膳食纤维对淀粉性质的影响研究进展

王磊鑫 吕莹果 吴娜娜 谭 斌 姜 平

(河南工业大学粮油食品学院1，郑州 450001)

(国家粮食和物资储备局科学研究院2，北京 100037)

淀粉是仅次于纤维素的来源广泛的可再生资源[1]，其广泛应用于米面制品等食品的加工中。但天然淀粉本身存在水溶性差、乳化能力和凝胶能力低、易老化回生、稳定性不足等缺点[2]，使其应用范围受到限制。研究发现，与膳食纤维复配可以有效弥补天然淀粉的缺点[3]。

膳食纤维由两部分组成[4]，一部分是不溶性的植物细胞壁材料，主要是纤维素与木质素；另一部分是非淀粉的水溶性多糖，主要包括阿拉伯木聚糖、β-葡聚糖、甘露聚糖和果胶多糖等。膳食纤维不仅有降血脂、调节血糖、润肠通便、控制体重、预防结肠癌的发生等生理功能[5]，还可使淀粉的保水性、热特性、流变、质构和其他物理化学特性的变化[6]。近年来，膳食纤维与淀粉之间的相互作用备受研究者的关注。一方面，将膳食纤维作为功能成分添加到食品中，不仅可以提高食品的营养价值，还可以进一步优化人们的膳食结构，有效降低慢性病的发病率；另一方面，在淀粉基食品中，淀粉易受膳食纤维的影响，使淀粉的性质发生改变，进而影响食品的品质。因此，越来越多的学者开始探究膳食纤维对淀粉性质的影响。

本文综述了膳食纤维对淀粉糊化性质、流变学特性、冻融稳定性以及其他性质影响的研究进展，为膳食纤维与淀粉在食品工业中的应用及品质控制提供参考。

1 膳食纤维对淀粉糊化性质的影响

通过加热为淀粉分子提供足够的能量，破坏了结晶胶束区弱的氢键后，淀粉颗粒开始水合和吸水膨胀，结晶区消失，大部分直链淀粉溶解到溶液中，溶液黏度增加，淀粉颗粒破裂，双折射消失，这个过程称为糊化[4]。糊化性质是淀粉最重要性质之一，淀粉的糊化程度影响食品的储藏性质、消化率等[4]。近年来，许多学者研究了膳食纤维对淀粉糊化性质的影响，这种影响作用因膳食纤维和淀粉的种类不同而有所差异，这主要取决于膳食纤维和淀粉的结构特征、膳食纤维的添加量以及环境因素，其中结构特征包括化学组成、聚合度、带电性质等。

1.1 膳食纤维分子质量的影响

膳食纤维分子质量大小是膳食纤维对淀粉糊化性质影响的重要因素。研究表明，β-葡聚糖能显著提高淀粉的黏度值，这是由于β-葡聚糖自身具有的增稠特性和淀粉颗粒溶胀产生的增稠作用，且分子质量大的β-葡聚糖对其影响程度较大[7-8]。添加大分子质量(27.8 ku)大豆可溶性膳食纤维可提高大米淀粉的峰值黏度和终值黏度，而小分子质量(9.3 ku)大豆可溶性膳食纤维则降低了淀粉的终值黏度，对峰值黏度无明显影响，这可能是由于分子质量大小不同的膳食纤维自身黏度有所差异[9]。大分子质量海藻酸钠对高直链玉米淀粉的增稠作用更强[10]，但大分子质量果胶的添加却降低了玉米淀粉的黏度值，这是由于果胶能包裹淀粉颗粒，阻止了直链淀粉从其颗粒中渗出，使淀粉更难糊化，从而降低淀粉的黏度值[11]。或许也是由于直链淀粉的浸出量随玉米纤维胶分子质量的增加而减少，添加大分子质量玉米纤维胶的玉米淀粉的峰值黏度也有所降低[12]。Wang等[13]研究发现在大米淀粉中加入菊粉提高了淀粉的糊化温度，降低了淀粉的峰值黏度、终值黏度、崩解值等黏度指标，且较低聚合度的菊粉对淀粉的黏度指标影响较大，这是因为它具有更高的吸湿性，更能阻止水分进入淀粉颗粒的无定形部分来影响淀粉的糊化。与高聚合度菊粉相比，低聚合度菊粉更能降低小麦淀粉的糊化焓，一方面是由于菊粉的糊化焓低于小麦淀粉，另一方面可能是因为分子质量小的菊粉更易于进入淀粉分子内部，影响淀粉颗粒结晶区的双螺旋结构[14]。此外，低分子质量的分支界限糊精能降低玉米淀粉和糯玉米淀粉的糊化焓，可能与水分利用率降低、淀粉颗粒结晶区部分糊化以及分支界限糊精-淀粉相互作用的影响减弱有关[15]。

1.2 膳食纤维添加量的影响

研究表明，膳食纤维对淀粉糊化性质的影响具有很大的浓度依赖性，如玉米淀粉和小麦淀粉的糊化温度随细菌纤维素原纤维添加量的增加而降低且在添加量最大(10%)时使其降低了20 ℃[16]。黄原胶或瓜尔豆胶可以增大玉米淀粉的黏度值，且均在1.0%添加量时得到最高的峰值黏度和终值黏度[17]。较低添加量(0.5%和1%)的果胶降低了玉米淀粉的峰值黏度，而较高添加量(>2%)的果胶使玉米淀粉的峰值黏度增加，并在添加量为10%时获得最大峰值黏度值[3]，在玉米淀粉中添加羧甲基纤维素、魔芋葡甘聚糖(KGM)也呈现类似的黏度变化趋势[18]。果胶能够阻止直链淀粉从其颗粒中渗出，使黏度降低，而增大果胶浓度则使果胶渗入淀粉连续相中，提高了淀粉黏度值。与果胶降低淀粉黏度的机理类似，阿拉伯胶也能降低木薯淀粉的糊化峰值黏度，但不同的是随着阿拉伯胶浓度从0.1%增加到1%，淀粉的峰值黏度仍然逐渐下降[19]。Ma等[20]也发现高浓度KGM能够增大玉米淀粉的峰值黏度，这可能有三方面原因：一是由于糊化过程中淀粉颗粒的膨胀使KGM的可及体积减小，黏度增加；二是KGM与淀粉竞争水分子而使黏度增大；三是KGM与浸出直链淀粉、低分子质量支链淀粉之间形成了相互作用。由于胶(膳食纤维)自身具有的增稠特性，从Yanang叶中提取的膳食纤维胶体在胶(膳食纤维)和水比例为1∶3或1∶4的条件下能显著提高糯米淀粉的峰值黏度[21]。而牛飞飞等[22]研究发现，马铃薯淀粉的峰值黏度随着胡萝卜膳食纤维的添加量的增加而降低，且粒径越小，峰值黏度越低。此外，玉米、高粱淀粉中添加从黄花稔中提取的膳食纤维胶体后，其崩解值和回复值较低，终值黏度在最低浓度(0.1%)时较高[23]，而添加0.2%从凤凰木种子中提取的膳食纤维胶体可显著降低木薯、玉米淀粉的峰值黏度，这是由于膳食纤维-淀粉体系的颗粒结构更加紧密所致[24]。

1.3 膳食纤维带电性质的影响

一些淀粉或其衍生物溶液电离会产生电荷，由于静电相互作用的存在，使带不同电荷的膳食纤维对其糊化性质的影响有所差异。带有电荷的膳食纤维通常是由羧基或硫酸酯基电离而产生的负电荷，它们具有伸展构型和更大体积，因此倾向于通过防止静电排斥而使膳食纤维与淀粉结合，产生稳定的体系，并使体系具有更高的黏度，而中性膳食纤维有缔合和部分结晶的倾向[25]。黄原胶、阿拉伯胶带负电荷，能使阳离子型淀粉易于糊化，而使阴离子型淀粉难以糊化，如黄原胶能够提高马铃薯阳离子淀粉的黏度值而降低了马铃薯淀粉、马铃薯磷酸酯淀粉的黏度值[26]。而瓜尔胶显中性，对阴离子型木薯淀粉糊化性质的影响效果与天然木薯淀粉相似[27]。又如，在玉米磷酸酯双淀粉中，阴离子胶(羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、卡拉胶)降低了淀粉的峰值黏度，而阳离子胶(壳聚糖)则使淀粉的峰值黏度显著增加[28]。当带负电荷的淀粉溶液与阴离子胶一起加热糊化时，降低峰值黏度的可能原因是抑制了颗粒的破裂和直链淀粉的浸出或是由于浸出的直链淀粉分子和胶体之间的相互作用[19]。膳食纤维与淀粉之间的相互作用依赖于膳食纤维与淀粉之间的结构相容性或分子相互作用，而在壳聚糖-玉米淀粉体系中壳聚糖似乎不与直链淀粉结合，也可能发生相分离，从而影响淀粉的糊化性质[18]。

1.4 膳食纤维-淀粉体系中淀粉结构对其相互作用的影响

膳食纤维通过与淀粉之间的相互作用对淀粉的糊化性质产生很大的影响[25]，这种效应取决于很多因素，其中淀粉的结构是一重要因素。即使同一品种的淀粉，因其结构的差异，膳食纤维对其糊化程度的影响也不同。Feng等[29]研究发现，同一凉粉草胶添加量的条件下，凉粉草胶-薯类淀粉体系的峰值黏度显著高于谷物淀粉、豆类淀粉。薯类淀粉因含有磷酸基团而带有负电荷，链之间产生相当大的斥力，且薯类淀粉的粒径比较大，一般较大的淀粉颗粒内部结构比较疏松[1]，所以薯类淀粉具有很好的膨胀效果，表现为高的峰值黏度。而在薯类淀粉中添加海藻酸钠，马铃薯淀粉的峰值黏度增加程度高于甘薯淀粉，这可能是由于马铃薯淀粉中的磷酸基团含量高于甘薯淀粉，导致马铃薯淀粉中的磷酸基团与海藻酸钠中的羧基发生了较强的相互作用[30]。马铃薯淀粉的峰值黏度变化程度与磷含量呈显著正相关[31]。海藻酸钠也能不同程度地增加高直链玉米淀粉、普通玉米淀粉及蜡质玉米淀粉的糊化温度，且糊化温度：海藻酸钠-高直链玉米淀粉>海藻酸钠-普通玉米淀粉>海藻酸钠-蜡质玉米淀粉[32]。直链淀粉分子间的结合力比较强，难糊化，含直链淀粉高的淀粉颗粒糊化温度也高，有的高直链淀粉在测试过程中甚至不能完全糊化[33]，使得海藻酸钠对不同直链淀粉含量的淀粉糊化性质的影响有所差异。Weber等[34]发现瓜尔胶和黄原胶对普通玉米淀粉糊化性质的影响也大于蜡质玉米淀粉，可能是由于胶体与溶出的直链淀粉通过氢键产生了相互作用。膳食纤维对籼米淀粉、粳米淀粉糊化性质影响程度比糯米淀粉大，这可能是由于糯米淀粉含有更多的支链淀粉，黏度较大，所受膳食纤维的影响就较小[35]。类似地，细菌纤维素原纤维使糯玉米淀粉黏度增加幅度低于小麦淀粉、玉米淀粉[16]。

1.5 膳食纤维-淀粉体系中环境因素对其相互作用的影响

一般而言，膳食纤维-淀粉体系通常与许多食品配方中的其他成分共存，如糖、盐和酸等，也能使膳食纤维对淀粉糊化性质的影响发生变化。研究发现，黄原胶能防止柠檬酸诱导木薯淀粉的分解，提高黄原胶-木薯淀粉体系在酸溶液中的稳定性，从而增大其峰值黏度和终值黏度[36]。糖类和盐类的存在会与亲水膳食纤维竞争水分子，从而改变膳食纤维对淀粉糊化性质的影响，但盐类的影响主要体现在其电荷效应。在盐存在的情况下，黄原胶-大米淀粉的峰值黏度和终值黏度增大，这是由于阳离子降低了分子间的排斥力并促进了黄原胶的网络形成，且相同浓度的二价阳离子(Ca2+)产生更大的影响；而由于瓜尔豆胶属于非电解质，盐对瓜尔豆胶-大米淀粉的糊化性质的影响较小[37]。Hong等[36]还发现离子型胶体-淀粉体系的糊化性质主要受胶体-盐相互作用的影响，而非离子型胶体-淀粉体系的糊化性质主要受淀粉-盐相互作用的控制。盐离子还能破坏淀粉分子之间以及KGM与莲藕淀粉之间的氢键，阻碍淀粉分子的重排，从而降低回复值[38]。此外，羧甲基纤维素在盐的存在下提高了小麦淀粉的峰值黏度[39]，但在酸性pH条件下，羧甲基纤维素结构中的羧基被抑制电离，使黏度降低[4]。

2 膳食纤维对淀粉流变学性质的影响

流变学性质是淀粉重要性质之一，对食品的运输、传送、加工工艺及人在咀嚼食品时的满足感等都起着非常重要的作用。流变学实验有两种，一种是静态流变学实验，主要参数有稠度系数K和流体指数n；另一种是动态流变学实验，主要参数有储能模量(G′)、损耗模量(G″)和损耗角正切值(tanδ)。一些膳食纤维对淀粉流变学性质的影响见表1。由表1可以看出，不同膳食纤维对不同淀粉流变学性质的影响不同，这可能与膳食纤维和淀粉的种类有关。

不同种类的膳食纤维和淀粉因结构的差异而具有不同的特性，从而决定膳食纤维对淀粉流变学性质的影响。羧甲基纤维素(CMC)是水溶性膳食纤维，而微晶纤维素(MCC)不溶于水，两者因性质差异而对小麦淀粉(WS)的流变学性质产生不同程度的影响。在低浓度(CCMC≤4%，CMCC≤6%)下，CMC和MCC相当于稀释剂，阻断直链淀粉的聚集；在高浓度(CCMC≥6%，CMCC≥8%)下，未水化的CMC链段通过缠结与直链淀粉发生相互作用，从而限制了分子的流动性，同时分散在直链淀粉周围的水化CMC链干扰着直链淀粉网络结构的形成，而只有少量的无定形区域和结晶表面的MCC链段与直链淀粉发生相互作用(图1)[49]，从而影响淀粉糊/凝胶的粘弹性能。

3 膳食纤维对淀粉冻融稳定性的影响

随着社会的发展和人们生活节奏的加快，速冻食品的需求量大大增加，冻融稳定性直接影响淀粉基速冻食品的储藏和品质，常用析水率作为评判冻融稳定性的指标[50]。淀粉冻融稳定性和老化程度相关，老化程度越小，则析水率越小，冻融稳定性越好[51]。Ye等[52]发现菊粉能显著降低大米淀粉凝胶的析水率，有效地提高大米淀粉凝胶的冻融稳定性(图2)。

表1 膳食纤维对淀粉流变学性质的影响

注：SSDF为大豆可溶性膳食纤维。

图1CMC、MCC与小麦淀粉之间的相互作用示意图[49]

图2菊粉提高大米淀粉凝胶冻融稳定性的潜在机理示意图[52]

图3 冻融循环次数对魔芋葡甘聚糖-大米淀粉凝胶微观结构的影响[56]

在淀粉基食品体系中，膳食纤维的添加能限制分子的流动性和冰晶的形成，显著提高了淀粉糊和淀粉凝胶的冻融稳定性，即使是在几次冻融循环后，凝胶硬度增加适度，仍能保持平滑，所以膳食纤维多被用作冷冻稳定剂[25]，如在菜豆淀粉中的β-葡聚糖、瓜尔豆胶、果胶、黄原胶[53]、大米淀粉中的细菌纤维素[54]。但大豆可溶性多糖却降低了葛根淀粉、莲花淀粉的冻融稳定性，可能是由于大豆可溶性多糖与两淀粉的直链淀粉分子不相容[55]。

膳食纤维的聚合度、添加量、冻融循环次数以及环境条件是膳食纤维对淀粉冻融稳定性影响的重要因素。研究发现，低聚合度的菊粉具有更高的持水性，在降低大米淀粉凝胶的吸水性方面更有效，聚合度越低越能提高大米淀粉凝胶的冻融稳定性[52]。Charoenrein等[56]发现0.5%KGM能延缓具有海绵状结构的大米淀粉凝胶引起的结构变化，更有效地提高淀粉凝胶的冻融稳定性，而且由图3可以看出KGM在第一次冻融循环后有效地稳定了淀粉凝胶的微观结构，但在连续冻融循环后失去了稳定能力，出现了较大孔隙，但淀粉凝胶周围的基质比未添加KGM的较强。不同环境条件下膳食纤维对淀粉冻融稳定性的影响有所差异，如黄原胶在pH值为7的条件下对木薯淀粉冻融稳定性的影响最大，混合体系最稳定，而在酸性条件下(pH=3)形成了较大的冰晶，破坏了黄原胶-木薯淀粉网络结构，从而增加了5次冻融循环后的析水率[57]。

4 膳食纤维对淀粉其他性质的影响

膳食纤维影响淀粉的形态结构特性。研究发现，壳聚糖使蜡质玉米淀粉粒径分布范围明显增大，且使淀粉最大颗粒粒径几乎扩大了3～4倍[58]。这可能是壳聚糖良好的成膜性使许多淀粉颗粒黏结在一起，外表面覆盖一层薄膜。而玉米纤维胶对小麦淀粉颗粒结构有一定的浸出抑制作用，能够使淀粉颗粒糊化后形态清晰[12]。Zhou等[59]研究了添加黑木耳多糖的山药淀粉在4 ℃储存24 h后的凝胶微观结构，发现随着多糖含量的增加，凝胶显示出更牢固的交联网络结构，当混合比增加到5.2/0.8时，孔隙周围的基质更厚、更具弹性。这可能是由于黑木耳多糖具有梳状支化结构和在水溶液中的刚性链构象，表现出良好的水溶性、高黏度和较宽温度范围内的强热稳定性等独特特性[60]。

此外，膳食纤维还对淀粉的凝沉性、溶解度、膨胀度等理化性质有所影响。研究表明，豆渣膳食纤维降低了马铃薯淀粉的透明度、膨胀度和凝胶强度，增强了淀粉的凝沉性[61]，这可能与豆渣膳食纤维的性质有关。豆渣膳食纤维几乎不溶于水且不透明，它的加入使体系的浊度增加，从而降低了透明度。另外，豆渣膳食纤维的吸水性较强，会和淀粉竞争结合水，降低了淀粉与水相互作用的机会，并能破坏淀粉分子之间的网络结构，降低体系的稳定性，使膨胀度和凝胶强度降低、凝沉性增强。Zhou等[59]发现黑木耳多糖能显著增加山药淀粉的膨胀度、溶解度和平均体积直径，而浸出直链淀粉含量则随黑木耳多糖含量的增加而降低。这可能是由于黑木耳多糖对淀粉颗粒表面施加剪切力或渗透压，使颗粒吸水量增加，从而使淀粉更易于溶解膨胀，而多糖又通过氢键与淀粉之间产生了强相互作用，降低了混合体系中游离直链淀粉的含量。

6 总结与展望

膳食纤维和淀粉的种类、结构是影响淀粉性质的重要因素。这些因素一方面改变了淀粉的吸水性，进而影响了淀粉的性质；另一方面，不同膳食纤维添加到不同淀粉中，也改变了淀粉分子之间、淀粉与水分子之间的相互作用，破坏了淀粉分子之间的三维网络结构，使得膳食纤维与淀粉之间形成氢键或静电，进而影响了膳食纤维与淀粉之间的相互作用。这说明膳食纤维对淀粉性质的影响不仅与膳食纤维和淀粉自身的性质有关，还与两者之间的相互作用密切相关。

目前，绝大多数研究者是利用基本测定手段来表征膳食纤维对淀粉性质的影响，处于影响机理初探阶段，而今后应该更多地从分子层面来探究膳食纤维与淀粉之间的作用机理。