Effect of Chlorella pyrenoidosa and Spirulina platensis powder on the physicochemical, structural, and rheological properties of rice starch: A comparative study
小球藻和螺旋藻粉对大米淀粉理化、结构和流变特性的影响
Abstract
The effect of Chlorella pyrenoidosa (CP) and Spirulina platensis (SP) at concentrations of 0 %–12 % on the properties of rice starch (RS) was investigated. Compared with pure RS, the addition of CP and SP powder decreased the viscosity, increased the gelatinization temperature, and promoted the retrogradation of RS gel. However, when CP was added at 12 % and SP at 8 %, retrogradation inhibition was reduced. At these concentrations, the relative crystallinity of the CP mixture increased by 57.37 %, whereas that of SP increased by 48.13 %. Scanning electron microscopy revealed that the addition of low amount of CP and SP reduced porosity. CP and SP powder facilitated the conversion of bound water to free water and contributed to the weakening of the viscoelasticity of the RS gel. CP powder likely had a more detrimental effect on the short-term storage properties of RS than SP powder. These results provide theoretical support for the development of RS-based products and the innovative utilization of microalgae.
中文摘要：
本研究系统探究了小球藻（Chlorella pyrenoidosa，CP）和钝顶螺旋藻（Spirulina platensis，SP）在0%-12%添加量范围内对大米淀粉理化特性的影响规律。研究结果表明，与纯大米淀粉相比，CP与SP的添加显著降低了淀粉体系的峰值粘度（P<0.05），同时提高了糊化温度，并促进了大米淀粉凝胶的回生行为。然而，当CP添加量达到12%、SP添加量达到8%时，其对淀粉回生的促进作用呈现减弱趋势。此时，CP混合体系的相对结晶度较纯大米淀粉显著增加了57.37%，而SP体系则增加了48.13%。通过扫描电镜观察发现，低添加量（≤6%）的CP/SP能够有效降低凝胶的孔隙率。此外，CP和SP均表现出促进结合水向自由水转化的趋势，从而导致淀粉凝胶的黏弹性显著减弱。值得注意的是，CP粉对大米淀粉短期贮藏稳定性的劣化作用较SP粉更为显著。本研究结果为大米淀粉基食品的开发及微藻资源的创新利用提供了重要的理论依据。
论文简介：
小球藻和螺旋藻作为最早实现商业化应用的微藻品种，已在日本、台湾和墨西哥等地区作为功能性保健食品广泛推广，并主导了全球微藻市场。研究表明，在适宜培养条件下，CP的蛋白质含量可达60%，而SP的蛋白质含量更为突出，达到60%-70%。进一步分析显示，CP富含18种氨基酸，总氨基酸含量高达55.95%，其中必需氨基酸（EAAS）含量尤为显著。SP则因其含有8种必需氨基酸，且含量超过联合国粮农组织（FAO）制定的标准，被誉为"微量营养素储存库"，并被FAO认定为"人类最理想、最优秀的食物"。基于微藻的高营养价值，将其应用于主食（如面包、面条和大米）的蛋白质强化，可有效弥补这些传统主食中淀粉含量高而蛋白质含量低的营养缺陷，这一策略对解决发展中国家普遍存在的营养不良问题具有重要意义。
本研究系统探究了CP和SP粉对大米淀粉理化特性、结构特征及流变性能的影响机制，并对比分析了两种微藻作用的差异。实验结果表明，与纯大米淀粉相比，随着CP和SP粉添加量的增加，淀粉糊化温度呈现显著上升趋势。当CP和SP添加量分别达到10%和6%时，淀粉的回生值和糊化焓达到最大值，这表明微藻的添加不仅增加了淀粉糊化的能量壁垒，同时促进了淀粉的短期老化行为。通过X射线衍射（XRD）分析发现，微藻粉的添加并未改变淀粉的结晶类型，但傅里叶变换红外光谱（FT-IR）结果显示，混合体系中出现了明显的氨基特征峰，证实了微藻蛋白与淀粉的分子间相互作用。扫描电子显微镜（SEM）观察显示，在2%-6%的添加浓度范围内，CP和SP的加入使凝胶结构更加致密，孔径显著减小。此外，微藻粉的添加促进了混合凝胶中束缚水向自由水的转化，导致体系粘弹性降低。尽管SP和CP作为高蛋白、营养丰富的微藻资源能够显著提升大米淀粉的营养价值，但其对大米淀粉的短期储存性能和结构特性产生了一定的负面影响。特别是CP的应用对微藻在大米淀粉体系中的推广提出了新的挑战。值得注意的是，CP和SP具有独特的海洋风味和天然绿色特性，这为其在食品工业中的应用提供了新的可能性。然而，如何有效缓解大米淀粉-微藻复合体系的老化现象和不良风味，进一步拓展CP和SP在食品工业中的应用范围，仍需开展深入的系统研究。
该研究成果于2024年9月发表于“Food Chemistry”。食品学院贾喜午博士为第一作者，柳鑫教授为通讯作者。该研究得到国家重点研发计划青年科学家项目“微藻蛋白新型食品全链条风险因子高效识别与主动防控关键技术研究”（2022YFF1102500）资助。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2024.141113
