Elephant foot yam（ Elephantopus scaber）淀粉的双重物理改性：对其物理化学性质、结构特性、功能特性及消化性能的影响

《Applied Food Research》：Dual physical modification of elephant foot yam starch: effects on physicochemical, structural, functional, and digestibility properties

本研究通过热-湿处理（HMT）和超声处理（US）及其组合，探究物理修饰对大象脚山药淀粉（EFYS）的结构、功能及营养特性的影响。结果表明，HMT显著提高Amylose含量（22.39%增至29.80%），US和HMT+US组合增强抗性淀粉（RS）和缓慢消化淀粉（SDS）比例，其中HMT-1+US组合RS达40.66%。流变学分析显示，US处理淀粉峰值黏度最高（1172 cP），剪切阻力优异，适合婴幼儿食品。显微镜和XRD分析表明，HMT形成表面空腔和微孔结构，US破坏颗粒结构，两者协同优化结晶度（维持C型结构）并降低水分活性（0.41-0.56），提升储藏稳定性。结论：物理修饰有效改善EFYS的功能性和营养特性，HMT-1+US组合综合性能最优，具有工业应用潜力。

　　
大象芋淀粉的物理改性及其功能特性优化研究

摘要
本研究系统考察了热-湿处理（HMT）与超声处理（US）单次及协同作用对大象芋淀粉（EFYS）结构、功能及营养特性的影响。通过120°C不同时长热处理（1/4/6小时）与20kHz超声处理（30分钟）的梯度组合，发现协同改性（HMT+US）在改善淀粉抗消化性方面展现出显著优势。HMT处理使淀粉直链含量提升至29.80%，显著高于其他处理方式。特别值得注意的是，HMT-6+US组合在保留较高直链含量的同时，将抗性淀粉（RS）比例提升至40.66%，较原淀粉提高近50%。流变学测试显示，协同改性淀粉的峰值粘度降低27.6%，但 setback 粘度提升18.9%，表现出优异的抗剪切特性，特别适合作为婴幼儿辅食原料。

材料与方法
实验采用印度比萨卡特南邦2025年雨季收获的本地象芋品种，通过改良的钠硫代硫酸钠浸泡法进行淀粉提取，确保纯度达99.44%。主要改性工艺包括：HMT处理在25%含水率下进行120°C梯度加热，US处理采用冰浴保护（功率750W，频率20kHz）。功能特性测试涵盖碘量法测直链含量、XRD晶体结构分析、FTIR功能基团鉴定、流变仪测定糊化特性等。特别创新性地引入双处理协同效应研究，通过三因素三水平设计（HMT时间1/4/6h + US时间0/30min）构建7种改性体系进行比较分析。

结构特性研究
显微观察显示（FE-SEM 5kV加速电压），原淀粉呈现典型多面体结构（直径5-15μm），表面光滑无缺陷。HMT处理导致淀粉颗粒表面出现裂纹和微孔（图1c-e），处理时间延长至6小时时，裂纹密度增加300%。协同处理样品（HMT-6+US）表面出现直径2-3μm的蜂窝状结构，孔隙率较原淀粉提高42%。XRD分析表明所有改性淀粉均保持C型晶体结构，但HMT+US组合的衍射峰强度降低18-22%，显示结晶度下降。相对结晶度（RC）从原淀粉的30.16%升至HMT-6+US的33.74%，表明协同处理促进了分子重排。

热力学特性
DSC测试显示原淀粉的糊化焓ΔH为15.05J/g，经HMT处理后ΔH显著降低（HMT-6为17.60J/g），而超声处理则使ΔH回升（US处理为17.30J/g）。协同处理（HMT-6+US）的ΔH达到最高值17.16J/g，表明形成了更稳定的分子网络。热起始温度（To）从原淀粉的71.65°C升至HMT-6+US的69.27°C，而热结束温度（Tc）从90.82°C升至91.16°C，显示协同处理增强了淀粉的耐热稳定性。

功能特性
流变学测试（Anton Paar MCR-92）显示，原淀粉在95°C达到峰值粘度1172cP，经HMT处理后峰值粘度下降至HMT-6的951cP，协同处理（HMT-6+US）进一步降至779cP。但setback粘度从原淀粉的403cP提升至HMT-6+US的822cP，这种粘弹性协同效应使其在婴幼儿食品中具有特殊应用价值。膨胀功率（SP）测试显示，US处理的淀粉膨胀度达14.42g/g，而HMT-6+US组合因结构破坏反而降低至12.32g/g，这种反常现象表明协同处理形成了致密-疏松交替结构。

营养特性
体外消化实验（GOPOD法）表明，原淀粉的快速消化淀粉（RDS）占比61.19%，经HMT处理后降至54.15%，而协同处理（HMT-6+US）进一步降至44.18%。慢消化淀粉（SDS）比例从原淀粉的10.82%提升至HMT-6+US的18.42%，抗性淀粉（RS）占比达40.66%，较原淀粉提升近50%。这种抗性淀粉的显著增加，使其在控制血糖食品中具有独特优势。

质构特性
水分活性（aw）测试显示，HMT处理组aw值从原淀粉的0.51降至HMT-6的0.41，而US处理使aw回升至0.54。协同处理（HMT-1+US）的aw值达到0.50，这种波动性变化揭示了不同改性方式对淀粉亲水性的调控机制。颜色分析（Color Flex）表明，协同处理（HMT-4+US）的b*值（黄度）最高达3.51，而a*值（红度）最低仅2.42，这种颜色特性使其适合作为天然着色剂替代品。

结晶特性
FTIR光谱显示，原淀粉在3400cm?1处有-OH峰，经HMT处理后该峰强度降低12-15%，表明氢键网络重构。协同处理样品（HMT-6+US）在1025cm?1处的C-O-H振动峰位移0.8cm?1，显示分子重排。XRD分析显示，HMT处理使15°衍射峰强度提升23%，而协同处理（HMT-6+US）该峰强度下降至原值的78%，表明超声处理破坏了HMT形成的有序结构。

应用潜力
该研究为开发新型功能淀粉提供了重要理论依据。HMT单处理的直链含量提升效果显著，但抗剪切能力不足；US处理虽能增强抗剪切性，但破坏了淀粉的天然结构。协同处理（HMT+US）通过相分离效应，在保持较高直链含量的同时，形成致密-疏松交替的三维结构，这种结构特性使其在挤压制品中表现出优异的成型性和保质期。特别值得注意的是，HMT-6+US组合的RS含量达到40.66%，同时SDS含量提升至18.42%，这种双抗性淀粉结构可能成为糖尿病患者的理想食品原料。

研究局限性及展望
当前研究主要聚焦实验室规模改性，未来需开展中试生产验证其可行性。此外，改性淀粉的长期储藏稳定性、加工适应性（如冷冻-解冻循环）等应用关键指标尚未系统评估。建议后续研究应建立多参数协同优化模型，结合机器学习算法进行工艺参数的智能匹配，同时加强生物活性成分（如抗性淀粉的抗氧化、免疫调节功能）的机理研究，为开发功能型食品提供更全面的理论支撑。

结论
本研究证实物理改性技术可有效调控大象芋淀粉的功能特性。HMT通过分子重组提升直链含量，US通过机械力破坏形成三维多孔结构，两者协同作用（HMT+US）在保持较高直链含量的同时，显著提升抗剪切能力和抗消化特性。其中HMT-6+US组合表现出最佳综合性能：直链含量29.68%、抗性淀粉40.66%、峰值粘度779cP、setback粘度822cP，这种性能组合特别适合开发需要高粘弹性与低消化性的新型婴幼儿食品。研究为开发基于热带作物淀粉的功能食品提供了新思路，具有显著的经济价值和健康效益。