小麦淀粉结构、组成、改性对其理化性能及面条品质的影响研究进展

闫慧丽,陆啟玉,李翠翠

(河南工业大学粮油食品学院,河南郑州 450001)

影响面条质量的因素很多,包括原料、工艺、设备等,其中原料面粉是影响面条质量的关键因素。淀粉是面粉中含量最多的组分,占面粉含量的70%～80%,其对小麦粉的加工性能和面条品质有着至关重要的影响[1-4]。

淀粉是由直链淀粉和支链淀粉以一定形式排列、堆积形成具有结晶区和无定形区的颗粒。根据形态大小,小麦淀粉又可被分为A型淀粉和B型淀粉两大类。A型淀粉的平均粒径一般大于10 μm,B型淀粉的平均粒径则在10 μm以下。不同品种的小麦粉中,A型、B型淀粉以及直链和支链淀粉的含量均存在差异,这种差异会对小麦面粉的粉质特性、加工特性产生影响,从而影响面条的品质。淀粉的某些性质,如冷水不溶性,糊液在酸、热和剪切作用下不稳定等,限制了其在现代工业生产中的应用,改性淀粉的出现弥补了这些不足,扩大了淀粉的应用范围。小麦淀粉经过改性后,淀粉链的长短、分子侧链、侧链上基团等发生的变化将导致淀粉性质的改变,进而影响面条品质。此外,在面条加工过程中,面粉中的淀粉和脂类化合物也能发生复合作用形成淀粉-脂质复合物,这种复合物也会对面团性能和面条品质产生一定影响。

本文综述了近年来小麦淀粉在结构、组成、改性上的研究进展及淀粉在结构和组成上变化对面条品质的影响,为面条专用粉的加工和小麦育种提供一定的理论基础。

1 小麦A、B型淀粉及其对面条品质的影响

1.1 小麦A、B型淀粉的理化性质

小麦A型淀粉颗粒的形态多为圆盘形或两面凹陷的透镜形状,B型淀粉颗粒的形态多为球形和不规则形状。不同品系来源的小麦淀粉,A、B淀粉的晶型结构是相似的,但A、B型淀粉的理化性质可能存在差异。研究表明,A淀粉的相对结晶度[5-6]、糊化时的黏度参数基本上都要大于B型淀粉[6-7],而B型淀粉的膨胀度则大于A型淀粉[6,8]。Zhang等[5]认为,A型淀粉的短程有序性和分子内C-6位羟基形成的氢键含量较高,是其相对结晶度较大的重要原因。Zeng等[7]研究发现,B型淀粉的冻融稳定性和结合水的能力要强于A型淀粉;但由于B型淀粉中直链淀粉含量较高,所以其淀粉凝胶的回生速率要快于A型淀粉。与Zeng等[7]的研究结果相反,Li等[6]的研究结果则表明A淀粉的直链淀粉含量较高。此外,Li等[6]、Zeng等[7]、Zhang等[5]关于A、B型淀粉糊化温度和糊化焓的研究结果也不尽一致,这些结果的不同很可能是由品种间的差异造成的。

A、B型淀粉结构的差异是其理化性质差异的基础,从纳米级结构来讲,A型淀粉半结晶层和结晶层的平均厚度都要大于B型淀粉,不过,B型淀粉半结晶层的有序性更高,其结晶区双螺旋结构的取向更加一致;此外,由于B型淀粉拥有表面分形结构,所以其颗粒表面更加致密光滑[5]。除了理化性质的差异,A、B型淀粉对于酶的敏感性也是不同的。虽然A、B型淀粉在酶解过程中的形态变化是类似的,但由于B型淀粉的相对表面积大,所以更容易受到α-淀粉酶的攻击,在相同水解条件下释放出还原糖的速率也更快[9]。由于影响淀粉水解速率的因素除了相对表面积外,还包括颗粒大小、结晶度、孔隙率、直链与支链淀粉比等,而这些因素与小麦品种息息相关。有研究发现,B型淀粉的水解速率仅在水解前期较快,A型淀粉的水解速率则在后期更快一些[6]。

1.2 小麦A、B型淀粉对面条品质的影响

小麦淀粉中,A、B型淀粉的理化性质存在明显的差异,所以当面粉中A、B型淀粉的含量发生变化时,最终产品的品质必然会受到一定程度的影响。研究表明,小麦粉中A、B型淀粉的比例会影响面条的色泽、蒸煮品质和食用品质;随着B型淀粉含量的上升,白面条的色泽、粘弹性和适口性得到改善;当面粉中B型淀粉的含量在30%～40%时,面条的硬度是最合适的[10]。面条中A、B型淀粉的比例不同时,鲜湿面的水分分布和动态热力学性质也会受到影响。当面条中20%的原淀粉分别被A、B型淀粉取代时,A淀粉含量高的面条其结合水含量以及面条的储存模量和损耗模量较高[11]。

A、B型淀粉理化特性和酶解特性的差异在很大程度上与小麦品种相关,不同品种的小麦淀粉其A、B型淀粉的特性可能存在较大差异,这对于我们全面、充分地了解A、B型淀粉的特性造成了一定的障碍,但这也说明关于A、B型淀粉仍然有很多值得深入研究的地方。近年来,关于A、B型淀粉对面条品质影响的研究相对较少,还基本停留在A、B型淀粉比例对面条质构特性的影响方面。因此,关于A、B型淀粉对面条品质,特别是微观结构的影响仍有待于深入研究。从近年来的研究进展还可以看出,对A、B型淀粉结构的研究已逐渐上升到纳米级和分形特征,这有助于进一步从根本上揭示A、B型淀粉理化性质差异的基础,更加有助于揭示A、B型淀粉在维持面条感官品质、蒸煮品质和食用品质中所发挥的作用。

2 小麦淀粉的化学组成及其对面条品质影响

2.1 小麦淀粉的化学组成

从化学组成上来讲,小麦淀粉由直链淀粉、支链淀粉及少量的蛋白和脂质等组成。蜡质小麦淀粉(不含直链或直链淀粉含量很低)与普通小麦淀粉具有相似的形态特征、颗粒大小分布和晶型结构,但蜡质小麦淀粉的相对结晶度较大,颗粒表面不平滑,与普通小麦淀粉在颗粒的平均直径、B型淀粉的含量和大小上存在差异,这些结构上的差异进而导致了两种淀粉在理化特性上的差异[12-13]。对于不同品种的蜡质小麦淀粉来说,其部分理化性质可能存在差异,但不同品种间淀粉的形态、晶型、长程和短程有序性都是相似的[14]。相对于普通小麦淀粉来说,高直链淀粉(直链淀粉含量约75%)的形状则显得不太规则,且粒径在5 μm以下的颗粒相对较多,这也导致了高直链淀粉的填充体积(packing volume)较大[15]。

虽然淀粉颗粒中蛋白和脂质的含量较少,但它们仍会对淀粉颗粒的形态和理化性质产生一定影响。普通小麦淀粉和蜡质小麦淀粉脱脂后A型淀粉表面能明显观察到孔洞增多,B型淀粉的表面则没有明显变化。脱脂不改变淀粉的晶型,但会使淀粉的结晶度下降,同时,脱脂还会影响淀粉的溶解度、膨胀度和糊化特性,但影响程度与淀粉样品的直链淀粉含量和支链淀粉链的迁移率有关[16-17]。与脱脂处理相似,脱蛋白处理也会影响A、B型淀粉理化性质,不过脱蛋白处理会使普通淀粉的相对结晶度增大[17-18]。脱脂和脱蛋白处理除了会影响小麦淀粉的溶解度、膨胀度、冻融稳定性等特性外,还会导致样品中抗性淀粉含量下降,慢消化淀粉和快消化淀粉含量上升,使得淀粉颗粒的体外消化率增加[19-20]。

2.2 小麦淀粉化学组成对面条品质的影响

直链和支链淀粉含量是影响面条质量的重要因素之一,是造成不同小麦品种淀粉糊化和膨胀特性及面条质量差异的物质基础[21-23]。Zhang等[24]研究表明,鲜面条的硬度和内聚性会随着直链淀粉含量的增加而上升,但面条的弹性不会明显受到直链淀粉含量的影响。面条的干物质吸水率与直链淀粉含量存在显著的负相关关系,而干物质损失率和蛋白质损失率则与直连淀粉的含量呈正相关[25]。糯小麦淀粉(蜡质小麦淀粉)相对于普通小麦淀粉来说不易回生且持水力较强,这些特性有利于生产优质的面条[12,26]。适量的糯麦配粉可以使面条保持较好的色泽、弹性和表观状态,降低面条的烹煮损失,并且有助于提高和面时的加水量,延缓面条老化;若面粉中支链淀粉含量太高,则会与其它组分竞争吸水,阻碍面筋的形成,反而使面条的品质下降[25,27-28]。赵登登等[29]的研究也证明了这一点,在一定范围内,面条中支链淀粉含量越高,面条的蒸煮特性、质构特性和食用品质越好;相反,面条的直链淀粉含量越高,面条的品质则越差。

关于小麦直链和支链淀粉及其对面条品质影响的研究相对较多,不过,同A、B淀粉的研究相似,关于直链和支链淀粉对面条的影响也主要停留在对面条质构、感官等宏观性质的影响,缺乏微观结构方面的研究。另外,关于淀粉中微量组分脂质和蛋白对面条品质可能产生的影响目前还未见报道。

3 小麦淀粉改性方法及其对面条品质的影响

3.1 小麦淀粉常用改性方法

无论是直链淀粉还是支链淀粉,其性质的不同都是由其结构不同决定的。要改变淀粉的性质,主要途径是改变淀粉的分子结构,常用的方法包括酶法、物理法、化学法、复合法等。不同改性方法对小麦淀粉特性的影响如表1所示。淀粉品种间的差异也会对改性结果产生影响。例如,琥珀酸/乙酸酐和壬二酸/乙酸酐混合物在不同浓度下分别对两个品系小麦淀粉进行处理,结果发现,同一酸酐混合物对淀粉糊化焓的影响规律存在品种间的差异;而不同酸酐混合物对淀粉同一特性的影响也不尽相同。例如,对淀粉回生值的影响甚至存在完全相反的结果[30-31]。不同品种淀粉间A、B型淀粉理化特性的差异很可能是影响改性结果的重要原因之一,但利用环氧丙烷和环氧丙烷类似物分别对蜡质小麦淀粉和普通小麦淀粉的A、B型淀粉进行改性时,A、B型淀粉的取代度在种内和种间没有明显的差别,并且环氧丙烷和环氧丙烷类似物还能在一定程度上缩小同一品种间A、B淀粉糊化特性的差异[32]。

3.2 改性小麦淀粉对面条品质的影响

小麦粉经α-淀粉酶抑制剂改性后,面条的蒸煮特性、硬度、感官评分和微观结构基本不变;而面粉经分支酶处理后,淀粉结构发生变化,支链淀粉的含量上升,进而导致面条的蒸煮时间延长,煮后质量、吸水率和蒸熟损失下降,面条的硬度上升,感官品质和微观结构发生改变;无论是α-淀粉酶抑制剂还是分支酶,都会导致淀粉的消化率下降,使得面条的血糖生成指数降低,这对于糖尿病人来说或许大有益处[34]。除了酶法,利用琥珀酸酐和辛烯基琥珀酸酐分别对淀粉改性,也可以显著降低淀粉中快消耗淀粉的含量,增加慢消化淀粉的含量,进而降低面条的血糖生成指数[60]。淀粉分子上的基团发生变化后,面条的品质也会受到影响。小麦淀粉被双氧水氧化后,由于羧基的引入,淀粉的亲水力增强,导致添加氧化淀粉的面条中深层结合水比例减少,弱结合水比例增加;同时,由于淀粉亲水力增强,阻碍了分子间氢键的缔合,使淀粉与淀粉或蛋白质之间的作用力减弱,导致了添加氧化淀粉的面条的储能模量和损耗模量降低[54]。

淀粉经过酶法、物理或化学等手段改性后,分子量、侧链基团等发生变化。近年来,将玉米、马铃薯、木薯等改性淀粉作为面条品质改良剂,发现改性淀粉对面条品质的影响,或者将改性后的小麦淀粉作为稳定剂应用在蛋糕、酸奶的生产中[55,61],对于小麦原淀粉分子量和侧链基团等结构的改变会对面条的品质产生何种影响,目前的研究仅有张克等[54]涉及到。

3.3 小麦淀粉-脂质复合物

小麦淀粉-脂质复合物虽然属于改性淀粉的范畴,但却不同于一般的改性淀粉,它本身就存在于自然界的原淀粉中。直链淀粉能够与脂质进行络合,在分子内氢键的作用下,直链淀粉的链会发生卷曲,形成螺旋状内络物。淀粉与脂质复合后,除了晶型结构由原来的A型转变为V型,淀粉的糊化特性、流变学特性、冻融稳定性、糊的透明度、凝胶质构、回生特性、酶的敏感性等均受到影响[62-66]。

淀粉-脂质复合物的生成及其对淀粉性质的影响与脂质的添加量、脂肪酸的链长和饱和度、脂质的加入时间、复合物的制备方式和制备温度等因素有关。对于同一种小麦淀粉,月桂酸与淀粉的复合指数随月桂酸用量的增加而增大;对于不同品种的小麦淀粉,月桂酸用量相同时,复合指数随直链淀粉含量的增加而增大[65]。对于饱和脂肪酸来说,其碳链越短则越容易与直链淀粉复合;随着脂肪酸链长的增加,直链淀粉-脂肪酸复合物对淀粉颗粒的膨胀、凝胶化、回生和糊化进程的抑制作用加强[67]。尽管淀粉-脂质复合物能够影响淀粉颗粒的膨胀和颗粒内碳水化合物的溶出,但Gerits等[68]的研究认为这两者之间并不存在因果关系。温度是影响小麦淀粉-脂质复合物形成的重要因素之一,随着制备小麦淀粉-卵磷脂复合物温度的上升,淀粉糊的透明度、淀粉的溶解度和膨胀度逐渐上升[64]。溶血磷脂胆碱(LPC)与小麦淀粉复合时,若在淀粉糊化的不同阶段分别加入LPC,体系的粘度特性将受到不同的影响;若将不同含量的LPC分别与小麦淀粉复合,淀粉悬浊液对淀粉酶的敏感性则随着复合指数的上升而下降,部分复合物即使在4 h后仍然不能被α-淀粉酶水解[69-70]。小麦淀粉-脂质复合物除了抗酶解特性增强外,抗辐照性能也有所增强,其相对普通小麦淀粉和改性小麦淀粉来说结构更稳定,其结晶度不受辐照剂量的影响[36]。制备方法也是影响小麦淀粉复合物生成的一个重要因素。徐澎聪等[71]分别采用HCl/KOH法和快速黏度分析法制备小麦淀粉-油酸包合物,二种方法制备的复合物在复合指数、玻璃化转变温度、颗粒表面短程结构有序度、相对消化率等方面均存在差异。Gerits等[68]研究发现,脂肪酶也能够显著诱导小麦直链淀粉-脂质复合物的生成,且不受脂质的类型和位置的影响。除了常规的水热法制备淀粉-脂质复合物外,Rangelov等[72]还研究出了一种基于球磨技术制备淀粉-LPC复合物的机械化学方法,该法制备出的复合物与水热法制备出的复合物具有相同的晶体结构,通过固态13C核磁共振波谱与差示扫描量热仪分析也进一步证明了这种机械化学法在制备淀粉-LPC复合物方面的有效性。

小麦淀粉-脂质复合物是近年来的一个研究热点,目前,国内外的研究仅仅停留在纯淀粉和单一脂肪酸合成淀粉-脂质复合物的研制以及性质方面,对食品混合体系中淀粉-脂质复合物的研究多集中于延缓面包老化方面[73],关于小麦淀粉-脂质复合物对面条品质影响的研究还未见报道。

4 小麦淀粉损伤对面条品质的影响

除了直链和支链淀粉含量及A、B型淀粉含量会对面条品质产生较大的影响外,面粉中破损淀粉含量也是影响面条品质的一个重要因素。淀粉受到机械损伤后,形状变得不规则,颗粒粒径减小,吸水能力增强,进而影响淀粉在加热和非加热状态下的流变学特性、面粉的粉质特性等,使得面条的色泽、适口性、蒸煮损失、干物质吸水率等受到影响;损伤淀粉含量在一定范围内对于面条的品质改良具有正面意义,超过某一临界值将阻碍面筋的充分扩展,使面条品质迅速劣变[24,29,74-77]。新磨制的小麦粉并不适合制作面条,其中一个原因也与损伤淀粉含量有关。新磨制的小麦粉经过一个熟化过程后淀粉的峰值黏度、最终黏度、最低黏度下降、损伤淀粉含量上升,此时制作的面条硬度、弹性等才比较合适[78]。Hatcher等[79]研究表明,破损淀粉含量对于黄碱面条的弹性特征影响较大,且破损淀粉含量对熟面条弹性的影响程度要远大于生面条。孔雁等[80]也发现,破损淀粉含量是影响拉面制作的重要因素之一,此外,制作优质兰州拉面的面粉还应具有较高的峰值黏度和较低的衰减值。

5 结论与展望

不同品种的小麦淀粉中A、B型淀粉的含量及其理化特性、直链与支链淀粉含量、损伤淀粉含量可能存在显著差异,这些差异导致了面条在感官品质和蒸煮品质上的差异。随着对小麦淀粉研究的深入,淀粉的超结构、消化特性及淀粉中的微量组分脂质、蛋白等的作用受到越来越多的关注,这必将有助于进一步揭示淀粉对面条品质的影响规律。小麦淀粉改性是增加其应用范围的重要手段,但对于小麦淀粉分子量和侧链基团等结构的改变会对面条品质产生何种影响的研究相对较少。小麦淀粉-脂质复合物的制备及其理化特性是近年来的一个研究热点,但对小麦淀粉-脂质复合物在面条体系中的作用及其机理还缺乏深入的研究。

综合当前的研究现状来看,关于小麦淀粉对面条品质的影响多集中于面条的质构特性、表观状态、食用品质等宏观特性,很少从分子水平上研究小麦面粉中淀粉组分对面条品质的影响。所以,从分子水平上研究淀粉组分及其对面条品质的影响机制将可能是未来的一个发展方向。