佳和試劉-淀粉理化特性研究進(jìn)展

淀粉是一種高分子化合物， 它廣泛分布于自然界之中。 是一種可以由生物合成的可再生資源。 淀粉的營(yíng)養(yǎng)成分很高， 除作為能量食物外， 還可以廣泛地應(yīng)用于食品、紡織、造紙、醫(yī)藥、能源等各個(gè)領(lǐng)域。

1 淀粉的形成及組成分類(lèi)

淀粉是一種顆粒形態(tài)的碳水化合物， 有非常復(fù)雜的形成途徑。 太陽(yáng)能被有葉綠體的高等植物所利用， 并吸收二氧化碳和水進(jìn)行光合作用合成淀粉， 這種淀粉被稱(chēng)為同化淀粉。 到了夜間停止，同化淀粉分解， 被運(yùn)送到植物各個(gè)部位，在那里被用于呼吸， 或生成生物合成蛋白質(zhì)、 核酸等成分的素材， 或者在種子、 根( 塊)莖等中重新被合成為淀粉。在非綠色貯藏組織中再次被積貯起來(lái)的淀粉通常稱(chēng)作貯藏淀粉。一般來(lái)說(shuō)淀粉是指提取出來(lái)的貯藏淀粉。淀粉它是由α-D 葡萄糖單位組成的多聚葡萄糖，其分子式為(C6H10O5)n，組成淀粉分子結(jié)構(gòu)體的數(shù)量單位稱(chēng)為聚合度，以 DP 表示。同時(shí)，淀粉分為直鏈與支鏈淀粉，二者的比例大概為 20:80 。直鏈淀粉是由α-1,4 糖苷鍵連接的葡萄糖單元組成的聚合物，也有少量的α-1,6 糖苷鍵存在，聚合度為 500～6000 個(gè)葡萄糖單元，相對(duì)分子量約 250000，但存在較大的變化。而支鏈淀粉是通過(guò)α-1,4 糖苷鍵或α-1,6 糖苷鍵連接的高度分支的多聚物，每 20～25 個(gè)α-1,4 葡糖基就連接有 1 個(gè)α-1,6 分支點(diǎn)。直鏈淀粉含量的測(cè)定方法，包括電勢(shì)滴定法、電流滴定法、剛果紅比色法和碘藍(lán)比色法。

1.1按淀粉的性質(zhì)分類(lèi)

按國(guó)家 GB/T8887-2009 標(biāo)準(zhǔn)，淀粉可分為原淀粉和變性淀粉等。原淀粉是不經(jīng)過(guò)任何加工處理處理， 也不改變淀粉理化特性而生產(chǎn)的各類(lèi)淀粉。原淀粉從原料來(lái)源可分為：谷類(lèi)淀粉、薯類(lèi)淀粉、豆類(lèi)淀粉、其他類(lèi)淀粉。變性淀粉是原淀粉經(jīng)加工處理， 使淀粉分子異構(gòu)， 改變其原有的物理化學(xué)特性的淀粉。 變性淀粉可分為酸處理淀粉類(lèi)、 焙烤糊精類(lèi)、 *類(lèi)、 淀粉酯類(lèi)、淀粉醚類(lèi)、交聯(lián)淀粉類(lèi)、接枝共聚淀粉類(lèi)、物理變性淀粉類(lèi)、生物變性淀粉類(lèi)。

1.2按消化性分類(lèi)

淀粉可分為快速消化淀粉(RDS) 、 緩慢消化淀粉(SDS) 和抗性淀粉(RS)。 抗性淀粉(RS)目前還沒(méi)有的分類(lèi)， 多數(shù)專(zhuān)家學(xué)者根據(jù)淀粉的來(lái)源不同和抗酶解力的不同，將抗性淀粉分為 4 類(lèi)：RS1 、RS2、RS3 、RS4。RS1 型淀粉是指不能被酶解的淀粉。淀粉顆粒因細(xì)胞壁的屏障作用， 因此不易被消化，這類(lèi) RS 易受咀嚼或加工方式的影響，在輕度碾磨的谷類(lèi)、豆類(lèi)等食品中非常常見(jiàn)。 RS2 型淀粉是指天然能不被消化性的淀粉，因物質(zhì)結(jié)構(gòu)如結(jié)晶結(jié)構(gòu)、 密度大等特點(diǎn)使其產(chǎn)生抗消化性。 RS3 是指老化的淀粉， 如糊化冷卻后的馬鈴薯、面包等。 RS4 主要指化學(xué)改性淀粉， 如交聯(lián)淀粉、接枝頻率較高的接枝淀粉等。

2 淀粉的物化特性

2.1 淀粉的糊化特性

淀粉的半結(jié)晶的顆粒結(jié)構(gòu)，使其在加水加熱到一定溫度后，就會(huì)發(fā)生糊化。糊化過(guò)程非常復(fù)雜， 通常伴隨著黏度、透明度變化以及再結(jié)晶等現(xiàn)象。 糊化的不同階段，表現(xiàn)出不同的特性。淀粉的糊化過(guò)程可分為 3 個(gè)階段， 在*階段，少量水分淀粉吸收后， 淀粉體積出現(xiàn)小幅的膨脹，到了開(kāi)始糊化的溫度；第二階段開(kāi)始， 顆粒突然脹大，增加數(shù)倍，水分大量吸收，淀粉乳變成了淀粉糊；繼續(xù)加熱，開(kāi)始第三階段，淀粉充分糊化后，顆粒結(jié)構(gòu)*消失，大部分淀粉分子溶于水中。 通常認(rèn)為淀粉糊化的本質(zhì)是淀粉顆粒微晶束的熔融所致。 糊化溫度是淀粉糊化特性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。 不同的淀粉具有不同的糊化溫度， 玉米和甘薯的糊化溫度分別為 64~72 和 58~61℃。 測(cè)定淀粉糊化溫度的方法很多，如偏光十字法、粘度法、糊透光率法、DSC 法等，其中以淀粉顆粒的偏光十字消失來(lái)確定糊化溫度，是較好和簡(jiǎn)單的方法，被普遍采用。

2.2淀粉的老化機(jī)理

淀粉在加熱后主要以?xún)煞N形態(tài)存在，即原淀粉的糊化及熟化變性后的老化，淀粉的糊化與老化之間是部分可逆的。 所謂淀粉的回生即淀粉α化向β化轉(zhuǎn)化的過(guò)程。 如圖 1-2 所示老化的過(guò)程是因分子間氫鍵的不斷締合晶體從無(wú)序到有序的過(guò)程。 *糊化的淀粉，當(dāng)溫度降低之后， 分子的熱運(yùn)動(dòng)能量不足， 熱力學(xué)非平衡狀態(tài)， 氫鍵之間相互吸引與排列，使體系自由焓降低， zui終結(jié)晶形成。結(jié)晶實(shí)質(zhì)是分子鏈間有序排列的結(jié)果，其過(guò)程包括直鏈分子螺旋結(jié)構(gòu)的形成及其堆積、支鏈淀粉外支鏈間雙螺旋結(jié)構(gòu)的形成與雙螺旋之間的有序堆積。Miles等人認(rèn)為淀粉的老化可以分為兩個(gè)階段： 短期老化和長(zhǎng)期老化。 丁文平等對(duì)淀粉短期回生和長(zhǎng)期回生機(jī)理進(jìn)行了研究， 得出結(jié)論： 淀粉的短期回生主要由直鏈淀粉分子的纏繞有序所引起。 而長(zhǎng)期回生是由于支鏈淀粉外部短鏈有序重排結(jié)晶所致。

3 影響老化的因素

3.1 溫度和水分含量

丁文平等選擇 4 ℃和 25 ℃作為淀粉糊的貯藏溫度，研究了溫度對(duì)淀粉老化的影響，結(jié)果表明 25 ℃下儲(chǔ)藏的淀粉老化速率較 4 ℃儲(chǔ)藏的慢，形成了更加緊密淀粉凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)， 更加富有彈性。 丁文平等利用差示掃描量熱儀對(duì)變溫儲(chǔ)藏對(duì)大米淀粉回生的影響進(jìn)行了研究， 結(jié)果表明， 變溫儲(chǔ)藏改變了重結(jié)晶性狀，但對(duì)直鏈淀粉和脂質(zhì)復(fù)合物的結(jié)晶沒(méi)有影響。25℃下放置 5d 后再置于 4℃下儲(chǔ)藏可以有效地抑制支鏈淀粉的重結(jié)晶，從而降低大米淀粉的回生速度。 沙坤等將饅頭貯藏在 0 ℃、4℃、22℃進(jìn)行老化研究，結(jié)果表明，4 ℃條件下淀粉的回生速率zui高， 其次為 0 ℃條件， 22 ℃條件下饅頭的回生速率zui低。 周?chē)?guó)燕等采用差示掃描量熱法研究水分含量對(duì)大米淀粉和馬鈴薯淀粉熱力學(xué)行為產(chǎn)生的影響顯示， 隨著水分含量的增加， 淀粉在低溫下保藏， 隨著保藏時(shí)間的延長(zhǎng)， 淀粉老化程度加深；隨著水分含量的增加， 老化熱焓先增大后減小，當(dāng)水分含量在 60%～75%時(shí)，老化程度zui深，淀粉zui易發(fā)生老化。

3.2 直鏈淀粉和支鏈淀粉

Ring 等人認(rèn)為，大米淀粉的回生是由其支鏈淀粉外側(cè)短支鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)后堆積結(jié)晶而引起的， 其外側(cè)短鏈聚合度 DP 一般為 15~18。 Iturriaga 等用 DSC 測(cè)定不同直鏈淀粉含量的大米淀粉糊化后老化程度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。直鏈淀粉含量高可以加快老化的速率。

3.3 蛋白質(zhì)和脂肪

Wu 等采用加熱與攪拌的物理方法分別對(duì)碾磨米粉和米淀粉進(jìn)行了改性，發(fā)現(xiàn)物理改性可以延緩米粉的老化過(guò)程， 而對(duì)米淀粉沒(méi)有效果。 他們認(rèn)為蛋白質(zhì)因?yàn)槲锢砀男越Y(jié)構(gòu)發(fā)生了變化， 增強(qiáng)了乳化特性， 加強(qiáng)淀粉與蛋白的關(guān)聯(lián)， 提高了持水性，從而抑制了淀粉的重結(jié)晶。大米淀粉的回生與脂質(zhì)含量有很大關(guān)系，Morrison 等研究發(fā)現(xiàn)， 大米 ( 19.5%~28.3%) 中直鏈淀粉含量高的， 直鏈與脂質(zhì)的復(fù)合率達(dá)到 19.4%~30.2%，其結(jié)晶融化溫度為 80~120 ℃。丁文平等用DSC 研究不同成分比例的大米淀粉， 糊化后冷卻過(guò)程， 放熱峰在溫度 95~80 ℃出現(xiàn)， 這是包括了直鏈淀粉與脂質(zhì)的交鏈形成時(shí)， 所釋放的熱焓和直鏈淀粉之間交聯(lián)形成氫鍵的焓。根據(jù)淀粉糊凝膠體系在回生過(guò)程中各種物理化學(xué)性質(zhì)的變化， 可有各種回生度測(cè)試方法。主要有：差示掃描量熱分析法、X-射線衍射法、 核磁共振法、*法、動(dòng)態(tài)粘彈性測(cè)度法、蠕變?nèi)崃繙y(cè)試法、斷裂性能測(cè)試法、 濁度法。1.5 淀粉的消化特性Englyst 等人根據(jù)淀粉在人體內(nèi)的消化特點(diǎn)，將淀粉分為三類(lèi)：易消化淀粉(ready digestible starch，RDS)，指那些迅速被小腸消化的淀粉( ＜20min)；緩慢消化淀粉(slowlydigestible starch ，SDS)，指那些能被小腸*消化吸收但速度較慢的淀粉(20 ～120min)；抗性淀粉(resistant starch，RS)，指人體在小腸內(nèi)不能被消化吸收的淀粉(＞120min) 。許多疾病與淀粉的消化性密切相關(guān)。心血管疾病和非胰島素依賴(lài)型糖尿病，食用低血糖指數(shù)(GI) 的食品具有輔助治療作用。血糖反應(yīng)由食品的消化速率決定，血糖指數(shù)與體外消化試驗(yàn)的結(jié)果有明顯的相關(guān)性， 抗性淀粉和緩慢消化淀粉含量高的食品血糖指數(shù)低。

Zhang 等研究發(fā)現(xiàn)， 支鏈淀粉的結(jié)構(gòu)決定了 SDS 的含量； 繆銘等研究發(fā)現(xiàn)淀粉的消化性能與RVA曲線特征值具有相關(guān)性，不同品種淀粉的黏度崩解值與 RDS 含量呈顯著正相關(guān)，與SDS 含量呈顯著負(fù)相關(guān)；張斌等報(bào)道了不同直鏈淀粉含量的玉米淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)與消化性能，發(fā)現(xiàn)A型結(jié)晶淀粉是制備SDS 的理想原料，而B(niǎo) 型結(jié)晶淀粉具有較高的 RS 含量。SnowP 等指出，顆粒大小在決定 消化速率中 起著重要的作用。Chung 等的研究表明，淀粉消化率與其糊化程度呈正相關(guān)， 消化率越高， 糊化程度越高， 到達(dá)消化平衡的時(shí)間越短。 Harmeet 等對(duì)脫支大米淀粉的研究表明， 消化性與淀粉顆粒大小有直接的關(guān)系，顆粒越大消化速率越低。血糖指數(shù)與人體的健康密切相關(guān)，Goni 等得到體內(nèi)、 體外淀粉水解指數(shù)(HI) 和血糖指數(shù)(GI) 之間良好相關(guān)性。 Hyun-Jung等以糯米淀粉為原料， 進(jìn)行不同程度糊化后老化處理， 再進(jìn)行消化性研究， 發(fā)現(xiàn)部分糊化淀粉比老化淀粉更易消化。