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2025.04.22

客戶(hù)文章 | 糊化研究拿下IF 6.5：淀粉-蛋白互作這么設(shè)計(jì)太絕了！

在做淀粉研究時(shí)，如果主要研究對(duì)象非來(lái)源于特殊物種，本身也沒(méi)有非常新穎的結(jié)構(gòu)可供分析，只有一個(gè)常規(guī)的淀粉性質(zhì)指標(biāo)存在一些特殊性，你會(huì)怎么設(shè)計(jì)課題？

只從這項(xiàng)常規(guī)指標(biāo)切入，能拓展得到一篇完整的，甚至是高質(zhì)量的研究文章嗎？

課題創(chuàng)新性？挖一挖總會(huì)有的！

對(duì)于自己的課題，科研人經(jīng)常糾結(jié)創(chuàng)新性夠不夠：我的課題切入點(diǎn)有創(chuàng)新性嗎？這個(gè)創(chuàng)新性夠不夠“大”，足以支撐一整個(gè)課題？

例如下面這個(gè)場(chǎng)景，按照你的判斷，這個(gè)選題是否適合發(fā)文章？

“糊化”是重要的淀粉性質(zhì)，也是在研究中比較常見(jiàn)的理化指標(biāo)。

如果你所研究的是某種常見(jiàn)淀粉的糊化特性，除了“糊化溫度”外，還能想到什么實(shí)驗(yàn)？

對(duì)于一項(xiàng)研究的評(píng)價(jià)，除了創(chuàng)新性外，還有另一點(diǎn)不能夠忽略：完整性。

“講好一個(gè)故事”在科研界已經(jīng)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(shè)計(jì)，即便是放在一個(gè)“小”的創(chuàng)新點(diǎn)上，也可以拓展出不錯(cuò)的文章。

讓我們回到上一個(gè)假設(shè)的例子，如果你的研究對(duì)象是某種常見(jiàn)淀粉的糊化特性，不妨考慮以下幾個(gè)方面：

√ 糊化特性的影響因素是什么？

√ 這一影響因素的作用規(guī)律是什么？（量變導(dǎo)致量變還是質(zhì)變？）

√ 影響因素的作用機(jī)制有可能是什么？是否和淀粉的結(jié)構(gòu)有關(guān)？

√ 當(dāng)研究糊化特性時(shí)，可以和哪些淀粉指標(biāo)相關(guān)聯(lián)？

……

接下來(lái)，就讓我們一起來(lái)看看這篇發(fā)表于《Food Chemistry: X》的優(yōu)秀文章是如何回答這些問(wèn)題的吧！

背景

豌豆廣泛種植于許多國(guó)家，占全球豆類(lèi)產(chǎn)量的約36%，是重要的豆類(lèi)作物。豌豆的主要成分包括可用于強(qiáng)化食品的優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)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(zhì)提取的主要副產(chǎn)品，但豌豆淀粉的高度回生傾向限制了其在食品工業(yè)中的應(yīng)用。

食品基質(zhì)中存在的淀粉和蛋白質(zhì)可能通過(guò)淀粉-蛋白質(zhì)相互作用影響產(chǎn)品特性，二者間存在復(fù)雜的熱誘導(dǎo)相互作用，影響食品基質(zhì)的相穩(wěn)定性、質(zhì)地和消化性。

根據(jù)此前的研究假設(shè)，豌豆淀粉的糊化過(guò)程可能會(huì)受到豌豆蛋白存在的限制。然而，蛋白質(zhì)強(qiáng)化淀粉混合物的臨界添加水平以及熱特性和質(zhì)地特性的詳細(xì)變化尚未明確。本文通過(guò)分析豌豆淀粉的糊化特性、顆粒狀態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)和分子鏈形態(tài)，探究了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的豌豆蛋白分離物對(duì)豌豆淀粉糊化行為和結(jié)構(gòu)特性的影響。研究結(jié)果有助于理解豌豆淀粉和蛋白質(zhì)在糊化階段的相互作用及該作用對(duì)淀粉糊化的影響。

文章標(biāo)題圖.png

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

技術(shù)方法：根據(jù)此前的研究假設(shè)，豌豆淀粉的糊化過(guò)程可能會(huì)受到豌豆蛋白存在的限制。然而，蛋白質(zhì)強(qiáng)化淀粉混合物的臨界添加水平以及熱特性和質(zhì)地特性的詳細(xì)變化尚未明確。本文通過(guò)分析豌豆淀粉的糊化特性、顆粒狀態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)和分子鏈形態(tài)，探究了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的豌豆蛋白分離物對(duì)豌豆淀粉糊化行為和結(jié)構(gòu)特性的影響。研究結(jié)果有助于理解豌豆淀粉和蛋白質(zhì)在糊化階段的相互作用及該作用對(duì)淀粉糊化的影響。

技術(shù)路線(xiàn)：

文章路線(xiàn)圖.png

研究結(jié)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(duì)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(qiáng)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(guān)。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。

圖1. 不同蛋白質(zhì)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(xiàn)（B）、差示掃描量熱法（DSC）曲線(xiàn)（C）及糊化溫度范圍和焓變（ΔH）數(shù)據(jù)的示意圖（D）

2.糊化特性

圖1B展示了通過(guò)RVA測(cè)量的PPI對(duì)PS糊化行為的影響。PS及其與PPI的混合物的糊化模式相類(lèi)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(duì)照組相比，PPI的加入還顯著增加了混合系統(tǒng)的黏度，效果呈劑量依賴(lài)性。淀粉-蛋白質(zhì)相互作用和PS和PPI之間的熱力學(xué)不相容性，導(dǎo)致連續(xù)相中有效淀粉濃度增加，可檢測(cè)到較低溫度下的糊化，且加熱淀粉懸浮液的黏度發(fā)生變化。PPI能夠快速吸收水分，加熱時(shí)快速形成半固態(tài)網(wǎng)絡(luò)，在淀粉表面形成粘性水層，有助于增加黏度。在變性過(guò)程中，PPI中的自由巰基可以與其他蛋白質(zhì)分子鏈中的巰基發(fā)生反應(yīng)，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(wǎng)絡(luò)，也能夠顯著增加系統(tǒng)黏度。

3.熱特性

所有樣品的DSC曲線(xiàn)在60–65°C范圍內(nèi)存在一個(gè)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(dǎo)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(dǎo)致糊化過(guò)程需要更高的轉(zhuǎn)變溫度來(lái)克服短缺的水分。PPI和PS之間的相互作用增強(qiáng)，提高了淀粉鏈的分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。PPI也可能整合到直鏈淀粉的螺旋結(jié)構(gòu)中，維持淀粉顆粒結(jié)構(gòu)完整性。PPI抑制了PS晶體熔化，導(dǎo)致加熱過(guò)程中分子鏈構(gòu)象無(wú)序程度降低，需要更多的熱能輸入以破壞淀粉鏈分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致ΔH增加。

4.流變特性

PPI對(duì)系統(tǒng)彈性的影響取決于加熱條件。溫度掃描結(jié)果顯示，在加熱和保持階段，儲(chǔ)能模量（G'）隨時(shí)間變化，PPI的加入顯著降低了淀粉的G'，且這種影響依賴(lài)于PPI的濃度（圖2A）。PPI引起的G'降低可能由于PPI對(duì)直鏈淀粉滲出的抑制、對(duì)淀粉顆粒膨脹的抑制以及對(duì)淀粉分子間氫鍵形成的干擾等原因。

流動(dòng)行為方面，所有樣品的剪切應(yīng)力隨剪切速率增加而增加，呈現(xiàn)出非牛頓流特性。PPI含量增加導(dǎo)致淀粉糊的剪切應(yīng)力降低，PS-PPI混合物的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)剪切條件的抵抗力減弱。PPI分子鏈在加熱時(shí)展開(kāi)，與直鏈淀粉相互作用，抑制了淀粉凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成，導(dǎo)致假塑性增強(qiáng)，剪切變稀。這些結(jié)果表明PPI通過(guò)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。

圖2. 不同蛋白質(zhì)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(wěn)態(tài)剪切流曲線(xiàn)（B）

5.直鏈淀粉滲出量

在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(dú)的PS（圖3A）。這種減少歸因于PPI形成的高黏度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)吸附在淀粉顆粒表面，抑制了直鏈淀粉的擴(kuò)散。同時(shí)，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(wǎng)絡(luò)，進(jìn)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(jí)結(jié)構(gòu)在熱誘導(dǎo)凝膠形成過(guò)程中發(fā)生變化，α-螺旋和β-折疊的含量顯著降低，而無(wú)規(guī)卷曲和β-轉(zhuǎn)角的比例逐漸增加，蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性下降。這些結(jié)果表明，PPI通過(guò)物理吸附和分子間相互作用，顯著減少了直鏈淀粉滲出。

圖3. 從淀粉顆粒中滲出的直鏈淀粉量（A），不同蛋白質(zhì)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(qiáng)度評(píng)估

如圖3B顯示，相較于對(duì)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(guò)程中直鏈淀粉滲出量的減少。淀粉凝膠強(qiáng)度的下降不僅取決于直鏈淀粉滲出量，還與淀粉和蛋白質(zhì)分子之間相互作用形成的弱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有關(guān)。這種淀粉-蛋白質(zhì)組合物可能阻礙淀粉鏈之間氫鍵的形成，從而導(dǎo)致PS-PPI混合物的“弱凝膠”特性。

7.PPI對(duì)PS納米結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響

使用原子力顯微鏡（AFM）用于研究PPI對(duì)PS納米結(jié)構(gòu)形態(tài)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(qū)表征的聚集結(jié)構(gòu)，由多個(gè)PPI鏈的聚集或單個(gè)PPI鏈在橫截面中的折疊產(chǎn)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(jié)合在PS分子表面，阻礙了PS分子鏈之間的交聯(lián)，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(gòu)象（圖5A），PS的分子鏈呈現(xiàn)出更細(xì)的線(xiàn)性結(jié)構(gòu)，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(xiàn)。

由于熱誘導(dǎo)下PPI的自聚集效應(yīng)，隨著PPI含量的增加，蛋白質(zhì)分子鏈之間的相互作用顯著增強(qiáng)，聚集現(xiàn)象更加明顯，導(dǎo)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(yīng)尺寸；同時(shí)，在AFM圖像中觀察到混合物中的亮區(qū)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。

圖4. 不同蛋白質(zhì)濃度下單獨(dú)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

圖5. 不同蛋白質(zhì)濃度下單獨(dú)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(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)（圖6）。結(jié)果顯示，單獨(dú)的PS在糊化后顆粒破損且邊界存在淀粉殘?jiān)砑?/span>PPI后，淀粉顆粒更小且形態(tài)更清晰，表明PPI有助于維持淀粉顆粒的膨脹尺寸和結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)保護(hù)屏障，吸附在淀粉顆粒表面形成蛋白質(zhì)膜，減少水分遷移，穩(wěn)定顆粒結(jié)構(gòu)，類(lèi)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(nèi)部，與直鏈淀粉相互作用，調(diào)節(jié)顆粒結(jié)構(gòu)，抑制糊化行為。

圖6. 不同蛋白質(zhì)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(duì)應(yīng)淀粉和蛋白質(zhì)）

小結(jié)

本研究表明，PPI對(duì)PS的糊化、流變和結(jié)構(gòu)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(nèi)。同時(shí)，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(zhì)的存在通過(guò)降低淀粉的熱穩(wěn)定性來(lái)阻礙糊化過(guò)程。流變學(xué)分析表明，PPI增強(qiáng)了淀粉糊的流動(dòng)性，導(dǎo)致凝膠強(qiáng)度減弱。這種弱化效應(yīng)可歸因于PPI抑制了淀粉分子鏈的交聯(lián)。AFM觀察結(jié)果顯示PPI減少了PS分子鏈的聚集，這可能是由于添加了過(guò)多的蛋白質(zhì)，導(dǎo)致淀粉-淀粉相互作用被蛋白質(zhì)-淀粉相互作用所取代。CLSM圖像進(jìn)一步證實(shí)，PPI的包裹結(jié)構(gòu)保護(hù)了淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)，防止其膨脹和破裂，這與觀察到的混合物膨脹力下降現(xiàn)象一致。