芋头淀粉改性方法及其应用研究进展

王孟坤，罗兴武

（湖北民族大学生物科学与技术学院，湖北 恩施 445000）

芋头（Colocasia esculenta）是单子叶多年生草本根作物，属天南星科［1］，具有重要的食用、药用、营养和经济价值。芋头块茎营养丰富，其淀粉含量丰富，淀粉占干物质总量的85%以上［2］，同时含有丰富的钾、钙等矿物质。此外，芋头淀粉直链淀粉含量低、膨胀性好、保水保油稳定性好等功能特点，在食品加工领域具有广阔的应用前景。粒度小（直径1～5 μm）的芋头淀粉具有较高的消化率［3］，在功能性食品设计中具有较高的可行性，可作为面条、面包、婴儿配方奶粉、可食用薄膜中的填充剂。

中国是芋头生产大国，芋头的种植面积占世界份额的6.7%［4］，但芋头淀粉存在较多缺点，可进行改性改良。 淀粉改性的方法主要有物理改性、化学改性、生物改性及复合改性。

1 物理改性

物理改性是指采用热、力、光、电等物理手段来改变淀粉颗粒原有的形态、结构、性质，进而改变原淀粉的功能特性。

1.1 超声改性

超声波是一种环保、节能的物理修饰，超声波产生强大的剪切力，可以使悬浮在水中的淀粉颗粒结构和功能发生变化。超声波改性还可以根据所使用的参数（强度、频率、时间、温度）和所研究的淀粉、糊化性能和热稳定性发生变化，导致颗粒表面出现裂纹。超声波改性淀粉主要是通过超声波与淀粉乳相互作用，产生一系列的效应（机械效应、空化效应、热效应），导致淀粉链状结构断裂，来降低淀粉分子量改性，以此来改变淀粉的理化性质［5］。Sit 等［6］利用超声处理优化芋头淀粉得率，发现提取淀粉的溶胀性、溶解度、糊化性和质构性均有显著提高，其冻融稳定性更好。Martins 等［7］采用不同振幅的超声波对紫芋淀粉进行处理，超声处理后样品的热稳定性高于天然淀粉，凝胶化温度略有下降，热焓无显著变化。改性后的淀粉具有较高的峰黏度和终黏度，同时具有较低的分解速率、老化速率和糊化温度。

1.2 湿热改性

湿热改性是一种水热处理，通过促进淀粉链在无定形和结晶域内的相互作用以及通过破坏淀粉晶体来改变淀粉的理化性质。变化程度受淀粉组成、水分含量和处理过程中的温度以及原生淀粉颗粒中直链淀粉和支链淀粉链的组织的影响。Santoso 等［8］采用不同时期的湿热处理对芋头淀粉进行改性，结果发现湿热处理面粉的糊化特性随温度升高而变化。同时，湿热处理也改变了淀粉颗粒的形态。改性芋头粉在蒸煮过程中的热稳定性有待进一步研究。Hamzah 等［9］对芋头淀粉在不同的水分条件下进行湿热处理，结果发现芋头淀粉的特性，如形状、热稳定性和焓均发生了改变。Thomaz 等［10］对有机芋头淀粉进行湿热和超声处理，热湿处理改变了淀粉的糊化和糊状结构，提高了糊化温度和焓值，同时降低了黏度，在热应力和剪切力作用下，淀粉链具有较高的稳定性和强化性，双改性淀粉的糊化焓和糊化温度范围降低，结构稳定性降低，糊化黏度降低。Setiarto 等［11］采用高温湿热处理和热压-冷却循环对芋头淀粉进行改性，以改性芋头淀粉作为植物乳杆菌SU-LS36 的包埋剂，具有良好的产率、包埋率，保护被包埋菌不受高温的影响，具有良好的应用前景。

1.3 微波改性

微波是频率在300～3 000 kHz 范围内的电磁波。微波处理淀粉的过程中，淀粉中带电粒子向电场方向运动，产生热能。微波凭借其极强的穿透力，通过介质传递直接作用于淀粉内部的水分子，高频振动产热使淀粉分子发生糊化。

Deka 等［12］对芋头淀粉采用微波和其他热湿处理方法（热压罐和热风烘箱）相结合改性处理，结果表明微波和高压灭菌条件下，单一湿热处理的淀粉和双湿热处理的淀粉在直链淀粉含量、颗粒结构、糊化性能、冻融稳定性和色泽等方面发生了明显的变化，淀粉的颗粒结构和分子内部排列在改性过程中遭到了破坏。Das 等［13］以芋头原生淀粉为原料，通过热湿、微波和超声波对原生淀粉和淀粉纳米颗粒进行物理改性，改性过程对天然淀粉和改性淀粉纳米颗粒的溶胀、溶解度、透明度和糊化性能也有影响。

2 化学改性

化学法改性淀粉是指淀粉分子中脱水葡聚糖单元（AGUs）上C2、C3 和C6 这3 个游离羟基基团的变化，可用的3 个羟基可以通过酯化、醚化和氧化进行化学修饰，从而改变天然淀粉的糊化、溶胀、溶解度和老化特性。

Hazarika 等［14］通过对芋头淀粉进行了羟丙基化和交联双重改性，淀粉的直链淀粉含量因单一和双重改性而降低。双改性淀粉的溶胀度、溶解度和澄清度随羟丙基化程度的增加而增加，随交联程度的增加而降低。双改性淀粉的冻融稳定性也受到改性顺序的影响。交联淀粉和双改性淀粉的黏度比天然淀粉和羟丙基淀粉高。双改性淀粉的硬度也高于原改性淀粉和单改性淀粉。双改性淀粉具有2 种改性方式的优点，可用于需要高黏度和冻融稳定性的食品。董迪迪等［15］用乙醇溶剂法对芋艿淀粉进行羧甲基化改性，改性后的芋艿淀粉颗粒结构被严重破坏，其糊化温度比原淀粉明显降低。王晓丹等［16］以芋艿淀粉为原料，选取醋酸为酯化剂制备醋酸酯化改性淀粉，理化性质的检验结果表明改性淀粉较原淀粉透明度、溶解度和膨胀率均有所提升，通过正交实验设计确定醋酸酯法芋艿改性淀粉的最优工艺。用醋酸酐对改良芋头淀粉进行乙酰化处理，改性后较原淀粉的流动性、膨胀性、溶解度和压实性均得到明显改善。Rincón-Aguirre 等［17］对芋头淀粉进行磷酸化、乙酰化、琥珀酰化处理，经化学修饰的芋头淀粉的理化性质产生了重要的变化。结果表明，乙酰化芋头淀粉黏度降低，结构丧失，而磷酸化和琥珀酰化芋头淀粉黏度高，糊化值大，具有较好的成胶性能。

在应用方面，Pachuau 等［18］用柠檬酸对芋头淀粉进行改性，得到一种新的功能性材料，用于药品的崩解剂，其崩解性能远优于标准玉米淀粉，崩解时间的缩短促进了模型药物从片剂的溶出。许凤等［19］通过辛烯基琥珀酸酐制得改性芋艿淀粉酯，糊化温度相比原淀粉有所降低。为了改善芋头淀粉的疏水性，Jiang 等［20］利用辛烯基琥珀酸酐（OSA）由对熟芋头淀粉脱支短链直链淀粉自组装制备的淀粉纳米颗粒（SNPs）进行改性。OSA-SNPs 在水与非极性溶剂的混合溶剂中具有良好的两亲性和分散性。随着DS 的增加，OSA-SNPs 的两亲性增加。代蕾［21］发现淀粉纳米颗粒的热稳定性经辛烯基琥珀酸酐酯化改性后降低，添加辛烯基琥珀酸酐酯化改性淀粉纳米颗粒淀粉膜的断裂伸长率要明显高于添加淀粉纳米颗粒淀粉膜。彭晔［22］通过湿法对芋头淀粉纳米颗粒进行了辛烯基琥珀酸改性，酯化改性芋头淀粉纳米颗粒为乳化剂制备了Pickering 乳液，酯化改性芋头淀粉纳米颗粒的水分散性良好，颗粒的乳化能力随取代度的增大逐渐增大，乳液乳化稳定性也呈增大趋势。

3 酶法改性

酶法改性是通过酶来改变淀粉的结构，破坏主链与支链的连接键，α-淀粉酶是一种内切淀粉酶，能够以随机作用方式切断淀粉、糖原、寡聚或多聚糖分子内的α-1，4 萄萄糖苷键产生麦芽糖、低聚糖和葡萄糖等改性淀粉。周旭倩等［23］通过α-淀粉酶对芋艿淀粉进行改性，改性后的淀粉与原淀粉相比，其透光率和溶解度都显著增加。漆酶、多铜酶通过改变芋头淀粉中的交叉连接（酚-硫醇）来改变流变性，提高无面筋芋头产品的质量，增加弹性［24］。More 等［25］用α-淀粉酶对芋头淀粉进行改性，结果表明，酶处理淀粉的功能特性（膨胀力和酶消化率）得到了改善，通过酶改性（α-淀粉酶）制备的改性芋头淀粉具有良好的泡沫稳定性、黏度和超限性，将酶处理后淀粉加入冰淇淋中，在冰淇淋中的稳定性能适合代替常用的瓜尔胶。Sit 等［26］使用纤维素酶和木聚糖酶优化芋头淀粉提取，不仅提高了产量，也使经酶处理的淀粉的澄清度、冻融稳定性更好。

Kaavessina 等［27］研究发现，用α-淀粉酶对芋头淀粉进行酶改性后，将不同链长的非端接聚丙烯酰胺接枝到淀粉中，淀粉中接枝的聚丙烯酰胺链越长，其降低高岭土悬浮液浑浊度的效果越好。这表明当聚丙烯酰胺链长度变长时，胶体粒子容易团聚，改性芋头淀粉和聚丙烯酰胺组成的接枝絮凝剂在部分废水处理中有应用前景。

4 复合改性

采用多种方法联合处理淀粉有助于更深层次地开发淀粉，以获得满足市场要求的改性淀粉。此外，复合改性可缩短反应时间，提高反应效率，使改性的过程更有针对性，在得到预期产物的同时减少副产物的产生［28］。胡爱军等［29］通过超声波辅助苹果酸改性香芋淀粉，结果发现，淀粉峰值黏度均大幅下降，透明度和析水率均增加。超声明显促进了香芋淀粉的酸改性过程，超声与酸的双重作用促进了淀粉颗粒结构的破坏，增加了其透明度。Ekafitri 等［30］通过紫外线催化H2O2氧化改性芋头淀粉，结果表明H2O2浓度越高，反应时间越长，反应产物的羰基、羧基、直链淀粉含量、峰值黏度、最终黏度和烘焙膨化率均增加。同时降低了淀粉的黏度和相对结晶度，破坏了淀粉颗粒的形态结构。Pramodrao 等［31］用离子胶（羧甲基纤维素和海藻酸钠）对芋头淀粉进行干热处理，并与马铃薯和甘薯进行比较。结果表明，淀粉颗粒的溶解度较高，透光率、颜色衍射和溶胀强度最小。离子胶改性淀粉的持油、持水性均显著增加。严雨婷等［32］利用电子束辐照预处理对辛烯基琥珀酸改性芋艿淀粉，结果表明，电子束辐照预处理显著改变了辛烯基琥珀酸改性芋艿淀粉酯的理化与功能特性。Liu 等［33］采用球磨法和辛烯基丁二酸酐（OSA）酯化处理槟榔芋淀粉得到双改性淀粉，相比单一处理的改性淀粉，复合改性淀粉具有较强的表面活性和较高的乳化黏度，乳化性能和稳定性较佳。

5 结语

淀粉改性已成为开发新的加工技术和顺应市场趋势的重要手段。淀粉改性方法已有较多研究，如化学、酶促、双重或混合和新型物理方法，如超声波、脉冲光、射频、电子束辐射和高压处理，可以用于商业用途以及食品或非食品行业。 根据应用需求、可用性、市场趋势、结构特点和成本，选择合适的改性方法对行业至关重要。为了从以芋头淀粉为基础的工业中获得更好的回报，需要开发淀粉改性新技术，从而拓宽芋头淀粉的应用领域。