氢键密度与玻璃化转变温度调控谷物及块茎淀粉的糊化行为与凝胶流变学特性

本研究针对不同植物来源淀粉的糊化行为和流变特性差异，通过构建基于Flory-Huggins理论的熔解状态图，揭示了氢键密度(Φw,eff)和玻璃化转变温度(Tg/T)对淀粉相变及凝胶性能的调控机制。研究人员采用差示扫描量热法(DSC)和流变分析技术，系统比较了马铃薯、木薯、大米、小麦和蜡质玉米淀粉的糊化特性，发现淀粉熔解行为可通过溶剂有效体积分数统一描述，而凝胶模量(G'和G'')与基于直链淀粉浓度计算的Tg/T呈标度关系。该研究为多源淀粉食品设计提供了普适性理论框架。

　　

淀粉作为食品工业的核心成分，其糊化行为和凝胶特性直接决定产品质地。然而，不同植物来源淀粉（如谷物与块茎）的糊化温度差异可达20°C以上，传统理论难以解释这种多样性。更棘手的是，糖类添加会进一步改变淀粉相变温度，使得食品配方设计长期依赖经验。这些未解之谜背后，是缺乏对淀粉-溶剂相互作用本质的认识——究竟是氢键网络还是分子构象主导了糊化过程？

为破解这一难题，研究人员开展了一项跨淀粉类型的研究。通过构建包含马铃薯、木薯、大米、小麦和蜡质玉米五种淀粉的熔解状态图，首次将Flory-Huggins生物聚合物熔解理论拓展至多源淀粉体系。研究发现，所有淀粉的糊化起始温度(T_onset)、峰值温度(T_peak)和终止温度(T_end)均可通过溶剂有效体积分数(Φ_w,eff)统一描述，该参数量化了溶剂中可用于淀粉相互作用的氢键位点密度。特别值得注意的是，在糖溶液中，当将糖-水混合物视为单一溶剂时，文献数据惊人地吻合理论预测曲线——除高糖浓度下因相分离导致的T_onset偏离外。

研究采用三大关键技术：差示扫描量热法(DSC)用于构建不同淀粉-水比例下的熔解状态图；快速粘度分析仪(RVA)测定5%、8%、11%浓度淀粉的糊化特性；旋转流变仪进行频率扫描(1-100 rad/s)分析新鲜制备淀粉凝胶的储能模量(G')和损耗模量(G'')。样本包括商业采购的小麦、大米、马铃薯淀粉，以及供应商提供的蜡质玉米淀粉和莫桑比克产木薯淀粉。

3.1 淀粉直链淀粉含量与溶胀能力
碘比色法测定显示，马铃薯淀粉直链淀粉含量最高(33.4%)，蜡质玉米最低(3.6%)。溶胀力测试中，马铃薯和米淀粉表现出最高溶胀能力(18.3和17.1 g/g)，与其高直链淀粉含量和磷酸化程度相关。

3.3 水溶液中的淀粉糊化
DSC热谱图揭示了三阶段糊化行为：低淀粉质量分数(<0.4)时出现单一G内热峰，对应双螺旋解离；中等水分(0.5-0.7)时出现M内热峰，反映晶体熔解；高淀粉浓度(>0.7)时仅存单一高温内热峰。通过Flory-Huggins方程拟合，发现马铃薯淀粉具有最大熔解焓(49.9 kJ/mol)，表明其晶体结构稳定性最高。

3.4 糖溶液中的淀粉糊化
将文献中糖溶液数据代入状态图时，除高糖浓度下的T_onset外，所有数据点均落在理论曲线上。例如30%小麦淀粉在阿拉伯糖、乳糖等12种糖溶液中的T_peak与预测值偏差<3°C，验证了模型的普适性。

3.6 淀粉凝胶的频率扫描
流变学分析发现，小麦淀粉凝胶展现最高G'值(>1000 Pa)，其tan δ(G''/G')与浓度无关；而块茎淀粉的tan δ随浓度线性下降。当将G'和G''对T_g/T作图时(基于直链淀粉含量计算)，所有数据呈现幂律关系，但谷物淀粉的模量普遍高于块茎淀粉，暗示除直链淀粉外，支链淀粉链长分布和颗粒残余物结构也影响凝胶强度。

这项研究建立了首个能跨淀粉类型预测糊化行为的理论框架，证明氢键密度是调控淀粉相变的核心物理化学参数。更深远的意义在于，T_g/T标度定律的发现为食品质构设计提供了量化工具——通过调整配方中氢键供体(如糖类)的比例，可精确调控终产品流变特性。研究还揭示了淀粉源特异性差异的本质：谷物淀粉较高的凝胶模量可能源于其支链淀粉的短链优势，而块茎淀粉的溶胀优势则与磷酸酯基团含量相关。这些发现为开发定制化淀粉基食品提供了分子设计基础，特别是在低糖、高纤维等健康食品创新领域具有重要应用前景。