甘薯淀粉的结构特性、物化特性及其加工应用

马 晨，孙 健，张勇跃，钮福祥*，朱 红，徐 飞，岳瑞雪，张 毅，张文婷，王洪云

(1.江苏徐淮地区徐州农业科学研究所/江苏徐州甘薯研究中心，江苏 徐州 221131；2.河南省漯河市农业科学院，河南 漯河 462300)

甘薯(IpomoeabatatasL.)，属于旋花科甘薯属一年生或多年生块根作物，其风味独特，富含淀粉、胡萝卜素、维生素、10余种微量元素以及膳食纤维等，具有很高的营养价值和药用价值，深受国民喜爱。据联合国粮农组织统计，2019年我国甘薯种植面积为237万 hm2，产量为5199万t，居世界首位。

淀粉作为植物的贮存养料，是人类供能的主要营养物质，一般存在于谷类、植物根、茎和种子中。淀粉是甘薯的主要成分之一，约占甘薯块茎干基重的50%～80%[1]。甘薯淀粉因其产量高、价格低廉等优势，已经被广泛应用于食品生产等领域。但是甘薯品种特性各异，不同品种甘薯淀粉的基本成分、分子结构、物化特性及产品品质具有较大的差异。此外，甘薯淀粉加工行业良莠不齐，企业生产规模小、行业工业化程度低、技术工艺滞后、超剂量违法添加、耗能高污染大等问题导致缺乏产业研发创新能力，严重影响甘薯淀粉行业的现代化进程[2]。

目前，国内外致力于研究甘薯淀粉特性并将其应用于加工产业，以期开发高品质、高附加值的甘薯淀粉制品，但缺乏系统的甘薯淀粉的物化特性及应用现状的总结，因此本文综述了近年来国内外学者对甘薯淀粉的结构特性、糊化特性及功能特性等方面的研究及在食品加工行业的应用，以期为甘薯淀粉的研究及加工应用提供理论参考。

1 甘薯淀粉的结构特性

1.1 化学成分

甘薯淀粉产品中通常含有约84.30%的淀粉，2.50%～13.35%的水分，含有少量的蛋白质、脂质、磷等成分，其化学成分的含量(质量分数)详见图1[1,3-4]。这些化学成分含量虽然少，但是会影响淀粉吸水、膨胀、回生等特性。据报道，淀粉糊化过程中脂质通过与直链淀粉复合，阻碍淀粉膨胀与消化，提高结晶度[5]；同时，脂质的存在也导致淀粉糊黏度与透明度下降，稳定性提高[6]。而磷能与淀粉分子以共价键结合，因此磷的存在会增加淀粉的凝胶强度、黏度和透明度，提高粉条品质[7-8]。

1.2 淀粉的形态与组成

淀粉是由葡萄糖分子聚合而成的长链化合物，通过相互缠绕与相互作用形成淀粉粒。淀粉按照形态差异，可分为单粒淀粉、复粒淀粉和半复粒淀粉[9]。由于淀粉生物合成酶基因多样、成长环境各异，故不同物种淀粉粒形态与尺寸存在差异。甘薯淀粉的形态多呈现圆球形、类圆球形、椭圆形、半球形、多面体形且棱角分明，其粒径范围为4～50 μm[10-12]。通常淀粉的粒径越小，膨胀势和溶解度越小，消化率越高，所制粉条的质构性质越好[13]。

天然淀粉粒外层为支链淀粉，内层为直链淀粉，均由D-葡萄糖组成(图2)。直链淀粉以α-1,4-糖苷键连接而成，链长约为250～300个葡萄糖单位；支链淀粉由多个较短的1,4-糖苷键短链结合而成，每两个短直链之间的连接为1,6-糖苷键。甘薯淀粉中直链淀粉含量约为13.21%～20.11%，支链淀粉含量约为79.89%～86.79%，表明甘薯淀粉中主要为支链淀粉[14]。不同品种甘薯淀粉的直链/支链淀粉含量与结构各异，同一品种的甘薯淀粉在不同生育期、贮藏期也有差异，这也会影响淀粉的溶解性、糊化特性及加工性质。由于直链淀粉能与脂质形成双螺旋结构，与支链淀粉形成凝胶网络状结构，因此直链淀粉含量越高，淀粉糊的凝胶强度越大[15]。同时，直链淀粉含量越高，支链中A链比例越低、B1链比例越高，淀粉糊的峰值黏度、谷值黏度、终值黏度及回生值、溶解度也越高，淀粉越容易发生老化，粉条弹性越好、耐煮且不易断条[14,16-19]。此外，糊化过程中高温使支链淀粉间双螺旋结构分解，因此支链淀粉中长链越多，淀粉的溶胀性越大。

图2 直链淀粉(A)与支链淀粉(B)示意图

1.3 结晶结构

淀粉颗粒是由结晶、亚微晶和非晶中的一种或多种结构形成的天然多晶体系。结晶区由直链淀粉与支链淀粉构成，非结晶区由直链淀粉构成，亚微晶结构介于非晶结构与结晶结构之间。根据X射线衍射图谱，可以将淀粉晶型划分为A型、B型和C型。A型淀粉在2θ为15°、23°处有较强衍射峰，在17°和18°处为双衍射峰；B型淀粉在2θ为5.6°、15°、17°、20°、22°和24°处有较强衍射峰；C型衍射峰为A型和B型的叠加[20]。一般来说，C型淀粉耐消化，热力学性质稳定[21]。不同甘薯淀粉的结晶型略有差异。Paixāo[22]研究发现不同颜色薯块的甘薯淀粉呈现不同的淀粉型，白色和橙色薯块淀粉表现为CA型，黄色和紫色甘薯淀粉表现为A型。然而，Trung[23]发现白色、黄色与紫色甘薯中的淀粉均为典型的A型。Zhang[24]研究发现宁紫1号紫薯及其6个先进育种品系的淀粉为CA型。引起不同品种、不同颜色薯块的甘薯淀粉的结晶型及结晶度具有差异的原因在于甘薯淀粉结晶型受甘薯基因型、栽培区域和生长条件等因素影响。此外，淀粉结晶度也会影响淀粉热特性，结晶度越高，所需糊化温度越高，热焓值越大[25]。

2 物化特性

2.1 糊化性质

淀粉糊化是指淀粉悬浊液加热后淀粉颗粒吸水快速膨胀，变为半透明的凝胶溶液的现象。同时，伴随着淀粉晶体结构解体、双折射现象消失。淀粉糊化的实质是淀粉加热后淀粉分子间氢键断裂，淀粉分子与水分子形成新氢键，导致淀粉颗粒解体，淀粉分子离散于溶液中。淀粉糊化过程分为3个阶段：首先，少量水分子进入淀粉颗粒内部，颗粒体积膨胀不明显，此为可逆吸水阶段；然后，大量水分子进入淀粉内部，破坏淀粉内部结构，直链淀粉逸出，导致颗粒体积迅速膨胀；与此同时，淀粉溶液透明度增加且黏度上升，此为不可逆吸水阶段；最后，淀粉颗粒破碎解体，淀粉分子离散地分散于溶液，此为颗粒解体阶段[26]。通常采用快速黏度仪(RVA)测定淀粉糊化特性，RVA曲线以时间为横坐标，单位时间内黏度的变化为纵坐标。RVA曲线中包括糊化温度、峰值黏度、最低黏度、最终黏度、崩解值和回生值等(图3)。糊化温度是熟化淀粉的最低温度，反映了能量的消耗；峰值黏度是随温度上升，悬浊液变为凝胶后的最大黏度，反映了淀粉颗粒的膨胀能力；最低黏度是指由于淀粉分子间距增大，凝胶变为溶胶，引起黏度急速下降，达到最低的黏度值；最终黏度是指温度降低时，溶液由溶胶变为凝胶后稳定维持的黏度；崩解值反映了淀粉的耐剪切能力，崩解值越低，表明淀粉越耐剪切；回生值反映了淀粉的短期重排能力。

图3 糊化特性曲线

不同来源淀粉的RVA特征参数具有差异，糊化特性各不相同。对比不同来源淀粉的RVA参数，可以发现甘薯糊化温度较低，峰值黏度适中，崩解值适中，回生值较低(表1)。同时，不同品种的甘薯之间RVA特征参数也具有差异。甘薯糊化温度、峰值黏度、最低黏度、最终黏度、崩解值和回生值范围分别为73.6～82.0 ℃、5578～6475 mPa·s、820～3829 mPa·s、1650～5003 mPa·s、2634～5390 mPa·s、725～1174 mPa·s，表明加工过程中应根据产品特性选择适宜的淀粉。引起不同品种甘薯淀粉在RVA曲线的特征值具有差异的原因在于淀粉类型、结构和成分等因素会影响黏度特性。此外，淀粉的峰值黏度、谷值黏度、最终黏度、回生值等会影响粉丝的弹性。峰值黏度、最终黏度、崩解值和回生值越大，粉条的质构特性越好、断条率越低[18-19]。

表1 不同品种淀粉的糊化特性

2.2 热特性

淀粉的热特性是指淀粉颗粒糊化过程中，淀粉分子氢键被破坏而产生的热力学变化。通常用差示扫描量热仪(DSC)测定淀粉的热力学特性，DSC曲线以温度为横坐标，以单位时间内焓值的变化为纵坐标。DSC曲线中包括淀粉糊化的起始温度T0、最高温度Tp、终止温度Tc和热焓变化△H[31]。T0为凝胶化起始温度；Tp为凝胶峰值温度，表示了淀粉分子中长程有序性和短程有序性发生显著性改变的起点温度；Tc为凝胶结束温度，表示了淀粉在该温度下发生完全凝胶化[32]。△H是淀粉完全糊化所需的热量，△H越大，表示淀粉颗粒的分子间结构越致密。

由表2可得，不同品种甘薯间淀粉的DSC特征参数具有差异。甘薯淀粉糊化的起始温度、最高温度、终止温度和热焓范围分别为65.91～73.94 ℃、75.21～79.35 ℃、82.14～85.71 ℃、2.96～11.51 J/g，表明甘薯具有良好的热特性。不同品种甘薯淀粉DSC曲线的特征值具有差异的原因在于淀粉尺寸及形状、结晶度和直链/支链淀粉等因素影响糊化温度。此外，淀粉热焓变化越大，所制粉条的拉伸强度越大，弹性越好[3]。

表2 不同品种甘薯淀粉的热特性

2.3 流变特性

流变特性是指外力作用下物质发生的流动与变形性质，可以表征物质在流动下的剪切应力与剪切速率的变化关系，反映物质的加工特性。通常采用静态流变学特性和动态流变学特性来表示物质的流变特性。静态流变学特性常用来表示大分子溶液/浆在外力作用下的运动速度与阻力，指标包括表观黏度(ηa)、剪切应力(τ)、剪切速率(γ)。静态流变学特性可用来研究流体类型，通过获取剪切应力和剪切速率间关系，将流体分为牛顿型流体和非牛顿型流体。动态流变学特性(动态粘弹性)指在交变的应力作用下物质表现出来的力学响应规律，可以反映流体的动态粘弹性，主要用于研究半固体物质(如凝胶等)的流变特性，指标包括复合黏度(η*)、弹性模量(G′)、黏性模量(G″)和损失因子(G″/G′)。弹性模量是外力作用下的物质形变程度；黏性模量是外力作用下的阻碍物质流动的特性[33]。

经流变特性分析，甘薯淀粉是典型的非牛顿型流体，具有剪切变稀和复合触变性；在静态流变特性中，甘薯淀粉糊的剪切应力随剪切速率增大而逐渐增大，表现出剪切稀化(切力变稀)现象，为假塑性流体；而在动态流变特性中，G′始终大于G″，表明体系以弹性性质为主，呈现典型的弱凝胶体系[15]。然而，不同淀粉的流变特性各异，淀粉的流变性受淀粉的种类、颗粒大小、化学组成、分子结构、分子间的相互作用等影响[34]。Zeng等[35]对比了玉米淀粉和大米淀粉的流变性，两种淀粉在线性粘弹性区域内，G′远大于G″，表明淀粉凝胶表现出更多的凝胶或固体性质；相较于玉米淀粉，大米淀粉凝胶由于颗粒较小而难以膨胀变形，因而具有更高的机械强度以及更好的流变性能。孟杰等[36]发现淀粉结构会影响流变特性，淀粉结构越致密，弹性模量G′、黏性模量G″和损失因子越大。Ye等[37]分析发现淀粉的结构特征的差异(特别是淀粉颗粒大小)影响了甘薯淀粉的流变性能。

2.4 溶解度和膨胀度

溶解度和膨胀度是淀粉的基本性质，也是食品加工中的重要性质，反映了淀粉和水的相互作用程度。淀粉的溶解度是指淀粉颗粒吸水膨胀后，直链淀粉溶出分散在水中的程度，反映了淀粉的溶解特性。而膨胀度是指淀粉颗粒吸水后膨胀的程度，反映了淀粉的吸水特性。

由表3可知，甘薯淀粉在不同温度下的溶解度与膨胀度的范围分别是0.34%～13.89%、1.84～21.28 g/g[38]。甘薯淀粉糊加热后，淀粉颗粒大小及形状、结晶度、直链/支链淀粉、支化度、直链淀粉与脂质形成的复合物均会影响淀粉的溶解及吸水膨胀[39]，这也解释了为何不同甘薯淀粉具有差异性。同时，外界温度与外源物质添加等环境因素亦影响淀粉糊的溶解度及膨胀度。例如亲水性胶体能减轻淀粉对水的吸收，增强淀粉分子间的连接作用力，从而促进淀粉颗粒的膨胀。此外，淀粉溶解度和膨胀势会极大地影响粉条的品质。溶解度越小，粉条的质构特性、弹性越好；膨胀度越大，粉条的烹煮品质越好；膨胀度越小，复水时水分含量越低，粉条咀嚼性越好[19]。

表3 不同温度下甘薯淀粉的溶解度与膨胀度

2.5 消化特性

淀粉的消化特性反映了小肠对淀粉的消化吸收能力，通常用体外消化率评价淀粉的消化特性。根据淀粉在肠道内的消化速率，将淀粉划分为三类：在小肠内快速消化(0～20 min)的快消化淀粉(RDS)、缓慢但完全消化(20～120 min)的慢消化淀粉(SDS)以及不消化的(>120 min)抗性淀粉(RS)[40]。在消化过程中，RDS促使血糖快速上升，SDS缓慢消化以持续供能，而RS则在大肠中很难消化。因此，RS具有调节血糖、血脂、肠道菌群的功能，在未来发展中具有重大发展潜力[41-42]。

不同来源的淀粉消化特性各异，反映了不同的颗粒性质和分子构象特征[43]。由表4可知,甘薯的RDS、SDS以及RS范围分别为9.83%～11.34%、2.27%～3.99%和84.67%～87.90%，表明甘薯淀粉具有较高比例的慢消化淀粉以及抗性淀粉，且水解率较低。部分学者认为淀粉消化特性取决于淀粉比例及结构、直链淀粉含量、淀粉分子精细结构(颗粒大小)、残留的蛋白及脂质[37,44]。然而Zhou等[45]则认为直链淀粉含量与快消化淀粉含量无关。造成结论不一致的原因可能是大多数研究均是比较不同基因型甘薯淀粉，而不同甘薯淀粉的性质各异使淀粉直链淀粉含量与消化性之间的关系变得复杂。

表4 不同淀粉的消化特性

3 甘薯淀粉在食品加工业的应用

甘薯淀粉是甘薯加工的主要产物，在食品行业中应用广泛。但是甘薯加工准入门槛低、产品价位较高，故“三粉”(淀粉、粉条/粉丝、粉皮)仍旧是甘薯淀粉的主要加工形式。此外，甘薯淀粉黏度高、回生快，所得甘薯“三粉”透明度好、成膜性高、爽滑筋道、耐煮性好，深受国人喜爱。然而，甘薯淀粉加工行业良莠不齐，存在生产企业规模小、行业工业化程度低、技术工艺滞后、违法添加、耗能高、污染大等问题，对甘薯淀粉产业发展提出了极大的挑战，因此淀粉生产企业的整改迫在眉睫[2]。

3.1 甘薯淀粉的研究现状

甘薯淀粉提取方法可分为两种：一种是采用鲜甘薯直接提取，适用于甘薯产地加工；另一种是采用薯干为原料提取，适用于工厂加工。然而以薯干为原料提取淀粉工艺复杂、成本高，故常采用鲜甘薯提取淀粉。提取淀粉常采用酸浆法、旋流法等，规模化生产多采用旋流法[48]。

目前，研究者不仅专注于提高甘薯淀粉提取率、减少污染与损耗，而且还将甘薯淀粉加工为粉条、粉丝、粉皮等方便速食产品。但是甘薯淀粉加工仍然存在提取率低、产品单一与品质缺陷等问题，为此国内外做了大量研究来改善甘薯淀粉工艺与生产中的问题。为提高甘薯淀粉提取率与减少损耗，张静等[49]采用超声辅助胶体磨与螺杆压榨机在不加水下鲜榨甘薯，从薯汁和薯渣分离提取淀粉，与传统提取工艺相比将淀粉提取率提高了7.32%，并减少了废水量。王丰等[50]开发了基于逆向萃取粉溶滚筒浸提式设备，极大提高了提取率与减少了用水量与废渣排放。然而天然甘薯淀粉在生产中存在一些局限，为此研究者采用超高压微射流、高功率超声、压热-冻融循环等方法处理淀粉，处理后的淀粉不仅具有优秀的加工品质,而且还具备多种生理功效[46,51]。肖瑀等[52]利用复合酶法处理甘薯淀粉，处理后的甘薯淀粉具有高比例短链和高分支密度的簇状结构，且溶解度明显提高。Jong等[10]采用湿热法处理甘薯淀粉，制备高比例慢消化甘薯淀粉并优化工艺条件，慢消化淀粉产量最大化(50.9%)的湿热法条件为：113 ℃、含水量22.8%、处理时间8.6 h。此外，甘薯淀粉的安全生产是另一研究热点。欧阳爱国等[53]结合太赫兹光谱技术探索了甘薯淀粉中明矾含量快速检测方法，该方法可以快速精确定量分析甘薯淀粉中明矾含量，为监控淀粉安全提供了有力保障。

3.2 甘薯粉条(粉丝)的研究现状

粉条(粉丝)是传统的淀粉凝胶制品，甘薯淀粉具有独特的高黏特性，所制粉条(粉丝)品质优良，口感爽滑筋道，深受亚洲人民喜爱。但并不是所有品种的甘薯都适合做甘薯粉条，经研究后发现卢选1号、商19等品种制作的粉条品质更高[18]。在粉条(粉丝)生产过程中，把控生产步骤与优化工艺十分重要。为此，范会平等[54]与Lee等[55]分别研究了加工过程中的冷冻条件与涂布方式对粉条品质的影响，并优化生产工艺从而提升粉条的品质。廖彪等[56]也向甘薯淀粉中添加富硒水、魔芋精粉优化粉条生产工艺，制得的粉条富含弹性、硒含量高。

随着生活节奏加快，传统粉条(粉丝)因需要长时间煮沸熟化而无法满足人们对食品方便、快捷的需求，为此邹光友等研发了方便速食粉丝，并采用新工艺生产不含明矾的粉丝，所制的粉丝安全、卫生[57]。随后颜明霞等[58]基于响应面法以淀粉量、水分含量、微波功率、微波处理时间为单因素，以感官评价为评价指标优化了方便粉丝工艺条件，所制粉丝透明度、黏性、硬度和弹韧性好。

由表5可知，传统粉丝与方便粉丝在加工工艺、食用特点等方面各具特点[57]。然而无论是传统粉丝，还是方便粉丝，其制作均利用了淀粉糊的凝胶特性(糊化、回生)，而凝胶的粘弹性及强度会影响粉丝品质，因此淀粉的结构特性和物化特性与甘薯粉丝的品质密切相关。但是研究者所得的淀粉特性与粉丝品质关系的结论并不一致，谭洪卓等[19]认为直链淀粉含量、淀粉黏度及回生参数显著影响粉丝品质，可作为预测粉丝品质的重要指标；Chen等[59]则认为甘薯粉丝品质并不完全受直链淀粉含量的影响，淀粉颗粒的尺寸对其品质影响更大。此外，为了改进粉条(粉丝)的品质，研究者向甘薯淀粉中添加魔芋胶[60-61]、沙蒿胶[62]、紫薯全粉[3]、蔬菜汁[63]等改良剂，或用超声[64]、湿热[8]等方法改性甘薯淀粉，结果表明这些手段均可不同程度改善粉条(粉丝)的烹煮和质地特性。

表5 传统粉丝与方便粉丝对比

3.3 甘薯粉皮的研究现状

淀粉凝胶制品在我国具有悠久历史，粉皮是其中典型代表之一。粉皮的加工原料主要为薯类、谷类、豆类，其中以甘薯为原料的粉皮颜色银白光洁、半透明、抗溶化、韧性强、不易折碎、口感爽滑，是最具代表性的粉皮之一。

在传统甘薯粉皮生产过程中往往会添加明矾改善粉皮品质，但是明矾中含有铝元素，影响人体健康。鉴于此，20世纪初我国严禁向粉皮中添加明矾。但禁止向粉皮中添加明矾，会影响粉皮的生产加工品质。为了改善粉皮品质、寻找明矾替代品，王柳雄等[65]和张龙等[66]尝试将卡拉胶、瓜尔豆胶和海藻酸钠等多糖和蛋白类稳定剂加入粉皮中，研究发现这类稳定剂可以改善粉皮的凝胶和持水性能，提高感官品质。邢燕等[67]则选择天然绿色的糯米粉作为替代品，添加糯米粉制成的粉皮同样具有硬度适中、持水能力、拉伸性能、口感良好的优点，且更为绿色健康。

添加外源物质可以提高粉皮品质，但更为重要的影响因素是淀粉自身结构与特性。只有探明何种淀粉生产的粉皮具有更优良的品质，才能高效地、靶向地优化淀粉的分子结构与特性。经研究，具有高直链淀粉的粉皮干硬、持水能力差，而低直链淀粉的粉皮易糊化、耐煮性能差，因此要选用合适支直比的淀粉生产粉皮[67-68]。

3.4 其他

在食品加工业中，甘薯淀粉除了用于加工“三粉”外，甘薯淀粉也可作为增稠剂、保水剂、稳定剂等来改善食品体系的持水性、保水性、黏度，以提高食品的贮藏特性[69]。

4 展望

综上所述，甘薯淀粉具有黏度高、回生快与热特性稳定等优良加工特性，目前甘薯淀粉加工的主要形式仍为“三粉”。现阶段我国甘薯淀粉加工产业面临品种差异、工艺技术、法律法规、绿色环保等诸多层面的挑战，所以在以后的研究中我们应该分类研究不同品种甘薯淀粉的结构特性、物化特性及功能特性，筛选不同加工适宜性的甘薯淀粉，研发不同类型甘薯淀粉加工产品。同时，借助高新技术改善甘薯淀粉品质，生产具有优良特性的甘薯淀粉及其制品也将是未来重点研究方向。此外，应将甘薯淀粉研究与加工产业密切联系起来，促进成果转化，从而推动甘薯淀粉加工产业的现代化进程。