木薯淀粉-黄原胶复配体系中淀粉糊化机理

朱 玲，张雅媛，洪 雁，顾正彪

木薯淀粉-黄原胶复配体系中淀粉糊化机理

朱 玲，张雅媛，洪 雁*，顾正彪*

(食品科学与技术国家重点实验室，江南大学食品学院，江苏 无锡 214122)

采用光学显微镜(LM)及扫描电子显微镜(SEM)观察木薯淀粉、木薯淀粉-黄原胶复配体系在糊化过程中淀粉颗粒形态的变化。淀粉糊化是淀粉与水分相互作用的过程，利用核磁共振仪(NMR)测定质子自旋-自旋弛豫时间(T2)，来反映体系糊化过程中黄原胶对水分运动性的影响；通过测定渗漏直链淀粉含量，反映黄原胶对木薯淀粉糊化过程中链段运动性的影响，从而探究木薯淀粉在黄原胶为连续相体系中的糊化机理。结果表明：黄原胶一定程度上可抑制升温过程中淀粉颗粒的膨胀，同时SEM图显示黄原胶包裹于木薯淀粉颗粒周围，形成空间位阻使得淀粉颗粒分散均匀，与淀粉糊具有良好的相容性；升温过程中质子自旋-自旋弛豫时间(T2)的差异体现了糊化过程中水分分布及结合程度的变化，由于黄原胶的吸水及包裹作用使得淀粉糊化温度升高，热糊稳定性提高，表现为T2先降后升的拐点由50℃升高至60℃及95℃较高的T2；黄原胶的加入使得体系中链段运动性降低，表现为直链淀粉渗漏量随着黄原胶配比增加而减少。

木薯淀粉；黄原胶；水分；糊化；机理

淀粉因其来源广泛，兼有增稠、稳定等功能，在食品工业中受到广泛应用。但由于原淀粉易老化、析水等缺点，限制了其应用[1-2]。亲水胶体与淀粉复配用于食品体系中，可控制水分流动，赋予食品良好的质地，改善产品的质量和体系的稳定性，改善食品加工储藏性能[1]。淀粉主要以淀粉糊的形式应用于食品工业中。因此，了解亲水胶体对木薯淀粉糊化特性影响机理，对于掌握它们赋予食品特定功能特性的规律是至关重要的。

淀粉的糊化是水分与淀粉相互作用的过程，水分的分布及与链段结合程度、淀粉颗粒结构，皆随着亲水胶体的加入发生一系列的变化，本实验通过观察黄原胶(xanthan gum，XG)对木薯淀粉(tapioca starch，TS)颗粒结构、水分分布及链段运动性的影响，初步探究木薯淀粉在黄原胶体系中的糊化机理。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料

木薯淀粉 广西武鸣县吉瑞淀粉厂；黄原胶 苏州丹尼斯克(中国)有限公司 。

1.1.2 仪器与设备

快速黏度分析仪(RVA，Tecmaster) 澳大利亚Newport Scientific公司；LW200光学显微镜 上海光学仪器厂；BT-1600型图象颗粒分析系统 辽宁丹东百特公司；QUANTA-200型扫描电子显微镜 美国FEI公司；核磁MQC23 牛津仪器公司；WFJ2000分光光度计 尤尼柯(上海)仪器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 糊化特性研究

分别称取不同质量比的木薯淀粉-黄原胶(10:0、9.5:0.5、9.0:1.0、8.5:1.5、8.0:2.0)与去离子水混合于RVA专用铝盒内，调制成质量分数6%的混合悬浮液(以干基计)。RVA测定程序如下：10s内转速由960r/min降到160r/min并稳定，从50℃开始升温，经过3min 42s升至95℃，并保温1.5min，经过3min 48s降温至50℃，50℃保温2min。

1.2.2 光学显微镜观察木薯淀粉及木薯淀粉-黄原胶体系中淀粉颗粒结构变化

取不同温度(50、60、70、80、95℃)下恒温20min的木薯淀粉、木薯淀粉-黄原胶(质量比为8.0:2.0)，滴至载玻片上，用0.1mol/L碘液染色，盖好盖玻片后，在光学显微镜(×400)下观察并拍摄木薯淀粉颗粒形态[3]。

1.2.3 扫描电子显微镜观察木薯淀粉及木薯淀粉-黄原胶体系微观结构

称取一定质量木薯淀粉、木薯淀粉-黄原胶(质量比为8.0:2.0)，分别加入去离子水配制成质量分数6%的混合液。在设定温度条件下(50、60、70、80、95℃)搅拌均匀，并保温20min，糊化后的样品冷冻干燥。

取不同温度下处理并经冷冻干燥的样品先用戊二醛固定，磷酸缓冲液淋洗，再用锇酸固定，磷酸缓冲液冲洗，然后以不同体积分数的乙醇脱水，最后在临界点干燥，涂以铂-钯合金。在扫描电子显微镜下观察木薯淀粉、木薯淀粉-黄原胶糊化过程中的微观结构[4-6]。1.2.4核磁共振测定弛豫时间

称取不同质量比例木薯淀粉-黄原胶于试管中，加入去离子水配置成质量分数6%的混合液，与恒温水浴中升温至相应温度(30、50、60、70、80、95℃)。样品在每个温度下恒温30min后开始测定，利用Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)脉冲序列测定样品自旋-自旋弛豫时间(T2)。将预处理的样品分别置于永久磁场(20Mz)射频圈中心进行测定。实验参数如下：采样点1024、回波个数380、重复扫描次数8、弛豫衰减时间1000～2000ms。结果分别以单指数模型其中A是信号幅度；A0是热平衡时质子的信号幅度；t是时间变量，拟合T2研究水分在木薯淀粉、木薯淀粉-黄原胶体系中的运动情况[7-9]。

1.2.5 渗漏直链淀粉含量的测定

准确称取一定量样品置于三角瓶中，加入蒸馏水配置成总固形物含量为2%木薯淀粉-黄原胶共混体系(木薯淀粉-黄原胶质量比为10.0:0、9.5:0.5、9.0:1.0、8.5:1.5、8.0:2.0，添加黄原胶体系，淀粉质量不变，添加水使得总固形物不变)，在沸水浴中糊化20min，冷却后在13000×g离心20min，用蒸馏水将上清液转移至100mL容量瓶中并稀释至刻度。准确吸取1mL定容后的溶液，加入1mol/L醋酸1mL、0.01mol/L碘液2mL，用蒸馏水定容至100mL作为待测样品。取100mL容量瓶中加入1mol/L醋酸1mL，0.01mol/L碘液2mL，用蒸馏水定容，作为空白对照。所有样品室温下避光静置20min，在波长620nm处测定吸光度，用马铃薯直链淀粉作为标准样品并得出标准曲线(y=0.2171x＋0.0088，R2=0.9982)，计算得不同试样中渗漏的直链淀粉含量[10]。

2 结果与分析

2.1 糊化特性

表1 木薯淀粉-黄原胶共混物的糊化特性Table 1 Gelatinization properties of tapioca starch-xanthan gum system

由表1可知，随着黄原胶在共混体系中比例的增加，峰值黏度、崩解值、终值黏度显著增加，黏度的增加，使得共混体系相对于原淀粉体系更有利于作为增稠剂在食品体系中应用。同时，回值随着黄原胶添加量的增加而降低，回值表示温度降低时，分子聚集作用发生的程度，即回生的程度。回值越低，回生越不明显。由此可知，黄原胶一定程度上抑制了淀粉的回生，这将提高淀粉基食品在储藏中的稳定性。同时，成糊温度、糊化时间一定程度提高，这与黄原胶本身的亲水性有关。黄原胶一定程度上改善了木薯淀粉的糊化特性，有关黄原胶对木薯淀粉糊化特性影响的机理在下文将做进一步阐述。

2.2 黄原胶对木薯淀粉糊化过程中颗粒结构变化影响

图1 光学显微镜观察木薯淀粉(a)、木薯淀粉-黄原胶(b)中淀粉颗粒结构(×400)Fig.1 Granular structures of tapioca starch and tapioca starchxanthan gum system examined by light microscope and scanning electrode microscope (×400)

淀粉糊化过程是淀粉颗粒吸水-颗粒膨胀-分子扩散的过程。通过光学显微镜观察不同温度下添加/未添加黄原胶的体系中木薯淀粉颗粒结构的变化，从表观上能够说明黄原胶对淀粉颗粒结构的影响。由图1a可知，50、60℃时木薯淀粉颗粒稍有膨胀，70℃时颗粒膨胀明显，至95℃时颗粒结构几乎消失，淀粉颗粒破碎，完全糊化。由图1b可知，相同温度下的木薯淀粉颗粒膨胀程度较低，50℃几乎不膨胀，且颜色较浅，至70℃淀粉颗粒膨胀显著，95℃时淀粉颗粒膨胀度最高，且部分颗粒破碎，有完整颗粒存在。由此可知，黄原胶一定程度上抑制了淀粉颗粒的膨胀，提高了木薯淀粉颗粒耐热稳定性。

2.3 扫描电子显微镜观察木薯淀粉、木薯淀粉-黄原胶糊化过程

扫描电子显微镜(SEM)广泛应用于淀粉的研究中，主要用于观察淀粉颗粒的表面结构，用形态学来分析淀粉分子和测定淀粉颗粒的变化等[6]。通过扫描电子显微镜观察，观察糊化过程中木薯淀粉颗粒结构和黄原胶-淀粉体系的微观结构的变化，研究黄原胶与木薯淀粉相互关系及其对木薯淀粉颗粒结构的影响。

图2 木薯淀粉(a)、木薯淀粉-黄原胶(b)扫描电镜图Fig.2 SEM micrographs of tapioca starch and tapioca starch-xanthan gum

由图2a可知，50℃的木薯淀粉颗粒结构完整，呈现木薯淀粉特有的“头盔状”。60℃时淀粉颗粒开始膨胀，支链淀粉与少量渗漏出的直链淀粉溶解在水中包裹于淀粉颗粒周围；当达到70℃时，淀粉颗粒结构大部分消失；80℃时淀粉颗粒进一步破裂，淀粉糊成片状；当95℃时淀粉已糊化完全，淀粉渗漏量最大，体系中稠度变大，SEM图表现为褶皱状。

由图2 b可知，复配体系表现的颗粒结构有所不同。多糖之间相互结合方式有3种：相容(二者相互作用力类似于多糖自身作用力)、不相容(二者相互作用力相互排斥)、络合(二者相互吸引结合)。50℃的木薯淀粉-黄原胶体系表现为完整的木薯淀粉颗粒分散在溶于水的黄原胶中，木薯淀粉与黄原胶分散均匀，且由于木薯淀粉不带有离子，因而二者没有静电作用即相容体系；随着温度的升高(60℃)，淀粉颗粒开始膨胀，在黄原胶中分散更为均匀，由于黄原胶结合了体系中的部分水分及黄原胶的包裹作用使得木薯淀粉颗粒膨胀受阻，相对于原淀粉体系颗粒较小，且颗粒结构较完整；70℃淀粉颗粒膨胀度增加，溶于水的黄原胶与渗漏出的直链、支链淀粉形成均匀的连续相，未完全糊化的淀粉颗粒包裹于其中；随着温度的升高，淀粉糊化程度增加，体系成糊状。黄原胶在水溶液中呈现有序螺旋结构，侧链呈折叠状态，靠近主链[11-12]。随着温度的升高，构象转变为无序的无归线团(侧链离开主链)与淀粉链结合呈现无序的碎片状。温度升高至80℃，黄原胶构象呈现“棒状”形态，体系黏度由于黄原胶构象变化及淀粉糊化程度增加而显著增加；当温度至95℃，木薯淀粉-黄原胶体系，表面光滑，少褶皱，表明木薯淀粉、黄原胶分散均匀。

2.4 黄原胶在木薯淀粉糊化过程中对水分的影响

水分在不同体系中以不同的结合状态存在，维系水分子的作用力可以分为氢键结合力和毛细管力两类[13]。由氢键结合力结合的水分习惯上称为结合水或束缚水，与结合水相对应的水分称为自由水或游离水。木薯淀粉、木薯淀粉-黄原胶分散于水中形成多相体系，从热力学角度的理论来看，在升温过程中体系处于能量不稳定状态，体系中运动趋势为由高能级向低能级的热平衡态运动。随着水分进入淀粉颗粒，淀粉颗粒结构消失，直链淀粉、支链淀粉分散于水中，黄原胶溶于水中呈现双螺旋结构及特殊的网状次生结构，升温过程中皆与水分相互作用，因此，可以利用核磁共振仪(NMR)分析水分子的特性进而了解体系结构变化与水分的关系。

由波尔兹曼分布可知，低能级质子多于高能级质子，在恒定磁场中，高能级质子增加，最终导致两个能级的质子数相等。这时，质子将不再吸收能量，因此观察不到磁共振信号，质子达到饱和状态。停止射频，高能级的质子能以不产生电磁辐射的方式返回到低能级，最终导致不同能级的质子数分布恢复热平衡。质子数在不同能级的分布由饱和值向热平衡值恢复的过程，即高能态的质子向周围环境释放能量的过程称为弛豫过程[14-15]，检测质子的弛豫行为可直接反应水分子的流动性[16]。可由横向弛豫时间(T2)来表征质子的弛豫行为。较长的T2说明分子具有较高的流动性。当水和底物紧密结合时，它就高度地固定，T2会降低[17]。

由图3可知，木薯淀粉-黄原胶体系与单纯的木薯体系相比，不同温度下T2存在着差异，即水分运动性存在差异。水分运动性与温度引起的热效应及淀粉分子链伸长、链运动相关，且在不同温度范围内表征不同[17-18]。木薯淀粉体系在50℃前，T2稍有下降，由前面实验结果可知，此温度范围内颗粒结构无明显的膨胀，水分仅单纯的进入淀粉颗粒内，淀粉颗粒形成的空间位阻使得水分运动性降低，同时，较低温度下热效应引起的水分运动较弱，综合二者的作用使得T2稍有下降； 50～60℃后T2上升缓慢，60～70℃数值上升最为明显，至80℃达到最大值，即这段温度范围内水分运动性逐渐增强，其原因主要是温度升高过程中由于热量的传递使得水分运动加剧。同时，结合图1、2可知，50～60℃范围内，水分与无定形区的游离羟基相结合，淀粉缓慢吸收水分，产生有限的膨胀，此时温度引起的水分运动略高于淀粉对水分运动的阻碍，温度进一步升高；60～80℃范围内，温度引起的水分运动性进一步增强，淀粉颗粒膨润度增加明显，淀粉分子间氢键断裂，双螺旋伸直形成分离状态，淀粉的晶体结构遭到破坏，小的淀粉分子从淀粉颗粒中渗漏出来，水分在淀粉颗粒运动阻力下降，运动性增强；进一步升温至95℃，淀粉糊化完全，温度的升高使得水分中质子运动性增强，同时加快了其与淀粉分子链中氢键的交换速率，使得水分运动受淀粉链的束缚，因而自旋-自旋弛豫时间T2下降。

图3 不同质量比的木薯淀粉-黄原胶自旋-自旋弛豫时间(T2)变化图Fig.3 Relationship between T2 and temperature of tapioca starchxanthan gum with different ratios

由前面实验结果可知，一方面黄原胶抑制了淀粉糊化过程中的颗粒的膨胀；另一方面，黄原胶包裹于淀粉颗粒周围，使得淀粉在体系中分散更为均匀且形成的空间位阻一定程度上抑制了淀粉分子间相互作用。添加黄原胶的复配体系和木薯淀粉相比，不同温度下(除95℃外)的弛豫时间均有所下降，且随着黄原胶配比的增加，弛豫时间降低更为明显，此现象是由于黄原胶在较低的温度下溶于水形成连续相，淀粉颗粒作为分散相，相对于淀粉体系连续相黏度较高，且黄原胶溶于水形成三维结构，阻碍了水分的流动。30～60℃范围内，T2一直下降，温度升高热效应增加，水分质子运动性增强，但同时由于黄原胶的阻碍作用及淀粉颗粒内部空间位阻，水分运动性总体呈现下降趋势。60℃为弛豫时间先下降后上升的拐点，而不是像木薯淀粉体系中的50℃，其原因是由于黄原胶吸收了部分水分，延缓了淀粉糊化过程水分向淀粉颗粒中运动，使得淀粉膨胀及溶解降低，此与上述实验结果一致。60～80℃范围内，T2趋势与木薯淀粉体系相似。80～95℃范围内T2变化趋势与木薯淀粉体系相反，其归因于两个方面：一方面，温度上升，热效应；另一方面，淀粉分子进一步解聚，水分运动性空间变大，同时高温使得黄原胶空间结构由有序转变为无序结构，且黄原胶抑制了淀粉链的断裂及淀粉与淀粉之间的相互作用，使得水分运动性进一步增强，表现为T2上升。

2.5 黄原胶对木薯淀粉链段运动性的影响

淀粉的糊化一方面为水分进入淀粉颗粒内，与淀粉分子相结合，使得淀粉颗粒膨胀；另一方面，还包含淀粉链段的溶出；淀粉链段的伸展、运动与淀粉的黏度及回生特性密切相关。由前面实验可知，黄原胶吸收体系中的水分使得淀粉颗粒膨胀受阻，且由于黄原胶对淀粉颗粒的包裹作用使得水分进入淀粉颗粒的运动性减弱。直链淀粉的链状结构相对于支链淀粉的树状结构在体系中空间阻碍小，因而运动性较强。本实验通过测定不同配比木薯淀粉-黄原胶共混物中渗漏直链淀粉含量(图4)，探究黄原胶对木薯淀粉糊化过程中淀粉链段运动性的影响。

图4 不同质量比的木薯淀粉-黄原胶中渗漏直链淀粉含量变化Fig.4 Effect of tapioca starch-xanthan gum with different ratios on the leakage amount of amylose

由图4可知，随着黄原胶质量比的增加，体系中渗漏出来的直链淀粉含量降低。由此结果推测，黄原胶一方面通过延缓淀粉糊化，阻碍了淀粉颗粒中淀粉的渗漏；另一方面，阻止了渗漏出的淀粉链段进一步远程扩散，从而不同程度的减少直链淀粉在整个共混体系中的渗漏量，因而，在不同程度上使得淀粉糊连续相黏度增加。同时，糊化时木薯淀粉-黄原胶共混体系中，从淀粉颗粒中渗漏出的直链淀粉很容易暴露加入亲水胶体，在链段的聚合过程中，与单独的淀粉体系相比，亲水胶体将与直链淀粉竞争与其他直链淀粉结合，且少量支链淀粉的外长链也会渗漏出来参与作用。因而，淀粉链段之间的作用减弱，空间阻碍增加，使得淀粉回生减弱。

3 结 论

综上可知，淀粉糊化为淀粉与水分相互作用的过程，因而，从不同温度下黄原胶对淀粉颗粒、水分运动性、淀粉链段运动性的影响，研究在糊化过程中黄原胶与木薯淀粉的相互作用。糊化过程主要分为3个阶段：第一阶段，木薯淀粉糊化温度前，水分单纯地进入淀粉颗粒，淀粉颗粒完整且仅少量淀粉溶于水中，淀粉颗粒膨胀不显著，质子运动性随着温度上升而下降。由于黄原胶的冷水可溶性使得木薯淀粉-黄原胶体系水分运动性显著下降，且随着黄原胶添加比例的增加，现象越为明显，体系淀粉颗粒比单独的原淀粉体系中淀粉颗粒稍小，木薯淀粉均匀的分散于黄原胶中，二者具有较好的相容性。第二阶段，温度达到糊化温度，水分运动性下降，分子链伸展，结晶区消失，淀粉颗粒膨胀显著。由于黄原胶吸水且形成空间位阻使得水分相对于原淀粉体系流动性差，淀粉颗粒有限膨胀。第三阶段，淀粉糊化，淀粉颗粒消失，淀粉颗粒膨胀至极限，且有部分颗粒破碎，较高的温度促进了淀粉链与水分之间的作用，使得水分活度降低。黄原胶的加入使得淀粉颗粒膨胀受到抑制，溶解的淀粉链减少，且黄原胶与淀粉链段的作用抑制了淀粉链段之间相互作用，使得水分运动性进一步提高。

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Gelatinization Mechanisms of Tapioca Starch-Xanthan Gum System

ZHU Ling，ZHANG Ya-yuan，HONG Yan*，GU Zheng-biao*
(State Key Laboratory of Food Science and Technology, School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

The morphological change of starch granules in tapioca starch and xanthan gum during gelatinization process was observed by light microscope (LM) and scanning electron microscope (SEM). The starch gelatinization was an interaction process between starch and water. A low-field NMR technique was used to observe the dynamics of water molecules in biopolymer system. The leakage amount of amylose was measured to monitor the mobility of starch chain. According to spinspin relaxation time (T2) of dynamic water molecule during gelatinization process, the gelatinization mechanism of tapioca starchxanthan gum system was explored. Results indicated that xanthan gum exhibited a reduction of swelling power in tapioca starch. Uniform dispersed steric hindrance was observed in starch granules through LM and SEM. Meanwhile, tapioca starch granules well dispersed in xanthan gum through the observation of SEM. Xanthan gum increased gelatinization temperature and the stability of tapioca starch, which was due to inflection point from 50 to 60 ℃ and higher T2at 95 ℃. Mobility of starch chains were reduced due to the addition of xanthan gum, which could be explained by the declined leakage of amylose.

tapioca starch；xanthan gum；water；gelatinization；mechanism

TS231

A

1002-6630(2011)03-0081-05

2010-06-04

国家自然科学基金项目(21076096)；高等学校博士学科点专项科研基金项目(20100093110001)

朱玲(1985—)，女，硕士研究生，研究方向为制糖工程。E-mail：foodstarch@yahoo.cn

*通信作者：顾正彪(1965—)，男，教授，博士，研究方向为碳水化合物资源的开发与利用。

E-mail：zhengbiaogu@yahoo.com.cn

洪雁(1974—)，女，副教授，硕士，研究方向为碳水化合物资源的开发与利用。

E-mail：yan_er74hong@yahoo.com.cn