改性甘薯淀粉及其在食品工业中的应用研究进展

李雪,许晶冰,杨世雄,张玲*,高飞虎*

1(重庆市农业科学院 农产品加工研究所,重庆,401329)2(重庆农科粮油加工技术研究有限公司,重庆,401329)3(重庆市食品药品检验检测研究院,重庆,401121)

甘薯为旋花科薯蓣科薯蓣属一年生缠绕草质藤本植物,也被称为红薯、番薯、甜薯、山芋、地瓜等,是世界第七大主要粮食作物[1]。该植物起源于美洲中部墨西哥、哥伦比亚一带,后由西班牙人携带至菲律宾等国家种植。16世纪末,甘薯传入我国[2]。根据联合国粮农组织(Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO)统计,2021年全球有100多个国家和地区种植甘薯,甘薯的收获面积为4 096.79 万hm2,总产量高达8 886.79 万t,其中亚洲甘薯产量最大,占总产量的61.46%,其次为非洲(33.73%)、美洲(3.79%)和大洋洲(1.03%)[3]。中国甘薯产量居世界首位,2021年甘薯产量达4 783.49 万t,占亚洲总产量的87.58%,占世界甘薯总产量的53.83%。

目前,甘薯的资源可持续性及其营养价值受到重视。甘薯块茎中含有蛋白质、果胶、纤维等成分,在加工过程中容易发生褐变,导致甘薯资源未被充分利用。但甘薯淀粉在食品、医药和化工等领域有着重要的应用价值,在食品工业中可用作食品添加剂(如增稠剂、稳定剂等)改善食品的持水能力和保持食品的贮藏品质,还可用作加工原料生产粉丝、粉条、粉皮、面条、饴糖等食品。近年来,通过应用新技术提高了甘薯淀粉的提取率、白度等,为其利用奠定了基础[4]。

根据结构决定性质原理,改性(如物理、化学及生物方法)能在一定程度上改变原甘薯淀粉颗粒的多尺度结构,改善原甘薯淀粉的理化性质,拓宽其应用范围。本文首先介绍了甘薯淀粉的结构及性质,在此基础上归纳总结了常用的改性方法、概述了其在食品工业中的应用情况,最终分析了甘薯淀粉资源的应用前景及趋势。

1 甘薯淀粉的结构与性质

1.1 甘薯淀粉的组成和结构

淀粉是葡萄糖的自然聚合体,是D-葡萄糖通过α-1,4和α-1,6糖苷键连接而成的高聚物,根据葡萄糖分子间的连接方式不同而被分为直链淀粉和支链淀粉。其中,直链淀粉是D-葡萄糖主要通过α-1,4糖苷键连接而成的线状大分子,有些直链淀粉含有少量的α-1,6分支;支链淀粉是D-葡萄糖通过α-1,4和α-1,6糖苷键连接而成的非线状大分子,支链淀粉的每一个分支平均含20～30 个葡萄糖残基,分支间相距约12个葡萄糖残基[5]。甘薯淀粉中直链淀粉的聚合度约为3 025～4 400(图1-a);图1-b为甘薯支链淀粉的结构示意图,支链淀粉是由A链、B链和C链构成,聚合度约为900～19 200,分子质量高达1.77×108,支链链长主要分布在6～45[6]。

a-直链淀粉;b-支链淀粉

不同品种的甘薯淀粉粒具有相似的形态,多呈圆形、椭圆形和多边形,其中紫甘薯淀粉粒的形状多为圆形和多角形。甘薯淀粉粒主要分布在块根的薄壁细胞内,表面光滑,其淀粉粒的大小受甘薯品种的影响,同一品种甘薯的淀粉粒径随着甘薯的成熟而逐渐增大。黄华宏[5]研究显示,甘薯淀粉的粒径为14.6～22.8 μm。王文质等[7]研究发现,20 个品种甘薯的淀粉粒径介于1～45 μm。甘薯淀粉的结晶结构多为C型(含A型和B型的混合结构),同时含有部分A型结晶,在特定条件下,A和B型的混合体晶体可转变为B型晶体[6, 8]。罗志刚等[8]报道甘薯淀粉的粒径在5～31 μm。因此,不同品种甘薯淀粉的粒径存在明显差异。此外,甘薯淀粉的主要化学成分如表1所示,其含水量一般在13.9%～17%,蛋白质含量0.05%～0.57%,脂肪含量0.14%～0.21%,纤维含量50～70 mg/100 g,磷含量9～22 mg/100 g,淀粉含量83.5%～98.7%,其中直链淀粉占比8.5%～38%[5, 9]。

表1 甘薯淀粉的主要化学组分Table 1 Main chemical composition of sweet potato starch

1.2 甘薯淀粉的主要特性

1.2.1 物化性质

甘薯淀粉的颗粒形貌及大小、分散性、支链淀粉与直链淀粉比例及其特征参数、热力学特性、结晶类型及程度、共存物等通过影响甘薯淀粉的分散性、糊化及老化等功能特性,最终影响其加工特性及营养特性,也会对其改性产生影响。甘薯淀粉颗粒的大小影响其自身的膨胀势、溶解度、消化性等性质,通常颗粒越大的淀粉的膨胀势和溶解度越大,但其消化性降低[10],亦有学者报道淀粉颗粒越小,比表面积越大,其膨胀能力和溶解度越大[6],吸湿性能越强[11]。天然甘薯淀粉不溶于冷水,加热到一定温度会使淀粉发生溶胀,淀粉粒中的直链淀粉分子向水中扩散而形成胶体溶液,当温度足够高时,支链淀粉吸水膨胀,进而形成稳定的黏稠胶体溶液。甘薯淀粉的物性见表2,在不同温度条件下溶解度为1.5%～13.65%,其受温度影响较大[10];电导率为62.10～536.00 μs[12],甘薯淀粉溶液pH值一般为5.1～7.0[5]。甘薯淀粉的热特性分析显示,起始糊化温度为65.6～75 ℃,峰值糊化温度为72～79 ℃,终止糊化温度为81.4～86.8 ℃,其热焓值为10.0～16.3 J/g[13]。在85 ℃时,甘薯淀粉的膨胀势在32.5～50 mL/g[10]。樊黎生[14]研究发现,甘薯淀粉粒有轮纹结构,其粒心以不规则放射状具偏心轮纹的单粒为主,伴有少量2～3 个单粒构成的复粒,甘薯淀粉呈现出较好的持水性和冻融稳定性。

表2 甘薯淀粉的物性Table 2 Physical properties of sweet potato starch

此外,甘薯淀粉可与多糖[15]、醇类[16]、脂质[17-18]、表面活性剂[19]、芳香族化合物[20]等形成特定结构复合物影响其结构和功能特性。

1.2.2 淀粉的糊化特性

淀粉与水形成的悬浮液在加热过程中,其淀粉结晶区域胶束中的弱氢键遭到破坏,部分胶束结构逐渐松散而形成空隙,水分子浸入并与部分淀粉分子通过氢键结合,胶束结构进一步被破坏,空隙进一步扩大,水分子继续浸入,淀粉粒发生不可逆的膨胀。随着温度继续上升,结晶区域胶束遭到破坏而完全崩溃,淀粉分子形成单分子分散态而被水分子所包围,淀粉悬浮液逐渐变成高黏度的糊浆状态。在此过程中,淀粉粒中的直链淀粉分子游离出来而形成溶胶,破裂的支链淀粉则形成凝胶。淀粉粒对加热和冷却温度及其速率非常敏感,遇热水会发生吸水膨胀、崩裂,经冷却而形成胶。据报道,甘薯淀粉的糊化温度为58～90 ℃,其中绝大部分甘薯淀粉的糊化温度在65.9～79.9 ℃[8,10]。黄华宏[5]研究发现,甘薯淀粉凝胶化的起始温度、峰值温度和结束温度分别为65.7、76.0和82.7 ℃,凝胶化发生在糊化之前。在糊化过程中,甘薯淀粉的最低黏度为90～160 RVU,最高黏度为200～887 RVU,最终黏度为165～240 RVU,崩解值为90～140 RVU[5]。此外,脂类化合物的存在会降低甘薯淀粉糊化期间的峰值黏度,提高甘薯淀粉糊的稳定性;其支链淀粉含量及支链淀粉中支链链长和比例也影响着它的糊化情况。

1.2.3 淀粉的老化特性

淀粉的老化可看成是糊化的逆过程。在室温或低于室温的条件下淀粉分子运动减弱,趋向有序排列,相互靠拢,糊化的淀粉变得不透明,甚至凝结、沉淀。糊化后的淀粉分子在低温条件下自动排序,相邻分子间的氢键逐渐恢复,形成致密、高度晶化的淀粉微晶束。在老化过程中,支链淀粉结晶、纯直链淀粉结晶和直链淀粉-脂肪复合物结晶的形成是一个动态变化的过程,淀粉凝胶的弹性大于黏度;在4 ℃老化过程中,糊化的甘薯淀粉的直链淀粉分子聚集,形成局部有序的凝胶网络结构,随后脂肪分子与直链淀粉分子交联而形成直链淀粉-脂肪复合物结晶,进而减少了纯直链淀粉的结晶;支链淀粉在老化的7 h左右重结晶,并在14 h以后淀粉的老化以支链淀粉结晶为主体[21]。因此,淀粉老化可以分为短期老化和长期老化,前者与直链淀粉相关,后者与支链淀粉相关,而直链淀粉在此阶段形成的晶核为支链淀粉的长期老化提供晶种源。甘薯淀粉的老化率为30.7%～42.2%,其与直链淀粉含量、支链淀粉的结构和脂类化合物的存在等均有关[5,22]。

总之,详细了解甘薯淀粉的组成、形态及其功能特性(如糊化和老化特性)有助于对其进行选择性或靶向修饰,实现淀粉的定向改造,从而进一步制备和开发新的变性淀粉原料。

2 甘薯淀粉的改性方法分析

天然淀粉具有冷水难溶、糊液稳定性差、老化及成膜性差、抗剪切性能低等特点,这些限制了其广泛应用。通常可采用物理、化学、酶处理或复合处理改变淀粉原有的性质(如溶解性、色泽、流动性等),改善原淀粉品质的一些缺陷,获得所期望的淀粉特性。

2.1 物理方法改性甘薯淀粉

物理改性淀粉具有工艺简单、易操作及无污染、安全性高等优点,常采用各种物理手段(如力、热、超声、超高压、辐照等)改善淀粉的理化性质、晶体结构和消化性,同时在一定程度上保持淀粉的颗粒及分子结构,主要包括挤压、超微粉碎、湿热处理、辐照、超声波等技术,具体涉及机械研磨、预糊化、湿热处理、干热处理等方法。

机械力能够破坏淀粉粒的结晶区域,使得结晶度降低,从而使得淀粉的理化性质发生显著改变。目前,球磨机被广泛用于淀粉的微细化处理,帅英[11]利用高能行星磨对甘薯淀粉进行微细化处理,破坏了淀粉的晶体结构和分子的排列方式,改变了显微结构,有效改善了甘薯淀粉的粒径分布,减小了甘薯淀粉的粒径,增加了比表面积,淀粉吸湿和吸附性提高,但过度研磨会因颗粒机械力化学活性提高而导致小颗粒淀粉发生团聚,进而形成较大的颗粒。高压微射流亦是通过机械力渗透进淀粉粒,导致淀粉粒的结构和性质发生变化。有研究表明,80 MPa高压微射流使得甘薯淀粉粒内部出现重结晶现象,淀粉结构更加致密;而120～160 MPa高压微射流引起甘薯淀粉颗粒破碎,淀粉分子排列紊乱,相对结晶度和热焓值降低,且改性淀粉的凝胶流变行为改变[23]。采用高压均质法制备甘薯纳米淀粉,在均质压力80 MPa、均质次数25 次、甘薯淀粉质量浓度3.2 g/100 mL的条件下制备的甘薯纳米淀粉呈椭圆形,平均粒径为214.3 nm,与原甘薯淀粉相比,改性后淀粉的结晶度和热分解初始温度降低,悬浮液Zeta电位的绝对值增大,且淀粉在介质中的稳定性增强[24]。

在高于糊化温度条件下处理水分含量较低的淀粉,淀粉性质改变后的产物属于湿热改性淀粉,这类淀粉的理化性质受湿热改性条件的影响[25]。利用含水量34%的甘薯淀粉在105 ℃改性1 h,得到的湿热改性甘薯淀粉有序性、相对结晶度增加,直链淀粉明显增加,淀粉分子结构改变,长链断裂,羟基和羰基数量增加,改性淀粉的黏性模量下降[26],改性淀粉糊的谷值黏度、终黏度、回生值及糊化时间和温度提高,而峰值黏度和衰减值下降,弹性模量上升,快消化淀粉含量降低。MARTA等[27]发现湿热处理和韧化改性淀粉的膨胀体积、溶解度、峰值黏度和崩裂黏度降低,糊化温度和回生黏度增加;预糊化甘薯淀粉的体积密度、峰值黏度、崩裂黏度和回生黏度降低,而膨胀势、膨胀体积、溶解度和水吸附能力增加。此外,反复湿热处理会改变甘薯淀粉的慢消化淀粉含量、膨胀势和溶解度[28],反复韧化和持续韧化处理能够降低抗性淀粉含量和抗性淀粉与慢消化淀粉的总含量,且前者对淀粉的结晶度、溶解度、溶胀力、糊化、糊化转变温度、焓和消化率的改性效果是后者的4倍以上[29]。适当超声波处理可改善淀粉的粒度和结构,提高超声改性甘薯淀粉的热稳定性、糊化焓值、溶解度、透光率和膨胀性,较高的功率使得淀粉颗粒变形且黏附碎片增多,有序晶体区域被破坏,双螺旋结构变得疏松,导致甘薯淀粉的结晶度和热稳定性降低[30-32]。随着超声波时间的延长,改性甘薯淀粉的结晶度、短程分子级数和有序分子结构的变化更加明显,聚集态结构的无序增加了淀粉的膨胀势和溶解度,降低了透光率、糊化温度、峰值黏度、最终黏度和崩解值,淀粉高分子链的重排和缠绕形成的强化回生和凝胶结构也表明了超声波处理过程中淀粉颗粒的结构紊乱[33]。

上述内容表明,物理改性通过改变淀粉的结晶度、分子结构和淀粉的粒度,改善甘薯淀粉的膨胀势、水吸附能力、溶解度、透光率、黏度、糊化温度以及消化性等诸多性质,进而获得理想的改性淀粉,但因受诸多因素(如淀粉组成、处理方式、处理强度)的影响,物理改性淀粉呈现的理化性质并不一致。机械力能够降低淀粉的粒度,但会达到粉磨平衡,甚至产生较大的能量进一步影响淀粉的性质;非机械力改性虽能够改善淀粉的性质,但受改性参数和强度的影响较大。采用物理改性处理淀粉时,应根据所需求淀粉的性质选择合适的改性方法并优化改性参数。总之,由于物理改性安全性高,在物理改性中寻找生产优质改性淀粉(如抗性淀粉)的方法受到持续关注。

2.2 化学方法改性甘薯淀粉

化学改性是利用化学试剂对淀粉进行改性,化学改性能够改变淀粉的分子结构,同时使得其分子质量减少(如氧化淀粉、酸处理淀粉等)或增加(如酯化淀粉、交联淀粉等),主要包括酸水解、氧化、酯化、交联等方式。酸化处理使淀粉发生水解,进而改变淀粉的理化性质,例如盐酸或柠檬酸改性甘薯淀粉可提高直链淀粉含量,晶体类型变为不同结晶度的C型,淀粉粒的光滑性变差且粒径为8.00～8.90 μm[34]。酸改性甘薯淀粉的持水能力、水吸附指数、糊化温度随酸浓度的增加而增加,特别是较高浓度酸处理显著改善淀粉的乳化特性。乙酰化能改变淀粉的形态特征,淀粉颗粒形成轻微的聚集或团簇,并在中心区域有较深的沟槽,淀粉的水结合能力、油结合能力、溶解度、糊透明度和凝胶强度增加,但改性淀粉的断裂强度、凝胶弹性和黏附性降低[35]。三氯氧磷交联处理甘薯淀粉的性质与交联剂的浓度相关,该交联能够显著降低甘薯淀粉的膨胀势、稠度指数、表观黏度和屈服应力,且随交联剂浓度增加(0.01%～0.03%)而显著降低;交联甘薯淀粉的糊化温度和糊化焓高于天然甘薯淀粉,交联甘薯淀粉浆料的储能模量和损耗模量高于天然甘薯淀粉,但损耗因子(tanδ)和复合黏度(η*)降低[36]。利用羟丙基化法改性甘薯淀粉,羟丙基取代基位于结晶片层的团簇侧链的无定形片层(支链区)和无定形区之间,羟丙基化主要发生在葡萄糖的O-2、O-3和O-6位置,每10 个葡萄糖单位平均含有2个羟丙基取代基,羟丙基化甘薯淀粉的酶消化物中10～15 个葡萄糖单位的低聚物片段携带5～8 个羟丙基基团[37-38]。羟丙基化明显限制了酶的水解,提高了改性甘薯淀粉的膨胀势、溶解度、流动行为指数、tanδ值、凝胶稳定性、贮藏稳定性,降低了淀粉的糊化温度、糊化和回生焓值,且随着取代度的增加,羟丙基化淀粉糊的稠度指数、表观黏度、屈服应力、复合黏度和动态模量降低[39-40]。化学修饰亦可改善甘薯淀粉的持水能力、糊化温度、溶解度,其中酸法改性通过降低淀粉分子质量提高了淀粉的乳化性能,酯化等改性方式能够增加淀粉的分子质量,改善淀粉的糊透明度和凝胶性能,但交联改性可提高淀粉的糊化温度,羟丙基化改性却降低了淀粉的糊化温度。根据不同化学改性方式赋予淀粉的优良性能,制作改性淀粉需考虑改性方式和改性强度。

2.3 酶法改性甘薯淀粉

酶法改性是利用酶类(如淀粉酶、脱支酶等)对淀粉进行适度酶解,改变淀粉的分子结构和物理化学特性。糖原分支酶用于淀粉改性,能够使甘薯淀粉短的侧链增加(聚合度DP≤12),降低了短的侧链的比例,增加了长的侧链(DP≥25)的比例和分子质量,C型晶体向B型晶体转变,相对结晶度增加;该酶结合淀粉蔗糖酶共同作用于甘薯淀粉,双重改性甘薯淀粉的慢消化淀粉和抗性淀粉的含量高于原甘薯淀粉,且改性淀粉的熔融温度范围变宽,熔融焓降低[41]。酶-酶双重改性对淀粉的结构和性质的改变亦发挥重要的作用,糖化酶与分支酶协同处理甘薯淀粉,改性后甘薯淀粉的分支度增加,平均链长减短,氢键减少,抗性淀粉增加,流变性降低,抗老化能力增强[42]。支链淀粉酶处理能够使甘薯淀粉分子脱支,改变淀粉结构,增加直链淀粉含量,改变了其糊化性能、糊化温度、结晶度及回生特性[43]。经过“麦芽糖α-淀粉酶→β-淀粉酶→转移葡萄糖苷酶”处理后,甘薯淀粉的α-1,6糖苷键的比率和聚合度不高于24的短链的比例增加,淀粉分子的链长变短,分子质量和聚合度高于24的长链的比例明显减少;伴随着结晶度的降低,甘薯淀粉的C型结构向B型结构转变,这3种酶对应的改性甘薯淀粉的溶解度增加,黏度、糊化温度和熔融焓降低[44],而“分支酶→β-淀粉酶→转移葡萄糖苷酶”修饰增加了甘薯淀粉的分支度,本源淀粉的晶体Ca型转变成C+V型,相对结晶度降低,溶解度增加,吸热峰消失,淀粉糊的黏度、储能模量和损耗模量降低,且损耗模量值高于储能模量值[45]。酶法改性降低了淀粉的分子质量,改变了淀粉的结晶度和直链淀粉与支链淀粉的比例,改善了淀粉的溶解度、黏度、热特性、糊化特性、回生特性以及流变性能。但基于成本考虑,酶法改性在淀粉改性中的研究与应用受到某种程度的限制。

2.4 复合法改性甘薯淀粉

复合改性是利用两种或以上的改性方法处理淀粉,与单一方法相比,复合改性能够兼顾单一改性方式的优点,使得淀粉具有特定的功能特性。高压热处理结合支链淀粉酶修饰可改变甘薯淀粉的晶体结构,提高抗性淀粉的产量,增加直链淀粉和较短的支链淀粉分支含量及糊化温度,特别是糊化焓和热稳定性[46-47]。通常,酸-湿热法提高了甘薯淀粉中慢消化淀粉和抗性淀粉含量,淀粉的溶解度增加,但膨胀势和黏度降低[48]。热处理和苹果酸处理引起了甘薯淀粉的部分水解,使淀粉的结晶区域和螺旋结构发生酯化重排,红外光谱显示改性后甘薯淀粉在1 722 cm-1处有一个明显的羰基峰[49]。单一微波和微波辅助L-苹果酸改性甘薯淀粉的膨胀势、亮度、白度指数、糊化焓均降低,而微波辅助L-苹果酸处理使得淀粉在1 735 cm-1处产生新的特征吸收峰,改性淀粉中抗性淀粉的含量增加[50]。辛烯基丁二酸酐含量影响甘薯淀粉羟基基团的取代度,而湿热能够促进辛烯基丁二酸酐进入淀粉粒,增加酰化剂与淀粉分子中羟基的反应,进一步提高该反应的取代度,且提高改性甘薯淀粉中慢消化淀粉和抗性淀粉的含量;辛烯基琥珀酰化破坏了甘薯淀粉的结构,使得改性淀粉膨胀势增加,改性淀粉的糊化起始温度、峰值温度、终温度降低,但不能改变淀粉的晶型[51]。低温等离子体辅助支链淀粉酶处理甘薯淀粉,与原甘薯淀粉和单一改性淀粉相比,双重改性甘薯淀粉的结构被显著修饰,直链淀粉含量和短链比例增加,改性淀粉的分子量和相对结晶度降低,干扰了近程有序结构,而等离子体对支链淀粉酶改性甘薯淀粉仍然有明显的改善效果,即淀粉的溶解度、热特性和耐酶水解性能得到增强,膨胀势和峰值黏度特性减弱[52]。纯韧化、酶法韧化和超声酶法韧化均能明显地改变甘薯淀粉的结构和性质,改性淀粉的峰值黏度、衰减值、回生值和膨胀势降低,透明度和油吸附率增加;其中超声酶法韧化对甘薯淀粉的作用最大,纯韧化处理对淀粉的作用相对最低;纯韧化处理能够增加甘薯淀粉的相对结晶度,而酶法韧化和超声酶法韧化甘薯淀粉的相对结晶度、粒径、近程分子序和焓变值降低,超声酶法韧化淀粉的淀粉粒的孔穴数量增加[53]。乳酸菌发酵改性淀粉则是通过乳酸菌产酸、产酶等作用于淀粉而改变淀粉原有的性质,属于典型的复合改性技术。已有报道指出,乳酸菌发酵能够破坏甘薯淀粉颗粒的结晶结构,导致淀粉颗粒表面凹凸不平、裂纹、孔洞等,并提高改性淀粉的终黏度、回生值和糊化温度[54]。压热改性提高抗性淀粉含量,同时会增加淀粉的糊化温度、糊化焓和热稳定性;物理与化学复合改性能够促进淀粉化学改性程度,提高慢消化和抗性淀粉的含量,增加淀粉的溶解度,但该法可能降低或提高淀粉的亮度、白度、膨胀势或黏度,这些性质受淀粉分子质量和官能团的改变而变化;物理与酶复合改性能够提高淀粉的溶解度、热特性和耐酶水解性,但会降低淀粉的膨胀势和黏度特性;乳酸菌发酵改性淀粉是基于发酵过程中乳酸菌及其分泌物复合作用对淀粉改性,提高淀粉的黏度、糊化温度和回生值,但改性程度很难控制。

综上所述,尽管物理、化学、酶处理或复合处理能够改善淀粉原有的性质(如溶解性、色泽、流动性等),获得性质更符合需求的改性淀粉,但是改性淀粉的性质与原淀粉的来源、结构、组成、改性方法和程度等因素有关。表3中列举了不同改性方法中代表性的甘薯淀粉改性方式及其改性淀粉的理化性质,不同甘薯淀粉在同一改性方式下的理化性质存在明显差异,同一甘薯淀粉在不同改性方式下的理化性质存在明显的差异。

表3 几种改性方法及其甘薯改性淀粉的理化性质Table 3 Several modification methods and physicochemical properties of their corresponding modified sweet potato starch

3 甘薯改性淀粉在食品工业中的应用

甘薯改性淀粉可作为食品加工原辅料及运载体,部分改性淀粉已被批准用于食品工业,其中甘薯改性淀粉基脂肪替代物、抗消化淀粉受到消费者欢迎。目前,甘薯改性淀粉主要用于粉丝、面制品、调味品等食品中,还可用于水果涂膜保鲜。

3.1 改性淀粉在粉丝中的应用

甘薯淀粉磷酸酯能够替代明矾生产粉丝,且甘薯改性淀粉和复合增筋剂(如魔芋粉和复合磷酸盐)替代明矾,可降低粉丝的断条率和蒸煮损失率,提高其食用品质[64]。廖卢艳等[65]研究发现,与原淀粉粉条相比,湿热改性红薯淀粉粉条的断条率降低了70%,粉条的硬度和拉伸强度显著增加,粉条更加耐煮且不糊汤,粉条的弹韧性增加。超声波处理通过改变甘薯淀粉的理化性质影响粉丝的品质,在超声波功率为100 W时,超声波改性淀粉的粉条的耐煮性增加,断条率降低,蒸煮损失减少,汤汁透光率增加,感官品质最佳,但继续增加超声波功率会降低甘薯改性淀粉粉丝的品质,试验证明可通过优化改性淀粉的制备方法及条件,筛选更适合粉丝加工用的甘薯改性淀粉[30]。

3.2 改性淀粉在面制品中的应用

在面条生产过程中,面粉的种类和品质主要影响面条的色泽、表观状态、黏性和弹性等。付蕾等[66]研究了抗性玉米淀粉对小麦粉面条品质的影响,结果发现抗性淀粉添加量为5%时面条感官评分最高;抗性淀粉添加量为15%时,面条的表面光滑度降低。尉新颖等[67]研究了甘薯淀粉对面条品质的影响,发现甘薯淀粉的添加量对面条的品质影响较大,随着甘薯淀粉添加比例的增大,甘薯淀粉和小麦面粉混合粉的黏度增加,糊化温度下降;而面条干物质损失率和蛋白质损失率先降低后增加,干物质的吸水率增加。许蒙蒙[68]研究发现,适量的甘薯淀粉添加量能够提升面条的品质特性,而过量添加甘薯淀粉会降低面条的品质。通常,适用于面条生产的淀粉需满足膨胀度高、黏度高及糊化温度低等特点,适量的外源淀粉添加可改善面条的光亮度、弹性、咀嚼性等感官品质。CHEN等[69]用乙酰化马铃薯淀粉和乙酰化甘薯淀粉替代小麦面粉,结果发现其改善了面条的品质。

在某些情况下,原甘薯淀粉达不到改善特定种类面制品品质的目的,需要对淀粉进行改性,使其满足特定品质的面制品制作的要求。例如在馒头制作中,甘薯氧化交联淀粉影响面团的质地和黏弹性,且受添加量的影响,添加氧化交联淀粉能够赋予面团更强的弹性和更大的延展性,添加该改性淀粉的馒头产品表皮光滑,弹性和韧性增加,气孔均匀,富有嚼劲,氧化交联淀粉具有保水保湿的作用,减缓了馒头品质的变化程度及速度,增强了馒头的抗老化性[70]。在速冻汤圆中,添加甘薯氧化交联淀粉提高了汤圆的抗开裂性能,且随着改性淀粉添加量的增加,汤圆的开裂现象逐渐减弱,并在添加量为6%时,汤圆的完好率达95%[70]。在韧性饼干生产过程中,添加甘薯慢消化淀粉可提高饼干的水分含量,降低饼干的硬度,改善了韧性饼干的外观、色泽和味道;当甘薯慢消化淀粉添加量为15%时,韧性饼干的硬度最低,但感官品质最高[71]。张芸[72]发现甘薯抗性淀粉的添加量影响饼干的品质,添加甘薯抗性淀粉改善了饼干的外观、色泽和味道,但饼干的质地得分降低,咀嚼性、黏结性和回复力有所增加;随着抗性淀粉添加量的增加,饼干的水分含量、水分活度和弹性逐渐降低。OKEREKE等[73]将改性甘薯淀粉应用于面包,发现改性甘薯淀粉与其他物质复配改变了面包的营养品质。

3.3 改性淀粉在食品调味料中的应用

甘薯改性淀粉在食品调味料中主要起增稠剂和稳定剂的作用。吴磊等[74]研究了甘薯交联酯化淀粉在番茄沙司中的应用,结果发现添加甘薯交联酯化淀粉的番茄沙司光泽性好、色泽鲜红、口感润滑细腻、酸甜可口,具有该产品特有的香味,并且黏稠性和挂壁性好、贮藏稳定性好。SENANAYAKE等[75]将湿热改性甘薯淀粉应用到蔬菜汤混合物中,提高了混合物的黏稠度,改善了混合物的感官品质和货架期。辛烯基琥珀酸酐改性甘薯淀粉可用于蛋黄酱的制作,可降低脂肪含量,增强了乳化特性,提高了储能模量,使得蛋黄酱呈现类似凝胶的结构[76]。

3.4 改性淀粉在水果涂膜保鲜中的应用

甘薯改性淀粉的糊化温度低,透明性好,凝沉性小,外观洁白,成膜性优,可作为可食性保鲜膜和生物降解膜[77-79]。李志达等[80]利用异淀粉酶处理玉米淀粉和甘薯淀粉,并将其与其他材料复配制成了良好的水不溶性可食性淀粉薄膜。湿热改性的甘薯淀粉与孜然精油复合可制备可食性膜衣,其能减少链格孢菌引起的梨腐烂病变,延缓果实色泽、硬度和叶绿素降解的变化,抑制梨呼吸作用,减缓梨品质变差,并且覆膜梨气孔密度保存完好[81]。刘匀昀[82]以干热变性紫薯淀粉为基质制备涂抹材料,研究抑菌剂浓度与pH对干热变性紫薯淀粉膜抑菌特性的影响,结果显示含0.025%尼辛和0.06%那他霉素变性淀粉膜在pH值为7时对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、沙门氏菌、黑曲霉菌、绿木霉菌、青霉菌和根霉菌均具有有效的抑制作用;涂膜有效抑制了微生物生长,阻止鲜切榴莲内部水分的流失,并维持了榴莲的感官品质。

3.5 改性淀粉在其他食品中的应用

研究发现,甘薯低交联淀粉磷酸酯能够有效控制蛋白质沉淀,提高冰淇淋的膨胀率;同时淀粉酯还可以部分取代果冻粉或卡拉胶而降低果冻产品的脱液收缩率,提高果冻的稳定性,但透明度略有下降;甘薯低交联淀粉磷酸酯是阴离子型的高分子质量淀粉衍生物,含有大量的亲水基团(磷酸基团和羟基团)及磷酸酯键,具有很好的亲水性,能够作为良好的乳化稳定剂,并且磷酸酯键的引入阻碍了淀粉分子间氢键的形成,从而添加甘薯低交联淀粉磷酸酯能够减少淀粉老化,提高淀粉糊的稳定性,减弱了凝沉性,继而能够改善火腿肠的组织结构和持水能力,最终改善火腿肠的品质[83]。此外,SURENDRA等[84]研究发现,柠檬酸改性甘薯淀粉可作为脂肪替代物制作减脂冰淇淋,其改善了冰淇淋的质量和贮藏性能。RAVINDRA等[85]利用酶法改性甘薯淀粉制作冰淇淋,其降低了冰淇淋的热量,改善了冰淇淋的感官品质、组成成分、质地和化学性质等。此外,甘薯改性淀粉还应用于蛋糕、糖果、肉制品、发酵制品、乳制品、饮料和保健食品等食品中。

4 结论与展望

我国是甘薯种植大国,甘薯种植面积和产量居世界首位,甘薯淀粉资源十分丰富。但相比马铃薯和木薯淀粉,甘薯淀粉的研究与开发起步较晚,目前需要加强甘薯淀粉的基础研究、综合开发及工业化应用,加快我国甘薯淀粉资源的创新发展。根据甘薯淀粉的多尺度结构及其理化性质,通常可采用物理方法、化学方法、酶法和复合技术对甘薯淀粉进行适度改性,通过改善甘薯淀粉结构和功能特性实现提质增效,最终使甘薯淀粉资源满足现代化工业的最新要求。

近年来,国内外学者在甘薯淀粉的改性研究中取得了诸多成效,但在以下方面还需要深入研究:(1)通过恰当的改性方法开发具有优良性质的改性淀粉替代脂肪等产品,进一步开发营养、健康的淀粉类产品;(2)研究淀粉的绿色改性方法,提高改性淀粉纯度,降低成本,满足生物医药行业对改性淀粉原料高纯度的要求;(3)考虑到淀粉多尺度结构对其功能特性的决定作用,需重点研究淀粉功能及生物活性的靶向修饰方法;(4)现有结构表征技术难以有效探究改性淀粉的精细结构及变化,需结合新的化学元素和结构分析方法,促进相关机理探索;(5)与传统改性淀粉的结构和性质相比,一些新的改性淀粉的食用安全性研究尚不深入,需通过细胞实验、动物实验甚至临床实验来验证改性淀粉的安全性。