马铃薯淀粉与小麦淀粉的相容性互作机制：基于微观结构与理化特性的协同效应解析

为解决马铃薯主食化进程中淀粉互作机制不明的问题，研究人员采用单纯形-重心设计法系统研究了马铃薯淀粉(PS)替代比例(0–100%)对小麦淀粉(WS)相容性的影响。通过扫描电镜(SEM)、流变学、热力学等多维度分析，发现PS 30%时形成最致密凝胶网络，PS增加显著提升溶解度、溶胀力和冻融稳定性，峰值黏度与硬度呈正相关。该研究揭示了淀粉分子非加和效应，为马铃薯主食产品开发提供理论支撑。

　　

【研究背景】
马铃薯作为全球第四大粮食作物，其主食化战略对保障粮食安全具有重要意义。然而，马铃薯全粉在传统面制品中的添加比例长期受限——超过20%就会导致饼干感官评分下降，即使添加小麦谷蛋白，比例也难以突破35%。现有研究多将这种限制归因于面筋稀释效应，但最新证据表明，淀粉分子间的相互作用可能才是关键瓶颈。淀粉作为谷物主要成分，其与异源淀粉的互作会显著影响功能特性。尤其在面包、汤圆等多元淀粉食品体系中，淀粉组分的相分离会导致品质劣变。尽管通过稀溶液粘度法、玻璃化转变温度等方法已开展大量高分子材料相容性研究，但针对淀粉基质的系统性研究仍属空白。

【研究设计与方法】
滁州学院的研究团队采用单纯形-重心模型(Simplex-centroid method)，通过11组不同配比(PS 0–100%)的马铃薯淀粉(PS)与小麦淀粉(WS)混合体系，结合微观形貌观测与宏观性能测试的多尺度研究方法，系统解析了淀粉相容性机制。关键技术包括：扫描电镜(SEM)观测凝胶网络结构，差示扫描量热法(DSC)测定热力学参数，快速粘度分析仪(RVA)表征糊化特性，质构仪分析凝胶硬度与内聚性，动态流变仪测定弹性模量(G′)和粘性模量(G″)。

【研究结果】

3.1 微观结构分析
SEM显示PS 30%时形成最小尺寸(约5μm)且最致密的蜂窝状网络结构。当PS比例超过60%，凝胶孔隙增大且分布不均，表明适量PS可优化WS的凝胶稳定性。

3.2 溶解度与溶胀力
85°C时PS 100%的溶解度(11.18%)和溶胀力(22.38 g/g)均显著高于PS 0(4.12%，7.09 g/g)，实验值普遍低于理论值，证实淀粉分子间存在竞争性水合作用。

3.3 冻融稳定性
经过4次冻融循环后，PS 100%的脱水率(39.48%)是PS 0(20.31%)的1.9倍，但PS 40%出现异常低值(34.48%)，表明特定比例可能触发淀粉分子协同效应。

3.4 热力学特性
PS的加入使糊化焓(ΔH)从1.80 J/g(PS 0)提升至9.98 J/g(PS 100)，峰值温度(T_p)提高2.15°C，说明PS增强了淀粉晶体结构的稳定性。

3.5 糊化特性
PS比例与峰值粘度呈正相关，PS 100%达4341 mPa·s，但其崩解值(2584 mPa·s)显著高于WS(99 mPa·s)，反映PS颗粒更易在加热过程中破裂。

3.6 质构特性
凝胶硬度从0.64 N(PS 0)线性增至1.83 N(PS 100)，内聚性提升85%，证实PS能强化三维网络结构。

3.7 流变学特性
随着PS比例增加，G′和G″分别下降40%和35%，但损耗因子(tan δ)始终小于1，表明体系保持弹性主导特性。PS 40%的G′实验值(112 Pa)显著高于理论值(89 Pa)，揭示特定比例下的协同增效。

【结论与意义】
该研究首次通过单纯形-重心模型揭示了PS与WS的非加和效应：PS通过增大溶胀力、提升糊化粘度来增强功能特性，但会降低冻融稳定性和流变学性能。特别发现30–40%PS比例可形成最优凝胶网络，这为突破马铃薯主食添加比例限制提供了新思路——通过精准调控淀粉组分比例而非单纯补充面筋，有望开发出高品质马铃薯主食产品。研究成果发表于《Grain》期刊，为淀粉基食品的分子设计提供了理论框架。