虎坚果淀粉回生调控多尺度结构与水分分布对间接热膨化性能的影响机制

《Foods》：Sequential Infusions of Black Tea: Multi-Element Exposure Trade-Offs of Discarding the First Brew

　　

专业术语翻译的论文摘要 淀粉回生是决定间接热膨化淀粉基食品最终品质的关键过程。本研究调查了回生时间（0–72 h）对虎坚果淀粉基产品的多尺度结构、水分分布、热膨化性能和质构特性的影响。X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和同步辐射小角X射线散射（SAXS）分析证实，回生逐渐促进了分子有序性，表现为片层长周期（dBragg）和回转半径（Rg）减小，以及短程有序度（R1047/1022）和相对结晶度增强。低场核磁共振（LF-NMR）结果显示，在所有测试的回生时长中，4 h处理呈现出最高的固定水比例（A22），而较长的回生期导致自由水含量逐渐增加。膨化性能和质构表现出对回生时间的非线性依赖：在七个测试时间点中，回生4 h的样品展现出最佳的综合品质，具有最高的膨胀率（9.75）、比容（8.42 mL/g）和脆度（36.67），以及最低的硬度（1165.53 g）。皮尔逊相关性分析确定水分活度（aw）是控制膨化性能的主导因素，而后者又受到回生诱导的结构演变的调控。该研究阐明，在当前实验范围内，适度的回生程度（约4 h）有利于形成适度有序的片层结构，该结构具有最佳的持水性能，为膨化创造了理想的热力学条件，而过度的回生则导致结构刚性和膨化不良。

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一、研究背景与目的

虎坚果（Cyperus esculentus L.）作为一种富含脂质、蛋白质、碳水化合物（淀粉占干重20–25%）及生物活性化合物的新型食品原料，具有重要的生态和经济价值。间接热膨化是一种典型的高温短时加工技术，用于生产多孔、酥脆、低密度的休闲食品，其最终膨化性能由预成型淀粉凝胶网络的弹性形变能力和内部水分状态共同决定。淀粉回生，即糊化后的淀粉分子在冷却和储存过程中重新缔合形成有序结构的过程，是影响淀粉工艺功能特性（包括热膨化能力）的关键但复杂的因素。已有研究表明，适当的回生可以改善膨化产品的结构，但过度回生会导致刚性过强的晶体结构，阻碍有效膨化。然而，对于虎坚果淀粉这一特定体系，其回生过程中的多尺度结构演变（涵盖分子有序性、晶体生长和片层排列）、水分动态变化及其对热膨化性能的综合影响尚未被充分阐明。因此，该研究旨在系统探究不同回生时间下虎坚果淀粉凝胶的多尺度结构演变、水分再分布规律，并建立其与最终热膨化性能和质构特性之间的内在联系，从而揭示潜在的调控机制，为优化虎坚果淀粉基膨化食品的品质提供理论依据和实践指导。

二、主要研究方法

研究人员采用酶解法测定回生度（DR）；利用X射线衍射（XRD）分析长程晶体结构和相对结晶度（RC）；通过衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）评估短程有序度（R_1047/1022）和双螺旋度（R_995/1022）；借助同步辐射小角X射线散射（SAXS）表征片层结构参数，包括片层长周期（d_Bragg）、回转半径（R_g）和质量分形维数（D_m）；运用低场核磁共振（LF-NMR）监测水分分布和状态；并通过油炸膨化实验评价产品的膨胀率、比容，以及利用质构仪进行质地剖面分析（TPA）测定硬度和脆度。所有实验均独立重复至少三次，数据以平均值±标准差表示，并使用SPSS 27.0进行单因素方差分析（ANOVA）和邓肯多重比较检验（p < 0.05），同时采用Origin 2021进行皮尔逊相关性分析。

三、研究结果

1. 回生度

随着回生时间从0 h延长至72 h，虎坚果淀粉凝胶的回生度从9.69%显著增加至89.17%（p < 0.05）。在前24 h内回生度快速上升，之后增速减缓并趋于平稳，这符合淀粉回生分为短期直链淀粉双螺旋形成和长期支链淀粉缓慢重排两个阶段的特征。

2. 多尺度结构演变

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  长程晶体结构（XRD）：未回生样品无衍射峰，表明糊化破坏了有序结构。回生后，在5.6°、15°、17°、20°和22°（2θ）处出现明显衍射峰，其中17°峰归因于支链淀粉双螺旋的重结晶，20°峰对应直链淀粉与客体分子形成的V型晶体结构。相对结晶度（RC）从0 h的5.44%显著增加至72 h的17.99%（p < 0.05），呈现先快后慢的两阶段增长模式。
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  短程有序结构（FTIR）：所有样品的红外特征峰位置基本不变，但在回生干燥凝胶中于3750 cm^-1处出现新的游离羟基吸收峰。短程有序度指标R_1047/1022从0.5086逐步增至0.6039，双螺旋度指标R_995/1022也总体呈增加趋势，表明回生促进了淀粉分子链的有序排列。
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  片层结构（SAXS）：所有回生样品均未观察到天然淀粉的特征片层散射峰，但在洛伦兹校正曲线中于q≈0.3 nm^-1处出现宽峰，对应回生重组后的半晶片层结构。片层长周期（d_Bragg）从0 h的22.13 nm显著降至72 h的18.55 nm（p < 0.05），回转半径（R_g）从19.94 nm降至15.93 nm（p < 0.05），表明回生使分子链堆积更紧密。
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  分形结构（SAXS）：所有回生样品均呈现质量分形结构，质量分形维数（D_m）从1.0026显著增至1.5488，进一步证实了回生增强了淀粉凝胶基质的整体致密性。

3. 水分分布

所有干燥样品的最终水分含量均控制在约10%，组间无显著差异（p > 0.05）。水分活度（a_w）在0.3751至0.4032之间波动，在回生4 h时达到峰值，之后逐渐下降。LF-NMR分析显示，所有样品中均未检测到自由水信号。结合水比例（A₂₁）随回生时间延长而显著降低，而固定水比例（A₂₂）则先增后减，在回生4–8 h期间达到最高值。自由水比例（A₂₃）整体呈逐渐增加趋势。

4. 热膨化性能与质构品质

膨胀率和比容均随回生时间延长呈先升后降的趋势。回生4 h的样品表现最优，膨胀率达到最大值9.75，比容为8.42 mL/g，分别比未回生对照组（7.46和7.45 mL/g）显著提高30.70%和13.02%（p < 0.05）。相反，回生72 h后膨胀率降至最低值5.72。在质构方面，回生4 h的样品同样展现出最佳品质，具有最低的硬度（1165.53 g）和最高的脆度（36.67），相较于未回生对照组（1355.43 g和22.50）分别改善了14.01%和62.98%（p < 0.05）。超过4 h后，硬度和脆度均逐渐恶化，72 h时达到最差水平。

5. 相关性分析与机制阐释

皮尔逊相关性分析表明，水分活度（a_w）与所有膨化品质参数均呈极显著相关（p < 0.01），是控制热膨化行为的主导因素。膨胀率与a_w、R_g和d_Bragg呈显著正相关（p < 0.01），而与回生度、RC、R_1047/1022和A₂₃呈负相关（p < 0.05）。硬度与a_w、R_g和d_Bragg呈显著负相关（p < 0.01），与回生度、RC、R_1047/1022和A₂₃呈正相关（p < 0.01）。脆度与回生度和A₂₃呈显著负相关（p < 0.05），与a_w（p < 0.01）、d_Bragg（p < 0.05）和固定水含量A₂₂（p < 0.05）呈显著正相关。该分析揭示了如下机制：回生时间的差异驱动了虎坚果淀粉基质的多尺度结构演变（d_Bragg和R_g减小，RC和R_1047/1022增大），进而调节了水分分布和可用性（反映在a_w、A₂₂和A₂₃的变化上），最终影响了观察到的热膨化性能和产品质构。在七个测试时间点中，回生4 h的样品形成了适度的分子有序度，构建了适度有序的片层框架，保留了最高的固定水含量，对应实验中记录的最高a_w值，这为热膨化过程中产生充足蒸汽提供了有利前提，并与本研究观察到的最高膨胀率和最理想的酥脆质构相匹配。反之，回生16 h及以上的样品发展出过度的分子有序性和结晶度，伴随a_w值降低和更刚性的淀粉基质，限制了加热过程中的结构破坏，这与实验中记录的膨化性能受损以及产品更硬、更不酥脆的趋势相符。

四、总结与结论

该研究证实了回生时间是调控虎坚果淀粉干燥凝胶多尺度结构演变的关键因素。延长冷藏储存会显著提高回生度，驱动淀粉分子架构向更有序、更紧密的状态转变，具体表现为相对结晶度和短程分子有序性的同步增强，以及回转半径和片层长周期的减小。在所有七个测试的时间点中，回生4 h的样品展现出最佳的综合热膨化性能。这种“适度回生”现象可归因于适度有序网络结构的形成，该状态在测试组中对应于系统中最高的固定水含量，从而为膨化创造了最有利的内部蒸汽压力条件。相比之下，16 h或更长时间的回生诱导出过度致密的晶体结构，限制了加热过程中淀粉基质的膨胀。相关性分析将水分活度确定为控制膨化行为的主导因素，而膨化产品的脆度特性则受水分活度和纳米级片层结构特征的共同调控。这些发现确立了回生时间作为调节虎坚果淀粉体系中多尺度结构、水分分布和膨化功能之间相互关联的关键可调参数，为高品质间接热膨化淀粉基休闲食品的制造提供了一种靶向结构调控策略。