分子间相互作用对蜡质马铃薯淀粉分散体双剪切增稠区域的影响：来自静电排斥力和氢键相互作用的见解

《International Journal of Biological Macromolecules》：Effect of intermolecular interaction on the dual shear-thickening area of waxy potato starch dispersion: Insights from electrostatic repulsion and hydrogen bond interaction

土豆淀粉双剪切增稠区受阳离子调控机制研究。探究Na+、Ca2+浓度（0.001-0.1 M）对土豆淀粉分散体系（WPSD）双剪切增稠区的影响，发现高浓度阳离子削弱静电排斥和氢键，导致初始粘度、网络密度及粒子尺寸下降，主剪切增稠区（2-4 s?1）减弱或消失，次级区（10-24 s?1）因克服静电排斥、分子侧链伸展及氢键增强而扩大范围。揭示了静电作用与氢键协同调控双剪切增稠的机理。

　　这项研究聚焦于蜡质马铃薯淀粉分散体系（WPSD）的剪切增稠行为，探讨了不同浓度的阳离子（钠离子和钙离子）对体系特性及剪切增稠现象的影响。研究揭示了剪切增稠行为与分子间作用力之间的关系，尤其是静电斥力和氢键相互作用在其中的关键作用。通过实验分析，研究团队不仅明确了剪切增稠行为的两个区域，还深入探讨了阳离子如何调控这些结构，从而影响淀粉体系的流变性能。

蜡质马铃薯淀粉是一种具有独特物理化学特性的天然多糖，其分子结构中含有较长的侧链，且分子量相对较小。这种结构特点使其在剪切过程中表现出比普通淀粉更显著的剪切增稠行为。剪切增稠是指当流体受到剪切力作用时，其表观粘度随剪切速率的增加而上升的现象。在食品工业中，这种特性在某些应用场景中可能带来挑战，例如在输送过程中可能导致管道堵塞或设备损坏。然而，它也为开发具有特殊质地和功能的新产品提供了可能性。例如，一些食品在加工过程中需要特定的流变行为以满足口感和食用体验的需求，而剪切增稠现象可能在此过程中发挥关键作用。

研究团队发现，WPSD在剪切过程中表现出两个明显的剪切增稠区域。第一个区域发生在较低的剪切速率（2–4 s?1），主要由“瞬时水簇”结构的形成所驱动。第二个区域则出现在较高的剪切速率（10–15 s?1），与分子间较强的相互作用有关。这种双剪切增稠现象的存在，使得WPSD在不同剪切条件下表现出复杂的流变行为。然而，目前对于阳离子如何具体影响这些结构及其剪切增稠行为的机制仍存在一定的模糊性。

在本研究中，研究人员通过添加不同浓度的钠离子（Na?）和钙离子（Ca2?）溶液，系统地分析了它们对WPSD的分子结构、分子间相互作用、颗粒特性以及剪切诱导结构动态的影响。实验结果表明，随着阳离子浓度的增加，WPSD的初始粘度、网络密度和颗粒尺寸均有所下降。这一现象可以归因于阳离子对静电斥力和氢键相互作用的抑制作用。静电斥力是淀粉颗粒在水中分散时维持稳定性的关键因素之一，而氢键则是淀粉分子之间形成结构网络的重要机制。当阳离子浓度升高时，它们会与淀粉分子中的羟基发生作用，降低静电斥力，同时改变氢键的形成方式，从而削弱分子间的相互作用力。

在较低剪切速率下，即第一个剪切增稠区域，随着颗粒尺寸的减小，淀粉颗粒之间的相互作用力减弱，导致“瞬时水簇”结构的形成受到抑制。因此，这一区域的剪切增稠行为会减弱或消失。而在较高剪切速率下，即第二个剪切增稠区域，阳离子的加入反而增强了这一区域的剪切增稠行为。这主要是因为阳离子能够克服分子间的静电斥力，促进分子侧链的扩展，并增强氢键相互作用。这种增强效应使得在中等剪切力条件下，淀粉分子能够形成更稳定的结构网络，从而在更高的剪切速率范围内表现出更显著的剪切增稠现象。

进一步分析表明，阳离子对剪切增稠行为的影响不仅体现在对结构的调控上，还涉及对剪切增稠速率范围的改变。随着阳离子浓度的增加，克服分子间静电斥力所需的力减小，而破坏更强的相互作用结构所需的力则增加。这种变化导致了第二个剪切增稠区域的速率范围变宽，从而在更广泛的剪切条件下表现出剪切增稠行为。这一发现对于理解淀粉体系在不同剪切条件下的行为具有重要意义，同时也为食品加工过程中调控剪切增稠特性提供了理论依据。

研究团队通过实验手段验证了阳离子对WPSD的调控作用。他们使用了多种分析方法，包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）来研究氢键的变化，分子半径和Zeta电位分析来评估分子间的相互作用力和颗粒表面电荷的变化。这些实验结果不仅揭示了阳离子对WPSD的物理化学影响，还进一步支持了剪切增稠行为与分子间相互作用之间的紧密联系。此外，研究还涉及对WPSD在不同剪切条件下的结构动态变化进行系统分析，从而更全面地理解其流变特性。

本研究的另一个重要发现是，阳离子的加入能够显著改变WPSD的流变性能。钠离子和钙离子在不同浓度下对WPSD的影响存在差异。例如，钠离子的加入会降低淀粉颗粒的尺寸，从而影响第一个剪切增稠区域的形成；而钙离子则可能在一定程度上促进分子侧链的扩展，从而增强第二个剪切增稠区域的行为。这种差异表明，不同类型的阳离子在调控淀粉体系流变特性方面具有不同的作用机制，这为未来研究提供了新的方向。

此外，研究还指出，阳离子对WPSD的调控作用不仅仅局限于分子层面，还可能影响颗粒的形态和整体的物理结构。例如，阳离子可以改变淀粉颗粒的表面电荷分布，进而影响颗粒之间的相互作用力。这种变化可能会导致颗粒的聚集或分散行为发生改变，从而进一步影响体系的流变特性。因此，阳离子的加入不仅能够改变淀粉分子的结构，还可能通过改变颗粒的物理特性来调控整个体系的剪切增稠行为。

从实际应用的角度来看，这项研究为食品工业中调控淀粉体系的流变特性提供了重要的理论支持。通过调整阳离子的浓度，可以有效地控制WPSD的剪切增稠行为，使其更适应特定的加工条件或产品需求。例如，在需要避免管道堵塞的食品加工过程中，可以通过适当降低阳离子浓度来减少剪切增稠行为的发生；而在需要增强产品结构稳定性的应用中，可以增加阳离子浓度以促进更强的分子间相互作用。这种调控能力对于优化食品加工工艺、提高产品质量和安全性具有重要意义。

研究团队还提到，WPSD在加工过程中可能会经历结构的变化，例如在高温处理下，淀粉颗粒可能会发生破碎，从而形成更小的颗粒。这种破碎行为不仅会影响体系的流变特性，还可能对产品的最终质地和口感产生影响。因此，理解阳离子如何调控这些结构变化，对于食品加工中的过程控制和产品设计具有重要的指导意义。

总的来说，这项研究通过系统的实验分析，揭示了阳离子对WPSD的调控机制，特别是在剪切增稠行为方面的作用。研究不仅明确了静电斥力和氢键相互作用在剪切增稠现象中的关键地位，还提供了调控这些作用力的方法，从而为食品工业中淀粉体系的流变调控提供了新的思路。未来的研究可以进一步探索不同阳离子的协同作用，以及它们在不同环境条件下的影响，以期更全面地理解淀粉体系的复杂行为。