不同淀粉的形態結構、營養特性及質量控制技術研究進展

王改琴，丁子儒，鄔本成，耿文靜，劉春雪，沈 波，徐 瑞

（安佑生物科技集團股份有限公司，江蘇蘇州 215437）

淀粉是以α-葡萄糖為結構單位形成的聚合多糖，多以淀粉粒的形式貯藏于谷物籽實的胚乳中或豆科種子的子葉里。淀粉也是禾谷類籽實中最主要的貯能物質，是家畜最重要的能量來源，可提供40% 以上能量來保證動物機體正常的生理及生產需要，淀粉原料成本占飼料成本的50% 以上[1]。除作為家畜的能源物質分解供能外，淀粉也是一種重要的飼料黏結劑，在顆粒飼料的成形以及水產飼料的耐水穩定性方面發揮重要作用。因不同淀粉的性能以及價格存在差異，市場上一些淀粉質原料可能存在摻假摻雜的問題。為此，本文就淀粉的來源、組織結構、功能以及顯微鏡檢等方面做一綜述，以期為淀粉的合理利用以及原料質量評判提供參考。

1 淀粉的分類

根據來源的不同，淀粉可分為谷物淀粉、豆類淀粉和塊根塊莖類淀粉三大類。谷物原料中淀粉含量在65%以上，常見的谷物淀粉來源于玉米、小麥、稻谷、高粱、大麥等。豆類原料中淀粉相對較少，含量約35%，用于制作相關淀粉的豆類包括豌豆、蠶豆、綠豆等。干燥的塊根塊莖中淀粉含量在70%左右，是優質的淀粉來源，這類淀粉包括馬鈴薯淀粉、木薯淀粉和甘薯淀粉等。從世界范圍來看，經深加工獲得的純淀粉產品有82% 源自于玉米、8%源自于小麥、10%源自馬鈴薯和木薯[2]。我國玉米淀粉在2018 年產量達2 815 萬t，約占國內淀粉總產量的95%[3]。

根據分子結構的不同，淀粉又可分為直鏈淀粉和支鏈淀粉，兩者都是葡萄糖的聚合體，但理化性質有所不同。直鏈淀粉的相對分子質量1.0×104～2.0×106，相當于250～300 個葡萄糖分子，由α-D-葡萄糖經α-1,4-糖苷鍵連接而成，通常卷曲成螺旋形，易溶于熱水。支鏈淀粉的相對分子質量大，為5.0×104～4.0×108，相當于6 000 個以上的葡萄糖分子，主要以α-1,4-糖苷鍵形成糖鏈，以α-1,6-糖苷鍵形成分支點（占5%～6%），每一支鏈中有24～30 個葡萄糖殘基。支鏈淀粉不溶于水，只有在加溫加壓時才能少量溶解于水。

植物種子中的淀粉以支鏈淀粉為主，通常含量為75%～80%；直鏈淀粉為輔，含量為20%～25%。但不同品種、不同地區的植物淀粉組成也存在較大變異（表1）。閔晶晶等[5]測定發現，大麥的直鏈淀粉含量存在較大差異，其中黑大麥的直鏈淀粉含量顯著高于其他品種。另有學者依據支鏈淀粉和直鏈淀粉的比例不同將大麥淀粉分為蠟質大麥淀粉（＜2%）、普通大麥淀粉（約25%）、高直鏈大麥淀粉（約40%）3 類[7]。此外，有學者研究發現，東北玉米的直鏈淀粉含量平均在23.70%，變異系數較大，達到6.33%[8]。

表1 不同作物直鏈淀粉和支鏈淀粉的含量

2 淀粉的形態結構

淀粉一般是以單粒或復粒形態的淀粉顆粒存在于植物體內。復粒淀粉顆粒是指許多單粒淀粉顆粒形成的聚合體，其外有包膜。玉米、小麥、蠶豆等的淀粉粒為單粒；而稻谷、燕麥的淀粉粒以復粒為主，馬鈴薯的淀粉一般為單粒淀粉，但有時也形成復粒或半復粒。

不同種類的淀粉顆粒在組織結構、大小及形態上均有所不同，因此形態結構特征是鑒定淀粉產品、糧食粉及其粉制品的依據。許多學者對玉米、小麥、稻谷等各種常見的植物淀粉粒形態進行了粒徑測量和圖譜分析[9-10]，以便于指導實際生產中利用淀粉結構特征來進行食品檢驗檢疫、淀粉食品真偽及質量等級的鑒定工作。張紅生等[4]總結了各類淀粉的粒徑大小及形態結構特征（表2）。當然，同一種來源的淀粉受品種、生長環境、成熟度、地域以及直鏈淀粉含量等影響，其形態特征也存在些許差異。在常見的淀粉粒中，馬鈴薯淀粉顆粒最大，呈有環紋的卵圓形，小的則為圓形[11]。其次為小麥淀粉粒和玉米淀粉粒，稻米淀粉顆粒最小，為5 μm[12]。淀粉在冷水中不溶解且沉淀很快，其沉淀的速度因顆粒的大小而不同，顆粒越大，沉降速度越快，因而也可用沉降速度的差異進行淀粉分級。

表2 不同作物種子的淀粉粒特征[4]

為此，安佑集團品管中心實驗室利用生物顯微鏡鏡檢技術，觀測高倍鏡下不同淀粉原料的顯微結構特征，其結果如圖1～13，混有其他原料的小麥淀粉檢測結果見圖14、15，其中小麥淀粉又分為較大粒徑的A 淀粉和小粒徑的B 淀粉。A 類淀粉主要為圓形，平均粒徑在10～35 μm，多用在食品工業中，而小顆粒的B 淀粉顆粒為橢圓形，平均粒徑在1～10 μm，主要用在發酵原料和畜牧行業中[13]。

圖1 綠豆淀粉（400×）

圖2 豌豆淀粉（400×）

圖3 大麥淀粉（400×）

圖4 木薯淀粉（400×）

圖5 馬鈴薯淀粉（400×）

圖6 高粱淀粉（400×）

圖7 燕麥淀粉（400×）

圖8 蕎麥淀粉（400×）

圖9 大米淀粉（400×）

圖10 小米淀粉（400×）

圖11 玉米淀粉（粉質玉米，400×）

圖12 玉米淀粉（角質玉米，400×）

圖13 小麥淀粉（400×）

圖14 小麥粉混有木薯淀粉（400×）

3 不同淀粉的營養特性

淀粉的消化利用率很高，是家畜的主要能量來源。經口腔采食，接觸唾液淀粉酶即可開始水解消化，為動物的生產提供能源。受淀粉的組成及組織結構不同的影響，家畜對不同來源淀粉的消化率及血糖反應也同樣存在差異[14]，進而對動物的生理影響也不同，最終表現為生產成績的差異。

3.1 直鏈淀粉和支鏈淀粉 原料中直鏈與支鏈淀粉的相對比例直接影響淀粉的消化速度及消化率。通常直鏈淀粉比支鏈淀粉容易水解，但變性老化的直鏈淀粉因空間結構變化不易與消化酶接觸而相對難水解。抗性淀粉具有很強的抗消化酶酶解特性，不易被小腸消化吸收，但可在大腸被發酵利用，其在調節機體糖脂代謝方面具有積極作用[15]。在常見谷類中，大米中直鏈淀粉相對較多、淀粉粒徑很小，與消化酶接觸面積大，容易水解，因而可快速消化吸收且消化率很高。而玉米、麥類存在支鏈、淀粉粒徑較小，消化速度相對較慢，消化率高。受品種影響，蠟質玉米中直鏈淀粉含量高，消化速度快；普通玉米支鏈淀粉含量最高，消化相對緩慢；糯質玉米基本不含直鏈淀粉，消化率最慢[16]。直鏈淀粉含量越高，其越易產生更多的抗性淀粉[17]。因此，蠟質玉米消化快但消化率低，而普通玉米消化略慢但全腸道消化率很高。

Yang 等[18]在斷奶公豬上的研究發現，與普通玉米相比，飼喂糯玉米組仔豬對日糧淀粉、蛋白質的表觀消化率顯著下降，可降低斷奶后第2 周的平均日增重和日采食量。在PIC 閹割豬上的試驗證實，玉米來源淀粉的消化利用率較好，其作為主要能量來源時可提高閹割公豬的生產性能，但玉米和土豆淀粉以適當比例搭配時粗蛋白質及礦物質的消化率更高[19]。國外的研究也證實，碎米-大麥淀粉來源的日糧組合（碎米占總淀粉的45%）中可快速消化直鏈淀粉含量最高，玉米-大麥搭配組和大麥組中支鏈淀粉含量高，消化速度相對最慢，而大麥-豌豆搭配組抗性淀粉含量最高[20]。由于不同來源的淀粉其直鏈和支鏈比例不同導致淀粉的消化速度存在差異，進而會對動物的血糖水平和胰島素的分泌調控產生影響。當飼糧直鏈淀粉含量較高、消化速度過快時，淀粉將在小腸前段迅速水解并釋放大量葡萄糖，導致后腸葡萄糖供給不足，進而增加蛋白質的氧化供能，使得日糧中氮的利用未能得到有效利用[21]。因此，通過合理搭配不同飼料原料，使得日糧中含有不同消化速度的淀粉，進而確保家畜腸道內葡萄糖的穩定釋放，這對于提高飼料中氮的利用率和保持動物良好生產性能具有重要意義[22]。日糧中淀粉的支鏈與直鏈最佳比例需求還受動物種類、品種、年齡以及日糧組成的影響。在豬上面，仔豬飼料中直鏈淀粉含量越高越有利于機體對蛋白質的利用率；而在育肥豬上，適當提高直鏈淀粉含量可有效減少體脂的沉積，如豌豆淀粉可以減少肥豬背膘沉積[20]。因此，應根據畜種及生產需求適當調整日糧淀粉源的選擇和搭配以達到最佳的生產目標，其中，日糧中直鏈與支鏈淀粉比值為0.28 時育肥豬的生產性能最好[23]，羅非魚日糧中比值為0.24 時最佳[24]。

3.2 抗性淀粉 淀粉中還有一類不易被動物腸道消化利用的抗性淀粉[25]，這類淀粉很難被體內消化酶水解，但其具有分子結構較小、持水性差、低熱能的特性，具有促進機體對礦物質吸收、調控腸道微生物區系、保持機體健康等功效，在食品上可用于減肥、減少便秘、防治糖尿病、降血脂類產品[26-28]。馬鈴薯、豌豆、大米等都含有抗性淀粉，特別是蠟質玉米含抗性淀粉高達60%，而馬鈴薯的抗性淀粉含量高且顆粒較大，消化速度及消化率均低于其他淀粉原料。劉素君等[29]研究發現，不同品種的小麥抗性淀粉含量存在差異，小麥的抗性淀粉在1.47%～2.28%，平均值在1.88%。除了植物天然含有的抗性淀粉以外，抗性淀粉還包括老化淀粉、包埋淀粉和化學改性淀粉。飼料中常見的抗性淀粉主要來源于天然抗性淀粉和老化淀粉。老化是指糊化淀粉在緩慢冷卻或在常溫下久置時變得渾濁，甚至產生沉淀的現象[12]，通常直鏈淀粉更易老化。淀粉老化時分子間斷裂的氫鍵會逐漸恢復，重新形成致密、高度晶化的淀粉顆粒。老化的淀粉難以被淀粉酶水解，不利于動物消化利用。陳化糧中的淀粉顆粒也存在老化現象。資料顯示，陳化大米的淀粉總量及支鏈淀粉含量下降，會導致直鏈抗性淀粉增加[30]，其整體的消化吸收率下降。同理，陳化玉米的淀粉消化率也下降，能值低于正常玉米，且脂肪酸值等會增加，適口性變差，這類陳化糧使用時應特別注意用量。

與玉米、糯米相比，抗性淀粉會降低斷奶仔豬的平均采食量和增重，其原因在于抗性淀粉的消化率低，導致斷奶仔豬對蛋白質、能量及干物質的消化率降低[31]。在育肥豬上的研究發現，日糧中添加玉米和豌豆淀粉各50%時，育肥豬在體重25～75 kg 飼養階段中對礦物質鈣和磷消化利用率極顯著高于玉米淀粉組，由此推測豌豆含有較多的抗性淀粉，其可改善腸道的發酵功能，產生的有機酸促進了相關礦物質的消化吸收[19]。此外，飼喂抗性淀粉也可改善豬的后腸微生物菌群及增加有益代謝產物，進一步改善機體腸道健康。

3.3 糊化淀粉 糊化是指天然β-淀粉顆粒在適當熱量的作用下，吸水膨脹并破裂成有黏性的糊狀物，此狀態的淀粉稱為α-淀粉，通常支鏈淀粉更易糊化。淀粉糊化的本質是在熱能作用下，淀粉分子間氫鍵被打破，原來緊密有序的分子結構變的松散無序，更易于與消化酶發生作用而被機體利用。糊化淀粉多用在食品中，而畜牧生產上則通過對原料或飼料進行擠壓、膨化或調質等技術手段來提高淀粉的糊化度，提高其消化吸收率，并改善顆粒飼料加工品質。糊化度是顆粒飼料質量的重要評價指標，淀粉糊化度越高，顆粒硬度越大，也越容易被消化酶分解和利用，進而提高飼料的整體消化率，改善家畜的生長性能[32]。顆粒飼料的糊化度受日糧中淀粉來源、淀粉粒大小、調質壓力、蒸汽通量、溫度以及調質時間的影響。玉米的粉碎細度、調質溫度及淀粉直支鏈比例對淀粉的糊化度有顯著影響。李冰冰等[33]研究發現，當玉米的粉碎粒度為0.25 mm，調質溫度85℃時，淀粉的糊化度最好。而黃偉等[6]研究認為，玉米在水分26%、溫度89～96℃、壓力越高時，淀粉的糊化度越好。豌豆淀粉的水分在25%，螺桿轉速180 轉/min，90℃擠壓時，其水解度最高，抗性淀粉含量降到低，擠壓可以改善豌豆淀粉的體外消化率[34]。此外，不同來源的淀粉其糊化也存在差異，在常見飼糧谷物中小麥淀粉的制粒效果最好，其次為大麥淀粉，而玉米淀粉最差。這也解釋了日糧中使用小麥或小麥粉、次粉后，飼料含粉率降低，顆粒品質會得到改善。此外，陳化谷物淀粉由于營養物質的損失以及淀粉的老化導致其在飼料中的利用效果受影響。而使用膨化技術或添加適當的酶制劑可以改善豬只對陳化谷物的淀粉糊化度，提高其表觀回腸消化率[35]，從而彌補不足，表現出與正常谷物相同的飼喂效果。

在水產飼料中，淀粉主要做為黏結劑來提高水產顆粒料的沉水穩定性[12]。劉勤生等[36]發現，在95℃時馬鈴薯淀粉的黏度值最高，其次為玉米淀粉，最低是紅薯淀粉。國外的研究也同樣說明在水產料中，馬鈴薯淀粉的膨脹率高于小麥淀粉，水中耐久性也最高[37]。因此，根據實際生產需求有針對性地選用合適的淀粉源尤為關鍵。

3.4 膠化淀粉 膠化淀粉是利用高溫或相關化學技術手段使淀粉粒破碎后形成改性淀粉。因淀粉分子中存在較多高強度化學氫鍵結合的羥基基團，使得其具有不同程度的抗壓碎或抗漲破特性，因此又被稱為可壓性淀粉。在常見淀粉中，馬鈴薯的淀粉顆粒必須經過高溫高壓處理，才能保證豬禽消化道中的酶進入淀粉粒內，從而提高其消化利用率。通常膠化淀粉多用在食品和醫藥領域，在畜牧行業應用較為少見，本文不做贅述。

4 不同淀粉質量鑒定

不同或相同谷物類原料的淀粉質量控制可通過檢測其直鏈、支鏈淀粉以及抗性淀粉的含量等理化指標做品質控制。同時感官品質鑒定也必不可少，每種淀粉均有其特有的感官、色澤和氣味。通常品質優良的淀粉色澤潔白有一定光澤，品質較差或時間太久的淀粉則呈黃白色或灰白色，并缺乏光澤。淀粉的光澤也與顆粒大小有關系，淀粉顆粒越大，光澤度越好。氣味上要求不得有酸味、霉味或其他異味異臭。

對淀粉做快速質量鑒定時還可利用與碘液的顯色反應和顯微鏡檢技術進行觀測甄別。顯色反應的原理在于直鏈淀粉的空間結構可絡合更多的碘而呈現深藍色，而支鏈淀粉雖有螺旋卷曲結構，但其支鏈長度較短，束縛碘分子能力弱，使其在遇碘溶液時常顯紫紅色或紅色[38]。通常糯質種子（如糯質玉米）中幾乎只有支鏈淀粉而沒有直鏈淀粉[6]，所以鑒定谷物種質是糯還是非糯，可將其胚乳與碘反應，呈紫紅色的為糯性，呈藍黑色的為非糯性。顯微鏡檢則可通過生物顯微鏡下觀測原料的淀粉粒微觀結構來做評判，結構特征參考表2 及圖1～13。

飼料所用的淀粉來源中，最易摻雜摻假的是小麥粉（即面粉）。小麥粉在幼畜料及水產料中應用較為普遍，其在能量供應、顆粒料品質和耐水性方面都表現出很好的效果。實際生產中，一些價格較為便宜的食品原料下角料或臨期淀粉類產品（如玉米淀粉、木薯淀粉、紅薯淀粉等）會被人為摻入到高蛋白小麥粉中以次充好。受摻雜量的比例控制，摻雜小麥粉的理化指標通常均能符合普通小麥粉的規格，因此從指標上不易做出摻雜判斷。從動物試驗數據資料來看，雖然不同來源的淀粉對斷奶仔豬生產性能有些許影響，但未達顯著水平[39]，且木薯淀粉和玉米淀粉的消化率均高于小麥淀粉，但如果是馬鈴薯淀粉或食品中臨期及下腳料的淀粉可能存在老化情況，此類淀粉的消化利用率會大打折扣。此外，木薯淀粉和玉米淀粉對畜禽顆粒飼料粒型品質方面會有影響，特別是在水產料中對沉水穩定性的影響更大。因此，小麥粉的淀粉質量鑒定顯得很必需且重要。此類淀粉的摻雜最易通過生物顯微鏡鏡檢技術觀測原料中淀粉顆粒大小及微觀形態結構做質量控制。圖14 和圖15 為生物顯微鏡下小麥粉中摻雜有木薯淀粉和玉米淀粉的案例。因此，顯微結構觀測技術可為飼料生產企業原料現場品控所用，且簡單易操作，監控成本低。

圖15 小麥粉混有玉米淀粉（400×）

5 小 結

淀粉是動物能量需要的重要來源。不同來源的淀粉其理化性質、分子結構及組織形態結構存在較大差異，進而對動物的生長性能、營養物質利用率以及顆粒飼料的加工特性等產生很大影響。粒型特征是淀粉類產品品質鑒定和質量分析的關鍵依據，在食品和飼料中均適用。通過了解不同淀粉的理化性質、結構特征，利用碘滴定法及生物顯微鏡檢技術辨識淀粉性質及摻雜摻假情況，可有效監控飼料中淀粉質原料小麥粉的品質，此項技術在飼料生產企業中具有應用價值，值得進一步研究和推廣。