燕麦淀粉的制备及物理改性研究进展

李超敏，孙永军，鞠文明，仇 菊，曹汝鸽*

（1.天津科技大学食品科学与工程学院,食品营养与安全国家重点实验室,天津 300457；2.好当家集团有限公司,山东 荣成 264305；3.中国农业大学营养与健康系,北京 100083）

燕麦属禾本科谷物，主要包括皮燕麦（Avena sativa L.）和裸燕麦（Avena nuda）两种[1]。我国主要种植裸燕麦，主要分布于内蒙古、山西、河北等地区，其中内蒙古地区种植面积居首位[2]。裸燕麦中蛋白质、脂肪、矿物质成分总量及不饱和脂肪酸含量均居粮食作物之首[3]，其水溶性膳食纤维β-葡聚糖更是公认的功能因子[4]。

淀粉是燕麦中最丰富的成分，约占50%～65%[1]。燕麦淀粉颗粒表面光滑、直链淀粉链长小、相对结晶度较高[5]，具有较好的溶水性和膨润力，这使得燕麦淀粉与其他谷物淀粉相比具有一定的独特性，有利于其在常温条件下的加工。然而，天然燕麦淀粉在食品中的应用通常伴随着其低热稳定性、糊状透明度和抗剪切性以及高糊黏度的问题[6]，为解决这一问题，目前主要是通过物理改性、化学改性、生物改性等对燕麦淀粉进行改性处理。物理改性因其简单、经济、环保和安全性，成为改善淀粉性质的首选方法[7]。如图1 所示，本文综述了燕麦淀粉的提取、结构特点、理化性质及物理改性方面的最新研究进展。

1 燕麦淀粉的提取方法和结构、理化性质

1.1 燕麦淀粉的提取方法

图2 为燕麦籽粒的内部剖面结构。燕麦淀粉存在于燕麦粒的胚乳中，被蛋白质和纤维所包围，与麸皮等其他成分紧密相连[8]，因此燕麦淀粉的提取过程较为困难和复杂。燕麦淀粉的产量受不同品种燕麦中蛋白质含量和提取方法的影响，通常蛋白质含量高的燕麦淀粉产量较低[9-10]。从燕麦中提取淀粉主要有3 种方法，即碱提取法、酶提取法和水提取法。

图2 燕麦籽粒剖面结构Fig.2 Profile structure of oat grain

1.1.1 碱提取法

相较于其他谷物淀粉，燕麦淀粉和蛋白的结合较为疏松，因此分离燕麦淀粉不需要强碱条件，只需要稀碱就能达到分离淀粉和蛋白质的目的。并且稀碱对燕麦蛋白营养价值和功能特性破坏较小，同时对环境污染也较小[11]。碱提取法易使蛋白质和淀粉分离，且所得淀粉颗粒粒度较小。但该法对淀粉颗粒的破坏程度较大，使其表面出现凹坑并变得粗糙[12]；同时所得燕麦淀粉的溶解度较小、糊化温度较高，冻融稳定性、热糊稳定性均较差，且衰减值和回生值较大，更容易老化[13]。

1.1.2 酶提取法

酶提取法所用的酶是蛋白酶和纤维素酶，蛋白酶能减弱淀粉和蛋白质之间的作用力，纤维素酶能够消化和破坏完整的细胞壁，从而将淀粉分离出来[9,12,14]。酶法提取得到的燕麦淀粉颗粒形状较为完整，颗粒表面出现的凹坑和破损较少，破损淀粉含量也较低，因而对淀粉颗粒的破坏程度较小。同时，用于水解蛋白质的中性蛋白酶不会破坏淀粉与脂肪的结合，因此酶法提取的燕麦淀粉存在一定量的直链淀粉-脂类复合物淀粉[12]。

1.1.3 水提取法

水提取法是在高剪切速率条件下，通过浸泡时湿润和水解的作用，降低淀粉和蛋白之间的作用力，使得两者容易分开以提取淀粉[12,15]。水提法对淀粉品质的影响较小，得到的淀粉颗粒中球形颗粒所占比例明显较大，且淀粉颗粒表面塌陷程度较低。该法得到的淀粉回生值较小，因此得到的燕麦淀粉抗老化能力较强，热稳定性较好[16]。表1 总结了燕麦淀粉不同提取方法和条件。

表1 燕麦淀粉的提取Tab.1 Extraction of oat starch

1.2 燕麦淀粉的结构

1.2.1 微观结构

大多数燕麦淀粉具有多边形或不规则形状[23-24]，这是由于燕麦淀粉颗粒成簇形成，其中团簇外层的颗粒一侧为卵形，而另一侧为多边形[25]。这些团簇的直径范围为20～150 μm，平均为60 μm[10]。颗粒表面光滑，无裂缝痕迹以及孔洞。

1.2.2 分子结构

燕麦淀粉主要由直链淀粉和支链淀粉构成，主要成分是高度分支化的支链淀粉[26]。燕麦的直链淀粉含量一般范围为19.4%～29.4%，是由α-D-葡萄糖通过α-D-1,4 糖苷键连接成的线性链状分子，呈右手螺旋结构[27]。支链淀粉分子各葡萄糖单位之间以α-1,4 糖苷键连接构成它的主链，支链通过α-1,6 糖苷键与主链相连，分支点的α-1,6 糖苷键占总糖苷键的5%～6%[3]。支链淀粉在淀粉颗粒中以复杂的片层结构存在，是淀粉的主要组成成分[3,27]。燕麦支链淀粉聚合度通常在6～37 之间，其中聚合度在6～12 之间和大于37 的链分布较少，而在13～24 和25～36 之间的链分布较多[28-29]。

1.2.3 晶体结构

燕麦淀粉颗粒致密堆积，具有半结晶结构，特征峰位于15.0°、17.0°、18.0°、20.0°、23.0°、26.0°和30.0°的2θ处，是典型的A 型晶型[30]。而位于20°的2θ可以观察到明显的布拉格峰，这是淀粉-脂类络合物的典型特征[31]。燕麦淀粉的相对结晶度范围为28.0%～36.5%，低于大多数其他谷物淀粉[24]。在偏振光下，燕麦淀粉颗粒以马耳他十字的形式表现出弱的双折射现象，这表明淀粉内部结构具有高度的有序性[26]。

1.2.4 功能基团

在FTIR 光谱中，燕麦淀粉在3 400 cm-1处的吸收峰表示亲水羟基(-OH)的拉伸吸收带，而在2 929 cm-1处产生的强吸收峰为-CH2官能团的拉伸振动，1 600 和1 500 cm-1处的吸收峰则对应-COO 和C-O-C 官能团[8]。位于1 047 cm-1和1 022 cm-1处的吸收峰分别对应燕麦淀粉的结晶区域和无定形区域[32]。天然燕麦淀粉的强度比1 047 cm-1/1 022 cm-1在0.65～0.67 之间，反映了燕麦淀粉表层的有序度，比值越大，有序度越高[28,33]。

1.3 燕麦淀粉的理化性质

1.3.1 糊化特性

在有足够水存在的情况下，淀粉的糊化发生在临界温度以上，这是一个不可逆的相变过程，会导致淀粉颗粒膨胀、微晶熔化和双折射损失[27]。Rumaisa Mukhtar 等[34]报道了3 个不同品种燕麦淀粉的起始温度、糊化温度和结束温度分别为48.5～55.1 ℃、79.6～82.5 ℃和100.5～101.2 ℃。Pereira等[35]也报道了燕麦淀粉的起始温度、糊化温度和结束温度分别57.42、62.8 和67.71 ℃。与其他谷物淀粉相比，燕麦淀粉由于存在大量脂质而具有较高的糊化温度。有研究[36]证明，在去除燕麦中的非淀粉类脂质后，燕麦粉和燕麦淀粉的峰值黏度升高，凝胶强度降低。

1.3.2 老化特性

淀粉的老化是重结晶的过程，是指淀粉糊中分解的直链淀粉和支链淀粉分子重新结合形成更有序结构的过程[37]。燕麦淀粉经过糊化冷却后的凝胶具有高黏度且更清晰的特点，比其他谷物淀粉更不容易老化，具有更低的回生值，这可能归因于燕麦淀粉中有较高含量的脂质[26]。Li 等[36]的研究结果表明，在燕麦淀粉-脂质体系中，随着脂质含量的降低，淀粉老化增强且回生值增大，同时淀粉凝胶强度的增加也与燕麦淀粉的老化行为相关。利用该特点，在中式馒头中添加燕麦淀粉，在室温贮藏过程中可阻碍淀粉结构稳定有序的形成，对淀粉结晶的形成具有抑制作用[38]。

1.3.3 流变特性

淀粉的流变特性指的是不同结构的淀粉在外加应力作用下表现出不同的变形和流动行为，淀粉的主要流变性能包括糊化特性、淀粉糊的黏度和淀粉凝胶的流变性能[39-40]。对于燕麦面团对应的流变特性，Gu 等[41]发现用50%或65%糊化程度的燕麦粉制备的面团能够表现出更好的黏弹性行为，G′和G′′适中，tanδ较低，相对弹性部分（77.40%）和应力松弛百分比（34.55%）较高。表2 总结了燕麦淀粉的基本结构（见文献[3]、[23]、[26]、[29]、[31]、[32]、[42]）和性质参数（见文献[31]、[32]、[40]、[43-45]）。

表2 不同国家燕麦淀粉的基本结构和性质比较Tab.2 Comparison on the basic structure and properties of oat starch from different countries

2 物理改性

淀粉的物理改性是指仅通过物理手段而引起淀粉性质的变化，不会对淀粉分子链进行任何的化学修饰[7,46]。物理改性淀粉的优点在于天然安全，经济实用，可接受度更高。物理处理可分为热处理和非热处理。热处理包括：烘烤、蒸制、微波、过热蒸汽、挤压膨化、红外、蒸汽爆破等。而非热处理包括超声、高静水压、脉冲电场、低温等离子体等[46]。

2.1 热处理

2.1.1 烘烤

烘烤可以改善燕麦产品的感官和风味属性，同时也可影响其营养、理化和功能特性[47]。烘烤可能会对燕麦产生多种影响，包括削弱燕麦中各成分之间的结合能力，降低燕麦淀粉的糊化黏度，提高水化性能、凝胶强度和消化率等[48]。Gu 等[47]研究发现，烘烤处理破坏了燕麦籽粒的结构，促进了脂质的释放，并导致燕麦粉颗粒的聚集和包裹，最终改善了全燕麦粉的水化性质。

2.1.2 蒸制

蒸制可以失活燕麦中的脂肪酶而有助于延长保质期，是目前用于防止燕麦变质的最常用的稳定方法[49]。徐斌等[50]的研究表明，添加经过蒸制处理的预糊化燕麦粉可以改善挂面品质，添加量为70%时燕麦挂面的品质最佳[50]。燕麦的烘烤-蒸制处理有利于在熟面条中形成大量紧密的蛋白质淀粉网络，并促进抗性淀粉的形成（41%）和面条品质的提升[51]。

2.1.3 微波

微波加热通过分子振动和摩擦转化所产生的热量能够穿透淀粉颗粒的内部，对整个样品进行均匀加热[52]，同时由于在短时间内可产生大量热量而产生更多的改性淀粉[53]。Zhang 等[54]建立了微波预糊化条件模型描述燕麦淀粉特性，发现微波处理后燕麦粉的水合和热力学性质均得到改善，微波的高频电磁场和热效应破坏了淀粉的晶体结构，形成了糊化温度和焓较低的聚集体，将糊化度为88.5%微波预糊化燕麦粉应用于挤压全燕麦面，获得了品质良好的面条。

2.1.4 过热蒸汽

过热蒸汽处理可以通过改变淀粉的分子结构来抑制谷物在贮藏过程中溶胀力、水溶性以及热糊化性能的变化[55]。有学者[56]比较了普通蒸制（100 ℃，20 min）和过热蒸汽（200 ℃，2 min）对燕麦粉及其面条品质的影响，发现过热蒸汽很好地保护了燕麦淀粉颗粒的完整性，具有较强的酶灭活效果，同时改善了部分面团特性、提升了燕麦面条的质地特性和感官品质。

2.1.5 挤压膨化

挤压膨化过程伴随着淀粉的水合、膨胀、糊化、降解和结晶度变化、蛋白质变性和脂多糖复合物的形成，可以极大地改善膨化食品的物理和热性能以及储存稳定性和消化率[57-58]。由于挤压处理持续时间短，可以很大程度减少食品褐变和营养损失影响[59-60]。挤压后的燕麦淀粉变得更加疏松多孔，糊化温度、峰值黏度、最终黏度和峰值时间都降低，使燕麦淀粉变得更稳定，也更容易糊化[61-62]。

2.1.6 红外处理

红外处理作用时间短，可以大大降低燕麦脂肪酶和过氧化物酶的活性，而不会造成β-葡聚糖或脂质的损失，并使燕麦淀粉糊化，有助于燕麦加工[63]。在温度30～60 ℃和水分含量1:2～1:10（质量比）的条件下，远红外射线可使燕麦淀粉链重新排列，同时不破坏淀粉的颗粒结构，而使其溶胀和流变等理化性质发生改变[64]。

2.1.7 蒸汽爆破

蒸汽爆破可以降低淀粉分子链聚合度，增加结晶度，可用于生产具有高度消化特性的淀粉[65]。研究发现，经过蒸汽爆破处理马铃薯淀粉的分子量和结晶度降低，并增加了淀粉的溶解度[66]。而蒸汽爆破产生的热和机械效应能够导致糙米淀粉晶体类型和糊化程度的变化，从而进一步改善了淀粉糊的流变特性[67]。

2.2 非热处理

2.2.1 超声波

超声处理是一种非热物理淀粉改性方法，具有加工时间短、产量高、操作维护成本低、品质特性好、能减少致病菌等优点[68]。超声波对淀粉结构的影响与超声参数（例如振幅、时间、温度和能量）相关，结构变化可能涉及颗粒表面出现孔隙、裂缝和破裂以及颗粒变形等现象[69]。以不同强度（350、250、150 W）超声浴/探头对燕麦淀粉颗粒进行不同时长（10、20 min）的超声处理，可使燕麦淀粉颗粒表面产生裂隙和孔洞，超声处理可以提高直链淀粉含量、溶胀力、溶解度、透光率、水分和脂质持水性，同时降低糊化焓和结晶度，超声处理对淀粉颗粒的结晶结构造成了一定程度的破坏，但A 型晶形保持不变[31]。

2.2.2 高静水压

高静水压力可以在不影响淀粉品质和风味成分的情况下进行淀粉改性，可引起淀粉部分或完全糊化，降低溶解度和膨胀力，提高糊化温度和慢消化淀粉的含量，并进一步延缓老化，而这些理化变化主要取决于淀粉的种类、加压水平、处理时间和温度等因素[70]。Zhang 等[71]探究了高静水压力（0、100、200、300、400、500、600 MPa）对燕麦淀粉微观结构和回生特性的影响，发现高静水压力处理使燕麦淀粉的微观结构经历了结晶完整（100～300 MPa）、结晶破坏（400 MPa）、结晶崩解和糊化（500～600 MPa）的过程，500 MPa 处理15 min 可以抑制燕麦淀粉的回生。随着高静水压力处理时间的延长，燕麦淀粉颗粒形成凝胶，粒径增大，晶体结构由A 型转变为V 型，经历了结晶破坏(5 min)、结晶崩解(15 min)和糊化(＞15 min)3 个阶段[72]。

2.2.3 脉冲电场

脉冲电场技术使用高电场的短脉冲，持续时间极短，在微秒到毫秒之间，电场强度约为10～80 kV/cm[7]，具有加工温度低、效率高、处理连续性和强度均匀等优点，已被广泛应用于大分子改性[73]。大多数情况下，随着电场强度的增加，脉冲电场处理会损坏淀粉颗粒，增加淀粉颗粒粗糙度和酶敏感性，并降低改性淀粉的相对结晶度、糊化温度和糊化焓[74]。经脉冲电场处理的燕麦淀粉粒度增大、组分聚集、淀粉颗粒形态受到破坏，淀粉短程分子顺序和蛋白质二级结构发生改变[75]。研究发现，脉冲电场处理可以提高了燕麦原料的糊化稳定性，同时增强了生燕麦粉的回生性能[76]。

2.2.4 低温等离子体

低温等离子体处理具有能耗低、安全、方便等优点[77]，是一种在高电场条件下通过电离气体(空气或空气混合物)产生各种活性物质的非热处理，对环境的影响较小[78]。低温等离子体处理可显著降低燕麦微生物的数量，同时提高燕麦淀粉水结合力和膨胀力，降低燕麦淀粉峰值黏度、最终黏度和衰退值，而并未改变淀粉的晶体结构[79]。此外，有研究报道，低温等离子体处理能够改善米粉的水合特性[80]以及改善小麦粉的糊化特性[81]，但关于低温等离子体处理对燕麦淀粉理化性质的影响报道相对较少。表3 总结了不同处理对燕麦淀粉的影响。

表3 物理改性对燕麦淀粉的影响Tab.3 Effect of physical modification on oat starch

3 应用

在食品行业，燕麦淀粉因其特殊的营养价值和加工特性常被用来制作零食、面条、酱汁、奶制品及烘烤食品。燕麦淀粉提供的可溶性淀粉大分子具有食品加工所需的附着力、表面涂层特性和高黏度特性[10]，同时燕麦淀粉更高的脂质含量（1%～3%）也赋予了其更多传统淀粉所没有的应用优势[26]。Gibiński 等[84]利用燕麦淀粉和多糖制备应用于糖醋酱的增稠剂，发现燕麦淀粉能够赋予酱料良好的黏附性和感官特性。有研究表明，燕麦淀粉可作为淀粉基薄膜的良好材料，这是由于其脂质成分能够赋予薄膜更多的疏水特性，从而提高薄膜的稳定性[85]。Mirmoghtadaie 等[86]利用乙酰化燕麦淀粉制作蛋糕，大大增强了蛋糕的面糊黏度，使产品中保留更多气体而变得更加疏松多孔，产品的白度也得到提升。近几年，燕麦淀粉还被开发用作蛋黄酱中的脂肪代替品，并且发现蛋黄酱的稳定性随淀粉添加量的增加而增加[87]。

4 结论与展望

燕麦淀粉是食品工业中非常重要的原料，本文对如下相关内容进行了总结。

1）比较了燕麦淀粉的不同提取方法（碱提取法、酶提取法和水提取法）。

2）解析了燕麦淀粉多样化特性（微观结构、直/支链淀粉比、化学键、糊化特性、老化特性和流变特性）。

3）分类阐述了燕麦淀粉的物理改性技术及其影响。

4）概述了目前燕麦淀粉在食品行业的应用。

本文内容中对燕麦淀粉多样化特性的解析为理解和控制燕麦产品的品质变化提供了研究基础，而对特定应用的燕麦淀粉进行提取和改性将有助于促进其在食品工业中的使用，对燕麦淀粉应用的总结也为实际生产提供了更多新的思路。燕麦淀粉物理改性的研究还处于探索阶段，其机制和应用还需要更多地进行研究，目前的研究结果还需要进一步验证。此外，燕麦淀粉的应用还受到一些限制，例如在食品中的应用需要满足一定的口感、稳定性等要求，在医药领域中的应用需要满足一定的药理学和毒理学要求，这些限制也需要在研究中充分考虑。