淀粉结构对食品品质的影响

1、淀粉结构对食品品质的影响 绪 论 淀粉是食品加工和生产的重要原料，存在于多种食 物中，如米饭、米粉、粉丝、面包、面条等。 淀粉的理化性质如润胀、糊化等为其在食品中的应 用提供了理论基础，淀粉的结构则决定了淀粉的理化特 性，不同原料来源的淀粉分子因其结构的差异而具有各 自不同的特性，从而对食品的品质造成各种有利或不利 的影响。 目 录 淀粉的结构 谷物籽粒和薯类根茎等植物中的淀粉属天然高分 子碳水化合物，是以-D-六环葡萄糖为基本单位组成 的多聚葡萄糖。在许多个葡萄糖分子组成的淀粉粒中， 具有两种分子结构，即直链淀粉和支链淀粉。因此淀 粉的基本结构包括： 直链淀粉的分子结构 支链淀粉的分子结构

2、淀粉颗粒的晶体结构 淀粉的结构直链淀粉的分子结构 在天然淀粉中有20%30%的淀粉为直链淀粉分子。直 链淀粉是D-葡萄糖基以-1,4糖苷键连接而成的多糖链， 分子中有200个左右葡萄糖基，分子量12105。 直链淀粉分子的立体结构呈螺旋状，遇碘形成蓝色的络 合物，若将其加热至70 ，蓝色消失，冷后蓝色重现。 分子聚合度（DP）在1006000之间，一般不超过1000。 直链淀粉分子是线性分子，呈直链状结构，如 图： 淀粉的结构支链淀粉的分子结构 支链淀粉相对分子质量很大，分子中除含有以-1,4糖苷 键连接的直链外，还有-（1，6）糖苷键连接的分支链。 主链中每隔69个葡萄糖残基就有一个分支，每

3、一个支链 平均含有约1518个葡萄糖残基，平均每2430个葡萄 糖残基中就有一个非还原尾基。 分子中含300400个葡萄糖基，分子量2107，平均聚 合度约为1000一30000，一般在6000以上，难与碘呈络合 物，所以遇碘仅呈红紫色。 因此支链淀粉的结构为高支化聚合物，十分复 杂，呈树枝状构造 ： 淀粉的结构淀粉颗粒的晶体结构 淀粉的组成：直链淀粉和支链淀粉（主要成分）、10%20% （W/W）的水分和少量蛋白质、脂肪类物质、磷和微量无 机物。 晶体结构：淀粉颗粒由许多微晶束构成，存在着结晶区 和无定形区，结晶区构成了淀粉颗粒的紧密层，非结晶区 构成了淀粉颗粒的稀疏层，紧密层与稀疏层交替排

4、列 。 一般而言，支链淀粉分子构成结晶区域，它们以葡萄糖链 先端为骨架相互平行靠拢， 并靠氢键彼此结合成簇状结构，而直链淀粉同样以氢键相互 连接构成无定形区。如图所示，左下图为淀粉粒微晶束结 构，右下图为淀粉颗粒的结构模型： 淀粉的结构淀粉颗粒的晶体结构 淀粉颗粒形状：由于淀粉颗粒中水分子也参与氢键结合，淀 粉分子间有的是由水分子经氢键结合，水分子介于中间，有 如架桥，使淀粉粒的内部结构变得疏松。 因此，一般含水量高，蛋白质少的植物淀粉颗粒比较大（通 常用颗粒直径范围和平均值表示淀粉颗粒大小），形状也较 整齐，呈圆形或椭圆形，如马铃薯淀粉； 相反则颗粒小，形状不规则，内部结构紧密，如玉米淀粉

5、。 淀粉的组分含量与颗粒大小关系： 淀粉种类 玉米淀 粉 马铃薯淀 粉 小麦淀 粉 木薯淀粉 组分 含量 水分(20， RH65%) 13191313 蛋白质（%，干 基） 0.350.10.40.1 颗粒 大小 直径范围（m）3265100235435 直径平均值 （m） 15331520 不同种类淀粉的颗粒形状和大小： 马铃薯马铃薯1500玉米玉米1500 木薯木薯1500高直链玉米高直链玉米1500 淀粉的理化特性 淀粉最基本的理化特性是糊化和老化，这两种特性 对食品的品质特别是质构有显著影响。近年来，人们又 发现淀粉的另一特性玻璃态和玻璃化转变也会影响到食 品的品质，尤其是贮藏品质，玻

6、璃化转变温度(Tg)更是 食品贮藏的一项关键指标。 淀粉的理化特性淀粉的糊化 糊化概念：淀粉不溶于冷水，通过不断搅拌可形成均一悬浮 液，如果将淀粉悬浮液加热到一定温度，淀粉乳液的黏度会 逐渐增大，形成具有很大黏性的淀粉糊，这种现象就是淀粉 的糊化。黏度开始增加时的温度叫做糊化温度。 糊化实质：在加热的作用下结晶或非结晶的淀粉分子间的氢 键缔合被破坏，淀粉分子由紧密的有序排列变成散乱的无序 排列，这时的淀粉称糊化淀粉（即-淀粉），是晶体结构完全 被破坏、易溶于冷水的无定形粉末。 淀粉的糊化过程： 淀粉的理化特性淀粉的老化 老化概念：淀粉糊在低温下放置一定时间后透明度降低并发 生沉淀的现象，这种现

7、象即为淀粉的老化，也称回生或凝沉 现象。 老化实质：糊化后的淀粉分子和水分子都处于运动状态，分 子间结合趋势较小，微晶束呈散乱状态；然而随着温度降低， 淀粉分子和水分子的活化能力也减弱，散乱的微晶束又趋向 于平行排列，淀粉分子重新结晶而凝沉。 淀粉的理化特性淀粉的玻璃化转变 魏长庆等人在淀粉玻璃化转变及其对食品品质影响一 文中提到，研究人员发现淀粉的玻璃态和玻璃化转变会影 响食品贮藏质量控制，如表皮发干发硬、掉渣、萎缩开裂， 内部出现结晶、凝结成团、甚至冷却变性等，最终导致产 品品质下降。 美国Levince 和Slade认为，食品在玻璃态下一切受扩散控制 的反应速率均十分缓慢，甚至不发生反应

8、；因此食品采用玻 璃化保藏，可最大限度保存其原有色、香、味、形及营养成 分，从而延长食品保存期，并能提高保存过程中质量。 淀粉的理化特性淀粉的玻璃化转变 玻璃态、橡胶态和粘流态 玻璃态、高弹态和粘流态称为无定形聚合物三种力学状态。无定 形聚合物在较低温度下，分子中侧基、支链和链节能够运动，而分子 链和链段均处被冻结状态，分子热运动能量很低，只有较小运动单元； 这时聚合物所表现出力学性质与玻璃相似，故称该状态为玻璃态。 随温度升高至某一温度时，链段运动受到激发；但整个分子链仍 处冻结状态，在受外力作用时，无定型聚合物表现出很大形变；外力 解除后，形变又可恢复，这种状态称谓高弹态，又称橡胶态。 若

9、温度继续升高，不仅链段可运动，整个分子链都可运动，无 定形聚合物表现出粘性流动状态，即粘流态 。如图为无定形聚合物 形态与温度的关系图： 淀粉的理化特性淀粉的玻璃化转变 玻璃化转变 玻璃化转变是非晶态聚合物（包括晶态聚合物中非晶部分）从玻璃 态到橡胶态或橡胶态到玻璃态转变，其特征温度称为玻璃化转变温度 （Tg），是控制食品质量和稳定性的关键。 淀粉的玻璃化转变 淀粉是部分结晶聚合物，由高度分支，部分结晶支链淀粉分子和线形 无定形直链淀粉分子所组成，含有无定形区、过渡区和结晶区。淀粉与水 共热时，长链中分子开始运动，当能量足够大时，分子间发生相对滑动， 使聚合物变得粘性、柔韧，呈橡胶态，这一变化

10、过程被称之玻璃化相变。 较低温度下发生无定形区玻璃化转变，热力学上称为二级相转变； 较高温度下发生结晶区熔融转变（转变温度为Tm），热力学称为一级相 转变。下图表示淀粉同时存在两种相转变，Tg ，Tm 为相应的相转变温 度，淀粉的许多性质都是围绕Tg 和Tm 展开的。 淀粉的理化特性淀粉的玻璃化转变 淀粉玻璃化转变对淀粉性质的影响 V R Harwalkar和 C Y Ma研究发现淀粉-水体系在Tm 处发生熔融 转变，即淀粉糊化，淀粉从有序的晶体结构转变到无序的无定形结构。 在Tm ，T g 之间，淀粉的结晶，重结晶，退火(重结晶后的晶体的完 整成形或部分熔融的过程)才能发生。低于T g时，淀

11、粉的晶体不再生 长，只发生缓慢的热力学可逆的老化，在此过程中，淀粉结构重排以 达到一个合适的能量平衡（V R Harwalkar, C Y Ma .Thermal analysis of foods .1990）。 淀粉结构对特性的影响糊化 糊化与淀粉粒分子间的缔合程度、分子排列紧密程度、微 晶束的大小及密度有关。分子间缔合程度大，分子排列紧密， 拆开分子间的聚合和微晶束就要消耗更多的能量，淀粉粒就 不易糊化； 较小的淀粉粒内部结构比较紧密，糊化温度相对较高。 直链淀粉分子间的结合力比较强，含直链淀粉较高的淀粉 粒糊化温度高，糊化较难。 淀粉结构对特性的影响老化 直链淀粉分子是线性分子，呈直链

12、状构造，在糊液中空间障碍 小，易于取向有序排列，容易老化。 支链淀粉分子呈树枝状构造，在溶液中空间障碍大，不易凝沉。 但是，直链淀粉分子量大的，取向困难；分子量小的易于扩散， 均不容易老化，只有分子量适中的才易于老化。直链淀粉构成 比例越大越易老化。支链淀粉含量高的较难凝沉。 各种天然淀粉的结构与糊化、老化特性关系表： 淀粉结构对特性的影响玻璃化转变 水分含量 淀粉是一种可与水共混的生物高聚物，Ruan R 和Chen P L研究发现（1991年）：水的增塑作用会增强处于玻璃态淀 粉无定形区链段活动性，故而降低玻璃化转变温度；另一方 面，水使聚合链间氢键被破坏，减弱分子间相互作用力，使 分子链

13、获得更大活动性，从而使分子和分子链全部冻结所需 温度（即Tg）降低 。 Zeleznak研究了小麦淀粉的和预糊化小麦淀粉的水分含 量与Tg 的关系，如下图，可以看出，这些淀粉的Tg 都随水分 含量的升高而降低 ： 淀粉结构对特性的影响玻璃化转变 淀粉结晶度 Salvador A等人（2005）研究发现天然淀粉含有 15%30% 结晶区，而预糊化淀粉无结晶区，前者Tg 在相 同水分含量下明显高于后者。淀粉水体系在Tm 处发生熔 融转变，即淀粉糊化，淀粉从有序晶体结构转变到无序无 定形结构。对淀粉而言，结晶区并未参与玻璃化转变， 但却限制淀粉主链活动；具有较高结晶度淀粉，限制链段 活动能力越强，相

14、应Tg 也越高。 M T kalichevsky 等人发现不同种类的淀粉，其支链淀 粉分子侧链越短并且数量越多，增塑效果越强，则Tg也相 应越低。如小麦支链淀粉比玉米支链淀粉侧链更多，更短， 其Tg 也比玉米支链淀粉的Tg小。 天然淀粉结构对食品品质的影响 由农作物和植物制得的淀粉称为天然淀粉。在食品 工业中，天然淀粉的结构不仅影响着被加工食品的成品 品质，还会影响食品的贮藏品质；除此之外，根据天然 淀粉结构的差异还会选择性地将其作为食品添加剂加入 到食品中，以该改善食品的原有品质。 天然淀粉结构对面条品质的影响 淀粉占面条生产原料的 75%80%。 在面条的制作中，生淀粉 几乎不吸水，而是被

15、包埋 在面筋吸水膨润形成的网 络中，使面条具有弹性， 能被延压成形。 在面条的蒸煮过程中，淀 粉通过糊化吸水赋予面条 粘弹性和柔软的口感。 而在贮存和烹调后，淀粉 构成的凝胶则会随着时间 不断老化，使面条口感变 硬，品质下降 天然淀粉结构对面条品质的影响 天然淀粉结构对面条品质的影响 研究表明，直链淀粉含量对面条品质有负效应。 Toyokawa H等人用组分分离、重组法研究发现，制作优 质面条的小麦品种应具有一个合适的直链淀粉与支链淀粉比率， 直链淀粉含量高的小麦麦粉制成的面条不易糊化但易老化，食 用品质差、无韧性、粘性大；而直链淀粉含量偏低或中等的小 麦粉制成的面条易糊化且不易老化，食用品质

16、好、有韧性、粘 性小 。 天然淀粉结构对面条品质的影响 天然淀粉也是面制品生产中 常用的品质改良剂，它的结构及 性质对面制品品质的影响很大。 例如鲁战会、李里特研究发 现马铃薯淀粉由于其支链淀粉含 量高，因此添加马铃薯淀粉制成 的面条口味淡、组织细腻透明、 面条柔软，咀嚼性好。 天然淀粉结构对面条品质的影响 鲁战会等人还发现作为纯支 链淀粉的蜡质玉米淀粉，吸水膨 胀速度快，以其制成的面条煮制 时间短、柔软有弹性、口感滑爽， 贮存后硬化较慢，但蒸煮溶出率 大 。 王显伦等人研究发现添加玉米淀粉的面条颜色白、筋 力强，放置后很少产生断条发黏，但谷物口味重。 天然淀粉结构对米粉品质的影响 米粉又叫米

17、线、河粉，是以 大米为原料，经过浸泡、粉碎或 磨桨、糊化、挤丝（或切条）等 一系列工序制成的细条状或扁宽 状的米制品。 大米原料中淀粉含量占其干 重的85%以上。淀粉的糊化、凝 胶的形成和老化是米粉制作的理 论基础，因此淀粉的结构是影响 米粉品质的重要因素。 孙庆杰等人研究发现，采用不同品种大米制作米粉时，大米 中直链淀粉和支链淀粉含量的高低及其比例直接影响米粉的品 质。 直链淀粉含量高的大米淀粉制成的米粉成品密度大，口感较 硬； 而支链淀粉含量适当高时，制成的米粉韧性好，煮食时不易 断条；但支链淀粉含量过高时，大米淀粉在糊化过程中迅速吸 水膨胀，其黏性较强，制作米粉时容易并条，而且韧性差、易

18、 断条。 天然淀粉结构对米粉品质的影响 天然淀粉结构对米粉品质的影响 直链淀粉的作用是为米粉引入弹韧性（即咬劲），支链淀粉 使米粉变得柔软。 从粳米、籼米和糯米的直链淀粉含量来看，籼米粳米糯 米。因此米粉一般用籼米制作，主要是因其直链淀粉含量较高 （达25%以上），大部分粳米不能制作米粉，而糯米不含直 链淀粉，更不能制作米粉。 籼米又分为早籼、晚籼及杂交籼，各自所含直链淀粉和支链 淀粉比例大不相同，所得米粉成品品质也参差不齐。 因此，为了得到感官品质优良的米粉，生产中常将不同种 类的籼米按一定比例搭配，从而使做出来的米粉口感好， 韧性强。如下表，早、晚籼米按不同比例搭配后及粳米的 指标： 早籼

19、米：晚籼 米 直链淀粉含量 /% 口感米粉延伸率/% 4:124.24好102.38 3:124.16好110.56 1:123.77脆98.05 1:323.37黏、软85.62 早籼米24.55脆80.56 晚籼米22.98黏、软50.28 粳米20.38黏15.80 天然淀粉结构对粉丝品质的影响 淀粉是生产粉丝的主要原料，粉丝的加工充分利用了 淀粉的糊化和老化特性。 粉丝制作的传统工艺是先经打芡、再加入淀粉和水调 成面团，由漏勺漏粉成型、煮粉糊化、冷水冷却或冷冻 促进其老化，最后晾干即为成品。 粉丝按制作原料可分为三类：豆类粉丝（绿豆粉丝、 豌豆粉丝等），薯类粉丝（马铃薯粉丝、甘薯粉丝等

20、）， 其它粉丝（蕨根粉丝等）。 绿豆粉丝 甘薯粉丝 蕨根粉丝 天然淀粉结构对粉丝品质的影响 范代超以市售几种常见豆类、薯类、葛根及蕨根淀粉制作 的粉丝制品为研究对象，分析了豌豆粉丝、绿豆粉丝、红薯 粉丝、土豆粉丝、葛薯粉丝及蕨根粉丝淀粉的结构和理化特 性，探讨了结构对粉丝食用品质的影响。 结果表明，表观直链淀粉含量（淀粉基和粉丝基）与粉丝 硬度和弹性呈极显著正相关；表观直链淀粉含量（粉丝基） 与粉丝断条率呈显著负相关；可溶性直链淀粉含量与粉丝膨 润度、煮沸损失和粘结性呈显著或极显著正相关，不溶性直 链淀粉含量与粉丝硬度和弹性呈显著正相关。 如图，为六种粉丝淀粉中直链淀粉的含量： 粉丝的烹煮实验

21、结果显示，粉丝的膨润度和煮沸损失均以 薯类粉丝最大，分别为44.27%48.71%和7.41%8.85%； 粉丝的干物质含量均在87.15%及其以上，以葛薯粉丝干物 质含量最高，达到90.41%。 粉丝的感官品评显示，豆类粉丝评分值最高，外观光洁透 明，硬度较大，有筋道感且粘性较小，食用时更加爽滑， 不易粘牙；而蕨根粉丝在这项上的评分值均最低，分别为1、 2、1.9、3.1和2.3。 天然淀粉结构对粉丝品质的影响 天然淀粉结构对膨化食品品质的影响 膨化原理：膨化食品以富含淀粉的谷物和薯类为主要原料， 经蒸煮而使淀粉糊化即化，淀粉分子间氢键断开，水 分进入淀粉微晶间隙，淀粉颗粒快速、大量地不可逆

22、吸收 水分。再经冷却处理，淀粉老化即化；淀粉颗粒高度晶 格化，包裹住在糊化时吸收的水分。在高温处理（油炸、 砂炒或其他）时，淀粉微晶粒中水分因爆沸而急剧汽化， 促使物料形成微细孔隙而达到膨化。 天然淀粉结构对膨化食品品质的影响 不同种类的淀粉颗粒结构不同、糊化及老化特性相异，会 对膨化食品的膨化度及质构产生不同影响。淀粉结构对膨化食 品品质的影响主要体现在以下几个方面： 支链淀粉含量 雷鸣等人过多次试验验证，在玉米、糯玉米、马铃薯、木 薯、甘薯5种淀粉中，添加玉米淀粉后的膨化度显著低于其他 几种淀粉，而添加了糯玉米淀粉后膨化度最高。分析其原因可 发现，玉米淀粉的支链淀粉含量最低，而糯玉米淀粉中

23、的支链 淀粉含量最高，可见支链含量的高低是影响膨化度的主要因素。 天然淀粉结构对膨化食品品质的影响 直链淀粉含量： 玉米的直链淀粉含量最高，添加玉米淀粉后的膨化食品的 质构明显优于其他淀粉。 淀粉颗粒结构 雷鸣等人又单独比较3种薯类淀粉，发现支链淀粉含量略 低的马铃薯淀粉膨化度却高于其他两种淀粉，质构也较优良。 这是由于淀粉颗粒结构不同所致。因为支链淀粉有处处都是以 1，6糖苷键结合的分枝的特征，且每一分枝的平均链长因 淀粉种类而异。 而在上述3种薯类淀粉中，马铃薯支链淀粉比较独特，它含 有多个磷酸酯基，且88的磷酸酯基在链上，因而马铃薯 淀粉略带负电，在温水中能快速吸水膨胀，使其在高温时易

24、膨胀。 淀粉颗粒大小对 膨化度也有一定影响， 淀粉颗粒大的内部结构 疏松，易糊化吸收较多 水分，高温处理时更易 促使物料形成微细孔隙， 达到膨化。 天然淀粉结构的玻璃化转变对食品品质的影响 大多数谷物食品都是 以淀粉为原料，如焙烤食 品、小吃食品等。淀粉的 性质和结构也随着食品加 工和贮藏条件的不同而呈 现出多样性。这些食品体 系的玻璃化转变对其质构 和货架寿命都有显著的影 响。 天然淀粉结构的玻璃化转变对食品品质的影响 面包在贮藏中易老化，导致其风味变劣，由软变硬，易掉 渣，严重影响货架寿命。 M Lemeste , V T Huang 等人发现淀粉结晶化是面包老化主 要因素，随结晶形成，可

25、溶性淀粉减少，面包质构变硬。 其中直链淀粉分子相对支链淀粉分子而言，由于其分子间 空间障碍小，易相互靠拢并缔合，结晶较快。当温度低于 Tg 时，淀粉不再结晶，所以将面包在玻璃态下保藏，对防 止老化较为有效。 面包老化 天然淀粉结构的玻璃化转变对食品品质的影响 小吃食品的松脆性 松脆性是饼干,爆米花和薯条等含淀粉的小吃食品的重要 感官品质，但Yrjo H Roos等人发现，当温度升高或水分含量 高于临界值时，这些食品将丧失脆性。 这是因为当这些食品处于玻璃态时，质构松脆，但如果水 分含量增加，则水的增塑作用会加大，Tg下降，当玻璃态 转化为橡胶态时，松脆性下降甚至丧失，食品质构湿软， 感官质量下

26、降。所以控制好淀粉的玻璃化转变对维持小吃 食品的松脆质地至关重要 变性淀粉简介 天然淀粉在现代工业的应用是有限的，利用物理、 化学或酶处理，改变淀粉的天然性质，增加其某些功 能性或引进新的特性，使其更适合于一定应用的要求 以改善淀粉的性能和扩大应用范围。 物理变性淀粉：预糊化淀粉、超高频辐射处理淀粉、 机械研磨处理淀粉、湿热处理淀粉。 化学变性淀粉： 分子量下降：酸解淀粉、氧化淀粉、焙烤糊 分子量增加：交联淀粉、酯化淀粉、醚化淀粉、接枝淀粉 酶法变性淀粉：直链淀粉麦芽糊精等。 复合变性淀粉：采用两种以上处理方法得到的变性淀粉， 如氧化交联淀粉、交联酯化淀粉等 变性淀粉简介 在肉制品中的应用 添

27、加原天然淀粉的肉制品 粉感较强，在低温环境下很容 易回生，保水性不强，易析水。 交联淀粉糊化温度高，在 加热初期仍具有良 好的流动性， 有利于热的传导，传热效率高 杀菌升温快，不仅可以缩短加 热时间，还可以减少营养损失。 交联淀粉糊化温度较肉蛋白变性温度高，当交联淀 粉糊化时，肌肉蛋白早已完成凝胶过程，形成网络结构。 交联淀粉会将网络中的水分子固定并促进肉块间的黏合， 填充孔洞赋予产品以细腻的组织结构。 李应华在“变性淀粉及其在肉制品中的应用”中对 比原淀粉和两种变性淀粉。 在面制品中的应用 加入适量变性淀粉,可降 低淀粉的回生程度,使经 贮藏的湿面仍具好口感， 面条的品质、溶出率等都 得到改善。 成品面条耐泡而不糊汤、 口感更劲道; 生产中可降 低断条率,提高成品率； 馒头中加入适量的交联变性 淀粉，可以使抗老化效果明 显增强，制成的馒头表面光 洁度良好，馒头内部气孔均 匀，韧性良好，口感极佳。 过量会对面团有不利的影 响。 在面制品中的应用 在糖制品中的应用 淀粉在糖果中主要用作填充剂。 引入变性淀粉，目的是赋予淀粉 低黏度、高溶解性以及分散性 和抗胀性等应用优势。 在软糖中加入酸变性淀粉，可以 增加软糖的韧性，使软糖的弹 性及口感更加自然。 在口香糖中加入的预糊化变性淀 粉则可起到填充及黏合的作用。 在冷冻食品中的应用 淀粉经交联化和羧