通过酶法改性升级再利用年糕粉构建具有热敏感特性的可持续凝胶体系

《Food Chemistry: X》：Development of sustainable gel systems with thermo–sensitive properties by enzymatic modification of upcycled rice cake flour

　　

年糕粉（rice cake flour, RCF）是由年糕生产过程中产生的副产物经粉碎获得。研究人员采用环糊精葡聚糖转移酶（cyclodextrin glucanotransferase, CGTase）对其进行酶法改性，以开发热敏感凝胶（thermo–sensitive gels, TSGs）。依据CGTase添加量不同，样品分别命名为TSG 40、TSG 60、TSG 80和TSG 100。CGTase处理重新分配了淀粉支链链长，减少了短链（聚合度，DP 6–15），同时增加了中等链长链段（DP 16–30），并使重均分子量（weight–average molecular weight, M_w）由8.78 × 10⁷ Da降至2.48–4.86 × 10⁷ Da。这些结构变化很可能通过改变淀粉链组织方式，促进样品在反复加热–冷却循环过程中表现出可逆黏弹性行为。TSG 80的储能模量（storage modulus, G′）恢复率超过109%，而TSG 60与天然RCF相比表现出更优的冻融稳定性，其析水率（syneresis）降至4.65%（RCF为9.35%）。质构剖面分析（texture profile analysis, TPA）显示，样品硬度降低，而内聚性未发生变化。CGTase介导的链重排改善了升级再利用淀粉凝胶的流变学行为和冻融稳定性，表明其在热加工食品和冷冻食品体系中具有应用潜力。

该论文发表于《Food Chemistry: X》，围绕食品加工副产物高值化利用与淀粉基功能凝胶构建开展研究。研究背景在于，年糕生产过程中会产生大量因形态不规则而无法销售的边角料，这类副产物虽然营养组成与成品相近，却常被废弃，造成资源浪费和环境负担。由于年糕粉（RCF）主要由淀粉构成，其功能性质高度依赖淀粉分子结构及其组织状态。然而，年糕制造经历部分糊化与回生后，淀粉晶体结构与凝胶可逆性会受到影响，导致RCF存在溶解性不足、理化性质不稳定及冻融耐受性差等问题，从而限制其在高附加值食品与多糖基材料中的应用。已有淀粉改性手段包括物理法、化学法和酶法，其中酶法具有条件温和、环境相容性高及结构调控选择性强等优势。尤其是环糊精葡聚糖转移酶（CGTase）可通过歧化、环化、偶联及水解等反应重塑葡聚糖链结构，但其在利用升级再利用年糕粉构建热敏感凝胶（TSGs）方面的应用仍较少，因此开展本研究具有明显的理论价值与应用意义。

研究人员以不可销售年糕碎片经控制干燥和粉碎制得的RCF为基础原料，利用CGTase诱导淀粉分子链重排，构建兼具结构稳定性与温度响应性流变行为的TSGs，并系统评价其在热加工与冷冻食品体系中的潜在适用性。研究结果表明，CGTase改性能够显著改变RCF中淀粉的支链链长分布、平均分子量、凝胶微结构、流变学行为、质构特性以及冻融稳定性，从而实现对凝胶功能性质的可调控优化。整体而言，该研究为年糕副产物的高值化利用提供了可操作的技术路径，也为可持续淀粉基凝胶材料的设计提供了新的实验证据。

在技术方法方面，研究人员首先制备10%（w/v）的RCF悬浮液并完成糊化，在60 °C下加入不同剂量CGTase进行酶促改性，获得TSG 40、TSG 60、TSG 80和TSG 100。随后采用流变仪进行循环升温–降温测试，以储能模量（G′）、损耗模量（G″）和tan δ评价热敏响应行为；采用高效阴离子交换色谱（high–performance anion–exchange chromatography, HPAEC）分析去支化后支链链长分布；采用高效尺寸排阻色谱（high–performance size exclusion chromatography, HPSEC）测定分子量变化；并结合质构剖面分析（TPA）、扫描电子显微镜（scanning electron microscope, SEM）和三次冻融循环析水率测定，对凝胶的力学性质、微观结构及冻融稳定性进行综合表征。样品来源为韩国SEJUN F&B提供的RCF。

在研究结果方面，论文首先以“Rheological behavior of RCF and TSGs under temperature cycling”为小标题，考察RCF及各TSG在反复升温–降温过程中的黏弹性转变。结果显示，天然RCF在加热过程中G′持续下降，但冷却时可明显恢复，且第二次冷却后恢复幅度甚至超过初始值。经CGTase处理后，所有TSG在加热阶段均表现出更显著的G′下降，说明凝胶网络在高温下更易松弛；但冷却阶段又可出现不同程度的结构恢复，其中TSG 80的G′恢复最为突出，在第一和第二次冷却中增幅分别达到109.54%和116.62%，均超过初始模量，表明其具有较强的热循环后结构重建能力。G″变化趋势与G′相近，提示黏性和弹性组分同步变化。tan δ始终低于1，说明各体系总体仍以弹性行为为主，但酶处理样品在加热过程中tan δ较高，反映其黏性贡献相对增加。TSG 40和TSG 60在多轮循环中的G′、G″变化较为稳定，显示出较好的循环黏弹稳定性。

在“Side chain length distribution”部分，研究人员通过HPAEC分析发现，CGTase处理显著改变了支链长度分布。与未处理RCF相比，所有酶处理样品在短支链区域（DP 6–15）的相对峰面积明显下降，而中等链长区域（DP 16–30）普遍上升，且TSG 100的增幅最为显著。对于长链区域（DP ≥ 31），大多数样品与RCF相近，但TSG 100显示出更高比例。该结果表明CGTase促使淀粉链从较短支链向中等甚至较长链段重分布，这一链长重排被认为是后续凝胶流变和稳定性变化的重要分子基础。

在“Comparison of average molecular weight”部分，HPSEC结果表明CGTase改性后样品的重均分子量（M_w）明显低于天然RCF。RCF的M_w为8.78 × 10⁷ Da，而TSG 40、TSG 60、TSG 80和TSG 100分别为2.48 × 10⁷、2.92 × 10⁷、4.86 × 10⁷和4.48 × 10⁷ Da。说明CGTase反应导致淀粉大分子发生部分切割与重组，使总体分子量下降；在较高酶添加水平下又出现一定程度回升，提示转糖基作用引起链延长与重构。论文讨论指出，M_w与支链分布共同决定凝胶网络形成方式，不能孤立理解。

在“Gel texture profile of TSGs”部分，TPA结果显示，随着CGTase添加量增加，凝胶硬度持续下降，TSG 100最低，提示酶促链重排和部分断裂削弱了凝胶刚性。相比之下，内聚性在各组之间无显著差异，说明尽管凝胶变软，但网络整体连接性并未被破坏。该结果具有重要意义：CGTase改性不仅能降低凝胶硬度、改善口感或加工适配性，同时还能保持凝胶基本结构完整。

在“Microstructural observation of gels by SEM”部分，SEM观察显示天然RCF呈致密分层结构，几乎无明显孔洞，符合其高硬度和较高析水率特征。TSG 40和TSG 60则形成相对均一、清晰的孔隙结构，表明低至中等酶处理水平使凝胶基质变得疏松，并启动孔隙网络形成。TSG 80呈现更加异质的孔结构，孔径分布更宽，提示高酶水平下链重排与结构膨胀进一步增强。TSG 100则出现大量孔洞、较薄孔壁以及局部塌陷结构。总体来看，随CGTase剂量增加，凝胶微结构由致密无孔逐步转为开放且不规则的多孔网络，这为其质构变软与冻融行为改善提供了结构证据。

在“Freeze–thaw stability”部分，研究通过三次冻融循环测定析水率，以评价凝胶保水能力与冻融稳定性。第一轮循环中，RCF析水率为9.35%，而TSG 40、TSG 60、TSG 80和TSG 100分别为8.35%、4.65%、6.73%和6.47%，均低于RCF，其中TSG 60最低。第二轮和第三轮循环中，各组析水率均有所升高，但酶处理组整体仍低于RCF。第三轮时RCF达28.47%，而TSG 40、TSG 60、TSG 80和TSG 100分别为23.00%、25.42%、27.61%和26.83%。这说明CGTase改性整体提升了凝胶抵抗冻融破坏和抑制水分迁移的能力，且适度酶处理所形成的较均一孔结构更有利于保水。

讨论部分围绕“CGTase介导的链重排如何影响凝胶结构—性质关系”展开。研究人员指出，温度循环中的G′变化说明CGTase通过改变淀粉链组织形式，调节了凝胶在加热时的松弛与冷却时的重建过程。HPAEC所显示的中等链长支链增加，有助于改变凝胶网络中有序区与非晶区的平衡，从而赋予体系可逆黏弹性。HPSEC揭示的M_w下降则反映了歧化与水解等反应导致的大分子尺度重构。研究进一步强调，凝胶性能并非仅取决于绝对分子量，而是同时受链长分布和分子构型支配。TPA与SEM结果相互印证：支链重排、分子量下降及孔结构形成共同导致硬度降低，但中长链比例增加和残余链缠结仍足以维持内聚性。冻融稳定性的提升也与微结构密切相关，尤其是孔隙均一且孔壁完整的样品表现更好；相对而言，TSG 80虽在热循环弹性恢复方面更突出，但较宽的孔径分布和更薄孔壁限制了其冻融稳定性的进一步提升。整体上，论文建立了从分子链重排到微观孔结构，再到宏观流变、质构和冻融性能的关联框架。

研究结论部分可译为：本研究表明，CGTase介导的改性可有效将升级再利用年糕粉转化为具有可调结构与功能特性的热敏感凝胶（TSGs）。酶处理重新分配了淀粉支链链长并改变了分子量，从而促进了可逆黏弹性行为、降低了硬度并提高了冻融稳定性。尤其是TSG 60表现出更优的冻融稳定性，提示其在网络柔性与结构完整性之间达到了较为理想的平衡。这些发现加深了对CGTase介导淀粉结构重塑如何影响凝胶功能性质的认识，并为将剩余年糕副产物高值化为功能性淀粉基材料提供了实用途径。所开发的TSGs在需要改良质构特性和冻融性能的热加工食品及冷冻食品体系中具有潜在应用前景。