淀粉的功能特性与加工品质间关系的研究进展

王丽，句荣辉*，贾红亮，汪慧华，田文静，朱建晨

北京农业职业学院食品与生物工程系（北京 102442）

淀粉颗粒主要由直链淀粉和支链淀粉组成，这2种大分子聚合物占淀粉干重的98%～99%。由于直链淀粉分子呈直链状结构，空间阻碍小，易于回生；支链淀粉分子呈树枝状结构，分支较多，空间阻碍较大，不宜回生[1]。因此，直链淀粉和支链淀粉的含量及特性是影响产品食用品质的重要因素。马铃薯中直链淀粉含量为18.16%～28.26%[2]；Liu等[3]研究发现小米直链淀粉含量为11.15%～25.21%；玉米淀粉直链淀粉含量为26.58%～33.73%[4]。结果表明，不同类型的淀粉及同一类型中不同品种的直链淀粉含量均差异显著，不仅受基因型影响，也可能与品种差异和产地差异有关。研究发现，直链淀粉含量与支链淀粉含量直接影响产品的品质特性。其中，直链淀粉含量与小米饭的柔软性、香味、色泽、光泽密切相关。当直链淀粉含量大于25%时，小米蒸煮后米饭干燥、蓬松、色暗，冷后变硬夹生，出饭率高；当直链淀粉含量小于18%时，小米蒸煮后米饭较黏湿，富有光泽，冷却后仍柔软，但过热后光泽很快散裂分解，出饭率低；直链淀粉含量18%～25%的品种蒸煮的米饭既能保持高含量类型的蓬松性，冷却后又能保持低含量类型的柔软质地[5]。

淀粉的组成不仅与传统产品的品质特性密切相关，对产品的透明度、回生程度、贮藏稳定性、加工特性等也影响显著[1]。因此，研究淀粉的胶稠度、碘蓝值、溶解性和膨胀性等功能特性，不仅可以科学地划分评价产品质量特性，也为开发淀粉新产品原料的选择、产品品质特性改善及新品种的培育提出指导意义。

1 淀粉的功能特性与加工特性的关系

1.1 胶稠度

现行《大米胶稠度的测定》标准中规定胶稠度为在一定条件下，一定量的大米粉糊化、回生后的胶体，在水平状态流动的长度（mm）。其反映米胶冷却后的胶稠程度，与米饭的柔软性有关，是米饭蒸煮品质的主要评价指标之一。胶稠度高，则米胶长，米饭柔软、适口性好，反之较硬，适口性差[6]。同时胶稠度能反映稻米中直链淀粉含量及支链淀粉和直链淀粉分子的综合利用[7]。王润奇等[8]总结中国北方人民喜食的优质小米应具有的胶稠度标准，据米胶延伸的长短分为米胶长度小于80 mm为硬胶稠度，80～120 mm为中胶稠度，大于120 mm为软胶稠度。韩俊华等[9]研究发现，谷子淀粉的胶稠度为52.2～189.3 cm；孙园园[10]分析797份稻米资源的胶稠度，其变化范围是22～100 mm。比较分析发现，小米的胶稠度好于稻米，这也与小米适合产妇，为术后恢复主要食用原料有很大关系。胶稠度除与品种有关，还和测定过程中样品粉粒大小、放置温度、溶液浓度和加热时间有关[11]。研究发现，小米的胶稠度好于稻米，这也与小米适合产妇，为术后恢复主要食用原料有很大关系。因此，在同一条件下，比较分析不同品种、不同样品的胶稠度对各类产品的加工利用具有很好作用。

1.2 碱消值

碱消值是衡量谷物、稻米等蒸煮品质的重要指标。NY 147—1988依据米粒胚乳的分解情况，将碱消值分为7级，并将7级分为三类，每一类分别与糊化温度范围相对应，其中高糊化温度的样品，碱消值为1～3级，糊化温度＞74 ℃；中糊化温度样品，碱消值为4～5级；糊化温度范围为70～74 ℃；低糊化温度的样品，碱消值为6～7级，糊化温度＜70 ℃。糊化时由于米粉糊加热，淀粉粒吸水膨胀，使得大多数淀粉粒丧失其特有的偏振十字图形，变得更透明，且黏滞性上升，使得可溶性物质进入水中。因此，碱消值反映碱溶液对谷物胚乳淀粉粒的消解程度，它与淀粉的结构和性质有关，也可以间接测定淀粉的糊化温度范围。碱消值的高低与直链淀粉含量有线性关系，跟支链淀粉的空间结构及合成也有很大的关联[10]。张艳霞[11]研究发现，直链淀粉与消减值呈极显著正相关，与稻米淀粉的相对结晶度呈显著负相关。樊巧利等[12]测定赤峰农科院和清水河县的22个谷子品种，结果发现，谷子的碱消值处于中等糊化温度范围，其中糯质品种的糊化温度较高，而非糯类型的品种糊化温度低，小米更容易煮熟。

1.3 溶解度和膨胀度

溶解度和膨胀度都是用来说明待测样品与水之间的相互作用能力。溶解度反映样品的水溶能力，是衡量样品在水中溶解性大小的尺度。膨胀度则反映样品的水合能力，可用来说明样品分子内部化学键的强度。此外，溶解度和膨胀度还可间接反映待测样品的糊化程度，糊化程度越高，样品的溶解度和膨胀度也越大[13]。淀粉的溶解度和膨胀度主要与淀粉组成、直支链淀粉含量、结构、淀粉微晶束结构等因素有关[14]。李玲伊等[15]研究表明马铃薯及玉米淀粉颗粒大且内部结构较为弱，小米淀粉颗粒较小，内部结构紧密，使得小米淀粉的溶解度显著低于马铃薯淀粉和玉米淀粉。赵学伟等[16]、杨斌等[17]研究发现，小米淀粉溶解度在50 ℃之前基本不变，在50～90 ℃升温过程中，溶解度从0.06～0.95 g/100 mL增加至6.4～57.93 g/100 mL，其中50～60 ℃时溶解度增加较慢，70～90 ℃时增加较快。溶解度随着温度升高呈线性上升，是由于在加热过程中，淀粉中的极性基团暴露出来与水形成氢键结合，淀粉开始溶解，随着温度继续升高，淀粉团粒发生崩解，直、支链淀粉游离出来，即溶解度随温度的上升而增加。

膨胀作用是淀粉糊化时的动力学过程。通常是指淀粉颗粒吸水后体积发生膨大，支链淀粉微晶束开始溶解，直链淀粉晶体双螺旋结构打开并溶解，直链淀粉脱离，胶体形成，直链淀粉重新结晶的过程[18]。小米淀粉的膨胀度介于马铃薯淀粉和玉米淀粉之间，马铃薯淀粉的膨胀度最高，是由于其颗粒内部结构较为疏松，而且其支链淀粉中的磷酸基电荷有相互排斥的作用，促进膨胀作用[19]。赵学伟等[16]、杨斌等[17]研究发现，小米淀粉在50～90 ℃的升温过程中，膨胀度随着温度的升高而呈增大趋势，膨胀度从2.09～2.33 g/g增加到14.27～26.30 g/g。在50～60 ℃升温阶段膨胀体积变化较小，是初始膨胀阶段；60～90 ℃升温阶段膨胀体积变化较大，是迅速膨胀阶段，显示出典型的二段膨胀过程，属限制型膨胀淀粉[20]。Hagenimana等[21]及Sandhu等[22]对不同直链淀粉含量的大米、玉米溶解度和膨润性进行研究发现，随支链淀粉含量升高，淀粉具有更加疏松开放的结构允许淀粉的吸水、膨胀，膨润力及溶解度均呈增大趋势。

1.4 透光率

淀粉的透光率反映淀粉与水互溶的能力及膨胀程度，其大小直接影响淀粉及淀粉产品的外观、用途及可接受性，透光率越大食品的色泽和质地越好[23]。淀粉的透光率与淀粉中直、支链比例有关，直链淀粉含量越高，透光率越低。淀粉糊化后，其分子重新排列相互缔合的程度是影响淀粉糊透光率的重要因素。如果淀粉颗粒在吸水与受热时能够完全膨润，并且糊化后淀粉分子也不发生相互缔合，淀粉糊就非常透明[24]。淀粉在老化回生过程中，直链淀粉分子互相缠绕形成交联网络和凝胶束，减弱光的透射，而淀粉粒中的支链淀粉则逐渐分散于直链淀粉形成的交联网中，由于支链淀粉分子较大，支链数目较多，这一过程需几天至几周才能完成，因此随着支链淀粉的逐渐分散，凝胶的逐步形成，透光率会下降到一极限值[5]。李玲伊等[15]、杨斌等[17]研究发现，谷子淀粉的透光率范围是4.4%～22.3%，大多数样品透光率在10%以下，显著低于马铃薯淀粉。而马铃薯淀粉的颗粒大且结构松散，透光率大，因此，开发新的淀粉的特性品种，对于新产品的研发具有重要意义。

1.5 冻融稳定性

冻融稳定性主要指淀粉糊经过一段时间的冷冻之后，自然解冻，淀粉糊仍可保持原来胶体结构的性质。淀粉糊在冷冻和解冻过程中会发生脱水收缩，形成海绵状结构，析出的水分越多，失去原来的胶体结构，冻融稳定性越差[25]。随着冻融时间的增加，淀粉分子之间容易发生取向排列，形成氢键，使淀粉分子间的水分子挤压出来，导致淀粉的抗冷冻和持水能力变差，使淀粉食品不能保持原有的质构，影响食品的品质，淀粉中直链淀粉含量高会使淀粉糊在冷却的过程中回生速度更快，冻融稳定性更差，冻融稳定性好的淀粉，适宜于冷冻食品的加工[17,26]。申瑞玲等[27]研究发现，谷子淀粉冷冻24 h后的析水率为7.08%～37.79%。比较不同来源的淀粉冻融稳定性发现，小麦（54.2%）[28]、甘薯（69.3%～73.4%）[29]、大麦（30%～40%）[30]的冻融稳定性均高于谷子，因此，冻融稳定性越好的淀粉在开发冷冻食品方面具有巨大潜力。

1.6 凝沉性

凝沉主要是由于直链淀粉分子间相互结合形成大的颗粒或束状结构，达到一定程度时便发生沉降，即直链淀粉含量越高，沉降速度越快[17]。申瑞玲等[27]研究发现，谷子淀粉凝沉过程中上清液随着静置时间的延长而逐渐增加，静置4 h后淀粉的凝沉速率显著增加，并于40 h后上清液体积基本达到稳定；李玲伊等[15]研究发现，小米淀粉稳定性显著优于玉米淀粉。放置过程中，淀粉越稳定越有利于淀粉食品的开发。

1.7 碘蓝值

碘蓝值是评价淀粉与碘发生反应产生蓝色复合物多少的指标。样品中游离淀粉含量越多，直链淀粉含量越高，细胞的破损程度越大，颜色越深[31]。因此，可以通过碘蓝值间接判断细胞破损的难易程度。碘蓝值越小，说明在加工过程中细胞抵抗外界机械力的能力越强，破损的细胞少，基本保持细胞的完整性，因此更能保持原料的天然风味和营养价值[32]。碘蓝值目前已广泛应用于水稻、玉米、小麦等淀粉类食品品质的评价[33-34]。杨斌等[17]分析谷子淀粉的碘蓝值为0.568～0.872；高金梅等[35]研究发现，普通玉米淀粉中的碘蓝值为0.32～0.37，糯玉米淀粉的碘蓝值为0.10～0.11。谷子淀粉的碘蓝值显著高于玉米淀粉，初步说明谷子加工过程中更能保证其原有的风味和影响价值。

1.8 消化特性

淀粉是碳水化合物的主要存在形式，并贮藏于稻米、小麦、玉米及谷类等组织中。Englyst等[36]依据淀粉在人体中消化速率把淀粉分为快速消化淀粉（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可保持饭后血糖缓慢增加，且能维持很长一段时间的血糖水平稳定，有利于糖尿病、心血管疾病和肥胖病患者病情调节和控制[37]。RS是经过折叠、卷曲形成的更坚实的结晶结构，具有更强的抗酶解性，能改善糖代谢、脂代谢和肠道代谢，从而维持人体健康。

淀粉的品种、粒度、晶体结构、晶体类型、直链淀粉含量与分子聚合度、直链淀粉与脂质形成的包被复合物等与淀粉的消化特性密切相关。Hu等[38]、Chung等[39]对不同商业水稻品种研究结果表明，直链淀粉含量与RDS含量呈负相关，与SDS和RS含量呈正相关。缪铭[40]研究发现，普通玉米、蜡质玉米、小麦、糯米、大米、马铃薯淀粉的RDS分别为26.6%，32.4%，37.1%，33.2%，30.6%和8.3%，SDS分别为51.8%，49.2%，52.0%，46.1%，45.3%和16.9%，RS分别为21.6%，18.4%，10.9%，20.7%，24.1%和74.8%。结果显示，谷物淀粉是理想的SDS材料，而马铃薯淀粉属于典型的RS材料。杜文娟等[41]研究发现，谷子淀粉的RDS为18.42%～56.69%，SDS为14.37%～64.07%，RS为2.14%～45.29%。不同种类淀粉的各消化特性参数差异显著，可通过品种选育和基因控制，生产出适合心脑血管和糖尿病疾病患者饮食的理想产品。

2 存在问题与发展方向

2.1 淀粉功能特性对产品品质特性的影响规律有待进一步研究

淀粉的功能特性与淀粉的形态结构，化学组成及颗粒的晶体结构有关，如刘东莉[42]研究玉米淀粉的结晶结构与淀粉吸水能力、老化速度、结晶度、蛋白质的影响情况，但淀粉功能特性与产品之间关系的研究不足。

2.2 淀粉的营养消化特性研究不够深入

血糖生成指数（GI）可以直接反映食物与葡萄糖相比升高血糖的速度和能力，其代表一种食物的生理学参数，能确切反映食物摄入后人体的生理状态，是衡量食物引起人体餐后血糖反映的一项重要指标，而关于不同种类淀粉的差异及在不同产品中的变化方面研究较少，有待于进一步开发。