韧化处理对淀粉品质特性的影响及应用研究进展

伍 婧 李宗军 李 珂 赵 琳

（湖南省食品科学与生物技术重点实验室湖南农业大学食品科学技术学院，长沙 410128）

韧化处理对淀粉品质特性的影响及应用研究进展

伍 婧 李宗军 李 珂 赵 琳

（湖南省食品科学与生物技术重点实验室湖南农业大学食品科学技术学院，长沙 410128）

讨论了不同韧化处理对淀粉理化性质如颗粒形态、淀粉结晶、热力学，以及对酸的敏感性等特性的影响，分析了韧化淀粉对α－淀粉酶的敏感性；阐述了韧化淀粉改性的机理，展望了韧化处理淀粉在食品工业中的应用前景和开发潜力。

淀粉 韧化 物理改性 改性淀粉

1 概述

淀粉是储存在高等植物组织中除了纤维素以外含量最多的天然多糖，是人类必需的能量来源。在绿色植物中，淀粉是由淀粉颗粒堆积而成的，而淀粉颗粒又是由线性的直链淀粉和有分支的支链淀粉组成，这2种葡萄糖聚合物通过原子间或者原子内部的氢键有组织的排列而形成复杂的半晶质高聚物。

根据淀粉的生物可利用性可将淀粉分为：快速消化淀粉（readily digestible starch，RDS）、缓慢消化淀粉（slowly digestible starch，SDS）、抗性淀粉（resistant starch，RS）3类，其中，RS和SDS的消费成为食品消费的一个新趋势。RS不能在小肠消化吸收和提供葡萄糖，而可以在结肠中被发酵产生短链脂肪酸，与预防Ⅱ型糖尿病、结（直）肠癌和一些饮食相关的慢性疾病有关；SDS可调节糖尿病人的糖类代谢，所以它们可作为功能食品成分添加到食品中［1］。关于淀粉颗粒的结构，目前被广泛认可的是Tester等［2］给出的壳层结构模型（图1），支链淀粉分子的侧链双螺旋结构规则排列形成微晶；结晶层与无定形层的交替排列构成半结晶生长环（深色），无定形层包含支链淀粉分子的分支区域和直链淀粉分子；无定形生长环（浅色）分布于半结晶生长环之间，其厚度与半结晶生长环的厚度相近。半结晶壳层与无定形壳层交替排列构成颗粒。无定形生长环和半结晶生长环的厚度为100～400 nm，而半结晶生长环中结晶层和无定形层的厚度大约为9～10 nm（通过X－射线衍射证实）［3］。Waduge等［4］通过研究大麦淀粉表明，当其中直链淀粉分子的含量达到某个临界值时，直链淀粉分子链可能与支链淀粉分子链相互作用。

由于天然淀粉耐热、耐剪切、耐酸能力差，且易回生，所以在食品加工中通常应用化学添加剂来改良淀粉品质，但是，由于化学添加剂可能存在对人体不可预知的潜在危害性，所以研究者开始关注运用物理方法来改良淀粉的理化特性。

图1 淀粉颗粒壳层结构模型

现阶段研究主要集中在湿热处理和韧化处理来进行淀粉的改性，这2种方法都是在不破坏淀粉颗粒结构的前提下，通过控制淀粉和水的比例、处理温度、加热时间来改变淀粉理化性质。但是，这2种处理所要求的水分含量和温度不同。湿热处理的水分含量较低（通常10%～30%，即水的质量占总质量的百分比），温度较高（90～120℃）［5］；而韧化处理要求过量水分（＞65%）或平衡水分（40%～55%），温度相对较低（通常高于淀粉的玻璃化转化温度而低于糊化温度）［6］。淀粉在湿热处理时温度高于原淀粉的糊化温度但水分不足，而在韧化处理时虽然水分充足但温度低于原淀粉的糊化温度，所以理论上这2种方式处理淀粉均不会导致淀粉糊化［7］。

物理改性，相对化学改性和基因改性而言，不但没有损失天然淀粉的功能性，且由于现阶段转基因食品倍受争议，食品添加剂使用得不到保障，物理改性淀粉的应用尤为迫切，因此，韧化技术研究的发展必然在很大程度上促进淀粉在食品工业中的应用。

2 韧化处理及工艺

韧化过程通常是指在过量水分（＞65%）或平衡水分（40%～55%），温度高于玻璃化温度（Tg）低于糊化起始温度（To）的条件下处理一段时间［6］。玻璃化温度是指淀粉颗粒的无定形层在溶剂（如水，甘油等）存在的条件下从刚性的玻璃态转变成流动性的橡胶态的温度，溶剂的塑化作用提高了半结晶生长环的无定形层中葡聚糖链的流动性［8］，使韧化后淀粉理化性质的改变。但是，有研究发现玉米淀粉处于高压（600 MPa）时，也可以在25℃下对其进行韧化处理，这个温度显著低于淀粉常规的玻璃化温度，这是由于温度和压力同时作用改变了结晶区支链淀粉的结构［9］。

国外对不同来源的植物淀粉进行了研究，如小麦淀粉，玉米淀粉，大麦淀粉，大米淀粉，马铃薯淀粉，其研究中淀粉和水的比值一般设置为1∶2、1∶3、1∶5（67%、75%、83%），温度控制在 40～70℃［6］，可以一次加温，也可以逐步提高韧化温度（但始终低于当时淀粉的糊化温度）；而国内研究中大都是制备含水量为75%的淀粉乳在40～60℃进行处理，且研究对象玉米淀粉，绿豆淀粉，马铃薯淀粉居多［10－11］。不同种类淀粉韧化参数见表1。

表1 不同来源淀粉的韧化参数［12］

3 韧化处理对淀粉性质的影响

3.1 韧化对淀粉物理性质的影响

3.1.1 韧化对淀粉颗粒形貌的影响

韧化处理能保持淀粉的颗粒的形貌。用扫描电子显微镜（SEM）观察韧化处理小麦，燕麦，扁豆，大麦和马铃薯淀粉后，淀粉颗粒的大小和形状与原淀粉形态基本一致［6］。但是，韧化能改变淀粉纳米颗粒的形貌，晶体的组成方式和大小［18］。如 Thais等［8］对普通玉米和蜡质玉米的研究发现，韧化处理后的淀粉颗粒表面孔隙的数量和孔径增加，特别是普通玉米淀粉颗粒形貌变化明显，如图2所示。另外，研究还发现在淀粉在韧化处理后淀粉悬浮液中会有少量的还原糖产生（每克普通玉米和蜡质玉米淀粉中分别产生了1.29 mg和0.3 mg的还原糖）［8］，且高链小麦比普通小麦裂痕明显［19］，说明在韧化条件下，某些内源性淀粉酶利用了附着在淀粉颗粒表面的直链淀粉分子，导致淀粉颗粒表面结构的改变。

图2 淀粉的扫描电子显微图

3.1.2 韧化对淀粉结晶性质的影响

韧化处理对淀粉结晶度和X－射线衍射模式的影响取决于淀粉的种类。

Lan［12］发现了小麦淀粉韧化后结晶度增加，同时Waduge等［4］证实在高链大麦中也有类似的增加。韧化引起结晶度的增加可能是几个因素共同作用的结果，如微晶的完美化，淀粉链互相作用形成新的微晶，微晶变大或再定位。然而，也有研究表明虽然韧化处理后的蜡质玉米淀粉的结晶度从41.4%增加到44.3%，但普通玉米淀粉的结晶度没有改变（32.6%），他认为这可能是由于蜡质玉米淀粉由于没有直链淀粉，所以比普通玉米淀粉更加容易发生结构的改变［8］。普通玉米淀粉中直链淀粉的存在限制了韧化过程中支链淀粉分子的移动，从而阻止淀粉结构的重组，且蜡质玉米的支链淀粉中长链（DP＞37）的比例也比普通玉米中的大，有助于双螺旋的互相紧密缠绕。大量研究者认为螺旋排列紧密不是由直链淀粉－脂复合物的形成导致的，而是由于直链淀粉分子链和支链淀粉分子链的相互作用。且由于韧化使晶间间距缩小，所以可以推测双螺旋的排布在韧化后更为紧凑且整齐。

淀粉颗粒由结晶层和无定形层两部分组成，因此其X－射线衍射曲线表现为由尖峰衍射和弥散衍射特征两部分构成，是典型的多晶体系的衍射曲线［28－30］。平行左旋同轴双螺旋的排列方式决定了淀粉颗粒的衍射模式［12］。Jenkins等［31］通过对普通、蜡质、高链玉米淀粉和大麦淀粉的小角度X－射线散射的研究说明直链淀粉破坏了支链淀粉晶体，韧化使淀粉微晶结构改变，而这些结构改变的程度可能受天然淀粉中晶体缺陷程度（高链＞普通＞蜡质）的影响。

3.1.3 韧化对淀粉糊特性的影响

目前主要通过快速黏度分析仪（RVA）的应用来确定淀粉糊黏度的变化，但是韧化对淀粉糊特性的影响目前还有很多争议。有研究者发现韧化使发芽糙米淀粉［20］的峰值黏度和最终黏度增加。然而，Jayakody等［21］认为甘薯和香芋淀粉的峰值黏度降低。总体而言，韧化对淀粉糊特性的影响取决于淀粉的结构特征和实验条件。

Adebowale等［22］认为，韧化处理使淀粉内部结构重组，提高了淀粉颗粒的结晶性，所以韧化后的淀粉成糊温度升高。韧化处理使淀粉颗粒内部束缚力的增加，所以需要更多的热量才能使其崩解形成淀粉糊。基于这些理论，Gomes等［23］认为韧化抑制了淀粉凝沉，不过Hormdok等［17］也发现韧化促进了大米淀粉的凝沉。不论如何，韧化确实是促进了淀粉分子的重组，使他们形成了一个更稳定的构型。

3.1.4 韧化对淀粉颗粒膨胀势和淀粉溶出率的影响

淀粉颗粒膨胀势和淀粉溶出率对淀粉糊的黏度、淀粉凝胶性和淀粉产品品质，都有显著影响。大量研究证明由于韧化过程中微晶完美化、直链淀粉－直链淀粉、直链淀粉－支链淀粉之间的相互作用，减弱了无定形层淀粉的吸水过程，淀粉的膨胀势降低。膨胀势降低程度也与支链淀粉结构、直链淀粉含量、淀粉链相互作用程度有关。这种现象在马铃薯淀粉中表现最为明显。韧化处理后大麦［4］、天然木薯［23］、小麦的膨胀势降低也均有报道。另据Waduge等［4］的研究，韧化大麦的膨胀势比天然大麦低。他们报道韧化导致膨胀势的降低程度取决于大麦中直链淀粉的含量，降低程度为：普通大麦＞蜡质大麦＞高链大麦。蜡质大麦膨胀势降低是由于微晶的完美化使无定形层的吸水作用减弱，而对于普通大麦和高链大麦膨胀势降低可能是由于微晶完美化和直链淀粉之间的相互作用共同引起的。

Oluwatooyin等［24］认为淀粉分子结构更为有序使淀粉溶出率降低。淀粉溶出率的下降是由于支链淀粉分子之间或者是支链淀粉和直链淀粉分子之间的束缚阻止了直链淀粉的溶出。

3.1.5 韧化对淀粉热力学特性的影响

通常运用差示扫描量热仪（DSC）对淀粉的热力学特性进行分析。淀粉热力学性质主要是指糊化温度，糊化温度范围和糊化焓。不同来源淀粉韧化前后糊化参数见表2。大部分研究都报道韧化处理可以使淀粉的糊化初始温度（To）、糊化峰值温度（Tp）及最终温度（Tc）升高，糊化温度范围变窄［8］。韧化过程通过对结晶层双螺旋链的作用使淀粉颗粒的完整度增加［25］，淀粉颗粒的晶体结构更趋完美化，有序化，所以以上结果在理论上也是可以预测的［8］。然而，也有报道称玉米淀粉在50℃韧化处理72 h以后糊化最终温度（Tc）减小［26］。

糊化焓是指双螺旋结构分离所需能量。Varatharajan等［27］根据支链淀粉种类不同将淀粉分为4类，分别考查支链淀粉内部结构对淀粉韧化效果的影响。就种类一（包括燕麦、黑麦、大麦、蜡质大麦）而言，其To和Tp受韧化的影响最大。糊化温度最低的种类一和种类二（包括蜡质玉米、大米、蜡质大米、西米）淀粉的Tp在韧化处理后增加得最多。而种类三（木薯淀粉、绿豆、竹芋）和种类四（马铃薯、蜡质马铃薯、美人蕉、山药）的虽然Tp变化不大，但是糊化焓（Δ）增加显著。出现这种结果可能是由于种类一和种类二淀粉中打开的双螺旋链比另外的种类多，而双螺旋链的延长可能是导致种类三和种类四淀粉糊化焓增加的原因。

表2 不同来源淀粉的糊化参数［12］

3.2 韧化对淀粉化学性质的影响

3.2.1 韧化对淀粉酸水解敏感性的影响

由于研究者们所使用的酸的种类和浓度并不一致，且韧化对淀粉酸敏感性的影响与韧化方法、淀粉来源、韧化温度有关，所以得出的结论也不一致。

酸的作用时间和淀粉水解的程度是判断淀粉对酸的敏感性的指标。据Jayakody等［6］研究，韧化降低了番薯淀粉的酸敏感性，他们还认为酸敏感性降低的程度可以反映结晶层的厚度，且韧化过程中微晶的完美化与淀粉的水解无关。

然而也有人研究［32］证明多步法韧化小麦、木薯、马铃薯、玉米、蜡质玉米、高链玉米使他们对浓度为15.3%的H2SO4的敏感性提高，韧化淀粉更容易被酸水解的原因可能是由于韧化处理使淀粉颗粒表面产生了孔隙。

3.2.2 韧化对缓慢消化淀粉和抗性淀粉的影响

缓慢消化淀粉（SDS）可以通过对淀粉进行物理、化学、酶的处理而产生，处理条件决定了SDS产生的程度和形式，韧化是改变淀粉消化性的一种方式。Chung等［33］证实了韧化对天然玉米、豌豆、扁豆淀粉的消化性有影响，韧化使他们的快速消化淀粉（RDS）增加，SDS减少。O’Brien等［34］认为 RDS淀粉的增加可能是由于韧化使更多的多孔结构形成，而多孔结构可能导致更多的水解酶进入淀粉颗粒内部。Chung等［33］也发现玉米淀粉在50℃韧化处理后，RDS增加，SDS减少。

韧化可以使淀粉在保持淀粉颗粒结构的条件下增加抗性淀粉（不被小肠吸收的淀粉）水平［26］。Jheng等［26］对玉米淀粉用淀粉转葡糖苷酶和胰液素处理，发现韧化处理使普通玉米中的抗性淀粉（RS）含量增加从19.2%增加至56.2%。并且他通过核磁共振（13C CP／MASNMR）波谱分析出韧化处理前后结晶度无明显差别，而双螺旋结构含量在韧化后有所上升，所以他推测双螺旋结构含量的增加是引起抗性淀粉含量增加的原因。然而，Chung等［33］却发现韧化豌豆、扁豆、菜豆淀粉比天然淀粉中的抗性淀粉有所降低，他们还报道由于淀粉颗粒晶体完美化，淀粉链之间的相互作用，韧化在理论上本应该使抗性淀粉水平增加，但是韧化导致的淀粉颗粒多孔性可能对晶体完美化和淀粉链的相互作用的影响起到了负面的作用，使淀粉颗粒对酶的敏感性升高。

3.3 韧化对淀粉生物学性质（α－淀粉酶敏感性）的影响

α－淀粉酶对淀粉的水解作用是衡量淀粉血糖生成指数的重要指标，所以韧化对α－淀粉酶敏感性的影响值得关注。有些研究发现韧化玉米淀粉比天然玉米淀粉对α－淀粉酶的敏感性低［26］。但是也有研究认为小麦、西米、大米淀粉比天然淀粉更容易被α－淀粉酶水解。韧化淀粉对酶的敏感性降低与晶体完美化和直链淀粉－支链淀粉、直链淀粉－直链淀粉之间的作用有关，而韧化以后淀粉水解加剧与淀粉颗粒形成多孔结构有关［34］。韧化促进了淀粉颗粒表面孔隙和裂缝的形成，所以α－淀粉酶更容易进入颗粒内部，淀粉水解程度改变［14］。

然而，Kamran等［36］对不同来源马铃薯淀粉真菌α－淀粉酶水解程度的研究表明，韧化（淀粉颗粒结构变化）引起的淀粉水解程度变化是极小的，特别是相对于糊化程度（加工过程），它对水解程度影响作用几乎可以忽略不计。

4 韧化机理研究

在半晶质聚合物中，对韧化的描述是：①移动扩散，是指在一个晶体晶格内有完整的分子序列的移动。（这种机制一般存在于具有高流动性链的晶体中）②完全的或部分的熔合，指在韧化温度下晶体熔合，某些可熔化的材料重结晶。这两种机制都有实验证明［37］。根据 Waigh等［38］关于支链液晶的类比研究，刚性支链淀粉双螺旋结构与非晶态骨架相连（如图3所示），Perry等［39］提出未水化的淀粉是完整的，但是因为径向和切向分支的长度不同，所以并不是并排整齐的排列，而是呈向列型，松散态，或者是“枯萎态”。在开始的吸水和塑化过程，淀粉的无定形层是淀粉颗粒中反应最快的区域，在水化之前它更偏向玻璃态而且流动性也比较差，而水化提高了无定形层的流动性，由此引起了无定形层和结晶层中径向和切向链的振动。同时，水化引起淀粉颗粒有限但是可逆的膨胀也促成了结晶层的流动。韧化温度的升高（高于玻璃化温度低于糊化温度）和水分的过量，加速了水化速率和葡聚糖链的流动。这种流动性使双螺旋链在一定范围内的并排移动形成了近晶型结构。而温度的上升又加固了无定形层和支链淀粉双螺旋链形成的结构［40］。在这个过程中，分子是紧密而整齐的排列在一系列不同的层面，他们的轴垂直于层面。韧化过程中原来很松散不完美的晶型逐渐消失，原来的微晶通过熔合和重结晶变得更加完美。Lorenz等［41］第一次提出了韧化过程中微晶的完美化理论，他提出晶体的完美化可能通过以下几个过程实现：①小晶体形成大晶体；②晶体结构的改变；③晶体生长方向改变；④微晶的取向；⑤微晶之间的相互作用；⑥非定型层的改变。这个理论表明晶体的完美化不一定要引起结晶度的增加。天然淀粉存在不同稳定性的微晶，而韧化削弱了这些微晶的区别形成了很多同质微晶。所以虽然天然淀粉的结晶度不会因韧化而增加，但是其晶体变得更加完美了。

图3 淀粉的韧化机理［6］

5 韧化技术的应用和发展方向

由于韧化技术可以提高淀粉的热稳定性，减少凝沉，所以韧化淀粉可以运用于罐装食品和冷冻食品中［8］。同时由于淀粉膨胀势和直链淀粉溶出率的降低，热稳定性和耐剪切能力的提高，黏附性和抗拉强度的提升，可以广泛应用于面条生产中［17］。另据Juan等［42］报道，他们将韧化淀粉应用在墨西哥的传统食品nixtamalisation中，由于淀粉的糊化温度升高、淀粉糊的黏度增加，淀粉颗粒的稳定性高，显著的改善了这个传统食品的品质，实现了传统食品的现代化。Chung等［33］发现韧化可以在不改变淀粉颗粒结构的前提下提高抗性淀粉的比例，且抗性淀粉色味很淡，所以可以应用于食品中来提高膳食纤维的含量，也是一种很好的脂肪模拟物。

国外对韧化在淀粉中的应用研究了几十年，目前已经取得了较好的结果。不仅从淀粉糊的宏观角度说明了韧化对淀粉性质的影响，而且从淀粉颗粒、分子结构内部的微观层面揭示了淀粉改性的机理。国内虽然在韧化处理上进行了一些工作，对其机理也进行了探讨，但是还未形成系统的研究，有些现象还不能确切的解释，这些问题的解决还有赖于更多研究者利用更先进的仪器才能完成。另外，面粉作为主食的重要原料之一，其研究前景广阔，且国外研究者已进行了相关研究证实韧化对面粉理化特性的改良作用，所以韧化处理对面粉理化性质的影响值得国内研究者进一步研究。

韧化处理作为淀粉改性的新方法，只涉及了水热的应用，既不会造成环境污染，产品的安全性也高于化学改性，对于我国淀粉的深加工，淀粉资源的高效利用，食品安全性的提高，传统食品工业化，人民的生活品质的改善意义重大，值得广大研究者关注。

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Review of the Effects of Annealing on Starch Quality and Its Application

Wu Jing Li Zongjun Li Ke Zhao Lin

（Food Science and Biotechnology Key Lab of Hunan Province College of Food Science and Technology，Hunan Agriculture University，Changsha 410128）

The process conditions and impact of annealing on starch granular morphological，crystalline，thermal properties，physicochemical properties，and the enzymatic and acid susceptibility of starch have been discussed in the paper.Also the mechanism，applications and development direction of annealing were highlights as well.

starch，annealing，physical modification，modified－starch

TS231

A

1003－0174（2015）09－0139－08

2014－04－17

伍婧，女，1990年出生，硕士，食品生物技术

李宗军，男，1968年出生，教授，食品生物技术