淀粉糊化度测量方法研究进展

徐敬欣,冯旸旸,于 栋,孔保华,刘 骞

(东北农业大学食品学院,黑龙江哈尔滨 150030)

淀粉是由葡萄糖分子聚合而成的高聚体,它是细胞中碳水化合物最普遍的储藏形式,同时淀粉也是食品加工的重要原料之一[1-3]。淀粉大部分贮存在植物的种子和块茎中,而且各类植物中的淀粉含量都较高[4-6]。淀粉可以作为增稠剂、胶体稳定剂、胶凝剂、膨化剂、变形剂和保水剂,广泛应用于食品工业中,以提高最终产品的质量[7-9]。当淀粉颗粒在水中加热时,其结构会发生不可逆的由无序到有序的转变,最终形成均匀糊状溶液的过程即为淀粉糊化过程[10-11]。淀粉在糊化过程中,淀粉颗粒会发生吸水、膨胀、双折射损失、改变结晶区域、展开双螺旋、形成黏度和溶解度增加等一系列变化[12]。与此同时,在含淀粉类食品加工过程中,较高的淀粉糊化度(Degree of starch gelatinization,DSG)不仅能够改变最终产品的物理和感官特性,而且还影响其消化特性和营养特性[13-14]。此外,DSG也是帮助糖尿病人选择正确食物的简单指标[15-17]。因此,开发一种准确、简便的实验室DSG测定方法十分重要,可以作为客观评价含淀粉类食品理化特性和消化潜力的重要方法。

目前,已知常见的用来测量食品DSG的物理或者化学的分析方法主要包括:使用偏振光显微镜测定淀粉双折射现象[18]、使用分光光度计测定直链淀粉-碘络合物的吸光度[19]、测定糊化淀粉糊的持水性[20]、利用快速粘度测定仪测定糊化淀粉的糊化特性[21-22]、利用小角或者广角X-衍射仪测定淀粉结晶度的变化[23-24]、利用差式量热仪测定淀粉糊化过程中的吸放热焓值的变化[25-26]、利用脉冲核磁共振法测定样品中弛豫时间的变化[27]、利用近红外光谱测定淀粉的光谱特性[28]以及淀粉酶水解[14]等,但是这些方法都有其优势和劣势。因此,本文总结了DSG测定方法的研究进展,系统综述了食品中DSG测定方法的原理和准确性,而且将不同方法之间的准确性和简便性进行了比较,以期为食品中DSG的快速准确测定奠定相关理论基础。

1 淀粉糊化度测量方法

1.1 差示扫描量热法

差示扫描量热法是一种热分析法,其分析方法包括:差(示)热分析法(Differential thermal analysis,DTA)、热重量法(Thermogravimetry,TG)、导数热重量法(Derivative Thermogravimetry,DTG)、差示扫描量热法(Differential scanning calorimetry,DSC)、热机械分析法(Thermomechanical analysis,TMA)以及动态热机械分析法(Dynamic thermomechanical analysis,DMA),其中通过DSC方法测定DSG最为常见。

淀粉的糊化是一个吸热过程,未发生糊化的生淀粉其吸热为零,而随着糊化过程的推进,其吸热值越来越大,即焓值(ΔH)逐渐增大,在函数图像中表现为一条随加热时间上升的折线,当达到某一温度后,折线变成一条无波动的直线,由于缺乏糊化吸热,即吸热停止时,则表示淀粉样品糊化完全[14]。因此,从DSC测定曲线上可确定糊化起始温度、峰值温度、糊化最终温度和焓值等参数[29]。

式(1)

式中:ΔHp表示加工样品的焓值,ΔHs表示淀粉与水以1∶2的比例混合所得的悬浮液的焓值。

Paola等[14]利用DSC法对酶法测量的DSG进行验证试验,通过吸热峰的面积计算淀粉的糊化焓值(ΔHg),计算公式如公式2所示,其中ΔHr表示在25 ℃下处理的淀粉悬浮液的焓值(无糊化),当热处理温度升高时,糊化的焓值降低。为使试验标准化,限定样品温度高于70 ℃时的糊化焓值为零,即认为此时样品达到了完全糊化。但这个温度在实际加工条件下,并不能保证淀粉完全糊化。

式(2)

Edwards等[31]利用DSC法测定鹰嘴豆和硬质小麦的DSG,计算公式如公式3所示,研究结果发现,鹰嘴豆的DSG与样品颗粒粒径成反比关系,而硬质小麦的DSG则与样品颗粒粒径没有相关性,利用DSC法测量的DSG与利用淀粉酶测定的结果完全一致,此结果证明了利用该公式计算淀粉DSG的准确性。

式(3)

因此,虽然利用DSC法能够准确地监测淀粉糊化过程,但是DSC方法只是侧重于测定整个糊化过程中淀粉的糊化温度和吸热情况的变化,而且其用于计算DSG的公式大多数是由经验所得,没有一个固定或者统一的公式。Liu等[11]认为DSC法并不适用于准确测定多组分淀粉类产品的DSG。

1.2 粘度法

粘度法测定DSG利用的仪器通常为布拉班德粘度分析仪(Brabender visco-amylograph,BV)和快速粘度分析仪(Rapid visco-analyzer,RVA)。由于RVA测定时所需样品量少,耗时短,因此被广泛使用。通过RVA能够得到与淀粉糊化度相关的7个参数,即糊化粘度、峰值时间、峰值粘度、保持粘度、最终粘度、衰减值和回升值,因此可以计算出淀粉颗粒粘度与DSG之间的定性以及定量关系。

Puspitowati等[21]利用RVA测定大米淀粉DSG,研究结果发现,峰值粘度与糊化度成线性负相关关系,且两者之间的相关系数为0.996,即表示大米淀粉的DSG越高,其峰值粘度越低,可以通过标准曲线测定大米淀粉的DSG;此外,随着加热时间的进行,在30 min时,大米淀粉的DSG达到100%,这与Hsu等[32]的观察结果一致,同样地,Bayram等[33]发现小麦淀粉实现100%糊化需要40 min。此外,Sakiyan等[34]利用快速粘度分析仪(RVA)测定蛋糕中淀粉的糊化度,并用DSC法对RVA测定的结果进行了检验,发现两种测量方法得出的结果近似,表示准确性较好。

因此,利用RVA可以对样品的DSG进行测定,且操作简便。但是,利用此方法测量DSG时,淀粉的糊化温度受主观因素的影响较大,且淀粉糊的浓度不能超过10%,限制了此方法的使用。另外,RVA的应用主要集中在对于淀粉质构粘弹特性的研究上,对于DSG的测量还停留在对于糊化度结果的预估上,而对于准确测量结果的得出方法,还有待进一步开发。

1.3 脉冲核磁共振法

脉冲核磁共振法测定的原理基础是原子核的磁性及其与外加磁场的相互作用,具有偶数核子的许多原子核在自旋磁场中相互抵消,不能产生核磁共振现象,而具有奇数核子的原子核都具有自旋,所以原子核的自旋会产生磁场[35]。样品体系中的氢原子核(质子)在稳定的高强磁场中,受到一个短暂的射频脉冲时,其自旋状态受刺激而进入一个高能级,脉冲结束后,质子能级将冲激发态回到初始平衡态(弛豫),并同时发出脉冲核磁共振(Nuclear magnetic resonance,NMR)信号,称其为自由诱导衰减信号(Free induction decay,FID)[36]。各类质子的衰减时间(自旋弛豫时间,T2)各有不同,其中,固体中的质子其T2远低于液体中的质子,得出的FID曲线衰减极快(曲线很陡),而液体中质子FID曲线则平滑得多,因此样品给出的信号经计算机处理后可分为两个部分:液体部分和固体部分[37]。在天然淀粉和糊化淀粉中,存在于水及淀粉分子中的质子,以不同的状态产生不同的FID信号,基于此原理,可以利用NMR来定量分析非纯化淀粉中的DSG。

Lelievre等[38]表明,当淀粉-水分散体加热到60 ℃及以上时,通过NMR测量的弛豫时间会增加,因此在具有不同DSG的淀粉样品中,液相中的质子与固相中的质子之间存在不同的关系。根据该假设,理论上可以使用NMR测定的液体中的质子与固相中的质子之间的比率来测量DSG。Mendes等[27]利用NMR测量巴西小麦淀粉DSG,并开发了相对液化指数(Relative liquefying index,RLI),试验中得到的RLI值与酶法测定的DSG之间具有很强的一致性,即可以用RLI来对DSG进行表示,RLI计算公式如公式4所示。此外,Gomi等[39]利用DSC法和PFG-NMR法分别测量淀粉的糊化速率(糊化速率可间接得出淀粉的糊化程度),研究发现两种方法测定的糊化速率近似(分别为2.56(10-2和7.14(10-2),表明PFG-NMR法同DSC法一样能很好地测定淀粉的糊化度,并具有一定的准确性。

RLI(DSG)=[(%L/S)t-(%L/S)0]/[(%L/S)f-(%L/S)0]

式(4)

式中:(%L/S)t表示部分糊化样品中液体与固体的百分比;(%L/S)0表示具有已知固体百分比的非糊化样品中液体与固体的百分比;(%L/S)f表示完全糊化品中液体与固体的百分比。

因此,在NMR法测定DSG时,具有以下优点:a. 样品制作方便;b. 无损测定;c. 即时测定的,一般可在几秒至几分钟内完成一次测定;d. 可对某一变化进程进行连续测试,适用于反应动力学研究;e. 可装配在生产线上,对工艺参数进行在线控制;f. 测定精度高,重复性好[36]。但是,由于测量过程各组分(如含水量等)要求固定不变,一旦需更换被测样品的种类,则需重新设定参数,NMR法更适合测定同一组分的样品。因此此方法对于多组分的复杂样品测定仍具有局限性。

1.4 X-射线衍射法

天然淀粉以具有双折射性的半结晶颗粒形式存在,除少数几种淀粉如糯玉米淀粉和糯米淀粉外,淀粉颗粒主要由直链淀粉和支链淀粉两种高分子以一定形式排列、堆积形成具有结晶区和无定形区的颗粒[40]。原淀粉颗粒的相对结晶度在15%～45%之间[41]。晶体能对X射线产生衍射效应,利用这种衍射可以测定晶态物质在原子水平上的结构,提供详细的结构数据[41-44]。淀粉糊化在X-射线方面被定义为通过X-射线衍射测定的淀粉微晶的熔化,其中将观察到微晶完整性的破坏程度作为水分含量和温度的函数。

Arzoo等[45]利用X-射线衍射图谱中V型峰的高度来估算面包的淀粉糊化度,由于只能近似地估算,因此所得结果的准确性仍有待考察。另外,Baks等人[46]利用广角X-射线衍射法测量小麦淀粉的DSG,根据广角X-射线衍射图谱中的各特征峰参数利用公式5进行计算,XrA和XrH的计算公式如公式6、7所示。与此同时,试验还探究了广角X-射线衍射法在不同浓度下测量DSG的准确度,结果显示,广角X-射线衍射法在低淀粉浓度下测量较为准确,然而此方法高淀粉浓度下测量误差较大。因此淀粉的浓度影响广角X-射线衍射法对于DSG测量的准确性,在应用此方法测量DSG时受限于淀粉的浓度。

DSG=1-Xr

式(5)

式中:Xr可以是特征峰高(XrH)或者特征峰面积(XrA),二者之间的差异可以忽略不计。

式(7)

式中:RA=Ac/At,At为特征峰以下的总面积,Ac为特征峰以下的总面积减去基线以下的面积;RH=Hc/Ht,Ht为特征峰的高度总和,Hc为特征峰的高度减去在2θ=22.9 ℃的衍射角处的基线高度;下标n代表天然小麦淀粉,下标s代表样品。

1.5 酶法

酶法测定淀粉DSG的理论基础是利用淀粉酶对糊化淀粉和天然淀粉进行水解,根据水解产生的葡萄糖含量测定淀粉DSG。酶法测定中常用的酶有葡萄糖氧化酶-过氧化物酶、淀粉葡萄糖苷酶等。酶法测定需要配置大量相关溶液,也需要试验人员的操作熟练度,但是酶法测定DSG的结果准确,而且对于含油量不同的物质都可以进行准确测量,适合广泛使用。大多数酶法仅适用于纯淀粉,当测定含淀粉类食物的DSG时,需事先分离淀粉,而这一操作过程十分繁琐,导致最终测定结果误差很大。因此,如何开发和改进适用于测定含淀粉类食物的DSG的酶法成为近几年研究者研究的热点问题。

Nielsen[47]分别利用α-淀粉酶和β-淀粉酶水解待测纯淀粉样品,确定其产生的还原糖的量,进而根据总淀粉量和糊化淀粉量之间的关系来确定淀粉的糊化度,并对其准确性进行检验,通过酶法测量已知DSG的39个样品发现,利用总淀粉量和糊化淀粉量之间的关系来确定DSG的这个方法准确性良好。

图1 改进的酶法测定含淀粉类食品中DSG的流程图Fig.1 Schematic diagram of improved enzymatic determination of DSG in starchy foods

Liu等[11]改进并优化利用酶法测量不同种类的谷物制品中(玉米粉、大米粉、大麦粉、燕麦粉)DSG的方法,此方法最大的优势就是不需要事先进行纯淀粉的分离操作,而是直接测定各谷物粉中的糊化淀粉的含量。首先,在样品溶解过程中采用机械增溶,这一过程的目的是能够最大限度的溶解糊化淀粉而最少限度的溶解天然淀粉,然后利用淀粉酶水解样品,以确定其产生的葡萄糖的量,并根据总淀粉量和糊化淀粉量之间的关系来确定样品的DSG(具体流程如图1所示)。研究结果表明,样品前处理的最佳条件为将样品粉碎过50目筛,加水在室温下以50 r/min的转速搅拌70 min,转速,在此条件下所测定的完全糊化的各个谷物样品的DSG能够达到97%～99%左右。与此同时,后期的验证试验表明,该方法具有很强的应用性,不需要分离纯化淀粉,但对于含油量较高的加工食品来说,会导致后续测量结果的不准确,因此在此条件下的准确测量方法还有待进一步完善。

Oladele[48]利用酶法测定香蕉淀粉的体外淀粉消化程度(InvitroDegree of Starch Digestion,IDSD),研究结果发现,当淀粉加热到75 ℃以后,其IDSD的值基本上保持不变,因此认为这个温度就是香蕉淀粉的糊化温度(如图2所示);利用公式8计算出不同加热温度处理条件下香蕉淀粉的DSG。该方法可以测定含淀粉类食品中的DSG,而且误差在可控范围内,但是一旦改变所测样品种类,则需要重新绘制曲线,因此限制了该方法的使用。

图2 加热温度对香蕉淀粉体外消化程度的影响Fig.2 Effect of heating temperature on thedegree of in vitro digestion of banana starch

式(8)

综上所述,酶法作为广泛应用于测量淀粉糊化度的一种方法,其准确性以及可操作性都十分良好,不受限于所测样品的种类。而且,经过改进酶法不用分离其中的糊化淀粉和天然淀粉,就能直接测量出样品的糊化度,显著减少了试验误差。

1.6 其他方法

关于淀粉糊化度的测量方法,除了上述的差示扫描量热法、粘度法、脉冲核磁共振法、酶法等,还有一些其他不常用的方法。王春娜等[49]利用碘分光光度法来测定方便面中的DSG,并将碘分光光度法的测定结果与酶法测定的结果进行比较,发现吸光度与DSG存在线性关系,理论上可以通过建立标准曲线来得出吸光度与DSG之间的准确函数关系。但由于不同淀粉其直链淀粉和支链淀粉的含量不同,所以在对不同种类淀粉进行测定时,会产生较大的误差,而且碘的显色深浅易受样品中色素含量以及非淀粉类物质的影响,从而导致较大误差。Baks等[46]利用双折射法测量冷冻干燥的小麦淀粉溶液的DSG,将溶液转移到显微镜载玻片上,并分别在正常和偏振光下观察,试验测得出颗粒的总数(nt)和未失去极化的颗粒数(nm),其比率nm/nt可作为样品DSG的量度。该双折射法适宜在高浓度溶液下进行测量,但是测量的结果较DSC法的测量结果偏高,准确性仍有待考察。上述方法在淀粉糊化度测量方面的应用范围较窄,应用对象的选取较为单一,且测量方法尚未成熟,这些因素都限制了其在淀粉糊化度测量方面的广泛应用,故仍存在许多不足有待完善。

2 各测定方法之间优缺点

DSG测量方法优缺点的比较见表1。DSC法、粘度法以及NMR法均有较高的准确性,但对所测样品的种类及精密仪器安置环境有较为严格的要求,在测量多组分样品时,可能由于非淀粉转化(如蛋白质变性等)会导致利用DSC法测量的DSG偏高[50],所以建议在实验室条件下,使用此类方法对准确度要求较高,且已知组分的样品进行DSG测定;X-射线衍射法受限于被测样品的浓度[45],其在测定低浓度样品时准确性良好,因此可以广泛应用于微量淀粉含量样品的DSG测定;碘分光光度法不受限于精密仪器并且操作简便,但碘的显色易受样品中色素的影响而产生较大误差;酶法虽操作较为繁琐,但并不需要精密仪器,且葡萄糖氧化酶-过氧化酶体系使酶法测量更为准确[11]。

表1 不同DSG测定方法之间优缺点比较Table 1 Comparison of advantages and disadvantages between different DSG determination methods

3 结论

DSG不仅关系到含淀粉类食品的品质特性,还关系到其消化和营养特性。本文系统综述了淀粉的DSG测定方法的原理和准确性,而且将不同方法之间的准确性和简便性进行了比较,各种方法各有利弊。DSC法测量准确,但其不适用于测定多组分淀粉类食品;RVA法测定较为快速,但样品中淀粉含量不宜过大;NMR法测量精度高,样品需要量少,但受限于样品的种类,限制其广泛的应用;X-射线衍射法在测量DSG方面的开发尚未成熟,可以用来判断糊化过程是否完全,适宜对糊化过程中淀粉颗粒晶体的特性进行探究;酶法测量结果准确,不会在试验过程中产生无法避免的系统误差,所需试剂容易获得,后经改进的酶法使得测量不受限于食品种类,适合广泛使用,但操作繁琐,耗时长。综上所述,酶法是现今测定DSG最准确的方法,但是其测定程序没有统一的标准。因此,今后的研究应该继续优化和完善酶法,并在可能的条件下结合其他方法以弥补酶法的不足,以期达到快速、准确、简单易行的目的。