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2025.04.22

客户文章 | 糊化研究拿下IF 6.5：淀粉-蛋白互作这么设计太绝了！

在做淀粉研究时，如果主要研究对象非来源于特殊物种，本身也没有非常新颖的结构可供分析，只有一个常规的淀粉性质指标存在一些特殊性，你会怎么设计课题？

只从这项常规指标切入，能拓展得到一篇完整的，甚至是高质量的研究文章吗？

课题创新性？挖一挖总会有的！

对于自己的课题，科研人经常纠结创新性够不够：我的课题切入点有创新性吗？这个创新性够不够“大”，足以支撑一整个课题？

例如下面这个场景，按照你的判断，这个选题是否适合发文章？

“糊化”是重要的淀粉性质，也是在研究中比较常见的理化指标。

如果你所研究的是某种常见淀粉的糊化特性，除了“糊化温度”外，还能想到什么实验？

对于一项研究的评价，除了创新性外，还有另一点不能够忽略：完整性。

“讲好一个故事”在科研界已经是老生常谈，这也恰恰证明了研究的“完整性”有多么重要。完成度高，完整性好的研究思路设计，即便是放在一个“小”的创新点上，也可以拓展出不错的文章。

让我们回到上一个假设的例子，如果你的研究对象是某种常见淀粉的糊化特性，不妨考虑以下几个方面：

√ 糊化特性的影响因素是什么？

√ 这一影响因素的作用规律是什么？（量变导致量变还是质变？）

√ 影响因素的作用机制有可能是什么？是否和淀粉的结构有关？

√ 当研究糊化特性时，可以和哪些淀粉指标相关联？

……

接下来，就让我们一起来看看这篇发表于《Food Chemistry: X》的优秀文章是如何回答这些问题的吧！

背景

豌豆广泛种植于许多国家，占全球豆类产量的约36%，是重要的豆类作物。豌豆的主要成分包括可用于强化食品的优质蛋白质成分，以及占豌豆种子含量约占35%-40%的淀粉。虽然是豌豆蛋白质提取的主要副产品，但豌豆淀粉的高度回生倾向限制了其在食品工业中的应用。

食品基质中存在的淀粉和蛋白质可能通过淀粉-蛋白质相互作用影响产品特性，二者间存在复杂的热诱导相互作用，影响食品基质的相稳定性、质地和消化性。

根据此前的研究假设，豌豆淀粉的糊化过程可能会受到豌豆蛋白存在的限制。然而，蛋白质强化淀粉混合物的临界添加水平以及热特性和质地特性的详细变化尚未明确。本文通过分析豌豆淀粉的糊化特性、颗粒状态、微观结构和分子链形态，探究了不同质量分数的豌豆蛋白分离物对豌豆淀粉糊化行为和结构特性的影响。研究结果有助于理解豌豆淀粉和蛋白质在糊化阶段的相互作用及该作用对淀粉糊化的影响。

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研究对象：豌豆淀粉（PS，纯度 > 98%）、豌豆蛋白分离物（PPI，纯度≥80%）

技术方法：根据此前的研究假设，豌豆淀粉的糊化过程可能会受到豌豆蛋白存在的限制。然而，蛋白质强化淀粉混合物的临界添加水平以及热特性和质地特性的详细变化尚未明确。本文通过分析豌豆淀粉的糊化特性、颗粒状态、微观结构和分子链形态，探究了不同质量分数的豌豆蛋白分离物对豌豆淀粉糊化行为和结构特性的影响。研究结果有助于理解豌豆淀粉和蛋白质在糊化阶段的相互作用及该作用对淀粉糊化的影响。

技术路线：

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研究结果

1.膨胀力

如图1A所示，豌豆淀粉（PS）的膨胀力随着温度的升高逐渐增加，添加豌豆蛋白分离物（PPI）显著降低了PS在不同温度下的膨胀力（P<0.05），这表明PPI对淀粉颗粒的膨胀具有抑制作用。在相同温度下，随着PPI含量的增加，PS的膨胀力逐渐降低，可能由于PPI与直链淀粉部分之间的强相互作用，从而显著限制了淀粉的糊化。此外，膨胀力的降低也可能与PPI的物理吸附行为有关。PPI吸附在淀粉颗粒表面，形成具有一定刚性的薄膜，阻止了部分淀粉成分的渗出，并阻碍了颗粒的变形。

图1. 不同蛋白质浓度下豌豆淀粉（PS）-豌豆蛋白分离物（PPI）混合物的膨胀力（A）、糊化特性曲线（B）、差示扫描量热法（DSC）曲线（C）及糊化温度范围和焓变（ΔH）数据的示意图（D）

2.糊化特性

图1B展示了通过RVA测量的PPI对PS糊化行为的影响。PS及其与PPI的混合物的糊化模式相类似，PPI的加入显著降低了PS的糊化温度，并且效果随着PPI浓度的增加更加明显（P<0.05）。与对照组相比，PPI的加入还显著增加了混合系统的黏度，效果呈剂量依赖性。淀粉-蛋白质相互作用和PS和PPI之间的热力学不相容性，导致连续相中有效淀粉浓度增加，可检测到较低温度下的糊化，且加热淀粉悬浮液的黏度发生变化。PPI能够快速吸收水分，加热时快速形成半固态网络，在淀粉表面形成粘性水层，有助于增加黏度。在变性过程中，PPI中的自由巯基可以与其他蛋白质分子链中的巯基发生反应，形成二聚体、三聚体和四聚体，在PPI临界浓度下形成三维凝胶网络，也能够显著增加系统黏度。

3.热特性

所有样品的DSC曲线在60–65°C范围内存在一个明显的吸热峰，表明淀粉糊化（图1C）。如图1D所示，随着PPI含量的增加，起始温度（To）、终止温度（Tc）、峰值温度（Tp）和糊化焓（ΔH）值逐渐升高。

PPI含量的增加导致淀粉悬浮液中可用“自由水”显著降低，而淀粉颗粒受到PPI链包裹，颗粒吸收的水分量受限，这些都可能导致糊化过程需要更高的转变温度来克服短缺的水分。PPI和PS之间的相互作用增强，提高了淀粉链的分子结构稳定性。PPI也可能整合到直链淀粉的螺旋结构中，维持淀粉颗粒结构完整性。PPI抑制了PS晶体熔化，导致加热过程中分子链构象无序程度降低，需要更多的热能输入以破坏淀粉链分子结构，导致ΔH增加。

4.流变特性

PPI对系统弹性的影响取决于加热条件。温度扫描结果显示，在加热和保持阶段，储能模量（G'）随时间变化，PPI的加入显著降低了淀粉的G'，且这种影响依赖于PPI的浓度（图2A）。PPI引起的G'降低可能由于PPI对直链淀粉渗出的抑制、对淀粉颗粒膨胀的抑制以及对淀粉分子间氢键形成的干扰等原因。

流动行为方面，所有样品的剪切应力随剪切速率增加而增加，呈现出非牛顿流特性。PPI含量增加导致淀粉糊的剪切应力降低，PS-PPI混合物的网络结构对剪切条件的抵抗力减弱。PPI分子链在加热时展开，与直链淀粉相互作用，抑制了淀粉凝胶网络的形成，导致假塑性增强，剪切变稀。这些结果表明PPI通过影响淀粉的糊化和分子间相互作用，显著改变了其流变特性。

图2. 不同蛋白质浓度下豌豆淀粉（PS）-豌豆蛋白分离物（PPI）混合物的温度扫描（A）和稳态剪切流曲线（B）

5.直链淀粉渗出量

在PS-PPI混合物中，直链淀粉的渗出量随着PPI含量的增加而减少，混合物直链淀粉渗出量显著低于单独的PS（图3A）。这种减少归因于PPI形成的高黏度网络结构吸附在淀粉颗粒表面，抑制了直链淀粉的扩散。同时，低分子量PPI能够渗透到膨胀的淀粉颗粒中，与直链淀粉形成限制性网络，进一步减少直链淀粉的渗出。红外光谱分析显示，混合物中PPI的二级结构在热诱导凝胶形成过程中发生变化，α-螺旋和β-折叠的含量显著降低，而无规卷曲和β-转角的比例逐渐增加，蛋白质网络稳定性下降。这些结果表明，PPI通过物理吸附和分子间相互作用，显著减少了直链淀粉渗出。

图3. 从淀粉颗粒中渗出的直链淀粉量（A），不同蛋白质浓度下豌豆淀粉（PS）-豌豆蛋白分离物（PPI）混合物的穿刺力（B）

6.淀粉凝胶强度评估

如图3B显示，相较于对照组PS凝胶，添加PPI后的混合物凝胶穿刺力显著降低（P<0.05），主要原因是在加热过程中直链淀粉渗出量的减少。淀粉凝胶强度的下降不仅取决于直链淀粉渗出量，还与淀粉和蛋白质分子之间相互作用形成的弱网络结构有关。这种淀粉-蛋白质组合物可能阻碍淀粉链之间氢键的形成，从而导致PS-PPI混合物的“弱凝胶”特性。

7.PPI对PS纳米结构形态的影响

使用原子力显微镜（AFM）用于研究PPI对PS纳米结构形态的影响（图4）。2D图像显示，PPI在云母基底上的沉积显示出亮区表征的聚集结构，由多个PPI链的聚集或单个PPI链在横截面中的折叠产生。PPI分子链在加热下具有自聚集倾向，随着PPI浓度的增加，PPI分子紧密地结合在PS分子表面，阻碍了PS分子链之间的交联，从而降低了PS分子链之间的聚集程度。

3D图像描绘了PPI分子链在纳米尺度上的杆状构象（图5A），PS的分子链呈现出更细的线性结构，其均方根粗糙度和平均分子链高度/宽度大于PPI。这种差异可能是大分子链不同聚集程度的表现。

由于热诱导下PPI的自聚集效应，随着PPI含量的增加，蛋白质分子链之间的相互作用显著增强，聚集现象更加明显，导致混合物中分子链的高度和宽度逐渐增加，但仍然小于PS的相应尺寸；同时，在AFM图像中观察到混合物中的亮区也更加明显，但分子尺寸的变化更大。这表明PPI显著干扰了淀粉分子链的聚集。

图4. 不同蛋白质浓度下单独的豌豆蛋白分离物（PPI）以及豌豆淀粉（PS）-豌豆蛋白分离物（PPI）混合物的原子力显微镜（AFM）2D图像

图5. 不同蛋白质浓度下单独的豌豆蛋白分离物（PPI）以及豌豆淀粉（PS）-豌豆蛋白分离物（PPI）混合物的（A）、深度直方图（B）和平均分子链高度/宽度（C）原子力显微镜（AFM）3D图像

8.糊化淀粉及其与PPI混合物的微观结构

使用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察糊化淀粉及其与PPI混合物的微观结构（图6）。结果显示，单独的PS在糊化后颗粒破损且边界存在淀粉残渣，而添加PPI后，淀粉颗粒更小且形态更清晰，表明PPI有助于维持淀粉颗粒的膨胀尺寸和结构。随着PPI含量增加，PPI更多地分布在膨胀淀粉的外围层，形成自组装结构保护屏障，吸附在淀粉颗粒表面形成蛋白质膜，减少水分迁移，稳定颗粒结构，类似于亲水胶体在淀粉糊化中的作用。此外，PPI还能渗透到膨胀淀粉颗粒内部，与直链淀粉相互作用，调节颗粒结构，抑制糊化行为。

图6. 不同蛋白质浓度下豌豆淀粉（PS）-豌豆蛋白分离物（PPI）混合物的共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）图像（绿色和红色分别对应淀粉和蛋白质）

小结

本研究表明，PPI对PS的糊化、流变和结构特性有显著影响。PPI的存在降低了PS的膨胀力，使更多直链淀粉被限制在淀粉颗粒内。同时，增加PPI含量降低了PS的糊化温度和糊化焓，这意味着蛋白质的存在通过降低淀粉的热稳定性来阻碍糊化过程。流变学分析表明，PPI增强了淀粉糊的流动性，导致凝胶强度减弱。这种弱化效应可归因于PPI抑制了淀粉分子链的交联。AFM观察结果显示PPI减少了PS分子链的聚集，这可能是由于添加了过多的蛋白质，导致淀粉-淀粉相互作用被蛋白质-淀粉相互作用所取代。CLSM图像进一步证实，PPI的包裹结构保护了淀粉颗粒的结构，防止其膨胀和破裂，这与观察到的混合物膨胀力下降现象一致。