小麦淀粉缠结行为的多尺度解析及其对水溶液凝胶形成的影响机制

本研究针对淀粉基凝胶应用中粘度与流变特性调控难题，从高分子缠结视角揭示了小麦淀粉在水溶液中的缠结行为规律。研究人员通过建立基于重叠浓度(C??)、缠结浓度(Ce)和浓溶液体系的淀粉缠结模型，发现2.98%的Ce是凝胶形成临界点，缠结程度与凝胶强度呈正相关。研究首次阐明温度(4°C/60°C)对缠结分子量(Me)的影响规律，为淀粉基凝胶在食品/医药领域的应用提供了理论依据。

　　

在追求绿色可持续材料的今天，淀粉基凝胶因其生物相容性和环境友好特性，已成为食品、医药和生物医学工程领域的明星材料。然而，如何精确调控这类凝胶的粘弹性能，始终是科研人员面临的重大挑战——无论是为吞咽障碍患者设计特定质构的改良食品，还是开发适用于3D打印的生物墨水，都需要对淀粉分子如何"编织"成凝胶网络有更深入的认识。传统研究多聚焦于淀粉链的再结晶过程，而对无定形区分子链的缠结行为这一关键因素却鲜有关注，这严重制约了高性能淀粉凝胶的理性设计。

江南大学食品科学与技术国家重点实验室的研究团队在《Carbohydrate Polymers》发表的最新研究中，创新性地从高分子物理学的缠结理论切入，系统揭示了小麦淀粉在水溶液中的缠结行为规律及其对凝胶性能的调控机制。研究采用流变学分析结合多尺度结构表征技术，通过测定临界缠结浓度(C_e)、缠结分子量(M_e)等关键参数，解析了温度(4°C与60°C)和浓度对淀粉缠结网络的影响。

研究首先通过流变学方法确定了淀粉溶液的浓度分区：稀溶液(C<>^??)、半稀释非缠结溶液(C^??<><>_e)、半稀释缠结溶液(C_e<><>^????)和浓溶液(C>C^????)。螺旋结构分析显示，在临界缠结浓度2.98%时淀粉呈现最高有序度，此时形成的分层凝胶状结构显著增强了淀粉-水结合能力。

温度对比实验发现，低温(4°C)更易诱导分子链缠结，而高温(60°C)下的缠结网络受温度和时间的干扰较小。特别值得注意的是，研究首次建立了缠结程度与凝胶强度的正相关关系，并计算出浓溶液体系(7%和12.02%浓度)的缠结分子量，证明淀粉缠结主要受氢键和单/双螺旋相互作用的调控。

这项研究的意义在于：从分子层面阐明了淀粉凝胶形成的新机制，将高分子物理的缠结理论成功引入多糖体系研究。所建立的C_e和M_e等定量指标，为预测和调控淀粉凝胶性能提供了简便有效的参数。研究成果不仅为功能性淀粉基材料的开发提供了理论指导，也为其他天然高分子水凝胶的研究开辟了新思路。