淀粉糊化性能的研究进展

1、科研见习论文题 目 淀粉糊化性能的研究进展 学生姓名 高小飞 学号 1112034019 所在院(系) 生物科学与工程学院 专业班级 食品质量与安全1101 指导教师 张志健 2013 年 5月25日淀粉糊化性能的研究进展高小飞（陕理工生物科学与工程学院食品质量与安全专业1101班，陕西 汉中 723000） 指导教师：张志健摘要：淀粉是天然光合成，微小颗粒存在，不溶于水，一般难被酶解。这种颗粒的直接应用很少，一般是利用其糊化性质，在水的存在下加热，使颗粒吸水膨胀，形成水溶粘稠的糊，应用所得的淀粉糊。淀粉的糊化性质和淀粉糊的性质关系应用，至为重要。淀粉糊在食品工业具有重要应用价值，淀粉糊性质直

2、接影响食品品质。该文介绍淀粉糊化特性和糊化方式糊化性能的研究进展，详述淀粉糊化方式和糊化性能研究发展方向，为淀粉糊在食品工业广泛应用奠定基础。关键词：淀粉；糊化；糊化性能；研究进展 RESEARCH PROGRESS OF STARCH PASTING PROPERTIES GaoXiaofei（Grade11,Class1101,MajorFood quality and safety，Biological science and engineering Dept.，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000，Shaanxi）Tutor:

3、 ZhangZhijianAbstract：Starch is a natural photosynthesis, the existence of small particles, insoluble in water, general difficult by enzymatic hydrolysis. The particles of rarely used directly, general is to use its pasting properties, under the presence of water heating, make particles swell, forma

4、tion water soluble sticky paste, application of the proceeds of the starch paste. Starch pasting properties and application properties of the starch paste relationship, is important. Starch paste has important application value in the food industry, starch pasting properties directly affect the qual

5、ity of food. This paper gelatinization characteristics and gelatinization of starch pasting properties of the research progress of detail the way of starch gelatinization and pasting properties research development direction, so as to lay a good foundation for starch paste is widely used in food ind

6、ustry.Key words：starch; gelatinization; Pasting properties ；research advances0 前言：淀粉是人体热量的主要来源，它是由葡萄糖组成的天然高分子碳水化合物。淀粉糊化后糖化酶才能更好地对其作用，将其转化成可发酵性糖，被人体吸收消化1。淀粉糊化还扩大了淀粉的应用范围。例如淀粉在工业中应用时，无论是作为食品的增稠剂，纺织品的上浆剂、纸的施胶剂，都需要将淀粉在水中加热使之糊化后使用，因此糊化是淀粉应用中的一个常见而重要的处理过程。1 淀粉糊化的定义淀粉在常温下不溶于水，但当水温至53以上时，淀粉的物理性能发生明显变化。淀粉在高温

7、下溶胀、分裂形成均匀糊状溶液的特性，称为淀粉的糊化（gelatinization）。2 淀粉糊化的过程淀粉要完成整个糊化过程，必须要经过三个阶段：即可逆吸水阶段、不可逆吸水阶段和颗粒解体阶段。1）可逆吸水阶段。淀粉处在室温条件下，即使浸泡在冷水中也不会发生任何性质的变化。存在于冷水中的淀粉经搅拌后则成为悬浊液，若停止搅拌淀粉颗粒又会慢慢重新下沉。在冷水浸泡的过程中，淀粉颗粒虽然由于吸收少量的水分使得体积略有膨胀，但却未影响到颗粒中的结晶部分，所以淀粉的基本性质并不改变。处在这一阶段的淀粉颗粒，进入颗粒内的水分子可以随着淀粉的重新干燥而将吸入的水分子排出，干燥后仍完全恢复到原来的状态，故这一阶段

8、称为淀粉的可逆吸水阶段。2）不可逆吸水阶段。淀粉与水处在受热加温的条件下，水分子开始逐渐进入淀粉颗粒内的结晶区域，这时便出现了不可逆吸水的现象。这是因为外界的温度升高，淀粉分子内的一些化学键变得很不稳定，从而有利于这些键的断裂。随着这些化学键的断裂，淀粉颗粒内结晶区域则由原来排列紧密的状态变为疏松状态，使得淀粉的吸水量迅速增加。淀粉颗粒的体积也由此急剧膨胀，其体积可膨胀到原始体积的50100倍。处在这一阶段的淀粉如果把它重新进行干燥，其水分也不会完全排出而恢复到原来的结构，故称为不可逆吸水阶段。3）颗粒解体阶段。淀粉颗粒经过第二阶段的不可逆吸水后，很快进入第三阶段颗粒解体阶段。因为，这时淀粉所

9、处的环境温度还在继续提高，所以淀粉颗粒仍在继续吸水膨胀。当其体积膨胀到一定限度后，颗粒便出现破裂现象，颗粒内的淀粉分子向各方向伸展扩散，溶出颗粒体外，扩展开来的淀粉分子之间会互相联结、缠绕，形成一个网状的含水胶体。这就是淀粉完成糊化后所表现出来的糊状体。淀粉糊化的本质是给淀粉水悬浮液加热时，体系中的水分子获得了足够的热运动能力进入淀粉分子内部并与其争夺氢键， 热水分子的能量超过了淀粉分子间结合的氢键的键能时， 氢键受到破坏，使淀粉分子微晶束由原来的紧密结合状态变成疏松状态， 淀粉分子充分伸展，淀粉糊体系混乱度增加，淀粉分子失去了平行排列取向的可能，淀粉分子上的氢键与水分子发生了高度的水化作用。

10、3 淀粉糊化工艺淀粉颗粒物化的工艺流程如图1所示4 淀粉糊化的方式淀粉糊化首先要破坏淀粉团粒结构，导致团粒润胀，使淀粉分子进行水合和溶解。糊化方式有以下几种。4.1 间接加热法间接加热是最基本的淀粉糊化方式，往往需要加大量的水，并经过蒸煮烘烤等传统加热处理实现糊化。其实质是淀粉和水构成的混悬液在受热的情况下发生一定的物理化学变化。在较低的温度条件下，淀粉通过氢键作用结合部分水分子而分散，此时的变化属于物理变化，淀粉的结构不发生变化。当温度上升到一定的程度以后，淀粉分子会大量吸收水分而发生急剧膨胀，分子结构发生伸展，此时即使停止加热，分子也不能恢复原来的结构。随着温度的不断上升，膨胀的程度加大，

11、形成糊化。糊化后的微晶束胶体质点脱离淀粉颗粒后进入溶液，使溶液的粘度骤然上升。由此可见，淀粉的糊化程度取决于加热温度。传统的加热处理属于间接加热，间接加热的原理为热对流或热传导，无论是对流还是传导，其传热速度在淀粉溶液内部取决于传热方向上的温度梯度，而淀粉溶液随温度上升粘度增加，势必影响传热速度，因此，靠热传导或对流达到均匀的理想温度，需要相当长的时间。又因间接传热需要传热介质，消耗能量大而不能达到理想温度，在这种较低温度下提供的能量虽然可以引起淀粉的非晶体部分的不稳定，但却难以影响稳定的晶体部分，这样，尽管延长糊化的时间，但仍不能达到淀粉的完全糊化。同时，传统加热以燃烧能源为代价，在全球的能

12、源危机和环境保护意识提高的今天，这种淀粉糊化方式终将被淘汰。以下叙述的通电加热法和高压糊化法正是间接加热法的替代。4.2通电加热法 通电加热是电能应用于食品加工的一种加热方法，又叫欧姆加热或阻抗加热，指利用物料的通电特性，当在物料两端施加电压时，物料中有电流通过，自身产生热量的加热法2。因此，物料的通电加热速率取决于物料的电导率。通电加热应用于淀粉糊化，是指在淀粉水混悬液两端接入电极，通入交流电，使淀粉悬浮液作为一段导体进行加热。由于淀粉是电的不良导体，因此，需要在淀粉混悬液中加少量的盐进行通电。该方法升温速率快，加热均匀，无传热面，也就没有传热面的污染问题，热效率高（90%以上），易于连续操

13、作，能够在较短时间内实现淀粉完全糊化3。随着现代再生资源的匮乏和人们生活水平的提高，许多学者对通电加热的研究和探索越来越多。对于淀粉通电加热发生糊化的研究也是多种多样的。文献4研究了在淀粉悬浮液中淀粉和水的比率的问题，认为最佳比率为1:5 (有的研究集中在一些食品组分的影响上，例如直链淀粉、蛋白质、脂类以及单甘脂等。文献5研究了放置时间和温度的影响，而文献6研究了加热速率、湿度、蔗糖和氯化钠对淀粉糊化的影响。Chinachoti 在1990年建立了基于水、蔗糖、盐的淀粉糊化模型。动力学和糊化反应速率也有人研究，Wootton和Bamunuarchchi在1978年研究了淀粉加热时水的结合量。在

14、文献4的研究中，报道了土豆淀粉在通电加热中的加热速率，结果表明淀粉糊化导致加热速率变化。食品的电导率受离子量、水分流动和食品物理结构的严重影响。文献7研究了电导率对淀粉糊化的影响，通过DSC扫描样本的糊化能量和糊化度，然后与电导率曲线进行比较，结果表明，在DSC曲线和电导率曲线中，淀粉糊化吸热峰值有着相似的形状和温度变化范围。我国淀粉糊化的通电加热技术现在仍处于探索阶段，李里特教授在食品物性学中阐述了比较完整的通电加热理论8。文献9曾对淀粉通电加热糊化做了初步尝试，通过试验对糊化焓能量进行了分析。4.3高压糊化高压糊化是指淀粉水混悬液在压力下发生糊化。目前的高压食品加工研究主要应用于杀菌、消毒

15、、速冻、解冻等。1989年,Hayashi研究了高压可以增加小麦淀粉的消化性。1994年，法国ENEASD开始淀粉高压加工的研究。1995年，吉林工大与法国合作研究吉林省特产玉米的高压糊化性质10。作为间接加热法的有效替代方式，高压糊化的优点在于节省能源。研究表明，糊化压力不小于600700MPa，才能破坏淀粉微晶束结构，使淀粉团粒膨胀，实现淀粉分子的水合和溶解，因此需要高压压力装置，体积较庞大，不适用于实验室和家庭进行淀粉糊化。除了以上3 种淀粉糊化的方法外，研究发现，许多非水溶剂，如液态氨、甲醛、氯乙酸、二甲亚砜，由于它们能破坏淀粉团粒中分子之间的氢键，或与淀粉形成可溶性混合物，从而也可以

16、使淀粉发生糊化作用11。5 影响淀粉糊化特性的因素生淀粉在水中加热至胶束结构全部崩溃，淀粉分子形成单分子，并为水所包围而成为溶液状态。由于淀粉分子是链状甚至分支状，彼此牵扯，结果形成具有粘性的糊状溶液，这种现象称为糊化。淀粉糊化温度必须达到一定程度，不同淀粉的糊化温度不一样，同一种淀粉，颗粒大小不一样，糊化温度也不一样，颗粒大的先糊化，颗粒小的后糊化。影响淀粉糊化的因素有：(1) 淀粉的种类和颗粒大小，颗粒大小与直链淀粉含量破坏分子间的氢键需要外能，分子间结合力大，排列紧密者，拆开微晶束所需的外能就大， 因此糊化温度就高。由此可见，不同种类的淀粉，其糊化温度不会相同。一一般来说，小颗粒淀粉内部

17、结构紧密，糊化温度比大颗粒高；直链淀粉分子间结合力较强， 因此直链淀粉含量高的淀粉比直链淀粉含量低的淀粉难糊化。因此，可从糊化温度上初步鉴别淀粉的种类。 (2) 使糊化温度下降的外界因素 电解质，可破坏分子间氢键，因而促进淀粉的糊化。不同阴离子促进糊化的顺序是OH>水杨酸根>CNS>I>Br>NO3>Cl>酒石酸根>柠檬酸根>硫酸根， 阳离子促进糊化的顺序是Li+>Na+>K+ >NH4+ >Mg2+ 。如大部分淀粉在稀碱(Na0H) 和浓盐溶液中(如水杨酸钠、NHCNS、CaCl2)可常温糊化，但在1 molL硫酸

18、镁溶液中， 加热至100 ，仍保持其双折射性。 非质子有机溶剂，盐酸胍、脲等在室温或低温下可破坏分子氢键促进淀粉糊化。 物理因素，如强烈研磨、挤压蒸煮、射线等物理因素也能使淀粉的糊化温度下降。 化学因素， 淀粉经酯化、醚化等化学变性处理，在淀粉分子上引入亲水性基团，使淀粉糊化温度下降。(3) 使糊化温度升高的外界因素 糖类、盐类，能破坏淀粉粒表面的水化膜， 降低水分活度，使糊化温度升高。 脂类，直链淀粉与硬脂酸形成复合物，加热至100不会被破坏，所以谷类淀粉(含有脂质多) 不如马铃薯易糊化， 如果脱脂， 则糊化温度降低3 4 。 亲水性高分子(胶体)，如明胶、干酪素和CMC等与淀粉竞争吸附水，

19、使淀粉糊化温度升高。 物理、化学因素，淀粉经酸解及交联等处理，使淀粉糊化温度升高。这是因为酸解使淀粉分子变小，增加了分子问相互形成氢键的能力。 生长环境因素，生长在高温环境下的淀粉糊化温度高。水分的含量(4) 酸度：在 ph 4-7 的范围内酸度对糊化的影响不明显，当 ph 大于10.0，降低酸度会加速糊化。食物中的淀粉或者勾芡、上浆中的淀粉在烹调中均受热而吸水膨胀致使淀粉发生糊化。6 淀粉糊化性能的应用和研究现状近年来，国外对淀粉或稻米的糊化动力学作了较多研究，普遍认为淀粉的糊化较符合一级化学反应模型，谷类淀粉（胶）的糊化能与加热温度和含水量有关，约为40100kJ。随着加热温度的升高，糊化

20、能有所下降5-11。我国对淀粉糊化的动力学特性研究较少，对稻米淀粉糊化的动力学参数也不很清楚。 有关淀粉糊化特性的遗传研究遗传效应，变异、基因定位等对淀粉主要特性进行QTL互作分析，共检测到30对QTL加性X加性互作位点，涉及到1A、1B、1D、2A、2B、2D、3A、3B、3D、4A、4B、5A、5D、6A，613、6D，7A、7B和7D染色体。姚大年12等认为基因型、环境以及基因型与环境互作都不同程度地影响面粉的RVA 特性。阎俊等利用19971998年度黄淮南北片两组区域试验部分试点的材料，测定了降落值、峰值粘度和稀懈值等淀粉性状。结果表明，基因型、环境和基因型与环境互作对淀粉品质均有显

21、著影响13 Konik等 (1993)对8个品种在31个地点连续4年的研究表明，在面粉膨胀势的变异中，品种占361 一933 ，环境(地点和月份)占17617 ，品种、环境(地点和月份)的互作变异不超过10。面粉膨胀体积 (FSV)首先和主要受品种的影响，其次为环境，年份大于同一年份内不同地点14 。Panozzo等(1998)对7个品种在15个灌浆期温度不同地点的研究表明，无论灌溉与否，花后14 d超过3O积温地点，小麦籽粒A型淀粉粒的比例升高，直链淀粉的比例也随积温的升高增加，但与淀粉幅度不同。峰值粘度的环境变异较大，但与温度无关15。温度升高，淀粉含量降低，非脂类结合直链淀粉含量升高，但

22、脂类结合直链的变化与温度无关，不同年度间淀粉凝胶温度均升高，但凝胶焓年份间保持稳定16。总之，基因型和环境因素对小麦品种品质性状的影响多数研究认为，环境变异对品质性状的影响较大，基因型变异在大多数品质性状上达到显著，部分性状上存在显著的G×E互作变异。莫惠东（1992）的研究结果表明，小麦的胚乳性状主要受3N染色体的遗传控制，其遗传基础（就一对基因而言，如：Aa符合AAA ,Aaa,Aaa ,aaa 四种基因型的数量遗传模型。通过基因操纵改变一些重要酶蛋白的DNA序列，并对有益基因的DNA进行补偿，将改良后的DNA序列导入目标组织，并使之表达后，可以增加小麦淀粉的含量和改良淀粉品质特

23、性17。有研究表明淀粉的主要特性在后代群体中的遗传都是由微效多基因控制的，所获数据均为连续的正态或偏态分布，呈现出数量性状遗传的特点，变异系数为6434603，变异大，所有性状都适于进一步进行QTL分析。小麦籽粒淀粉品质性状间相关较为复杂。直链淀粉含量与RvA参数间除与糊化温度无显著相关外，与其他参数问均达显著或极显著水平，但与膨胀势无显著相关性；RVA参数间相关显著，且与膨胀势呈显著正相关，糊化温度则与其他品质性状间均相关不显著。对淀粉主要特性进行QTL互作分析，共检测到30对QTL加性X加性互作位点，涉及到1A、IB、ID、2A、2B、2D、3A、3B、3D、4A、4B、5A、5D、6A，

24、613、6D，7A、7B和7D染色体18。国内外关于淀粉糊化特性与加工品质关系的研究较多，但有关淀粉糊化特性的遗传研究较少，利用多个遗传群体进行淀粉糊化特性的表型分析，研究其遗传规律，为小麦淀粉品质改良提供参考，并为淀粉糊化特性的QTl定位提供表型数据。7 淀粉糊化领域的研究进展（1）有研究表明，A-型淀粉粒的糊化温度较低, 而峰值黏度、低谷黏度、最终黏度、崩解值和回生值较高，而 B-型淀粉重量占总淀粉质量比例在 0-30%时, 重组淀粉糊化值在不同 A-、B-型淀粉粒重量配比间有显著差异,此时,淀粉粒级是影响淀粉糊化特性的重要因素；而B-型淀粉重量比超过30%后,重组淀粉的峰值黏度和糊化温度

25、不再发生显著改变,最终黏度变化的幅度也开始变小,表明此时淀粉粒级对淀粉糊化特性的影响不大。因此,淀粉粒粒级分布特征是影响小麦籽粒淀粉品质性状的重要因素，应予以关注19。（2）淀粉的糊化与蛋白质的含量有一定的相关性。乔玉强等20研究表明峰值黏度与保持黏度、稀懈值、最终黏度及回升值间均达1 %水平显著正相关；糊化温度与峰值时间达1 %水平显著正相关 ,与稀懈值间达5 %水平显著负相关;保持黏度与峰值黏度、最终黏度、回升值、峰值时间间达 1 %水平显著正相关;最终粘度与回升值、峰值时间间分别达 1 %、5 %显著正相关 ,糊化温度膨胀势、蛋白质含量间均达 1 %显著正相关 ,相关系数分别为 0132

26、、 0172及 0131,与硬度间达 1 %水平负相关,相关系数为 - 0177;稀懈值与膨胀势、蛋白质含量间达1%或5%水平负相关 ,相关系数分别为-0123及-0125;峰值时间与膨胀势间达到1%水平显著正相关 ,相关系数为 0155,与碱性水保持力（AWRC）、 硬度间分别达1%水平显著负相关 ,相关系数为 - 0147及 - 0131;峰值粘度、 保持粘度、最终粘度、回升值与蛋白质含量、湿面筋含量及Zeleny沉降值两两间均达 1 %水平显著负相关 ,说明蛋白质品质对小麦淀粉糊化特性有负影响 ,在小麦品质改良过程中应考虑两者协调发展21。前人研究还表明，蛋白质/面筋通过影响热量传递和竞

27、争可利用水分显著影响淀粉糊化特性12-17。目前，有关面筋蛋白对糊化体系热能特性的影响因为测试技术和试验材料等原因报道不一致。Champenois等22利用热量仪研究发现面筋蛋白降低剪切模量(G) 、损耗模量(G)和淀粉凝胶的弹性；但Lindah等23认为面筋对不同类型的淀粉热学特性的影响不一样: 面筋蛋白会增加小麦和黑麦淀粉的剪切模量、降低玉米淀粉的剪切模量，而对大麦、黑小麦和马铃薯淀粉的粘弹性没有影响；Eliasson等24用示差扫描量热法（DSC）研究发现，随着面筋蛋白/淀粉比例的增加，淀粉糊化焓变（H）降低而糊化峰值温度升高， Monhamed等25利用DSC和热量分解重量计（TGA）

28、研究也有一致的报道。Chen等26研究认为面筋蛋白的添加会增加小麦面粉的淀粉糊化温度和糊化时间，而Ottenhof等20 通过研究认为面筋蛋白不会对淀粉的糊化的动力学、支链淀粉回生的程度和多态性发生影响。 （3） 膳食中的淀粉有少部分因受某种因素或加工过程的影响其结构发生变化在小肠中产生抗消化现象即在人体肠胃中仍不被水解英国生理学家Englyst 于1983 年首先将其定义为抗性淀粉(ResistantStarch 简称RS)27它是一种极具生理功能潜力具有良好食品加工特征的可用于制造高品质食品的成分具有广泛的应用前景28-31抗性淀粉的特殊性质主要是由于其结晶性质不同于原淀粉而引起的对抗性淀

29、粉糊化规律的研究有助于进一步弄清其内部结构与特性之间的关系。8 结论探讨影响淀粉糊化特性的主要因素，研究淀粉糊化特性在不同遗传群体的遗传分析，为淀粉糊化特性的QTL定位和功能基因的挖掘利用提供表型数据。通过通电加热对淀粉糊化进行定量分析，实现糊化特征指数的精确而简便的测量，并能进行温度和加热速率的调控，该技术的成功将为淀粉研究人员提供一条更简捷的研究方法，为食品业带来新的革命性的进展。参考文献1.范进填淀粉糊化动力学叨食品机械，1991，23(I)：26-28:2.李修渠豆浆的通电加热 1998(05):3.李修渠豆浆的电导率J-中国农业大学学报 1999(02):4.Halden K;Alw

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