淀粉在挤出过程中的多尺度结构演变与功能调控

Regulation of macroscopic properties of starch-based foods and starch-based materials plays a significant role in the deep processing of starch. So far, the current research and achievement in this area have not yet to meet the requirement of industrial guideline. This project will study the processing parameter-microstructure- macroscopic properties - relationships in starch extrusion processing, in particularly focus on understanding the relationship between structure changes and macroscopic properties regulation at micron and nano scale. The starches with different amylose/amylpectin ratio will be used as model materials, and various modern analytical instruments will be used to investigate the variation of microstructures with different scale: granule, growth rings, semi-crystalline lamellae, aggregation state, short-range and molecular structures. All the methods will be used to qualitatively and quantificationally explore the relationship of molecular chain structure/high level structure and aggregation state changes. It is expected to establish a physical model based on the further understanding the mechanisms of starch variation during extrusion processing,and discussing how structure change affect properties. The achievements will provide basic theory on regulating macroscopic properties accurately, and provide a useful practical guideline to manufacture starch processing and promote a development of starch science.

实现淀粉基食品和淀粉基材料宏观性能调控对淀粉的精深加工有着重要的意义，但现有的研究成果还未能满足工业的需要，本项目针对淀粉在挤出过程中的加工参数-微观结构演变-宏观性能之间的关系这一基础理论问题进行研究，旨在从微米和纳米尺度认识淀粉在挤出过程中的结构演变与性能调控之间的关系。本项目以不同链支比的同源淀粉为模型材料，采用现代分析仪器分别从淀粉的颗粒结构、生长环结构、半结晶薄层结构、聚集态结构、短程结构、分子结构等多个尺度进行系统的研究，考察挤出参数和挤出过程对于淀粉的不同尺度结构演变的影响，并对其变化给予定性和定量的表征，并认识淀粉的链结构和高级结构与聚集态结构演变之间的联系，初步提出淀粉在挤出过程中的结构演变物理模型，讨论结构演变与性能之间的关系，为淀粉在挤出加工中的宏观性能的修饰提供理论支持，将极大的丰富和发展淀粉的加工理论，保障淀粉学科的持续发展。

深入理解淀粉的消化和流变性能与淀粉的多尺度结构之间的关系，对于淀粉基食品和淀粉基材料的原料选择、结构设计与加工参数有着重要的意义，但现有的研究成果未能满足工业的需要。本项目针对淀粉在挤出过程中的多尺度结构的演变规律进行研究，并研究淀粉的结构与消化和流变性能的关系，主要研究内容和结果如下：（1）采用尺寸排阻色谱（SEC）和小角X光散射（SAXS）研究淀粉的分子结构和片层结构，并采用普适校正和相关函数得到了直链淀粉和支链淀粉的分子链长/分布，以及淀粉片层结构中结晶区和无定形区的厚度等信息；（2）利用上海光源SAXS线站，在线考察了淀粉片层结构、结晶区和无定形区在加热过程中的厚度变化，完善了淀粉聚集态结构在无剪切力下的结构演变信息；（3）以HAKKE转矩流变仪构造可控剪切场模型，考察了淀粉在剪切过程中的分子结构和聚集态结构演变信息，发现支链淀粉在剪切过程中更易于降解，完善了淀粉在挤出过程中的物理模型；（4）建立了基于 LOS（Logarithm of Slope）分析的淀粉一阶动力学消化方法，发现淀粉的消化速率与直链淀粉的含量、尺寸正相关，支链淀粉的精细结构也会影响淀粉的消化速率。淀粉的聚集态结构如结晶层的厚度，结晶度和颗粒表面大小也会影响淀粉的消化速率，基于这些数据，提出了淀粉的“局部密度”影响淀粉消化速率的新假设；（5）通过小振幅振荡剪切（SAOS）研究了淀粉的凝胶化机理，发现淀粉胶体是弱凝胶，主要是直链淀粉的分子缠结形成的，与电解质多糖的成胶机理不同；（6）基于淀粉结构研究和流变的新理论，设计并制备了淀粉-明胶复合材料，并采用化学显微镜法研究了相界面，为植物胶囊的设计提出了新理论。通过挤出法制备淀粉基超吸水树脂，并研究了其流变性能。以上研究对于低血糖指数食品的设计和制备，淀粉基新材料的设计提供了理论支持，也为基于挤出技术的食品加工提供了理论指导。在国家自然科学基金的指导下，发表SCI论文17篇，培养博士和硕士研究生各1人。