冻融循环次数对淀粉结构及理化性质影响的研究进展

李欣蕊，郑明珠*，姜梧桐，贲大智，吴初宇

（1.吉林农业大学 食品科学与工程学院，吉林 长春 130000；2.小麦和玉米深加工国家工程研究中心，吉林 长春 130000）

淀粉是由葡萄糖脱水缩合而成的高分子化合物，是人体重要的能量来源，也是重要的食品工业原料之一。因其来源丰富，成本较低，被广泛应用于食品、化学、医药等众多领域[1-2]。淀粉是由绿色植物通过光合作用产生，主要以颗粒形式存在于植物细胞中，是植物能量存贮的重要物质[3]。但天然淀粉在实际应用中存在着许多不足，如力学性能差、冷水中不易溶解、易老化、成膜性差等，极大程度地限制了淀粉的应用，所以常通过不同的处理手段来改善淀粉的不良性能[4-5]。

根据淀粉的结构和组成可将淀粉分为直链淀粉和支链淀粉[6]。直链淀粉和支链淀粉的差别在于二者葡萄糖残基之间的连接方式不同、葡萄糖单元的聚合度和分支数量不同[7]。直链淀粉存在于淀粉颗粒的无定形区，是由葡萄糖分子以α-D-1，4 糖苷键脱水缩合而成的线型结构，直链淀粉的含量与淀粉品种和所处的生长环境密切相关。支链淀粉一般在淀粉的结晶区，以α-D-1，6 糖苷键相连，结构呈不规则的树枝状。直链淀粉和支链淀粉含量会影响淀粉颗粒的晶体结构进而影响淀粉的黏度、弹性、保水性等性质[8-9]。

目前，随着消费者生活节奏不断加快，淀粉基食品在销售前会进行多次冻融过程，对食品品质、口感及消化特性等都会产生不同程度的影响[10]。有学者发现冻融处理能够提高食品的孔隙率，较大限度保留食品的色、香、味，是一种先进的食品非热加工技术[11]。因此有效地应用冻融处理对淀粉结构和性质的影响，可以充分改善淀粉基食品的品质。本文总结冻融循环次数对淀粉结构特性和理化性质的影响，以期为淀粉冻融特性的应用提供理论依据。

1 冻融处理淀粉的理论概述

1.1 冻融处理淀粉的原理

冻融破坏机理的理论叙述中，静水压理论是关键理论之一。它认为在受冻过程中由于作用底物表层温度比较低，表面孔隙中游离水先结冰，孔内溶液在缝隙中移动，在此过程中需要克服黏滞阻力，水的压力梯度对作用底物产生破坏作用。将淀粉进行冷冻至完全冻结，然后解冻，此为一个冻融循环，在这个过程中一部分水被冻结，剩余部分形成了浓度较高的淀粉基质，在恒定的溶质浓度和玻璃态转变温度（glass transition temperature，Tg）下，未冻结基质以非结晶固体和动力学亚稳态存在，冰晶嵌入海绵状的淀粉网络结构中，解冻时，冰晶融化成水迅速从基质中分离出来，导致脱水收缩作用的发生。从热力学角度来说，食品冷冻的实质是液态水转变为固态冰晶的相变过程，解冻即其逆过程[12-15]。

1.2 影响淀粉冻融特性的因素

冻融处理对淀粉结构和性质的影响主要取决于淀粉品种、冷冻温度、水分含量、冻融循环次数[16]。

冻融循环次数是影响淀粉颗粒冻融特性的主要因素之一。研究发现芋头淀粉颗粒表面形态的破坏程度随冻融循环次数的增加而增大，冻融次数越多其稳定性越差；随着冻融循环次数的增加，凝胶硬度、弹性、咀嚼性逐渐增加；起始温度（onset temperature，To）、峰值温度（peak temperature，Tp）、终止温度（conclusion temperature，Tc）逐渐升高；膨胀力和凝沉性逐渐降低[17]。冻融循环处理造成糙米表面褶皱、扩大胚乳内裂隙，加速水分吸收速率进而减少糙米蒸煮至完全糊化所需时间，在同一水分含量下，随着冻融循环次数的增加，蒸煮时间逐渐减少，水分吸收率和体积膨胀率呈上升趋势；米饭硬度显著下降，对糙米米饭黏聚性、弹性、胶着性、咀嚼性无显著性影响，循环冻融糙米拥有像白米一样的软烂度、咀嚼性[18]。对糯玉米淀粉进行多次冻融处理，淀粉颗粒表面变得粗糙并出现气孔，颗粒表面的孔隙数和粗糙度随着冻融循环次数的增加而增加，峰值黏度、谷值黏度和最终黏度显著增加，结晶度逐渐降低[19]。

在淀粉颗粒形态中，大小和形状被认为是淀粉的重要性质，不同种类和来源的淀粉其颗粒形状和大小也存在显著性差异[20]，所以其受冻融处理影响的程度也不同。在冷冻过程中，水分在淀粉分子内外形成冰晶，淀粉颗粒的孔隙越大，越益于水分的进出。马铃薯淀粉颗粒比其他淀粉颗粒大，淀粉的颗粒直径通常达到35～105 μm，外形呈椭圆形或圆形，具有较好的膨胀力[21]，易受冻融处理的影响。小麦淀粉颗粒直径为20～45 μm，多呈扁平圆形，少数为不规则形状，表面凹陷和孔洞较少[22]，较难进行改性处理。玉米淀粉大多数呈不规则多角形或者圆形，颗粒表面凹凸不平，嵌有微孔，内部具有无定形通道[23]，有利于水分子进入颗粒内部，所以其颗粒结构易于受外界影响而改变。大米淀粉通常呈圆形或椭圆形，是谷物淀粉中单个淀粉粒径最小的一类[24]，大米淀粉的粒径范围为3～8 μm，较难进行冻融处理[25]。

在冻融过程中，冷冻温度不同对淀粉结构和性质会产生不同的影响。在3 种不同温度下对糯玉米淀粉进行冻融处理[19]，结果表明冷冻温度对结晶度有显著影响，在-20 ℃和-40 ℃时结晶度随冻融循环次数的增加呈先增加后降低的趋势，而在-80 ℃时，结晶度随着冻融循环次数的增加而逐渐增加。不同冷冻温度下的小麦淀粉其结构和理化性质有明显不同[26]，冷冻后小麦淀粉的体积密度均低于原淀粉，但变化的趋势不同，这种差异可能是由于不同温度下晶体数量不同。随着冷冻温度的降低，小麦淀粉结晶度逐渐升高，起始糊化温度、峰值温度、终止温度和糊化焓逐渐升高，糊化温度、崩解值、回升值逐渐升高，峰值黏度逐渐降低。

淀粉的含水量和水分分布在冻融过程中对其性质和结构具有直接影响。反复冻融会促使冰晶的增长，冰晶的连续形成和融化对淀粉颗粒形成了一定的微观机械力，扩大了淀粉分子的内部通道，使更多的可溶性物质溶解出来[27]，水分含量越高，对淀粉颗粒造成的微观机械力越大。冻融循环时淀粉结构被破坏导致羟基暴露，暴露的羟基与水分子中的氢离子结合形成氢键，导致淀粉的性质发生改变。水分含量不同，羟基与水中氢离子结合能力也不同，直接影响了淀粉的冻融特性。当淀粉含水量较高时，淀粉分子交联缠绕和聚合的机会减少，阻碍了淀粉分子的结晶重排[28]。Lu 等[29]的研究表明反复冻融处理对熟米质构特性的影响在很大程度上取决于米粒中的水分流动性。

2 冻融循环次数对淀粉结构特性的影响

2.1 冻融循环次数对淀粉颗粒形貌的影响

通过扫描电镜可以观察到，天然淀粉颗粒呈多边形或椭圆形，表面光滑且有孔隙，无明显的沟槽和裂缝[30]。经过反复冻融循环后，淀粉颗粒的大小和形状基本保持不变，颗粒表面变得粗糙并出现气孔，孔隙数和粗糙度随冻融循环次数的增加而增加。贾会杰[31]对油莎豆进行反复冻融处理后，油莎豆淀粉颗粒表面变得粗糙，形成了一些微孔结构。且随着冻融循环次数的增加，淀粉颗粒表面变得更加粗糙，微孔结构增多。Zhang 等[32]研究发现，随着冻融循环次数的增加，淀粉颗粒由大小完整、边缘规则且表面光滑逐渐转变，颗粒表面出现了更多的孔隙和碎片。这是由于反复冻融破坏其微观结构，随着冻融循环次数的增加，冰晶越易聚集，导致淀粉颗粒发生更大的变性。

2.2 冻融循环次数对淀粉结晶结构的影响

淀粉颗粒按结构差异可分为非晶区、亚晶区和结晶区[33]，晶体结构的X 射线衍射图表现为峰衍射特征，而非晶和亚晶结构表现为色散峰衍射特征[34]。冻融处理后淀粉的结构仍然呈现出与天然淀粉相似的多晶形态和双螺旋晶体结构，淀粉的结晶类型未发生改变。玉米淀粉经过多次冻融处理后，结晶类型仍为A型，但冻融循环次数对结晶度有显著影响，随着冻融循环次数的增加其相对结晶度呈现先增加后降低的趋势[35]。马铃薯淀粉经过冻融处理后结晶类型仍为B型，其相对结晶度逐渐降低，但研究发现有些品种的马铃薯淀粉经过冻融处理后结晶度逐渐升高，这可能与表观直链淀粉含量的降低有关，也可能是多次冻融循环导致上清液可溶物含量的增加和淀粉结晶区与非结晶区比例的变化所致[36]。小麦淀粉经过冻融处理后，结晶类型仍为A 型，相对结晶度呈下降趋势[37]。这是由于冻融循环破坏了淀粉颗粒结晶区内的化学键，从而减少了双螺旋结构的相互作用，导致淀粉结晶度下降。冻融处理对不同种类淀粉结晶结构的影响因其本身结构不同而产生差异。

2.3 冻融循环次数对淀粉持水性的影响

持水性主要表征淀粉与水分子的结合能力，与淀粉分子中羟基的数量有关，暴露的羟基与水中的氢离子结合形成氢键[38]。经过冻融循环处理后糯玉米淀粉的持水性先增加后降低，均显著高于原淀粉[19]。冻融处理破坏了淀粉的分子结构，使淀粉颗粒暴露出更多的羟基与水分子结合，从而提高淀粉的持水性，随着冻融循环次数的增加，淀粉内部的孔隙变大，羟基与水的结合能力可能降低，导致持水性下降。王秋玉[39]研究发现，随着冻融循环次数的增加，小麦淀粉持水性整体呈上升趋势，冻融后淀粉持水性显著高于原淀粉，与唐雪娟等[40]的研究一致。在反复冷冻或解冻的过程中，淀粉分子重结晶、颗粒部分破坏、氢键数量以及结构改变等因素均对淀粉持水性产生影响。

2.4 冻融循环次数对淀粉溶解度和膨胀力的影响

淀粉的溶解度反映淀粉在溶胀过程中溶解能力，与受损淀粉颗粒的损伤程度密切相关；膨胀力反映淀粉颗粒在糊化过程中的吸水能力以及在无剪切条件下的保水能力[41]。溶解度和膨胀力都反映了淀粉在无定形区和定形区的相互作用[42]。施帅等[17]对多种泰州芋头淀粉进行反复冻融处理，随着冻融循环次数的增加，不同品种芋头淀粉溶解度的变化趋势不同。泰兴香荷芋淀粉和靖江香沙芋淀粉的溶解度整体呈现逐渐降低的趋势，兴华龙香芋淀粉的溶解度逐渐升高，这是由于反复冻融作用下，水分迁移促进了淀粉分子重结晶，导致溶解度发生变化。随着冻融循环次数的增加，每种芋头淀粉的膨胀力呈下降趋势，说明反复冻融对淀粉的破坏能力更强。张雯婧[43]对3 种淀粉冻融特性进行研究，冻融后的马铃薯淀粉、山药淀粉以及板栗淀粉的溶解度和膨胀力均高于原淀粉。随冻融循环次数的增加，马铃薯淀粉、山药淀粉以及板栗淀粉的溶解度呈先升高后降低的趋势，马铃薯淀粉和板栗淀粉的膨胀力逐渐升高，山药淀粉的膨胀力先升高后降低。这可能与支链淀粉含量以及结晶度有关，支链淀粉含量高、结晶度低时呈现较高的溶解度和膨胀力。Liu 等[44]研究发现，随着冻融循环次数的增加，不同品种小麦淀粉的溶解度逐渐增加。这可能是由于冻融处理对淀粉颗粒结构的破坏，增加了淀粉分子从颗粒内部浸出的可能性，导致淀粉溶解度增加。膨胀力呈先升高后降低的趋势，膨胀力的升高是由于淀粉颗粒结构被破坏，直链淀粉浸出，直链淀粉对支链淀粉膨胀的阻碍作用减弱。在经过4 次冻融循环后膨胀力开始降低，是由于支链淀粉的双螺旋结构被重新排列，羟基与氢键结合在一起，氢键的增加使支链淀粉分子不能自由膨胀，导致膨胀力下降。

3 冻融循环次数对淀粉理化性质的影响

3.1 冻融循环次数对淀粉热力学特性的影响

采用差示扫描量热仪测定原淀粉及冻融处理淀粉的热力学特性，淀粉颗粒具有半结晶性，经热处理会发生糊化现象，由有序的晶体向无序的非晶体转化，在此过程中伴随着能量的变化[45]。冻融处理使淀粉的糊化起始温度、峰值温度以及终止温度降低，糊化焓值降低。糊化焓表示糊化过程中淀粉颗粒结晶区域中双螺旋解离所需的能量[46]，糊化焓的降低可能是由于在冷冻过程中冰晶产生的微观机械力弱化了淀粉分子的双螺旋结构。但冻融循环次数对淀粉热性能的影响并不显著。有研究表明在第一个冻融循环后糯玉米淀粉的To、Tp、Tc 值与原淀粉相比，略有下降的趋势，说明处理后的淀粉更容易糊化，随着冻融循环次数的增加，To、Tp、Tc 值略有升高[19]。冻融处理后ΔH 均低于原淀粉，随冻融循环次数的增加，ΔH 呈先降低后升高的趋势。但冻融循环次数对糯玉米淀粉热性能没有显著的影响。严娟[47]对米淀粉进行多次冻融处理，糯米淀粉的起始糊化温度与原淀粉相差不大，峰值温度和终止温度略有降低，与原淀粉相比ΔH 显著降低，但多次冻融之间变化不显著。籼米淀粉经过冻融处理后的To、Tp、Tc 与原淀粉相比均减小，但冻融循环次数对热力学性质的变化并不显著。许可[48]对小麦淀粉进行多次冻融处理，与小麦原淀粉相比，冻融处理提高了起始糊化温度和峰值温度，终止温度降低，随冻融循环次数的增加，这些变化更为明显，说明冻融处理后小麦淀粉具有较高的热稳定性，随着冻融循环次数的增加糊化焓逐渐降低，表明冻融处理破坏了淀粉颗粒有序结构。

3.2 冻融循环次数对淀粉糊化特性的影响

淀粉的糊化特性对工艺设计和最终冷冻产品质量的评价具有重要意义[49]。具有吸水性能的淀粉颗粒受热后膨胀，结构由有序向无序发生不可逆变化，颗粒中无定形区域的直链淀粉分子在加热时溶解，但结晶区域保持稳定，随着温度的升高，热能导致结晶淀粉膨胀，大量水分子进入淀粉颗粒，颗粒破碎后形成松散的凝胶状分散相，发生糊化[50]。Liu 等[19]对糯玉米淀粉进行冻融处理，随着冻融循环次数的增加，糊化温度、峰值黏度、谷值黏度、最终黏度均有所升高，崩解值和回生值均有所降低，峰值时间无显著变化。峰值黏度与淀粉颗粒膨胀力有关，支链淀粉是影响淀粉颗粒膨胀的重要因素，而直链淀粉和脂质则抑制淀粉颗粒的膨胀，维持膨胀后淀粉颗粒的完整性[51]。淀粉的峰值黏度升高可能是由于冻融循环破坏了淀粉颗粒内部结构，使淀粉颗粒上的孔隙变大、变多，水分更容易进入颗粒内部，更容易膨胀，因此冻融后淀粉的峰值黏度较原淀粉明显升高。崩解值反映了淀粉糊的热稳定性[52]，它越小淀粉的抗剪切性能越高，膨胀颗粒的机械强度越强。随着冻融循环次数的增加，淀粉颗粒的崩解值逐渐增加，这可能是淀粉颗粒的分子内和分子间氢键断裂，相对结晶度下降所致。最终黏度代表淀粉冷却凝胶的稳定性[53]。冻融循环处理使淀粉颗粒充分被破坏，淀粉分子大量扩散，从而增大了试验时的接触面积，使冷却时的最终黏度增大。回升值可以用来衡量分子在冷却过程中的再结晶程度，也可以作为淀粉凝胶化能力和老化程度的指标[54]。回升值随着冻融循环次数的增加而减小，表明其具有低老化趋势。糊化温度表示黏度开始增加的温度[55]。糊化温度的升高表明冻融处理后淀粉需要更高的温度来糊化，随着冻融循环次数的增加，糊化温度先升高后降低，均高于原淀粉。糊化时间表示达到峰值黏度所需要的时间[56]，冻融循环次数对糊化时间没有显著影响。综上所述，冻融循环处理可以改变淀粉糊的糊化性能，提高淀粉糊的抗老化性和耐热性。Liu 等[44]研究表明，随着冻融循坏次数的增加糊化温度、峰值黏度、谷值黏度、崩解值和回生值均逐渐升高，在冻融循环过程中，冰晶的生长和重结晶破坏了淀粉颗粒的表面和结构完整性，导致部分可溶性物质的浸出，促进淀粉与水的结合，从而使峰值黏度和谷值黏度增加，糊化温度升高可能是由于冷冻过程中淀粉分子链的重排所致，崩解值和回生值逐渐升高可能与冻融循环引起的直链淀粉浸出和淀粉结构弱化有关。

3.3 冻融循环次数对淀粉直链淀粉含量的影响

直链淀粉是一种双螺旋结构，存在于淀粉的非晶态结构中，直链淀粉和支链淀粉的比例对其性质有很大影响。冻融处理通过改变淀粉颗粒表面及内部结构进而影响直链淀粉含量。Fashi[34]研究表明随着冻融循环次数的增加，玉米淀粉的直链淀粉含量逐渐升高，主要是由于支链淀粉在冻融处理下的稳定性不如直链淀粉，支链淀粉的分支断裂成许多短直链淀粉，导致直链淀粉的含量升高。许可[48]对小麦进行冻融循环处理，未经处理的小麦淀粉直链淀粉含量为26.7%，经过2、6、10 个冻融循环处理后淀粉样品的直链淀粉含量分别显著增加到了28.5%、29.4%和33.3%。这是由于冻融循环处理会造成淀粉颗粒的表面出现裂纹，弱化了淀粉分子链间的相互作用。陈丰等[57]对锥栗淀粉进行多次冻融处理，随着冻融循环次数的增加，直链淀粉含量逐渐减少。这是由于反复冻融处理弱化了淀粉颗粒的结构，破坏了淀粉颗粒非晶态区域。综上所述，冻融循环处理后直链淀粉含量与淀粉来源、结构以及冷冻时间等密切相关。

3.4 冻融循环次数对淀粉体外消化特性的影响

淀粉的体外消化试验模拟了体内酶消化淀粉的生理条件，是研究淀粉颗粒生物可及性的有益工具[58]。淀粉的消化率取决于几个参数，如结晶度、淀粉来源、直链淀粉/支链淀粉的比例、淀粉链上官能团的类型和数量及颗粒大小、孔隙度和完整性等[59]。王秋玉[39]的研究表明冻融处理对小麦淀粉中快消化淀粉（rapid digestible starch，RDS）、慢消化淀粉（slowly digestible starch，SDS）和抗性淀粉（resistant starch，RS）的含量有显著影响。随冻融循环次数的增加RDS 含量先急剧下降又显著增加，经过3 个冻融循环后RDS 含量最高，与原淀粉相比增加了5.83%。SDS 含量与RDS 含量的变化趋势相反，先显著增加再显著下降，由30.19%下降到17.59%，冻融处理明显使RDS 含量增加，SDS 含量降低，RS 含量总体呈现上升的趋势。这是由于冻融循环处理破坏了淀粉的分子结构，释放出体系中游离的直链淀粉所导致的。王昊[60]研究发现，未处理的糙米淀粉含有18.0%的快消化淀粉，随冻融循环次数的增加呈先升高后降低的趋势，均显著高于原糙米淀粉。慢消化淀粉含量与原淀粉相比呈现先降低后升高趋势，且显著高于原淀粉，抗性淀粉含量逐渐降低。结果表明冻融循环处理能增加糙米淀粉中快消化淀粉的含量，减少抗性淀粉的含量，这是由于冷冻过程中淀粉可利用面积增大。Fashi 等[34]研究发现，冻融循环处理玉米淀粉中快消化淀粉和慢消化淀粉含量随冻融循环次数的增加逐渐增加，抗性淀粉含量逐渐降低。这可能与淀粉颗粒的结晶结构减弱、表面孔隙的产生和淀粉结构被破坏有关。

4 冻融处理的应用

冻融处理作为一种常用的物理改性方法，对发展淀粉冻融变性理论和解决淀粉基制品（如面团）冻融加工品质劣变及深度开发淀粉颗粒的潜在应用价值方面均具有重要的意义。

根据冻融循环处理对淀粉结构和性质的影响，一方面可为淀粉基产品的生产加工提供理论参考，冻融循环处理简单易行、安全高效，具有广泛的应用前景。另一方面有很多学者将冻融处理作为一种预处理方法与其他方法协同改性，并且取得了重大成果。例如有学者将冻融处理和普鲁兰酶协同进行改性，冻融处理首先破坏淀粉颗粒的晶体结构，表面形成孔隙，有利于普鲁兰酶进入淀粉颗粒内部，增加了淀粉中游离直链淀粉的含量，促进了淀粉-脂质复合物的形成[61]。还有学者将冻融处理和其他物理改性方法进行复合，利用冻融和超声复合处理制备低吸油率玉米淀粉，当冻融循环处理3 次，超声功率为60 W 时玉米淀粉的吸油率最低，二者显著降低了玉米淀粉对油脂的吸收，有助于开发更健康、含油率较低的油炸淀粉食品[62]。将冻融作为一种预处理方法与其他改性方法复合处理，对淀粉食品的研发和应用具有重要意义。

5 结论与展望

冻融处理对淀粉结构和理化性质均有显著影响，冻融循环次数是影响淀粉冻融特性的最主要因素。淀粉的结构和性质随冻融循环次数的增加呈现不同的变化趋势，这种变化与淀粉种类，直链淀粉含量，以及淀粉颗粒结构等密切相关。目前，国内外对于冻融处理淀粉研究较多的是对其性质的影响，对于冻融循环次数对淀粉结构和性质改变的机理研究较少，从颗粒微观结构方面研究冻融处理淀粉的报道较少，对不同晶型的淀粉冻融处理后其结构与性质变化规律的研究较少，从而影响淀粉在食品行业和其它行业的应用范围。除此之外，将两种或多种方法相结合可以弥补单一改性方法的不足之处，对冻融复合其他方法的研究具有广泛的应用前景，对改善食品品质以及生产健康美味的功能食品具有重要作用。