前沿应用|低场核磁共振技术在探究大豆分离蛋白水解物（SPIH）对不同晶型天然淀粉抗消化机制中的应用研究

2025-07-10

淀粉作为人类饮食的主要碳水化合物来源，其消化速度与餐后血糖水平密切相关。天然淀粉按晶体结构可分为 A 型（如小麦淀粉）、B 型（如马铃薯淀粉）和 C 型（如豌豆淀粉），不同晶型的消化性存在显著差异。近年来，2型糖尿病等代谢疾病发病率攀升，开发低升糖指数（GI）食品成为重要需求。

研究表明，蛋白质及其水解物可通过物理包裹或分子互作抑制淀粉消化。大豆分离蛋白水解物（SPIH）因具有低分子量、高水溶性及丰富官能团（如羧基、氨基），可能与淀粉形成更强的相互作用。然而，现有研究缺乏对不同晶型淀粉响应差异的系统分析，且 SPIH 与淀粉的互作机制（如氢键、水分调控）尚不明确。

在该研究中，低场核磁共振技术（LF-NMR）主要用于分析大豆分离蛋白水解物（SPIH）对不同晶型淀粉中水分子流动性及分布的影响，从而揭示 SPIH 与淀粉的相互作用机制及其抗消化性的物理基础。

图1：小麦淀粉与SPIH 结合的弛豫谱图

图2：马铃薯淀粉与SPIH 结合的弛豫谱图

图3：豌豆淀粉与SPIH 结合的弛豫谱图

一、水分状态的弛豫时间分类

LF-NMR 通过T₂分布将淀粉体系中的水分分为三类：

T₂₁（0.1–10 ms）

结合水与淀粉 / 蛋白质官能团（如羟基、羧基）紧密结合，流动性极弱；

T₂₂（10–100 ms）

不易流动水被淀粉凝胶网络或蛋白质结构束缚，流动性较低；

T₂₃（100–1000 ms）

自由水存在于淀粉颗粒间隙或凝胶孔隙中，流动性高，与淀粉消化性密切相关。

二、SPIH 对不同晶型淀粉水分流动性的影响

小麦淀粉（A 型）

未添加 SPIH

T₂₃主峰位于约 440 ms，对应自由水占比约 76%（A₂₃振幅）。

添加 20% SPIH 后

→T₂₃峰左移至约 340 ms，自由水弛豫时间缩短 11.4%；

→A₂₃振幅下降至 68%，结合水T₂₁振幅从 12% 升至 18%。

机制

SPIH 的氨基与淀粉羟基形成氢键，夺取自由水转化为结合水，削弱淀粉颗粒膨胀所需的水分供应。

马铃薯淀粉（B 型）

未添加 SPIH

T₂₃主峰位于约 880 ms，自由水占比达 81%（A₂₃）。

添加 20% SPIH 后

→T₂₃峰显著左移至约 460 ms，弛豫时间缩短 47.7%；

→A₂₃振幅降至 59%，不易流动水T₂₂振幅从 15% 升至 27%。

机制

B 型淀粉疏松的晶体结构允许 SPIH 深入孔隙，通过物理缠绕和氢键作用固定自由水，抑制淀粉颗粒吸水膨胀。

豌豆淀粉（C 型）

未添加 SPIH

T₂₃主峰位于约 440 ms，自由水占比 72%（A₂₃）。

添加 5% SPIH 时

T₂₃短暂右移至约 480 ms，自由水流动性略增强，可能因 SPIH 初期破坏淀粉-水网络；

添加 20% SPIH 后

T₂₃左移至约 380 ms，自由水占比降至 65%，结合水振幅从 15% 升至 20%。

机制

C 型淀粉的 A+B 混合型结构使 SPIH 的作用呈现浓度依赖性，高浓度下 SPIH 与直链淀粉形成稳定氢键网络，重新限制水分流动。

三、弛豫时间与抗消化性的关联

自由水流动性降低抑制淀粉消化

SPIH 通过氢键竞争和物理包裹减少自由水含量，延缓淀粉颗粒在消化液中的膨胀及酶解位点暴露。

水分分布与晶型敏感性

B 型淀粉（马铃薯）对 SPIH 最敏感，因其疏松结构允许更多 SPIH 分子插入，而 A 型淀粉（小麦）晶体紧密，SPIH 主要作用于颗粒表面，故水分流动性变化幅度较小。

LF-NMR 数据表明，SPIH 通过与不同晶型淀粉形成氢键及物理网络，减少自由水含量并降低其流动性，进而抑制淀粉消化。该技术为揭示 “蛋白质水解物-淀粉-水分” 互作机制提供了动态证据，支持 SPIH 作为低 GI 食品添加剂的应用潜力。

参考资料

Zhu, Z., Sun, C., Wang, C., Mei, L., He, Z., Mustafa, S., Du, X., & Chen, X. (2024). The anti-digestibility mechanism of soy protein isolate hydrolysate on natural starches with different crystal types. International Journal of Biological Macromolecules, 255, 128213.

https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.128213

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