《Journal of Cereal Science》：Structural design of wheat gluten using twin-screw extrusion: Focus on its application in starch-based gels
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本研究采用双螺杆挤压技术制备挤压小麦谷蛋白（EWG），探究其添加量（6%、10%、14%）对小麦淀粉凝胶物理化学性质及结构的影响。结果表明，添加EWG显著提高凝胶强度（66.32增至130.59 g），改善弹性和粘弹性，但水分活动性降低。非共价相互作用增强了淀粉-蛋白复合凝胶的结构稳定性，为开发高质淀粉基凝胶食品提供理论依据。
于晓帅|刘宗瑞|马晓婷|曾江凯|霍金杰|段玉敏|马晓琪|王琳|彭欣欣|王鹏|肖志刚
渤海大学食品科学与技术学院，锦州，121013，中国
摘要
为了提高小麦淀粉（WS）的凝胶强度并改善其物理化学性质，本研究采用了双螺杆挤出技术制备了挤出小麦面筋（EWG）。随后探讨了不同比例的EWG（6%、10%和14%）对WS凝胶物理化学和结构特性的影响。与天然小麦面筋相比，EWG中的二硫键和α-螺旋结构较少，而随机卷曲结构较多。形态观察表明，添加EWG后WS凝胶的网络结构更加紧密。EWG的加入使WS的凝胶强度从66.32克提高到了130.59克，WS-EWG凝胶具有更好的弹性和粘度，但水分子的流动性较差。面筋与WS之间的非共价相互作用增强了淀粉凝胶的短程有序结构、晶体结构，并增加了层状结构的厚度。这些发现为通过调整小麦淀粉来生产具有理想特性的凝胶基食品提供了理论基础。
引言
凝胶是一种类似固体的聚合物材料，可用于调节食品的质地、营养成分和吞咽感受（Huang等人，2025年）。与其他类型的凝胶相比，基于淀粉的凝胶在食品和制药领域应用更为广泛，这得益于其合适的价格、简单的制备过程和易于消化的特点（Selvasekaran和Chidambaram，2021年；Lin等人，2025年）。在凝胶制备过程中，淀粉会发生许多结构变化，包括吸水、膨胀、双螺旋解离、微晶熔化、直链淀粉渗出以及颗粒膨胀（Jiamjariyatam等人，2015年）。因此，基于淀粉的凝胶具有较高的返凝倾向、较低的强度和较差的流变性能，这限制了其在许多特殊食品中的应用（Ji等人，2023年）。为了解决这些问题，研究人员采用了物理、化学和酶法改性手段来改善淀粉的凝胶化行为（Punia Bangar等人，2022年；Lin等人，2025年）。
在物理改性方法中，添加淀粉添加剂混合物是一种方便改变基于淀粉的凝胶特性的有效方式（Qiu等人，2015年）。作为食品工业中的两种重要大分子，淀粉和蛋白质在食品系统中共存时可以相互结合，这种相互作用能够增强和稳定凝胶网络结构（Chu等人，2019年；Yu等人，2023年）。与单一淀粉凝胶相比，淀粉-蛋白质复合凝胶形成了更密集的结构，且淀粉-蛋白质相互作用延缓了淀粉链的重排（Xiang等人，2024年）。尽管研究表明添加蛋白质可以改善淀粉凝胶的物理化学性质，但从淀粉-蛋白质相互作用的角度来看，淀粉结构变化与凝胶性质变化之间的关联机制仍不明确。小麦淀粉（WS）是产量最大的淀粉之一，是某些传统凝胶食品（如凉皮、长粉等）的主要成分。然而，天然WS存在热稳定性和凝胶化性能不足等缺点，这影响了食品的质量（Ge等人，2023年）。为了扩大WS在凝胶食品中的应用范围，有必要克服其固有的缺陷。
作为一种内源性蛋白质，小麦面筋通过非共价作用（如氢键、疏水相互作用和静电相互作用）延缓了WS的返凝并降低了其粘度（Kuang等人，2021年，2022年）。据我们所知，以往关于WS和蛋白质的研究主要集中在简单的物理混合或共挤出上（Federici等人，2020年；Gao等人，2023年）。此外，改性蛋白质提供了更多的非共价相互作用位点，增强了淀粉-蛋白质相互作用的强度（Ji等人，2024年）。我们的先前研究表明，由于挤出过程中的高温、强机械剪切力及高压，淀粉的二级结构发生了改变（Aktas-Akyildiz等人，2020年；Yu等人，2022年）。较松散的二级结构增加了淀粉链之间的缠结概率，从而改变了淀粉的分子结构（Wang等人，2023年）。关于利用EWG构建WS复合凝胶的研究尚不充分，尤其是它们在复合凝胶形成过程中的相互作用机制仍不清楚（Selvasekaran和Chidambaram，2021年）。值得注意的是，二元体系中淀粉与蛋白质的比例对复合凝胶的结构和性能有显著影响（Pi等人，2025年）。有研究表明，EWG与WS之间的相互作用可能导致凝胶网络和分子结构的转变，这些调节效应取决于EWG的结构特性和添加量。
为了调控WS凝胶的物理化学和结构特性，选择不同比例的EWG与WS混合制备凝胶，并研究了凝胶的形态特征、流变性能和热稳定性。同时探讨了凝胶的强度以及其中水分子的流动性。这些结果将为设计和制造基于淀粉的凝胶食品提供指导。
材料
小麦淀粉（直链淀粉含量20.75%，纯度≥98%，分子量Mw = 1.030 × 10^9 g mol^-1）和小麦面筋（总蛋白质含量86.74%）购自上海源业生物技术有限公司（中国上海）。所有其他化学试剂均为分析级。
挤出面筋的制备
使用实验室用双螺杆挤出机（UVTE-36，创翔食品科技有限公司，长沙，中国），长径比为25:1，按照我们之前的方法制备了挤出面筋（Yu等人，2023年）。
天然面筋与挤出面筋的结构差异
通过扫描电子显微镜（SEM）观察了天然面筋和挤出面筋的形态（图S1A和图S1B）。天然小麦面筋（WG）呈椭圆形或多边形块状，而EWG的体积较小且堆积更为松散。这种现象表明，挤出处理破坏了WG内部结构的紧密性，这是因为挤出过程中的高温和强剪切力破坏了二硫键（SS）。
结论
研究了不同比例EWG对WS凝胶强度、微观结构、粘弹性能、水分分布和热稳定性的影响。结果表明，挤出处理破坏了WG的二硫键并展开了其二级结构，EWG的加入改变了WS凝胶的内部网络结构。与WS凝胶相比，WS-EWG凝胶具有更高的强度、粘弹性和热稳定性。
作者贡献声明
于晓帅：撰写初稿、方法设计、实验实施、数据分析。
刘宗瑞：数据可视化、软件处理、方法设计、实验实施、数据分析。
马晓婷：方法设计、实验实施、数据分析。
曾江凯：数据可视化、结果验证。
霍金杰：软件处理、方法设计、数据分析。
段玉敏：数据可视化。
马晓琪：方法设计。
王琳：数据分析。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（2024YFD2100201、2024YFD2100204）、辽宁省科技联合项目（2025-BSLH-013）、辽宁省国际工业技术研发项目（2025JH2/101900002）、辽宁省应用基础研究计划（2025JH2/101300091）、渤海大学高层次人才引进计划（0524084）以及渤海大学前期建设项目（0525xn086）的支持。
