大米淀粉结构与特性研究进展

刘传菊 李欢欢 汤尚文 聂荣祖 豁银强

(湖北文理学院，襄阳 441053)

淀粉是大米的主要组分，占其干物质的80%以上。大米淀粉具有易消化、清淡无味、颗粒小、白色、淀粉糊冻融稳定性好、抗酸解及支链/直链淀粉比例差异大、消费者易接受等特征。这些特性使大米淀粉在食品和药品领域具有广泛的应用。淀粉的特性取决于淀粉的粒径大小分布、直链/支链淀粉比、淀粉颗粒形态及分子结构等结构特征，淀粉中残留的蛋白质等成分对淀粉特性也有重要的影响，而淀粉的特性又是影响淀粉开发与应用的主要因素。

1 大米淀粉的制备

制备纯化大米淀粉的关键是去除大米蛋白，目前工业生产中主要利用碱法和机械法，一些科研机构开展了酶法制备大米淀粉的研究。

1.1 碱法

碱法是工业上制备大米淀粉的传统方法。80%左右的大米蛋白是碱溶性谷蛋白，在碱法工艺中，常用0.3%～0.5%的氢氧化钠溶液浸泡大米12～24h，浸泡温度从室温至50℃不等。经湿磨粉碎浸泡软化的大米，释放出淀粉形成淀粉乳，随后将淀粉乳保持悬浮状态10～24h以促进蛋白质溶解，过滤去除细胞壁物质，淀粉乳再经水洗、中和及干燥得相应的大米淀粉产品[1-2]。该法具有淀粉回收率高、蛋白残留低等特点(通常低于1%)[3,4]。副产物蛋白质的纯度较高，但由于特殊的气味及产生有毒的赖丙氨酸[5-7]，而不适于用作食品原料。

1.2 酶法

碱法制备大米淀粉会产生大量的碱性废液及高浓度盐的废水，一些学者研究了蛋白酶消化处理制备大米淀粉的效果。蛋白酶在pH6.5条件下50℃处理18h，所得淀粉含量与碱法制备的相当或更高，酶法降低了破损淀粉量，产品的特性与碱法制备的相当[8]。食品级碱性蛋白酶和中性蛋白酶去除蛋白的效果比其他蛋白酶的效果更好，当米粉用纤维素酶进行预处理后，蛋白的去除率更高[9]。在中性条件下米粉悬液经纤维素酶预处理以降解纤维素组织，随后用蛋白酶水解紧密结合在淀粉颗粒表面的蛋白质，所制备大米淀粉的得率是76.5%，蛋白含量比碱法制备淀粉高，通过碱液或SDS溶液洗涤能使蛋白含量降低到碱法制备淀粉的水平[10]。中性蛋白酶联合高强度超声制备淀粉的得率为79.8%～86.7%，蛋白残留量0.50%～0.96%[11]。利用碎米为原料，冻融浸渍-酶法制备大米淀粉的得率达69.31%，所得淀粉得率比酶法及碱法高[12]。酶法主要还处于实验室研究阶段，目前还没能应用于工业生产。

1.3 机械法

机械法制备大米淀粉是一种湿磨技术，通过机械方法将胚乳中的蛋白质与淀粉团粒解离，根据密度间差异，通过物理方法将两者分离。经该法所得的淀粉团粒位于团块或直径10～20μm的聚集体中，所得淀粉通常残留0.25%～7%的蛋白质。通过该法制备的淀粉外观上与传统碱法制备的相似，但两者的糊化等功能特性不同。与碱法不同，机械法产生的米蛋白质是一种价值较高的副产品，其具有良好的风味且不会产生有毒的副产物，在食品工业中具有广泛的应用范围。采用该法从糙米中生产的淀粉含有一定量的蛋白质和米糠油，这些成分赋予米淀粉独特的物化特性，该类淀粉已作为原料应用于食品工业[2]。

2 淀粉的组成

淀粉的主要组分是直链淀粉和支链淀粉。支链淀粉是米淀粉的主要组分，组成淀粉颗粒的65%～85%，不过蜡质突变系的支链淀粉含量可以达到100%。直链淀粉通常形成螺旋结构，其能与碘等非极性物质形成复合物。淀粉样品表观直链淀粉含量通常就是根据淀粉-碘形成的蓝色复合物进行分析测试[13]。由于支链淀粉长分支能与碘形成有色复合物，表观直链淀粉含量并不能完全代表真实的直链淀粉含量。大米表观直链淀粉含量范围是0.6%～27.8%[14]，根据表观直链淀粉含量常将大米分为蜡质(0%～2%)、非常低(2%～12%)、低(12%～20%)、中等(20%～25%)及高(高于30%)直链淀粉含量五种类型[15]。AE(Amylose extender，直链淀粉扩增)突变体的表观直链淀粉含量达35%～40%，目前还没有稻米品种的表观直连淀粉含量同高直链玉米淀粉那样达到70%。不同水稻亚系的表观直连淀粉含量不同，籼稻通常高于粳稻。籼稻包含四类直链淀粉含量类型，而普通的粳稻仅有低至中等表观直链淀粉含量类型。粳稻和籼稻均包含蜡质品种。表观直连淀粉含量也受生长地、气候及土壤条件等环境因素的影响[3]。

大米胚乳中的蛋白质紧密的结合在淀粉颗粒的表面或者淀粉颗粒孔道腔而很难去除。不同方法制备大米淀粉残留的蛋白质含量不同，碱法制备大米淀粉的蛋白质含量通常低于1%，机械法和酶法制备淀粉的蛋白质含量稍高[2]。淀粉中残留的蛋白质主要是一些淀粉颗粒结合蛋白，这些蛋白大部分是参与淀粉合成的酶，通常认为这些蛋白位于淀粉孔腔内而难以去除[16]。

除了蛋白质之外，大米淀粉中含有少量的脂质、磷及矿物质[17]。非蜡质大米淀粉含0.3%～0.4%的结合脂质，而蜡质大米的脂质较低。大米淀粉中的脂质大部分是游离脂肪酸和溶血磷脂，内部脂质与直链淀粉含量呈显著的正相关。非蜡质大米淀粉中的脂质由32%的游离脂肪酸和68%的溶血磷脂组成。直链淀粉能够与脂质形成包合物，直链淀粉和内源性或外源添加的脂质在淀粉发生凝胶化时发生包合，天然淀粉颗粒内也存在直链淀粉-脂质复合体。

淀粉中存在相对较少的矿物质。淀粉中的磷对其加工特性有重要影响，其影响淀粉的黏度、糊透明度及稳定性等。淀粉中的磷主要以磷酸单脂和磷脂2种形式存在，非蜡质大米淀粉中主要是磷脂[18]，蜡质大米淀粉中主要是磷酸单脂选择性与直链淀粉结合。淀粉磷酸单脂是淀粉磷酸化的产物，主要存在支链淀粉内，而直链淀粉中的含量非常低，大约80%～90%磷酸是与葡萄糖残基的C6结合[18]。

3 淀粉的结构

直链淀粉和支链淀粉以不同尺度形成了淀粉颗粒的进而形成多级结构体系(见图1)，主要包括颗粒结构、生长环结构、Blocklets小体、层状结构、结晶结构以及链结构。

3.1 颗粒结构

淀粉以颗粒形式储存在植物体内，不同植物来源淀粉的大小和形状不同。淀粉颗粒直径从不足1～100μm不等，形态有多面形、椭圆形、圆形、球形或不规则形等。大米单个淀粉颗粒直径大约3～8μm，在谷类中最小，呈多面形或不规则形，淀粉颗粒通常聚集为复合淀粉颗粒[20]。大米淀粉复合颗粒直径达150μm以上，通常为多面体，每个淀粉复合颗粒含20～60个淀粉颗粒[21]。如图2所示，大米淀粉颗粒表面呈现较多的微孔结构，玉米和高粱等谷物淀粉表面也观察到类似的微孔结构，而在木薯、马铃薯等根茎、块茎类淀粉中并未观察到此类微孔[22,23]。微孔结构是淀粉颗粒表面至内部脐点空腔的通道，为淀粉酶等作用于淀粉分子提供了作用位点，从而使大米等谷物淀粉颗粒较根茎、块茎类淀粉颗粒更易被酶解。

注：a 淀粉颗粒，b 无定形和半结晶生长环，c无定形和结晶层，d Blocklets小体，e 支链淀粉双螺旋结构，f 淀粉纳米晶，g 支链淀粉，h 直链淀粉。

图2 大米淀粉颗粒结构

3.2 生长环结构

采用高倍光学显微镜可以比较清晰地观察到淀粉颗粒由半结晶和无定形交替形成的生长环结构[24]，见图3。生长环以淀粉颗粒脐点为同心环向外生长，其数目及大小与淀粉的生物来源和成熟程度有关，如蜡质玉米淀粉的生长环结构约为100～400nm，而大米淀粉的生长环大小接近400nm[25]。

3.3 Blocklets小体与片层结构

扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜及酶解结果显示，结晶层和半结晶层组装为重复的结晶与无定形片层交替的 Blocklets小体结构，模式图见图4。结晶片层主要由支链淀粉侧链簇组装成晶格，而支链淀粉分支点、直链淀粉及无定形态直链淀粉分子组成了淀粉止水塞的无定形片层。依据淀粉的来源和在淀粉颗粒内的位置不同，Blocklets小体结构的大小和形状不同，但其近似为直径20～500nm的不透明球状体，含较少的结晶结构。大米淀粉的Blocklets小体结构平均大小是100nm，由大约280个支链淀粉侧链簇构成[27]。

3.4 结晶结构

淀粉颗粒是由结晶区和无定形区组成的半结晶体。支链淀粉的外链和直链淀粉能形成双螺旋结构，排列成有序的结晶区，结晶区主要由支链淀粉的侧链组成。富含支链淀粉的淀粉中，结晶区是由支链淀粉分子外链通过氢键形成的双螺旋结构。直链淀粉对普通和蜡质大米淀粉结晶度影响较小，但其对高直链淀粉含量淀粉的结晶度有重要影响。淀粉颗粒在偏光显微镜下呈双折射现象，表现出典型的马尔文十字，淀粉颗粒的双折射显示微晶主轴呈径向排列。常用X射线衍射分析淀粉的结晶度及淀粉的晶体类型。大米淀粉呈典型的A晶型，蜡质大米淀粉的结晶度比普通大米淀粉高。Sugary(糖质)突变体淀粉也呈A晶型，AE突变体与马铃薯和玉米淀粉类似[29]。大米淀粉XRD的最强反射角出现在15°、17°、18°和23°，结晶度在29.2%～39.3%[30]。表观直链淀粉含量高的淀粉的结晶度32.3%，而凝胶化温度高的蜡质大米淀粉的结晶度为45.5%。2种Sugary突变体淀粉的结晶度分别是22.9%和18.3%。淀粉结晶度可能受直链淀粉含量和直链淀粉结构的影响，表观直链淀粉含量与结晶度呈负相关[31]。

3.5 淀粉分子结构

淀粉是一类具有分支的葡聚糖，主要包括直链淀粉和支链淀粉两大类。直链淀粉是葡萄糖残基通过α-1,4糖苷键连接的线性聚合物，部分直链淀粉含有少量的长分支(图5)。不同大米直链淀粉的分子质量不同，平均分子质量是3.73×105～4.89×106g/mol[32]，数均聚合度(DPn)和平均链长分别是847～1118和230～370[1]。6种水稻的直链淀粉经脱支酶水解后的数均分子量和重均分子质量是5.1～6.9×105和1.4～1.8×105g/mol，重均聚合度(DPw)和数均聚合度(DPn)分别是2569～4273和847～1118[34]。

注： a 生长环结构，b 交替排列的结晶片层和无定形片层，c 支链淀粉簇状结构，d 螺旋结构。

图4 淀粉Blocklets小体与片层结构示意图[28]

图5 直链淀粉及支链淀粉的结构[33]

支链淀粉具有较多的分支结构，主要由α-1,4糖苷键链接，且具有较多以α-1,6糖苷键连接的短分支(图5)。不同植物来源支链淀粉的数均分子量是7.0×107～5.7×109g/mol，蜡质和非蜡质淀粉的数均分子量分别为2.7×109和5.7×109g/mol。籼米、粳米和蜡质大米支链淀粉的数均聚合度范围是8200～12900[21]。支链淀粉的分支可分为A、B和C链。外层的A链最短(DP6～12)，其通过α-1,6糖苷键链接到B链上，B链上链接1个或多个A链或B链，依跨越簇的数量及长度不同，B链可进一步分为B1、B2、B3和B4(跨越1～4个簇)，典型的B1和B2链长分别为DP13～24和DP25～36，B3和B4链长为DP>37，每个支链淀粉的单个C链含唯一的还原性末端[21，30]。

4 大米淀粉的物化特征

4.1 凝胶化特征

凝胶化是淀粉的重要功能特性之一，其受淀粉组成、支链淀粉分子结构、颗粒结构、颗粒形貌及颗粒大小分布等因素的影响[34]。通常采用DSC分析淀粉的凝胶化起始温度(To)、峰值温度(Tp)、终止温度(Tc)及焓值(ΔH)等凝胶化特征参数，ΔH主要反映淀粉颗粒中分子的有序结构[35]，而凝胶化温度与结晶完整性有关[36]。大米淀粉的凝胶化特征受稻米品种的影响，非蜡质大米淀粉的ΔH、To、Tp及Tc分别是3.7～19.2J/g、53.3～75.9℃、61.8～80.0℃和70.9～85.4℃；蜡质大米淀粉的相应值是3.4～16.7J/g、5.5～63.0℃、1.6～75.8℃和4.9～88.3℃；长粒大米淀粉的相应值为8.7～21.6J/g、50.9～77.0℃、62.3～80.8℃和72.1～89.6℃[34]。蜡质大米淀粉的Tp比普通大米的低，直链淀粉含量对蜡质大米淀粉的凝胶化温度没有影响[37]，有关直链淀粉含量对大米淀粉ΔH影响的报道不一[21]。较多的支链淀粉的长链对凝胶化产生延迟作用，支链淀粉的短支链促进淀粉凝胶化[37]。

4.2 糊化特征

在过量水分情况下连续加热并不断搅拌，淀粉颗粒吸水膨胀、随后由于淀粉结构瓦解引起淀粉颗粒破裂。直链淀粉渗出及淀粉颗粒破裂形成黏性糊。淀粉的糊化特性对其应用有重要影响。常用布拉班德黏度仪和快速黏度仪(RVA)等分析淀粉的糊化特性。RVA通常测定淀粉的糊化温度(PT)、峰值黏度(PV)、最终黏度(FV)、崩解值(BD)、热糊黏度(HPV)、冷糊黏度(CPV)、回落值(SB)等特征参数。大米淀粉的糊化特性主要受Wx(蜡质)基因的控制，因此大米淀粉的糊化特征参数与淀粉的表观直链淀粉含量有关，支链淀粉的分子结构也对淀粉的糊化特征有一定的影响[29]。支链淀粉的长分支和短分支分别与崩解值呈正相关和负相关[38]。大米淀粉的糊化特性也受气候温度、大气二氧化碳含量、光照、灌溉用水量及土壤营养的影响。CPV、SB及BD主要受大米基因型的影响，而PV和HPV主要受环境因素的影响[39]。

4.3 回生特征

淀粉回生是加热的淀粉糊在温度降低到晶体熔点以下时，膨胀淀粉颗粒内的直链淀粉和支链淀粉分子重新聚集、结合成有序的结构，导致黏度增加、凝胶变硬、质构陈化。淀粉回生包括直链淀粉的快速再结晶和支链淀粉的慢速结晶。直链淀粉回生引起淀粉储存早期的变化，支链淀粉回生需要几周甚至几个月的时间，造成长期储存淀粉流变和结构的变化。

通常采用DSC分析淀粉的回生特征。蜡质大米淀粉长分支的量与回生焓及凝胶硬度呈正相关，短链/长链比值几乎对淀粉所有的回生参数均有影响[40，41]。非蜡质稻米的表观直链淀粉含量与回生焓及回生百分比呈正相关[42]。蜡质大米淀粉回生特征主要受SSIIa(可溶性淀粉合成酶)基因影响[43]，非蜡质大米淀粉回生特征主要受Wx及SSIIa和ISAI(异淀粉酶)基因的调节[42]。储藏淀粉凝胶中支链淀粉回生形成的有序性比天然淀粉低，不同品种稻米淀粉的回生焓值是2.16～3.71J/g[44]。

4.4 消化特性

根据在体外的消化速率不同，通常将淀粉分为快速消化淀粉(RDS)、慢速消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)。大米淀粉中RDS的质量分数为78.5%～87.5%，蜡质大米淀粉RDS比普通大米淀粉高，大米淀粉中SDS和RS质量分数分别为1.2%～6.0%和10.1%～18.0%[45]。由于采用的分析方法不同，不同研究所RDS、SDS及RS含量会有所不同。

直链淀粉含量、淀粉分子精细结构、残留的蛋白及脂质均对大米淀粉的消化特性产生一定的影响。有关直链淀粉含量与淀粉消化率之间关系的报道结果并不一致，Kong等[31]报道RS含量随大米淀粉中直链淀粉含量增加而增加，而RDS含量随直链淀粉含量增加而降低，淀粉酶首先对不定形区的直链淀粉产生水解，水解物又重新结合而抗性增加，但Van Hung等[46]报道天然蜡质大米淀粉的RS含量比高直链淀粉含量大米淀粉和普通大米淀粉高。根据消化速率，有研究报道直链淀粉含量与SDS含量[47]和消化速率[48]呈负相关，Cai 等[48]认为直链淀粉与碘形成的复合体不容易水化，进而不利于酶浸入淀粉颗粒内部，不过也有研究认为直链淀粉含量与RDS或消化动力学参数无关[49]。由于大多数研究都是比较不同基因型大米淀粉，因而导致大米淀粉直链淀粉含量与消化性之间的关系比较复杂。Lin等[50]研究了相同遗传背景但直链淀粉含量不同的大米淀粉，发现支链淀粉结构相同而直链淀粉含量与消化率间存在显著的负相关。因此，大米淀粉消化率主要受直链淀粉含量的影响，同时支链淀粉精细结构对其也有一定的贡献。

此外，由于降低了淀粉酶与淀粉的作用，残留在淀粉颗粒表面的蛋白质和脂质会降低淀粉的消化率[51]。

5 结论

不同方法制备大米淀粉中残留的蛋白质和脂质等成分的含量不同，这些残留成分会一定程度上影响淀粉的物化特征。不过，淀粉的物化特征主要由淀粉的颗粒结构、生长环结构、层状结构、结晶度、支链/直链淀粉比例及淀粉分子精细结构等不同层级结构所决定。随着对大米淀粉多尺度结构理解的加深，人们可以更有针对性地对淀粉结构进行调控，利用物理、酶法及化学方法修饰淀粉结构而改善大米淀粉的物化特性及扩大其应用范围。