回生调控虎坚果淀粉热膨化品质的多尺度结构与水分状态机制

《Foods》：Retrogradation Regulates the Thermal Puffing Quality of Tigernut (Cyperus esculentus L.) Starch via Modulating Its Multi-Scale Structure and Water State

　　

摘要：淀粉回生是决定间接热膨化淀粉类食品最终品质的关键过程。本研究探究了回生持续时间（0–72 h）对虎坚果（Cyperus esculentus L.）淀粉基产品的多尺度结构、水分分布、热膨化性能及质构特性的影响。X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）及同步辐射小角X射线散射（SAXS）分析证实，回生逐步促进了分子有序性，表现为层状长周期（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处理组呈现最高的固定化水比例（A22），而更长的回生期导致自由水含量逐渐增加。膨化性能和质构对回生时间呈非线性依赖关系：在七个测试时间点中，4 h回生样品表现出最佳综合品质，其膨胀率（9.75）、比容（8.42 mL/g）和脆度（36.67）最高，硬度（1165.53 g）最低。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，而水分活度又受回生诱导的结构演变所调控。本研究阐明，在当前实验范围内，适度的回生程度（约4 h）有利于形成具有最佳保水性能的适度有序层状结构，为膨化创造理想的热力学条件，而过度的回生则导致结构刚性和较差的膨胀效果。

1. 研究背景与科学问题

虎坚果（Cyperus esculentus L.）作为一种具有重要生态和经济价值的未被充分利用作物，近年来作为新型食品原料受到关注。其富含脂质、蛋白质、碳水化合物（淀粉占干重20–25%）及生物活性成分，在食品和制药领域应用潜力巨大。传统上，虎坚果被直接食用或加工成饮料和油脂，近期研究兴趣集中于将其粉和淀粉用作面条、焙烤制品及淀粉基膨化零食的功能性配料。

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。该过程主要依赖内部水分的快速汽化来膨胀淀粉基质，其最终膨化性能由两个核心因素共同决定：预成型淀粉凝胶网络的弹性形变能力，以及内部水分群体的存在状态和分布。虽然挤压膨化常见，但间接热膨化（如油炸或烘烤预成型凝胶）可精确控制最终产品的质构。膨化淀粉基食品的品质，特别是膨胀率和脆度，高度依赖于膨化前淀粉基质的理化性质。

回生是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）的关键而复杂的因素。已有研究表明，回生时间延长会增加干燥米淀粉凝胶颗粒的相对结晶度，较高的相对结晶度会导致更小、更致密的泡孔结构和减小的膨胀率，进而增强最终膨化产品的脆度、硬度和易碎性。然而，过度的回生会导致过度刚性、高结晶度的结构，使其在高温加压下无法进行充分的弹性变形，从而无法有效膨胀。预成型淀粉凝胶中的水分在热膨化过程中既充当增塑剂又充当发泡剂，因此其状态是决定最终产品微观结构和质地的关键因素。

尽管已有研究描述了常见淀粉在膨化过程中的结构和理化转变，但回生对虎坚果淀粉多尺度结构（涵盖分子有序度、晶体生长和片层排列）、水分群体动态及其对热膨化性能的综合影响尚未完全阐明。因此，本研究旨在：（1）利用XRD、FTIR和SAXS表征虎坚果淀粉凝胶在4°C冷藏回生期间（0–72 h）的多尺度结构演变；（2）利用LF-NMR和水分活度分析监测相应的水分分布和状态变化；（3）评估所得膨化产品的热膨化性能（膨胀率、比容）和质构属性（硬度、脆度）；（4）建立结构参数、水分状态与膨化质量之间的相关性，以揭示潜在的调控机制。这项工作为优化虎坚果淀粉基膨化食品的品质提供了基础见解和实用的加工窗口。

2. 研究方法概述

研究人员从湖南省隆回县收获的干制虎坚果中提取淀粉，制备淀粉凝胶（淀粉与去离子水质量比1:1.5），在4°C冰箱中分别回生0、4、8、16、24、48和72 h，随后干燥至含水量约10%。采用的主要关键技术方法包括：α-淀粉酶-碘法测定回生度（DR）；X射线衍射（XRD）分析长程晶体结构；衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）分析短程有序结构；上海同步辐射光源BL16B1线站的小角X射线散射（SAXS）分析片层结构和分形特征；低场核磁共振（LF-NMR）测定水分分布；水分活度计测量水分活度（a_w）；油炸膨化（190°C，10 s）制备膨化产品；油菜籽置换法测定膨胀率和比容；质构仪（TPA模式）测定硬度和脆度。

3. 研究结果

3.1. 干燥虎坚果淀粉凝胶的回生度

通过α-淀粉酶-碘法测定不同回生时长下的回生度。随着回生时间延长，虎坚果淀粉的回生度从9.69%显著上升至89.17%（p < 0.05）。回生度在最初24 h内迅速上升，之后增长速度逐渐放缓并趋于平稳。这对应淀粉回生的两个连续阶段：短期的直链淀粉双螺旋快速形成，以及长期的支链淀粉分子缓慢重排。

3.2. 回生过程中虎坚果淀粉的多尺度结构演变

3.2.1. 长程晶体结构：XRD分析显示，未回生样品无显著衍射峰。随回生时间延长，在约5.6°、15°、17°、20°和22°（2θ）处出现明显晶体衍射峰，其中17°峰归因于支链淀粉双螺旋重结晶，20°峰对应于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%显著增至72 h的17.99%（p < 0.05），增长呈现两阶段模式：0–8 h快速增加，8–72 h增速显著减缓。

3.2.2. 短程有序结构：FTIR分析表明，回生和干燥未改变淀粉共价键或官能团。在3750 cm^-1处出现新的吸收峰，归属为未形成氢键的自由羟基伸缩振动。R_1047/1022比值（反映短程有序度）从0.5086逐渐增至0.6039，R_995/1022比值（代表双螺旋堆积状态）总体呈增加趋势，表明回生促进了双螺旋和晶体结构的形成。

3.2.3. 片层结构：SAXS分析显示，所有回生样品在q≈0.3 nm^-1附近出现宽Bragg峰，对应新重组形成的半结晶片层结构。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），表明回生促进分子链段更紧密的堆积。

3.2.4. 分形结构：所有回生样品呈现质量分形结构，分形维数（D_m）在1.0026至1.5488范围内，随回生时间延长显著增加，表明微晶结构重排增强了淀粉凝胶基质的整体致密性。

3.3. 回生对干燥虎坚果淀粉凝胶水分分布的影响

所有样品的最终含水量控制在约10%（9.85–10.02%，p > 0.05）。水分活度（a_w）范围为0.3751至0.4032，在4 h回生时达到峰值，之后逐渐下降。LF-NMR分析显示，结合水（T₂₁，0.94–1.04 ms）和固定化水（T₂₂，11.67–36.53 ms）为主要组分，未检测到自由水信号。结合水比例（A₂₁）随回生时间延长显著降低，固定化水比例（A₂₂）先升后降，在8 h达到数值峰值（4 h和16 h与峰值无统计差异），自由水比例（A₂₃）总体呈逐渐增加趋势。

3.4. 热膨化性能与产品质构品质

3.4.1. 膨胀率和比容：膨胀率先升后降，在4 h回生时达到最大值9.75，比未回生对照组（7.46）显著提高30.70%；72 h后降至最小值5.72。比容呈现相似趋势，在4 h时达峰值8.42 mL/g。

3.4.2. 质构品质：4 h回生样品呈现最优质构特征，硬度最小（1165.53 g），脆度最大（36.67），分别比对照组改善14.01%和62.98%。超过4 h后，硬度逐渐增加，脆度持续下降，72 h时硬度和脆度分别达2150.39 g和16.50。

3.5. 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，与回生度、RC、R_1047/1022和A₂₃呈负相关。硬度与a_w、R_g和d_Bragg呈负相关，与回生度、RC、R_1047/1022和A₂₃呈正相关。脆度与回生度和A₂₃呈负相关，与a_w、d_Bragg和固定化水含量A₂₂呈正相关。

4. 讨论与结论

本研究证实，回生时间是调控虎坚果淀粉多尺度结构演变的关键因素。在七个测试时间点中，4 h回生样品呈现出最佳综合热膨化性能。这一“适度回生”现象可归因于形成了适度有序的网络结构，在该状态下系统固定化水含量最高，有助于产生最有利的内部蒸汽压力条件。相反，16 h及以上回生导致过度致密的晶体结构，限制了加热过程中淀粉基质的膨胀。

结论：本研究调查了回生时间（4°C下0–72 h）对虎坚果淀粉热膨化性能的影响。结果证实，回生时间是调控干燥淀粉凝胶多尺度结构演变的关键因素。延长冷藏储存显著增加了回生度，驱动淀粉分子架构向更加有序和致密的状态转变。在七个测试回生时间点中，4 h回生样品呈现最佳综合热膨化性能。这一“适度回生”现象可归因于形成了适度有序的网络结构，对应于系统中固定化水含量最高，进一步贡献了最有利的内部蒸汽压力条件。相反，16 h及以上回生诱导过度致密的晶体结构，限制了加热过程中淀粉基质的膨胀。相关性分析确定水分活度是控制膨化行为的主导因素，而膨化产品的脆度由水分活度和纳米级片层结构特征共同调控。这些发现确立了回生时间作为调节虎坚果淀粉系统中多尺度结构、水分分布与膨化功能之间关联的关键可调参数。这项工作为高品质间接热膨化淀粉类食品的制造提供了一种靶向结构调控策略。