膳食纖維對淀粉性質的影響研究進展

王磊鑫 呂瑩果 吳娜娜 譚 斌 姜 平

(河南工業大學糧油食品學院1，鄭州 450001)

(國家糧食和物資儲備局科學研究院2，北京 100037)

淀粉是僅次于纖維素的來源廣泛的可再生資源[1]，其廣泛應用于米面制品等食品的加工中。但天然淀粉本身存在水溶性差、乳化能力和凝膠能力低、易老化回生、穩定性不足等缺點[2]，使其應用范圍受到限制。研究發現，與膳食纖維復配可以有效彌補天然淀粉的缺點[3]。

膳食纖維由兩部分組成[4]，一部分是不溶性的植物細胞壁材料，主要是纖維素與木質素；另一部分是非淀粉的水溶性多糖，主要包括阿拉伯木聚糖、β-葡聚糖、甘露聚糖和果膠多糖等。膳食纖維不僅有降血脂、調節血糖、潤腸通便、控制體重、預防結腸癌的發生等生理功能[5]，還可使淀粉的保水性、熱特性、流變、質構和其他物理化學特性的變化[6]。近年來，膳食纖維與淀粉之間的相互作用備受研究者的關注。一方面，將膳食纖維作為功能成分添加到食品中，不僅可以提高食品的營養價值，還可以進一步優化人們的膳食結構，有效降低慢性病的發病率；另一方面，在淀粉基食品中，淀粉易受膳食纖維的影響，使淀粉的性質發生改變，進而影響食品的品質。因此，越來越多的學者開始探究膳食纖維對淀粉性質的影響。

本文綜述了膳食纖維對淀粉糊化性質、流變學特性、凍融穩定性以及其他性質影響的研究進展，為膳食纖維與淀粉在食品工業中的應用及品質控制提供參考。

1 膳食纖維對淀粉糊化性質的影響

通過加熱為淀粉分子提供足夠的能量，破壞了結晶膠束區弱的氫鍵后，淀粉顆粒開始水合和吸水膨脹，結晶區消失，大部分直鏈淀粉溶解到溶液中，溶液黏度增加，淀粉顆粒破裂，雙折射消失，這個過程稱為糊化[4]。糊化性質是淀粉最重要性質之一，淀粉的糊化程度影響食品的儲藏性質、消化率等[4]。近年來，許多學者研究了膳食纖維對淀粉糊化性質的影響，這種影響作用因膳食纖維和淀粉的種類不同而有所差異，這主要取決于膳食纖維和淀粉的結構特征、膳食纖維的添加量以及環境因素，其中結構特征包括化學組成、聚合度、帶電性質等。

1.1 膳食纖維分子質量的影響

膳食纖維分子質量大小是膳食纖維對淀粉糊化性質影響的重要因素。研究表明，β-葡聚糖能顯著提高淀粉的黏度值，這是由于β-葡聚糖自身具有的增稠特性和淀粉顆粒溶脹產生的增稠作用，且分子質量大的β-葡聚糖對其影響程度較大[7-8]。添加大分子質量(27.8 ku)大豆可溶性膳食纖維可提高大米淀粉的峰值黏度和終值黏度，而小分子質量(9.3 ku)大豆可溶性膳食纖維則降低了淀粉的終值黏度，對峰值黏度無明顯影響，這可能是由于分子質量大小不同的膳食纖維自身黏度有所差異[9]。大分子質量海藻酸鈉對高直鏈玉米淀粉的增稠作用更強[10]，但大分子質量果膠的添加卻降低了玉米淀粉的黏度值，這是由于果膠能包裹淀粉顆粒，阻止了直鏈淀粉從其顆粒中滲出，使淀粉更難糊化，從而降低淀粉的黏度值[11]。或許也是由于直鏈淀粉的浸出量隨玉米纖維膠分子質量的增加而減少，添加大分子質量玉米纖維膠的玉米淀粉的峰值黏度也有所降低[12]。Wang等[13]研究發現在大米淀粉中加入菊粉提高了淀粉的糊化溫度，降低了淀粉的峰值黏度、終值黏度、崩解值等黏度指標，且較低聚合度的菊粉對淀粉的黏度指標影響較大，這是因為它具有更高的吸濕性，更能阻止水分進入淀粉顆粒的無定形部分來影響淀粉的糊化。與高聚合度菊粉相比，低聚合度菊粉更能降低小麥淀粉的糊化焓，一方面是由于菊粉的糊化焓低于小麥淀粉，另一方面可能是因為分子質量小的菊粉更易于進入淀粉分子內部，影響淀粉顆粒結晶區的雙螺旋結構[14]。此外，低分子質量的分支界限糊精能降低玉米淀粉和糯玉米淀粉的糊化焓，可能與水分利用率降低、淀粉顆粒結晶區部分糊化以及分支界限糊精-淀粉相互作用的影響減弱有關[15]。

1.2 膳食纖維添加量的影響

研究表明，膳食纖維對淀粉糊化性質的影響具有很大的濃度依賴性，如玉米淀粉和小麥淀粉的糊化溫度隨細菌纖維素原纖維添加量的增加而降低且在添加量最大(10%)時使其降低了20 ℃[16]。黃原膠或瓜爾豆膠可以增大玉米淀粉的黏度值，且均在1.0%添加量時得到最高的峰值黏度和終值黏度[17]。較低添加量(0.5%和1%)的果膠降低了玉米淀粉的峰值黏度，而較高添加量(>2%)的果膠使玉米淀粉的峰值黏度增加，并在添加量為10%時獲得最大峰值黏度值[3]，在玉米淀粉中添加羧甲基纖維素、魔芋葡甘聚糖(KGM)也呈現類似的黏度變化趨勢[18]。果膠能夠阻止直鏈淀粉從其顆粒中滲出，使黏度降低，而增大果膠濃度則使果膠滲入淀粉連續相中，提高了淀粉黏度值。與果膠降低淀粉黏度的機理類似，阿拉伯膠也能降低木薯淀粉的糊化峰值黏度，但不同的是隨著阿拉伯膠濃度從0.1%增加到1%，淀粉的峰值黏度仍然逐漸下降[19]。Ma等[20]也發現高濃度KGM能夠增大玉米淀粉的峰值黏度，這可能有三方面原因：一是由于糊化過程中淀粉顆粒的膨脹使KGM的可及體積減小，黏度增加；二是KGM與淀粉競爭水分子而使黏度增大；三是KGM與浸出直鏈淀粉、低分子質量支鏈淀粉之間形成了相互作用。由于膠(膳食纖維)自身具有的增稠特性，從Yanang葉中提取的膳食纖維膠體在膠(膳食纖維)和水比例為1∶3或1∶4的條件下能顯著提高糯米淀粉的峰值黏度[21]。而牛飛飛等[22]研究發現，馬鈴薯淀粉的峰值黏度隨著胡蘿卜膳食纖維的添加量的增加而降低，且粒徑越小，峰值黏度越低。此外，玉米、高粱淀粉中添加從黃花稔中提取的膳食纖維膠體后，其崩解值和回復值較低，終值黏度在最低濃度(0.1%)時較高[23]，而添加0.2%從鳳凰木種子中提取的膳食纖維膠體可顯著降低木薯、玉米淀粉的峰值黏度，這是由于膳食纖維-淀粉體系的顆粒結構更加緊密所致[24]。

1.3 膳食纖維帶電性質的影響

一些淀粉或其衍生物溶液電離會產生電荷，由于靜電相互作用的存在，使帶不同電荷的膳食纖維對其糊化性質的影響有所差異。帶有電荷的膳食纖維通常是由羧基或硫酸酯基電離而產生的負電荷，它們具有伸展構型和更大體積，因此傾向于通過防止靜電排斥而使膳食纖維與淀粉結合，產生穩定的體系，并使體系具有更高的黏度，而中性膳食纖維有締合和部分結晶的傾向[25]。黃原膠、阿拉伯膠帶負電荷，能使陽離子型淀粉易于糊化，而使陰離子型淀粉難以糊化，如黃原膠能夠提高馬鈴薯陽離子淀粉的黏度值而降低了馬鈴薯淀粉、馬鈴薯磷酸酯淀粉的黏度值[26]。而瓜爾膠顯中性，對陰離子型木薯淀粉糊化性質的影響效果與天然木薯淀粉相似[27]。又如，在玉米磷酸酯雙淀粉中，陰離子膠(羧甲基纖維素鈉、海藻酸鈉、卡拉膠)降低了淀粉的峰值黏度，而陽離子膠(殼聚糖)則使淀粉的峰值黏度顯著增加[28]。當帶負電荷的淀粉溶液與陰離子膠一起加熱糊化時，降低峰值黏度的可能原因是抑制了顆粒的破裂和直鏈淀粉的浸出或是由于浸出的直鏈淀粉分子和膠體之間的相互作用[19]。膳食纖維與淀粉之間的相互作用依賴于膳食纖維與淀粉之間的結構相容性或分子相互作用，而在殼聚糖-玉米淀粉體系中殼聚糖似乎不與直鏈淀粉結合，也可能發生相分離，從而影響淀粉的糊化性質[18]。

1.4 膳食纖維-淀粉體系中淀粉結構對其相互作用的影響

膳食纖維通過與淀粉之間的相互作用對淀粉的糊化性質產生很大的影響[25]，這種效應取決于很多因素，其中淀粉的結構是一重要因素。即使同一品種的淀粉，因其結構的差異，膳食纖維對其糊化程度的影響也不同。Feng等[29]研究發現，同一涼粉草膠添加量的條件下，涼粉草膠-薯類淀粉體系的峰值黏度顯著高于谷物淀粉、豆類淀粉。薯類淀粉因含有磷酸基團而帶有負電荷，鏈之間產生相當大的斥力，且薯類淀粉的粒徑比較大，一般較大的淀粉顆粒內部結構比較疏松[1]，所以薯類淀粉具有很好的膨脹效果，表現為高的峰值黏度。而在薯類淀粉中添加海藻酸鈉，馬鈴薯淀粉的峰值黏度增加程度高于甘薯淀粉，這可能是由于馬鈴薯淀粉中的磷酸基團含量高于甘薯淀粉，導致馬鈴薯淀粉中的磷酸基團與海藻酸鈉中的羧基發生了較強的相互作用[30]。馬鈴薯淀粉的峰值黏度變化程度與磷含量呈顯著正相關[31]。海藻酸鈉也能不同程度地增加高直鏈玉米淀粉、普通玉米淀粉及蠟質玉米淀粉的糊化溫度，且糊化溫度：海藻酸鈉-高直鏈玉米淀粉>海藻酸鈉-普通玉米淀粉>海藻酸鈉-蠟質玉米淀粉[32]。直鏈淀粉分子間的結合力比較強，難糊化，含直鏈淀粉高的淀粉顆粒糊化溫度也高，有的高直鏈淀粉在測試過程中甚至不能完全糊化[33]，使得海藻酸鈉對不同直鏈淀粉含量的淀粉糊化性質的影響有所差異。Weber等[34]發現瓜爾膠和黃原膠對普通玉米淀粉糊化性質的影響也大于蠟質玉米淀粉，可能是由于膠體與溶出的直鏈淀粉通過氫鍵產生了相互作用。膳食纖維對秈米淀粉、粳米淀粉糊化性質影響程度比糯米淀粉大，這可能是由于糯米淀粉含有更多的支鏈淀粉，黏度較大，所受膳食纖維的影響就較小[35]。類似地，細菌纖維素原纖維使糯玉米淀粉黏度增加幅度低于小麥淀粉、玉米淀粉[16]。

1.5 膳食纖維-淀粉體系中環境因素對其相互作用的影響

一般而言，膳食纖維-淀粉體系通常與許多食品配方中的其他成分共存，如糖、鹽和酸等，也能使膳食纖維對淀粉糊化性質的影響發生變化。研究發現，黃原膠能防止檸檬酸誘導木薯淀粉的分解，提高黃原膠-木薯淀粉體系在酸溶液中的穩定性，從而增大其峰值黏度和終值黏度[36]。糖類和鹽類的存在會與親水膳食纖維競爭水分子，從而改變膳食纖維對淀粉糊化性質的影響，但鹽類的影響主要體現在其電荷效應。在鹽存在的情況下，黃原膠-大米淀粉的峰值黏度和終值黏度增大，這是由于陽離子降低了分子間的排斥力并促進了黃原膠的網絡形成，且相同濃度的二價陽離子(Ca2+)產生更大的影響；而由于瓜爾豆膠屬于非電解質，鹽對瓜爾豆膠-大米淀粉的糊化性質的影響較小[37]。Hong等[36]還發現離子型膠體-淀粉體系的糊化性質主要受膠體-鹽相互作用的影響，而非離子型膠體-淀粉體系的糊化性質主要受淀粉-鹽相互作用的控制。鹽離子還能破壞淀粉分子之間以及KGM與蓮藕淀粉之間的氫鍵，阻礙淀粉分子的重排，從而降低回復值[38]。此外，羧甲基纖維素在鹽的存在下提高了小麥淀粉的峰值黏度[39]，但在酸性pH條件下，羧甲基纖維素結構中的羧基被抑制電離，使黏度降低[4]。

2 膳食纖維對淀粉流變學性質的影響

流變學性質是淀粉重要性質之一，對食品的運輸、傳送、加工工藝及人在咀嚼食品時的滿足感等都起著非常重要的作用。流變學實驗有兩種，一種是靜態流變學實驗，主要參數有稠度系數K和流體指數n；另一種是動態流變學實驗，主要參數有儲能模量(G′)、損耗模量(G″)和損耗角正切值(tanδ)。一些膳食纖維對淀粉流變學性質的影響見表1。由表1可以看出，不同膳食纖維對不同淀粉流變學性質的影響不同，這可能與膳食纖維和淀粉的種類有關。

不同種類的膳食纖維和淀粉因結構的差異而具有不同的特性，從而決定膳食纖維對淀粉流變學性質的影響。羧甲基纖維素(CMC)是水溶性膳食纖維，而微晶纖維素(MCC)不溶于水，兩者因性質差異而對小麥淀粉(WS)的流變學性質產生不同程度的影響。在低濃度(CCMC≤4%，CMCC≤6%)下，CMC和MCC相當于稀釋劑，阻斷直鏈淀粉的聚集；在高濃度(CCMC≥6%，CMCC≥8%)下，未水化的CMC鏈段通過纏結與直鏈淀粉發生相互作用，從而限制了分子的流動性，同時分散在直鏈淀粉周圍的水化CMC鏈干擾著直鏈淀粉網絡結構的形成，而只有少量的無定形區域和結晶表面的MCC鏈段與直鏈淀粉發生相互作用(圖1)[49]，從而影響淀粉糊/凝膠的粘彈性能。

3 膳食纖維對淀粉凍融穩定性的影響

隨著社會的發展和人們生活節奏的加快，速凍食品的需求量大大增加，凍融穩定性直接影響淀粉基速凍食品的儲藏和品質，常用析水率作為評判凍融穩定性的指標[50]。淀粉凍融穩定性和老化程度相關，老化程度越小，則析水率越小，凍融穩定性越好[51]。Ye等[52]發現菊粉能顯著降低大米淀粉凝膠的析水率，有效地提高大米淀粉凝膠的凍融穩定性(圖2)。

表1 膳食纖維對淀粉流變學性質的影響

注：SSDF為大豆可溶性膳食纖維。

圖1CMC、MCC與小麥淀粉之間的相互作用示意圖[49]

圖2菊粉提高大米淀粉凝膠凍融穩定性的潛在機理示意圖[52]

圖3 凍融循環次數對魔芋葡甘聚糖-大米淀粉凝膠微觀結構的影響[56]

在淀粉基食品體系中，膳食纖維的添加能限制分子的流動性和冰晶的形成，顯著提高了淀粉糊和淀粉凝膠的凍融穩定性，即使是在幾次凍融循環后，凝膠硬度增加適度，仍能保持平滑，所以膳食纖維多被用作冷凍穩定劑[25]，如在菜豆淀粉中的β-葡聚糖、瓜爾豆膠、果膠、黃原膠[53]、大米淀粉中的細菌纖維素[54]。但大豆可溶性多糖卻降低了葛根淀粉、蓮花淀粉的凍融穩定性，可能是由于大豆可溶性多糖與兩淀粉的直鏈淀粉分子不相容[55]。

膳食纖維的聚合度、添加量、凍融循環次數以及環境條件是膳食纖維對淀粉凍融穩定性影響的重要因素。研究發現，低聚合度的菊粉具有更高的持水性，在降低大米淀粉凝膠的吸水性方面更有效，聚合度越低越能提高大米淀粉凝膠的凍融穩定性[52]。Charoenrein等[56]發現0.5%KGM能延緩具有海綿狀結構的大米淀粉凝膠引起的結構變化，更有效地提高淀粉凝膠的凍融穩定性，而且由圖3可以看出KGM在第一次凍融循環后有效地穩定了淀粉凝膠的微觀結構，但在連續凍融循環后失去了穩定能力，出現了較大孔隙，但淀粉凝膠周圍的基質比未添加KGM的較強。不同環境條件下膳食纖維對淀粉凍融穩定性的影響有所差異，如黃原膠在pH值為7的條件下對木薯淀粉凍融穩定性的影響最大，混合體系最穩定，而在酸性條件下(pH=3)形成了較大的冰晶，破壞了黃原膠-木薯淀粉網絡結構，從而增加了5次凍融循環后的析水率[57]。

4 膳食纖維對淀粉其他性質的影響

膳食纖維影響淀粉的形態結構特性。研究發現，殼聚糖使蠟質玉米淀粉粒徑分布范圍明顯增大，且使淀粉最大顆粒粒徑幾乎擴大了3～4倍[58]。這可能是殼聚糖良好的成膜性使許多淀粉顆粒黏結在一起，外表面覆蓋一層薄膜。而玉米纖維膠對小麥淀粉顆粒結構有一定的浸出抑制作用，能夠使淀粉顆粒糊化后形態清晰[12]。Zhou等[59]研究了添加黑木耳多糖的山藥淀粉在4 ℃儲存24 h后的凝膠微觀結構，發現隨著多糖含量的增加，凝膠顯示出更牢固的交聯網絡結構，當混合比增加到5.2/0.8時，孔隙周圍的基質更厚、更具彈性。這可能是由于黑木耳多糖具有梳狀支化結構和在水溶液中的剛性鏈構象，表現出良好的水溶性、高黏度和較寬溫度范圍內的強熱穩定性等獨特特性[60]。

此外，膳食纖維還對淀粉的凝沉性、溶解度、膨脹度等理化性質有所影響。研究表明，豆渣膳食纖維降低了馬鈴薯淀粉的透明度、膨脹度和凝膠強度，增強了淀粉的凝沉性[61]，這可能與豆渣膳食纖維的性質有關。豆渣膳食纖維幾乎不溶于水且不透明，它的加入使體系的濁度增加，從而降低了透明度。另外，豆渣膳食纖維的吸水性較強，會和淀粉競爭結合水，降低了淀粉與水相互作用的機會，并能破壞淀粉分子之間的網絡結構，降低體系的穩定性，使膨脹度和凝膠強度降低、凝沉性增強。Zhou等[59]發現黑木耳多糖能顯著增加山藥淀粉的膨脹度、溶解度和平均體積直徑，而浸出直鏈淀粉含量則隨黑木耳多糖含量的增加而降低。這可能是由于黑木耳多糖對淀粉顆粒表面施加剪切力或滲透壓，使顆粒吸水量增加，從而使淀粉更易于溶解膨脹，而多糖又通過氫鍵與淀粉之間產生了強相互作用，降低了混合體系中游離直鏈淀粉的含量。

6 總結與展望

膳食纖維和淀粉的種類、結構是影響淀粉性質的重要因素。這些因素一方面改變了淀粉的吸水性，進而影響了淀粉的性質；另一方面，不同膳食纖維添加到不同淀粉中，也改變了淀粉分子之間、淀粉與水分子之間的相互作用，破壞了淀粉分子之間的三維網絡結構，使得膳食纖維與淀粉之間形成氫鍵或靜電，進而影響了膳食纖維與淀粉之間的相互作用。這說明膳食纖維對淀粉性質的影響不僅與膳食纖維和淀粉自身的性質有關，還與兩者之間的相互作用密切相關。

目前，絕大多數研究者是利用基本測定手段來表征膳食纖維對淀粉性質的影響，處于影響機理初探階段，而今后應該更多地從分子層面來探究膳食纖維與淀粉之間的作用機理。