甘薯淀粉冷凝胶：从水凝胶流变特性到冷凝胶结构-功能性的关联研究

《Food Research International》：Bio-based sweet potato starch cryogels: Linking hydrogel rheological properties to cryogel structure–functionalities

本研究针对传统无机多孔材料脆性高、可持续性差的问题，开发了基于甘薯淀粉的生物基冷凝胶。通过调控淀粉浓度（2%-8%）和糊化时间（2-15分钟），系统分析了水凝胶流变学特性与冷凝胶结构、力学及热性能的关联。结果表明：高淀粉浓度（8%）和长糊化时间（15分钟）可形成弹性更强、孔隙更致密的网络结构，使冷凝胶抗压强度提升至716 kPa，热导率低至0.035 W/m·K，并具备优异的水/油吸附能力（最高达19 g/g）。该研究为食品、保健品及绿色包装材料提供了新型可持续解决方案。

　　

随着全球对可持续材料需求的日益增长，传统无机多孔材料（如硅基气凝胶）虽具备优异的吸附性能和隔热能力，但其固有的脆性、高能耗制备过程及环境兼容性问题限制了在食品和医药领域的应用。与此同时，淀粉作为一种来源广泛、可生物降解的天然高分子，已成为开发绿色多孔材料的理想候选者。然而，不同淀粉来源的凝胶化行为差异显著，且目前对甘薯淀粉这一高产量、低成本的原料在冷凝胶构建中的系统性研究尚属空白。在此背景下，巴西坎皮纳斯州立大学的研究团队在《Food Research International》发表了题为"Bio-based sweet potato starch cryogels: Linking hydrogel rheological properties to cryogel structure–functionalities"的研究论文，首次报道了无需化学交联剂、仅通过物理糊化调控的甘薯淀粉冷凝胶构建策略，并深入揭示了其结构-功能关系。

本研究的关键技术方法包括：通过湿法提取获得甘薯淀粉（粒径14.40 μm）；采用不同浓度（2%、6%、8%）和糊化时间（2-15分钟）在90°C条件下制备水凝胶，再经冷冻干燥形成冷凝胶；利用流变仪分析水凝胶的储能模量（G'）和损耗模量（G''）；通过扫描电镜（SEM）和比表面积分析（BET）表征微观结构；采用质构分析仪测定压缩力学性能；通过差示扫描量热法（DSC）和X射线衍射（XRD）分析热特性与结晶度；并系统评估了冷凝胶对水/油的吸附、保留能力及热导率。

3.1 淀粉水凝胶的流变学特性

研究发现，淀粉浓度显著影响凝胶化温度与网络强度。当浓度从2%增至8%时，凝胶化温度从79.3°C降至73.1°C，且G'值显著提升（如8%淀粉的G'达1043 Pa），表明高浓度促进了淀粉分子链的相互作用。频率扫描显示，6%和8%淀粉样品在0.1-40 Hz范围内G'始终高于G''，且对频率依赖性弱，证实形成了稳定的凝胶网络。而2%淀粉样品在40 Hz附近出现G'与G''交叉点，说明其网络结构较弱。

3.2 力学性能

压缩测试表明，淀粉浓度与糊化时间共同调控冷凝胶的机械强度。8%淀粉样品在80%应变下发生断裂，且抗压强度随糊化时间延长而增加（8S15m达716 kPa）。杨氏模量分析进一步验证，高浓度（8%）和长糊化时间（15分钟）样品模量最高（8262.9 kPa），其结构能有效抵抗冷冻过程中冰晶生长的破坏。

3.3 形态、表面积与孔隙结构

SEM显示，2%淀粉冷凝胶呈现大孔（32.47 nm）和枝状网络，而8%样品孔隙更小（12.49 nm）且孔壁连续。延长糊化时间至7-15分钟时，6%淀粉样品形成均匀的多孔片层结构，密度降至0.08 g/cm³（图4D）。BET分析表明，高淀粉浓度导致比表面积减小（2%样品为2.74 m²/g，8%样品为2.31 m²/g），但孔隙结构的致密化提升了力学稳定性。

3.4 热性能与结晶度

DSC结果显示，甘薯淀粉糊化速度快（90°C/15分钟糊化度达86%），且XRD图谱中23°峰向低角度偏移，说明糊化过程破坏了淀粉的A型结晶结构。长糊化时间（15分钟）样品在XRD中出现5.6°新峰，可能与淀粉回生有关，这种结构变化直接影响了冷凝胶的形态均一性。

3.5 功能特性

3.5.1 水稳定性

高淀粉浓度（8%）与长糊化时间（≥7分钟）样品在水中质量损失最小，表明其交联网络能有效抵抗水解。

3.5.2 吸附性能

水吸附能力随浓度和糊化时间增加而增强（8S15m达9.79 g/g），而油吸附在低浓度样品中更优（2S7m为19 g/g），归因于其开放孔隙结构更利于油相毛细作用。

3.5.3 热导率

6%淀粉冷凝胶热导率最低（0.035 W/m·K），接近空气导热系数（0.024-0.032 W/m·K），凸显其隔热应用潜力。

本研究通过调控甘薯淀粉的糊化参数，成功构建了具有可定制功能特性的冷凝胶。高浓度（8%）与充分糊化（15分钟）可形成力学强度高、结构稳定的网络，适用于需要承重的包装领域；而低浓度（2%）样品凭借其高油吸附性，在脂溶性活性物质包埋或溢油处理方面展现优势。此外，冷凝胶的低热导特性为绿色隔热材料开发提供了新思路。该工作不仅拓宽了甘薯淀粉的高值化应用路径，更为生物基多孔材料的设计提供了理论依据和技术范例。