介质阻挡放电低温等离子体改善玉米淀粉理化性质与功能特性的研究

《Food Chemistry》：Insight into the improving on physicochemical and functional properties of corn starch by dielectric barrier discharge low-temperature plasma

　　

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  研究不同功率水平下低温等离子体（LTP）对玉米淀粉的改性。
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  低温等离子体（LTP）降低了玉米淀粉的相对结晶度。
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  低温等离子体（LTP）增强了玉米淀粉的冷水溶解度。
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  低温等离子体（LTP）增加了玉米淀粉中抗性淀粉的含量。

引言

玉米在全球热带和温带地区广泛种植，全球种植面积为 1.97 亿公顷，为庞大人口提供了稳定的食物来源（Ranum 等，2014）。玉米含有多种大分子物质，包括淀粉、蛋白质和脂肪，具有营养价值高的特点。它可用于开发功能性高品质营养食品，以及食品和材料行业产品的加工（Mohammed 等，2022）。玉米淀粉是应用最广泛的淀粉类型，作为人类的食物来源、动物的饲料来源以及各种工业应用的原料（Ranum 等，2014）。它在食品行业展现出广阔的应用前景，常被用作食品制备中的增稠剂、凝胶剂、膨胀剂、食品添加剂和稳定剂（Ai & Jane, 2016; Kumari & Sit, 2023）。然而，原淀粉在实际应用中存在若干固有局限，包括水溶性差、糊化温度高、溶解度低、消化速度快和粘度高。这些缺点限制了其在食品、化工和医学等多个领域的进一步利用（Almeida 等，2019; Gao 等，2021; ?árka 等，2023; Vanier 等，2012; Wang 等，2020）。特别是，提高抗性淀粉含量具有巨大的实际意义，因为它能降低血糖指数并促进肠道健康，满足对功能性食品和膳食食品日益增长的需求。为了解决这些局限，已采用化学、物理和酶法改性技术来拓宽淀粉的应用范围（Kumari & Sit, 2023）。尽管如此，由于化学和酶法改性存在固有缺点，包括工艺复杂、污染潜力高和成本过高，它们在淀粉改性中的使用受到限制。相比之下，物理改性因其相对安全且对环境友好，日益受到研究人员的关注（Compart 等，2023）。

物理改性技术被定义为通过机械、电磁或压力机制修改物质的结构和功能（?árka 等，2023）。虽然传统热处理被广泛用于此目的，但高温可能引发不需要的化学反应并损害产品质量。为了解决这些局限，非热处理技术因其能够在不造成热损伤的情况下修改物质而获得高度认可（Raghunathan 等，2021）。低温等离子体（LTP）技术作为一种新兴的绿色非热加工技术，近年来受到了相当大的关注（Bie 等，2016）。除了操作简便、污染低和安全高的优点外，由于不存在化学残留，LTP 改性淀粉为食品工业提供了更高的安全性（Ma & Jiang, 2024）。等离子体是一种部分电离的气体，由活性氧和氮物种（ROS, RNS）、电子、离子和光子组成（Campelo 等，2020）。这些活性物种通过交联（增强凝胶强度和结构稳定性）、解聚（改变糊化行为）和蚀刻（增加表面粗糙度和亲水性）等机制与淀粉颗粒相互作用（Guo, Cui, et al., 2022）。这种相互作用导致引入新的官能团、颗粒形态的改变和亲水性的提高，从而共同增强淀粉的功能特性（Sudheesh 等，2023）。LTP 常用的发生系统包括介质阻挡放电（DBD）、电晕放电、大气压辉光放电和滑弧放电（Lu 等，2022; Snoeckx & Bogaerts, 2017）。其中，DBD 以操作简便、成本低、效果显著、环境友好和安全高为特征（Niu 等，2021）。

此外，作为物理改性技术，LTP 中的 DBD 与溶剂改性相比具有效率高、能耗低和副作用少的优点。值得注意的是，处理过程中的温度保持在淀粉糊化温度以下，使其在不损害淀粉颗粒完整性的情况下修改其理化性质成为可能（Ge 等，2021）。先前的研究表明，LTP 能降低淀粉的结晶度并调节其流变特性（Bie 等，2016）。Yan 等（2020）报道，DBD 对香蕉淀粉的处理增强了其溶解度并引起了其糊化行为的显著改变。此外，研究人员发现，经过 LTP 处理的小麦皮淀粉结晶度和浊度显著降低，同时溶解度显著提高（Gupta 等，2024）。Guo, Gou 等（2022）使用 LTP 改性马铃薯淀粉，结果表明淀粉的溶解度、膨胀力和吸水能力显著增加。另一项研究表明，LTP 中的 DBD 对玉米淀粉的处理增强了颗粒间相互作用并提高了分解温度，从而改善了玉米淀粉的稳定性（Sifuentes-Nieves 等，2021）。因此，利用 LTP 处理玉米淀粉以研究其在不同放电功率下分子特性、结构特征、微观结构、热特性和功能特性的变化，不仅有助于深入了解 LTP 与玉米淀粉之间的相互作用机制，也为玉米淀粉在食品科学、制药和化工等领域的创新应用提供了坚实的理论基础和技术支持（Li 等，2024）。

本研究旨在系统调查不同功率水平的冷等离子体对玉米淀粉结构、理化和功能特性的影响。首先，通过应用绿色非热加工技术安全地实现淀粉改性，在确保加工安全的同时提高功能特性，从而扩展了原生玉米淀粉的应用范围和应用场景。其次，深入阐明了等离子体处理下玉米淀粉分子结构和理化性质的演化机制，为该技术在淀粉改性中的工业实施提供了科学依据和理论指导。最后，丰富了非热加工技术在淀粉基材料改性中的应用研究，进一步拓宽了冷等离子体技术在食品行业的应用前景。虽然通过 DBD-LTP 改性淀粉的研究已有开展，但对不同等离子体功率如何系统影响其结构 - 功能关系的详细评估仍然有限。本研究阐明了等离子体诱导的结构变化、流变行为和体外消化率之间的联系。通过追踪这些特定关系，本工作提供了更全面地了解处理功率如何决定甜玉米淀粉功能特性的认识。

部分片段

实验材料和处理

甜玉米（Zea mays saccharata cv. Crispy and sweet 321）于 2024 年 11 月初从浙江省一商业农田收获。随机选择大小均匀且无病虫害的玉米棒，去皮脱粒，保留加工后的籽粒用于后续实验。玉米籽粒用蒸馏水按 1:3 的固液比进行湿磨。得到的滤液在 25?°C 下静置 12?小时。沉淀物被重新悬浮在

淀粉的结构特征

通过扫描电子显微镜（SEM）观察 LTP 处理前后玉米淀粉颗粒的微观特征。如图 1(A) 所示，淀粉的表面形态在等离子体暴露下发生改性，随着处理功率的增加，表面裂纹和形态不规则性变得更加明显。这种现象归因于活性物种（即高能

结论

本研究进行了一项系统调查，以评估不同功率的 LTP 对玉米淀粉结构、理化和功能特性的综合调节作用。结果表明，放电功率对淀粉的多尺度特性具有显著的调节影响。在所有处理中，75 W LTP 表现出最佳的改性效率。它显著改善了包括水合在内的综合功能特性，

CRediT 作者贡献声明

Ting Guo: 撰写 - 原稿、验证、软件、方法学、调查、概念化。 Yizhou Gao: 监督、方法学、调查、概念化。 Wenhui Xu: 方法学、调查、概念化。 Fucheng Zhao: 监督、方法学、调查、概念化。 Jinghe Sun: 监督、方法学、调查、概念化。 Jian Lou: 监督、方法学、调查、概念化。 Wahidu Zzaman: 方法学、调查，

资助

本研究未收到公共、商业或非营利部门资助机构的任何特定拨款。

未被引用的参考文献

Jingwen, Melnyk and Ihnatieva, 2021

Tao, Wang, Wu, Jin and Xu, 2016

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能被认为影响了本论文中报告的工作。

致谢

本工作得到了浙江省“三农九方”科技合作计划（项目编号：2025SNJF050）；国家重点研发计划（项目编号：2024YFF1105501）的支持。

Ting Guo|Yizhou Gao|Wenhui Xu|Fucheng Zhao|Jinghe Sun|Jian Lou|Wahidu Zzaman|Jing Di|Zhaojun Ban