淀粉根据其消化率，通常分为3 类:快速消化淀粉（rapidly digested starch，RDS）、慢速消化淀粉（slowly digested starch，SDS）和抗性淀粉（resistant starch，RS）[1]。其中，RDS 可被人体消化，导致血糖水平迅速升高。持续食用富含RDS 的食物会对健康的血糖水平构成挑战，从而增加患糖尿病的风险。2 型糖尿病的特征是一种由身体对胰岛素的无效使用引起的代谢紊乱[2]。这种情况的典型表现是高血糖，即血糖水平升高。长期高血糖是有害的，因为它会对各种器官系统，特别是神经和血管造成损害，从而增加心血管疾病、肾脏疾病和视觉障碍等患病风险，尽管目前还没有治愈2 型糖尿病的方法，但有效控制餐后血糖水平已被认为是预防该慢性疾病的一项重要策略[3]。
玉米是世界上产量最高的粮食，2023 年中国总产量约为2.8 亿t，世界排名第二[4]。全球玉米市场的快速扩张导致玉米加工业中玉米麸皮副产品大幅增加。玉米麸皮被认为是适合制作动物饲料的低成本、获取方便的木质纤维素材料。文献显示，玉米麸皮占玉米粒干重的14%，含有50.1%的总膳食纤维，包括34.5%的半纤维素（corn bran hemicellulose，CBH）、12.3% 的纤维素、0.2%的木质素和3.1%的总果胶[5]。丰富的膳食纤维，特别是半纤维素，使得玉米麸皮成为半纤维素的理想来源。有研究发现水溶性半纤维素能够降低淀粉消化率。因此，从玉米麸皮中提取半纤维素及其对淀粉消化的影响是目前研究的热点。
本研究以玉米麸皮为原料，采用碱解法和酶法制备高分子量和低分子量半纤维素（CBH-H 和CBH-L），研究它们对淀粉与碘结合能力，考察半纤维素对面团的水分分布和流变特性的影响，以及半纤维素对馒头中小麦淀粉消化性的影响，旨在从半纤维素与淀粉相互作用的角度阐明抑制淀粉消化的原理，为开发具有降血糖功能的半纤维素食品原料提供重要依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
玉米麸皮:中粮集团有限公司；小麦淀粉:新乡食品有限公司；金龙鱼多用途麦芯粉:东莞益海粮油工业有限公司；碘溶液（0.2 mol/L）:深圳市博林达科技有限公司；酵母:安琪酵母股份有限公司；α-淀粉酶（140 U/mL）、淀粉葡萄糖苷酶（1 200 U/mL）、猪胰酶（8×USP）:美国Sigma 公司；D-葡萄糖测定试剂盒:爱尔兰Megazyme公司；氢氧化钠、无水乙醇（均为分析纯）:北京吉普腾试剂有限公司；碱性蛋白酶（200 000 U/g）:、N，N-二甲基乙酰胺:北京索莱宝科技有限公司。
1.2 仪器与设备
紫外可见分光光度计（UV-2800A）:尤尼柯（上海）仪器有限公司；X 射线衍射仪（D8ADVANCE）:德国布鲁克仪器有限公司；真空冷冻干燥机（FD-1B-80）:杭州川一实验仪器有限公司；分析天平（AUX220）:日本岛津公司；恒温摇床（SWB-2000）:天津奥特赛恩斯仪器有限公司；和面机（M10-MC91）:杭州九阳股份有限公司；pH 计（PHS-25）:梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；电热恒温水浴锅（HWS-26）:上海书培实验设备有限公司；旋转蒸发仪（RE-52AA）:常州恒德仪器制造有限公司；低场核磁共振仪（PQ001）:苏州纽迈分析仪器股份有限公司；TMS-Pro 质构仪:美国FTC 公司。
1.3 方法
1.3.1 两种分子量半纤维素的制备
1）先将含水量为（7.94±0.02）%的玉米麸皮粉碎并通过80 目筛。然后，将过筛后的50 g 玉米麸皮与水以1∶40（g/mL）的料液比混合，并在80 ℃的水浴中孵育2 h。孵育后，将混合物以4 000 r/min 离心5 min。留下玉米麸皮残渣称取湿重，加蒸馏水使料液比为1∶15（g/mL），加入氢氧化钠溶液将pH 值调节至6.0～6.6。然后加入7.5 g α-淀粉酶，并将混合物在55 ℃下孵育2 h。将悬浮液的pH 值调节至9.0～10.0，再加入3.85 g 碱性蛋白酶，然后将其在55 ℃孵育2 h，随后沸水浴10 min 灭酶。
2）将上述灭酶溶液离心（4 000 r/min，5 min）获得玉米麸皮渣。将沉淀物加入到浓度为5%的NaOH 溶液，并在80 ℃下孵育2 h。随后离心（4 000 r/min，5 min），收集上清液，使用冰醋酸将pH 值调节至6.0～7.0，随后使用旋转蒸发仪浓缩至600 mL。将浓缩液转移到透析袋（1 kDa）中，透析24 h 以除去盐离子（Na+、CH3COO-、Cl-）。下一步将溶液浓缩至400 mL，随后加入1 200 mL 无水乙醇醇沉半纤维素，静置24 h。然后将混合物离心（4 000 r/min，5 min），收集沉淀物并冷冻干燥以获得高分子量半纤维素（记为CBH-H）。
3）取1）中灭酶后的玉米麸皮悬浮液，将pH 值调节至4.6。随后加入0.012 g 半纤维素酶，将溶液在45 ℃水浴中孵育5 h，随后沸水浴10 min 使酶失活。离 心（4 000 r/min，5 min），收 集 上 层 液 并 浓 缩 至400 mL，随后加入1 200 mL 无水乙醇（1∶3，体积比）使半纤维素沉淀，静置24 h。收集沉淀并冷冻干燥以获得低分子量半纤维素（记为CBH-L）。
1.3.2 两种分子量水溶性半纤维素分子量测试
参考Tian 等[6]的通过凝胶渗透色谱法，使用配备Rid-20 折射率检测器的高效液相色谱（high performance liquid chromatography，HPLC）仪测定半纤维素样品的摩尔质量分布。在分析之前，样品和流动相（由N，N-二甲基乙酰胺和0.5%LiCl 组成）均通过0.45µm滤膜过滤。将200µL 样品注入Styragel HMW 6E 柱（300 mm×7.8 mm）。流动相以0.5 mL/min 的流速洗脱，在整个分析过程中，柱和检测器的温度均保持在35 ℃。参考标准包括分子量为642、334、49.4、22 kDa和6.3 kDa 的普鲁兰多糖窄馏分。使用这些分子量的标准曲线，估算半纤维素样品的相对摩尔质量。
1.3.3 两种分子量水溶性半纤维素对小麦淀粉与碘结合能力
淀粉-碘结合能力评价参考Fu 等[7]的方法，制备10 mg/mL 的小麦淀粉溶液，分别添加高和低分子量半纤维素（0%、2%、4%、8%、16%，以小麦淀粉干基计），样品分别标记为对照、CBH-H2%、CBH-H4%、CBH-H8%、CBH-H16%、CBH-L2%、CBH-L4%、CBH-L8%、CBH-L 16%。沸水浴20 min，待小麦淀粉溶液冷却室温后加入0.1 mL 0.2 mol/L 的碘溶液，混合均匀后测定500～850 nm波段下的紫外吸收光谱A，并减去相应的碘溶液和半纤维素-碘溶液的背景影响，获得紫外吸收差谱ΔA。
1.3.4 小麦面团的制备
称取50 g 小麦面粉，将0%、2%、4%、8%、16%（占小麦面粉干基重）高、低分子量半纤维素与小麦面粉混合均匀，倒置放入和面机并且加30 g 水，运行10 min，即得小麦面团待测样品，对照组样品为50 g 小麦面团。
1.3.5 小麦面团的水分分布
面团的水分迁移特性参照Thielemans 等[8]的方法并稍加修改，使用低场核磁共振仪进行测定。使用1.3.4 制备的面团测试水分分布。首先利用脉冲序列技术测定各样品的横向弛豫时间（T2），以观察不同面团体系中水分的迁移情况。具体方法为将每个5 g 的面团样品装入聚四氟乙烯袋中，然后放入直径为25 mm 的玻璃核磁共振管中。参数如下:间隔时间=1 000 ms，采样点数=159 998，回波时间=0.1 ms，回波数=8 000。CPMG 数据使用T2-fit 程序进行拟合。
1.3.6 小麦馒头的制备
在1.3.4 面团制备过程中加入0.1 g 酵母，放置40 ℃恒温恒湿培养箱下静置进行一次醒发1 h，一次醒发结束后，揉压排出气体，均匀分成8 g 面团进行二次醒发20 min，最后将醒发完成的面团蒸15 min，即得待测馒头样品。
1.3.7 贮藏期馒头中淀粉结晶结构和结晶度测试
馒头中小麦淀粉的结晶结构参考Wang 等[9]的方法并稍加修改。淀粉馒头置于4 ℃下贮藏0、7、14 d，将冷冻干燥的半纤维素馒头样品作为固体块进行X射线衍射（X-ray powder diffractometer，XRD）分析，使用X 射线衍射仪记录XRD 图谱。使用波长为0.154 nm的Cu-Kα 辐射源，在40 kV 和40 mA 下操作，衍射角（2θ）为5°～40°，并计算出每组样品的结晶度。
1.3.8 贮藏期中小麦馒头硬度测试
贮藏期中馒头硬度的测试参考Zhang 等[10]的方法并稍加修改。馒头置于4 ℃下贮藏0、7、14 d，用质构仪测试贮藏期中馒头硬度的变化。测试程序:测试探头为直径2 cm 的圆柱形探头P/5，探头测试速率为60 mm/min，形变量为50%，触发力为2 N。记录馒头贮藏过程中的硬度值。
1.3.9 贮藏期馒头中小麦淀粉消化性测试
采用Englyst 法测定半纤维素小麦淀粉消化的影响[11]。取300 mg 小麦面粉，7.5 mL 蒸馏水、2.5 mL 0.4 mol/L 乙酸钠缓冲液（pH5.2）和25 mg 瓜尔胶加入50 mL 离心管中，混合后在37 ℃恒温摇床上平衡20 min。准备酶混合物:将淀粉葡萄糖苷酶稀释后与猪胰酶上清液混合。向样品中加入2.5 mL 混合酶溶液，在37 ℃下进行反应。在消化20 min 和120 min时，各取250µL 样品，与10 mL 66% 乙醇混合，4 000 r/min 离心10 min 后检测上清液中的葡萄糖浓度。
1.4 数据处理
所有试验都通过3 份平行样品进行3 次独立重复试验，统计分析采用SPSS 软件25.0 版。利用单因素方差分析和邓肯检验分析数据，p<0.05 被认为是差异显著。
2 结果与分析
2.1 两种半纤维素分子量分析
从玉米皮中提取的半纤维素样品的分子量结果如表1 所示。
表1 半纤维素分子量表征
Table 1 Characterization of hemicellulose molecular weight
样品CBH-L CBH-H Mw/Da 1 090±26 789 371±500 Mn/Da 721±9 136 955±350 Mw/Mn 1.51 5.76
根据标准校准曲线计算了3 种半纤维素样品的相对重均分子量（Mw），由表1 可知，碱解法所得CBH-H的分子量为789 371 Da，酶解法所得CBH-L 分子量为1 090 Da。此外，Mw 与Mn（数均分子量）之比表明了分子量分布，半纤维素的分子量降低的同时，Mw/Mn 从5.76 降低到1.51，表明分子量分布变窄、分布更加均匀。
2.2 两种分子量半纤维素对小麦淀粉与碘结合能力的影响
采用紫外吸收光谱法研究了不同分子量半纤维素对小麦淀粉碘结合特性的影响，结果见图1。
图1 半纤维素对小麦淀粉与碘结合能力评价
Fig.1 Hemicellulose binding capacity of wheat starch with iodine
由图1 可知，将小麦淀粉与碘试剂结合后，在580 nm 附近的紫外吸收光谱中出现明显的特征峰，表明小麦淀粉与碘之间形成复合物，从而产生蓝色。与对照组相比，不同分子量的半纤维素以剂量依赖的方式降低小麦淀粉-碘复合物的特征吸收峰强度。半纤维素浓度为2%～16%时，580 nm 处ΔA 值均降低，与对照组相比，CBH-L 降低了2.74%～4.33%，CBH-H 降低了2.76%～54.13%。这些结果表明，半纤维素阻碍了小麦淀粉-碘复合物的形成，其中高分子量半纤维素的抑制作用最显著。这是由于半纤维素与碘竞争结合小麦淀粉。一方面，直链淀粉的线性长链在淀粉糊化过程中形成螺旋状疏水腔，使半纤维素占据直链淀粉螺旋的内部，形成V 形复合物[12]，这种结构限制了碘与小麦淀粉的结合。另一方面，半纤维素中丰富的羰基和羟基能够与淀粉分子形成氢键，由于物理屏障作用阻碍了小麦淀粉与碘的结合。相对于低分子量半纤维素，CBH-H 抑制小麦淀粉与碘结合的效果更明显，这反映出CBH-H 结合小麦淀粉的能力更强[13]。
2.3 两种分子量半纤维素对小麦面团水分分布的影响
利用核磁共振技术可以从微观的角度研究面团内部水分的分布和迁移情况，结果见表2。
表2 半纤维素对面团水分分布的影响
Table 2 Effect of hemicellulose on moisture distribution of dough
注:同列不同小写字母表示差异显著，p<0.05。
组别对照CBH-L2%CBH-L4%CBH-L8%CBH-L16%CBH-H2%CBH-H4%CBH-H8%CBH-H16%T21/ms 0.65±0.01a 0.62±0.01ab 0.60±0.03ab 0.52±0.01c 0.52±0.02c 0.61±0.01ab 0.60±0.03ab 0.52±0.02c 0.52±0.04c T22/ms 4.50±0.01a 3.65±0.02d 3.92±0.04c 3.65±0.02d 4.20±0.01b 4.20±0.05b 3.92±0.01c 3.92±0.10c 3.65±0.14d T23/ms 155.22±2.88b 178.34±4.49a 135.01±2.31c 135.01±6.09c 126.04±3.90d 178.34±2.77a 178.34±6.60a 155.22±5.50b 126.04±2.72d A21/%6.66±0.01c 5.46±0.02d 5.48±0.03d 5.46±0.04d 4.71±0.04e 8.47±0.25ab 8.21±1.21b 8.62±0.96a 8.57±1.25a A22/%18.91±0.02d 17.17±0.04e 19.06±0.14d 19.57±0.17d 24.72±0.83a 17.58±0.82de 20.16±1.21c 20.68±0.96c 24.11±1.25b A23/%74.40±0.06ab 77.36±0.93a 75.46±3.14ab 74.97±1.28ab 70.04±1.88bc 73.06±0.28bc 71.63±2.85bc 70.69±3.36bc 67.32±1.50d
由表2 可知，T2 的弛豫时间长短可反映水分子与固体相互作用的强度，T2 数值越小说明水的运动速度越慢，流动性越差。T21 代表着半纤维素与小麦淀粉之间密切结合的深层结合水；T22 代表介于自由水和深层结合水之间流动性较弱的弱结合水；T23 代表了在面团体系中自由流动的自由水[14]。如表2 所示，添加CBHH16%时，与对照组面团相比A21（结合水）和A22（弱结合水）比例分别增加1.91%和5.20%，A23（自由水）比例下降7.08%。随着半纤维素浓度增加，样品表现出较低的弛豫时间和较高的峰面积比，表明水与淀粉和面筋之间的结合力下降[15]，导致T21 和T22 降低，水流动性受到限制。表2 中可以得出，随着半纤维素的添加A21、A22 呈现逐渐增加的趋势，这说明面团的结合水比例增加，面团的保水能力增加；此外，添加16%半纤维素后T23、A23 低于对照组，说明半纤维素降低了小麦面团的流动性。CBH-H 和CBH-L 对面团水分分布影响的不同点在于:高浓度CBH-H（8%、16%）显著增加A21和A22 的占比（p<0.05）；CBH-H 限制自由水流动能力更加显著（p<0.05）。这些结果表明，半纤维素的添加增加了面团的深层结合水和弱结合水含量，降低自由水含量。
2.4 两种分子量半纤维素对小麦馒头贮藏期中结晶结构的影响
使用X 射线衍射仪研究了小麦馒头中淀粉的结晶结构和结晶度，结果见图2 和表3。
图2 半纤维素对馒头中淀粉结晶结构的影响
Fig.2 Effect of hemicellulose on crystallinity of starch in Mantou
表3 半纤维素对馒头中淀粉结晶度的影响
Table 3 Effect of hemicellulose on crystallinity of starch in Mantou
组别对照CBH-L2%CBH-L4%CBH-L8%CBH-L16%CBH-H2%CBH-H4%CBH-H8%CBH-H16%0 d 22.9 22.5 21.7 20.9 20.4 20.7 19.9 19.5 19.4 7 d 26.8 24.7 24.3 23.9 23.6 24.0 23.3 22.8 22.6 14 d 27.6 25.7 25.4 24.8 24.1 24.4 24.2 24.0 23.7
本研究利用XRD 对添加不同浓度的两种分子量纤维素的小麦馒头中淀粉的结晶结构进行了分析。从图2 可知，小麦淀粉经过蒸煮后，小麦淀粉被破坏了A型结晶结构形成了无定形区域[16]。随着贮藏时间延长，贮藏14 d 后小麦淀粉经历重结晶状态，出现17°和23°A 型特征峰。结晶度大小决定淀粉老化程度，从表3 中可以得出随着馒头贮藏时间延长，小麦淀粉结晶度逐渐升高，这是因为贮藏过程淀粉发生老化[17]。随着半纤维素浓度增加，小麦淀粉结晶度呈现减小的趋势，说明添加半纤维素延缓了馒头中的淀粉老化。在相同的贮藏时间情况下，对照组与添加半纤维素馒头组相比，半纤维素馒头中小麦淀粉结晶度均小于对照组；在0～7 d 过程中，小麦淀粉结晶度升高较快，在7～14 d 小麦淀粉结晶度升高较慢。添加高分子量半纤维素馒头中淀粉结晶度均小于对照组和低分子量半纤维素组，说明高分子量半纤维素由于淀粉发生相互作用更为充分，其抑制淀粉老化效果优于低分子量半纤维素。
2.5 两种分子量半纤维素对小麦馒头贮藏期中硬度的影响
使用质构仪研究半纤维素对小麦馒头的硬度的变化，结果见图3。
图3 半纤维素对小麦馒头硬度的影响
Fig.3 Effect of hemicellulose on hardness of Mantou
通过质构仪获得的馒头硬度参数不仅有助于馒头品质的评价，而且能够反映出馒头的内部组织状态和适口性。由图3 可知，添加半纤维素的小麦馒头在贮藏过程中随着贮藏时间延长，馒头的硬度逐渐增大，这是因为小麦淀粉贮藏过程中会发生老化过程；随着添加两种分子量半纤维素的浓度增加，馒头的硬度呈现下降的趋势。在0～7 d 中，对照组馒头中淀粉老化速率是最快的，从0 d 的18.42 N 到7 d 的51.28 N，硬度增大了32.86 N，在7～14 d 中，对照组馒头中小麦淀粉老化速率减慢，硬度从7 d 的51.28 N 到14 d 的55.87 N，增大4.59 N；添加了半纤维素后馒头中淀粉老化速率减慢，当添加CBH-H16%后，馒头硬度从0 d 的6.15 N、7 d 的22.76 N 到14 d 的29.95 N，馒头硬度逐渐增大，比对照组和低分子量半纤维素馒头组硬度更低，说明半纤维素能够延缓馒头中淀粉老化，改善馒头硬度[18]，并且高分子量半纤维素抑制馒头硬度升高效果较好。
2.6 两种分子量半纤维素对小麦馒头贮藏期中淀粉消化性的影响
RDS 和SDS 分别代表小肠中快速完全水解的淀粉和缓慢完全消化的淀粉。RS 是指在小肠中抵抗消化的淀粉，但可以作为大肠中细菌发酵的底物。两种分子量半纤维素对馒头中淀粉体外消化性的影响总结于表4。
表4 贮藏期馒头中小麦淀粉消化性
Table 4 Wheat starch digestibility in Mantou during storage
注:同列不同小写字母表示差异显著，p<0.05。
贮藏时间/d 0 7 14组别对照CBH-L2%CBH-L4%CBH-L8%CBH-L16%CBH-H2%CBH-H4%CBH-H8%CBH-H16%对照CBH-L2%CBH-L4%CBH-L8%CBH-L16%CBH-H2%CBH-H4%CBH-H8%CBH-H16%对照CBH-L2%CBH-L4%CBH-L8%CBH-L16%CBH-H2%CBH-H4%CBH-H8%CBH-H16%RDS 含量/%32.2±0.9a 32.3±1.1a 30.8±1.5ab 32.5±1.1a 29.1±0.7bc 30.7±1.4ab 29.4±1.6bc 33.1±1.2a 28.0±1.0c 28.3±1.8a 27.9±1.1ab 26.7±0.8ab 26.9±0.9ab 26.6±1.1ab 27.6±1.6ab 26.5±0.7ab 25.5±1.9ab 25.1±2.0b 29.2±1.3a 29.3±0.4a 27.6±1.2ab 26.4±1.1bc 26.6±1.5bc 28.1±0.9ab 28.5±1.8ab 28.7±1.1ab 24.4±0.9c SDS 含量/%26.3±2.4a 25.5±1.9a 25.4±1.4a 23.3±0.2ab 25.8±0.2a 26.0±3.1a 23.2±2.5ab 18.8±1.6c 19.8±1.6bc 27.3±3.0a 25.9±0.4a 25.5±1.2a 24.4±0.9ab 23.5±0.7ab 24.7±0.9ab 25.0±2.1ab 25.5±0.7a 21.3±3.7b 23.5±2.1ab 22.8±0.4ab 24.1±2.5a 24.1±2.1a 22.8±2.8bc 23.8±2.2ab 19.5±2.2bc 18.3±2.6c 20.5±0.9bc RS 含量/%15.0±1.8e 15.7±1.1e 17.4±1.5de 17.8±0.9de 18.7±0.9cd 16.8±1.9de 19.8±3.4bc 21.6±1.8b 25.7±0.7a 17.8±1.3d 19.7±1.4cd 21.2±1.4bc 22.2±1.6bc 23.4±1.6c 21.2±1.5bc 22.0±1.9bc 22.6±1.2bc 27.1±1.8a 20.8±0.8e 21.4±0.5e 21.8±1.4e 22.9±1.2de 24.5±1.3bc 21.6±1.5e 25.5±1.0c 26.5±1.5bc 28.6±1.0a
由表4 可以看出，随着贮藏时间的延长，添加16%半纤维素馒头中淀粉的RDS 和SDS 含量明显低于对照样品，而RS 含量高于对照样品，这主要归因于小麦淀粉重结晶结构的形成[19]阻碍淀粉与淀粉消化酶的接触。该结果表明半纤维素具有抑制馒头中淀粉消化的作用。其中，高分子量高浓度的半纤维素对小麦淀粉消化抑制效果最为明显。与对照样品相比，在0 d 时，添加CBH-H16%的馒头中淀粉的RDS 和SDS 含量分别下降了4.2% 和6.5%，RS 含量增加了10.7%；在7 d时，添加CBH-H16% 的馒头中淀粉的RDS 和SDS 含量分别下降了3.2% 和6.0%，RS 含量增加了9.3%；在14 d 时，添加CBH-H16%的馒头中淀粉的RDS 和SDS含量分别下降了4.8% 和3.0%，RS 含量增加了7.8%。馒头小麦淀粉消化被半纤维素抑制的主要原因可能在于，一是半纤维素可以形成的网状结构，阻碍淀粉在消化过程中与淀粉酶的接触[20]；二是具有更大分子量结构特征的半纤维素降低了消化反应中水的流动性，阻碍了酶解与葡萄糖扩散的过程[21]；三是高分子量半纤维素抑制小麦淀粉消化性效果大于低分子量半纤维素，这与高分子量半纤维素与淀粉相互作用更为充分、抑制面团中水分流动性更强的结果一致。
3 结论
两种分子量半纤维素均能抑制贮藏过程馒头中小麦淀粉消化性的研究，高分子量抑制淀粉消化性效果更好，这主要是由于高分子量的半纤维素能够与淀粉相互作用更充分，并降低消化过程中水分的流动性。同时，高分子量半纤维素降低馒头贮藏过程中淀粉老化程度更明显，能够有效减缓馒头在贮藏过程中变硬的现象。该研究结果表明半纤维素是赋予馒头慢消化功能性与提升质构品质的有效成分，该研究可为半纤维素在淀粉基食品中的应用提供新思路。
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