基于不同聚合度，对小麦淀粉与菊粉相互作用后，在不同冷冻速率下其性质变化的全面评估

《Journal of Future Foods》：Comprehensive evaluation of the changes in the properties of wheat starch at different freezing rates after interaction with inulin based on different polymerization degrees

淀粉冷冻过程中，添加不同聚合度的菊粉（LPI、MPI、HPI）可显著改善淀粉结构及流变特性。研究发现，HPI通过氢键与淀粉链交联，抑制冰晶形成及淀粉 retrogradation，降低真密度、孔隙率及颗粒尺寸，提升冻小麦淀粉的物理化学稳定性；而LPI主要通过强亲水性固定水分，减少淀粉链间相互作用。动态流变测试表明，HPI使凝胶屈服应力（τ?）最低（0.794 Pa），兼具弹性与可控触变性。XRD和FTIR分析证实，高聚合度菊粉破坏淀粉长程有序结构，抑制结晶，延缓热胶化。该成果为冷冻食品品质优化提供了理论依据。

　　在当前食品工业中，冷冻技术已被广泛应用于延长食品的保质期并满足消费者对便捷食品的需求。然而，冷冻处理对食品质量的负面影响，尤其是在淀粉结构和性能方面，仍然是一个亟待解决的问题。本研究旨在探讨不同聚合度的菊粉对小麦淀粉在不同冷冻速率下的影响，特别是其对淀粉内部结构、物理化学性质以及流变性能的调控机制。通过系统研究这些影响，我们希望为开发高质量的冷冻小麦淀粉产品提供科学依据。

### 冷冻对小麦淀粉的影响

冷冻过程中，淀粉颗粒会经历复杂的结构变化，包括结晶度的改变、分子链的重新排列以及水分的迁移。这些变化通常会导致淀粉的回凝（retrogradation）现象，进而影响其粘度、硬度和弹性等性能。例如，快速冷冻会增强淀粉的短程有序性，而缓慢冷冻则可能增加淀粉颗粒的孔隙率和破损淀粉的比例。这些变化可能与冰晶的形成及其对淀粉颗粒的机械作用有关。冰晶的形成和生长不仅破坏了淀粉的结晶结构，还影响了其分子链的相互作用，从而改变了其物理特性。

此外，冷冻处理还会影响淀粉的结晶性。研究表明，冷冻速率对淀粉的结晶度有显著影响，快速冷冻能够提高淀粉的结晶性，而缓慢冷冻则可能导致结晶度的下降。这可能是因为快速冷冻形成的冰晶较小，对淀粉颗粒的破坏作用较弱，从而减少了淀粉分子链的位移和重组。相比之下，缓慢冷冻形成的冰晶较大，对淀粉结构的破坏更为严重，进而导致结晶度的降低。

### 菊粉的作用机制

菊粉是一种天然可溶性膳食纤维，具有良好的口感和低热量特性。它在菊科植物中广泛存在，如菊苣、菊芋和黄花蒿。与谷物、豆类和蔬菜中的膳食纤维相比，菊粉具有多种健康益处，如维持血糖稳定、增强饱腹感、降低胆固醇水平、提高矿物质生物利用度和增强免疫功能。因此，菊粉被广泛用于食品添加剂，以提高食品的营养价值、质地和风味。

在冷冻过程中，菊粉可以有效减轻冰晶对淀粉颗粒的机械损伤。其高粘度和玻璃化转变温度使其能够减少水分的迁移，从而抑制冰晶的形成和生长。这种作用不仅减少了淀粉颗粒的膨胀，还降低了淀粉回凝的可能性。具体而言，低聚合度菊粉（LPI）主要通过其羟基与水分子形成氢键，减少自由水的含量，从而间接抑制淀粉回凝。而高聚合度菊粉（HPI）则通过与淀粉链形成更稳定的交联，直接抑制淀粉回凝。

### 不同聚合度菊粉的影响

本研究采用不同聚合度的菊粉（LPI、MPI和HPI）与小麦淀粉混合，并在不同的冷冻速率（-20°C、-50°C和-80°C）下进行处理。结果表明，不同聚合度的菊粉对冷冻小麦淀粉的影响存在显著差异。HPI的加入显著降低了冷冻淀粉的真密度、孔隙率和颗粒大小，同时减少了破损淀粉的比例。MPI则在这些参数的变化中表现出中等效果，而LPI则主要通过其水合作用和渗透作用减少自由水的含量。

真密度的降低与淀粉颗粒的结构变化密切相关。快速冷冻条件下，HPI的加入使得淀粉颗粒的真密度降低，这可能是由于HPI与淀粉链的交联作用，阻碍了淀粉分子链的重组，从而减少了淀粉颗粒的膨胀。相比之下，LPI的加入则通过其水合作用减少了自由水的含量，从而降低了冰晶的形成和生长，抑制了淀粉颗粒的膨胀。

孔隙率的变化也与冷冻速率和菊粉的加入有关。快速冷冻条件下，孔隙率的降低可能是由于HPI的加入减少了淀粉颗粒的膨胀，而缓慢冷冻则可能导致孔隙率的增加。这些变化进一步影响了淀粉的物理性能，如粘度和硬度。

颗粒大小的变化同样受到冷冻速率和菊粉聚合度的影响。快速冷冻条件下，HPI的加入显著减少了颗粒的大小，而LPI则主要通过其水合作用减少了淀粉颗粒的膨胀。这些变化可能与菊粉的物理化学特性有关，如其分子量和与淀粉链的相互作用。

### 冷冻速率对淀粉性能的影响

冷冻速率对淀粉的物理性能有显著影响。快速冷冻通常会导致淀粉颗粒的结构变化较小，而缓慢冷冻则可能引起更大的结构破坏。例如，在-20°C条件下，淀粉颗粒的真密度和孔隙率显著增加，这可能是由于缓慢冷冻形成的冰晶较大，对淀粉颗粒的破坏作用更强。相反，快速冷冻形成的冰晶较小，对淀粉颗粒的破坏作用较弱，从而减少了淀粉颗粒的膨胀。

此外，冷冻速率还会影响淀粉的结晶度。快速冷冻条件下的淀粉表现出较高的结晶度，而缓慢冷冻条件下的淀粉结晶度较低。这种差异可能与冰晶的形成和生长过程有关。快速冷冻形成的冰晶较小，对淀粉结构的破坏作用较弱，从而减少了淀粉分子链的位移和重组。而缓慢冷冻形成的冰晶较大，对淀粉结构的破坏更为显著，进而导致结晶度的降低。

### 菊粉的加入对淀粉性能的影响

菊粉的加入显著改变了冷冻小麦淀粉的物理性能。具体而言，HPI的加入使得淀粉颗粒的真密度和孔隙率降低，颗粒大小减少，破损淀粉的比例降低。这些变化可能与HPI的高聚合度有关，其较强的交联作用能够有效抑制冰晶的形成和生长，从而减少淀粉颗粒的膨胀。相比之下，LPI的加入主要通过其水合作用减少自由水的含量，从而间接抑制淀粉回凝。

在冷冻处理中，菊粉的加入不仅影响淀粉的物理性能，还对其化学组成和水分分布产生影响。例如，菊粉的加入减少了淀粉颗粒中的结合水含量，从而降低了淀粉的回凝程度。同时，菊粉的加入还影响了淀粉的结晶度和短程有序性，这可能是由于其与淀粉链的相互作用改变了淀粉的结构。

### 热力学性质的变化

通过差示扫描量热法（DSC）和快速粘度分析仪（RVA）对冷冻小麦淀粉的热力学性质进行了研究。结果表明，冷冻处理显著改变了淀粉的热力学参数，如起始凝胶化温度（T?）、峰值凝胶化温度（T?）和凝胶化焓变（ΔH）。HPI的加入使得这些参数显著降低，而LPI的加入则主要通过其水合作用减少了淀粉的凝胶化能力。

此外，菊粉的加入还影响了淀粉的流变性能。例如，HPI的加入显著降低了淀粉凝胶的粘度和硬度，而LPI的加入则通过其水合作用减少了淀粉的粘度。这些变化可能与菊粉的分子结构和与淀粉链的相互作用有关。

### 结论

本研究系统探讨了不同聚合度的菊粉对冷冻小麦淀粉结构和性能的影响。结果表明，HPI的加入显著降低了淀粉的真密度、孔隙率和颗粒大小，同时减少了破损淀粉的比例。这些变化可能与HPI的高聚合度和较强的交联作用有关，其能够有效抑制冰晶的形成和生长，从而减少淀粉颗粒的膨胀。相比之下，LPI的加入主要通过其水合作用减少自由水的含量，从而间接抑制淀粉回凝。

这些发现为冷冻小麦淀粉产品的质量提升提供了科学依据。通过合理选择菊粉的聚合度和冷冻速率，可以有效调控冷冻淀粉的结构和性能，从而提高其加工质量和产品稳定性。此外，菊粉的加入还可能对食品的营养价值和口感产生积极影响，使其成为冷冻食品加工中的理想添加剂。未来的研究应进一步探讨菊粉与淀粉链之间的化学相互作用，以及其对淀粉消化性和稳定性的影响，以期为冷冻食品的开发提供更全面的理论支持。