多次通过碟式研磨过程中循环冷却与水分对薏苡淀粉理化性质的影响

《Food and Bioproducts Processing》：Role of Iterative Cooling and Moisture on Physicochemical Properties of Coix Starch during Multi-Pass Disc-Milling

　　

摘要

盘磨是一种有效的机械改性技术，用于功能性清洁标签淀粉。它使制造商能够避免使用法规添加剂，同时在淀粉中达到目标功能。本研究评估了迭代冷却和水分对多通道盘磨（MPDM）纯化薏米淀粉（PCS）（水分含量约 10% w/w，干基）结构和功能特性的影响。在 50 次多通道 4 个冷却间隔（PCSM50）条件下，盘磨产生了更小的颗粒（8.50 ± 1.68?μm）。在 100 次（PCSM100）和 150 次（PCSM150）多通道与 9 和 14 个冷却间隔条件下，形成了颗粒状聚集体，平均粒径分别为 14.20 ± 2.07?μm 和 15.86 ± 1.87?μm。PCSM50 的水分溶解指数（WSI）（50.08 ± 2.01% w/w）较高，而 PCSM150 的吸水容量（WAC）（11.14 ± 0.43 w/w）增加。直链淀粉（25.84 ± 0.94 对比 23.18 ± 0.19% w/w）和受损淀粉含量（1.06 ± 0.13 至 17.77 ± 7.73% w/w）随磨削周期增加。粘度和热分析显示 PCSM50 颗粒破坏更大，峰值粘度更高，热转变温度降低。相反，PCSM100 和 PCSM150 的热稳定性增加。PCSM50 的 XRD 中多晶型 A 型双峰消失，但在 PCSM100 和 PCSM150 中重新出现。红外吸收比（R_1047/1022 和 R_995/1022）显示 PCSM50 晶体有序度和双螺旋结构严重退化。13C NMR 显示 PCSM100（15.27%）和 PCSM150（16.42%）的绝对无定形部分减少（84.73% 和 83.58%），双螺旋含量增加。在体外消化分析中，PCSM50 的抗性淀粉（RS）减少（22.69 ± 2.65%），而 PCSM100 和 PCSM150 增加。流化床干燥（FBD）是一种快速均匀的水分去除过程，用于评估水分在反复盘磨 PCS（FPCS）机械重组和结晶度中的作用，这由其结晶度、热谱、糊化特性和 RS 含量变化的抗性表明。这些发现确立了具有迭代冷却和水分（~10% w/w）的 MPDM 是淀粉热稳定性、结构和功能特性的关键决定因素，并建议了一种控制盘磨期间结构多晶型的技术，多通道盘磨和优化冷却间隔为工业 RS 改性提供了潜在方法。

引言

淀粉是一种在食品、制药和生物医学工业应用中具有广泛潜力的生物聚合物。抗性淀粉（RS）的热稳定性和低血糖特性因代谢紊乱流行率上升而增加了兴趣（Goel et al., 2020, da Rosa Zavareze and Dias, 2011）。对无化学添加剂、绿色和清洁标签食品选项的需求强调了改进淀粉功能以满足多样化应用的处理方法需求。全球物理改性淀粉的使用仅占工业用途改性淀粉总量的 5%（Kaur et al., 2012, Park and Kim, 2021）。除了产品质量较低外，与酶法相比，当前的物理改性方法表现出更多变化的 RS 含量。尽管在清洁标签食品中证明了益处，但能源效率和成本壁垒进一步限制了物理改性技术的商业化（Farooq and Yu, 2024, Suri and Singh, 2023）。由于对变量的严格控制、过度糊化、基质退化等，传统方法在工业可行性和可扩展性方面有限（Gu et al., 2024），损害了营养质量（Sopiwnyk et al., 2020）以及可持续性（Duque et al., 2022）。

研磨通过部分无定形化、颗粒破碎、促进糊化和回生来改变物理和功能特性（de Oliveira Barros et al., 2023）。该方法提供了一种可扩展、绿色和无溶剂的方法来改性淀粉溶解度并增强其抗性淀粉（RS）部分。抗性淀粉（RS）是一种在人体小肠中抵抗消化的改性淀粉（Suhas and Bhoomika, 2025）。因此，优化研磨时间、速度、水分和研磨 - 冷却周期等对于确定 RS3 产量仍然关键（Li et al., 2021）。重要的是，水分关键控制无定形化和重结晶之间的平衡（Wang et al., 2022），过多水分导致颗粒团聚，水分不足限制分子迁移（Farooq and Yu, 2024）。研磨过程中产生的高冲击和剪切力促进破碎，影响工业加工至关重要的水合、膨胀能力和糊化特性。（González et al., 2018, Tumuluru et al., 2016）。

单次盘磨降低淀粉结晶度并增强溶解度，总热转变焓降低（Liu et al., 2017, Zhang et al., 2020）。在多通道（反复）盘磨中，不间断的剪切、摩擦和冲击以及积累温度加速颗粒破裂、晶体有序度丧失以及糊化温度和粘度的降低。然而，由于材料在多次磨削过程中因摩擦产生的热量而无法承受，通道数量有限。反复盘磨期间的迭代冷却限制过热并可能减少热降解，可以更好地保持分子完整性，同时破坏晶体区域。

薏米淀粉（CS），来源于Coix lacryma-Jobi L.，主要是可消化淀粉，占总淀粉的 60-70%，直链淀粉含量为 15-26%。由于其广泛可获得性和食品应用中的功能潜力，CS 在目标加工下可作为 RS 生产的有前景底物（Igbokwe et al., 2022）。高支链淀粉含量（高度分支结构）、低天然 RS 含量和主导的 A 型结晶度增强了酶可及性（Chen et al., 2019）。关键的是，支链淀粉的分子量和链长分布同时推动片段迁移性和重结晶潜力。

在受控条件下进行连续研磨周期以破坏颗粒结构的反复研磨可能会改变包括 RS 含量在内的功能特性（Li et al., 2014, Teobaldi et al., 2024）。虽然水分仍然是加工淀粉结构转变的关键决定因素（Wang et al., 2022），但大多数早期研究关注单周期研磨诱导的水分依赖、