亲水胶体对淀粉理化性质影响的研究进展

郭晓娟，刘成梅，吴建永，周国辉，李中强（食品科学与技术国家重点实验室，南昌大学，江西南昌330047）

亲水胶体对淀粉理化性质影响的研究进展

郭晓娟，刘成梅*，吴建永，周国辉，李中强
（食品科学与技术国家重点实验室，南昌大学，江西南昌330047）

本文综述了亲水胶体对淀粉糊化性质、流变性质、凝胶特性、老化性质、热力学性质、成膜性质及膨胀能力的影响，探讨了亲水胶体影响淀粉理化性质的作用机制，进一步介绍了淀粉-亲水胶体混合体系的应用，以便为合理地选择和使用亲水胶体提供理论依据。

亲水胶体，淀粉，理化性质，机理

淀粉是人类食物的主要能量物质之一，它来源广泛且具有独特的理化性质。但是淀粉容易老化而析水，限制了其应用［1］。为改善淀粉理化性质，常将淀粉与其他物质混合使用。非淀粉亲水胶体是重要的食品改性成分，早在1950年就被用于淀粉类食品体系中［2］。加入合适的亲水胶体可以弥补原淀粉的缺点，例如可以增强淀粉糊的抗剪切性，改善产品质构、流变性质和持水性及防止淀粉脱水收缩等。为了使淀粉理化性质发生期望的变化，国内外做了大量研究。本文总结了不同亲水胶体对不同来源淀粉的理化性质影响，为合理地选择和使用亲水胶体提供理论依据。本文还探讨了亲水胶体对淀粉可能的作用机理。

1 亲水胶体的概念和种类

亲水胶体通常是指一类可溶解于水中，并在一定条件充分水化形成粘稠、滑腻或胶冻液的大分子物质，其化学组成通常为多糖或蛋白质。亲水胶体可以赋予水溶液和其他悬浮液很高的黏性或形成凝胶。亲水胶体的分类见表1。

在食品体系中需要的亲水胶体添加量甚微，通常为千分之几，但却能有效又经济地改善体系的性质，可作为增稠剂、凝胶剂、乳化稳定剂、持水剂及泡沫稳定剂等。

2 亲水胶体对淀粉理化性质的影响

2.1 亲水胶体对淀粉糊化性质的影响

当淀粉团粒在过量水中被逐渐加热时，将会达到一个转变点，此时偏光十字开始消失，淀粉团粒开始发生不可逆的膨胀。这些和淀粉团粒结构分裂有关的现象称为“糊化”。在本文中糊化可以被定义为团粒中分子有序排列的瓦解（氢键断裂），伴随着特性发生不可逆的变化，例如吸水、团粒膨胀、晶态体熔化、双折射消失、淀粉溶解以及黏度增加［3］。糊化性质包括峰值粘度、终值粘度、崩解值、回生值和糊化温度。添加亲水胶体通常使淀粉的峰值粘度和终值粘度增加［4-6］。张雅媛等发现添加瓜尔豆胶会使玉米淀粉和蜡质玉米淀粉的峰值粘度和终值粘度上升［4］。添加黄原胶也会使玉米淀粉的峰值粘度和终值粘度上升［5］。Techawipharat等发现添加羧甲基纤维素、甲基纤维素和Κ-、ι-、λ-卡拉胶均会使大米淀粉峰值粘度和终值粘度上升［6］。然而，Techawipharat等发现添加羟丙基甲基纤维素会降低大米淀粉的峰值粘度和终值粘度［6］。崩解值代表淀粉的耐剪切能力，其值越大代表耐剪切性越差。亲水胶体对淀粉崩解值的影响与胶体种类和淀粉来源相关。添加瓜尔豆胶可使玉米淀粉和木薯淀粉的崩解值上升［4，7］，而使阴离子木薯淀粉的崩解值下降［7］。添加黄原胶会使玉米淀粉和绿豆淀粉的崩解值下降［5，8］，木薯淀粉的崩解值上升［9］。亲水胶体对淀粉回生值的影响也与胶体种类和淀粉来源相关。高群玉等发现不同添加量的食品胶（瓜尔豆胶、魔芋微粉、卡拉胶、羧甲基纤维素、黄原胶）可以降低甘薯淀粉的回生值［10］，而张雅媛等发现添加瓜尔豆胶会增加玉米淀粉的回生值［4］。另外，亲水胶体影响淀粉的糊化温度。Chaisawang［7］、蔡旭冉等［11］发现亲水胶体的加入可以提高淀粉的糊化温度；而Sikora等［12］发现一些亲水胶体的加入会使淀粉的初始糊化温度降低。另外也有研究发现，盐类的加入会改变复合体系的糊化性质。黄金城等发现盐的加入增加了玉米淀粉-黄原胶的成糊温度、峰值黏度、崩解值和回升值［13］。

表1 亲水胶体的分类Table1 The classification of hydrocolloids

2.2 亲水胶体对淀粉流变性质的影响

淀粉质流体食品的流变特性影响食品的硬度、黏稠度和咀嚼度等，加工过程中原料的输送、搅拌、混合、能量的损耗等也与物料的流变特性密切相关。黏度系数、流变指数和流动能等是流变特性的重要参数。一些亲水胶体对某些淀粉流变性质的影响见表2。

从表2中可以看出，不同的亲水胶体与不同的淀粉作用会产生不同的流变效果，这可能与亲水胶体和淀粉的种类有关。值得注意的是，Witczak等［23］还研究了菊粉和果胶混合后对淀粉性质的影响，发现菊粉和果胶之间存在相互作用会对淀粉糊的性质产生影响。

2.3 亲水胶体对淀粉凝胶特性的影响

淀粉凝胶的粘弹性、强度、硬度等性质会影响食物的口感和速食性。亲水胶体的加入可以改善淀粉的凝胶性质。吴津蓉等研究了酸变性淀粉分别与卡拉胶、结冷胶、琼脂以不同的比例进行混合后，其凝胶强度、弹性、析水率几方面的变化。当变性淀粉与结冷胶为14∶1时各项性能较为接近明胶，可进一步为布丁点心类原料备选提供理论依据［26］。Tischer等对玉米淀粉、蜡质玉米淀粉、高直链淀粉、甘薯淀粉与ι-卡拉胶混合体系的凝胶性质进行了研究。结果表明ι-卡拉胶加入到高直链淀粉、玉米蜡质淀粉、玉米淀粉中，会形成柔软的热可逆凝胶，另外ι-卡拉胶加入到甘薯淀粉中，会增强体系的固体性质和凝胶的弹性［27］。Huang等对结冷胶、卡拉胶、魔芋葡甘聚糖对大米淀粉性质影响进行了研究，结果表明，低浓度（＜0.2%，w/w）的卡拉胶和高浓度（＞0.3%，w/w）的结冷胶都会显著增强凝胶的硬度和粘性，然而这三种胶体都不会影响混合凝胶的弹性［28］。郭洪娜发现黄原胶、瓜尔豆胶不同程度地降低了葛根淀粉的凝胶强度和回复性，凝胶硬度和粘连性随黄原胶浓度升高呈现先降低后上升的趋势，另外随着瓜尔豆胶添加量的增大，葛粉凝胶的粘连性也逐渐升高［29］。

2.4 亲水胶体对淀粉老化性质的影响

经过糊化后的淀粉在室温或低于室温下放置后，会发生凝沉，这种现象称为淀粉的老化。老化可以分为短期老化和长期老化。Yoshimura［30］、Funami等［31］发现胶体的加入会使淀粉的短期老化增强，长期老化减弱；Khanna等［32］也发现胶体的加入会减弱淀粉的长期老化。然而，也有研究发现胶体的加入不会影响淀粉的老化［33］。这可能与淀粉和胶体的种类有关。

析水率常被作为冻融稳定性的评判指标，析水率越小，淀粉糊的冻融稳定性越好。亲水胶体的加入通常使淀粉的冻融稳定性提高。林鸳缘等研究瓜尔豆胶对莲子淀粉冻融稳定性的影响，研究表明，添加瓜尔豆胶可大大降低莲子淀粉糊的析水率，提高莲子淀粉糊的冻融稳定性［34］。Lee等也发现海藻酸钠、瓜尔豆胶和黄原胶的加入可以显著降低马铃薯淀粉的析水率［35］。

表2 亲水胶体对淀粉流变性质的影响Table2 Effect of hydrocolloids on rheological properties of starch

2.5 亲水胶体对淀粉其他理化性质的影响

亲水胶体的加入对淀粉的热力学性质、成膜性质、溶胀度及微观结构等性质也会产生影响。Witczak等研究了菊粉和果胶单独及混合后加入对马铃薯淀粉热力学性质的影响，发现菊粉和果胶的加入会使老化后淀粉的转变焓降低［23］。吴佳敏等以抗拉强度、断裂拉伸应变、透湿性和透氧性为指标，研究食品胶对甘薯淀粉膜性能的影响，发现添加食品胶能够显著增加甘薯淀粉膜的抗拉强度，某些胶体可以降低淀粉膜的透氧性［36］；Lafargue等研究了添加Κ-卡拉胶对羟丙基豌豆淀粉膜的影响，结果表明，Κ-卡拉胶可以改变淀粉糊的流变学性质，但对最后形成膜的性质影响较小［37］。Rojas［38］、Song等［33］认为低浓度的亲水胶体会增加颗粒溶胀能力。然而，Alloncle［39］认为其实验所用胶体浓度不会影响淀粉颗粒溶胀。更多的研究发现胶体的存在会抑制颗粒膨胀［31，40］，这可能是由于亲水胶体固定或结合体系中的水分，从而使淀粉颗粒所获得的水分减少。Chaisawang等［7］对黄原胶与淀粉复配的混合物进行SEM扫描，发现黄原胶可以完全包裹木薯淀粉；唐敏敏等也发现黄原胶能填充于淀粉颗粒片段间，体系表面孔洞缩小，表面更加光滑，形成的结构更加致密［41］。

3 亲水胶体影响淀粉理化性质的机理

3.1 亲水胶体与淀粉之间的物理作用

亲水性胶体与淀粉由于热力学不相容性会产生相分离。一方面，这种相分离作用有助于增加淀粉分子间的相互作用，使直链淀粉更加接近，从而有助于分子缔合［42］；另一方面，位于连续相的亲水胶体分子对淀粉颗粒内支链分子结晶交联体系产生干扰，最终使凝胶体系的硬度和结晶度同时降低［31］。另外，亲水胶体分子包裹在淀粉颗粒表面，由于亲水胶体吸水作用，使得溶胀颗粒的周围水分分配量降低，实际浓度提高，从而使回生度增加［43-44］。也有研究发现，当淀粉颗粒吸水膨胀时，亲水胶体在连续相中的浓度会增加，从而导致体系粘度增加［39］。糊化过程中析出的直链淀粉可以与亲水胶体相互作用，从而阻止形成淀粉刚性结构，降低水分的析出，提高冻融稳定性［34］。

Yoshimura［45］、Tran等［46］则认为淀粉和亲水胶体分子之间没有相互作用。这种区别提示：只有特定的亲水胶体-淀粉聚合物分子才能形成复合物。

3.2 亲水胶体抑制或弱化淀粉分子的凝胶结构

Eidam等［14］认为大多数亲水胶体分子会弱化凝胶结构，使凝胶变得更加粘稠松软。Freitas［47］、Lai等［48］研究发现亲水胶体和淀粉分子间的相互作用会导致网状结构的形成和/或交联。Biliaderis等［40］还认为亲水胶体会干涉分子间交联的形成，减少网状结构的链接。

3.3 亲水胶体电荷、链长、分子量的影响

具有不同电荷、链长及分子量的胶体分子与不同的淀粉分子之间能够以不同的方式键合（如氢键等）。某些胶体带负电荷如黄原胶，分子之间会产生相互排斥，使分子链舒展，从而容易与淀粉糊中的直链淀粉相互作用形成氢键［49］；某些胶体如魔芋胶、瓜尔豆胶、凉粉草胶等是由糖苷键组成高分子多糖，其分子链上存在有较多的羟基，淀粉链上也含有较多的羟基，两者之间通常可以形成较强的羟基氢键作用［29］；Feng等［50］利用分子动力学模拟证实了凉粉草胶与大米淀粉分子之间可以形成氢键（如图1显示）。Qiu等发现不同分子量的玉米纤维胶会对混合体系的峰值粘度产生不同的影响［51］。

图1 凉粉草胶与大米淀粉分子之间形成的氢键网络结构Fig.1 Representation of hydrogen-bond network between starch and MBG，where dash line represents hydrogen-bond formed

3.4 亲水胶体与淀粉混合方式及实验方法的影响

Lai［48］、Closs等［52］认为胶体与淀粉相互作用与所用的淀粉、亲水胶体、实验条件和方法有关。Song［33］、Savary等［53］的某些实验结果（如膨胀能力）互相矛盾，也说明了这一点。

总之，亲水胶体对淀粉的影响与淀粉和亲水胶体的种类、结构、浓度及带电性等有关，也与实验所用的仪器、条件、材料制备方法及分析方法等有关。

4 亲水胶体-淀粉混合体系的应用

将淀粉和亲水胶体进行混合，发挥两者间的协同互补作用，既可减少原料用量，降低产品成本，又可扩大淀粉和胶体的应用范围。亚麻籽胶、瓜儿豆胶和变性淀粉组成的复配稳定剂应用于搅拌型酸奶的生产中，可以保证产品品质不变并延长搅拌型酸奶的保质期［54］。百合淀粉和食品胶可用于新型果冻产品的开发，使果冻具有百合淀粉特殊的功能作用和风味，并具有较好的口感和质构特性（如粘弹性、持水性和咀嚼性等）［55］。阿拉伯胶、麦芽糊精和变性淀粉混合制作成的微胶囊可用于包埋香精［56］。马铃薯淀粉/0.12%黄原胶复配体系可作为草莓酱的增稠剂［57］。淀粉衍生物与黄原胶、卡波姆复配凝胶可用到生产护肤凝胶中［58］。玉米交联淀粉和黄原胶的混合物可以作为控制药剂释放的成膜材料［59］。以马铃薯淀粉和黄原胶为单体制备得到淀粉黄原胶交联膜可用作淀粉基载药体系［60］。

5 结论与展望

向淀粉中加入适量的亲水胶体，可以改善体系的糊化性质、流变性质、凝胶特性、老化性质、热力学性质和成膜性等。随着对不同淀粉与不同亲水胶体以不同配比复配的深入研究，亲水胶体-淀粉混合体系在工业生产中的应用范围将会更加广泛。但随着人们生活要求的日益提高以及一些新兴亲水胶体和淀粉的出现，何种亲水胶体与何种淀粉以何种比例复配能够满足人们何种需求，需要进一步研究。另外，随着复配胶的广泛使用，又提出新的问题，即复配胶对淀粉理化性质的影响及机理有待进一步研究。

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Review on the effects of hydrocolloid on physicochemical properties of starch

GUO Xiao-juan，LIU Cheng-mei*，WU Jian-yong，ZHOU Guo-hui，LI Zhong-qiang
（State Key Laboratory of Food Science and Technology，Nanchang University，Nanchang 330047，China）

Effects of hydrocolloids on physicochemical properties of starch were reviewed in this paper，including pasting properties，rheological properties，gel properties，retrogradation properties，thermal properties and filmforming ability.Furthermore，the interaction mechanism of starch and hydrocolloids was discussed，and the application of starch-hydrocolloid mixed system was also introduced.This paper may provide a theoretical basis for selection and use of hydrocolloids.

hydrocolloid；starch；physicochemical properties；mechanisms

TS231

A

1002-0306（2016）06-0367-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.06.065

2015－05－29

郭晓娟（1991-），女，硕士研究生，研究方向：食品科学与工程，E-mail：gxjnc137808@163.com。

刘成梅（1963-），男，博士，教授，研究方向：食品科学，E-mail：liuchengmei@aliyun.com。