抑制淀粉回生方法的研究現狀和進展

吳 躍，陳正行，李曉暄

(江南大學食品學院，食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇無錫214122)

抑制淀粉回生方法的研究現狀和進展

吳 躍，陳正行*，李曉暄

(江南大學食品學院，食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇無錫214122)

回生對淀粉基質的產品的影響往往是人們不期望的，因為其能引起這些產品的硬化，導致大量食物不能食用而浪費。本文綜述了目前抑制淀粉回生的各種方法，并指出了各種方法的局限性，對今后的研究方向進行了展望。

淀粉，回生(老化)，基因修飾，化學修飾，物理修飾

隨著食品工業的發展，淀粉已成為食品加工和生產中的重要原輔料。而淀粉作為一種廉價、可降解、無毒害的自然資源，也廣泛地用于其它非食用行業，逐漸發展成為淀粉工業。但是只要體系中存在天然淀粉，就不可避免的遇到淀粉回生問題。淀粉回生(retrogradation)亦稱老化、凝沉、β－化。這個過程發生在糊化后的淀粉分子貯存在低于溶解溫度以下，此時直鏈和支鏈淀粉分子開始重新結合形成有序的結構。目前對淀粉回生機理有大量詳細報道［1］。從熱力學角度來看，已糊化淀粉的回生趨勢是很難避免的，而徹底解決淀粉的回生問題，仍然是個世界性難題。

1 目前抑制淀粉回生的主要方法

1.1 基因修飾

不同種類的淀粉回生程度是不同的，這就意味著可以通過基因修飾來抑制淀粉回生。通過研究，人們發現控制淀粉回生性質(如回生焓值和回生率)的基因位于蠟質基因(Wx)段［2－3］。進一步的研究認為，蠟質基因中的簡單重復序列(SSR)和核苷酸多態性(SNPs)以及淀粉合成酶IIa(SSIIa)段GC/TT可以深入解釋回生性質的總體變化［4］。

另外，人們發現大米的蒸煮和組織特性不僅與直鏈淀粉含量有關，與支鏈淀粉的分支程度也有很大關系，增加短鏈分支程度可以降低回生的幾率［5］。而回生也與短鏈分支的聚合度有關，無論是整個大米體系或是分離出的支鏈淀粉體系，當外部鏈長的聚合度DP從13.9降到11.58，能夠顯示出回生程度降低［6］;而含有聚合度DP6－9葡萄糖短鏈的支鏈淀粉也能夠顯示出回生程度降低［7］。因此，研究人員通過基因工程手段利用E.coli糖原－分支酶(glgB)在大米中的表達，來增加大米支鏈淀粉的DP6－10的短鏈分支數目，從而降低回生［8］。

1.2 酶法修飾

酶法修飾淀粉是指用酶水解淀粉物質，但保持或至少保持淀粉顆粒結構或分子的層次結構。典型的酶法修飾淀粉來抑制回生采用的是淀粉酶，其中淀粉酶中的α－淀粉酶最為常用，且主要用于在面包生產中［9］。在α－淀粉酶中作用特別明顯的是嗜熱脂肪芽孢桿菌麥芽糖 α－淀粉酶(BStA)［10］。β－淀粉酶［11］同樣可以抑制淀粉回生，其能保持支鏈淀粉的分支結構，但能縮短支鏈淀粉的外鏈長度。

淀粉酶修飾的淀粉回生程度降低，主要是由于降低分子重量，使支鏈淀粉部分降到相對低的水平，從而增加短鏈的相對水平。也有學者認為是α－淀粉酶酶水解后產生的低分子量糊精的影響，其干擾了淀粉之間的相互作用，從而來抑制淀粉回生［12］。

研究發現，其它種類的酶如環糊精葡聚糖轉移酶(CGTase)也可以抑制面包回生［13］和通過降低直鏈淀粉含量來抑制米糕的回生［14］。CGTases被認為是能產生許多高吸濕性的麥芽低聚糖，這些低聚糖通過保持淀粉周圍的水分干擾了淀粉－淀粉之間的相互作用。另外，CGTases水解淀粉也非常有效，直鏈淀粉和支鏈淀粉的分子量降低非常顯著，結果相對小的淀粉分子不易結合發生回生。而4－α－葡聚糖轉移酶(a－GTase)處理的米糕［15］和玉米淀粉［16］同樣顯示出回生程度降低。實驗結果表明，經過4－α－葡聚糖轉移酶的處理能降低淀粉中直鏈淀粉含量，而分支和線性的麥芽低聚糖含量增加，支鏈淀粉大分子減少，重組成小的支鏈淀粉簇，短的側鏈(DP＜9)數目增加。

1.3 淀粉的化學修飾

化學修飾可以使那些不適合商業應用的淀粉提高物理化學和功能性質，其中就包括修飾后具有抗回生功能。許多化學修飾都可以應用到不同植物來源的淀粉，起到抗回生的作用。這種修飾主要包括兩個方面:化學取代和交聯。

取代這個化學修飾涉及到在淀粉中引入一些功能基團。淀粉乙酰化是一種重要的取代方法，可以提高淀粉的抗回生能力。在低溫下，顆粒淀粉和引入的CH3CO基團發生酯化反應而被取代，以此來推遲淀粉回生［17］。而作為食品級的羥丙基淀粉一般是天然淀粉和環氧丙烷在堿催化條件下發生醚化反應生成的。羥丙基基團被引入到淀粉鏈中能干擾分子內和分子間的氫鍵，因此削弱了淀粉的顆粒結構，導致淀粉鏈在無定形區的自由運動增加，羥丙基化反應顯示能夠降低淀粉回生［18］。氧化淀粉是即使在高濃度下也能產生低粘度糊，對回生穩定，可以用于造紙、紡織和食品工業。不同的試劑可以用于淀粉氧化，如有機酸中的乙酸、檸檬酸和乳酸。而次氯酸鈉(NaOCl)是用于商業生產氧化淀粉的主要氧化劑。Adebowale和 Lawal［19］研究了用 NaOCl氧化黎豆(mucuna bean)，通過氧化可以降低回生。而氧化淀粉的抗回生功能被認為是氧化產生的羰基在起作用［20］。傳統的化學修飾技術是添加化學劑進行的，而新興的一些技術同樣可以使淀粉發生化學改性，如臭氧處理［21］。氧化淀粉用的化學劑能夠產生潛在的不期望的化學殘留。而臭氧作為一種有效的氧化手段，卻不用擔心任何溶劑殘留，其在淀粉化學改性中的抗回生方面的應用值得關注。

用于食品的淀粉的交聯程度是非常低的。交聯目的是在淀粉顆粒的隨機部分添加分子內和分子間鍵來穩定淀粉顆粒。有報道稱可以通過淀粉交聯來抑制淀粉回生，淀粉在貯存后能有低的回生焓值，這是由于交聯后的支鏈淀粉分支的運動受到限制［22］。

雙重修飾是將取代和交聯這兩種化學修飾結合起來。現已證明通過雙重修飾的淀粉能夠抗酸、抗熱和抗機械降解，同時更能有效地抑制淀粉在貯存中的回生問題，如羥丙基－磷酸交聯淀粉［23］。Yook等人［24］認為，羥丙基和交聯這兩種處理的協同作用使回生的趨勢大大降低，而羥丙基－交聯淀粉呈現的抗回生能力要強于交聯－羥丙基淀粉，證明了在這兩種修飾的淀粉中交聯是不同的，羥丙基化反應跟隨著交聯處理能使淀粉有更好的貯存能力。

除了以上的化學取代和交聯處理外，用堿處理的淀粉也可以抑制回生。如0.5%NaOH處理的西米淀粉在30℃下貯存30d，用DSC檢測不到回生［25］。番薯淀粉(Yam starch)用堿和醇－堿處理都可以降低回生，同時淀粉持水能力和凍融穩定性提高［26］。實際上，是由于堿在一定程度上影響了水解的支鏈淀粉，但是這個影響可能主要僅限于分子的短鏈。

1.4 物性修飾

1.4.1 添加外源物質 淀粉抗回生的物性修飾常用的是添加一些具有抗回生功能的物質，食品中常用的是乳化劑或其復配產物和脂肪。新的研究發現是，表面活性劑 n－烷基－葡糖苷也具有抗淀粉回生的功能［27］。

糖類中的單糖和雙糖作為廣泛食品的添加劑，其對淀粉的回生影響也被廣泛研究，一度成為研究的重點。同時，低聚糖［28］或是環糊精［29］在一定條件下也具有抗淀粉回生的功能。但值得注意的是，糖類的抗回生能力是在一定的水分條件下起作用的。如有報道稱，1∶1的淀粉－蔗糖體系，在40%的水分濕度下，添加蔗糖的樣品在4、32、40℃下貯存4周，其回生焓值要比沒有添加蔗糖的樣品高。而在50%和60%的水分濕度下，添加蔗糖的淀粉樣品在4℃下貯存時回生焓值有略微的增加，而在32℃和40℃下貯存卻是降低的［30］。這說明可能是糖濃度對淀粉的回生有重要影響，不同的糖其所需抑制淀粉回生的糖濃度是不同。研究人員也期望找到每種糖自身的物理化學性質，如糖中的羥基數目［31］和淀粉回生動力學之間的關系［28］。在眾多的糖類中，值得關注的是海藻糖，其公認具有優異的抑制淀粉回生能力，其在任何條件下都能抑制玉米和木薯淀粉的回生［32］。也有專利報道稱，日本研究者最常將海藻糖用于米制品中進行抗回生［33］，如日本和臺灣生產的麻薯也就是一種糯米制品中就用海藻糖來抑制回生，延長保藏期。

親水性膠體作為一類多糖也能夠抑制淀粉回生以及提高相關的影響，如提高凍融穩定性。所以，在大多數親水膠體抗回生能力的測定中，常用基于冷凍循環，測定脫水率的方法來確定其抗回生能力。目前，已報道下列親水性膠體具有抗淀粉回生功能:黃原膠、卡拉膠、瓜爾豆膠、魔芋膠、海藻酸鈉、羧甲基纖維素、香豆膠。而它們抑制淀粉回生的能力也往往受到鹽、pH的影響，其抑制機理有兩種推測:對水的固定化作用和空間阻礙了淀粉α－葡聚糖鏈的結合。如有報道稱［34］，瓜爾豆膠的抗玉米淀粉回生能力是取決于其分子重量的。研究發現，推遲長期回生的有效分子重量范圍要比推遲短期回生的大，這也解釋了推遲淀粉回生是通過膠和淀粉結合來起作用的。

而其它一些食品中常見的成分也能抑制淀粉回生，如鹽、膳食纖維、氨基酸和蛋白。對于這些方面的研究還需進一步的深入。

1.4.2 混合淀粉的方法 在淀粉理論與應用中，有人將不同種類、不同來源的淀粉相互間混合使用，這些混合淀粉往往產生一些非常有意義的新性能，其糊化特性不再是單一淀粉的簡單加和，而是表現為更像一種新淀粉或變性淀粉，而有些混合往往也能抑制淀粉回生。Obanni和BeMiller［35］報道了普通的大米淀粉和馬鈴薯淀粉按50∶50(w/w)比例混合后在4℃下貯存2周，其比單一的淀粉成分具有顯著低的回生值。棉豆淀粉在所有淀粉中有較高的回生值，而25%的棉豆淀粉和75%的木薯淀粉(w/w)混合卻是最好的組合，因為這樣組合的淀粉顯示沒有出現回生［36］。蠟質玉米－大麥和馬鈴薯－大麥的混合物，特別是在20%的淀粉濃度下，按25∶75和50∶50的比例混合，混合后的淀粉在6℃貯存4d和6d，用DSC測定，其回生焓值最小。基于這些研究，我們可以認為相對其它淀粉，具有低回生趨勢的淀粉可以作為回生“推遲劑”應用。

1.4.3 物性處理手段 物性處理手段如擠壓、超聲波、濕熱處理、微波輻射現已廣泛的應用到食品工業中。其中常采用擠壓處理可以達到很好的抗淀粉回生的效果，擠壓可能引起淀粉降解，形成有低回生趨勢的更短的鏈，如各種膨化食品的問世就可以極大解決淀粉回生問題。經過超高壓處理的小麥淀粉的糊化特性和回生機制不同于熱－糊化的小麥淀粉，但對淀粉回生的影響出現了不一致的報道，有報道稱壓力處理的小麥淀粉出現相對少的回生現象，并認為可能是由于壓力處理的小麥淀粉存在少量的凍結水［37］。通過研究抗性淀粉的形成發現，壓力能引起更快的回生，在高壓處理時或是處理完就立即出現了回生。

超聲波對淀粉回生的影響現在仍然沒有明確報道，通過對超聲波處理的玉米淀粉的凍融穩定性的研究發現，在超聲波處理后普通和蠟質玉米淀粉的脫水率降低，而高直鏈玉米淀粉的脫水率增加［38］。

微波輻射可抑制50%淀粉膠體回生，但卻促進20%淀粉膠體回生［39］。以快速粘度分析(RVA)中的setback值作為衡量回生大小的標準時，微波輻射和擠壓這兩種物性處理方式都能夠降低扁豆淀粉的回生。

濕熱處理(Heat－moisture treatment，HMT)是一種水熱處理方法，是指淀粉顆粒在低的水分含量條件下(＜35%，w/w)在一定的時間內(15min～16h)和一定溫度下(84～120℃)，這個溫度高于玻璃化轉變溫度(Tg)，但是低于淀粉的糊化溫度。然而對熱濕處理對淀粉回生的影響，同樣出現了不一致的報道。濕熱處理的玉米淀粉的回生率增加的速度大于沒有處理的樣品，也有報道稱濕熱處理下的淀粉的回生焓值低于天然淀粉［40］，再者還有稱，用DSC檢測出的天然淀粉和濕熱處理的淀粉的回生程度并沒有顯著不同。由此，可以推測濕熱處理的淀粉的物理性質取決于淀粉種類和使用的處理條件。

2 結論與展望

通過基因修飾的方法抑制淀粉回生，是目前國外研究的熱點，但這種方法的技術要求和成本都很高，現今不適合工業化生產應用。而化學修飾易產生毒性和帶來食品安全問題，而且考慮到環境因素如廢水、廢氣的產生，大大限制了這種方法在食品工業中的應用。雖然通過生物酶法是一種很好的抑制淀粉回生的方法，如在饅頭、面包和米粉等的制作過程中添加淀粉酶，可有效延長米面制品的保鮮時間，但酶法處理過的產品會出現表面組織狀態差、食味不佳等技術弊端。物性修飾中的添加食品添加劑如海藻糖、親水性膠體、乳化劑、多糖類、低聚糖、食用膠類和變性淀粉等，盡管這些添加劑對淀粉的回生有一定的抑制作用，然而，一般只可以延長5～30d，遠遠達不到人們所希望的效果。總體來說，我國目前生產的淀粉抗回生(老化)劑效果遠遠不如日本和韓國，而日本在抗淀粉回生添加劑的應用方面處于世界領先地位。其它的物性修飾技術抑制淀粉回生的效果仍不明確。

淀粉回生是個復雜的過程，通過單一的方法很難解決這個問題。因此，應綜合以上抗回生技術，可發揮各種方法的優點，從而一改以往單一方法的不足。

［1］姚遠.米制品回生研究［D］.無錫輕工大學食品學院，1999.

［2］Bao J S，Sun M，Zhu L H，et al.Analysis of quantitative trait locus for some starch properties in rice(Oryza satiVa L.):thermal properties，gel texture，swelling volume［J］.Journal of Cereal Science，2004，39:379－385.

［3］Bao J S，Corke H，He P，et al.Analysis of quantitative trait loci for starch properties of rice based on an RIL population［J］.Acta Botanica Sinica，2003，45:986－994.

［4］Bao J S，Corke H，Sun M.Nucleotide diversity in starch synthase IIa and validation of single nucleotide polymorphisms in relation to starch gelatinization temperature and other physicochemical properties in rice(Oryza sativa L.)［J］.Theoretical and Applied Genetics，2006，113(7):1171－1183.

［5］Gidley M J，Bulpin P V.Crystallization ofmaltooligosaccharides as models of the crystalline forms of starch:minimum chain－length requirements for the formation of double helixes［J］.Carbohydrate Research，1987，161:291－300.

［6］Yao Y，Zhang J，Ding X.Partial beta－amylolysis retards starch retrogradation in rice products［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2003，51:4066－4071.

［7］Lu S，Chen L N，Lii C Y.Correlations between the fine structure，physiochemical properties，and retrogradation of amylopectins from Taiwan rice varieties［J］.Cereal Chemistry，1997，74:34－39.

［8］Kim W S，Kim J，Krishnan H B，et al.Expression of Escherichia coli branching enzyme in caryopses of transgenic rice results in amylopectin with an increased degree of branching［J］.Planta，2005，220:689－695.

［9］Palacios H R，Schwarz P B，D＇Appolonia B L.Effect of α－amylases from different sources on the retrogradation and recrystallization of concentrated wheat starch gels:Relationship to bread staling［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2004，52(19):5978－5986.

［10］Leman P，Goesaert H，Delcour J A.Residual amylopectin structures of amylase－treated wheat starch slurries reflect amylase mode of action［J］.Food Hydrocolloids，2009，23:153－164.

［11］Yao Y，Zhang J，Ding X.Partial beta－amylolysis retards starch retrogradation in rice product［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2003，51:4066－4071.

［12］DefloorI，DelcourJA.Impactofmaltodextrinsand antistaling enzymes on the differential scanning calorimetry staling endotherm of baked bread doughs［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，1999，47:737－741.

［13］Shim J H，Seo N S，Roh S A，et al.Improved bread－baking process using Saccharomyces cerevisiae displayed with engineered cyclodextrin glucanotransferase［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2007，55(12):4735－4740.

［14］Auh J H，Chae H Y，Kim Y R，et al.Modification of rice starch by selective degradation of amylose using alkalophilic bacillus cyclomaltodextrinase［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2006，54(6):2314－2319.

［15］Seo N S，Roh S A，Auh J H，et al.Structural characterization of rice starch in rice cake modified by Thermus scotoductus 4－alpha－glucanotransferase(TS alpha GTase)［J］.Journal of Food Science，2007，72(6):C331－C336.

［16］Park J H，Park K H，Jane J L.Physicochemical properties of enzymatically modified maize starch using 4 － alphaglucanotransferase［J］.Food Science and Biotechnology，2007，16(6):902－909.

［17］Singh N，Chawla D，Singh J.Influence of acetic anhydride on physicochemical morphological and thermal properties of corn and potato starch［J］.Food Chemistry，2004，86:601－608.

［18］Yeh A，Yeh S.Some characteristics of hydroxypropylated and cross linked rice starch［J］.Cereal Chemistry，1993，70:596－601.

［19］Adebowale K O，Lawal O S.Functional properties and retrogradation behaviour of native and chemically modified starch of mucuna bean(Mucuna pruriens)［J］.Journal of the Science of Food and Agriculture，2003，83:1541－1546.

［20］Wurzburg O B.Converted starches［M］//O B Wurzburg(Ed).Modified starches:Properties and Uses.Boca Raton，FL:CRC Press，1986:17－41.

［21］An H J，King J M.Using ozonation and amino acids to change pasting properties of rice starch［J］.Journal of Food Science，2009，74(3):C278－C283.

［22］Chung H J，Woo K S，Lim S T.Glass transition and enthalpy relaxation of cross－linked corn starches［J］.Carbohydrate Polymers，2004，55:9－15.

［23］Morikawa K，Nishinari K.Effects of concentration dependence of retrogradation behaviour of dispersions for native and chemically modified potato starch［J］.Food Hydrocolloids，2000，14:395－401.

［24］Yook C，Pek U H，Park K H.Gelatinization and retrogradation characteristics of hydroxypropylated cross－linked rices［J］.Journal of Food Science，1993，58:405－407.

［25］Karim A A，Nadiha M Z，Chen F K，et al.Pasting and retrogradation properties of alkali－treated sago(Metroxylon sagu)starch［J］.Food Hydrocolloids，2008，22:1044－1053.

［26］de Delahaye E P，Techeira N.Chemical and functional properties of native and modified Yam(Dioscorea alata)starch［J］.Interciencia，2009，34(4):280－285.

［27］Biliaderis C G，Prokopowich D J，Jacobson M R，et al.Effect of n－alkylglucosideson waxy maize and wheatstarch retrogradation［J］.Carbohydrate Research，1996，280:157－169.

［28］Smits A L M，Kruiskamp P H，van Soest J J G，et al.The influence of various small plasticisers and malto－oligosaccharides on the retrogradation of(partly)gelatinised starch［J］.Carbohydrate Polymers，2003，51:417－424.

［29］Tian Y Q，Xu X M，Li Y，et al.Effect of β－cyclodextrin on the long－term retrogradation of rice starch［J］.European Food Research and Technology，2009，228:743－748.

［30］Jang J K，Lee S H，Cho S C，et al.Effect of sucrose on glass transition，gelatinization，and retrogradation of wheat starch［J］.Cereal Chemistry，2001，78(2):186－192.

［31］Prokopowich D J，Biliaderis C G.A comparative study of the effect of sugars on the thermal and mechanical properties of concentrated waxy maize，wheat，potato and pea starch gels［J］.Food Chemistry，1995，52:255－262.

［32］Babic J，Subaric D，Milicevic B.Influence of trehalose，glucose，fructose，and sucrose on gelatinisation and retrogradation of corn and tapioca starches［J］.Czech Journal of Food Sciences，2009，27(3):151－157.

［33］Takahiko M，Takashi S，Toshiyuki S，et al.ToshioDesiccation and prevention of retrogradation using trehalose［P］.USA，5693788.1997－12－02.

［34］Funami T，Kataoka，Y，Omoto，T，et al.Food hydrocolloids control the gelatinization and retrogradation behavior of starch.2a.Functions of guar gums with different molecular weights on the gelatinization behavior of corn starch［J］.Food Hydrocolloids，2005，19:15－24.

［35］Obanni M，BeMiller J N.Properties of some starch blends［J］.Cereal Chemistry，1997，74:431－436.

［36］Novello－Cen L，Betancur－Ancona D.Chemical and Functional Properties of Phaseolus lunatus and Manihot esculenta Starch Blends［J］.Starch/St?rke，2005，57:431－441.

［37］Doona C J，Feeherry F E，Baik M Y.Water dynamics and retrogradation of ultrahigh pressurized wheat starch［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2006，54:6719－6724.

［38］Luo Z G，Fu X，He X W，et al.Effect of ultrasonic treatment on the physicochemical properties of maize starches differing in amylose content［J］.Starch/St?rke，2008，60:646－653.

［39］Ciesla K.Eliasson A C.DSC studies of retrogradation and amylose－lipid complex transition taking place in gamma irradiated whea starch［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B，2007，265:399－405.

［40］Adebowale K O，Henle T，Schwarzenbolz U，et al.Modification and properties of african yam bean(Sphenostylis stenocarpa Hochst.Ex A.Rich.)harms starch I:heat moisture treatments and annealing［J］.Food Hydrocolloids，2009，23(7):1947－1957.

Review of the methods of preventing starch retrogradation

WU Yue，CHEN Zheng－xing*，LI Xiao－xuan
(State Key Laboratory of Food Science and Technology，School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)

The effects of retrogradation in starch－based products can be more usually undesirable.There is general consensus that starch retrogradation contributes significantly to staling or undesirable firming of bread and other starch－based products.So the retrograded food can not be edible and waste.This review covered various current methods to prevent retrogradation and limitations of these methods.And in the end，the research trends were also put forward.

starch;retrogradation(aging);genetic modification;chemical modification;physical modification

TS231

A

1002－0306(2011)04－0423－05

2009－12－08 *通訊聯系人

吳躍(1982－)，在讀博士，研究方向:谷物化學。

現代農業產業技術體系建設專項資金資助和教育部創新團隊計劃資助(IRT0627)。