《Carbohydrate Polymers》：Advances in ultrasound-assisted starch modification: Parameter optimization, structure–property relationships, and synergistic strategies
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超声辅助淀粉改性通过空化效应和机械剪切改变淀粉结晶结构、颗粒形态及比表面积，显著提升其溶解性、水合性及功能特性。本文系统总结了超声参数优化、结构-性能关联机制及协同改性策略，强调超声在绿色化学改性中的优势，并探讨了工业化应用中的安全评估、多尺度作用机理及智能节能技术开发挑战。
Xining He|Liang Lyu|Yawen Luo|Xiaoyuan Zheng|Fankui Zeng
中国科学院兰州化学物理研究所天然药物与化学计量学研究中心，中国兰州，730000
摘要
超声辅助淀粉改性作为一种绿色且高效的物理方法，已显示出改善天然淀粉功能性的巨大潜力。本文系统总结了该领域的最新进展，重点讨论了超声参数的优化、结构-性质相关性以及协同改性策略。超声作用产生的空化效应和机械剪切作用能够破坏淀粉的结晶区域，改变颗粒形态，并增加比表面积，从而提高淀粉的溶解性、亲水性和功能性。文章深入分析了超声功率、处理时间、温度和淀粉浓度与淀粉结构及理化性质（如结晶度、热稳定性、流变性和消化性）变化之间的关系。同时，还探讨了将超声与酶处理、化学处理或热处理结合的协同改性策略，强调了这些方法在实现可控结构调控和提高改性效率方面的潜力。最后，本文对超声辅助淀粉改性的工业应用现状及未来发展方向进行了展望，重点关注智能、节能和可持续技术的开发。
引言
作为天然碳水化合物之一，淀粉不仅是植物中的主要能量储存形式，也是人类饮食的重要组成部分。从组成上看，淀粉主要由两种类型组成：直链淀粉（10%-30%）和支链淀粉（70%-90%）。它广泛存在于小麦、玉米、水稻等谷物作物中，以及土豆、木薯和红薯等块根作物中。由于这些作物含有高量的淀粉，它们已成为食品工业中提取淀粉的关键原料（Ai & Jane, 2018）。
尽管淀粉应用广泛，但其分子结构和半结晶形态的限制使其存在一些固有缺陷，例如溶解性差、热稳定性不稳定、糊化温度范围狭窄（Medha et al., 2025），以及耐酸性和耐碱性不足、抗剪切能力弱等问题。这些限制阻碍了其在现代食品、制药、纺织和造纸工业中的直接应用（Paternina-Contreras et al., 2025）。通过物理改性、化学改性及生物改性等多种技术手段优化淀粉的结构和性能已成为淀粉科学领域的研究热点，旨在提升其功能性并拓宽应用范围（Wang, You, et al., 2023）。
淀粉改性主要采用三种方法：物理改性、化学改性和酶改性（Abedi et al., 2019）。其中，物理改性因其安全性、环境友好性和无化学残留物而受到特别关注。与化学和酶处理方法不同，物理改性不使用反应性试剂或生物催化剂（Das & Sit, 2021），具有操作简单、改性效率高且效果可逆的优点，特别适用于对安全性要求严格的食品和制药领域（Abedi & Pourmohammadi, 2020）。
常用的工业物理改性方法包括挤压、微波处理和超声处理（Li et al., 2023）。在实验室研究中，还常使用冷等离子体和高静水压力（Han et al., 2020）。近年来，超声辅助改性作为一种新型且高效的物理改性方法逐渐受到重视。该技术通过机械振动、局部加热和自由基反应的协同作用，有效改变淀粉颗粒的结晶结构，减小颗粒尺寸并增加比表面积（Han et al., 2020），从而显著提升淀粉的亲水性和溶解性。
与传统化学改性（如酸水解和交联）及酶处理相比，超声改性避免了化学污染，降低了成本，并符合绿色化学的原则（Tagrida et al., 2025）。它在食品加工中具有广泛的应用前景，如改善淀粉基食品的质地、延缓变质过程以及提升功能性食品的加工性能（Siddique et al., 2025）。
过去十年Web of Science数据库的文献统计显示，尽管相关研究数量相对较少（约540篇），超声改性已成为绿色物理改性淀粉的关键技术。图1A展示了年使用频率超过3次的关键词统计结果；图1B展示了超声改性淀粉相关论文的关键词共现图谱，其中高频出现的关键词包括“超声”、“理化性质”、“功能性”、“提取”、“糊化和消化性”。该研究系统揭示了该领域的研究热点分布特征和知识结构，总结了核心问题之间的关联强度，并通过网络可视化直观展示了超声处理对淀粉结构、性质和应用的影响。
尽管大量研究证实了超声改性的可行性和有效性，但大多数研究仅关注超声处理后淀粉宏观性质的变化。对于微观机制（如分子链断裂、断裂位点的定位以及无定形区域与结晶区域之间的转变）的理解仍不够深入。现有研究主要基于理论假设，缺乏实验证据的支持。此外，关于超声参数（功率、频率、处理时间和淀粉浓度）优化的研究较为分散，缺乏系统的比较分析，这限制了其在工业应用中的规模化推广。此外，虽然超声技术已被用于促进淀粉与化合物的复合，但目前的研究主要集中在制备技术和部分性能评估上，实际应用和创新方法的报道较少。因此，与以往研究相比（Vela et al., 2024; Wang, Ding, et al., 2023），本文的创新之处在于首次系统分析了超声参数对淀粉的作用机制及其与淀粉结构-性质关系的关联机制。本研究不仅将超声视为一种物理现象，还深入探讨了其内在机制，全面分析了各影响因素之间的因果关系。
总之，本文旨在全面总结超声辅助淀粉改性的最新进展，重点关注三个核心方面：（1）超声参数的优化；（2）决定淀粉功能性的结构-性质关系；（3）结合超声与酶处理、化学处理和热处理的协同改性策略。通过阐明这些关系，本文旨在澄清超声诱导结晶变化的争议机制，并为超声改性淀粉的工业应用提供实用指导。
超声与淀粉相互作用机制
超声改性淀粉的原理基于超声产生的独特空化效应和机械剪切力。当高强度超声波作用于淀粉溶液时，声波在液体中的传播会引发交替的压缩和膨胀循环，达到空化阈值后，溶液中会形成大量微小气泡（即空化核）（Chang et al., 2017）。
淀粉内在性质对改性效果的影响
淀粉对超声处理的响应与其内在结构特性密切相关，包括直链淀粉含量、颗粒大小和结晶类型。不同类型的淀粉在超声处理后的改性程度各不相同（表1）。通常情况下，超声处理不会改变淀粉的结晶结构，但会降低其分子有序性和结晶度（Wang et al., 2024）。利用超声进行淀粉的协同改性
超声不仅是一种独立的物理改性技术，还能与其他物理、化学或生物处理方法结合使用，显著提升淀粉的提取和改性效率。超声处理过程中产生的空化和微流效应可以改善试剂扩散，加速反应动力学，并促进新型淀粉结构的形成，从而提升其功能性。超声改性淀粉的结构-性质关系
超声改性通过改变淀粉的层次结构（从分子和结晶层面到颗粒形态和宏观功能性），深刻影响其理化性质。这种结构-性质关联对于理解超声改性的机制以及设计具有特定功能性的淀粉基材料至关重要。超声改性淀粉的安全性评估
尽管超声改性仅通过物理剪切力和空化产生的瞬态效应实现改性，看似具有“绿色”特性，但仍需进行实际安全性评估。任何具有改性功能的新型技术都必须通过严格的安全性测试才能获得广泛应用。改性淀粉是否可以安全应用于食品加工行业，仍需进一步验证。
挑战与未来展望
尽管在超声辅助淀粉改性的理论研究和实际应用方面已取得显著进展，但仍需克服若干关键科学挑战才能实现其在工业生产和功能性食品开发中的广泛应用。首先，多尺度效应的调控机制尚未完全明确。尽管已有大量研究，但空化动力学与淀粉分子重排之间的关联仍不够清晰。结论
超声辅助淀粉改性是一种具有广泛应用前景的绿色高效技术，能够调节淀粉的结构和功能性。通过声学空化、剪切和微流效应，超声能够破坏淀粉的结晶层，改变颗粒形态，并引发分子重排，从而显著改变淀粉的结晶度、溶解性、流变行为和消化性。这些改性的程度受到淀粉内在特性的影响。CRediT作者贡献声明
Xining He：撰写初稿。Liang Lyu：撰写、审稿与编辑。Yawen Luo：撰写初稿。Xiaoyuan Zheng：撰写、审稿与编辑。Fankui Zeng：撰写、审稿与编辑。
未引用参考文献
He, Chen, Liu, Teng and Li, 2025
Su et al., 2025
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的利益冲突或个人关系。
致谢
本工作得到了
兰州科技规划项目（2024-3-102）、
甘肃省校企合作项目（2024CYZC-29）以及
甘肃省农业研究系统专项基金（GSARS-05）和
中国农业研究系统（CARS-09）的支持。
