不同淀粉的形态结构、营养特性及质量控制技术研究进展

王改琴，丁子儒，邬本成，耿文静，刘春雪，沈 波，徐 瑞

（安佑生物科技集团股份有限公司，江苏苏州 215437）

淀粉是以α-葡萄糖为结构单位形成的聚合多糖，多以淀粉粒的形式贮藏于谷物籽实的胚乳中或豆科种子的子叶里。淀粉也是禾谷类籽实中最主要的贮能物质，是家畜最重要的能量来源，可提供40% 以上能量来保证动物机体正常的生理及生产需要，淀粉原料成本占饲料成本的50% 以上[1]。除作为家畜的能源物质分解供能外，淀粉也是一种重要的饲料黏结剂，在颗粒饲料的成形以及水产饲料的耐水稳定性方面发挥重要作用。因不同淀粉的性能以及价格存在差异，市场上一些淀粉质原料可能存在掺假掺杂的问题。为此，本文就淀粉的来源、组织结构、功能以及显微镜检等方面做一综述，以期为淀粉的合理利用以及原料质量评判提供参考。

1 淀粉的分类

根据来源的不同，淀粉可分为谷物淀粉、豆类淀粉和块根块茎类淀粉三大类。谷物原料中淀粉含量在65%以上，常见的谷物淀粉来源于玉米、小麦、稻谷、高粱、大麦等。豆类原料中淀粉相对较少，含量约35%，用于制作相关淀粉的豆类包括豌豆、蚕豆、绿豆等。干燥的块根块茎中淀粉含量在70%左右，是优质的淀粉来源，这类淀粉包括马铃薯淀粉、木薯淀粉和甘薯淀粉等。从世界范围来看，经深加工获得的纯淀粉产品有82% 源自于玉米、8%源自于小麦、10%源自马铃薯和木薯[2]。我国玉米淀粉在2018 年产量达2 815 万t，约占国内淀粉总产量的95%[3]。

根据分子结构的不同，淀粉又可分为直链淀粉和支链淀粉，两者都是葡萄糖的聚合体，但理化性质有所不同。直链淀粉的相对分子质量1.0×104～2.0×106，相当于250～300 个葡萄糖分子，由α-D-葡萄糖经α-1,4-糖苷键连接而成，通常卷曲成螺旋形，易溶于热水。支链淀粉的相对分子质量大，为5.0×104～4.0×108，相当于6 000 个以上的葡萄糖分子，主要以α-1,4-糖苷键形成糖链，以α-1,6-糖苷键形成分支点（占5%～6%），每一支链中有24～30 个葡萄糖残基。支链淀粉不溶于水，只有在加温加压时才能少量溶解于水。

植物种子中的淀粉以支链淀粉为主，通常含量为75%～80%；直链淀粉为辅，含量为20%～25%。但不同品种、不同地区的植物淀粉组成也存在较大变异（表1）。闵晶晶等[5]测定发现，大麦的直链淀粉含量存在较大差异，其中黑大麦的直链淀粉含量显著高于其他品种。另有学者依据支链淀粉和直链淀粉的比例不同将大麦淀粉分为蜡质大麦淀粉（＜2%）、普通大麦淀粉（约25%）、高直链大麦淀粉（约40%）3 类[7]。此外，有学者研究发现，东北玉米的直链淀粉含量平均在23.70%，变异系数较大，达到6.33%[8]。

表1 不同作物直链淀粉和支链淀粉的含量

2 淀粉的形态结构

淀粉一般是以单粒或复粒形态的淀粉颗粒存在于植物体内。复粒淀粉颗粒是指许多单粒淀粉颗粒形成的聚合体，其外有包膜。玉米、小麦、蚕豆等的淀粉粒为单粒；而稻谷、燕麦的淀粉粒以复粒为主，马铃薯的淀粉一般为单粒淀粉，但有时也形成复粒或半复粒。

不同种类的淀粉颗粒在组织结构、大小及形态上均有所不同，因此形态结构特征是鉴定淀粉产品、粮食粉及其粉制品的依据。许多学者对玉米、小麦、稻谷等各种常见的植物淀粉粒形态进行了粒径测量和图谱分析[9-10]，以便于指导实际生产中利用淀粉结构特征来进行食品检验检疫、淀粉食品真伪及质量等级的鉴定工作。张红生等[4]总结了各类淀粉的粒径大小及形态结构特征（表2）。当然，同一种来源的淀粉受品种、生长环境、成熟度、地域以及直链淀粉含量等影响，其形态特征也存在些许差异。在常见的淀粉粒中，马铃薯淀粉颗粒最大，呈有环纹的卵圆形，小的则为圆形[11]。其次为小麦淀粉粒和玉米淀粉粒，稻米淀粉颗粒最小，为5 μm[12]。淀粉在冷水中不溶解且沉淀很快，其沉淀的速度因颗粒的大小而不同，颗粒越大，沉降速度越快，因而也可用沉降速度的差异进行淀粉分级。

表2 不同作物种子的淀粉粒特征[4]

为此，安佑集团品管中心实验室利用生物显微镜镜检技术，观测高倍镜下不同淀粉原料的显微结构特征，其结果如图1～13，混有其他原料的小麦淀粉检测结果见图14、15，其中小麦淀粉又分为较大粒径的A 淀粉和小粒径的B 淀粉。A 类淀粉主要为圆形，平均粒径在10～35 μm，多用在食品工业中，而小颗粒的B 淀粉颗粒为椭圆形，平均粒径在1～10 μm，主要用在发酵原料和畜牧行业中[13]。

图1 绿豆淀粉（400×）

图2 豌豆淀粉（400×）

图3 大麦淀粉（400×）

图4 木薯淀粉（400×）

图5 马铃薯淀粉（400×）

图6 高粱淀粉（400×）

图7 燕麦淀粉（400×）

图8 荞麦淀粉（400×）

图9 大米淀粉（400×）

图10 小米淀粉（400×）

图11 玉米淀粉（粉质玉米，400×）

图12 玉米淀粉（角质玉米，400×）

图13 小麦淀粉（400×）

图14 小麦粉混有木薯淀粉（400×）

3 不同淀粉的营养特性

淀粉的消化利用率很高，是家畜的主要能量来源。经口腔采食，接触唾液淀粉酶即可开始水解消化，为动物的生产提供能源。受淀粉的组成及组织结构不同的影响，家畜对不同来源淀粉的消化率及血糖反应也同样存在差异[14]，进而对动物的生理影响也不同，最终表现为生产成绩的差异。

3.1 直链淀粉和支链淀粉 原料中直链与支链淀粉的相对比例直接影响淀粉的消化速度及消化率。通常直链淀粉比支链淀粉容易水解，但变性老化的直链淀粉因空间结构变化不易与消化酶接触而相对难水解。抗性淀粉具有很强的抗消化酶酶解特性，不易被小肠消化吸收，但可在大肠被发酵利用，其在调节机体糖脂代谢方面具有积极作用[15]。在常见谷类中，大米中直链淀粉相对较多、淀粉粒径很小，与消化酶接触面积大，容易水解，因而可快速消化吸收且消化率很高。而玉米、麦类存在支链、淀粉粒径较小，消化速度相对较慢，消化率高。受品种影响，蜡质玉米中直链淀粉含量高，消化速度快；普通玉米支链淀粉含量最高，消化相对缓慢；糯质玉米基本不含直链淀粉，消化率最慢[16]。直链淀粉含量越高，其越易产生更多的抗性淀粉[17]。因此，蜡质玉米消化快但消化率低，而普通玉米消化略慢但全肠道消化率很高。

Yang 等[18]在断奶公猪上的研究发现，与普通玉米相比，饲喂糯玉米组仔猪对日粮淀粉、蛋白质的表观消化率显著下降，可降低断奶后第2 周的平均日增重和日采食量。在PIC 阉割猪上的试验证实，玉米来源淀粉的消化利用率较好，其作为主要能量来源时可提高阉割公猪的生产性能，但玉米和土豆淀粉以适当比例搭配时粗蛋白质及矿物质的消化率更高[19]。国外的研究也证实，碎米-大麦淀粉来源的日粮组合（碎米占总淀粉的45%）中可快速消化直链淀粉含量最高，玉米-大麦搭配组和大麦组中支链淀粉含量高，消化速度相对最慢，而大麦-豌豆搭配组抗性淀粉含量最高[20]。由于不同来源的淀粉其直链和支链比例不同导致淀粉的消化速度存在差异，进而会对动物的血糖水平和胰岛素的分泌调控产生影响。当饲粮直链淀粉含量较高、消化速度过快时，淀粉将在小肠前段迅速水解并释放大量葡萄糖，导致后肠葡萄糖供给不足，进而增加蛋白质的氧化供能，使得日粮中氮的利用未能得到有效利用[21]。因此，通过合理搭配不同饲料原料，使得日粮中含有不同消化速度的淀粉，进而确保家畜肠道内葡萄糖的稳定释放，这对于提高饲料中氮的利用率和保持动物良好生产性能具有重要意义[22]。日粮中淀粉的支链与直链最佳比例需求还受动物种类、品种、年龄以及日粮组成的影响。在猪上面，仔猪饲料中直链淀粉含量越高越有利于机体对蛋白质的利用率；而在育肥猪上，适当提高直链淀粉含量可有效减少体脂的沉积，如豌豆淀粉可以减少肥猪背膘沉积[20]。因此，应根据畜种及生产需求适当调整日粮淀粉源的选择和搭配以达到最佳的生产目标，其中，日粮中直链与支链淀粉比值为0.28 时育肥猪的生产性能最好[23]，罗非鱼日粮中比值为0.24 时最佳[24]。

3.2 抗性淀粉 淀粉中还有一类不易被动物肠道消化利用的抗性淀粉[25]，这类淀粉很难被体内消化酶水解，但其具有分子结构较小、持水性差、低热能的特性，具有促进机体对矿物质吸收、调控肠道微生物区系、保持机体健康等功效，在食品上可用于减肥、减少便秘、防治糖尿病、降血脂类产品[26-28]。马铃薯、豌豆、大米等都含有抗性淀粉，特别是蜡质玉米含抗性淀粉高达60%，而马铃薯的抗性淀粉含量高且颗粒较大，消化速度及消化率均低于其他淀粉原料。刘素君等[29]研究发现，不同品种的小麦抗性淀粉含量存在差异，小麦的抗性淀粉在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，抗性淀粉还包括老化淀粉、包埋淀粉和化学改性淀粉。饲料中常见的抗性淀粉主要来源于天然抗性淀粉和老化淀粉。老化是指糊化淀粉在缓慢冷却或在常温下久置时变得浑浊，甚至产生沉淀的现象[12]，通常直链淀粉更易老化。淀粉老化时分子间断裂的氢键会逐渐恢复，重新形成致密、高度晶化的淀粉颗粒。老化的淀粉难以被淀粉酶水解，不利于动物消化利用。陈化粮中的淀粉颗粒也存在老化现象。资料显示，陈化大米的淀粉总量及支链淀粉含量下降，会导致直链抗性淀粉增加[30]，其整体的消化吸收率下降。同理，陈化玉米的淀粉消化率也下降，能值低于正常玉米，且脂肪酸值等会增加，适口性变差，这类陈化粮使用时应特别注意用量。

与玉米、糯米相比，抗性淀粉会降低断奶仔猪的平均采食量和增重，其原因在于抗性淀粉的消化率低，导致断奶仔猪对蛋白质、能量及干物质的消化率降低[31]。在育肥猪上的研究发现，日粮中添加玉米和豌豆淀粉各50%时，育肥猪在体重25～75 kg 饲养阶段中对矿物质钙和磷消化利用率极显著高于玉米淀粉组，由此推测豌豆含有较多的抗性淀粉，其可改善肠道的发酵功能，产生的有机酸促进了相关矿物质的消化吸收[19]。此外，饲喂抗性淀粉也可改善猪的后肠微生物菌群及增加有益代谢产物，进一步改善机体肠道健康。

3.3 糊化淀粉 糊化是指天然β-淀粉颗粒在适当热量的作用下，吸水膨胀并破裂成有黏性的糊状物，此状态的淀粉称为α-淀粉，通常支链淀粉更易糊化。淀粉糊化的本质是在热能作用下，淀粉分子间氢键被打破，原来紧密有序的分子结构变的松散无序，更易于与消化酶发生作用而被机体利用。糊化淀粉多用在食品中，而畜牧生产上则通过对原料或饲料进行挤压、膨化或调质等技术手段来提高淀粉的糊化度，提高其消化吸收率，并改善颗粒饲料加工品质。糊化度是颗粒饲料质量的重要评价指标，淀粉糊化度越高，颗粒硬度越大，也越容易被消化酶分解和利用，进而提高饲料的整体消化率，改善家畜的生长性能[32]。颗粒饲料的糊化度受日粮中淀粉来源、淀粉粒大小、调质压力、蒸汽通量、温度以及调质时间的影响。玉米的粉碎细度、调质温度及淀粉直支链比例对淀粉的糊化度有显著影响。李冰冰等[33]研究发现，当玉米的粉碎粒度为0.25 mm，调质温度85℃时，淀粉的糊化度最好。而黄伟等[6]研究认为，玉米在水分26%、温度89～96℃、压力越高时，淀粉的糊化度越好。豌豆淀粉的水分在25%，螺杆转速180 转/min，90℃挤压时，其水解度最高，抗性淀粉含量降到低，挤压可以改善豌豆淀粉的体外消化率[34]。此外，不同来源的淀粉其糊化也存在差异，在常见饲粮谷物中小麦淀粉的制粒效果最好，其次为大麦淀粉，而玉米淀粉最差。这也解释了日粮中使用小麦或小麦粉、次粉后，饲料含粉率降低，颗粒品质会得到改善。此外，陈化谷物淀粉由于营养物质的损失以及淀粉的老化导致其在饲料中的利用效果受影响。而使用膨化技术或添加适当的酶制剂可以改善猪只对陈化谷物的淀粉糊化度，提高其表观回肠消化率[35]，从而弥补不足，表现出与正常谷物相同的饲喂效果。

在水产饲料中，淀粉主要做为黏结剂来提高水产颗粒料的沉水稳定性[12]。刘勤生等[36]发现，在95℃时马铃薯淀粉的黏度值最高，其次为玉米淀粉，最低是红薯淀粉。国外的研究也同样说明在水产料中，马铃薯淀粉的膨胀率高于小麦淀粉，水中耐久性也最高[37]。因此，根据实际生产需求有针对性地选用合适的淀粉源尤为关键。

3.4 胶化淀粉 胶化淀粉是利用高温或相关化学技术手段使淀粉粒破碎后形成改性淀粉。因淀粉分子中存在较多高强度化学氢键结合的羟基基团，使得其具有不同程度的抗压碎或抗涨破特性，因此又被称为可压性淀粉。在常见淀粉中，马铃薯的淀粉颗粒必须经过高温高压处理，才能保证猪禽消化道中的酶进入淀粉粒内，从而提高其消化利用率。通常胶化淀粉多用在食品和医药领域，在畜牧行业应用较为少见，本文不做赘述。

4 不同淀粉质量鉴定

不同或相同谷物类原料的淀粉质量控制可通过检测其直链、支链淀粉以及抗性淀粉的含量等理化指标做品质控制。同时感官品质鉴定也必不可少，每种淀粉均有其特有的感官、色泽和气味。通常品质优良的淀粉色泽洁白有一定光泽，品质较差或时间太久的淀粉则呈黄白色或灰白色，并缺乏光泽。淀粉的光泽也与颗粒大小有关系，淀粉颗粒越大，光泽度越好。气味上要求不得有酸味、霉味或其他异味异臭。

对淀粉做快速质量鉴定时还可利用与碘液的显色反应和显微镜检技术进行观测甄别。显色反应的原理在于直链淀粉的空间结构可络合更多的碘而呈现深蓝色，而支链淀粉虽有螺旋卷曲结构，但其支链长度较短，束缚碘分子能力弱，使其在遇碘溶液时常显紫红色或红色[38]。通常糯质种子（如糯质玉米）中几乎只有支链淀粉而没有直链淀粉[6]，所以鉴定谷物种质是糯还是非糯，可将其胚乳与碘反应，呈紫红色的为糯性，呈蓝黑色的为非糯性。显微镜检则可通过生物显微镜下观测原料的淀粉粒微观结构来做评判，结构特征参考表2 及图1～13。

饲料所用的淀粉来源中，最易掺杂掺假的是小麦粉（即面粉）。小麦粉在幼畜料及水产料中应用较为普遍，其在能量供应、颗粒料品质和耐水性方面都表现出很好的效果。实际生产中，一些价格较为便宜的食品原料下角料或临期淀粉类产品（如玉米淀粉、木薯淀粉、红薯淀粉等）会被人为掺入到高蛋白小麦粉中以次充好。受掺杂量的比例控制，掺杂小麦粉的理化指标通常均能符合普通小麦粉的规格，因此从指标上不易做出掺杂判断。从动物试验数据资料来看，虽然不同来源的淀粉对断奶仔猪生产性能有些许影响，但未达显著水平[39]，且木薯淀粉和玉米淀粉的消化率均高于小麦淀粉，但如果是马铃薯淀粉或食品中临期及下脚料的淀粉可能存在老化情况，此类淀粉的消化利用率会大打折扣。此外，木薯淀粉和玉米淀粉对畜禽颗粒饲料粒型品质方面会有影响，特别是在水产料中对沉水稳定性的影响更大。因此，小麦粉的淀粉质量鉴定显得很必需且重要。此类淀粉的掺杂最易通过生物显微镜镜检技术观测原料中淀粉颗粒大小及微观形态结构做质量控制。图14 和图15 为生物显微镜下小麦粉中掺杂有木薯淀粉和玉米淀粉的案例。因此，显微结构观测技术可为饲料生产企业原料现场品控所用，且简单易操作，监控成本低。

图15 小麦粉混有玉米淀粉（400×）

5 小 结

淀粉是动物能量需要的重要来源。不同来源的淀粉其理化性质、分子结构及组织形态结构存在较大差异，进而对动物的生长性能、营养物质利用率以及颗粒饲料的加工特性等产生很大影响。粒型特征是淀粉类产品品质鉴定和质量分析的关键依据，在食品和饲料中均适用。通过了解不同淀粉的理化性质、结构特征，利用碘滴定法及生物显微镜检技术辨识淀粉性质及掺杂掺假情况，可有效监控饲料中淀粉质原料小麦粉的品质，此项技术在饲料生产企业中具有应用价值，值得进一步研究和推广。