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2025.04.22

客戶文章 | 糊化研究拿下IF 6.5:淀粉-蛋白互作這么設計太絕了!

在做淀粉研究時,如果主要研究對象非來源于特殊物種,本身也沒有非常新穎的結構可供分析,只有一個常規的淀粉性質指標存在一些特殊性,你會怎么設計課題?

只從這項常規指標切入,能拓展得到一篇完整的,甚至是高質量的研究文章嗎?


課題創新性?挖一挖總會有的!

對于自己的課題,科研人經常糾結創新性夠不夠:我的課題切入點有創新性嗎?這個創新性夠不夠“大”,足以支撐一整個課題?

例如下面這個場景,按照你的判斷,這個選題是否適合發文章?

“糊化”是重要的淀粉性質,也是在研究中比較常見的理化指標。

如果你所研究的是某種常見淀粉的糊化特性,除了“糊化溫度”外,還能想到什么實驗?

對于一項研究的評價,除了創新性外,還有另一點不能夠忽略:完整性。

“講好一個故事”在科研界已經是老生常談,這也恰恰證明了研究的“完整性”有多么重要。完成度高,完整性好的研究思路設計,即便是放在一個“小”的創新點上,也可以拓展出不錯的文章。



讓我們回到上一個假設的例子,如果你的研究對象是某種常見淀粉的糊化特性,不妨考慮以下幾個方面:

√ 糊化特性的影響因素是什么?
√ 這一影響因素的作用規律是什么?(量變導致量變還是質變?)
√ 影響因素的作用機制有可能是什么?是否和淀粉的結構有關?

√ 當研究糊化特性時,可以和哪些淀粉指標相關聯?

……



接下來,就讓我們一起來看看這篇發表于《Food Chemistry: X》的優秀文章是如何回答這些問題的吧!

背景

豌豆廣泛種植于許多國家,占全球豆類產量的約36%,是重要的豆類作物。豌豆的主要成分包括可用于強化食品的優質蛋白質成分,以及占豌豆種子含量約占35%-40%的淀粉。雖然是豌豆蛋白質提取的主要副產品,但豌豆淀粉的高度回生傾向限制了其在食品工業中的應用。

食品基質中存在的淀粉和蛋白質可能通過淀粉-蛋白質相互作用影響產品特性,二者間存在復雜的熱誘導相互作用,影響食品基質的相穩定性、質地和消化性。

根據此前的研究假設,豌豆淀粉的糊化過程可能會受到豌豆蛋白存在的限制。然而,蛋白質強化淀粉混合物的臨界添加水平以及熱特性和質地特性的詳細變化尚未明確。本文通過分析豌豆淀粉的糊化特性、顆粒狀態、微觀結構和分子鏈形態,探究了不同質量分數的豌豆蛋白分離物對豌豆淀粉糊化行為和結構特性的影響。研究結果有助于理解豌豆淀粉和蛋白質在糊化階段的相互作用及該作用對淀粉糊化的影響。


文章標題圖.png

研究對象:豌豆淀粉(PS,純度 > 98%)、豌豆蛋白分離物(PPI,純度≥80%)

技術方法:根據此前的研究假設,豌豆淀粉的糊化過程可能會受到豌豆蛋白存在的限制。然而,蛋白質強化淀粉混合物的臨界添加水平以及熱特性和質地特性的詳細變化尚未明確。本文通過分析豌豆淀粉的糊化特性、顆粒狀態、微觀結構和分子鏈形態,探究了不同質量分數的豌豆蛋白分離物對豌豆淀粉糊化行為和結構特性的影響。研究結果有助于理解豌豆淀粉和蛋白質在糊化階段的相互作用及該作用對淀粉糊化的影響。

技術路線:

文章路線圖.png


研究結果

1.膨脹力
如圖1A所示,豌豆淀粉(PS)的膨脹力隨著溫度的升高逐漸增加,添加豌豆蛋白分離物(PPI)顯著降低了PS在不同溫度下的膨脹力(P<0.05),這表明PPI對淀粉顆粒的膨脹具有抑制作用。在相同溫度下,隨著PPI含量的增加,PS的膨脹力逐漸降低,可能由于PPI與直鏈淀粉部分之間的強相互作用,從而顯著限制了淀粉的糊化。此外,膨脹力的降低也可能與PPI的物理吸附行為有關。PPI吸附在淀粉顆粒表面,形成具有一定剛性的薄膜,阻止了部分淀粉成分的滲出,并阻礙了顆粒的變形。
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圖1. 不同蛋白質濃度下豌豆淀粉(PS)-豌豆蛋白分離物(PPI)混合物的膨脹力(A)、糊化特性曲線(B)、差示掃描量熱法(DSC)曲線(C)及糊化溫度范圍和焓變(ΔH)數據的示意圖(D)
2.糊化特性
1B展示了通過RVA測量的PPIPS糊化行為的影響。PS及其與PPI的混合物的糊化模式相類似,PPI的加入顯著降低了PS的糊化溫度,并且效果隨著PPI濃度的增加更加明顯(P<0.05)。與對照組相比,PPI的加入還顯著增加了混合系統的黏度,效果呈劑量依賴性。淀粉-蛋白質相互作用和PSPPI之間的熱力學不相容性,導致連續相中有效淀粉濃度增加,可檢測到較低溫度下的糊化,且加熱淀粉懸浮液的黏度發生變化。PPI能夠快速吸收水分,加熱時快速形成半固態網絡,在淀粉表面形成粘性水層,有助于增加黏度。在變性過程中,PPI中的自由巰基可以與其他蛋白質分子鏈中的巰基發生反應,形成二聚體、三聚體和四聚體,在PPI臨界濃度下形成三維凝膠網絡,也能夠顯著增加系統黏度。
3.熱特性
所有樣品的DSC曲線在60–65°C范圍內存在一個明顯的吸熱峰,表明淀粉糊化(圖1C)。如圖1D所示,隨著PPI含量的增加,起始溫度(To)、終止溫度(Tc)、峰值溫度(Tp)和糊化焓(ΔH)值逐漸升高。
PPI含量的增加導致淀粉懸浮液中可用“自由水”顯著降低,而淀粉顆粒受到PPI鏈包裹,顆粒吸收的水分量受限,這些都可能導致糊化過程需要更高的轉變溫度來克服短缺的水分。PPI和PS之間的相互作用增強,提高了淀粉鏈的分子結構穩定性。PPI也可能整合到直鏈淀粉的螺旋結構中,維持淀粉顆粒結構完整性。PPI抑制了PS晶體熔化,導致加熱過程中分子鏈構象無序程度降低,需要更多的熱能輸入以破壞淀粉鏈分子結構,導致ΔH增加。
4.流變特性
PPI對系統彈性的影響取決于加熱條件。溫度掃描結果顯示,在加熱和保持階段,儲能模量(G')隨時間變化,PPI的加入顯著降低了淀粉的G',且這種影響依賴于PPI的濃度(圖2A)。PPI引起的G'降低可能由于PPI對直鏈淀粉滲出的抑制、對淀粉顆粒膨脹的抑制以及對淀粉分子間氫鍵形成的干擾等原因。
流動行為方面,所有樣品的剪切應力隨剪切速率增加而增加,呈現出非牛頓流特性。PPI含量增加導致淀粉糊的剪切應力降低,PS-PPI混合物的網絡結構對剪切條件的抵抗力減弱。PPI分子鏈在加熱時展開,與直鏈淀粉相互作用,抑制了淀粉凝膠網絡的形成,導致假塑性增強,剪切變稀。這些結果表明PPI通過影響淀粉的糊化和分子間相互作用,顯著改變了其流變特性。
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圖2. 不同蛋白質濃度下豌豆淀粉(PS)-豌豆蛋白分離物(PPI)混合物的溫度掃描(A)和穩態剪切流曲線(B)
5.直鏈淀粉滲出量
PS-PPI混合物中,直鏈淀粉的滲出量隨著PPI含量的增加而減少,混合物直鏈淀粉滲出量顯著低于單獨的PS(圖3A)。這種減少歸因于PPI形成的高黏度網絡結構吸附在淀粉顆粒表面,抑制了直鏈淀粉的擴散。同時,低分子量PPI能夠滲透到膨脹的淀粉顆粒中,與直鏈淀粉形成限制性網絡,進一步減少直鏈淀粉的滲出。紅外光譜分析顯示,混合物中PPI的二級結構在熱誘導凝膠形成過程中發生變化,α-螺旋和β-折疊的含量顯著降低,而無規卷曲和β-轉角的比例逐漸增加,蛋白質網絡穩定性下降。這些結果表明,PPI通過物理吸附和分子間相互作用,顯著減少了直鏈淀粉滲出。
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圖3. 從淀粉顆粒中滲出的直鏈淀粉量(A),不同蛋白質濃度下豌豆淀粉(PS)-豌豆蛋白分離物(PPI)混合物的穿刺力(B)
6.淀粉凝膠強度評估
如圖3B顯示,相較于對照組PS凝膠,添加PPI后的混合物凝膠穿刺力顯著降低(P<0.05),主要原因是在加熱過程中直鏈淀粉滲出量的減少。淀粉凝膠強度的下降不僅取決于直鏈淀粉滲出量,還與淀粉和蛋白質分子之間相互作用形成的弱網絡結構有關。這種淀粉-蛋白質組合物可能阻礙淀粉鏈之間氫鍵的形成,從而導致PS-PPI混合物的“弱凝膠”特性。
7.PPI對PS納米結構形態的影響
使用原子力顯微鏡(AFM)用于研究PPIPS納米結構形態的影響(圖4)。2D圖像顯示,PPI在云母基底上的沉積顯示出亮區表征的聚集結構,由多個PPI鏈的聚集或單個PPI鏈在橫截面中的折疊產生。PPI分子鏈在加熱下具有自聚集傾向,隨著PPI濃度的增加,PPI分子緊密地結合在PS分子表面,阻礙了PS分子鏈之間的交聯,從而降低了PS分子鏈之間的聚集程度。
3D圖像描繪了PPI分子鏈在納米尺度上的桿狀構象(圖5A),PS的分子鏈呈現出更細的線性結構,其均方根粗糙度和平均分子鏈高度/寬度大于PPI。這種差異可能是大分子鏈不同聚集程度的表現。
由于熱誘導下PPI的自聚集效應,隨著PPI含量的增加,蛋白質分子鏈之間的相互作用顯著增強,聚集現象更加明顯,導致混合物中分子鏈的高度和寬度逐漸增加,但仍然小于PS的相應尺寸;同時,在AFM圖像中觀察到混合物中的亮區也更加明顯,但分子尺寸的變化更大。這表明PPI顯著干擾了淀粉分子鏈的聚集。
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圖4. 不同蛋白質濃度下單獨的豌豆蛋白分離物(PPI)以及豌豆淀粉(PS)-豌豆蛋白分離物(PPI)混合物的原子力顯微鏡(AFM)2D圖像
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圖5. 不同蛋白質濃度下單獨的豌豆蛋白分離物(PPI)以及豌豆淀粉(PS)-豌豆蛋白分離物(PPI)混合物的(A)、深度直方圖(B)和平均分子鏈高度/寬度(C)原子力顯微鏡(AFM)3D圖像
8.糊化淀粉及其與PPI混合物的微觀結構
使用共聚焦激光掃描顯微鏡(CLSM)觀察糊化淀粉及其與PPI混合物的微觀結構(圖6)。結果顯示,單獨的PS在糊化后顆粒破損且邊界存在淀粉殘渣,而添加PPI后,淀粉顆粒更小且形態更清晰,表明PPI有助于維持淀粉顆粒的膨脹尺寸和結構。隨著PPI含量增加,PPI更多地分布在膨脹淀粉的外圍層,形成自組裝結構保護屏障,吸附在淀粉顆粒表面形成蛋白質膜,減少水分遷移,穩定顆粒結構,類似于親水膠體在淀粉糊化中的作用。此外,PPI還能滲透到膨脹淀粉顆粒內部,與直鏈淀粉相互作用,調節顆粒結構,抑制糊化行為。
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圖6. 不同蛋白質濃度下豌豆淀粉(PS)-豌豆蛋白分離物(PPI)混合物的共聚焦激光掃描顯微鏡(CLSM)圖像(綠色和紅色分別對應淀粉和蛋白質)

小結


本研究表明,PPIPS的糊化、流變和結構特性有顯著影響。PPI的存在降低了PS的膨脹力,使更多直鏈淀粉被限制在淀粉顆粒內。同時,增加PPI含量降低了PS的糊化溫度和糊化焓,這意味著蛋白質的存在通過降低淀粉的熱穩定性來阻礙糊化過程。流變學分析表明,PPI增強了淀粉糊的流動性,導致凝膠強度減弱。這種弱化效應可歸因于PPI抑制了淀粉分子鏈的交聯。AFM觀察結果顯示PPI減少了PS分子鏈的聚集,這可能是由于添加了過多的蛋白質,導致淀粉-淀粉相互作用被蛋白質-淀粉相互作用所取代。CLSM圖像進一步證實,PPI的包裹結構保護了淀粉顆粒的結構,防止其膨脹和破裂,這與觀察到的混合物膨脹力下降現象一致。

這些結果對于使用淀粉和蛋白質作為共同增稠劑來改善食品質地及開發強化蛋白質的谷物基食品具有重要價值。




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排版:野凌

審核:三黍生物企宣部

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