小分子糖对马铃薯淀粉晶体结构、糊化特性和冻融稳定性的影响

张 珊 倪春蕾 张高鹏 徐 丽 王 帅 李 静 程建军 张立钢

（东北农业大学食品学院 哈尔滨150030）

马铃薯作为世界第四大主粮，是我国重要的经济作物之一。马铃薯中含有大量的淀粉，约占其干物质的80%，是重要的植物淀粉来源，其生产量和商品量在所有植物淀粉中位居第2 位，被广泛应用于食品、化工等众多工业领域[1-2]。马铃薯营养丰富，然而由于其较高的淀粉含量，加工成的食品具有抗剪切能力差、抗老化能力差及冻融稳定性较差等问题，制约了马铃薯食品的推广与应用[3]。

淀粉的糊化特性影响食品的加工性能、贮存和口感[4]。Kohyama 等[5]研究了小分子糖对甘薯淀粉糊化特性的影响，指出糖可以提高淀粉的糊化温度和糊化热焓值；杜先锋等[6]对葛根淀粉糊化特性的研究发现，随着小分子糖浓度的增加，淀粉的糊化温度和糊化热焓值不断升高；蔗糖和葡萄糖均能够提高玉米淀粉的糊化温度，以及峰值黏度和破损值[7]。这表明糖能够改善淀粉的糊化特性。淀粉颗粒具有晶体结构，在偏振光的照射下产生偏光十字现象。晶体结构的变化会对淀粉理化性质产生很大影响[8]。陈福泉等[9]研究表明，随着湿热处理温度的升高，淀粉颗粒的偏光十字逐渐消失，晶体结构发生改变，进而导致糊化起始温度升高，糊化性质发生改变。通过偏光十字的观察可以反映淀粉糊化性质的改变。含水量较高的淀粉质食品在冷冻时会形成冰晶，而解冻时，冰晶融化分离出来，引起食品组织结构软化[10]，同时形成类似海绵状的结构[11]，降低食品的品质。孙昌波等[12]研究表明糖类物质能够有效抑制淀粉的析水率，改善冻融稳定性。糖的添加还能够有效改善冻融后淀粉的海绵状结构，提高其冻融稳定性[13]。

本试验中，在马铃薯淀粉中分别添加不同浓度的蔗糖、葡萄糖和果糖，探讨其对马铃薯淀粉颗粒晶体结构、糊化特性以及冻融稳定性的影响，为合理选择马铃薯淀粉的应用条件提供了科学依据，对马铃薯淀粉食品的开发及推广具有重要的理论指导意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

马铃薯淀粉（水分16.66%，灰分0.34%，蛋白质0.19%，脂肪0.53%），吉林省杞参食品有限公司；蔗糖，天津市科密欧化学试剂有限公司；葡萄糖，天津市致远化学试剂有限公司；果糖，上海源叶生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

RVA-Super3-型快速黏度分析仪，澳大利亚新港科学仪器公司；XP-203P 型偏光显微镜，上海光密仪器有限公司；FEI-Sirion Quanta 200 型场发射扫描电子显微镜，美国FEI 公司；Q2000 型差示量热扫描仪（DSC），美国TA 公司；TDL-40B型台式离心机，上海艾测电子科技有限公司；CMAG HS7 型磁力加热搅拌仪，德国IKA 公司。

1.3 试验方法

1.3.1 马铃薯淀粉颗粒晶体结构的测定 制备马铃薯淀粉及糖-马铃薯淀粉混合体系（1%和6%糖溶液），在不同温度（50，60，70，80 ℃） 下水浴10 min。冷却至室温后滴1～2 滴至载玻片上，用0.02 mol/L 碘液（I 与KI 的质量比为1∶2）染色，然后在光学显微镜（×100）和偏光显微镜（×100）下观察并拍摄马铃薯淀粉颗粒的形态变化[14-15]。

1.3.2 马铃薯淀粉糊化性质的测定 准确称取一定量的马铃薯淀粉，加入到分别装有25.0 mL 的0%，3%，6%，9%，12%质量分数的蔗糖、葡萄糖和果糖溶液的铝盒中，置于RVA 样品台上。RVA 检测程序：10 s 内转速由960 r/min 降到160 r/min。50 ℃保温1 min 后开始升温，经3 min 45 s 升至95 ℃并保持2.5 min，再经3 min 45 s 降至50 ℃，50 ℃保温2 min。记录淀粉在糊化过程中的糊化温度、峰值黏度、保持黏度、最终黏度、衰减值、回生值[16]。

1.3.3 马铃薯淀粉热力学特性的测定 以空DSC盘作为参比，测试前用高纯金属铟（99.99%）对仪器进行校正。称取一定质量的马铃薯淀粉样品，按m淀粉∶m水=1∶3 的比例加入0%，3%，6%，9%，12%的糖溶液，混匀后密封、压盖，于4 ℃冰箱里放置24 h 平衡。测试前回温1 h。采用差示量热扫描仪进行糊化测试。扫描温度从40 ℃到90 ℃程序升温糊化，升温速率为10 ℃/min。保护气为氮气，流速为50 mL/min[17-19]。

1.3.4 马铃薯淀粉凝胶冻融稳定性的测定

1.3.4.1 马铃薯淀粉凝胶的制备 配制6%的马铃薯淀粉溶液，将小分子糖分别按照不同添加量（0%，3%，6%，9%，12%）添加到淀粉溶液中，混匀后于沸水浴中加热25 min 确保淀粉完全糊化。糊化后在室温冷却备用。

1.3.4.2 马铃薯淀粉凝胶冻融析水率的测定 按照Ye J 等[20]的方法进行并对试验方法做一些修正。取等量的淀粉凝胶于离心管中，放入-20 ℃的冰箱内，冷冻20 h 后取出，置于25 ℃恒温水浴锅中解冻3 h，在3 000 r/min 的条件下离心15 min，离心后准确称取沉淀物的质量，计算析水率。

再次，计算权向量并进行一致性检验。根据上述各个矩阵，通过根法对其权向量进行计算，以矩阵A为例来说明各单层次判断矩阵权向量的计算方式：设A矩阵的权重向量为W，求判断矩阵A每行的元素乘积，开3次方并进行归一化处理，可得权重向量，根据公式（1）

式中：A1——冷冻前淀粉凝胶质量/g；A2——冻融离心后沉淀质量/g。

1.3.4.3 马铃薯淀粉凝胶微观结构的观察 使用Quanta 200 型场发射扫描电子显微镜分析淀粉凝胶冻融后的微观结构。将经5 次冻融处理后的淀粉凝胶切成薄片进行冻干处理，选取冻干样品黏于样品台上，镀上一层金-钯合金膜，放入仪器中扫描，用扫描电子显微镜观察。测试条件：加速电压为5.00 kV，放大500 倍[21]。

1.4 数据处理

2 结果与讨论

2.1 小分子糖对马铃薯淀粉颗粒晶体结构的影响

采用偏光显微镜和普通光学显微镜观察小分子糖（蔗糖、葡萄糖和果糖）对马铃薯淀粉晶体结构的影响，分别比较不同温度条件下马铃薯淀粉颗粒结构的变化（图1），以及不同浓度糖的条件下马铃薯淀粉颗粒结构的变化（图2～图4）。

温度对马铃薯淀粉颗粒晶体结构的影响见图1。通过普通光学显微镜可以看出随着温度的升高，马铃薯淀粉颗粒逐渐增大，轮廓逐渐模糊，结晶结构逐渐消失（见图1A～图1D）。当温度为50℃和60 ℃时，温度小于淀粉初始糊化温度，此时马铃薯淀粉颗粒仅有限膨胀；70 ℃时，大部分的淀粉颗粒发生剧烈膨胀，颗粒呈现不规则的形状，甚至淀粉颗粒破碎瓦解；80 ℃时，淀粉颗粒完全糊化，颗粒结构完全消失。通过偏光显微镜可以看出马铃薯淀粉颗粒具有清晰可见的偏光十字，并将颗粒分成4 个白色的区域（见图1a ～图1b）。随着温度的升高，淀粉颗粒的偏光十字逐渐消失，70℃时，大部分的淀粉颗粒失去偏光十字；80 ℃时，淀粉颗粒的偏光十字完全消失，晶体结构完全被破坏，说明此时的马铃薯淀粉已经完全糊化[22]。

图1 温度对马铃薯淀粉颗粒晶体结构的影响（×100）Fig.1 Effect of the temperature on potato starch granules （×100）

糖对马铃薯淀粉晶体结构的影响见图2～图4。结果表明：60，70 ℃和80 ℃时添加蔗糖、葡萄糖和果糖使马铃薯淀粉的颗粒形态更为清晰，淀粉颗粒更小，偏光十字更加明显。同一种糖在相同温度条件下，浓度越高，淀粉颗粒的膨胀度越小，晶体结构越清晰；同时，通过对相同条件下的含糖马铃薯淀粉的偏光十字观察可以发现，随着温度的升高，淀粉颗粒的偏光十字逐渐消失，与马铃薯原淀粉相比，在60，70 ℃和80 ℃时含糖的马铃薯淀粉颗粒的偏光十字更加明显，尤其在70 ℃和80℃时，含糖的淀粉颗粒具有更多的偏光十字现象，且糖浓度越高，淀粉颗粒越清晰，偏光十字消失地越缓慢，这说明小分子糖明显抑制了加热过程马铃薯淀粉颗粒的吸水膨胀。3 种糖比较而言，相同温度条件下，尤其是80 ℃时，添加蔗糖的马铃薯淀粉中仍有部分颗粒态淀粉存在，结构清晰，偏光十字现象显著。这说明蔗糖能够有效延缓偏光十字的消失，在相同的温度下有更多具有完整的偏光十字的颗粒。

糖能够延缓马铃薯淀粉颗粒加热过程中偏光十字的消失，提高淀粉的糊化温度，这是因为淀粉在糖水溶液中，水分含量低以及糖与水形成的氢键，使得水分活度降低，抑制了水分子在淀粉内部对淀粉分子链之间氢键的破坏，稳定了淀粉结晶区的结构，从而需要较高的温度破坏淀粉链的分子结构，且糖的浓度越高，这种抑制效果更明显[9]。3 种糖中，蔗糖的双糖结构能与水形成更多的氢键，对于淀粉颗粒的晶体结构保护作用更加明显。通过研究马铃薯淀粉的晶体结构，发现3 种小分子糖均在一定程度上抑制马铃薯淀粉颗粒的膨胀，提高了马铃薯淀粉的糊化温度和热稳定性。

2.2 小分子糖对马铃薯淀粉糊化特性的影响

图2 蔗糖对马铃薯淀粉颗粒晶体结构的影响（×100）Fig.2 Effect of sucrose on potato starch granules （×100）

图3 葡萄糖对马铃薯淀粉颗粒晶体结构的影响（×100）Fig.3 Effect of glucose on potato starch granules （×100）

图4 果糖对马铃薯淀粉颗粒晶体结构的影响（×100）Fig.4 Effect of fructose on potato starch granules （×100）

糖能增加淀粉的糊化黏度，这是由于小分子糖是一种夺水剂，糖的羟基与邻近的水分子相互作用形成氢键，阻碍了水分子的运动，与淀粉竞争水分子，导致可用水（available water）的减少，淀粉链的运动受到限制，阻碍淀粉吸水糊化[24]。糖和淀粉链的交联作用也会导致淀粉糊黏度的上升[25]。衰减值和回生值分别反映淀粉在搅拌过程中抵抗机械剪切的能力和冷却过程中抗老化的能力，添加糖后淀粉的两个糊化参数的降低说明糖的添加可以增强马铃薯淀粉抗剪切能力和提高马铃薯淀粉的抗老化能力[26-27]。3 种糖比较而言，蔗糖对于马铃薯淀粉的峰值黏度、糊化温度和回生值的影响最显著（P＜0.05），这是因为在糊化过程中，蔗糖分子之间强烈的水化作用增加了淀粉链之间以及糖和淀粉之间的相互作用，使得淀粉分子间的稳定性增强，晶体结构更难被破坏[28]。

表1 小分子糖对马铃薯淀粉糊化特性的影响Table 1 Effect of low molecular weight saccharides on pasting property of potato starch

2.3 小分子糖对马铃薯淀粉热力学特性的影响

表2为小分子糖对马铃薯淀粉热力学特性的影响。添加糖的马铃薯淀粉的起始糊化温度（TO）、峰值糊化温度（TP）、终止糊化温度（TC）和糊化热焓值（△H）明显高于原淀粉的相应糊化温度和糊化热焓值。随着糖浓度的增加，马铃薯淀粉的糊化温度和糊化热焓值逐渐升高。3 种糖比较发现，蔗糖能够显著提高马铃薯淀粉的糊化温度和糊化热焓值，抑制马铃薯淀粉的糊化行为，当蔗糖质量分数为12%时，马铃薯淀粉的糊化温度和糊化热焓值最高，分别为65.35 ℃和4.03 J/g，显著高于原淀粉的糊化温度和糊化热焓值，分别为62.87 ℃和3.06 J/g（P＜0.05）。

糖会增加马铃薯淀粉的糊化温度，是因糖-淀粉-水之间的相互作用而导致的。含有平伏羟基的糖可以和相邻的水分子相互作用形成氢键，阻碍水分子的运动[29-30，33]，使得低温状态下的水分子很难破坏淀粉分子的有序结构，只能借助高温才会破坏这种结合力，从而导致淀粉糊化温度的升高[6，31]。随着糖浓度的增加，体系中的平伏羟基数目增多，提高了淀粉糊化所需的能量，进而导致马铃薯淀粉的糊化温度和糊化热焓值升高[32]。由于3种糖所含有的平伏羟基数目依次为蔗糖（6.2）＞葡萄糖（4.56）＞果糖（2.56），所以在蔗糖-淀粉体系中淀粉分子的结构更难被破坏，相应的糊化温度和糊化热焓值更高[33-34]。

表2 小分子糖对马铃薯淀粉热力学特性的影响Table 2 Effect of low molecular weight saccharides on thermal properties of Potato Starch

2.4 小分子糖对马铃薯淀粉冻融稳定性的影响

2.4.1 小分子糖对马铃薯淀粉析水率的影响 图5显示不同浓度的3 种小分子糖在不同的冻融循环处理后对马铃薯淀粉冻融稳定性的影响。对于原淀粉而言，5 次冻融循环后析水率为19.37%，而添加糖后，随着糖浓度的增加，析水率呈现下降趋势，并且随着冻融次数的增加，马铃薯淀粉的析水率先上升后下降或趋于平缓，这是因为海绵状网络结构的形成导致淀粉胶的刚性和弹性增加，部分析出水分子发生回吸作用，这与Yuan 等[35]的结果一致。比较8 种糖可以发现，蔗糖对于冻融循环过程中马铃薯淀粉凝胶的析水率有很好的抑制作用。5 次冻融循环后，添加12%蔗糖、葡萄糖和果糖的析水率分别为1.80%，4.80%，6.58%。添加蔗糖的淀粉凝胶的冻融稳定性显著优于添加葡萄糖和果糖的样品（P＜0.05）。

冷冻储藏过程中，热能的波动和水的相变是淀粉胶基质破坏的主要原因。冻结时高糖浓度的液相易固化为以无定形（非结晶）存在的玻璃态，玻璃态的水分子不能结晶，分子流动性显著降低，淀粉糊中所有分子运动受到限制，因而有效防止了脱水过程的发生[36]。而含有更多的平伏羟基的蔗糖的玻璃态转化温度高，更易形成玻璃态[37]，抑制淀粉凝胶中自由水的析出，对淀粉的冻融稳定性的提高更加显著。

图5 小分子糖对马铃薯淀粉凝胶冻融稳定性的影响Fig.5 Effect of low molecular weight saccharides on the freeze-thaw stability of potato starch gel

2.4.2 小分子糖对冻融马铃薯淀粉微观结构的影响 图6显示不同小分子糖对马铃薯淀粉凝胶微观结构的影响。可以看出，经冻融循环处理的马铃薯淀粉凝胶均呈现海绵状结构，且孔洞周围有许多类似纤维的片状结构，而糖的不同，直接导致孔洞和周围片层结构薄厚的差异。对于马铃薯原淀粉，淀粉凝胶的孔洞较大，且孔洞周围的片层结构较厚。添加糖的马铃薯淀粉凝胶的孔洞明显小于马铃薯原淀粉，且孔洞周围的基质层较薄。不同糖对于马铃薯淀粉凝胶在冻融处理后的孔洞大小也存在差异，添加蔗糖的马铃薯淀粉凝胶的冰晶孔洞明显小于添加葡萄糖和果糖的淀粉凝胶，且基质层也较薄。

淀粉凝胶在冷冻时冰晶的形成和解冻时冰晶的融化导致马铃薯淀粉凝胶的海绵状的纤维基质。糖的添加导致海绵状结构的改变，主要是糖分子中的羟基与水分子结合成氢键，体系中的水分减少，凝胶中析出水分的减少而导致网络结构中孔洞的减小。3 种糖中，蔗糖的平伏羟基最多，水合能力最强[38-39]，体系中的可得水分子较少，即形成冰晶并融化析出的水分子数目最少，海绵结构中的孔洞最小。此结果与冻融析水率最终趋势一致，均能证明小分子糖对马铃薯淀粉凝胶冻融稳定性的影响。

图6 小分子糖对马铃薯淀粉凝胶微观结构的影响Fig.6 Effect of low molecular weight saccharides on microscopic structure of potato starch gel

3 结论

1） 马铃薯淀粉颗粒的偏光十字现象随温度的升高逐渐消失。添加小分子糖提高了淀粉的糊化温度，延缓了偏光十字的消失。对马铃薯淀粉的分析表明，小分子糖能提高峰值黏度、最终黏度、糊化温度和糊化热焓值，降低衰减值和回生值，提高马铃薯淀粉的抗剪切能力和抗老化能力。

2）对马铃薯淀粉冻融析水率和冻融后凝胶微观结构的分析表明，小分子糖能够降低马铃薯淀粉的析水率，减小淀粉凝胶的孔洞，改善马铃薯淀粉的冻融稳定性。

3） 相比于葡萄糖和果糖，蔗糖对于马铃薯淀粉的晶体结构、糊化特性和冻融稳定性的影响最显著（P＜0.05）。