拉蒙种子面粉凝胶的功能特性：温度、浓度及添加剂对流变学、黏弹性和质构的影响

《International Journal of Molecular Sciences》：Functional Properties of Brosimum alicastrum Seed Flour Gels: Impact of Temperature, Concentration, and Additives on Rheology, Viscoelasticity, and Texture

　　

拉蒙种子面粉（RSF）取自具有抗旱和抗飓风能力的Brosimum alicastrum，是一种具有高生产力和良好营养特性的可持续食品原料，但其功能特性仍鲜有研究。本研究表征了在7.7%、9%或11%（w/w）浓度下制备，并于80、90或100 °C加热，且添加2%盐、5%糖或不含添加剂的RSF凝胶的流变学、黏弹性及质构行为。研究人员采用控制应力流变仪测定流变学和黏弹性特性，并通过单循环压缩试验评估质构特性。所有体系均表现出假塑性行为，流动行为指数介于0.42至0.68之间。在11% RSF和90 °C条件下获得最强凝胶，表现出最高的表观黏度（12.91 ± 0.85 Pa·s）、储能模量（308 ± 22 Pa）和硬度（1.05 ± 0.08 N）。盐的作用具有温度依赖性，在90和100 °C下使黏度和硬度提高15–23%，但在80 °C下使其降低18–25%。相比之下，糖持续使黏度、黏弹性和硬度降低12–18%。这些发现凸显了RSF作为可持续植物基增稠剂的潜力，并强调了温度与添加剂相互作用对其功能性能的重要影响。

论文解读：拉蒙种子面粉凝胶的功能特性——温度、浓度与添加剂的多维调控

一、研究背景与科学问题

全球食品体系正面临自然资源枯竭、生物多样性丧失和气候变化等多重挑战，严重威胁农业生产力和粮食安全。在墨西哥尤卡坦半岛，为发展畜牧业和玉米种植而进行的森林砍伐显著改变了土地利用模式，玉米主要作为食品工业的淀粉来源。然而，对少数几种主要作物（尤其是玉米）的过度依赖，造成了供应链脆弱性和农业系统对气候变化的低韧性。淀粉作为食品工业最广泛使用的增稠剂，其生产高度集中于玉米、小麦、马铃薯和木薯等少数作物，这种集中化带来了供应链风险，并限制了农业多样化的机会。因此，探索来自未被充分利用、具有气候韧性的物种的替代淀粉源，成为增强食品体系可持续性同时保持食品应用功能性能的战略途径。

淀粉糊化是食品制造中的基本过程，决定了众多产品的流变学和质构特性。淀粉颗粒在水分存在下受热时，会发生不可逆的结构变化，包括颗粒膨胀、结晶有序性丧失和分子溶解，形成能够截留水分的三维黏弹性网络。淀粉基体系的流变行为通常为非牛顿型假塑性，表现为表观黏度随剪切速率增加而降低，这种剪切变稀特性有利于泵送、混合和吞咽等食品加工操作。已有研究表明，淀粉凝胶的功能特性对加工条件和添加剂的存在高度敏感，盐和糖可通过水分活度调节、离子相互作用和氢键竞争等机制显著改变糊化温度、糊化特性和凝胶强度，且这些效应往往具有浓度和温度依赖性。

Brosimum alicastrum Swartz（桑科），俗称拉蒙、面包果或玛雅坚果，是中美洲本土的多用途树种，数千年来一直维系着土著社区的生计。该物种表现出显著的气候韧性，既能耐受干旱又能耐受飓风，同时保持高种子产量（28.6吨/公顷/年），大幅超过典型玉米产量。拉蒙种子具有优于常规谷物淀粉的营养特性，约含70%碳水化合物（其中63%为淀粉）、11%蛋白质、13%膳食纤维，以及丰富的矿物质和生物活性化合物。其蛋白质含量显著高于精制谷物淀粉，氨基酸谱富含色氨酸，超过燕麦、豆类和玉米中的水平。尽管拉蒙具有这些优势，但在现代食品体系中仍未被充分利用，种子主要用作牲畜饲料。

以往对拉蒙的研究主要集中在成分表征和烘焙制品中的替代应用，而对其加工过程中的理化行为，尤其是加工相关条件下的流变学、黏弹性和质构特性的系统研究尚属空白。此前虽有基础淀粉表征的报道——包括直链淀粉含量（25.36%）、糊化峰值温度（约83 °C）、糊化焓（21.4 J/g）和溶胀力（90 °C下17.64 g/g）——但缺乏对浓度、温度和常见食品添加剂（盐、糖）对RSF凝胶性能影响的系统研究，也未探索这些因素间的相互作用。理解这些结构-功能关系对于确定加工行为、配方灵活性和最佳加工条件至关重要，也是评估RSF作为传统增稠剂替代品的竞争潜力的基础。

二、研究内容与主要结论

针对上述知识空白，本研究首次系统表征了RSF凝胶的流变学、黏弹性和质构特性，作为浓度（7.7%、9%、11% w/w）、加工温度（80、90、100 °C）和添加剂类型（盐、糖、对照）的函数。研究采用全因子实验设计，共27个处理组合，每个处理制备三次，所有测量均进行三次重复。通过三因素方差分析（ANOVA）评估主效应和交互作用，采用Tukey诚实显著差异（HSD）检验进行多重比较，并利用响应曲面分析和Pearson相关性分析揭示变量间关系。

研究结果表明，所有RSF体系均表现出显著的假塑性（剪切变稀）行为，Carreau-Yasuda模型拟合的流动行为指数（n）介于0.09至0.22之间。RSF浓度是影响流变性能的最主要因素，零剪切黏度（η₀）随浓度从7.7%增至11%可提高达两个数量级，这归因于溶胀淀粉颗粒体积分数的增加和三维网络内交联密度的提高。松弛时间（λ）也随浓度显著增加，表明高浓度体系具有更强的弹性和更慢的形变响应。加工温度对体系产生复杂影响：80 °C下观察到最高的η₀和λ值，但实验变异性也最大，表明糊化可能不完全或异质；90 °C下体系在结构发展和可重复性之间达到更有利的平衡，多个处理在此温度下获得最大表观黏度（10 s^-1）；100 °C下η₀和λ普遍降低而η∞增加，可能源于淀粉链的部分热降解、颗粒破裂和可溶物释放增加。添加剂效应方面，蔗糖对RSF流变学的影响取决于浓度和温度条件，不能简单描述为一致抑制；盐的作用则表现出明显的温度依赖性，在80 °C下干扰糊化、降低η₀，而在90 °C和100 °C下增强体系结构。

黏弹性测量显示，所有RSF体系均表现出以弹性为主导的行为，储能模量（G′）在整个测试频率范围内（0.1–10 Hz）一致超过损耗模量（G″），损耗角正切（tan δ）低于1，表明形成了弱物理凝胶样网络。在1 Hz下，G′值范围为45 ± 5 Pa（7.7%，80 °C，糖）至308 ± 22 Pa（11%，90 °C，对照），G′/G″比值介于3.2至4.5，证实凝胶的弹性主导特性。因子方差分析显示，浓度和温度对G′和G″均有极显著影响（p < 0.001），浓度是主导因素。浓度从7.7%增至11%导致两种模量均明显增加，而温度效应表现为G′和G″从80 °C到90 °C普遍增加，在100 °C时趋于平稳或略有下降。盐对黏弹性的影响同样具有温度依赖性，在80 °C时削弱弹性响应，但在90和100 °C时增强最浓凝胶的弹性；糖则一致地降低黏弹性强度。

质构分析表明，硬度是受配方和加工变量影响最显著的质构参数。在7.7%和9% RSF浓度下，硬度保持相对较低且随添加剂处理变化不大；而在11% RSF下，温度效应变得更为明显，主要在90和100 °C处理后形成更坚硬的凝胶。黏附力与硬度呈相反模式，最显著的黏附性出现在11% RSF和90 °C的盐处理中，表明高固体含量并不必然保证凝胶的机械完整性。

三、关键技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：使用控制应力流变仪（TA Instruments DHR2）配备40 mm平行板几何和1050 μm间隙，在25 ± 1 °C下进行流动行为测定（剪切速率0.1–100 s^-1），数据拟合至Carreau-Yasuda模型获取η₀、η∞、λ和n参数；通过应变扫描确定线性黏弹区（LVR），在0.5%应变和0.1–10 Hz频率范围内进行频率扫描测定G′、G″和tan δ；使用质构分析仪（Shimadzu EZ-SX）配备5 kg载荷传感器和12.7 mm圆柱探头进行单循环压缩测试（50%应变），测定硬度和黏附力；采用全因子实验设计结合三因素方差分析和Tukey HSD检验进行统计分析，并使用Design-Expert软件进行响应曲面分析和Minitab 19进行Pearson相关性分析。拉蒙种子采集自墨西哥尤卡坦半岛，经清洗、60 °C干燥24小时、锤式磨粉至粒径小于250 μm（60目）。

四、研究结果分述

4.1 流动行为与假塑性特征

所有RSF体系均表现出显著的假塑性行为，流动行为指数（n）范围为0.09至0.22。浓度对零剪切黏度（η₀）影响最大，从7.7%增至11%可使η₀提高达两个数量级。松弛时间（λ）也随浓度增加而显著增大，80 °C和11%浓度下对照处理达到574.7 × 10² s，盐处理达到680.7 × 10² s。80 °C下观察到最高η₀和λ值但变异性最大，表明糊化不完全或异质；90 °C下多个处理获得最大表观黏度（10 s^-1），如盐处理11%为12.91 ± 1.19 Pa·s；100 °C下η₀和λ普遍降低而η∞增加。蔗糖对体系的影响取决于浓度和温度条件，盐在80 °C下降低η₀但在90和100 °C下增强体系结构。

4.2 黏弹性质

所有RSF体系均表现出以弹性为主导的弱凝胶样行为，G′在0.1–10 Hz范围内一致超过G″，tan δ低于1。1 Hz下G′范围为45 ± 5 Pa至308 ± 22 Pa，G″范围为12 ± 2 Pa至78 ± 6 Pa。浓度和温度对G′和G″均有极显著影响（p < 0.001），浓度为主导因素。温度效应表现为从80 °C到90 °C模量增加，100 °C时趋于平稳或略降。盐在80 °C削弱弹性响应但在90和100 °C增强弹性，糖一致降低黏弹性强度。

4.3 质构特性

硬度是受配方和加工变量影响最显著的参数。7.7%和9%浓度下硬度较低且变化不大，11%浓度下温度效应显著，90和100 °C处理后形成更坚硬凝胶。黏附力与硬度呈相反模式，最显著黏附性出现在11% RSF和90 °C盐处理中。

4.4 流变、黏弹与质构特性间的关系

Pearson相关性分析显示，表观黏度（10 s^-1）与凝胶硬度呈极强正相关（r = 0.96，p < 0.001），硬度与黏附力呈强负相关（r = -0.85，p < 0.001），表观黏度与黏附力呈强负相关（r = -0.81，p < 0.001）。温度与tan δ（r = 0.80）和η∞（r = 0.67）正相关，与松弛时间λ负相关（r = -0.52）。RSF浓度与表观黏度（r = 0.76）和硬度（r = 0.73）正相关，与黏附力负相关（r = -0.57）。η₀与λ强相关（r = 0.69），η∞与表观黏度（r = 0.71）和硬度（r = 0.74）正相关。

五、讨论与结论

讨论部分指出，盐可被策略性地用于以温度依赖的方式调节凝胶强度，而糖在多种加工条件下提供更可预测的黏度和弹性降低效应。对于需要较坚硬弱凝胶结构的应用（如可勺取或半固体食品体系），结合高RSF浓度（11%）、90 °C加工和适量盐添加（2%）可在评估条件下产生最高黏弹性响应。相反，对于需要较软、弹性较低质构的应用（如饮料、稀酱汁），可采用较低浓度、中等温度和糖添加。硬度与黏附力之间的权衡表明，配方设计者必须根据具体应用要求平衡这些特性。质构分析基于单循环压缩，未测定需要第二压缩循环的参数（如内聚性和弹性），应在未来研究中加以考虑。

研究结论表明，拉蒙种子面粉（RSF）作为凝胶形成和增稠成分具有有前景的功能性能，其流变学、黏弹性和质构特性可与常规淀粉基体系相媲美。在评估条件下，11%浓度和90 °C观察到最高的相对凝胶强度和黏度，确定了与食品配方相关的加工条件。盐的作用表现出显著的温度依赖性，在80 °C削弱凝胶结构但在90–100 °C增强之；糖则普遍降低黏弹性和质构响应。RSF因其相对于精制淀粉更高的蛋白质和纤维含量，不仅具有增稠功能，还具有营养强化的附加价值。结合Brosimum alicastrum的气候韧性和农业生态相关性，RSF有望成为开发更可持续、更多元化食品体系的可行候选原料，并为中美洲及其他地区的韧性、可持续成分创新提供战略资源。