《LWT》：Carbon Dots as Antifreeze Agents: Impact on the freeze-thaw stability, Molecular, and Microstructural properties of different starch gels
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本研究针对淀粉基冷冻食品在冻融过程中易出现析水、质构劣化等问题，创新性地探究了碳点(CDs)对小麦淀粉(WS)、玉米淀粉(CS)和甘薯淀粉(SPS)凝胶冻融稳定性的影响及机制。研究发现CDs能通过抑制冰晶生长、竞争性水合及空间位阻等效应对不同直链/支链淀粉比例的凝胶产生差异化调控，显著提升WS和CS凝胶的稳定性，为开发高性能冷冻淀粉材料提供了新策略。
在快节奏的现代生活中，预制和冷冻方便食品的市场需求持续增长，其中淀粉类产品（如速冻面点）占据重要地位。然而，这些产品在冷冻储存和冷链运输过程中，经历反复的冻融循环会导致严重的品质劣化。温度波动会引发相分离、冰晶重结晶和网络结构坍塌，最终表现为析水率增加、质地变差，这成为制约淀粉基冷冻食品产业发展的主要技术瓶颈。目前常用的改善冻融稳定性的方法，如多糖复配、化学交联和物理改性等，存在成本高、毒性或效果有限等问题。因此，开发高效、低用量的新型绿色冷冻保护剂已成为行业的迫切需求。
碳点(CDs)作为一种新兴的纳米材料，因其尺寸小（<10 nm）、生物相容性高、表面富含羟基(-OH)和羧基(-COOH)等官能团，在食品保鲜和质构调控领域展现出巨大潜力。研究表明，CDs能够抑制冰晶的生长和重结晶，并与生物大分子通过氢键相互作用，从而有望提升淀粉基材料的性能。然而，现有研究多集中于单一淀粉体系，对于CDs这种纳米级冷冻保护剂在不同植物来源（具有不同直链/支链淀粉比例）淀粉中的系统性对比研究尚属空白。
为此，发表在《LWT》上的这项研究，系统探讨了CDs对三种代表性淀粉（小麦淀粉(WS)、玉米淀粉(CS)和甘薯淀粉(SPS)）凝胶冻融稳定性的影响及其内在机制。研究通过综合运用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)等分析技术，揭示了CDs抑制不同淀粉复合凝胶冻融劣化的潜在机理。
为开展本研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，以香蕉果肉为原料，通过水热法合成CDs，并利用透射电子显微镜(TEM)、FTIR、XRD、紫外-可见光谱(UV-Vis)和荧光光谱对其进行表征。其次，制备了WS、CS、SPS及其与CDs的复合凝胶，并对其进行最多5次冻融循环（-18 °C冷冻22 h，30 °C水浴 thawing 2 h）处理。最后，对冻融后的凝胶样本进行了一系列理化性质测定，包括粘度、析水率(Syneresis)、流变学特性（储存模量G'、损耗模量G''、损耗因子tan δ）、微观结构(SEM观察)、短程有序结构(FTIR分析)、相对结晶度(XRD分析)以及质构特性（硬度和咀嚼性）的分析。
3.1. CDs的表征
合成的CDs呈近似球形，分布均匀，无团聚现象，粒径分布在2.01至5.61 nm之间。FTIR光谱显示CDs表面富含-OH、C-H、C=O和C-O等官能团，表明其具有良好的亲水性。XRD图谱在2θ约为20.8°处出现一个宽化的衍射峰，对应石墨碳的晶面间距，表明CDs具有类石墨结构。UV-Vis光谱在283 nm处有特征吸收峰，归因于C=C键的π-π跃迁和C=O键的n-π跃迁。荧光光谱显示CDs的最大激发波长为370 nm，最大发射波长为450 nm。
3.2. CDs对不同淀粉凝胶粘度的影响
CDs的加入显著提高了WS-CDs和CS-CDs凝胶的粘度，但却降低了SPS-CDs凝胶的粘度。这种差异归因于不同淀粉的分子结构，特别是直链淀粉含量的不同。WS和CS具有相对较高的直链淀粉含量，CDs表面的官能团可通过氢键与直链淀粉相互作用，强化淀粉网络结构，从而提高粘度。而SPS的直链淀粉含量较低，支链淀粉含量高，其高度支化的结构产生空间位阻，限制了CDs的有效交联，CDs更易吸附在支链淀粉表面，竞争性破坏了淀粉链间的氢键，导致网络结构连续性减弱，粘度下降。
3.3. CDs对不同淀粉凝胶流变学特性的影响
随着CDs的加入，WS-CDs和CS-CDs凝胶的储能模量(G')和损耗模量(G'')随频率增加而呈上升趋势，且G'值始终大于G''值，表明凝胶呈弹性主导。而SPS-CDs凝胶的G'值较低（<100 Pa），表现为弱凝胶特性。损耗因子(tan δ, G''/G')在所有样品中均小于1。在高角频率下，WS-CDs和CS-CDs凝胶的tan δ值低于纯淀粉凝胶，进一步证实CDs与淀粉的相互作用形成了更具弹性的网络结构。CDs显著改善了WS和CS凝胶的弹性。
3.4. CDs对不同淀粉凝胶析水率的影响
所有凝胶的析水率均随冻融循环次数的增加而增加。经过5次冻融循环后，CDs的加入使WS-CDs和CS-CDs凝胶的析水率分别显著降低了14.63%和21.05%。这表明CDs通过其表面丰富的-OH和-COOH官能团与淀粉分子羟基形成氢键，增强了凝胶网络的交联密度，从而提高了持水能力和冻融稳定性。相反，SPS-CDs凝胶的析水率增加了13.14%，CDs可能破坏了SPS凝胶原有的氢键网络，却未能形成更强的替代结构，导致持水能力下降。
3.5. CDs对不同淀粉凝胶微观结构的影响
经过5次冻融循环后，SEM观察显示，纯WS和CS凝胶呈现多孔网络结构，孔隙数量增多且密集。CDs的加入增强了凝胶的结构完整性，WS-CDs和CS-CDs凝胶的孔洞减少，网络更连续、更少碎片化，结构稳定性提高。SPS凝胶的网络结构在加入CDs后仍呈碎片化，但SPS-CDs凝胶的连续性和完整性有所改善，表明CDs减轻了冰晶对淀粉凝胶网络的破坏作用，更好地保持了基质的结构完整性。这些微观结构的变化与析水率数据高度一致。
3.6. CDs对不同淀粉凝胶短程有序结构的影响
FTIR分析显示，所有样品在3500-3200 cm-1范围内的O-H伸缩振动峰在加入CDs并经历冻融后发生位移，表明CDs与WS、CS和SPS凝胶之间存在广泛的氢键相互作用。通过分析1047 cm-1（有序/结晶结构）、1022 cm-1（无定形结构）和995 cm-1（有序/水合结晶结构）处的吸收峰强度比R1047/1022和R1022/995来评估短程有序程度。经过5次冻融后，CDs显著降低了WS和CS凝胶的R1047/1022值（分别降低22.98%和20.5%），提高了R1022/995值（分别提高8.42%和40.76%），表明CDs有效抑制了WS和CS凝胶在冻融过程中有序结构的形成，延缓了回生。相反，SPS-CDs凝胶的R1047/1022值增加了32.08%，R1022/995值降低了22.1%，表明CDs促进了SPS凝胶的回生，对其冻融稳定性产生了不利影响。
3.7. CDs对不同淀粉凝胶相对结晶度的影响
XRD分析表明，在冻融过程中，淀粉发生回生，相对结晶度增加。CDs的加入导致WS和CS凝胶的衍射峰尖锐度降低，相对结晶度在整个冻融循环中均低于对应的纯淀粉凝胶。特别是在F-T 3后，WS-CDs和CS-CDs凝胶的结晶度分别降低了25.46%和24.45%。这表明CDs抑制了WS和CS凝胶中淀粉分子的重排和再结晶。相反，对于支链淀粉含量较高的SPS凝胶，除F-T 0时峰尖锐度和结晶度有所降低外，在F-T 1、3、5后，其结晶度均有不同程度的增加，CDs促进了SPS的再结晶，损害了其冻融稳定性。
3.8. CDs对不同淀粉凝胶质构特性的影响
WS和CS凝胶的硬度和咀嚼性在冻融循环后持续下降，这是由于冰晶形成的机械应力破坏了颗粒的结构完整性和分子间作用力。CDs对再结晶的抑制有效缓解了这种质构劣化。在反复冻融循环中，WS-CDs和CS-CDs凝胶的硬度和咀嚼性始终高于纯淀粉凝胶。这归因于CDs限制冰晶生长并促进形成更致密凝胶网络的能力。而对于SPS凝胶，CDs诱导的结晶度增加导致了脆弱的网络结构，SPS-CDs凝胶的硬度和咀嚼性始终低于纯SPS凝胶。CDs可能干扰了SPS凝胶结构间的氢键交联，形成了更疏松的三维网络，难以承受冻融过程中的机械应力。
本研究揭示了CDs与淀粉分子间的相互作用对淀粉基凝胶冻融稳定性起着关键作用，且其效果高度依赖于直链淀粉与支链淀粉的比例。在直链淀粉含量较高的WS和CS凝胶中，CDs通过抑制冰晶形成、竞争性水合和空间位阻等机制，有效抑制淀粉回生，显著降低析水率，改善流变学性能和微观结构，降低相对结晶度，延缓回生，从而增强冻融稳定性。相反，对于支链淀粉含量较高的SPS凝胶，CDs反而增加了析水率，促进了结晶度上升，削弱了其冻融稳定性。这种差异化的行为凸显了CDs对不同淀粉类型具有靶向修饰效果。
该研究证实了CDs作为一种低用量、绿色的抗冻剂，在富含直链淀粉的淀粉基冷冻食品中具有巨大应用潜力，为替代传统添加剂提供了可持续方案。研究成果为开发高性能冷冻淀粉衍生材料奠定了理论基础，并为各种淀粉基冷冻食品的质构调控提供了新见解，有助于推动CDs作为环保型抗冻剂在食品领域的更广泛应用。未来仍需对CDs在淀粉基食品体系中的消化特性和生物安全性进行更系统性的研究，以助力开发更健康、更可持续的冷冻食品。
