《Food Hydrocolloids》：Molecular basis of changes in pasting and rheological properties of starches physically modified by microwave radiation
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微波处理对七种淀粉的分子结构及流变性质影响研究，采用HPAEC/PAD和SEC/MALS-dRI-Visco方法分析发现：waxy淀粉链长分布变化显著，而土豆淀粉流变特性改变明显，可能与超分子重排有关；不同淀粉类型对微波响应差异源于amylose/amylopectin比例及链结构。
劳尔·里卡多·毛罗（Raúl Ricardo Mauro）| 李志航（Zhihang Li）| 安德烈亚斯·布伦诺（Andreas Blennow）| 艾尼奥阿·维森特（Ainhoa Vicente）| 费利西达·隆达（Felicidad Ronda）
西班牙巴利亚多利德大学农业与林业工程学院食品技术系
摘要
本研究探讨了受控微波处理（100°C，25%湿度，30分钟）对纯淀粉（普通玉米淀粉和蜡质玉米淀粉、普通大米淀粉和蜡质大米淀粉、小麦淀粉、马铃薯淀粉以及木薯淀粉）的分子结构和流变特性的影响。通过高效阴离子交换色谱法结合脉冲安培检测（HPAEC/PAD）来分析支链淀粉的链长分布，并利用尺寸排阻色谱法结合多角度光散射、差示折射率以及粘度多检测技术（SEC/MALS-dRI-Visco）来确定直链淀粉和支链淀粉的分子参数，无论是经过处理的还是未经处理的分子。研究了这些变化对淀粉糊化性质及其凝胶粘弹性的影响。微波处理引发了特定来源的响应：蜡质淀粉表现出极短支链淀粉的增加和分子降解，但由于其较低的粘度特性，对流变性质的影响较小。尽管分子降解程度较低，马铃薯淀粉的流变性质变化最为显著，这可能是由于分子间的重新排列所致，这一现象通过支链淀粉内在粘度的增加得到了证实。小麦淀粉和木薯淀粉的结构变化较为温和，但其凝胶稳定性得到了提升，这归因于与长支链淀粉大小相当的组分增加。大米淀粉的糊化和流变性质变化相似，其中支链淀粉的精细结构起到了主导作用；而蜡质大米中缺乏直链淀粉则促进了支链淀粉的水解。相关性分析表明，直链/支链淀粉的长度与凝胶的强度和硬度相关。这些发现为利用受控微波处理来定制食品系统中淀粉的功能提供了机制上的见解。
引言
微波处理已成为一种有效的淀粉改性方法，能够快速且均匀地改变淀粉的结构和功能，因此比其他传统热处理方法更高效（Zhao等人，2024年）。大量研究表明，微波处理显著改变了淀粉的糊化和流变性质。然而，这些效应高度依赖于多种因素，因为淀粉的功能由其分子结构和超分子结构决定。这种结构又受到直链淀粉含量以及支链淀粉的精细结构和排列方式的影响，而这些因素又受到植物来源（反映遗传背景和生长环境）、淀粉品种以及具体热处理条件的制约。对于大米淀粉，微波处理可提高最终粘度和回弹值，同时降低损耗正切值，表明凝胶基质中弹性成分的比例增加（Zhong、Xiang、Zhao等人，2020年）。类似地，对米粉的研究显示，所有糊化粘度以及弹性和粘性模量均有所提高，表明形成了更具韧性和弹性的凝胶网络（Zhong、Xiang、Chen等人，2020年）。对于玉米淀粉，微波处理的效果则更为复杂：蜡质玉米淀粉中A链的比例降低，聚合度（DP）在6-12个葡萄糖单位之间，而B1（DP 13-24）、B2（DP 25-36）和B3（DP >36）链的比例增加，同时糊化温度上升，整体粘度降低（Yang等人，2017年）。一项针对不同直链淀粉含量的综合研究发现，处理功率的影响大于处理时间：中等长度链（DP 8-24）发生降解，同时形成了短链和长链，粘度降低；但高直链淀粉的稳定性更高，功能也有所改善（Tian等人，2023年）。经过微波处理的木薯淀粉表现出峰值粘度、最终粘度、最低粘度和回弹粘度的降低，以及糊化温度和破坏粘度的增加，表明颗粒膨胀抵抗力和完整性得到增强（Oyeyinka等人，2021年）。
尽管取得了这些进展，大多数研究仅关注单一淀粉来源，缺乏在统一处理条件下跨物种的系统性比较。此外，许多研究使用固定且连续的微波功率，未能严格控制温度和湿度，从而导致观察到的效应难以明确归因于电磁场还是热处理因素。鉴于支链淀粉精细结构的微小差异可能对凝胶形成和机械行为产生显著影响，这种控制至关重要（Bertoft等人，2016年）。最近在严格控制条件下对微波处理过的面粉或谷物进行的研究表明，可以避免糊化或脱水，从而保持结构完整性（Calix-Rivera等人，2023年；Vicente、Villanueva等人，2025年）。
在此背景下，本研究提出了一种新的方法，即在密封系统中通过间歇性的开/关循环进行微波处理，初始湿度控制在25%。该方法直接应用于纯淀粉，以避免其他成分（如蛋白质、脂质或纤维）的干扰。研究选择了来自不同物种、具有不同特性的七种淀粉（普通大米、蜡质大米、普通玉米、蜡质玉米、小麦、马铃薯和木薯），以便全面比较不同颗粒形态和直链/支链淀粉比例下的处理效果。这些淀粉代表了工业上最常用的食品淀粉。
为了捕捉不同分子组织水平上的结构变化，采用了高效阴离子交换色谱法结合脉冲安培检测（HPAEC/PAD）以及尺寸排阻色谱法结合多角度光散射、差示折射率以及粘度多检测技术（SEC/MALS-dRI-Visco）作为互补分析方法。HPAEC/PAD用于获取支链淀粉链长的相对变化，尤其关注最丰富的低聚合度和中等聚合度链；尽管其对高聚合度链的敏感性有限（Wong & Jane，1995年）。SEC/MALS-dRI-Visco提供了补充的分子信息，包括直链淀粉的表征和整个淀粉分子的尺寸参数。这种综合分析方法将分子变化与糊化和流变行为联系起来，清晰地揭示了在受控热条件下微波处理对淀粉功能的影响，为设计具有定制质地和改善技术性能的食品产品提供了可能的应用方向。
样品
选择了七种淀粉：普通玉米淀粉、蜡质玉米淀粉、小麦淀粉、马铃薯淀粉和木薯淀粉，均由美国明尼阿波利斯的嘉吉公司（Cargill Inc.）生产，并由西班牙塞维利亚的Brenntag Química S.A.U.提供。普通大米淀粉和蜡质大米淀粉（BENEO GmbH，德国曼海姆）则从西班牙巴塞罗那的Ferrer Alimentación购买。所有淀粉的干基纯度均超过99%。
微波处理
原始淀粉按照预先制定的方案进行了微波处理
通过HPAEC/PAD获得的支链淀粉链长分布
图1展示了按聚合度（DP）划分的支链淀粉分布，以及未经处理和微波处理样品之间的差异；表1总结了不同链类型（A、B1、B2和B3）的相对比例。
在未经处理的淀粉中，小麦淀粉、木薯淀粉和马铃薯淀粉中A链和B1链的比例最高，而B2链和B3链的比例最低，这与先前的研究结果一致（Yang等人，2021年；Zhao等人，2023年；Zheng等人，2023年）
结论
本研究提供了关于在不同严格控制的温度和湿度条件下微波处理不同类型淀粉的结构和功能行为的新见解。通过使用具有不同分子和超分子结构的淀粉（代表谷物、根茎类和块茎类作物），能够识别出一般趋势和结构依赖的响应。
微波处理引发了特定来源的独特响应，即使在不同样品之间也是如此
作者贡献声明
艾尼奥阿·维森特（Ainhoa Vicente）：撰写——审稿与编辑、可视化、数据分析。安德烈亚斯·布伦诺（Andreas Blennow）：撰写——审稿与编辑、可视化、监督、资源管理、方法学设计、实验研究、数据管理、概念构建。李志航（Zhihang Li）：方法学设计、实验研究、概念构建。劳尔·里卡多·毛罗（Raúl Ricardo Mauro）：撰写——初稿撰写、方法学设计、实验研究、数据分析、数据管理、概念构建。费利西达·隆达（Felicidad Ronda）：撰写——审稿与编辑、可视化、监督、资源管理、项目协调
未引用参考文献
Li等人，2020年；Li等人，2020年；Vicente等人，2025年；Zhong等人，2020年。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本研究报告的工作。
使用的缩写及相应的分析方法
| 缩写 |
参数 |
方法 |
| [η] |
内在粘度 |
SEC/MALS-dRI-Visco |
| A |
支链淀粉A链的比例（DP 6-12，%） |
HPAEC/PAD |
| AM1 |
第1组直链淀粉的比例（DP ～100-300，%） |
SEC/MALS-dRI-Visco |
| AM2 |
第2组直链淀粉的比例（DP > 300 - 1600，%） |
SEC/MALS-dRI-Visco |
| AM3 |
|
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本论文的研究工作。
致谢
作者感谢西班牙科学与创新部（EQC2021-006985-P）、科学与创新及大学部（PID2023-153330OB-I00）、卡斯蒂利亚-莱昂自治区教育部以及FEDER基金（战略研究计划CLU–2025–02–05，巴利亚多利德大学生物经济研究所BioEcoUVa）的财政支持。劳尔·R·毛罗感谢科学与创新及大学部提供的FPI合同资助。
