揭示不同分子量葡聚糖对小麦淀粉缠结行为的调控作用：从微观结构到凝胶流变特性与质地特性

《Food Research International》：Deciphering the regulation effect of glucans with various molecular weight on wheat starch entanglement behavior: From microstructure to gel rheological and textural properties

　　

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  系统研究了不同分子量 (M_w) 的外源葡聚糖对小麦淀粉缠结行为的调控作用。
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  M_e 和 Z 可作为表征淀粉缠结网络的有效定量参数。
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  在高缠结度下，M_w 在凝胶质地特性调控中起着重要作用。

引言

淀粉由于其高生物降解性和生物相容性，作为重要的质构剂和稳定剂以水凝胶形式存在 (Zhang, Kumar Sharma, Chen, & Zheng, 2025)。原生颗粒悬浮液转变为粘弹性固体凝胶形式，涉及从微观到纳米多尺度结构的复杂重构过程 (Biduski et al., 2018)。这种转变本质上是发生在糊化和冷却后，淀粉链通过链缠结重新缔合，导致有序结晶域的形成 (Woodbury, Grush, Allan, & Mauer, 2022)。尽管淀粉的糊化和回生行为已被广泛研究 (Huang, Chao, Yu, Copeland, & Wang, 2021; Li, Hu, & Li, 2021; Ning et al., 2025)，但缠结网络的物理拓扑结构是决定凝胶力学行为的关键因素，却仍有待完全探索。热糊化导致淀粉颗粒破裂，使直链淀粉和支链淀粉链解旋、伸展并在连续相中随机互穿。冷却后，这些伸展的链形成瞬态物理环，建立临时网络节点 (Hu, Chen, Xu, Chen, & Zhao, 2019; Zhang et al., 2024)。这种拓扑标度已成功用于解码半刚性生物聚合物（如纤维素和熔融直链淀粉）的溶液物理特性 (Kang et al., 2025)，而传统的回生指数分析结晶重组，但仍不足以量化决定初始凝胶弹性的空间网格尺寸和瞬态交联密度 (Wenfang, Shanbai, Jiangtao, Siming, & Zimei, 2015)。在此方面，拓扑缠结网络指的是由淀粉链互穿和相互包裹形成的瞬态物理网络，其中拓扑约束表示对链段移动性的物理限制，而非共价交联。这些约束通过从流变标度定律推导出的关键参数进行量化，包括缠结浓度 (C_e)、缠结分子量 (M_e) 和相对缠结数 (Z)。

原生淀粉水凝胶存在机械强度低、功能通用性差和脆性等局限性 (Zhang, Liu, Sun, Yao, & Lu, 2025)。为了克服这些缺点，掺入外源添加剂/聚合物已成为增强淀粉水凝胶特性的常见且有效策略 (Lu, Chan, Li, & Li, 2025; Lu, Chan, Liang, Li, & Li, 2025)。迄今为止，外源添加剂对淀粉体系的 physicochemical 性质和分子重排的影响已被广泛记录。高分子量 (M_w) 水胶体是淀粉功能的关键调节剂。具体而言，掺入黄原胶、瓜尔胶和魔芋葡甘聚糖已被发现显著改变豌豆淀粉凝胶的糊化、流变学、质地和热性能 (Rong et al., 2021)。同样，据报道瓜尔胶和角豆胶能增强大米淀粉的冻融稳定性，同时有效延缓短期和长期回生 (Xu, Ye, Zuo, & Fang, 2022)。除了高分子水胶体外，小分子糖类和多元醇在调节淀粉糊化后的链重组方面也起着关键作用。之前的研究评估了二十多种糖和糖醇，确定了它们对小麦淀粉回生的显著影响 (Allan & Mauer, 2022)。此外，掺入甘油、赤藓糖醇和木糖醇等多元醇已被证明能增强大米淀粉凝胶的机械强度，同时降低水接触角、熔融焓和结晶度 (Wang et al., 2025b)。总体而言，这些发现强调了添加剂分子结构与由此产生的淀粉网络结构之间的复杂相互作用。然而，高分子水胶体和小分子糖通常是通过单独且隔离的机制视角进行评估的。一个统一的物理框架来描述连续的 M_w 谱如何系统调节淀粉凝胶的潜在网络拓扑结构，将为机制分析提供新的见解。此外，它们对淀粉精确控制的缠结结构的影响仍系统地未被充分探索 (Shahidi & Athiyappan, 2025; Tu, Brennan, & Brennan, 2020)。具体而言，这些糖类的聚合度 (DP) 或 M_w 如何调节拓扑参数仍不清楚。从结构角度来看，小分子糖和高分子葡聚糖预计通过不同的物理途径调控淀粉组装，要么通过水结合竞争破坏局部溶剂相，要么直接掺入基质以增加物理环。然而，系统比较阐明这些不同行为如何定量区分到特定缠结参数，仍然是本研究寻求解决的目标。

基于上述考虑，我们假设外源糖的 M_w 系统调节淀粉凝胶的拓扑缠结网络，并最终导致各种凝胶特性，这些特性可以通过缠结参数如 C?、M? 和 Z 等进行量化。在本研究中，将六系列不同 M_w 的葡聚糖（从单糖到高分子量葡聚糖（高达 70,000 Da））引入低、中、高缠结度的淀粉凝胶中。通过整合微观结构表征与性质分析，建立了不同 M_w 糖类对淀粉缠结行为的影响机制，以及缠结度与凝胶流变学和质地特性之间的相关性。这些发现为不同 M_w 的外源添加葡聚糖在淀粉缠结系统中的作用以及不同缠结水平对淀粉凝胶的影响提供了定量见解，为淀粉基食品的精确质地设计奠定了新视角。

部分片段

材料

小麦淀粉和麦芽糖 (M_w 342.3 Da) 购自上海元叶科技有限公司。葡萄糖 (M_w 180.16 Da) 和葡聚糖 (M_w 20,000 Da) 购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。葡聚糖 (M_w 1500 Da) 购自上海麦克林生化科技有限公司。葡聚糖 (M_w 10,000 Da) 购自上海映心生物科技有限公司，葡聚糖 (M_w 70,000 Da) 购自国药化学

剪切粘度的测定

如图 1 所示，所有样品均表现出剪切变稀行为，即粘度随剪切速率增加而降低，这与淀粉聚合物溶液的典型特征一致 (Chen, Fang, Ma, Sui, & Corke, 2024)。然而，与原生小麦淀粉 (N) 相比，葡聚糖的添加根据它们的 M_W 显著改变了粘度响应。具体而言，含有小分子糖类 (G, M) 的样品表现出明显更低、更平坦的粘度

结论

本研究提供了全面的证据，表明葡聚糖添加剂的 M_w 在调节淀粉缠结网络的拓扑结构和宏观性质方面起着决定性开关作用。调节机制可分为三种不同的模式。对于单糖葡萄糖，受强水化和空间位阻主导，持续阻碍链缠结，导致具有高自由水移动性和低机械强度的松散网络。对于

CRediT 作者贡献声明

Lecheng Li: 写作 – 审查与编辑，写作 – 初稿，调查，形式分析。 Mengyun Yue: 写作 – 审查与编辑。 Yanli Wang: 写作 – 审查与编辑。 Jianwei Zhao: 监督。 Qianzhu Lin: 写作 – 审查与编辑。 Chao Qiu: 监督，资源。 Long Chen: 方法论。 Hangyan Ji: 写作 – 审查与编辑，监督，软件，方法论。 Zhengyu Jin: 监督，资源，形式分析。

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了 国家自然科学基金 (32130084) 和 中央高校基本科研业务费 (JUSRP202501026) 的资助。

Lecheng Li|Mengyun Yue|Yanli Wang|Jianwei Zhao|Qianzhu Lin|Chao Qiu|Long Chen|Hangyan Ji|Zhengyu Jin