射频诱导的黑小麦淀粉多尺度解构及其对面团性能的结构调控作用

《International Journal of Biological Macromolecules》：Radiofrequency-induced multiscale deconstruction of black wheat starch and its structural regulation on dough functionality

黑麦面粉经射频处理后，其淀粉分子链发生解聚，表现为Amylose含量增加（19.42%→24.46%）、分子量降低及短链片段增多，同时淀粉结晶度和短程有序结构下降。通过核磁共振分析发现，射频处理显著减少弱结合水流动性，但不影响强结合水。这些结构变化导致面团吸水率降低（缩短30%）、形成时间和稳定时间分别减少18.7%和12.3%，且弱化强度提升。研究表明，射频通过热效应与非热电磁作用协同作用，实现从分子到宏观的多尺度结构调控，为黑麦面粉加工改性提供新方法。

　　

作者：马舒、段云波、刘俊波、杨涛、江浩

单位：陕西省高校粮油功能化加工工程技术研究中心，西北农林科技大学食品科学与工程学院，中国杨凌市712100

摘要

本研究采用射频（RF）处理对黑小麦面粉进行物理改性，旨在探讨RF处理对淀粉多层次结构的影响及其与面团宏观性能之间的相关性。实验结果表明，RF处理有效促进了淀粉分子的解聚。随着处理时间的延长，直链淀粉含量显著增加；分子量明显下降；链长分布显示长链片段减少而短链片段增加，表明发生了分子链断裂。淀粉的短程有序性和相对结晶度也显著降低，证实了其分子结晶结构的破坏。这种结构解聚导致淀粉糊化焓和糊化温度下降。关于水分分布，低场核磁共振分析显示，虽然RF处理没有显著改变强结合水的状态，但显著降低了弱结合水的流动性。这些结构和性能的变化深刻影响了面团的宏观特性，如面粉的吸水能力、形成时间和稳定性时间缩短，同时面团的抗性减弱。总之，RF处理通过触发淀粉在分子层面的结构破坏，成为改善面团加工性能的有效物理改性方法。

引言

黑小麦因其丰富的膳食纤维、酚类化合物和其他功能性成分而受到广泛关注，但其面团加工性能较差，表现为面筋网络形成弱且粘性过大，这限制了其在3D打印和烘焙食品中的应用[1]。作为黑小麦面粉中占比最高的成分，淀粉具有多层次结构，直接影响面团的水分分布和流变性能[2]。因此，针对淀粉结构进行改性是提升黑小麦面团加工性能的关键突破。

射频（RF）技术是一种介电加热方法，通过诱导偶极子旋转和离子迁移在材料内部产生体积热。值得注意的是，RF不仅可以产生热效应，还可能引发非热效应[3][4]。电磁场可以选择性地激发生物大分子中的极性键，破坏氢键网络，并在温度升幅有限的条件下直接导致分子结构变化（如淀粉链断裂）[5]。这一特性使得RF成为精确调控淀粉多层次结构的潜在物理手段。对于黑小麦面团而言，其加工性能不佳的原因在于淀粉与面筋蛋白之间的协同作用不足。淀粉颗粒的完整性、分子链长度的分布及其结晶结构直接影响面团的吸水能力和流变性能[6]。因此，利用RF处理对黑小麦淀粉进行针对性结构改性是提高其加工性能的潜在方法。然而，现有研究大多集中在RF的热效应或整体质量变化上，缺乏系统分析RF引起的淀粉分子链断裂和链长分布重构如何定量调控面团流变性能的机制，尤其是在黑小麦体系中，以及它们之间的多尺度结构-活性关系。因此，本研究旨在阐明RF处理对黑小麦淀粉多层次结构的影响机制，并建立其与面团加工性能之间的内在关联。

本研究探讨了RF处理对黑小麦淀粉多层次结构的影响，并考察了其与面团加工性能变化的相关性。分析了黑小麦淀粉的特性，重点关注在不同RF处理时间下从分子链层面到聚集态结构的演变过程。此外，还评估了这些结构改性对面团宏观性能的影响。通过研究淀粉结构，本研究阐明了RF处理如何提升黑小麦面团加工性能的机制，为RF技术在粮食加工中的应用提供了理论框架。

材料

黑小麦种子来自西北农林科技大学农业学院，通过研磨并过80目筛子获得黑小麦面粉。

样品制备

取20克黑小麦面粉均匀分布在一个直径为15厘米的玻璃培养皿中，然后将其放置在RF仪器处理器的中心（Strayfield International，英国Wokingham）。调整了极板间距。

直链淀粉含量

表1显示了RF处理后黑小麦面粉中的直链淀粉含量变化。实验结果表明，随着处理时间的延长，直链淀粉含量从19.42%增加到24.46%。这表明RF对淀粉的影响是一个随时间累积的过程。较短的处理时间可能仅影响淀粉颗粒的表面层或无序区域，而

结论

本研究系统阐明了RF处理对黑小麦面粉淀粉结构及其面团加工性能影响的模式和机制。研究结果表明，RF处理是一种高效的物理改性方法。通过其独特的体积热效应和高频电磁振荡的协同作用，它引发了从分子到宏观层面的系列变化。

作者贡献声明

马舒：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、方法学、研究、数据管理、概念化。段云波：方法学、正式分析、数据管理。刘俊波：方法学、研究、数据管理、概念化。杨涛：撰写——审稿与编辑、监督、软件应用、方法学。江浩：撰写——审稿与编辑、项目管理、研究、资金获取。

未引用的参考文献

[12], [31], [34]

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文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：32072350、39913491）、陕西省创新能力支撑项目（项目编号：2022KJXX-79）、陕西省重点研发计划（项目编号：2022GD-TSLD-58）以及陕西省重点产业链项目（项目编号：2022ZDLNY04-02、2023-ZDLNY-41、2023KXJ-039）的支持。