大气氮气冷等离子体对颗粒冷水溶胀木薯淀粉的结构与功能改性研究及其应用前景

本综述系统探讨了大气介质阻挡放电（DBD）氮气冷等离子体（CP）处理对颗粒冷水溶胀（GCWS）木薯淀粉结构与功能特性的影响。研究表明，CP处理可显著提升淀粉溶解度、吸水性与凝胶强度，降低析水率（syneresis）与浊度，并通过扫描电镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）及X射线衍射（XRD）揭示了表面蚀刻、短程有序性降低及结晶度变化等机制。该技术为绿色、非热改性淀粉提供了新策略，在食品工业中具有广阔应用前景。

　　

扫描电子显微镜（SEM）分析

冷等离子体（CP）处理对颗粒冷水溶胀（GCWS）木薯淀粉颗粒形态产生显著影响。未经处理的对照组颗粒表面光滑，而经CP处理后，颗粒表面出现裂纹和孔洞，且随着处理时间延长至4分钟，表面破坏程度加剧，甚至出现完全结构崩塌。这种表面蚀刻现象归因于等离子体活性粒子对淀粉颗粒的物理轰击作用。在淀粉糊的微观结构观察中，对照组因吸水能力较低而呈现较大细胞间隙；而CP处理样品随着处理时间增加（至3分钟），吸水能力增强，淀粉基质中形成更紧密的交联网络，细胞尺寸减小。然而，4分钟处理组因过度解聚导致凝胶结构破坏。

傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析

FTIR光谱显示，CP处理未在淀粉分子中引入新的化学基团，表明处理过程未改变淀粉的基本化学结构。位于1160 cm^?1、1084 cm^?1、1018 cm^?1和921 cm^?1的特征峰对应C-O-C糖苷键的振动，其中921 cm^?1处峰强度降低，提示等离子体活性粒子可能导致糖苷键断裂。O-H伸缩振动峰（3430 cm^?1）和C-H峰（2930 cm^?1）的强度变化反映了分子间相互作用的变化。此外，1047/1022 cm^?1吸收比值从1.178降至1.086，表明淀粉短程有序性降低，这与等离子体引起的支链淀粉侧链断裂有关。

X射线衍射（XRD）分析

XRD图谱显示，CP处理导致淀粉相对结晶度从24.53%下降至22.61%，且下降程度与处理时间正相关。这种结晶度降低主要源于冷等离子体活性物种引起的分子链解聚作用。酒精-碱处理过程中形成的V型晶体结构在等离子体作用下进一步被破坏，无定形区域增加，从而增强了淀粉在冷水中的溶解性。

溶解性与吸水能力

CP处理显著提高了GCWS淀粉的溶解度（从19%增至28%）和吸水能力（从10.13 g/g增至16.79 g/g）。这一现象可通过两种机制解释：一是等离子体解聚作用产生更多水溶性片段；二是表面蚀刻作用促进水分进入颗粒内部。值得注意的是，4分钟处理组因过度解聚导致吸水能力略有下降，但仍高于对照组。

冻融稳定性

经过5次冻融循环测试，CP处理显著降低了淀粉的析水率（syneresis），对照组为16.117%，而3分钟处理组降至14.430%。这种改善源于等离子体处理增强淀粉水合能力和表面极性。但4分钟处理组的冻融稳定性有所下降，说明过长的处理时间可能对网络结构产生不利影响。

质构特性分析

反向挤出测试表明，CP处理显著提升了淀粉糊的硬度、稠度、内聚性和粘度指数。这些参数在3分钟处理组达到最大值，如硬度从283.56 g增至更高值，稠度从556.96 g·s显著提升。这种改善主要归因于等离子体引发的交联作用增强了淀粉基质的机械强度。

流变学特性

流变学分析显示，CP处理使淀粉糊的表现粘度显著增加，且所有样品均呈现剪切稀化行为。在动态振荡测试中，储能模量（G′）和损耗模量（G″）随处理时间延长（至3分钟）而增加，表明凝胶网络结构增强。然而4分钟处理组因过度解聚导致模量值下降。

糊化特性

快速粘度分析仪（RVA）测定表明，CP处理提高了淀粉的峰值粘度、崩解值、回生值和最终粘度。3分钟处理组的峰值粘度达到2193.00 cP，显著高于对照组（1198.00 cP）。这种变化与淀粉颗粒吸水膨胀能力增强以及直链淀粉渗出增多有关。回生值的增加表明冷却过程中淀粉分子重排形成更稳定的网络结构。

浊度分析

淀粉糊的浊度在5天冷藏储存期间逐渐上升，但CP处理显著降低了初始浊度和储存期间的浊度值。4分钟处理组的浊度从0.744降至0.530，这种透明度的提高与淀粉分子羟基基团暴露增多、与水分子形成氢键能力增强有关。

结论

大气介质阻挡放电氮气冷等离子体处理可有效改善GCWS木薯淀粉的功能特性。适度处理时间（3分钟内）通过交联作用和表面改性显著提升淀粉的吸水能力、溶解性、流变学和质构特性，同时降低析水率和浊度。然而过长的处理时间（4分钟）会导致过度解聚，对淀粉结构产生不利影响。该技术为淀粉绿色改性提供了新途径，在食品工业中具有广泛应用前景。未来研究应关注等离子体处理参数的优化及其在不同类型淀粉中的应用效果。