高速射流改性木薯淀粉-瓜尔胶复合物的制备与表征：流变学、结构及分子动力学模拟研究

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Preparation and characterization of high speed jet modified tapioca starch-guar gum complexes: rheological, structural, and molecular dynamics simulation studies

　　

摘要

淀粉和亲水胶体是提高产品质量和成本效益的关键功能成分。然而，物理改性木薯淀粉（TS）与瓜尔胶（GG）之间的相互作用仍缺乏充分表征。本研究通过 60–220 MPa 的高压射流（HSJ）对 TS 进行改性，并系统地利用流变学、XRD、FTIR、SEM 和分子动力学（MD）模拟研究了其在质量比 0.10:0 至 0.06:0.04 (w/w) 下与 GG 的相互作用。在测试的质量比和压力中，最佳条件（HSJ-TS:GG = 0.06:0.04 w/w, 220 MPa）实现了最大粘度、剪切应力和稳定的弱凝胶行为。FTIR 揭示了增强的羟基相互作用和 140 MPa 以上的关键结构转变。XRD 和 SEM 分析显示结晶度增加（从 11.7% 到 30.3%）以及致密的孔隙微观结构。MD 模拟确定范德华力和氢键是主要的结合机制；与多分支淀粉模型相比，低分支淀粉模型显示出对 GG 更强的亲和力（ΔG_bind = ?111.31 对比 -89.77 kJ/mol）。这些发现阐明了改性淀粉 - 胶体相互作用，支持食品配方优化，并扩展了 TS/GG 在流变稳定、成本效益高的食品中的应用。

引言

淀粉和亲水胶体是食品工业中基本的天然聚合物成分。作为一种丰富且低成本的资源，淀粉主要作为增稠剂和凝胶剂发挥作用。例如，源自Manihot esculenta Crantz 的木薯淀粉在包括烘焙、乳制品和酱料产品在内的各种配方中得到广泛利用（Lu, Chan, Li, & Li, 2025）。与此同时，像瓜尔胶这样的亲水胶体提供了独特的功能优势。瓜尔胶是一种源自Cyamopsis tetragonoloba种子的半乳甘露聚糖，在增强保水性、调节流变性能稳定食品体系方面表现出卓越的性能（Zhang et al., 2022）。它们在食品体系中的共同应用变得越来越普遍，因为淀粉 - 亲水胶体复合物不仅保留了产品的原始风味和感官质地，还降低了生产成本，鉴于亲水胶体通常占原材料支出的很大一部分，这一特征对大规模制造至关重要（Santamaria, Garzon, & Rosell, 2023）。

广泛的研究证实了淀粉 - 亲水胶体复合物优于单组分体系。例如，添加 GG 通过减少析水（冷冻食品质量的关键问题）提高了大米淀粉糊的冻融稳定性（Huang et al., 2025）；它还通过竞争性结合水提高了木薯淀粉的糊化温度，抑制加热过程中的颗粒过度肿胀和破裂（Chaisawang & Suphantharika, 2006; Rong et al., 2022）。在分子水平上，GG 与小麦淀粉链形成分子间氢键，改善了储存过程中淀粉凝胶的弹性和内凝聚力（Wang et al., 2025）。此外，与莲子淀粉和木薯淀粉相比，淀粉 -GG 复合物显示出降低的体外消化率，使其成为低血糖生成指数食品开发的潜在候选物（Hong et al., 2016; Zheng et al., 2019）。这些特性凸显了淀粉 - 亲水胶体组合的工业价值，推动了进一步优化其性能的需求。

尽管有这些优势，原生淀粉在复杂食品体系中的应用仍受到固有限制（溶解性差、高回生性、剪切/酸下流变学不稳定）的约束，这些限制其用于复杂食品（He et al., 2025）。为了克服这些限制，淀粉可以通过物理、化学和酶法进行改性，其中淀粉的物理改性因其绿色和安全特性而受到广泛关注（Xia et al., 2015）。尽管已报道了多种针对木薯淀粉的物理改性技术（热湿处理、回火、超声波和高压处理）（Zhu, 2015），但大多数关于淀粉 - 亲水胶体相互作用的现有研究关注原生淀粉（Hong et al., 2016; Huang et al., 2025; Rong et al., 2022; Wang et al., 2025; Zheng et al., 2019）或化学改性淀粉（Chaisawang & Suphantharika, 2006; Lu, Chan, Liang, Li, & Li, 2025），而对物理改性淀粉与胶体相互作用的系统研究仍不充分。高速射流（HSJ）是一种采用高压剪切和空化来改性淀粉结构的新型物理加工技术，在我们的先前研究中表明，它在绿色高效改性淀粉方面具有巨大潜力（Xia et al., 2015; Xia et al., 2017; Xia et al., 2019; Xia et al., 2020）。具体而言，HSJ 处理通过破坏晶体结构、暴露表面羟基和降解分子链来改变木薯淀粉。这些改性增强了淀粉 - 水相互作用并改善了与亲水胶体的相容性。然而，HSJ 改性木薯淀粉与 GG 之间的具体相互作用特征仍不清楚。

基于我们之前的研究，本研究首先在不同压力下对木薯淀粉进行高速射流改性，然后探索改性木薯淀粉与瓜尔胶之间的分子间相互作用。我们假设 HSJ 引起的变化（暴露的羟基、破坏的晶体结构、分子链降解）增强了与 GG 的相互作用及其复合物的功能性质。采用多维方法，包括动态和静态流变学以表征粘弹性和流动性质，X 射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）以分析晶体结构和官能团变化，扫描电子显微镜（SEM）进行微观结构观察，以及分子动力学（MD）模拟以阐明分子间相互作用机制。这些发现预计将显著推进我们对改性淀粉 - 亲水胶体体系的基础理解，同时拓宽木薯淀粉和 GG 在食品工业中的实际应用范围。

部分片段

材料

木薯淀粉购自泰国世界进出口公司（泰国），近似成分为 13.50% (w/w) 水分和 13% 直链淀粉。瓜尔胶由山东优索化学技术有限公司（中国山东）供应。所有其他化合物均为分析纯（中国西安，化学公司）。

高速射流改性木薯淀粉（HSJ-TS）的制备

本研究基于我们最初提出的方法，并进行了一些修改（Xia et al., 2017）。在室温下，称量 500 克木薯淀粉（干基）并

不同质量比 HSJ-TS/GG 的稳态剪切分析

不同质量比（0.10:0 w/w，作为 HSJ-TS 对照）和压力下的 HSJ-TS/GG 体系的稳态流变学性质如图 1A-B 所示。随着剪切率的增加，HSJ-TS/GG 粘度下降，剪切应力增加，表明 HSJ-TS/GG 表现出假塑性行为。在相同的剪切率下，瓜尔胶（GG）内容的增加相应地提高了 HSJ-TS/GG 体系中的粘度和剪切应力，表明假塑性得到增强

结论

本研究阐明了压力调控的 HSJ 处理如何增强 TS/GG 复合物功能性的机制。该处理破坏了淀粉晶体，暴露了羟基，并降解了分子链，这在整个压力范围内逐渐增加了淀粉与 GG 之间的相互作用位点。140 MPa 处的关键转变显著增加了短程分子有序度，进一步促进了氢键和范德华力的形成。在最佳的

CRediT 作者贡献声明

Shucheng Liu: 撰写 – 初稿，方法学，形式分析，概念化。Lixuan Huang: 撰写 – 初稿，调查，形式分析，数据管理。Daijunxi Feng: 调查，形式分析，数据管理。Yang Hu: 调查，形式分析，数据管理。Rui Hai Liu: 撰写 – 审阅与编辑，概念化。Wen Xia: 撰写 – 审阅与编辑，监督，项目管理，调查，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本论文中报告的工作。

致谢

作者感谢广东省重点研发计划项目（2025B1111140001）和广东海洋大学科学研究启动资金（项目编号 060302042309）提供的财务支持。

Shucheng Liu|Lixuan Huang|Daijunxi Feng|Yang Hu|Rui Hai Liu|Wen Xia

广东海洋大学食品科学技术学院，广东省水产品加工与安全重点实验室，广东省海洋生物制品工程实验室，广东省海产品工程技术研究中心，广东省预制海产品加工与质量控制工程技术研究中心，中国湛江