Effect of the addition of pregelatinized rice starch paste on the retrogradation of rice starch gel

doi:10.1016/j.foodhyd.2023.109159

食品水凝胶

IF 11.0SCIEJCR Q1农林科学1区TopEI

第 145 卷，2023 年 12 月，109159

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高光

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添加预糊化淀粉浆可以抑制米淀粉凝胶的老化。
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添加预糊化淀粉浆抑制了淀粉的膨胀。
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淀粉凝胶添加了预糊化米淀粉浆后，表现出较低的储存模量。

摘要

对添加预糊化淀粉浆（PRSP）对大米淀粉（RS）凝胶回生的影响进行了研究，使用了流变仪、X 射线衍射（XRD）、差示扫描量热法（DSC）、小角 X 射线散射（SAXS）和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）。发现添加 PRSP 后，短期储存后 RS 凝胶的储存模量降低。XRD 结果表明，添加 PRSP 的 RS 凝胶回生程度低于未添加 PRSP 的情况，表明添加 PRSP 可以抑制大米淀粉的长期回生。此外，添加 PRSP 的 RS 凝胶回生后的焓变降低，表明由于 PRSP 的加入，支链淀粉结晶的进程被延迟。SAXS 分析显示，添加 PRSP 抑制了 RS 的膨胀，并在储存期间减小了聚集体的尺寸，从而抑制了淀粉回生。此外，CLSM 图像表明 PRSP 可以形成连续的网络，其中 RS 颗粒嵌入其中，并且添加 PRSP 的凝胶在储存 15 天后表现出更大的相分离。这些结果表明，添加 PRSP 抑制了 RS 凝胶的回生。这种抑制作用主要归因于 PRSP 改变了凝胶形成类型，并在糊化过程中阻止了大米淀粉颗粒过度膨胀。这项研究可以为大米产品的生产和延长其储存期间的保质期提供新的见解。

图形摘要

关键词

预糊化淀粉浆淀粉凝胶回生膨胀行为

1. 引言

大米是全球的主食，尤其在亚洲。近年来，由于具有低致敏特性的无麸质食品（GFF）从大米中加工出来而越来越受欢迎，导致许多新的商业产品出现。然而，这类食品，包括大米面包，显示出一些弱点，例如，例如，它们容易发生淀粉回生（Ding 等，2021）。大米面包的回生速度比小麦面包（Gujral，Haros 和 Rosell，2003）更快。因此，基于大米的 GFF 的性质，尤其是那些长期储存的，变得无法被消费者接受。

淀粉，一种复杂的多糖，以颗粒形式存在于植物中，由两个主要成分组成，即直链淀粉和支链淀粉（Tester，Karkalas，& Qi，2004）。在淀粉基食品中，储存过程中会发生淀粉的老化，涉及淀粉分子的聚集和重组。淀粉在水和高温下加热后冷却，无定形淀粉浆转化为凝胶，同时发生脱水反应。渗出的直链淀粉分子相互接触并迅速重新结合，形成稳定的网络结构，而高度分支的支链淀粉分子结晶相对较慢，形成有序的晶体结构（Wang，Li，Copeland，Niu，& Wang，2015）。由于这种有序且稳定的晶体结构，老化后的淀粉相对坚实且有弹性（Matignon & Tecante，2017）。这些变化限制了淀粉基产品在工业上的大规模生产，并特别影响了产品的保质期。桑普林、福冈和拉塔纳苏玛沃翁（2015）报告称，由于淀粉回生和水分迁移，面条在储存过程中会形成坚硬的质地，这显著降低了货架期。淀粉回生已被广泛研究，导致大量关于抑制其方法的研究文献（傅、陈、罗、刘、刘，2015；刘、赵、余、科佩兰、王，2021；卢、马、张、田，2021）。添加大米蛋白可以抑制大米淀粉回生，因为大米蛋白抑制淀粉交联和水分迁移（张、陈、陈、陈，2019）。郑等（2019）也证实，如黄原胶和黄原胶等水合胶体可以延缓结晶并防止淀粉回生。贾等（2022）向玉米淀粉中添加β-环糊精，并报告称它们作为稳定剂和保湿剂抑制淀粉回生。

许多研究人员提出，添加水溶性高分子物质可以为淀粉颗粒提供边界膜（Kuang 等，2022；Tao 等，2021；Zheng 等，2019）。水溶性高分子物质可以包裹并物理稳定淀粉颗粒，从而防止其过度膨胀并限制泄漏的淀粉链数量。这些效果可能有助于抑制淀粉回生。据报道，去除淀粉颗粒相关蛋白可以直接增强水与淀粉在糊化过程中的接触，促进小麦淀粉的回生（Tao 等，2021）。基于这些结果，我们推测预糊化大米淀粉浆（PRSP）可能具有类似功能，抑制原生淀粉的回生。先前的一些研究结果展示，在面团制备过程中添加粥可以显著提高比容和质地，并显示出在储存过程中延缓小麦和非小麦面包回生的潜力（Kim，Kwak，& Jeong，2017；Tsai 等，2012；Yamauchi 等，2014）。然而，截至目前，尚未对添加 PRSP 的大米淀粉的回生行为进行系统研究，其潜在机制仍不明确。

研究淀粉的结构对于理解淀粉性质的变化至关重要，包括回生（Chang, Zheng, Zhang, & Zeng, 2021；Shu 等，2022）。已经使用了各种技术来评估淀粉的结构，包括 X 射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外（FT-IR）光谱学和显微镜。由于测试样品中电子云密度的敏感性高，小角 X 射线散射（SAXS）可能是一种研究淀粉纳米结构的有希望的方法（Ciesla, Zoltowski, & Mogilevski, 1992；Ichihara 等，2016）。在本研究中，使用流变仪、差示扫描量热法、X 射线衍射、小角 X 射线散射和共聚焦激光扫描显微镜评估了添加或不添加 PRSP 的大米淀粉凝胶。目的是揭示添加 PRSP 对大米淀粉凝胶在储存过程中回生和结构性质的影响。结果为提高以大米淀粉为基础的食品质量的方法提供了新的见解。

2. 材料与方法

2.1. 材料

大米淀粉由越谷淀粉有限公司（日本长冈）提供。大米淀粉的直链淀粉含量、水分含量和蛋白质含量分别为 18.93%、12.31%和 0.51%。

2.2. 预糊化大米淀粉浆（PRSP）的制备

PRSP 采用快速粘度分析仪（RVA-Super 3，Newport Scientific Pty. Ltd.，澳大利亚）制备。将 4 克糙米淀粉加入 25 毫升蒸馏水中制备悬浮液，然后在 50°C 下加热 1 分钟，再以 10°C/min 的加热速率加热至 90°C。样品在 90°C 下保持 7 分钟，以 10°C/min 的冷却速率冷却至 50°C，然后保持在 50°C 3 分钟。凝胶化后，向淀粉浆中加入一定量的蒸馏水，等于加热过程中蒸发的水量（平均约为 0.45 克），以保持恒定的水分含量。在 PRSP 制备过程中，总固体表面积的水合所需水量应过量（Shih，King，Daigle，An，& Ali，2007）。由于蒸发的水量非常小，对淀粉的水合作用影响轻微，这部分添加的水将作为自由移动水分数。将热淀粉浆保持在室温（25°C）30 分钟以冷却。

2.3. 退化的淀粉凝胶制备

混合物（8 克）为原稻淀粉和 PRSP（0、5%、10%、20%，w/w；其中百分比是 PRSP 中淀粉与混合物的比例），加入 40 毫升（PRSP 中的水已包括，我们实际加入的蒸馏水量为 40 毫升减去 PRSP 中的水）的蒸馏水。随后，使用搅拌器（BL600，Heidon，日本）以 500 rpm 的速度搅拌混合物 15 分钟，以使 PRSP 在原淀粉颗粒周围均匀分布。搅拌后，将混合物悬浮液转移到试管中，在沸水中水浴中凝胶化 15 分钟。凝胶化后的混合物在 25°C 下冷却 1 小时以形成凝胶样品，然后凝胶样品在 4°C 下储存 0、5、10 和 15 天。应指出，这里的混合系统中含有约 16.6%的淀粉以促进稻淀粉的回生。我们的初步实验表明（补充数据图 S3），即使储存 5 天，含有 10%淀粉的样品也没有观察到吸热峰，尽管两个系统（10%淀粉和 16.6%淀粉）中总固体表面的水合水量是充足的（Shih 等人，2007）。

2.4. 流变学性质

凝胶样品的流变学性质使用锥形几何形状的流变仪（直径 40 mm，角度 2°，间隙 48 μm）（AR 2000G2KG，TA Instruments，美国）在 25 °C 下进行测量。通过将凝胶样品在 4 °C 下储存 2 小时，确定了添加 PRSP 对大米淀粉短期回生的影响。在回生早期阶段，约 4 °C 的低温有利于淀粉样品的回生和结构变化。这可能会影响测量过程中的流变学性质。考虑到这一点，我们在测量前将样品平衡到室温以抑制短期回生的进展。在平衡到室温后，将凝胶样品放置在样品板中央，并去除凝胶的过剩边缘。在 25 °C 下平衡 2 分钟后，在 0.1–10 Hz 的频率下对凝胶进行线性粘弹性区域的动态扫描（应变 1%）。收集了储能模量（G′）和损耗角正切（tan δ = G′′/G′）。

2.5. X 射线衍射分析

第 2.3 节制备的退化样品经过冷冻干燥并磨成粉末。使用 X 射线衍射仪（SmartLab，Rigaku，日本）分析了每个样品的晶体结构，方法如前所述（Taguchi 等，2023）。将氧化锌（ZnO；占样品总量的 8 wt%）作为内标添加到冷冻干燥的粉末样品中，然后加入蒸馏水（占粉末样品总量的 70 wt%），混合物立即进行测量。使用 Ni 滤过 Cu-Kα辐射在 10°–38°范围内收集 XRD 图谱。扫描速率为 3°/min，操作条件为 45 kV 和 200 mA。退化程度根据公式（1）（Taguchi 等，2023）计算： (1)

\begin{array}{c} R e t r o g r a d a t i o n d e g r e e = A_{17 °} / A_{S} \end{array}

其中

A_{17 °}

和

A_{S}

分别是 2θ = 17°附近的退化峰面积和 2θ = 37°附近的氧化锌峰面积。

2.6. 差示扫描量热法（DSC）分析

热性质测定采用先前方法略作修改（Taguchi 等，2023）。测量使用差示扫描量热仪（DSC7000X，日立，日本）。将冷冻干燥粉末样品（约 5.5 mg）和三倍（淀粉粉末的准确重量）的蒸馏水加入低压铬化铝盘中。用针手动搅拌淀粉和水，使样品均匀。RS/PRSP 混合物中的水分子首先进入 PRSP，由于 PRSP 相表现出更高的水结合能力，使得 PRSP 的分子链更加灵活（数据见图 S1）。混合后，我们移除针上残留的小量混合物，重复搅拌并移除针上的残留物，直到 DSC 盘中混合物的重量达到 20 mg（±0.5 mg）。将盘密封，然后在 20-120°C 的温度范围内以 2°C/min 的恒定加热速率加热 24 小时，不进行平衡。在运行加热程序之前，盘在室温下放置 1 小时。据报道，大约 300 秒的时间足以使冻干米粥（Rhim, Koh, & Kim, 2011）重新水化，因此，我们假设 1 小时足以使粉末样品吸收水分。这一原理适用于所有系统（无论是否有 PRSP），因为所有成分都是凝胶化淀粉。与 24 小时的平衡相比，这也有助于减少由于向冻干样品中加水引起的回生进展的影响。以氧化铝（20 mg）作为参照。通过 DSC 曲线使用 DSC 仪器提供的软件计算了回生的焓变（ΔH）。

2.7. 共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）

CLSM 用于观察凝胶化前混合悬浮液中颗粒的分布和淀粉凝胶的内部结构。在第 2.2 节制备的混合悬浮液（三滴）和 FITC（异硫氰酸荧光素）溶液（1 mg/mL 乙醇中一滴）被加入到一个玻璃底盘中（AGC TECHNO GLASS Co., Ltd., 日本），以获得染色悬浮液。

退化凝胶样品（≈10 mg）来自 2.3 节，用 FITC（乙醇中 1 mg/mL，40 μL）溶液染色。染色样品沉积在载玻片上，并用盖玻片覆盖。使用配备 40 × 物镜（观察悬浮液）和 20 × 物镜（观察凝胶）的共聚焦激光扫描显微镜（LSM710，卡尔·蔡司 AG，德国）在激发波长为 488 nm 下进行观察。图像帧大小设置为 1024 × 1024 像素。

2.8. 小角 X 射线散射（SAXS）

2.8.1. 样本测量

SAXS 测量在日本爱知县同步辐射中心的实验站 BL8S3 进行（实验序列号：202203100–1 和 202206136–1）。第 2.3 节制备的凝胶样品被装入细胞中，并暴露于 X 射线照射（λ = 0.15 nm）300 秒。测量过程中样品与图像板之间的距离为 3.98 米。使用装有蒸馏水的细胞作为背景校正的控制。数据记录在图像板上，并由设备软件收集。所有数据均进行了归一化处理，然后减去背景以获得处理后的数据。在 q 范围为 0.04–1 nm ⁻¹ 的处理数据用于 SAXS 分析。

2.8.2. 小角 X 射线散射分析

SAXS 数据根据不同的范围（图 1）进行选择，然后使用合适的经验模型进行拟合。如图 1A 所示，基于纳米尺度分子组织（非晶态和有序结构）的差异，SAXS 谱被分为峰面积和非峰面积（张等，2020a，张等，2020b）。SAXS 谱中约在 q = 0.3 nm ⁻¹ 处的“肩状”峰可能源于淀粉重组和回生过程中有序聚集结构的形成。为了分析淀粉的层状结构，SAXS 谱可以通过 Guinier 定律和 Porod 定律（李，赫马尔，& 朱，2022）进行拟合。就峰面积而言，SAXS 谱可以通过公式（2）（即 Guinier 定律）进行拟合（哈姆达，2010）： (2)

\begin{array}{c} I (q) = G \exp (- \frac{{R_{g}}^{2} q^{2}}{3}) \end{array}

在此，I(q)和 q 分别是散射强度和散射变量。G（Guinier 函数的预因子）和 R _g （散射对象的回转半径）是拟合参数。R _g 是一个重要指标，可以用来表征由淀粉分子组成的胶束粒子（Zhu, Li, Chen, & Li, 2013）。

关于非峰值区域，使用了 Porod 定律来拟合 SAXS 谱。该函数在公式（3）中给出（Hammouda，2010）： (3)

\begin{array}{c} I (q) = B q^{- p} \end{array}

其中 B（常数）和 p（Porod 指数）是拟合参数。p 可以用来计算淀粉的分数维结构和淀粉凝胶的致密性（Suzuki，Chiba，& Yano，1997）。

根据 Blazek 和 Gilbert（2011）总结的结果，可以合理推测淀粉支链在结晶区域的簇状结构呈近似圆柱形，由双螺旋组成。在回生后，未展开的淀粉链重新结合形成有序结构。因此，我们假设回生淀粉的簇状结构由于基本链结构，仍可视为圆柱形，如图 1C 所示。在这种情况下，淀粉回生过程中聚集体的大小被拟合到模型参数。长杆的散射由旋转半径为 R _c 的横截面积函数给出，该函数如公式（4）所示（Yuguchi，Urakawa，& Kajiwara，2003）： (4)

\begin{array}{c} \ln [q I (q)] \approx - \frac{{R_{c}}^{2} q^{2}}{2} \end{array}

R _c 可以从横截面图的线性区域斜率中评估。典型的横截面图及其线性区域拟合如图 1B 所示。R _c 与横截面半径 r（圆柱半径）通过公式（5）相关（Imae, Hayashi, Matsumoto, Tada, & Furusaka, 2000）： (5)

\begin{array}{c} r = \sqrt{2} R_{c} \end{array}

对于圆柱体，R _g 、r 与圆柱体长度 L 之间的功能关系由经验模型（Matsuoka, Kratohvil, & Ise, 1987）给出： (6)

\begin{array}{c} {R_{g}}^{2} = \frac{r^{2}}{2} + \frac{L^{2}}{12} \end{array}

因此，在本研究中，R _g 、R _c 和 L 被用于揭示淀粉凝胶在回生过程中的纳米结构。所有小角 X 射线散射（SAXS）曲线均使用 Igor Pro 6.36 进行拟合。

3. 结果与讨论

3.1. 流变学性质

图 2 显示了米淀粉凝胶样品的流变学性质。G'用于确定材料的弹性质量，这与淀粉的短期回生密切相关。在冷却和储存过程中，直链淀粉的三维网络结构与膨胀颗粒复合系统的结合区在淀粉凝胶的早期阶段对弹性和硬度做出了贡献（张等，2020a，张等，2020b）。因此，G'也可以用来反映直链淀粉的回生。如图 2A 所示，添加 PRSP 降低了米淀粉凝胶的 G'值。PRSP 降低 G'的效果按以下顺序增加：20% > 10% > 5%。这表明未添加 PRSP 的样品表现出更弹性的凝胶网络结构，可能与其颗粒固体与整个系统的较高比例有关。有趣的是，尽管添加 PRSP 降低了 G'，但未添加 PRSP 和添加 5% PRSP 的样品的 G'值相对于 10%和 20%组更依赖于测量频率。这些现象说明了凝胶样品表现出不同的凝胶微观结构。样品无 PRSP 的凝胶微观结构可能主要是由于淀粉颗粒之间的相互作用形成的。这将在后续进行验证（第 3.5 节）。对于添加了 10%和 20% PRSP 的样品，由于高粘度，PRSP 作为粘合剂，可以结合淀粉颗粒，而 PRSP 引入的聚合物链粘附在淀粉颗粒上。因此，淀粉颗粒被 PRSP 形成的凝胶网络作为活性填料嵌入，构成了结构实体。Yoshimura、Takaya 和 Nishinari（1999）发现，在玉米淀粉/木葡聚糖混合系统中，玉米淀粉浓度的增加会导致凝胶的 G′对测量频率的依赖性，表明玉米淀粉形成了一个连续相，而木葡聚糖没有对凝胶结构形成网络做出贡献。在我们的结果中，随着 PRSP 浓度的增加，G′对测量频率的依赖性降低。这表明系统中两种成分（PRSP 和 RS）的相排列是一个复合凝胶，其中 PRSP 形成一个连续相，而 RS 没有对网络形成做出贡献。这些结果表明，添加 PRSP 可能导致了原生淀粉颗粒的分离，减少了淀粉颗粒接触的概率，进一步抑制了回生过程中连续聚集的发展。

tan δ值代表材料的物理状态，如固体或液体状。如图 2B 所示，与未添加 PRSP 的米凝胶相比，添加 5%的 PRSP 提高了 tan δ值，而添加 10%或 20%的 PRSP 则降低了 tan δ值。结果表明，添加 10%和 20%PRSP 的样品表现出更固体状，表明 PRSP 富集相对淀粉颗粒的封装稳定。不同样品表现出不同的物理状态，这与凝胶微观结构相关，与 G′数据一致。需要注意的是，添加 5%PRSP 的样品始终表现出与添加 10%和 20%PRSP 的样品不同的流变特性，这表明添加超过 10%的 PRSP 显著改变了凝胶形成和凝胶微观结构的类型，因此，PRSP 存在临界浓度，对于形成连续结构至关重要。

3.2. 由 DSC 确定的回生行为

通过 DSC 分析获得的退化的样品的焓变（ΔH）是通过熔化再结晶的支链淀粉由于相变而得到的。在本研究中，ΔH 被用来表征退化凝胶的退化程度。热谱和ΔH 值在图 3 中展示。在存储 5 天、10 天和 15 天的样品的热谱中观察到吸热峰。在 0 天时，所有样品的ΔH 值相似。随着存储时间的增加，ΔH 值增加。较高的ΔH 值表明需要更多的能量来熔化退化的支链淀粉，这表明支链淀粉的热可逆结晶程度随着存储时间的增加而增加。添加了 PRSP 的凝胶样品与未添加 PRSP 的样品相比，在相同存储天数的ΔH 值较低。PRSP 的添加抑制了淀粉颗粒在凝胶化过程中的膨胀，从而降低了直链淀粉和支链淀粉链的流动性，进一步减少了淀粉的再结晶。Tao 等人进行的一项先前研究表明。 (2021)表明，使用 NaOH 从小麦淀粉中去除表面蛋白有助于淀粉颗粒形成开放结构，从而允许水分渗透。更开放的结构表现出更高的链移动性，从而促进了有序结构的形成。Karim 等人（2008）也证实，碱性处理有助于在凝胶化过程中破坏淀粉颗粒结构。这些结果表明，在凝胶化过程中促进淀粉颗粒的破坏可以促进淀粉的回生。相反，在本研究中，我们假设添加 PRSP 可以物理保护淀粉颗粒免受过度膨胀，从而降低大米淀粉的回生程度。

3.3. 长程晶体结构

在冷却和储存过程中，糊化淀粉链按顺序重新排列并形成晶体结构。利用 XRD 研究了添加 PRSP 对大米淀粉凝胶在回生过程中的结晶化影响。储存后添加 PRSP 的大米淀粉凝胶的 XRD 图谱如图 4A-D 所示。一般来说，在所有图谱中观察到在 2θ = 20°处的明显峰，显示出 V 型晶体结构。这个峰的出现主要是由于直链淀粉和天然存在的脂肪酸（Kuang 等人，2022 年）的关联。此外，在回生样品中发现了 2θ = 17°处的峰，除了未储存的样品（0 天）外。这个衍射峰主要归因于储存过程中支链淀粉的再结晶，这表明 B 型晶体结构，代表着回生的程度（Jia 等人，2022 年）。

图 4E 显示了不同储存时间下有无 PRSP 的淀粉凝胶的回生程度。0 天时所有凝胶样品的值相似，与 DSC 结果一致。一般来说，由于有序结构的形成和淀粉分子的重结晶，以及储存期间晶体区域的晶粒聚集，所有样品的回生程度随储存时间增加。与未添加 PRSP 的淀粉凝胶相比，添加了 PRSP 的淀粉凝胶在相同储存天数后表现出较低的回生程度。在糊化过程中，淀粉颗粒吸收水分并过度膨胀，这可能导致淀粉颗粒部分破坏和链泄漏（Lund & Lorenz，1984）。在 PRSP/RS 混合物中，富含 PRSP 的相可以与系统中的淀粉竞争可用水分，并抑制淀粉的膨胀。这会导致冷却后淀粉回生所需的水分减少。因此，我们提出上述方法对大米淀粉的长期回生具有抑制作用。

3.4. 小角 X 射线散射分析

图 5 显示了凝胶样品的 SAXS 谱和拟合曲线。在 q = 0.3 nm ⁻¹ 处观察到肩状峰，表明凝胶化后形成了重组结构。

使用第 2.8.2 节中描述的模型进行拟合，提供了图 6 所示的计算结果。R _g 值是散射粒子大小的衡量指标。如图 6A 所示，未储存的凝胶样品的 R _g 值因添加 PRSP 而降低，表明 PRSP 抑制了淀粉颗粒的膨胀，导致展开不足和未解旋淀粉链的低流动性。这可能会在凝胶化后减小胶束粒子的大小（刘等，2020；徐等，2021）。请注意，与未储存的样品相比，R _g 值在储存 12 小时和 1 天后降低，因为冷却和储存过程中未解旋的双螺旋链收缩。5 天后，所有样品的 R _g 值随时间增加，这是由于支链淀粉的再结晶和聚集，导致支链淀粉的回生。与其他样品相比，添加 20% PRSP 的凝胶样品从 0 天到 15 天的 R _g 值较低，表明 PRSP 的添加降低了储存过程中淀粉分子聚集体的大小，可能与其抑制淀粉回生有关。应注意的是，含有 5% PRSP 的样品在 12 小时到 5 天内所有样品中表现出最高的 R _g 值。与不含 PRSP 的样品相比，含有 5% PRSP 的样品的 D _m 值更高，R _g 值相似，这意味着含有 5% PRSP 的胶束比不含 PRSP 的胶束更密集，而它们的尺寸相似。这可能导致在含有 5% PRSP 的凝胶中，在储存的早期阶段，可以形成更大的聚集物，并且可以在相对较短的时间内形成。

一般来说，所有样品的 R _c 值在 15 天储存期间趋于增加（图 6B）。这表明更多的解开的 DNA 双螺旋链发生交联和聚集，导致淀粉凝胶的回生。PRSP 的添加也降低了未储存样品的 R _c 值，这归因于解开的双螺旋链伸展不足，与 R _g 结果一致。

圆柱模型（L）的长度如图 6C 所示。L 的变化趋势与 R _g 相似。R _g 可能主要受 L 控制，换句话说，是淀粉分子链的长度。在 5 天后，凝胶样品的 L 值随时间增加，可能是由于直链淀粉分子在长期回生过程中重新结合形成更长的链结构。此外，添加 20% PRSP 的样品 L 值较低，表明 PRSP 的添加可以抑制较大簇状结构的形成。

散射物体具有表面分形结构，其分形维度 D _s = 6 − p，当 3 < p < 4 时；而质量分形结构用分形维度 D _m = p 描述，当 1 < p < 3 时。较高的 D _m 值表示散射物体的结构更紧凑（Suzuki 等，1997）。无储存样品的分形维度列于表 1。所有 p 值均在 1 < p < 3 的范围内，表明所有样品在凝胶化后均表现出质量分形结构。添加了 PRSP 的样品的 D _m 值高于未添加 PRSP 的样品，对应于 RS 的更致密内部结构。这一结果可能归因于未解缠淀粉链扩展空间不足，表明 PRSP 在凝胶化过程中对 RS 膨胀的抑制作用。

表 1. 无储存的淀粉凝胶的质量分形维数（D _m ）。

样本	无法翻译。您提供的源文本 "D _m " 不是一个有效的学术文本，它看起来像是一个代码或符号，而不是可以翻译的学术内容。请提供有效的学术文本以便进行翻译
RS-0% PRSP	1.7543
RS-5% PRSP	1.8346
RS-10% PRSP RS-10% PRSP	1.9023
RS-20% PRSP	1.8831

SAXS 分析结果表明，添加 PRSP 抑制了淀粉颗粒在糊化过程中的膨胀，并减少了淀粉链之间的交联，从而抑制了大米淀粉的回生。结果还表明，添加 PRSP 抑制了长期回生后形成较大聚集体的过程，这与 XRD 结果一致。

3.5. CLSM

CLSM 是一种有效的直接观察淀粉粒变异性而不破坏的方法。图 7 展示了在凝胶化和逆溶胶化前的大米淀粉粒的 CLSM 显微照片。图 7A-D 展示了无 PRSP 和有 PRSP 的原始大米淀粉粒。观察发现，添加 PRSP 导致淀粉粒之间存在间隙，随着 PRSP 量的增加，间隙变得更大。结合流变学数据，提出添加 PRSP 导致凝胶形成类型的改变。PRSP 可以包裹原生淀粉粒并作为粘合剂。如图 7D 所示，PRSP 浓度较高时，原生淀粉粒之间发生分离。富含 PRSP 的相可以与淀粉竞争系统中的可用水分，导致水分重新分配。这可能会抑制凝胶化过程中原生淀粉的膨胀，与我们提出的假设一致。正如 Zheng 等人（2019 年）提出的类似理论，即亲水胶体能够保护淀粉粒并限制凝胶化过程中渗漏的淀粉聚合物量。

在图 7E-T 中可以观察到凝胶样品在储存过程中的结构变化。一般来说，淀粉凝胶在储存后从均质状态转化为非均质状态。未储存（0 天）样品的图像显示，无论 PRSP 浓度如何，都呈现出连续的网络结构，这是因为淀粉颗粒在加热后失去了原有形状并凝胶化形成了网络结构。

对于存储 5 天的样品，凝胶表现出不同的结构。与添加了 PRSP 的凝胶样品相比，未添加 PRSP 的样品观察到一种连续的网络结构，其中膨胀的颗粒相互连接。添加了 20% PRSP 的样品中发现了明显的颗粒结构，这表明 PRSP 保留了原生淀粉的颗粒形状。这些观察主要归因于添加了 PRSP 的样品与未添加 PRSP 的样品膨胀程度的差异。

存储 10 天后，所有样品由于淀粉分子的聚集呈现出相似的凝胶结构。然而，XRD 和 DSC 结果表明，各种样品中形成这种相似凝胶结构的机制是不同的。对于没有 PRSP 的样品，其晶体结构主要归因于淋洗淀粉链的重新结合和淀粉聚集。相比之下，添加了 PRSP 的样品呈现出这种结构，因为 PRSP 有助于维持淀粉颗粒的形状。

存储 15 天后，与添加了 PRSP 的样品相比，未添加 PRSP 的样品观察到颗粒轮廓更清晰、表面更光滑，尽管 PRSP 有助于保持淀粉颗粒形状（补充数据图 S4）。这可能是由于析水作用，这与长期淀粉回生密切相关。此外，在添加了 PRSP 的凝胶中观察到明显的空隙，尤其是 20%的样品，这可能是由于该样品结构较松散。

3.6. 总体讨论

流变学数据表明，添加 PRSP 降低了 RS 凝胶的 G'值。增加 RS/PRSP 混合物中 PRSP 的浓度导致凝胶的弹性性质下降。有趣的是，不含 PRSP 的样品以及添加了 5% PRSP 的样品的 G'值相对于 10%和 20%组更依赖于测量频率，这意味着 10%和 20%组中的所有实体共同产生共振，作为一个结构实体共同作用。tan δ值显示，添加了 10%和 20% PRSP 的样品表现出更类似固体的行为。这些结果表明，由于添加了 PRSP，RS 凝胶的形成类型和微观结构可以转移到不同类型的系统构建中。

淀粉颗粒在 PRSP 制备过程中由于剪切力而破碎，导致颗粒结构被破坏，从而引起大量淀粉分子链（包括支链淀粉链）的溶出。这可能会为水的吸附提供更多位点。图 S1 所示的结果也表明，由于加工，PRSP 的水结合能力增加，表明 RS/PRSP 混合物中的 PRSP 将与淀粉竞争系统中的可用水分，并影响凝胶化过程中的水分重新分配。结合 CLSM 图像，无 PRSP 的样品的凝胶微观结构主要是由淀粉颗粒之间的相互作用形成的。PRSP 的添加导致原生淀粉颗粒分离。由于溶出的直链淀粉在结构上与颗粒的半透膜覆盖相类似且相容，直链淀粉聚合物链会附着在淀粉颗粒表面，因此，PRSP 的添加可能导致原生淀粉相被富含 PRSP 的相所包裹（Tolstoguzov，2003）。在此混合体系中，具有高粘度的 PRSP 富集相充当粘合剂，而淀粉颗粒则嵌入由 PRSP 形成的凝胶网络中，作为活性填料，构成结构实体。此外，由于直链淀粉分子和支链淀粉分子之间的热力学不相容性，存在于 PRSP 富集相中的支链淀粉分子可能会抑制被直链淀粉链覆盖的淀粉颗粒的聚集，进一步抑制回生。这种抑制作用通过 DSC 中的较低焓变和 XRD 结果中的较低结晶度得到了说明。

然而，DSC 数据表明，添加不同量 PRSP 的系统焓值差异不显著。这种现象可能归因于 PRSP 与原生淀粉之间由于 PRSP 的高水结合能力而引起的水分子竞争。由于淀粉聚合物的低流动性和粘度，水分子（增塑剂）较少，熔化过程中的熵变低，从而导致构象自由度减少（Kalb & Sterling，1962；van Soest，Bezemer，de Wit，& Vliegenthart，1996）。这将增加 PRSP 浓度较高的样品的焓值。

SAXS 数据表明，未储存的凝胶样品的 R _g 值通过添加 PRSP 而降低，而 D _m 值则增加。这或许为 PRSP 对原生 RS 膨胀的抑制作用提供了证据，导致 RS 的内部结构更加致密。R _g 、R _c 和 L 值表明，添加 20%PRSP 可以减小淀粉回生过程中的聚集体大小。SAXS 结果提示，添加 PRSP 可能抑制纳米尺度有序聚集体的形成，这与淀粉的回生有关。

4. 结论

PRSP 添加对大米淀粉凝胶回生及作用机理的研究发现，PRSP 的添加改变了淀粉颗粒嵌入由 PRSP 作为活性填料形成的凝胶网络中的凝胶形成类型。PRSP 的添加抑制了大米淀粉的短期和长期回生。PRSP 对大米淀粉回生的抑制作用主要归因于对淀粉颗粒膨胀的抑制。此外，在 PRSP 存在的情况下，未展开的淀粉链的扩散空间不足，限制了直链淀粉和支链淀粉分子链的流动性，从而降低了重结晶的程度。这些结果可能有助于在储存过程中控制大米产品的质量，延长大米产品的保质期并提高其经济价值。

作者贡献声明

邓云卓：方法论、数据整理、形式分析、调查、可视化、写作——原始草稿。今泉哲平：验证、写作——审阅与编辑。西津隆治：验证、写作——审阅与编辑。R. 安达拉克希米：验证、写作——审阅与编辑。加仓子香：概念化、资金获取、方法论、项目管理、资源、软件、监督、验证、写作——审阅与编辑。

声明利益冲突

本手稿尚未在其他地方发表，且未被其他期刊考虑。我们已批准该手稿，并同意提交至《食品水凝胶》。无利益冲突需要声明。

致谢

作者感谢岐阜县食品科学研究所的 Eri Mizutani 女士在 DSC 实验中的指导，以及岐阜大学应用生物科学系的 Iwamoto Satoshi 教授在理论指导方面的帮助。本研究得到了日本学术振兴会（JSPS KAKENHI，项目编号：23K01985）的支持。

附录 A 补充数据

以下为本文的补充数据。 Download: Download Word document (23MB)

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被引用（11 次）

抑制主食中淀粉的回生作用，使用麦芽四糖形成淀粉酶
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To effectively inhibit the retrogradation of staple foods, the effects of maltotetraose-forming amylase(G4-amylase) on the short and long-term retrogradation of different staple starches such as rice starch (RS), wheat starch (WS), potato starch (PS) were studied. The results indicated that G4-amylase decreased the content of amylose. Amylose contents (21.09%) of WSG4 were higher than that (14.82%) of RSG4 and (13.13%) of PSG4. WS had the most obvious change in the chain length distribution of amylopectin. A chains decreased by 18.99% and the B1 chains decreased by 12.08% after G4-amylase treatment. Compared to RS (662 cP) and WS (693 cP), the setback viscosity of RSG4 (338 cP) and WSG4 (385 cP) decreased. Compared to RS (0.41), WS (0.45), and PS (0.51), the long-term retrogradation rate of RSG4 (0.33), WSG4 (0.31), and PSG4 (0.38) significantly reduced. It indicated that G4-amylase significantly inhibited the long-term retrogradation of WS, followed by RS and PS.
粳米饼的属性与质量及其制备方法为 Polygonatum cyrtonema 粉末
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Rice cake is a common traditional food in China. In this study, the effect of Polygonatum cyrtonema (PC) on the qualities and characteristics of rice cake was investigated. The incorporation of PC powder in rice cakes endowed a light-yellow color and increased the water content and water absorption of products. Rheological analysis showed that the rice cake containing PC exhibited weak-gel properties. Additionally, PC (40%) inhibited the rice cake aging and lowered the hardness of rice cakes to 13.86 N after 4 h storage. In vitro starch digestion analysis showed that PC (40%) reduced the digestibility of rice cakes by decreasing the starch hydrolysis rate from 88.70 to 58.95%, displaying a low estimated glycemic index (eGI) of 52.14. The findings mentioned above indicated that the inclusion of PC powder in rice cakes enhanced their characteristics and attributes, which also provided an approach for the development of PC products.
Ficus pumila Linn.多糖对玉米淀粉的物理化学和消化特性的影响
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To ameliorate the limitations associated with the processing and utilization of corn starch (CS), Ficus pumila Linn. polysaccharide (FPP) was used to modulate the physicochemical properties of CS. In this study, the influence of FPP on gelatinization, structural properties, antioxidant capacity and digestibility of CS were evaluated. The results showed that the addition of FPP inhibited the short-term retrogradation of CS and delayed the gelation process of CS. Furthermore, FPP decreased the storage modulus and loss modulus, while diminishing the strength and hardness of the gel, and impeding moisture translocation. FPP reduced the formation of ordered structure and thermal stability of the gels by binding to amylose. Notably, in addition to the processing properties, FPP was found to enhance the antioxidant capacity and reduce the digestibility of CS, as demonstrated by the pronounced antioxidant activities in the CS-FPP composites and an increment in resistant starch (RS) content. Collectively, these insights furnish a significant contribution to the potential application of FPP in enhancing the quality of starch-based alimentary products.
功能差异：通过辛烯琥珀酸酐改性同时制备的酯化淀粉和预糊化酯化淀粉，及其在面团中的应用
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Octenyl succinic anhydride (OSA)-modified starches have gained widespread interest, but the modification can produce two starches with different states ignored. Herein, the two types of starches, esterified starch (ES) and pregelatinized esterified starch (PES), prepared by OSA modification were separated, and their structural and functional characteristics were comprehensively explored. Results showed that compared with native starch (NS), ES and PES exhibited high water-holding capacity, solubility, and swelling power and significantly decreased pasting temperature and thermal stability. Dynamic rheological tests illustrated that OSA modification changed the rheological behavior of starches. Fourier transform infrared spectroscopy confirmed that PES with higher degree of substitution showed more obvious ester carbonyl and carboxylate groups than ES. Laser confocal micro-Raman spectroscopy revealed that the short-range molecular order of ES, especially PES, decreased after modification. X-ray diffraction indicated that OSA modification disrupted the crystalline structure of starch, and that more amylose–lipid complex was formed in PES. Scanning electron microscopy showed that OSA modification eroded starchs surface and reduced its smoothness, and significantly disrupted PES integrity. ES and PES could be developed as food additives for retrogradation inhibition of dough. These results provide new insights into OSA modification and expand its functional application in foods.
长期储存过程中回生即食米粉的有序结构变化
2024, Food Research International
IF 7.0SCIEJCR Q1农林科学1区TopEI
Temperature-induced textural, cooking properties and structural variations of retrograded instant rice noodles (IRN) during the long-term storage were systematically investigated. IRN samples stored at 4 °C exhibited a relative high cooking loss (2.45 %), and their hardness values gradually increased with prolonged storage. Moreover, the higher storage temperature (35 °C) accelerated the deterioration of IRN texture. Fresh IRN displayed a typical B-type XRD pattern with 9.65 % relative crystallinity (RC). During the initial 2 weeks of storage, the formation of a long-range ordered structure led to an increase in RC, which was closely related to the duration and temperature of storage (ranging from 4 °C to 25 °C to 35 °C). Over the 12-week storage period, there was likely a disorganization of the supra-molecular structure, as evidenced by the considerably decreased RC and reduced water mobility. Furthermore, Pearson's correlation analysis highlighted that the tight integration between starch molecules and water molecules endowed IRN samples with enhanced smoothness and tenderness in flavor profiles. Hence, the study is expected to provide a comprehensive understanding of the mechanisms underlying molecular order changes in retrograded starch gel products during the long-term storage.
通过发酵植物乳杆菌对应的稻米强化米粉凝胶结构
2024, Current Research in Food Science
IF 6.2SCIEJCR Q1农林科学2区
In starch gel foods processing, lactic acid fermentation is an effective strategy to improve the quality of the gel. This study revealed the effects of Lactobacillus plantarum fermentation for rice on the textural and rheological properties of the corresponding gels. The hardness, adhesiveness and chewiness of the gel showed ascending trends with the forwarding of fermentation. The role of Lactobacillus plantarum on rheological properties of gel depended on fermentation time. As the time was within 3 days, the process reduced the viscoelastic of the gel, while as the time was for 5 days, the process enhanced the viscoelastic of the gel. During fermentation, amylose content increased from 21.56 ± 1.17% to 27.39 ± 0.63%, and crude protein content descended from 12.60 ± 0.44 g/100 g DW to 4.8 ± 0.49 g/100 g DW. Total organic acids were ascending in the whole process, and lactic acid (LA), acetic acid (AA) and citric acid (CA) made the dominant contribution. The enthalpy change (ΔH) of the rice flour fermented for 5 days was significantly (p < 0.05) increased to 9.90 ± 0.24 J/g, indicating the formation of more double helix structures. These organic acids may contribute to the formation of the pores on the surface of granules by hydrolyzing the components, which provides a channel for enzymes to enter the interior of granules. These results provide the basis for the development of fermented rice-based foods.

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八烯基丁二酸酐改性淀粉胶束的纳米结构

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影响添加预糊化淀粉浆对米淀粉凝胶回生作用的效果

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