佳和試劉-淀粉理化特性研究進展

淀粉是一種高分子化合物， 它廣泛分布于自然界之中。 是一種可以由生物合成的可再生資源。 淀粉的營養成分很高， 除作為能量食物外， 還可以廣泛地應用于食品、紡織、造紙、醫藥、能源等各個領域。

1 淀粉的形成及組成分類

淀粉是一種顆粒形態的碳水化合物， 有非常復雜的形成途徑。 太陽能被有葉綠體的高等植物所利用， 并吸收二氧化碳和水進行光合作用合成淀粉， 這種淀粉被稱為同化淀粉。 到了夜間停止，同化淀粉分解， 被運送到植物各個部位，在那里被用于呼吸， 或生成生物合成蛋白質、 核酸等成分的素材， 或者在種子、 根( 塊)莖等中重新被合成為淀粉。在非綠色貯藏組織中再次被積貯起來的淀粉通常稱作貯藏淀粉。一般來說淀粉是指提取出來的貯藏淀粉。淀粉它是由α-D 葡萄糖單位組成的多聚葡萄糖，其分子式為(C6H10O5)n，組成淀粉分子結構體的數量單位稱為聚合度，以 DP 表示。同時，淀粉分為直鏈與支鏈淀粉，二者的比例大概為 20:80 。直鏈淀粉是由α-1,4 糖苷鍵連接的葡萄糖單元組成的聚合物，也有少量的α-1,6 糖苷鍵存在，聚合度為 500～6000 個葡萄糖單元，相對分子量約 250000，但存在較大的變化。而支鏈淀粉是通過α-1,4 糖苷鍵或α-1,6 糖苷鍵連接的高度分支的多聚物，每 20～25 個α-1,4 葡糖基就連接有 1 個α-1,6 分支點。直鏈淀粉含量的測定方法，包括電勢滴定法、電流滴定法、剛果紅比色法和碘藍比色法。

1.1按淀粉的性質分類

按國家 GB/T8887-2009 標準，淀粉可分為原淀粉和變性淀粉等。原淀粉是不經過任何加工處理處理， 也不改變淀粉理化特性而生產的各類淀粉。原淀粉從原料來源可分為：谷類淀粉、薯類淀粉、豆類淀粉、其他類淀粉。變性淀粉是原淀粉經加工處理， 使淀粉分子異構， 改變其原有的物理化學特性的淀粉。 變性淀粉可分為酸處理淀粉類、 焙烤糊精類、 *類、 淀粉酯類、淀粉醚類、交聯淀粉類、接枝共聚淀粉類、物理變性淀粉類、生物變性淀粉類。

1.2按消化性分類

淀粉可分為快速消化淀粉(RDS) 、 緩慢消化淀粉(SDS) 和抗性淀粉(RS)。 抗性淀粉(RS)目前還沒有的分類， 多數專家學者根據淀粉的來源不同和抗酶解力的不同，將抗性淀粉分為 4 類：RS1 、RS2、RS3 、RS4。RS1 型淀粉是指不能被酶解的淀粉。淀粉顆粒因細胞壁的屏障作用， 因此不易被消化，這類 RS 易受咀嚼或加工方式的影響，在輕度碾磨的谷類、豆類等食品中非常常見。 RS2 型淀粉是指天然能不被消化性的淀粉，因物質結構如結晶結構、 密度大等特點使其產生抗消化性。 RS3 是指老化的淀粉， 如糊化冷卻后的馬鈴薯、面包等。 RS4 主要指化學改性淀粉， 如交聯淀粉、接枝頻率較高的接枝淀粉等。

2 淀粉的物化特性

2.1 淀粉的糊化特性

淀粉的半結晶的顆粒結構，使其在加水加熱到一定溫度后，就會發生糊化。糊化過程非常復雜， 通常伴隨著黏度、透明度變化以及再結晶等現象。 糊化的不同階段，表現出不同的特性。淀粉的糊化過程可分為 3 個階段， 在*階段，少量水分淀粉吸收后， 淀粉體積出現小幅的膨脹，到了開始糊化的溫度；第二階段開始， 顆粒突然脹大，增加數倍，水分大量吸收，淀粉乳變成了淀粉糊；繼續加熱，開始第三階段，淀粉充分糊化后，顆粒結構*消失，大部分淀粉分子溶于水中。 通常認為淀粉糊化的本質是淀粉顆粒微晶束的熔融所致。 糊化溫度是淀粉糊化特性的一項重要指標。 不同的淀粉具有不同的糊化溫度， 玉米和甘薯的糊化溫度分別為 64~72 和 58~61℃。 測定淀粉糊化溫度的方法很多，如偏光十字法、粘度法、糊透光率法、DSC 法等，其中以淀粉顆粒的偏光十字消失來確定糊化溫度，是較好和簡單的方法，被普遍采用。

2.2淀粉的老化機理

淀粉在加熱后主要以兩種形態存在，即原淀粉的糊化及熟化變性后的老化，淀粉的糊化與老化之間是部分可逆的。 所謂淀粉的回生即淀粉α化向β化轉化的過程。 如圖 1-2 所示老化的過程是因分子間氫鍵的不斷締合晶體從無序到有序的過程。 *糊化的淀粉，當溫度降低之后， 分子的熱運動能量不足， 熱力學非平衡狀態， 氫鍵之間相互吸引與排列，使體系自由焓降低， zui終結晶形成。結晶實質是分子鏈間有序排列的結果，其過程包括直鏈分子螺旋結構的形成及其堆積、支鏈淀粉外支鏈間雙螺旋結構的形成與雙螺旋之間的有序堆積。Miles等人認為淀粉的老化可以分為兩個階段： 短期老化和長期老化。 丁文平等對淀粉短期回生和長期回生機理進行了研究， 得出結論： 淀粉的短期回生主要由直鏈淀粉分子的纏繞有序所引起。 而長期回生是由于支鏈淀粉外部短鏈有序重排結晶所致。

3 影響老化的因素

3.1 溫度和水分含量

丁文平等選擇 4 ℃和 25 ℃作為淀粉糊的貯藏溫度，研究了溫度對淀粉老化的影響，結果表明 25 ℃下儲藏的淀粉老化速率較 4 ℃儲藏的慢，形成了更加緊密淀粉凝膠網絡結構， 更加富有彈性。 丁文平等利用差示掃描量熱儀對變溫儲藏對大米淀粉回生的影響進行了研究， 結果表明， 變溫儲藏改變了重結晶性狀，但對直鏈淀粉和脂質復合物的結晶沒有影響。25℃下放置 5d 后再置于 4℃下儲藏可以有效地抑制支鏈淀粉的重結晶，從而降低大米淀粉的回生速度。 沙坤等將饅頭貯藏在 0 ℃、4℃、22℃進行老化研究，結果表明，4 ℃條件下淀粉的回生速率zui高， 其次為 0 ℃條件， 22 ℃條件下饅頭的回生速率zui低。 周國燕等采用差示掃描量熱法研究水分含量對大米淀粉和馬鈴薯淀粉熱力學行為產生的影響顯示， 隨著水分含量的增加， 淀粉在低溫下保藏， 隨著保藏時間的延長， 淀粉老化程度加深；隨著水分含量的增加， 老化熱焓先增大后減小，當水分含量在 60%～75%時，老化程度zui深，淀粉zui易發生老化。

3.2 直鏈淀粉和支鏈淀粉

Ring 等人認為，大米淀粉的回生是由其支鏈淀粉外側短支鏈形成雙螺旋結構后堆積結晶而引起的， 其外側短鏈聚合度 DP 一般為 15~18。 Iturriaga 等用 DSC 測定不同直鏈淀粉含量的大米淀粉糊化后老化程度隨時間變化的趨勢。直鏈淀粉含量高可以加快老化的速率。

3.3 蛋白質和脂肪

Wu 等采用加熱與攪拌的物理方法分別對碾磨米粉和米淀粉進行了改性，發現物理改性可以延緩米粉的老化過程， 而對米淀粉沒有效果。 他們認為蛋白質因為物理改性結構發生了變化， 增強了乳化特性， 加強淀粉與蛋白的關聯， 提高了持水性，從而抑制了淀粉的重結晶。大米淀粉的回生與脂質含量有很大關系，Morrison 等研究發現， 大米 ( 19.5%~28.3%) 中直鏈淀粉含量高的， 直鏈與脂質的復合率達到 19.4%~30.2%，其結晶融化溫度為 80~120 ℃。丁文平等用DSC 研究不同成分比例的大米淀粉， 糊化后冷卻過程， 放熱峰在溫度 95~80 ℃出現， 這是包括了直鏈淀粉與脂質的交鏈形成時， 所釋放的熱焓和直鏈淀粉之間交聯形成氫鍵的焓。根據淀粉糊凝膠體系在回生過程中各種物理化學性質的變化， 可有各種回生度測試方法。主要有：差示掃描量熱分析法、X-射線衍射法、 核磁共振法、*法、動態粘彈性測度法、蠕變柔量測試法、斷裂性能測試法、 濁度法。1.5 淀粉的消化特性Englyst 等人根據淀粉在人體內的消化特點，將淀粉分為三類：易消化淀粉(ready digestible starch，RDS)，指那些迅速被小腸消化的淀粉( ＜20min)；緩慢消化淀粉(slowlydigestible starch ，SDS)，指那些能被小腸*消化吸收但速度較慢的淀粉(20 ～120min)；抗性淀粉(resistant starch，RS)，指人體在小腸內不能被消化吸收的淀粉(＞120min) 。許多疾病與淀粉的消化性密切相關。心血管疾病和非胰島素依賴型糖尿病，食用低血糖指數(GI) 的食品具有輔助治療作用。血糖反應由食品的消化速率決定，血糖指數與體外消化試驗的結果有明顯的相關性， 抗性淀粉和緩慢消化淀粉含量高的食品血糖指數低。

Zhang 等研究發現， 支鏈淀粉的結構決定了 SDS 的含量； 繆銘等研究發現淀粉的消化性能與RVA曲線特征值具有相關性，不同品種淀粉的黏度崩解值與 RDS 含量呈顯著正相關，與SDS 含量呈顯著負相關；張斌等報道了不同直鏈淀粉含量的玉米淀粉的結晶結構與消化性能，發現A型結晶淀粉是制備SDS 的理想原料，而B 型結晶淀粉具有較高的 RS 含量。SnowP 等指出，顆粒大小在決定 消化速率中 起著重要的作用。Chung 等的研究表明，淀粉消化率與其糊化程度呈正相關， 消化率越高， 糊化程度越高， 到達消化平衡的時間越短。 Harmeet 等對脫支大米淀粉的研究表明， 消化性與淀粉顆粒大小有直接的關系，顆粒越大消化速率越低。血糖指數與人體的健康密切相關，Goni 等得到體內、 體外淀粉水解指數(HI) 和血糖指數(GI) 之間良好相關性。 Hyun-Jung等以糯米淀粉為原料， 進行不同程度糊化后老化處理， 再進行消化性研究， 發現部分糊化淀粉比老化淀粉更易消化。