通常可分为3 类：快消化淀粉（RDS）、慢消化淀粉（SDS）和抗性淀粉（RS）。RDS能在小肠上段被快速水解并迅速升高血糖；SDS则在小肠中被缓慢但完全地消化吸收，有助于维持平稳的餐后血糖曲线；RS则不被健康人体小肠消化，进入大肠后被肠道菌群发酵，产生短链脂肪酸，具有益生元效应。淀粉的消化速率与类型分布直接决定了食物的血糖生成指数（GI），进而影响餐后血糖和胰岛素应答水平。长期摄入高GI饮食与2型糖尿病、肥胖及心血管疾病的发病风险增加密切相关。因此，淀粉的消化行为调控对推进精准营养实践、指导慢病防控性膳食设计及开发功能性食品具有关键指导意义。

目前不少研究已表明，全谷物食品具有较慢的淀粉消化速率，并且膳食纤维的代谢调节效应尤为显著。一方面，相比精制谷物，全谷物完整的籽粒结构（麸皮、胚乳和胚芽）是提高胞内淀粉抗消化性能的主要原因。全谷物细胞壁物理结构能够降低α-淀粉酶对淀粉的可及性，从而导致淀粉消化速率减缓，有助于降低餐后血糖应答水平和胰岛素分泌疲劳。另一方面，全谷物食品中生物活性组分间的协同作用，是其发挥健康功效的核心机制，对淀粉消化特性具有至关重要的影响。相比外部添加至淀粉体系的外源性组分，这些天然存在于谷物基质中的内源性非淀粉组分（蛋白质、脂质、非淀粉多糖及多酚类物质）通过物理屏障、酶活性抑制及分子间相互作用等机制在调控消化特性方面发挥重要作用。同时，上述调控机制高度依赖于其在谷物中的空间分布特征，包括被蛋白质、脂质等多级结构包裹的淀粉颗粒复合物，细胞壁进一步包封淀粉颗粒及其结合物构成的胚乳细胞，以及胚乳组织堆叠形成的致密糊粉层。由此可知，全谷物对淀粉消化特性的调控依赖于其基质结构特性。全谷物基质结构包括由胚乳、糊粉层等组织构成的多尺度物理封装结构及其内源性化学组分。内源性蛋白质、脂质、多糖等通过物理包埋、分子间作用及化学交联等方式，形成具有特定空间构型与功能特性的天然复合体系。通常认为，该基质特性的影响因素包括细胞组织结构和化学成分结构，二者形成多尺度结构屏障，主导着淀粉消化的一级动力学过程，影响淀粉消化过程。

近年来，关于非淀粉组分结构屏障作用的研究日益受到关注。例如，Hernández-Bautista等归纳了多酚调控淀粉多尺度结构重排，进而影响淀粉消化酶水解的机制。Zhang Shuhan等阐述了外源蛋白质可吸附于淀粉颗粒表面并在淀粉基质中形成连续网络，提高食品体系致密度，进而阻碍消化酶与淀粉结合。Yang Yueyue等概述总结了内在营养组分与外在因素（加工方法、贮藏条件、外源性食品配料及添加剂）对淀粉类食品消化性的影响。此外，以小麦、小米为代表的谷物非淀粉组分对淀粉消化率的抑制作用也逐渐被报道。然而，目前研究多集中于从不同植物源的提取分离组分对淀粉消化的影响，而从全谷物籽粒形态基质结构、细胞壁组分与胞内淀粉消化行为关系的角度研究较少。为此，浙江省农业科学院食品科学研究所的胡薇薇、张舒涵、吴卫成*等人全面综述基于全谷物基质结构屏障抑制淀粉消化的作用机理。首先，系统总结不同尺度下谷物结构屏障的组成与结构特征，并分析典型加工方式（如碾磨、热处理）对组织结构完整性的影响；其次，重点梳理基质中内源性非淀粉组分（蛋白质、脂质、非淀粉多糖及多酚）在全谷物中的空间分布特征及其加工影响规律，深入阐释内源性组分通过与淀粉互作影响消化的作用机理；最后，强调基质结构屏障及其组分对淀粉消化酶活性及可及性的影响。以期深化对全谷物食品基质结构屏障作用的理解，为研发缓慢消化特性淀粉基食品提供理论依据，对全谷物食品的加工和制造具有指导意义。

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全谷物基质的多尺度结构特征

1.1 籽粒糊粉层

图1展示了典型全谷物籽粒的结构示意图。谷物籽粒可区分为3 个主要部分：胚芽（或称胚胎）、胚乳以及覆盖在胚芽和胚乳外部的籽粒皮层（即麸皮）。糊粉层是胚乳的最外层，细胞呈方形且充满颗粒状蛋白质（粒径2～4 μm），其排列方式因谷物类型而异。例如，小麦、燕麦、玉米通常只有单层糊粉层细胞，大麦具有多层细胞组成的糊粉层结构，水稻具有单层与多层排列共存状态（种子两侧通常只有1 层糊粉层细胞，背侧有3～5 层）。在营养构成上，糊粉层细胞的蛋白质与脂质含量明显高于淀粉胚乳，这主要归因于其内部富含作为储藏蛋白的糊粉粒以及作为储藏脂质的油脂体。同时，该层细胞壁较厚，膳食纤维含量也更高。此外，糊粉层细胞还含有更为丰富的维生素、多酚类及钙、锌、铁等矿物质元素。

因此，糊粉层结构能有效阻碍水分向胚乳渗透，从而延缓淀粉糊化进程。研究表明，随着碾磨程度的增加（0%～69.54%），水分渗入蒸煮燕麦米籽粒中心区域，其结合水与自由水含量减少，而不易流动水含量增加。这主要归因于糊粉层外层非淀粉蛋白的亲水基团及内部致密结构对水分扩散的双重阻滞作用。同时，糊粉层结构可作为物理结构屏障限制淀粉酶扩散速率，即通过体系环境（而非直接作用于淀粉颗粒本身）对淀粉酶-淀粉可及性产生影响。

1.2 胚乳细胞

胚乳细胞是禾本科单子叶植物的主要营养组织，也是谷物籽粒最重要的储能部分。淀粉质胚乳细胞的构成主要包括作为能量主体的淀粉颗粒、作为结构基质的贮藏蛋白质，以及起包裹作用的细胞壁三大类组分。具体而言：淀粉以半结晶颗粒形式存在，在细胞中占比最高；贮藏蛋白质以连续相基质和离散蛋白体（如PB-I、PB-II）两种形态分布于淀粉颗粒间隙与表面；细胞壁则由纤维素、半纤维素（如阿拉伯木聚糖、β-葡聚糖）及木质素等交联聚合物网络构成，形成厚度通常小于1 μm的外层封装结构。

基于以上结构特征，一方面，细胞壁和蛋白质基质能够竞争性结合水分子，抑制淀粉颗粒的溶胀并阻碍胞内淀粉的水解。Korompokis等从小麦籽粒研磨组分中分离出不同细胞壁完整程度的胚乳细胞，发现较为完整的细胞壁可以限制胚乳细胞内淀粉的溶胀，降低胞内淀粉消化速率（40%）；而进一步利用木聚糖酶降解细胞壁后，淀粉体系黏度增加，酶解效率提升。类似地，在豆类子叶细胞中，随着细胞壁破损程度加剧，胞内淀粉的糊化焓值和水解率均显著升高。Edwards等通过体内外实验对比不同粒径鹰嘴豆的消化性差异，发现有限的胞内空间能够抑制淀粉的膨胀，证实更高完整程度的细胞组织是赋予淀粉颗粒消化抗性的重要机制。另一方面，细胞壁宏观形貌的空间位阻效应同样限制淀粉消化，并且胚乳细胞完整的物理结构是调控淀粉消化特性的重要因素。

1.3 淀粉颗粒结合物

在淀粉颗粒尺度上，非淀粉组分（蛋白质、脂质等）通过占据表面及内部通道形成界面屏障影响淀粉消化。根据其来源途径，可分为两类：一是内源性结合，主要为淀粉生物合成过程中残留的合成酶类（如颗粒结合型淀粉合酶）及其他代谢（如淀粉体膜代谢）相关脂质；二是外源性吸附，即在加工或储存过程中，来自胚乳基质、糊粉层或细胞壁的蛋白质、脂质及酚类物质通过氢键、疏水相互作用或共价交联等方式附着于淀粉表面。

虽然淀粉表面及通道中非淀粉组分含量较低，但它们仍对淀粉有序结构的形成和维持起重要作用，进而影响淀粉消化。例如，去除大麦淀粉中淀粉颗粒结合蛋白或淀粉通道蛋白均破坏了淀粉非晶态结构，并显著降低了体系糊化温度和抗性淀粉含量。Tao Han等指出脱脂处理会暴露出普通小麦与糯性小麦淀粉颗粒更多微孔并促使直链淀粉溶出，加速水分迁移，强化加热与冷却过程中的分子重排作用，进而提升了淀粉的水解速率与程度。同时，淀粉颗粒结合蛋白（SGAPs）和脂质还能减少淀粉颗粒有效比表面积、平滑颗粒界面，从而阻碍淀粉酶的结合与水解。此外，不同非淀粉组分之间通过相互作用，以二元/三元/多元聚集体形式在淀粉颗粒表面形成复杂网络屏障实现对淀粉消化率的调控，包括青稞淀粉中的蛋白质与β-葡聚糖、藜麦淀粉中的结合态多酚-不溶性膳食纤维、沙蓬粉中的蛋白质-脂质与淀粉的互作，以及燕麦粉中蛋白质、脂质、β-葡聚糖和多酚四元聚集体结构对淀粉消化的抑制作用。

1.4 不同加工处理对全谷物基质结构及淀粉消化性的影响

全谷物基质的物理屏障功能建立在从宏观到微观的多尺度有序结构之上。这些结构大致可分为3 个层级：宏观/组织尺度（毫米-亚毫米级，如糊粉层、籽粒结构）、细胞尺度（微米级，如胚乳细胞及其细胞壁）以及亚细胞/分子尺度（纳米级，如淀粉颗粒及其表面结合物）。不同加工处理后，组织结构完整性改变对屏障功能产生直接影响。同时，不同品种间的固有差异同样改变其加工响应行为，进而导致淀粉消化特性发生显著变化。表1 概括了不同加工方式对基质结构屏障的影响。碾磨是最基础的物理加工方式，通过机械力破坏谷物籽粒的完整性，加速淀粉消化。而Li Xi等发现黑青稞米麸皮糊粉层的剥离改善了籽粒质构特征，且碾磨黑青稞的降糖功能非但未被削弱，反而通过内源组分的重组获得协同强化。在烘烤、蒸煮等热加工方面，Bai Yipeng等对比了动态微流控、微波、烘烤3 种热处理方式对青稞籽粒超微结构的影响，发现胚乳中出现大量微孔，糊粉层细胞受挤压变形；动态微流控处理诱导的胚乳结构蛋白质网络与糊化淀粉聚集体缠结最为显著，赋予该处理最佳热稳定性及最高抗性淀粉相对含量（42.1%）。Chen Xiaoyu等报道蒸煮加工下青稞籽粒仍可观察到大量麸皮结构及颗粒态淀粉，且包埋于麸皮中的淀粉较暴露于胚乳的淀粉呈现更强的抗水解能力。在淀粉颗粒层面，经15%～40%水分蒸煮的青稞粉淀粉颗粒，其表面孔隙数量显著少于糙米粉，且对α-淀粉酶尺度探针的渗透具有更强阻力，表明淀粉颗粒表面微观结构是调控淀粉酶结合与渗透的关键因素。此外，在品种差异方面，Chen Xiaoyu等系统比较了青稞、糙米与燕麦籽粒在天然状态及熟化加工后的物理屏障特性及其对淀粉消化的影响。研究发现，相较于淀粉自身的分子结构特征，青稞细胞壁的组成与构造差异对其淀粉消化行为的调控作用更为显著。即便经过深度碾磨处理，青稞籽粒中抗性淀粉的含量仍高于未经碾磨的完整燕麦和糙米籽粒，这强调了其细胞壁结构在维持消化抗性方面的独特优势。类似的结果也在白青稞、黑青稞和蓝青稞的对比研究中报道。综上可知，加工影响下全谷物基质的物理屏障作用是多尺度结构、内源组分互作与品种特性的协同响应的结果。从糊粉层、细胞壁到淀粉颗粒表面，各层级结构在加工中均呈现差异化的消化调控作用；揭示不同层级结构在加工链中的演变规律可为全谷物健康食品精准加工提供理论支撑。

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全谷物基质中内源性非淀粉组分及其对淀粉消化的影响

全谷物作为复杂的淀粉体系，其从籽粒、细胞到淀粉颗粒的多尺度物理结构，构成了限制淀粉消化的基础物理屏障。然而，这些物理屏障的功能实现，绝非仅依赖于其几何形态的完整性，更依赖于构成这些结构的各类内源性非淀粉化学组分，及其在加工环境下的分子行为与相互作用。全谷物基质中内源性非淀粉组分主要由内源性蛋白质、脂质、非淀粉多糖、多酚等构成。图2为内源性成分影响α-淀粉酶消化淀粉的机制示意图。

2.1 内源蛋白质

2.1.1 蛋白质的组成及分布

全谷物籽粒中的蛋白质分布具有显著的空间异质性，其类型和功能随组织结构的不同而呈现出系统性差异。根据其分布位置与功能可主要划分为两类：糊粉层与胚中的蛋白质，以及淀粉质胚乳中的蛋白质。在籽粒外围的糊粉层以及胚（胚芽）中的蛋白质主要包括酶类蛋白、结构蛋白及贮藏蛋白，它们直接参与籽粒代谢、萌发过程并为胚胎早期发育提供氮源与氨基酸，具有较高的营养密度。

在淀粉质胚乳中的蛋白质包括SGAPs和贮藏蛋白。SGAPs天然存在于淀粉颗粒表面或内部，且无法通过水洗去除，包括ADP-葡萄糖焦磷酸化酶、淀粉分支酶、脱支酶、颗粒结合型淀粉合酶以及可溶性淀粉合酶，主要通过氢键、疏水作用、静电相互作用及范德华力等非共价作用与淀粉分子结合，对淀粉半晶体结构和颗粒尺寸的生物调控起关键作用。研究指出淀粉分支酶的丰度与胚乳发育过程中支链淀粉含量的增加有关，因而小麦淀粉A型颗粒的支链淀粉含量高于B型颗粒。Han Xianzhong等通过共聚焦激光扫描显微镜观察到玉米、高粱和小麦淀粉的颗粒表面、通道内以及结合在颗粒基质内部的蛋白质。尽管SGAPs在淀粉中含量较低，但其存在对淀粉的形态学、流变学及糊化特性等具有重要影响。贮藏蛋白是谷物蛋白质的主要来源，约占成熟籽粒总蛋白的50%，其中，醇溶蛋白（PB-I）溶于醇类，而谷蛋白和球蛋白（PB-II）分别溶于稀酸/碱和盐溶液。不同谷物贮藏蛋白的组成和含量各异。燕麦和稻谷富含球蛋白，而麦亚科（小麦、大麦及黑麦）和黍亚科（玉米、高粱及黍）主要为醇溶蛋白。大籽粒谷物的贮藏蛋白含量通常高于小籽粒谷物（如小米和水稻）。由于提取方法的不同以及各类SGAPs作用的多样性，其对淀粉性质的影响尚未定论。

2.1.2 蛋白质组分对淀粉消化的影响

如图3所示，蛋白质组分以离散的蛋白质体或以连续的网络状蛋白质基质直接包裹并嵌入淀粉颗粒之间，调控淀粉消化特性。在淀粉结构有序性方面，蛋白质的存在可以增加氢键数量并防止淀粉结构破坏。淀粉-蛋白质复合物的相对结晶度和短程分子有序度均高于纯淀粉。 在糊化、溶胀特性方面，富含醇溶蛋白的基质通过更强的疏水相互作用，抑制淀粉颗粒膨胀并促进淀粉-淀粉间相互作用，形成更强凝胶结构，使抗性淀粉相对含量从8.73%提升至13.48%。面筋蛋白会因竞争性水合作用及对淀粉颗粒表面的包覆而阻碍淀粉的溶胀与糊化。Zhan Qian等报道了表面蛋白与通道蛋白的脱除引起稻米淀粉溶胀力和溶解度升高、糊化温度、表观结晶度及流变特性（储能模量）的下降，以此说明表面蛋白与通道蛋白可能以不同方式影响稻米淀粉糊化-凝胶特性，最终影响米线等淀粉基米制品的消化行为。此外，蛋白质组分还通过物理屏障作用，阻碍了酶与淀粉的接触。麦醇溶蛋白与麦谷蛋白是面筋蛋白的重要构成成分，调控面筋蛋白形成面团的黏弹性网络。醇溶和碱溶蛋白更倾向于在淀粉颗粒表面形成基质网络，影响青稞淀粉消化特性。大米全粉中存在内源性蛋白包裹而成的淀粉团聚体，蛋白质覆盖在淀粉颗粒表面结合位点，通过物理屏障作用，阻碍了酶与淀粉的接触。因此，蛋白质组分通过影响淀粉理化特性并协同屏障作用以改变其消化路径，实现全谷物营养与功能特性的调控。

2.2 内源脂质

2.2.1 脂质的组成及分布

谷物脂质在空间分布上呈现多层次特征：胚芽是脂质的主要富集部位（占总脂肪酸的43.9%～64.9%），其在碾磨过程中可吸附于淀粉颗粒表面。如图4所示，淀粉颗粒中的脂质则进一步区分为表面结合脂质与通道内部脂质。其中，表面脂质多来源于内质网中合成的脂滴以及降解的细胞/淀粉体膜，主要组成为甘油三酯、二酰基半乳糖甘油酯、游离脂肪酸、糖脂和磷脂；而内部脂质主要存在于颗粒通道或直链淀粉螺旋空腔中，主要为单酰基脂质。一方面，淀粉内部脂质含量与直链淀粉含量高度相关。高直链玉米淀粉的脂质含量约为普通玉米淀粉的两倍，而蜡质玉米淀粉中几乎不含脂质。另一方面，脂质含量也与淀粉颗粒大小相关。在玉米淀粉和马铃薯淀粉中，较小的颗粒尺寸提供了更大的表面积与体积比，从而利于更多脂质的结合。

2.2.2 脂质组分对淀粉消化的影响

全谷物中的脂质组分对淀粉消化的影响主要体现在以下三方面：首先是物理屏障作用。表面脂质可在淀粉颗粒周围形成疏水性包覆层，限制水分与消化酶的接近。其次，淀粉与脂质分子之间形成的脂质复合物降低了淀粉酶解速率。淀粉-脂质复合物通过促进有序结构（包括增加短程分子有序性、结晶度及螺旋结构含量）的形成调控淀粉消化性，主要形式为自组装直链淀粉-单酰基类型脂质V型复合物（RS5）。木薯淀粉、马铃薯淀粉及玉米淀粉中的天然脂质可与直链淀粉结合形成V型复合物。脂质的类型、链长及饱和度是决定淀粉消化性的重要因素。例如，Chen Jin等在以方便米粉为基质的消化特性比较中发现，对于18碳长链脂肪酸，亚油酸在降低淀粉水解方面比硬脂酸更为有效。与短链脂质复合物相比，较长链的脂质因其较低亲水性更易驻留于疏水空腔内诱导更强的疏水相互作用与更高的热稳定性，从而使长链脂质-淀粉复合物表现出更低的消化性。饱和脂质-淀粉复合物对消化速率的降低作用是不饱和复合物的3 倍。近年来研究指出，脂质与支链淀粉之间亦存在相互作用，但支链淀粉-脂质复合物的结合力弱于直链淀粉-脂质复合物。此外，蛋白质与脂质在降低淀粉消化率方面的协同效应也已被广泛报道。蛋白质可增强脂肪酸的溶解性，由淀粉、蛋白质和脂质组成的三元体系展现出比淀粉-蛋白质或淀粉-脂质二元复合物更有序的结构。当从米粉中去除内源性蛋白质和脂质后，淀粉消化率随之升高；类似的现象也在裸燕麦中报道。综上，内源脂质通过空间阻隔、结构稳定及多元协同等机制，共同参与调控谷物淀粉的缓慢消化特性，是全谷物食品基质效应的重要组成部分。

2.3 内源非淀粉多糖

2.3.1 非淀粉多糖的组成及分布

谷物胚乳中非淀粉多糖主要分布于细胞壁中，通过离子键、氢键或共价键相互连接。从形态学角度，植物细胞壁的基本结构包括初生壁、次生壁以及胞间层：初生壁由多角度排列的纤维素微纤丝层积增厚以增强其强度与刚性；次生壁主要含有纤维素、木聚糖和木质素，在初生细胞壁内侧和细胞膜之间形成多层、疏水性、刚性结构；胞间层富含果胶，位于初生壁之间，填充细胞间隙，并将相邻细胞粘合在一起。从细胞壁成分角度来看，初生壁可分为I型（双子叶和非禾本科单子叶植物）和II型（禾本科植物）。I型细胞壁由纤维素/木聚糖框架嵌入高密度的果胶多糖网络而形成，具有较好的强度与弹性；II型细胞壁的木葡聚糖和果胶含量较低，其主要结构多糖为混合键合葡聚糖和葡萄糖醛酸阿拉伯木聚糖。在全谷物中，不同品种、组织类型及细胞壁层的多糖与单糖组成存在显著差异。水稻细胞壁含有约27%果胶，荞麦和藜麦中细胞壁果胶分别为1.8%和4.7%，而其他谷物中果胶含量极低。小麦糊粉层细胞壁中阿拉伯糖与木聚糖的比例高于胚乳细胞壁，且糊粉层细胞壁中的阿拉伯糖酯化程度较高。青稞胚乳细胞壁主要由70%的β-葡聚糖、20%～25%的阿拉伯木聚糖和少量的纤维素（约为2%）构成，其中葡聚糖承担了基质多糖的作用。而在玉米的胚乳细胞壁中阿拉伯木聚糖是主要成分（75%），β-葡聚糖为次要成分（20%）。此外，大麦胚乳细胞壁的外层富含阿拉伯木聚糖，靠近细胞质基质的内层则富含β-葡聚糖。

2.3.2 非淀粉多糖组分对淀粉消化的影响

细胞壁多糖能够通过调控籽粒内水分的吸收与扩散，延缓淀粉颗粒溶胀和分子浸出，并在糊化过程中维持淀粉颗粒有序的晶体结构；同时实现淀粉颗粒宏观结构化分离，进而影响淀粉酶结合效率和淀粉消化率。全谷物细胞壁组成和结构的变化会影响孔隙度和渗透性。β-葡聚糖具有更好的水溶性和延展性，其含量与细胞壁的厚度有关，并影响胚乳细胞壁的溶胀性。在荞麦等双子叶伪谷物中，果胶表现出较高的构象自由度与分子链柔顺性，更易受热加工参数胁迫损伤，改变酶渗透性，影响消化过程。在米粉中，水和多糖羟基之间的快速质子交换影响淀粉和水分子之间的相互作用，限制了水的有效性。米糠中的不可溶性膳食纤维可降低方便米粉的消化率，这归因于其多孔结构延缓了葡萄糖的吸收与扩散。Feng Wenjuan等报道富含β-葡聚糖的燕麦籽粒细胞壁表现出独特的双重功能：黏性可溶性纤维和物理屏障网络。前者通过与淀粉分子链的物理缠结及其自身聚集行为显著提高体系黏度，进而限制溶剂流动及消化酶/葡萄糖分子的扩散；后者提供了细胞壁天然形式的结构屏蔽作用，减少酶-底物接触频率并延缓葡萄糖释放。类似的结果也在青稞内源β-葡聚糖对淀粉消化行为影响的研究中报道。此外，通常认为细胞壁以其致密的表面结构限制蒸煮过程中水分向胚乳细胞渗入及内源淀粉颗粒的自由膨胀，食品加工方法会破坏这些天然抗性淀粉结构及屏障，增加加工食品中淀粉的酶解敏感性。然而，加工也可能形成具有更低淀粉消化性的新型食品结构，例如回生支链淀粉与直链淀粉链组装体（致密B型微晶）可与细胞壁多糖构成复合基质，形成高密度分子网络降低消化酶的渗透性。

2.4 内源多酚

2.4.1 多酚的组成及分布

谷物富含多酚类化合物，通过分析不同加工精度的谷物营养组分分布发现酚类物质在全谷物中的分布并不均匀，主要富集在种皮和糊粉层部位。酚酸是全谷物中最重要的酚类成分，分为羟基苯甲酸衍生物和羟基肉桂酸衍生物。这些酚酸类成分在全谷物中以游离态、可溶酯化态和不溶结合态3 种形式存在，其中前两者常被统称为游离态多酚，后者则称为结合态多酚。游离态多酚主要存在于植物组织细胞的液泡中；而结合态多酚则通过与谷物细胞壁的结构性成分，如半纤维素、纤维素、果胶、木质素和棒状结构蛋白等以酯键共价结合的结合态形式存在。谷物中一半以上的酚类物质属结合态多酚，如玉米、小麦和水稻中的结合酚分别占总酚含量的85%、75%和62%左右。酚类物质的含量和种类也因谷物种类的不同有较大差异。荞麦、绿豆中总酚含量要高于小米、豌豆、燕麦等谷物。王丹丹等报道高粱和玉米的多酚与黄酮类含量明显高于其他谷物，其中高粱中的单宁和花色苷赋予其更强的抗氧化与抗炎作用。青稞等大麦中含有约53.7%～88.9%的酚类物质，其中结合酚类物质阿魏酸以糖脂键存在，游离的酚类物质主要包括原花青素和类黄酮。由于谷物中的酚类物质主要存在于谷物籽粒的外层，即麸皮中，因而全谷物作为酚类物质的重要来源，越来越被人们所重视。

2.4.2 多酚组分对淀粉消化的影响

除多酚对酶活性的抑制作用外，多酚（尤其是聚合酚）与淀粉的特异性相互作用是影响消化性的主要原因，其主要通过非共价相互作用形成包合与非包合复合物，对酶解过程具有高度抗性。一方面，直链淀粉可通过氢键、疏水相互作用、静电与离子相互作用等与多酚形成非包合型复合物，其结构无法通过X射线衍射直接表征，并且多酚的羟基数量与分布及其分子大小均会影响非包合型复合物中淀粉与多酚的相互作用强度。Zhu Shuyun等对比了荞麦多酚（芦丁与槲皮素）与长直链淀粉（2 000＜聚合度（DP）＜20 000）、短直链淀粉（100＜DP＜500）的结合形式及其消化影响，发现芦丁对淀粉消化的抑制作用主要受淀粉精细结构调控，且2%的芦丁添加量对苦荞淀粉消化具有最佳抑制效果。另一方面，淀粉与多酚也可形成V型包合物，即RS5。在该类复合物中，多酚部分包埋于淀粉疏水空腔内，并通过限制淀粉溶胀及构建致密且酶可及性低的淀粉网络延缓消化过程。Qi Kaixin等分析了全麦面包形式中内源多酚抑制淀粉消化的作用方式，指出相比V1型（单一螺旋内包合复合物），V2型（层状复合物）对淀粉消化酶具有更强的抗性。同时，多酚能够抑制来源于淀粉的葡萄糖的跨上皮转运。Li Min等验证了4 个燕麦品种及其3 种制品形式（燕麦粥、谷物早餐和零食棒）中游离态与结合态燕麦多酚对葡萄糖的跨膜转运抑制作用。此外，结合态多酚参与组成细胞壁，构成物理屏障，其酯化作用显著影响胚乳细胞壁的孔隙度、完整性和力学性能，进而影响淀粉消化行为。例如De O. Buanafina等报道胚乳中阿拉伯木聚糖的水溶性取决于阿魏酸桥共价交联的链段比例，这一交联结构同时控制着胚乳细胞壁的溶胀与溶解行为。纯化的小麦胚乳细胞壁经阿魏酸酯酶和碱处理后，阿拉伯糖与阿魏酸间的酯键断裂，细胞壁的弹性模量与损耗模量下降，结构完整性丧失。综上，在全谷物基质结构中，内源多酚通过与淀粉形成酶抗性复合物及参与细胞壁交联屏障网络，在分子与超微结构层面共同延缓淀粉消化进程。

2.5 不同加工处理对全谷物中组分结构及淀粉消化性的影响

不同加工处理对全谷物基质结构的影响不仅体现在多尺度组织屏障，同时也改变其内源组分结构，并对淀粉消化特性产生影响。在物理加工中，碾磨主要通过机械力破坏全谷物基质结构的完整性，其淀粉消化率随碾磨处理通常呈先快速上升，后趋于平缓甚至波动下降的复杂变化。随着碾磨程度的增加，内源性蛋白质、脂质可与糊化的淀粉发生相互作用，形成新的淀粉-蛋白质-脂质复合物，改变体系黏度与微观结构，这在一定程度上延缓了最终消化速率。其次，基于热效应的加工方式（如蒸煮、焙烤等）具有类似的双重效应：一方面，热处理削弱天然基质屏障。细胞壁多糖链热裂解而孔隙增大、强度下降；蛋白质网络变性并重新排布，促进了淀粉-淀粉酶组分的交互反应；另一方面，热诱导组分交互作用，延缓淀粉消化。Hu Weiwei等发现热处理通过改变青稞中β-葡聚糖的分子构象与聚集状态，影响了其对淀粉的包封作用，从而调控消化速率。Amoako等证实热处理有助于玉米中原花青素与直链淀粉形成更稳定的V型复合物，从而增加抗性淀粉含量。此外，挤压膨化过程几乎完全破坏全谷物的天然基质细胞结构，使淀粉、蛋白质、膳食纤维等组分熔融、混合并发生分子重排，从而一定程度保留全谷物缓慢消化特性。Fang Fang等研究了8 种全谷物挤压后的血糖调节作用，发现不同谷物间仍存在差异，暗示了基质组分在剧烈加工后依然发挥作用。在生物加工中，酶、微生物等发酵作用对淀粉消化的影响双向且复杂。例如预发酵虽然降解了部分细胞壁，但发酵面团在后续焙烤中可能因美拉德反应和蛋白质交联而形成更致密、坚韧的外壳和内部网络，反而延缓了消化酶的渗透与作用。Zhang Jiayan等发现发酵改变了青稞SGAPs的组成与状态，进而影响了淀粉的消化抗性。综上，不同的加工方式通过物理破坏、化学转化和生物改性等途径，改变了全谷物天然基质组分结构，使最终产品呈现不同的淀粉营养功能特性；其核心为全谷物基质组分结构的保留与重塑，实现面向特定健康需求（如糖尿病人群）的全谷物食品精准设计与制造。

表2总结了全谷物内源性组分对淀粉消化性的影响。

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基质结构屏障对淀粉消化酶的影响

基质结构屏障对淀粉消化的调控，主要通过糊粉层和胚乳细胞细胞壁的完整性限制淀粉-酶的接触作用。糊粉层可限制消化液与酶类向胚乳扩散。Chen Xiaoyu等比较了不同品种青稞的消化特性，结果发现，蓝青稞具有更厚的麸皮层和更致密的细胞排列结构，这可能是有效阻碍消化液的渗透、降低淀粉的生物可及性的关键因素之一。Yan Yu等报道未经碾磨的藜麦淀粉消化率最低（80.35%）；而碾磨80 s后其淀粉消化率达最高值，抗性淀粉相对含量从20.16%骤降至8.85%。类似地，在熟化大米粉的研究中也观察到相似规律：较低碾磨程度的米粉在整个消化过程中与消化酶的接触空间较小；而在高碾磨程度米粉的消化过程中，更多淀粉暴露于消化液中。值得注意的是，糊粉层对淀粉消化的抑制作用并非仅取决于厚度，更与其结构完整性及致密性密切相关。王瑞瑶发现2%碾磨度即可显著降低黑糯米的硬度和缩短蒸煮时间，并显著提高其快消化淀粉含量，碾磨度继续增加则增幅减缓，说明糊粉层的完整屏障功能具有关键阈值效应。进一步地，胚乳细胞壁宏观形貌的空间位阻效应同样限制消化酶接近淀粉的可及性。Li Haiteng等使用荧光标记葡聚糖观察发现消化酶向胞内淀粉的扩散行为受限于细胞壁孔径的大小。Chen Zhongwei、Bhattarai等分别从荞麦、小麦及高粱籽粒中提取胚乳细胞，揭示细胞壁作为物理屏障，可阻碍酶向淀粉的扩散，并限制被包埋淀粉的酶解过程。因此，在谷物加工中采用适度碾磨策略，在改善食物质构的同时最大限度保留糊粉层完整性，将成为调控淀粉消化速率、提升全谷物营养效价的重要途径。

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内源性非淀粉组分对淀粉消化酶的影响

内源性非淀粉组分对淀粉消化酶的影响主要包括两个层面：1）对淀粉酶活性的影响；2）对淀粉酶扩散速率的影响。目前关于内源性非淀粉组分对消化酶活性的抑制作用已有广泛报道。例如，贮藏蛋白或颗粒结合蛋白能主动结合淀粉消化酶并抑制其水解活性。来自小麦面筋蛋白的内源性双头α-淀粉酶/胰蛋白酶抑制剂，其可在α-淀粉酶穿透麸质网络时与之相互作用，有效抑制淀粉水解活性。酚类化合物的理化特性对其抑制淀粉消化的效果具有重要影响：羟基数量越多，对α-淀粉酶的抑制能力越强；反之，羟基经糖基化修饰后则会降低其抑制活性。在细胞壁多糖组分方面，胰α-淀粉酶与纤维素之间存在非催化性可逆结合亲和力，果胶多糖也可能通过静电相互作用和/或氢键与淀粉葡萄糖苷酶结合。此外，内源性非淀粉组分还能显著改变反应体系黏度，通过促进或抑制淀粉酶扩散速率，影响体外淀粉消化性。一方面，大麦β-葡聚糖与淀粉之间的相互缠结与重叠，以及β-葡聚糖自身的聚集作用，被认为是显著提高体系黏度并限制水分迁移的主要原因。类似地，已有研究报道，添加高酯化果胶可通过提高体系黏度，抑制淀粉葡萄糖苷酶的扩散速率，从而降低体外淀粉消化性。另一方面，内源性蛋白质和脂质的存在也可能阻碍淀粉分子链的缠结，从而降低体系黏度。Lu Shiyi等发现相比完整藜麦粉，脱蛋白、脱脂及脱蛋白脂藜麦粉的GI显著降低，这主要归因于后者具有更高的最终黏度与剪切稀化特性，表明淀粉颗粒表面的蛋白质与脂质限制了糊化淀粉分子的团聚，降低了凝胶网络强度，反而导致淀粉消化率升高。

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结 语

全谷物食品具有缓慢的淀粉消化特性，有助于降低餐后血糖应答水平，缓解胰岛素分泌疲劳。相比精制谷物，全谷物完整的籽粒结构（麸皮、胚乳和胚芽）是提高胞内淀粉抗消化性能的主要原因；深入理解不同尺度下谷物基质结构及其细胞组分对淀粉消化的调控机理对于充分挖掘全谷物制品的营养潜力至关重要。

全谷物基质的多尺度结构特征包括蛋白质、脂质等多级结构包裹的淀粉颗粒结合物，细胞壁进一步包封淀粉颗粒及其结合物，共同构成胚乳细胞，以及胚乳组织堆积而形成的致密糊粉层。在物理结构层面，完整的糊粉层、坚固的胚乳细胞壁构成了宏观与微观物理屏障，有效延缓了水分、热及消化酶的渗透与扩散。更进一步地，在基质内源性化学组分方面，强韧致密的蛋白质网络以及与淀粉颗粒表面和通道结合的蛋白、脂质等组分对淀粉颗粒的稳定性、表面状态及有效作用面积至关重要，能够显著增强对淀粉酶消化的抗性。内源性多酚是α-淀粉酶与α-葡萄糖苷酶的有效抑制剂，通过竞争性与非竞争性作用抑制淀粉消化；其结合态形式可与内源性非淀粉多糖交联形成复杂网络，延缓淀粉酶与葡萄糖分子的扩散速率。由非淀粉多糖构成的细胞壁包封淀粉颗粒，谷物细胞壁的尺寸、组成和机械强度是抵抗消化的关键因素。由不同组分与结构共同构建的多尺度结构屏障主导着淀粉消化的一级动力学过程，对淀粉消化特性调控起关键作用。

然而，该领域仍存在诸多亟待解决的问题。首先，淀粉颗粒表面孔隙及内部通道之间的结合机制尚不清晰，缺乏有效的原位检测表征技术，淀粉酶如何通过孔和通道进入颗粒内部的文献报道非常有限。其次，细胞壁精细结构与化学组成的准确解析仍是当前面临的挑战。淀粉与内源非淀粉组分之间的多重相互作用主要基于外源非淀粉组分和淀粉，无法反映实际谷物体系中不同细胞壁组分的互作机制，此类信息对于确定限制淀粉溶胀与生物可及性的细胞壁抗张强度与孔隙度至关重要。此外，加工及消化过程会进一步影响基质结构屏障网络，需要进一步探究环境诱导内源性非淀粉组分结构变化，明确全谷物基质的多尺度结构特征与胞内淀粉消化行为的关系。

第一作者

胡薇薇副研究员
浙江省农业科学院食品科学研究所

2022年毕业于浙江大学食品科学专业，同年入职浙江省农业科学院食品科学研究所。主要从事功能性碳水化合物相关工作，重点开展植物细胞壁多糖结构鉴定及非热改性、谷物淀粉加工与营养、全谷物功能性食品开发，在大分子多糖结构和功能方面积累了一定的工作基础。主持国家基金青年项目、浙江省农业厅重大协同项目；作为骨干参与国家重点研发计划项目、国家基金面上项目等共计5 项。以第一作者/通信身份在Food Hydrocolloids、Carbohydrate Polymers、Ultrasonics Sonochemistry 等期刊上发表SCI 论文16 篇，授权国家发明专利2 项，美国专利2 项。

引文格式：

胡薇薇, 张舒涵, 张程程, 等. 全谷物基质结构对淀粉消化特性影响研究进展[J]. 食品科学, 2026, 47(11): 390-401. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251229-251.

HU Weiwei, ZHANG Shuhan, ZHANG Chengcheng, et al. Research progress on the effect of whole grain matrix structure on starch digestive properties[J]. Food Science, 2026, 47(11): 390-401. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251229-251.

实习编辑：辉煌；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

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