淀粉的功能特性與加工品質間關系的研究進展

王麗，句榮輝*，賈紅亮，汪慧華，田文靜，朱建晨

北京農業職業學院食品與生物工程系（北京 102442）

淀粉顆粒主要由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成，這2種大分子聚合物占淀粉干重的98%～99%。由于直鏈淀粉分子呈直鏈狀結構，空間阻礙小，易于回生；支鏈淀粉分子呈樹枝狀結構，分支較多，空間阻礙較大，不宜回生[1]。因此，直鏈淀粉和支鏈淀粉的含量及特性是影響產品食用品質的重要因素。馬鈴薯中直鏈淀粉含量為18.16%～28.26%[2]；Liu等[3]研究發現小米直鏈淀粉含量為11.15%～25.21%；玉米淀粉直鏈淀粉含量為26.58%～33.73%[4]。結果表明，不同類型的淀粉及同一類型中不同品種的直鏈淀粉含量均差異顯著，不僅受基因型影響，也可能與品種差異和產地差異有關。研究發現，直鏈淀粉含量與支鏈淀粉含量直接影響產品的品質特性。其中，直鏈淀粉含量與小米飯的柔軟性、香味、色澤、光澤密切相關。當直鏈淀粉含量大于25%時，小米蒸煮后米飯干燥、蓬松、色暗，冷后變硬夾生，出飯率高；當直鏈淀粉含量小于18%時，小米蒸煮后米飯較黏濕，富有光澤，冷卻后仍柔軟，但過熱后光澤很快散裂分解，出飯率低；直鏈淀粉含量18%～25%的品種蒸煮的米飯既能保持高含量類型的蓬松性，冷卻后又能保持低含量類型的柔軟質地[5]。

淀粉的組成不僅與傳統產品的品質特性密切相關，對產品的透明度、回生程度、貯藏穩定性、加工特性等也影響顯著[1]。因此，研究淀粉的膠稠度、碘藍值、溶解性和膨脹性等功能特性，不僅可以科學地劃分評價產品質量特性，也為開發淀粉新產品原料的選擇、產品品質特性改善及新品種的培育提出指導意義。

1 淀粉的功能特性與加工特性的關系

1.1 膠稠度

現行《大米膠稠度的測定》標準中規定膠稠度為在一定條件下，一定量的大米粉糊化、回生后的膠體，在水平狀態流動的長度（mm）。其反映米膠冷卻后的膠稠程度，與米飯的柔軟性有關，是米飯蒸煮品質的主要評價指標之一。膠稠度高，則米膠長，米飯柔軟、適口性好，反之較硬，適口性差[6]。同時膠稠度能反映稻米中直鏈淀粉含量及支鏈淀粉和直鏈淀粉分子的綜合利用[7]。王潤奇等[8]總結中國北方人民喜食的優質小米應具有的膠稠度標準，據米膠延伸的長短分為米膠長度小于80 mm為硬膠稠度，80～120 mm為中膠稠度，大于120 mm為軟膠稠度。韓俊華等[9]研究發現，谷子淀粉的膠稠度為52.2～189.3 cm；孫園園[10]分析797份稻米資源的膠稠度，其變化范圍是22～100 mm。比較分析發現，小米的膠稠度好于稻米，這也與小米適合產婦，為術后恢復主要食用原料有很大關系。膠稠度除與品種有關，還和測定過程中樣品粉粒大小、放置溫度、溶液濃度和加熱時間有關[11]。研究發現，小米的膠稠度好于稻米，這也與小米適合產婦，為術后恢復主要食用原料有很大關系。因此，在同一條件下，比較分析不同品種、不同樣品的膠稠度對各類產品的加工利用具有很好作用。

1.2 堿消值

堿消值是衡量谷物、稻米等蒸煮品質的重要指標。NY 147—1988依據米粒胚乳的分解情況，將堿消值分為7級，并將7級分為三類，每一類分別與糊化溫度范圍相對應，其中高糊化溫度的樣品，堿消值為1～3級，糊化溫度＞74 ℃；中糊化溫度樣品，堿消值為4～5級；糊化溫度范圍為70～74 ℃；低糊化溫度的樣品，堿消值為6～7級，糊化溫度＜70 ℃。糊化時由于米粉糊加熱，淀粉粒吸水膨脹，使得大多數淀粉粒喪失其特有的偏振十字圖形，變得更透明，且黏滯性上升，使得可溶性物質進入水中。因此，堿消值反映堿溶液對谷物胚乳淀粉粒的消解程度，它與淀粉的結構和性質有關，也可以間接測定淀粉的糊化溫度范圍。堿消值的高低與直鏈淀粉含量有線性關系，跟支鏈淀粉的空間結構及合成也有很大的關聯[10]。張艷霞[11]研究發現，直鏈淀粉與消減值呈極顯著正相關，與稻米淀粉的相對結晶度呈顯著負相關。樊巧利等[12]測定赤峰農科院和清水河縣的22個谷子品種，結果發現，谷子的堿消值處于中等糊化溫度范圍，其中糯質品種的糊化溫度較高，而非糯類型的品種糊化溫度低，小米更容易煮熟。

1.3 溶解度和膨脹度

溶解度和膨脹度都是用來說明待測樣品與水之間的相互作用能力。溶解度反映樣品的水溶能力，是衡量樣品在水中溶解性大小的尺度。膨脹度則反映樣品的水合能力，可用來說明樣品分子內部化學鍵的強度。此外，溶解度和膨脹度還可間接反映待測樣品的糊化程度，糊化程度越高，樣品的溶解度和膨脹度也越大[13]。淀粉的溶解度和膨脹度主要與淀粉組成、直支鏈淀粉含量、結構、淀粉微晶束結構等因素有關[14]。李玲伊等[15]研究表明馬鈴薯及玉米淀粉顆粒大且內部結構較為弱，小米淀粉顆粒較小，內部結構緊密，使得小米淀粉的溶解度顯著低于馬鈴薯淀粉和玉米淀粉。趙學偉等[16]、楊斌等[17]研究發現，小米淀粉溶解度在50 ℃之前基本不變，在50～90 ℃升溫過程中，溶解度從0.06～0.95 g/100 mL增加至6.4～57.93 g/100 mL，其中50～60 ℃時溶解度增加較慢，70～90 ℃時增加較快。溶解度隨著溫度升高呈線性上升，是由于在加熱過程中，淀粉中的極性基團暴露出來與水形成氫鍵結合，淀粉開始溶解，隨著溫度繼續升高，淀粉團粒發生崩解，直、支鏈淀粉游離出來，即溶解度隨溫度的上升而增加。

膨脹作用是淀粉糊化時的動力學過程。通常是指淀粉顆粒吸水后體積發生膨大，支鏈淀粉微晶束開始溶解，直鏈淀粉晶體雙螺旋結構打開并溶解，直鏈淀粉脫離，膠體形成，直鏈淀粉重新結晶的過程[18]。小米淀粉的膨脹度介于馬鈴薯淀粉和玉米淀粉之間，馬鈴薯淀粉的膨脹度最高，是由于其顆粒內部結構較為疏松，而且其支鏈淀粉中的磷酸基電荷有相互排斥的作用，促進膨脹作用[19]。趙學偉等[16]、楊斌等[17]研究發現，小米淀粉在50～90 ℃的升溫過程中，膨脹度隨著溫度的升高而呈增大趨勢，膨脹度從2.09～2.33 g/g增加到14.27～26.30 g/g。在50～60 ℃升溫階段膨脹體積變化較小，是初始膨脹階段；60～90 ℃升溫階段膨脹體積變化較大，是迅速膨脹階段，顯示出典型的二段膨脹過程，屬限制型膨脹淀粉[20]。Hagenimana等[21]及Sandhu等[22]對不同直鏈淀粉含量的大米、玉米溶解度和膨潤性進行研究發現，隨支鏈淀粉含量升高，淀粉具有更加疏松開放的結構允許淀粉的吸水、膨脹，膨潤力及溶解度均呈增大趨勢。

1.4 透光率

淀粉的透光率反映淀粉與水互溶的能力及膨脹程度，其大小直接影響淀粉及淀粉產品的外觀、用途及可接受性，透光率越大食品的色澤和質地越好[23]。淀粉的透光率與淀粉中直、支鏈比例有關，直鏈淀粉含量越高，透光率越低。淀粉糊化后，其分子重新排列相互締合的程度是影響淀粉糊透光率的重要因素。如果淀粉顆粒在吸水與受熱時能夠完全膨潤，并且糊化后淀粉分子也不發生相互締合，淀粉糊就非常透明[24]。淀粉在老化回生過程中，直鏈淀粉分子互相纏繞形成交聯網絡和凝膠束，減弱光的透射，而淀粉粒中的支鏈淀粉則逐漸分散于直鏈淀粉形成的交聯網中，由于支鏈淀粉分子較大，支鏈數目較多，這一過程需幾天至幾周才能完成，因此隨著支鏈淀粉的逐漸分散，凝膠的逐步形成，透光率會下降到一極限值[5]。李玲伊等[15]、楊斌等[17]研究發現，谷子淀粉的透光率范圍是4.4%～22.3%，大多數樣品透光率在10%以下，顯著低于馬鈴薯淀粉。而馬鈴薯淀粉的顆粒大且結構松散，透光率大，因此，開發新的淀粉的特性品種，對于新產品的研發具有重要意義。

1.5 凍融穩定性

凍融穩定性主要指淀粉糊經過一段時間的冷凍之后，自然解凍，淀粉糊仍可保持原來膠體結構的性質。淀粉糊在冷凍和解凍過程中會發生脫水收縮，形成海綿狀結構，析出的水分越多，失去原來的膠體結構，凍融穩定性越差[25]。隨著凍融時間的增加，淀粉分子之間容易發生取向排列，形成氫鍵，使淀粉分子間的水分子擠壓出來，導致淀粉的抗冷凍和持水能力變差，使淀粉食品不能保持原有的質構，影響食品的品質，淀粉中直鏈淀粉含量高會使淀粉糊在冷卻的過程中回生速度更快，凍融穩定性更差，凍融穩定性好的淀粉，適宜于冷凍食品的加工[17,26]。申瑞玲等[27]研究發現，谷子淀粉冷凍24 h后的析水率為7.08%～37.79%。比較不同來源的淀粉凍融穩定性發現，小麥（54.2%）[28]、甘薯（69.3%～73.4%）[29]、大麥（30%～40%）[30]的凍融穩定性均高于谷子，因此，凍融穩定性越好的淀粉在開發冷凍食品方面具有巨大潛力。

1.6 凝沉性

凝沉主要是由于直鏈淀粉分子間相互結合形成大的顆粒或束狀結構，達到一定程度時便發生沉降，即直鏈淀粉含量越高，沉降速度越快[17]。申瑞玲等[27]研究發現，谷子淀粉凝沉過程中上清液隨著靜置時間的延長而逐漸增加，靜置4 h后淀粉的凝沉速率顯著增加，并于40 h后上清液體積基本達到穩定；李玲伊等[15]研究發現，小米淀粉穩定性顯著優于玉米淀粉。放置過程中，淀粉越穩定越有利于淀粉食品的開發。

1.7 碘藍值

碘藍值是評價淀粉與碘發生反應產生藍色復合物多少的指標。樣品中游離淀粉含量越多，直鏈淀粉含量越高，細胞的破損程度越大，顏色越深[31]。因此，可以通過碘藍值間接判斷細胞破損的難易程度。碘藍值越小，說明在加工過程中細胞抵抗外界機械力的能力越強，破損的細胞少，基本保持細胞的完整性，因此更能保持原料的天然風味和營養價值[32]。碘藍值目前已廣泛應用于水稻、玉米、小麥等淀粉類食品品質的評價[33-34]。楊斌等[17]分析谷子淀粉的碘藍值為0.568～0.872；高金梅等[35]研究發現，普通玉米淀粉中的碘藍值為0.32～0.37，糯玉米淀粉的碘藍值為0.10～0.11。谷子淀粉的碘藍值顯著高于玉米淀粉，初步說明谷子加工過程中更能保證其原有的風味和影響價值。

1.8 消化特性

淀粉是碳水化合物的主要存在形式，并貯藏于稻米、小麥、玉米及谷類等組織中。Englyst等[36]依據淀粉在人體中消化速率把淀粉分為快速消化淀粉（Rapidly digestible starch，RDS）、慢速消化淀粉（Slowly digestible starch，SDS）和抗性淀粉（Resistant starch，RS）。RDS能引起血糖迅速升高，而SDS可保持飯后血糖緩慢增加，且能維持很長一段時間的血糖水平穩定，有利于糖尿病、心血管疾病和肥胖病患者病情調節和控制[37]。RS是經過折疊、卷曲形成的更堅實的結晶結構，具有更強的抗酶解性，能改善糖代謝、脂代謝和腸道代謝，從而維持人體健康。

淀粉的品種、粒度、晶體結構、晶體類型、直鏈淀粉含量與分子聚合度、直鏈淀粉與脂質形成的包被復合物等與淀粉的消化特性密切相關。Hu等[38]、Chung等[39]對不同商業水稻品種研究結果表明，直鏈淀粉含量與RDS含量呈負相關，與SDS和RS含量呈正相關。繆銘[40]研究發現，普通玉米、蠟質玉米、小麥、糯米、大米、馬鈴薯淀粉的RDS分別為26.6%，32.4%，37.1%，33.2%，30.6%和8.3%，SDS分別為51.8%，49.2%，52.0%，46.1%，45.3%和16.9%，RS分別為21.6%，18.4%，10.9%，20.7%，24.1%和74.8%。結果顯示，谷物淀粉是理想的SDS材料，而馬鈴薯淀粉屬于典型的RS材料。杜文娟等[41]研究發現，谷子淀粉的RDS為18.42%～56.69%，SDS為14.37%～64.07%，RS為2.14%～45.29%。不同種類淀粉的各消化特性參數差異顯著，可通過品種選育和基因控制，生產出適合心腦血管和糖尿病疾病患者飲食的理想產品。

2 存在問題與發展方向

2.1 淀粉功能特性對產品品質特性的影響規律有待進一步研究

淀粉的功能特性與淀粉的形態結構，化學組成及顆粒的晶體結構有關，如劉東莉[42]研究玉米淀粉的結晶結構與淀粉吸水能力、老化速度、結晶度、蛋白質的影響情況，但淀粉功能特性與產品之間關系的研究不足。

2.2 淀粉的營養消化特性研究不夠深入

血糖生成指數（GI）可以直接反映食物與葡萄糖相比升高血糖的速度和能力，其代表一種食物的生理學參數，能確切反映食物攝入后人體的生理狀態，是衡量食物引起人體餐后血糖反映的一項重要指標，而關于不同種類淀粉的差異及在不同產品中的變化方面研究較少，有待于進一步開發。