氢氧化钙对苦荞麦淀粉理化特性与消化特性的影响：钙离子与氢氧根离子的作用

《Food Hydrocolloids》：Effects of calcium hydroxide on the physicochemical and digestive properties of Tartary buckwheat starch: the role of calcium ions and hydroxide ions

　　

摘要

本研究考察了Ca(OH)₂、CaCl₂、NaOH及NaOH+CaCl₂在不同添加量（0%-1.0%）条件下对苦荞淀粉（TBS）结构、理化性质及体外消化性的影响，以阐明Ca(OH)₂修饰TBS特性的机制。Ca(OH)₂组和NaOH+CaCl₂组的结合钙含量高于CaCl₂组，表明OH^-可能促进Ca²⁺与TBS之间的结合。Ca(OH)₂组的溶解度和膨胀力适度增加。流变学结果和SEM图像显示，Ca(OH)₂诱导TBS形成具有更高弹性的凝胶网络，且微观结构更加均匀致密。适当浓度的Ca(OH)₂降低了相对结晶度（0.2%-0.6%）和有序度（0.2%-0.8%），减少了糊化焓，提高了糊化温度（T_o、T_p、T_c）和双螺旋含量，延缓了TBS的体外消化。四组处理间性质和结构的差异表明，Ca(OH)₂对TBS的修饰可能归因于Ca²⁺和OH^-的共同作用。这些发现为理解Ca²⁺和OH^-在修饰TBS性质和结构中的各自贡献提供了洞见。

引言

苦荞，又称甜荞，广泛分布于亚洲、欧洲、非洲、大洋洲和北美洲（Chi等，2022）。苦荞富含多酚类化合物和D-手性肌醇等生物活性成分，具有降血糖、降血脂和抗氧化等多种健康功效，被认为是糖尿病患者的理想食品原料（Shen等，2024；Zhang等，2024；Zhu，2020）。由苦荞衍生出的产品，如面条、面包和饼干等，获得了 considerable 的消费市场认可，凸显了其开发功能食品的巨大潜力（Li & Zhang，2001）。然而，荞麦面粉中缺乏面筋蛋白使其难以获得理想的和面特性。碱性物质（如Ca(OH)₂）常被用于改善苦荞面的质地、口感和煮制质量，因为它们创造了碱性环境，优化了面团的温热机械稳定性，并显著提高了拉伸强度和剪切力，从而提升了煮制质量（Han等，2014；Han等，2011）。我们近期的研究考察了Ca(OH)₂、CaCl₂、NaOH和CaCl₂+NaOH对传统挤压苦荞面（河漏）品质的影响，发现0.6%的Ca(OH)₂对面条品质有显著改善作用（Ma等，2026）。淀粉是苦荞面粉的主要成分，占种子总质量的70%以上，由约25%的直链淀粉和75%的支链淀粉组成（He等，2024）。先前的研究表明，Ca(OH)₂对苦荞面品质的改善作用归因于钙-淀粉复合物的形成，该复合物提高了膨胀力和峰值黏度，从而形成更加致密均匀的凝胶网络结构（Han等，2011）。然而，这些结论是基于荞麦面粉体系获得的，上述四种添加剂在纯苦荞淀粉体系中的作用尚不清楚，需要进一步研究。

Ca(OH)₂、CaCl₂和NaOH对某些淀粉性质和结构的影响已有广泛报道。文献报道指出，Ca(OH)₂的添加通过Ca²⁺与淀粉分子之间的范德华力显著改变了淀粉的理化性质，导致糊化温度升高，峰值黏度和最终黏度降低，并形成水凝胶网络结构（Contreras-Jiménez等，2019）。CaCl₂中的Ca²⁺也能增强玉米淀粉链之间的交联，从而提高凝胶强度（Zhuang等，2024a），并有效延缓回生，同时降低苦荞淀粉的体外消化性（Li等，2024）。相比之下，OH^-发挥着不同的作用：它促进淀粉粒膨胀和破裂，破坏分子内氢键，加速直链淀粉渗出，从而改变溶解度、膨胀力和糊化特性（Chi等，2022；Kunyanee等，2023）。NaOH处理导致淀粉更广泛的结构性降解（Qiao等，2017；Qiao等，2016）。一些研究还指出，阴离子类型调节Ca²⁺的功能效果，因为不同阴离子通过改变Ca²⁺与淀粉的结合方式及其与酶活性中心的相互作用，影响酶活性和淀粉水解（Xu等，2020）。例如，使用Ca(OH)₂和草木灰进行玉米碱化处理（nixtamalization）赋予玉米粉面团最佳的黏弹性特征，而经CaCl₂或Ca(C₂H₅COO)₂处理的淀粉表现出最低的G′和G′′值（Santiago-Ramos等，2018）。这归因于Ca(OH)₂解离出Ca²⁺和更多OH^-，后者容易渗透淀粉颗粒并促进糊化。

Ca(OH)₂作为复合碱性添加剂用于增强淀粉性能的应用已得到广泛研究和验证。Ca²⁺和OH^-对淀粉性质的单独作用也已有充分文献记载。然而，两种离子的共存是否为实现苦荞淀粉最佳修饰所必需的，以及它们如何相互作用以协同调节淀粉的结构和功能，仍有待明确。为填补这一空白，本研究以苦荞淀粉（TBS）为模型，对比四种处理方式：Ca(OH)₂（两种离子）、CaCl₂（仅Ca²⁺）、NaOH（仅OH^-）和CaCl₂+NaOH（同时提供两种离子，可能存在共存离子干扰）。该设计可解离Ca²⁺和OH^-各自的贡献及协同效应。研究结果有望揭示Ca(OH)₂增强苦荞淀粉基食品品质的内在机制，并为其他淀粉基产品的质量控制提供理论参考。

章节摘要

苦荞淀粉的提取及基本参数测定

采用Liu等（Liu等，2015）描述的方法提取苦荞淀粉（TBS）。将苦荞与0.15% NaOH溶液（固液比1:5，w/v）混合，室温搅拌16小时。混合物经200目筛过滤后，滤液以2700 g离心30分钟。弃去上清液并去除表面杂质后，沉淀反复用80%乙醇洗涤并离心，直至上清液变澄清。纯化

总钙含量和结合钙含量的测定

图1显示了Ca(OH)₂组、CaCl₂组和CaCl₂+NaOH组的梯度样品中测得的总钙含量和结合钙含量。Ca(OH)₂组梯度样品的总钙含量与相应梯度样品的CaCl₂组和CaCl₂+NaOH组相当。随着添加比例的增加，各组结合Ca²⁺含量也相应增加。结合Ca²⁺含量始终低于总Ca²⁺

结论

通过分析和比较Ca(OH)₂、CaCl₂、NaOH及CaCl₂+NaOH在不同添加量（0%-1.0%）条件下对TBS结构、理化性质和体外消化性的影响，多维度指标共同揭示了Ca(OH)₂处理诱导荞麦淀粉结构重塑的机制。结合钙含量的增加表明OH^-可能促进Ca²⁺与淀粉羟基之间的结合。在此交联作用下

CRediT作者贡献声明

胡鑫忠：资源，资金获取。王莉霞：资金获取。马梓凡：调查研究，数据管理。吴晓霞：研究方法，数据管理。李小萍：撰写——审阅与编辑，验证，监督，项目管理，研究方法，调查研究，资金获取，概念构思。程金宣：验证，调查研究，数据管理。李相林：撰写——初稿，可视化，验证，研究方法，调查研究，形式分析，数据管理。

未引用参考文献

Englyst和Cummings，1992；Rodríguez等，1996。

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢以下研究基金的资助：国家自然科学基金（项目编号：32472253）；中国西安市科技计划项目（项目编号：23NYGG0055）；陕西省科技计划项目（2024NC-YBXM-136）；以及陕西省教育厅重点科学研究计划项目（24JR049）。

李相林|卜苗飞|李小萍|程金宣|马梓凡|吴晓霞|胡鑫忠|王莉霞

陕西师范大学食品工程与营养科学学院，中国陕西西安，710062