淀粉老化的影响因素及其检测技术研究进展

来源：核心期刊咨询网时间：2021-03-13 11:1012

摘要：摘要：基于淀粉结构和老化机制，阐述了外源性组分对淀粉老化的影响;同时，从宏观和分子水平上对检测淀粉老化的热分析、光谱分析、显微成像等技术进行了综述. 指出：淀粉的老化过程受非淀粉类碳水化合物、盐、蛋白质、脂质等外源性组分的影响，但由于淀粉类食

　　摘要：基于淀粉结构和老化机制，阐述了外源性组分对淀粉老化的影响;同时，从宏观和分子水平上对检测淀粉老化的热分析、光谱分析、显微成像等技术进行了综述.

　　指出：淀粉的老化过程受非淀粉类碳水化合物、盐、蛋白质、脂质等外源性组分的影响，但由于淀粉类食品构成成分复杂，各组分在储存过程中均可能与淀粉分子发生相互作用，且简单的模型体系无法替代实际的食品体系，因而有必要更深入地探讨复杂模型下淀粉老化特性的变化，从根本上有效延缓或抑制淀粉的老化;另外，由于目前研究者多采用较为单一的分析技术揭示淀粉的老化机制，且常用分析技术尚存在分析指标单一、操作难度较大等局限，故

　　在实际应用中，应根据淀粉样品的信息将多种检测技术相结合，更全面地分析淀粉老化特性的变化情况，以延缓淀粉类食品老化，延长产品货架期.

　　0 引言

　　淀粉作为食品的重要组分，不仅可提供人体所必需的能量，还可影响淀粉类食品的质构、口感、可接受性等品质属性.淀粉类食品大多经历了某种形式的加工或烹饪，导致淀粉吸水膨胀形成具有一定黏度的糊状体系，但在降温和储存过程中，淀粉分子在空间构象上经重排后，会形成有序、稳定的凝胶结构，这一现象被称为淀粉老化或回生[1-3].淀粉老化通常会导致淀粉类食品品质的劣变，如质构劣化、透明度下降、口感粗糙等，从而缩短淀粉类食品的货架期，降低消费者的可接受程度[4].然而，淀粉的老化行为在某些加工应用中也是可取的，例如，在早餐谷物和脱水土豆泥的生产过程中，淀粉老化可改变产品的结构和感官性能，并能形成抗性淀粉[5-6].鉴于此，如何合理调控淀粉的老化程度并考查体系的老化特性，对于淀粉类食品的加工和食用品质的改良均具有重要意义.近年来，研究者多聚焦于其他食品组分对淀粉老化特性的影响，并运用多种现代检测技术对其老化程度进行准确分析，以期通过常见的、经济的技术手段真正实现淀粉工业化应用的老化调控，进而实现淀粉类食品的品质调控，推动食品加工产业的发展本文拟基于淀粉结构与功能，从淀粉老化的机制、影响因素、检测技术等方面对近年来国内外的相关研究进行综述，以期为淀粉类食品的老化调控、食用品质提升、货架期延长等提供参考.

　　1 淀粉结构与功能特性

　　淀粉是由线性直链淀粉和分支型支链淀粉构成的天然高分子聚合物，二者在淀粉颗粒内部形成了结晶区和无定形区，构成了淀粉多尺度结构的基础.淀粉的多尺度结构如图1所示.

　　根据淀粉结构尺度的不同可将其分为：分子链结构 (chain，0.1～1.0 nm)、结晶结构(crystalline，1～4 nm)、层状结构(amorphous and crystalline lamellae，9～10 nm)、生长环(growth rings，120～150 nm)和颗粒结构(granules，2～100 μm).对淀粉结构的认知是一个循序渐进、不断深入的过程[10-11].1940年代，W.N.Haworth[12]提出了支链淀粉的层叠式结构模型，随后，许多学者对淀粉顆粒的结构模型进行了改善.其中，Z.Nikuni[13]提出，直链淀粉与支链淀粉是相互结合存在的，F.Dexter等[14-16]则认为，淀粉颗粒内部的直链淀粉随机或呈螺旋结构存在，并对支链淀粉分子的“簇”状结构模型进行了改善.根据高分子聚合物的结构层次，淀粉可分为近程结构(一级结构)、远程结构(二级结构)和聚集态结构(三级结构)3个结构层次.其中，淀粉的近程结构涉及直链、支链部分的链构造和构型及其葡萄糖单元;远程结构涉及淀粉分子的大小和分布、分子链结构的内旋转构象和柔顺性;聚集态结构涉及淀粉分子间螺旋结构的几何排列和堆砌形成的内部结构，主要包括晶态、非晶态、晶体结构的取向等。

　　不同尺度结构的差异会显著影响淀粉的功能特性.淀粉类食品的品质属性很大程度上取决于淀粉在加工、烹饪和储藏过程中所经历的变化，而这些变化又决定了淀粉的功能特性，如水合能力、颗粒溶胀性、热糊黏度和冷却凝胶结构的形成[18].淀粉的功能特性对于调控食品的黏度、质构、风味、口感、保质期等至关重要.经加热处理后，淀粉颗粒会吸水溶胀形成糊状溶液，此过程伴随着氢键的断裂、双螺旋结构的解旋、晶体的熔融和颗粒结构的崩塌，从而形成具有一定黏弹性的均匀糊状溶液，进而影响食品的加工性能，但冷却后，无序分散的淀粉链将重新形成新的有序化结构，即出现淀粉老化现象[19].

　　2 淀粉老化及其机制

　　淀粉老化是指淀粉糊在冷却过程中发生的淀粉分子从无序到有序的变化过程.在加热糊化过程中，高温和水分子使淀粉分子的有序结构变得杂乱无序;在冷却过程中，破碎的直链淀粉与支链淀粉逐渐重新结合，形成不同的有序结构.淀粉老化的本质是部分或完全糊化的淀粉分子由高能无序状态逐渐转变为低能有序状态的一个热力学平衡过程，即淀粉分子链通过分子内或分子间氢键的结合、排列和聚集，构成有序化排列的聚集态结构.淀粉老化的模型如图2[20]所示.淀粉的老化过程可分为短期老化和长期老化.其中，短期老化发生在淀粉糊化后的初始阶段，渗漏的直链淀粉分子发生定向迁移形成三维网络结构[3，21];长期老化则一般会超过几周时间，主要是由于支链淀粉具有高分支结构，在聚合时受到较强的抑制作用，老化进程较慢[22].长期老化在整个淀粉老化过程中占主要作用，是导致淀粉体系品质变化的主要原因.

　　对于非蜡质淀粉，老化会导致淀粉糊转变成具有三维网络结构的牢固凝胶;而对于蜡质淀粉，老化则导致淀粉糊形成软凝胶，其含有聚集体但没有三维网络结构.通常，淀粉凝胶的强度与直链淀粉含量有关[23].直链淀粉的网络结构可为淀粉凝胶提供弹性和抗变形强度，而仅含有聚集体的软凝胶则显示出更好的渗透性、更强的黏性和黏聚性.直链淀粉分子间氢键的可用性降低会破坏软凝胶内部的长程相互作用，导致网络结构的黏聚性降低.淀粉老化是一个持续的过程，其最初涉及直链淀粉分子的快速重结晶，然后是支链淀粉分子的缓慢重结晶[24-25].直链淀粉的老化决定了淀粉凝胶的初始硬度，以及淀粉类食品的黏性和消化率[26].面包、蛋糕的老化与储存时间和淀粉结晶度有关，主要是由支链淀粉的老化所导致[27-28].

　　3 淀粉老化的影响因素

　　通常情况下，淀粉老化会对淀粉类食品产生不利影响，因此，如何延缓或抑制淀粉老化一直备受业界关注.目前，研究者对影响淀粉老化的因素研究较深入，其中，水分含量、淀粉来源及结构、储存条件等是最常见的影响因素[29-30].此外，在淀粉的加工与应用过程中，利用常见的外源性组分(如非淀粉类碳水化合物、盐、蛋白质、多肽、脂质等)延缓或抑制淀粉老化也是较为常见的简单快捷的手段[31-34].本文主要从常见的外源性组分方面进行阐述.

　　3.1 非淀粉类碳水化合物

　　广泛用于延缓或抑制淀粉老化的非淀粉类碳水化合物包括单糖(如葡萄糖、核糖和果糖)、低聚糖(如蔗糖、麦芽糖、乳糖和β-环糊精)和多糖(如果胶、黄原胶、瓜尔胶、茶多糖、β-葡聚糖、魔芋葡甘聚糖、羧甲基纤维素(CMC)和大豆可溶性多糖(SSPS))[35-37].在多数情况下，添加非淀粉类碳水化合物可抑制淀粉的老化程度，而淀粉老化受抑制的程度主要取决于非淀粉类碳水化合物的类型和含量，即可根据淀粉与其他碳水化合物之间竞争水分来解释抑制淀粉老化的机制[38-40].

　　单糖、低聚糖等小分子糖类抑制淀粉老化的机理主要包括降塑理论和相容性理论.其中，降塑理论指出，在淀粉的重结晶过程中，作为降塑剂的小分子糖类可增强淀粉链之间的相互作用，降低分子链的迁移速率，从而抑制淀粉老化.B.Peng等[41]研究表明，海藻糖可通过阻碍水分子、谷蛋白与淀粉之间的相互作用来保持水分，降低面团老化速率常数，对面包的紧致过程有抑制作用，可作为面团和面包制作中的改良剂.相容性理论指出，小分子糖类对淀粉老化的作用取决于二者的相容性：若二者相容，则淀粉微相区的淀粉含量降低，进而减少淀粉分子链的重排;若二者不相容，则淀粉微相区的淀粉含量升高，进而加速淀粉的老化过程.相容性理论比降塑理论更完善，可解释不同小分子糖类对淀粉老化的抑制效果具有显著差异的原因[42].研究显示， 糖分子与水分子间的相容性是影响淀粉老化的主要原因：相容性好，糖分子可起到与水分子相似的作用，在一定水平上稀释淀粉分子，减缓其迁移率，降低老化速度;反之，则加速老化速度[43].

　　此外，淀粉的老化还与多糖分子之间的相互作用有关.多糖类抑制淀粉老化的方式主要是通过与水分子或淀粉作用，降低氢键与淀粉分子链间的相互作用[44].J.Muadklay等[45]研究发现，在木薯淀粉乳中添加质量分数为0.5%的黄原胶可抑制淀粉老化.另外，黄原胶还可充塞到膨胀的淀粉三维网状结构中形成膜壁，阻止淀粉中羟基之间的缔结，防止淀粉的重结晶，进而延缓淀粉老化[46].

　　3.2 盐

　　盐对淀粉老化过程的影响与盐离子的性质有关.通过对不同储存期淀粉糊老化程度的研究发现，低质量分数(< 2%)的NaCl对淀粉老化无明显抑制作用，但高质量分数(> 2%)的NaCl 可抑制淀粉的老化.其原因可能是当盐离子质量分数过低时，不足以对淀粉链段的聚集造成影响，而当体系内存在足够的盐离子时，Na+在淀粉凝胶体系内属于结构破坏(盐溶) 离子，能够抑制淀粉链段之间氢键的形成，阻碍淀粉老化过程中链段的重排[47].然而，一价中性盐KCl对淀粉老化行为的影响与NaCl截然不同， KCl 可促进淀粉的老化.这是因为 K+在淀粉凝胶体系内属于结构构建(盐析)离子，可促进淀粉链段之间氢键的形成，加速淀粉老化过程中链段的重排.与一价盐相比，二价中性盐对淀粉链段重排的抑制效果更为明显.这是因为阳离子的水和作用会降低体系的水分活度，而且其水和能力与盐离子的大小成反比，按照 Ca2+、Mg2+、Na+、K+的順序依次降低[48]，因此，4种常见氯盐抑制淀粉老化的效果依次为 CaCl2>MgCl2>NaCl>KCl.此外，周虹先[49]研究发现，玉米淀粉老化受体系内盐离子的影响：SO42-等阴离子能保护淀粉分子与水分子间的氢键键合，以及淀粉分子间的氧键键合结构，促进淀粉老化;反之， SCN-阴离子可在一定程度上损坏淀粉结构，抑制淀粉老化.同样地，糯玉米淀粉的老化也受体系内盐离子的影响：F-、SO42-等盐析离子可保护淀粉结构的有序性，促进淀粉老化;反之， I-、SCN-等盐溶离子可在一定程度上损坏淀粉结构，抑制淀粉老化.

　　推荐阅读：解淀粉芽孢杆菌施用方式对烟株根际土壤真菌群落的影响

转载请注明来自：http://www.qikan2017.com/lunwen/lig/18874.html