小麥胚乳和麩皮纖維素的結構分析：其對淀粉糊化及凝膠特性的影響
《Food Hydrocolloids》：Structural Analysis of Wheat Endosperm and Bran Cellulose: Effects on Starch Gelatinization and Gel Properties
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時間：2026年03月02日
來源：Food Hydrocolloids 12.4
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納米纖維素結構特性及其對小麥淀粉凝膠性能的影響研究。通過掃描電鏡和透射電鏡分析小麥胚乳和麩皮纖維素結構，發現納米纖維素（CNF）在1-4%添加量下顯著抑制淀粉膨脹溶解，形成連續三維網絡，提升水分保持能力達15.2%，4% CNF系統彈性指數達0.85，凝聚力達0.55。
英瑞峰|趙靜怡|龍平|黃美桂
中國南京林業大學森林食品資源開發利用國家重點實驗室，南京 210037
摘要
小麥胚乳中的纖維素由于其高度有序的微纖網絡結構，有助于維持細胞完整性和增強機械強度。在本研究中，從小麥的胚乳和麩皮中提取了纖維素，并使用掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡對其進行了結構表征。根據形態觀察結果，選擇了一種具有相似結構特征的商用纖維素，以研究纖維素結構對小麥淀粉糊化的影響。通過將小麥淀粉與兩種結構不同的纖維素共糊化，制備了復合體系。通過流變測量、質地分析、低場核磁共振、持水能力（WHC）和SEM等手段，全面評估了纖維素對淀粉糊化和凝膠特性的影響。結果表明，當納米纖維素的添加量為1%–4%時，可抑制淀粉的膨脹和溶解，且在相同濃度下，納米纖維素微纖（CNF）的抑制效果更為顯著。WHC和水化分析顯示，納米纖維素顯著提高了持水能力。由于CNF具有延長的纖維形態，它形成了一個連續的網絡，從而提高了淀粉復合材料的整體WHC。此外，CNF固有的柔韌性有助于保持復合凝膠的高彈性。值得注意的是，含有4% CNF的體系表現出最高的凝聚性和彈性（分別為0.55和0.85）。
引言
作為自然界中普遍存在的一種多糖，淀粉在食品工業中起著不可或缺的作用（Zheng等人，2024；Wang等人，2020；Wang等人，2021）。然而，天然淀粉凝膠常常存在一些局限性，如析水（脫水收縮）、對環境條件的敏感性以及快速消化性，這些限制了其更廣泛的應用。因此，開發有效策略來增強淀粉凝膠的功能特性已成為重要的研究方向。淀粉的糊化行為對其質量、質地和穩定性有著關鍵影響（Li，2022）。一種有前景的方法是通過添加非淀粉多糖（NSPs）來構建復合體系，多糖之間的協同作用可以顯著改善淀粉的性能（Li等人，2022）。常見的NSPs包括果膠、阿拉伯木聚糖（AX）、纖維素和β-葡聚糖（BG）。例如，桑樹多糖通過增強持水能力來提高凍融穩定性，從而有效減少析水并強化凝膠基質（Fu等人，2023）。
纖維素是最豐富的天然聚合物之一，是植物細胞壁的主要成分（Zhang等人，2021b；Daza-Orsini等人，2024；Zhang等人，2021a）。在小麥籽粒中，細胞壁含有三種主要的NSPs：AX、BG和纖維素。這些多糖共同在胚乳內部形成了三維網絡。其中，纖維素作為主要的結構骨架，通過其高度有序的微纖網絡維持細胞形態和機械強度，并因其獨特的物理化學性質而具有重要的實際價值。在小麥中，纖維素的分布具有組織特異性：它主要存在于麩皮中，占干重的2.80%–4.92%，在不同結構層（如外果皮層、中間層和糊粉層）之間存在顯著差異。相比之下，胚乳中的纖維素含量較低，范圍為0.20%–0.37%（Fan等人，2023；Fistes等人，2013）。
作為不溶性非淀粉多糖，納米纖維素在淀粉凝膠體系中的效果通常不如可溶性纖維素（Sun等人，2025）。然而，作為納米填料，它們可以通過“納米增強”機制顯著提高淀粉凝膠的機械性能。例如，將纖維素納米晶體（CNC）添加到玉米淀粉凝膠中可以使彈性模量增加三倍以上。CNC的剛性晶體結構通過接觸和重疊在淀粉凝膠網絡中形成物理交聯點，從而提高彈性模量和拉伸強度，同時降低淀粉的消化性（Xu等人，2023b）。相比之下，纖維素納米纖（CNF）的長纖維結構能夠通過纏結形成更密集的三維網絡，限制消化酶對淀粉的接觸并阻礙葡萄糖的擴散，從而有助于調節餐后血糖水平（Liu等人，2018）。這些例子突出了兩者作用機制的核心區別：CNC主要作為一種剛性顆粒填料，通過形成局部交聯來強化淀粉基質，而CNF則作為一種纖維網絡形成劑，滲透并重構凝膠連續體。這種作用機制的根本差異源于它們的不同形態和界面性質，這也導致了它們對淀粉復合材料流變、質地和水化特性的不同影響（Mahardika等人，2019）。
在本研究中，從小麥的胚乳和麩皮中提取了纖維素，并使用掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）對其結構特征進行了表征。根據觀察到的結構特征，選擇了具有類似形態的商用纖維素，以研究纖維素結構對小麥淀粉糊化特性的影響。通過將淀粉與兩種結構不同的纖維素共糊化，制備了復合凝膠。通過流變測量、質地分析、低場核磁共振（LF-NMR）、持水能力（WHC）評估和SEM成像等方法，評估了纖維素對淀粉糊化的影響。
材料
實驗中使用的小麥籽粒均采自2023年冬季，產自河南省商丘市。纖維素納米晶體（CNC，直徑：3–5 nm，長度：200 nm，純度>99%，原料來自棉花）和纖維素納米纖（CNF，直徑：10 nm，長度：5 μm，純度>99%，原料來自木漿）分別從天津穆靜玲科技有限公司和蒯溝科學研究納米材料有限公司購買。小麥淀粉購自新鄉市。
纖維素的提取與顯微觀察
小麥胚乳中的纖維素含量（0.75%）高于以往研究中分離出的胚乳纖維素含量范圍（0.20%–0.37%）。這一較高的含量主要歸因于本實驗采用的手動解剖方法，該方法旨在分離純胚乳組織，但可能包含了一定量的富含纖維素的麩皮層。相比之下，全麥面粉中的纖維素含量（2.4%）要高得多，這主要是由于麩皮的貢獻。
結論
本研究結果表明，在1%–4%的添加濃度范圍內，兩種類型的納米纖維素都能抑制淀粉的溶解和膨脹，且在相同濃度下，CNF的抑制效果更明顯。WHC和水化特性的分析表明，納米纖維素增強了淀粉體系的持水能力。由于其長纖維結構，CNF形成了一個連續的三維網絡，顯著提高了復合凝膠的WHC。
作者貢獻聲明
英瑞峰：撰寫——審稿與編輯、監督、項目管理、方法學設計、資金獲取。趙靜怡：撰寫——初稿撰寫、實驗設計、數據分析、概念構建。龍平：數據分析。黃美桂：數據分析
利益沖突聲明
作者聲明與本研究無任何利益沖突。
我們聲明與任何可能不當影響我們工作的個人或組織沒有財務或個人關系，也沒有任何可能影響本文立場或手稿評審的職業或其他個人利益。
致謝
本研究得到了國家自然科學基金（項目編號：31600153）的支持。
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