谷物科学-第二章

《谷物科学概论》

第二讲1第二章谷物淀粉第一节谷物淀粉概述光，叶绿素植物中的叶绿素利用太阳能把二氧化碳和水合成葡萄糖，反应式如下：6H2O+6CO2C6H12O6+3O2葡萄糖是植物生长和代谢的要素，但其中有一部分被用作下一代生长发育的养料储备起来。在植物体内葡萄糖是以多糖的形式贮藏的，其中最主要的多糖形式是淀粉。2植物体内由葡萄糖缩合形成淀粉的途径：首先，由磷酸化酶把2个葡萄糖分子缩合为麦芽糖：第二步由麦芽糖生成淀粉缩合的方法有多种，随着氧在1-4，1-3或1-6位而定，形成了不同结构的淀粉，由1-4键连接构成的淀粉为直链淀粉，由1-3或1-6键连接构成的淀粉为支链淀粉，在谷物中贮藏的淀粉主要由这两种成分构成。α-D-葡萄糖麦芽糖

麦芽糖磷酸化酶3谷物籽粒以淀粉的形式贮藏能量，不同谷物中淀粉的含量是不同的，一般可以占到总量的60%~75%，因此，人们消耗的食品大都是淀粉，它是人体所需要热能的主要来源，同时，淀粉也是食品工业的重要原料。名称淀粉含量名称淀粉含量糙米75~80燕麦（不带壳）50~60普通玉米60~70燕麦（带壳）35甜玉米20~28荞麦44高粱69~70大麦（带壳）56~66粟60大麦（不带壳）40小麦58~76表2-1各种谷物籽粒中的淀粉含量（干基，%）4第二节淀粉粒的结构

淀粉分子在谷物中是以白色固体淀粉粒（starchgranule）的形式存在的，淀粉粒是淀粉分子的集聚体，不同谷物由于遗传及环境条件的影响，形成不同结构及性质的淀粉粒。因此淀粉粒结构及性质的研究，对于鉴别谷物品种、了解和改进谷物食用品质，具有重要意义。

5各种谷物淀粉粒的结构1：小麦2：大麦3：黑麦4：高粱5：玉米6：大米7：燕麦8：粟9：小麦

10：玉米

6淀粉粒的层状结构(轮纹)

用α-淀粉酶处理过的高粱籽粒横切面扫描电子显微镜图

淀粉粒各部分密度不同，折射率大小不同而造成。淀粉粒在形成过程中，受昼夜光照的差别，造成葡萄糖供应数量不同，致使淀粉合成速度有快有慢而引起的。白天供应葡萄糖多，形成淀粉的密度大，而夜间供应葡萄糖少，形成淀粉的密度小，从而出现层状结构。7结晶性表2-2用X射线衍射法测定的淀粉粒的结晶化度种类结晶化度（%）小麦36大米38玉米39糯玉米39高直链玉米淀粉19马铃薯25用十字棱镜拍摄的小麦淀粉粒的光学显微镜图显出马耳他十字淀粉粒在偏光显微镜下具有双折射性，在淀粉粒粒面上可看到以粒心为中心的黑色十字形，称为偏光十字。说明淀粉粒是一种球晶，但同时又具有一般球晶没有的弹性变形的现象。据此可以分析淀粉粒内部晶体结构的方向。8第三节谷物淀粉的物理化学性质9一、淀粉的分子结构直链淀粉（amylose）与支链淀粉（amylopectin）

（一）直链淀粉的结构

Meyer等人用温水法从淀粉粒中首先分离出来的成分，称为直链淀粉，其结构经实验证明，是由葡萄糖通过α-1,4-糖苷键连接起来的直链状的高分子化合物：直链淀粉的螺旋结构直链淀粉的分子结构DP(degreeofpolymerization),聚合度10（二）支链淀粉的结构支链淀粉的分子结构支链淀粉的几种分子模型11

直链淀粉支链淀粉糖原纤维素单体单位α-D-葡萄糖β-D-葡萄糖糖苷键型α（1→4）α（1→4）和α（1→6）β（1→4）分支无≈4％9％无溶解度融于热水热水不溶溶于水水不溶与碘反应紫兰色紫红色棕红色—主要功能食物贮存参与结构建成存在形式各种白色微粒白色粉末白色微晶形等自然界分布整个植物界动物肝肌肉和细菌整个植物界

表2-3常见均一多糖的性质比较12表2-4谷物籽粒直链淀粉含量（%，占纯淀粉）名称直链淀粉含量名称直链淀粉含量大米17糯米0普通玉米26燕麦24甜玉米70高粱27蜡质玉米0糯高粱0小麦2413

表2-5常见谷物支链淀粉的分子结构数据（单位：葡萄糖残基数）支链淀粉来源平均链长分支链长枝间距离大麦26187发芽的大麦17~18106~7玉米25186小麦2316~175~6马铃薯2718~197~8甜玉米1283糯玉米22147糯高粱2515~168~914二、淀粉的物理性质1、比重

淀粉粒的比重约为1.5，不溶于冷水，这是淀粉制造工业的理论基础，所谓水磨法，就是利用这一性质。先将原料打碎成糊(若原料为玉米一类籽粒粮则必须先行浸泡，然后湿磨破坏组织，使其成糊)，除去蛋白质及其它杂质，再使淀粉在水中沉淀析出。

152、淀粉粒的糊化作用

淀粉粒不溶于冷水，若在冷水中，淀粉粒因其比重大而沉淀。但若把淀粉的悬浮液加热，到达一定温度时（一般在55℃以上），淀粉粒突然膨胀，因膨胀后的体积达到原来体积的数百倍之大，所以悬浮液就变成粘稠的胶体溶液。这一现象，称为“淀粉的糊化”，也有人称之为α化。淀粉粒突然膨胀的温度称为“糊化温度”，又称糊化开始温度。16表2-6几种谷物淀粉粒的糊化温度淀粉种类糊化温度范围（℃）糊化开始温度（℃）大米58~6158小麦65~67.565玉米64~7264高粱69~756917淀粉糊化的本质：

水分子进入微晶束结构，拆散淀粉分子间的缔合状态，淀粉分子或其集聚体经高度水化形成胶体体系。

第一阶段：水温未到达糊化温度，淀粉粒外形未变，偏光十字未消失（晶体结构未变），此阶段的变化可逆。

第二阶段：水温到达糊化温度，淀粉粒悬浮液变成胶体溶液，偏光十字消失（晶体结构破坏），此阶段的变化不可逆。

第三阶段：随糊化温度的升高，淀粉粒继续分离支解，成为无定形状态，溶液的粘度继续增高。18淀粉糊化过程中粘度的变化为了表示淀粉糊的性质及其在不同温度下粘度的变化，一般采用淀粉糊化仪(amylograph)给出的粘度曲线来表示。测定粘度时加热到95℃，保持1小时，淀粉认为已糊化。1小时内，淀粉糊的粘度会显著下降。粘度下降是因为淀粉糊在搅拌下，可溶淀粉分子自身定向排列而引起的，这一现象称为切变稀释(sheart

thining)。在95℃条件下稳定加热1小时后，控制冷却速度，使粘度仪从95℃冷却到50℃，此时，粘度迅速上升，这一现象称为回生现象(setback)。不同淀粉的回生程度是不同的。回生现象是因混合物系统中能量降低，产生更多的氢键，从而使粘度增加。19水分淀粉充分糊化，水分含量必须在30％以上。碱

NaOH

盐类

硫氰酸钾、碘化钾、硝酸铵、氯化钙等浓溶液，在室温下促使淀粉粒糊化极性高分子有机化合物

盐酸胍（4M）、脲素（4M）、二甲基亚砜脂类脂类与直链淀粉能形成包合化合物(inclusioncompound)或复合体（complex），它可抑制糊化及膨润直链淀粉含量其它因素表面活性剂影响淀粉糊化的因素20定义：淀粉的稀溶液，在低温下静置一定时间后，溶液变混浊，溶解度降低，而沉淀析出。如果淀粉溶液浓度比较大，则沉淀物可以形成硬块而不再溶解，这种现象称为淀粉的凝沉作用，也叫淀粉的老化作用。

本质：在温度逐渐降低的情况下，溶液中的淀粉分子运动减弱，分子链趋向于平行排列，相互靠拢，彼此以氢键结合形成大于胶体的质点而沉淀。因淀粉分子有很多羟基，分子间结合得特别牢固，以至不再溶于水中，也不能被淀粉酶水解。

3、淀粉的凝沉作用

21凝沉作用的有利一面：制作粉丝

分子构造的影响：直链（易）、支链（难）分子的大小：分子质量适中溶液浓度的影响溶液的pH及无机盐类冷却速度化学添加剂：表面活性剂凝沉作用的影响因素及防止的方法

22对极性有机化合物的吸附

正丁醇、百里酚、脂肪酸等。直链淀粉分子由于在高温溶液中分子伸展，极性基团暴露，容易与一些极性有机化合物形成“结晶性复合物”。

复合体形成分离法对碘的吸附

不论是淀粉溶液或固体淀粉和碘作用，都生成有色复合体。

直链淀粉与支链淀粉对碘吸附作用是不同的。4.淀粉的吸附性质

23直链淀粉分子与碘分子的吸附作用应用x光衍射分析，证实直链淀粉分子呈螺旋的卷曲状态，每六个葡萄糖残基形成一个螺圈，其中恰好容纳一个碘分子。

直链淀粉分子与碘作用则形成兰色的复合体。

支链淀粉分子与碘作用产生紫色至红色的复合体（根据支链淀粉分子的分枝长短而定）。24表2-7淀粉与碘复合体的颜色反应链长（葡萄糖残基数）螺旋的圈数颜色122无12~152棕20~303~5红35~406~7紫45以上9以上兰25第四节淀粉转化一、淀粉转化糖淀粉由葡萄糖组成，淀粉分子中的α-1,4和α-1,6键易受影响，故淀粉水解将产生葡萄糖浆。葡萄糖值（DextroseEquivalent，DE值）

每一个淀粉分子仅有一个还原基团，所有其它葡萄糖分子都是在C1位置(如α-1,4和α-1,6键)上相连的。因此，每水解一个α-1,4键和α-1,6键，就会有一个位于葡萄糖分子上的还原基(潜在的自由醛基)释放出来，淀粉水解程度通常以葡萄糖值(DE)来表示。26

DE值表示了已水解的糖苷键的百分率，而不能表明糖浆的化学组成。27淀粉酶（amylase）根据作用方式和水解产物分类：α淀粉酶：作用于淀粉和糖元时，从底物分子内部随机内切α－1，4键生成一系列相对分子量不等的糊精和少量低聚糖、麦芽糖和葡萄糖。一般不水解支链淀粉的α－1，6键和紧靠α－1，6键外的α－1，4键，但是可以跨过α－1，6键和淀粉的磷酸酯键。β淀粉酶：作用于淀粉分子时，从非还原端开始，每次切下2个葡萄糖单位，并且将产物的构型转为β型。不能作用于α-1,6键，也不能跨过α-1,6键，水解至α-1,6键分支点的2-3个葡萄糖单位时，水解停止。水解产物为较大分子的极限糊精、麦芽糖。28葡萄糖淀粉酶：作用于淀粉分子时，从非还原端开始，每次切下1个葡萄糖单位，并且将产物的构型转为β型。可以作用于α-1,4、α-1,3、α-1,6键，但是水解速度不同。切枝酶：水解α-1,6糖苷键，异淀粉酶、普鲁兰酶等。环状糊精酶麦芽四糖和麦芽六糖生成酶葡萄糖基转移酶29α淀粉酶β淀粉酶葡萄糖淀粉酶α－1，4糖苷键＋＋＋α－1，6糖苷键－（跨越）－＋水解方式内外外产物构型α型β型β型跨越磷酸酯键+－＋（－）粘度变化快慢慢与碘的显色消失程度快慢慢不同淀粉酶的水解方式30淀粉糖的主要成分为糊精、麦芽糖和葡萄糖。淀粉糖制品的性状随其成分比例不同而变化。如DE值增加，则制品的平均分子量减小，粘度下降，甜味增浓，冰点下降，渗透压增加，这可以用在冰淇淋制造上，用部分的饴糖代替蔗糖，使其易于结冰。普通的淀粉糖制品，DE值为42－43左右，水分约为16%。DE值在此以下时，产品粘度较高，糊精易于老化；DE值在60以上时，糖化液易于着色和过度分解，同时葡萄糖含量增加，产品容易结晶，伴随浑浊和沉淀的产生；DE值在60~80的液体产品，除特殊用途外，一般不予制造；DE值在80以上者，葡萄糖更易结晶，故其浓缩糖液易成固体，可制成含水结晶葡萄糖或无水的结晶葡萄糖。3119世纪

酸法糖化工艺生产淀粉糖，可达到降低淀粉糊粘度，而不致用大量水的目的。单独用酸水解可制得糖浆，但达到约40DE时，副反应开始起重要作用，所得糖浆颜色深。20世纪20年代开始含水结晶葡萄糖的工业化生产，用酸或酸与α-淀粉酶相结合制取的低DE糖浆(即糊精)。酸法液化后，用α-淀粉酶和

-淀粉酶的混合物可生产高麦芽糖糖浆，其DE值约为42。20世纪60年代开始采用

-淀粉酶液化和葡萄糖淀粉酶糖化的全酶法生产结晶葡萄糖的工艺，逐渐淘汰了酸法糖化的工艺。淀粉糖的生产简史32331.淀粉转化糖的种类结晶葡萄糖

主要品种有含水α-葡萄糖、无水α-葡萄糖和无水β-葡萄糖三种。全糖

是指由酶法生产所得的产品，纯度高，甜味纯正，经精制后喷雾干燥成颗粒产品，或冷却结成块状，再经切削成粉末的产品。高转化糖浆

DE值在60~70之间，葡萄糖和麦芽糖含量分别为35%和40%，4℃以上贮藏，性质稳定，不发生结晶。中转化糖浆

这种糖浆DE值为38~40，这是目前淀粉糖中产量最大的一种。因为这种糖浆要求的淀粉水解程度较低，分解和复合反应少。34中转化糖浆这种糖浆DE值为38~40，这是目前淀粉糖中产量最大的一种。因为这种糖浆要求的淀粉水解程度较低，分解和复合反应少。低转化糖浆(麦芽糊精)淀粉水解程度较低，DE值在20以下的产品。因为其糖分主要为糊精，所以又称为麦芽糊精。果葡糖浆酶法糖化得到的糖化液，其DE值约为98，再经过异构化酶作用将部分葡萄糖转化为果糖。麦芽糖浆(饴糖)采用β-淀粉酶水解淀粉产成麦芽糖。352.淀粉糖的性质甜味以蔗糖的甜度为标准。溶解度食用甜味要求甜味纯正、反应快、甜度适中、甜味很快消失。糖品的溶解度因品种不同而异，果糖最高，蔗糖次之，葡萄糖、乳糖再次之。溶解度随温度的增加而上升。结晶性结晶性对糖的应用至关重要。吸潮性和保潮性吸潮性是指在一定湿度空气中吸收水分的性质。保潮性是指在较高湿度吸收水分和较低湿度不易散失水分的性质。36渗透压糖液的渗透压随浓度增高而增加。利用糖贮藏食品是一种很重要的食品保鲜方法。单糖的渗透压大致为二糖的5倍。粘度糖的粘度与食品的质量有直接关系。可利用粘度提高食品的稠度和可口性，如果汁饮料和食用糖浆中都应用淀粉糖浆来增加粘度。发酵性葡萄糖、果糖、蔗糖和麦芽糖都能在酵母的作用下发酵，但低聚糖、糊精就不行，乳糖也不能被普通酵母发酵。37几种糖的相对甜度品种相对甜度蔗糖1.0果糖1.5葡萄糖0.7麦芽糖0.5乳糖0.4木糖醇1.0麦芽糖醇0.9果葡糖浆（42%转化率）1.0淀粉糖浆（42DE）0.5淀粉糖浆（52DE）0.6淀粉糖浆（62DE）0.7淀粉糖浆（70DE）0.838含水α-葡萄糖的吸湿性时间（天）吸水（%，25℃）相对湿度62.7%相对湿度81.8%相对湿度98.8%10.040.624.6830.042.048.6170.045.1515.0211--21.78170.389.7-20--28.4326--33.95300.439.62-40--42.82500.799.77-601.079.60-701.749.60-393.淀粉糖的应用淀粉糖是一个重要的食用糖源，其用途日益广泛，主要用于食品、医药、化工等工业部门。果葡糖浆由于具有甜度高、风味柔、低热值和冷甜的特点，很适合制作冷饮食品；果糖和蔗糖混合使用其甜度比单一甜度之和要高，由于果糖分子量小，渗透压大，不利于微生物生长，有较好的防腐保鲜效果，很适于作蜜饯、果浆等食品；由于果糖热稳定性低，遇热易分解，与氨基酸形成有色物质，所以用果糖制作面包，可以得到很好的焦糖色。40二、淀粉发酵制品三、淀粉改性原淀粉或天然淀粉

由谷物和薯类制得，未经任何加工处理的淀粉。虽然不同来源的原淀粉有不同的应用性质，但其冷水不溶性、老化脱水、耐水性和耐机械性差、缺乏乳化力、被膜性差等缺陷，限制了原淀粉的应用。变性淀粉(modifiedstarch)

把原淀粉经过物理、化学或生物方法的处理，改变其某些物理性质(如水溶解特性、粘度、色泽、味道及流动性等)，得到的制品。一般是指除淀粉糖、发酵产品以外的糊精、α-淀粉和引入各种官能团的衍生物等。41变性淀粉的制造原理和方法：

(1)用某些化合物取代淀粉中的葡萄糖单位，减少和增加葡萄糖单位的聚合度；

(2)利用化学试剂与葡萄糖分子上2、3、6碳上的-OH发生作用，生成醚、酯等衍生物。421.变性淀粉分类目前，变性淀粉的分类方法大致有三种：按用途分类，按产品性质分类，按生产方法分类。按用途分类:食品类

如汤罐头用的高粘度淀粉，馅饼料葡萄冻及酱类配方用的瞬时胶凝淀粉，作为增稠剂、胶体生成剂、保潮剂、乳化剂、粘合剂用的变性淀粉等。医药用类

用作片剂丸剂的充填剂。工业用类

棉麻、毛、人造丝等用的浆料；贴面用胶粘剂，如木纹纸贴面等；造纸用的胶料，纸板、纸袋、纸盒、瓦楞纸用的粘着剂。其它类

如制造农用地膜的配料、石油钻泥的配料、铸造模型、沙芯用的粘合剂，去污洗涤剂以及化妆品的底料。43按产品性质分类:淀粉分离物主要指直链淀粉和支链淀粉。淀粉分解产物

烘焙糊精(烘焙可溶性糊精、白糊精、黄糊精);干法制品(绝干淀粉、涂粉淀粉、微粒化淀粉、放射线处理淀粉、高频处理淀粉);α化产品(各种淀粉的α化制品、各种变性淀粉的α化制品);氧化淀粉(次氯酸氧化淀粉、过氧化氢氧化淀粉、双醛淀粉、酸变性淀粉)。化学衍生物淀粉酯(醋酸淀粉、琥珀酸淀粉、硫酸淀粉、硝酸淀粉、磷酸淀粉、黄原酸淀粉);淀粉醚(烯丙基淀粉、甲基淀粉醚、羧甲基淀粉、羧乙基淀粉、羟甲基淀粉，羟乙基淀粉、羟丙基淀粉、阳离子淀粉);交联淀粉(甲醛交联淀粉，环氧氯丙烷交联淀粉、磷酸交联淀粉、丙烯醛交联淀粉、淀粉接枝共聚物)。其它制品生物降解膜，淀粉/苯酚压塑粉和清漆，用玉米淀粉生产聚醚树胶等。44按处理方法分类:物理变性，如α化淀粉等。酶法变性，如糊精等。化学变性(又可细分为干法、湿法、不均匀法和均匀法四种)，如酸变性淀粉等。45

淀粉衍生物的取代度

以DS值(degreeofsubstitution)表示，DS值是代表在每一个D-吡喃葡萄糖基（一般称为脱水葡萄糖基(anhydroglucoseunit，AGU）单位上测定所衍生的羟基平均数，淀粉AGU上最多有3个可以被取代的羟基，所以，DS的最大值为3，绝大多数淀粉衍生物都是低DS产品，DS值一般低于0.2。462.变性淀粉加工工艺α化淀粉：滚筒法、挤压法糊精酸变性淀粉氧化淀粉阳离子淀粉交联淀粉47α化淀粉：又称预糊化淀粉，系将原淀粉在一定量水存在下进行加热处理后而制得。主要特点是能够在冷水中溶胀溶解，形成具有一定粘度的淀粉糊，使用方便，且其凝沉性比原淀粉小，所以广泛应用于食品、造纸、纺织等行业。48α化淀粉用途食品工业，用α化淀粉可省去热处理，用于增粘保型，改善糕点配合原料的质量，稳定冷冻食品结构等。造纸工业，用于纸张增强剂，提高纸张的强度，作为粘合剂主要用于纸袋、信封、香烟盒的底胶和侧胶，邮票和证券的涂胶。纺织工业，用作各种纤维的经纱上浆，增加浆纱强度，提高纤维的织造性能。纺织成品精加工的浆料，增加织物的硬挺性和手感。铸造工业，用作砂型粘合剂，防止表面的砂掉落，使砂失去流动性。饲料方面，主要用作鱼虾饲料的粘合剂。49糊精：是可溶性淀粉进一步分解的产物，是将粉体加热到

140－200℃得到的，所以又称烧焙糊精。按形态分类：

粉末糊精：与可溶性淀粉近似，分解度低，白色和黄色糊精。无定形状糊精：外形与阿拉伯胶相似，分解度有所提高，一般为黄色或黄褐色。浓厚的乳状物糊精按加工方法分类：直接烧焙法：150－250℃，2h加酸烧焙法：100－125℃，1－2h；140℃，20－30min干式法

50糊精的制造条件及物理性质糊精种类白色糊精黄色糊精英国胶烧焙温度（℃）110~130135~160150~180烧焙时间（h）3~78~1410~24催化剂用量多中少溶解度从低到高高从低到高粘度从低到高低从低到高颜色白色到乳白色浅黄色到棕黄色浅黄色到棕黄色51糊精的用途：主要用于纤维的加工和整形、纸张表面上胶和粘涂料、水溶性涂料、各种粘结剂。优质的黄色糊精溶于冷水，粘度低，其粘度与牛顿流体粘度接近，能够粘结纤维素原料并形成水溶性膜，以及粘接无机材料等。白色糊精用作片剂、丸剂的填充料。52酸变性淀粉淀粉经无机酸处理后，得到一种颗粒状的低分子水解物。产品具有较低的热糊粘度和较高的冷糊粘度比，并可以不受限制地变化。同原淀粉比较，酸变性淀粉有较低的碘亲和力、较低的固有粘度，在热水中糊化时，随着溶解度增加其颗粒膨胀度较原淀粉低。具有一定的热流动性，而冷却后短而僵硬的凝胶体。淀粉经酸处理后，其非结晶部分结构被破坏，使颗粒结构变得脆弱，一般以碎片分散形式而不是以膨胀形式被溶解，其糊液对温度的稳定性减弱，受热易溶解，冷却则凝胶化。53制备方法林德（Lindner）：7.5%的盐酸在室温下作用7天或40℃作用3天。贝尔马斯（Bermas）：1~3%酸，在50~55℃作用12~14h，得尔伊（Delly

）：用0.2~2.0%浓度的酸，在55~60℃处理淀粉0.5~4h，凯茨（Ketz）：0.6%的硫酸，50℃作用