親水膠體對淀粉理化性質影響的研究進展

郭曉娟，劉成梅，吳建永，周國輝，李中強（食品科學與技術國家重點實驗室，南昌大學，江西南昌330047）

親水膠體對淀粉理化性質影響的研究進展

郭曉娟，劉成梅*，吳建永，周國輝，李中強
（食品科學與技術國家重點實驗室，南昌大學，江西南昌330047）

本文綜述了親水膠體對淀粉糊化性質、流變性質、凝膠特性、老化性質、熱力學性質、成膜性質及膨脹能力的影響，探討了親水膠體影響淀粉理化性質的作用機制，進一步介紹了淀粉-親水膠體混合體系的應用，以便為合理地選擇和使用親水膠體提供理論依據(jù)。

親水膠體，淀粉，理化性質，機理

淀粉是人類食物的主要能量物質之一，它來源廣泛且具有獨特的理化性質。但是淀粉容易老化而析水，限制了其應用［1］。為改善淀粉理化性質，常將淀粉與其他物質混合使用。非淀粉親水膠體是重要的食品改性成分，早在1950年就被用于淀粉類食品體系中［2］。加入合適的親水膠體可以彌補原淀粉的缺點，例如可以增強淀粉糊的抗剪切性，改善產品質構、流變性質和持水性及防止淀粉脫水收縮等。為了使淀粉理化性質發(fā)生期望的變化，國內外做了大量研究。本文總結了不同親水膠體對不同來源淀粉的理化性質影響，為合理地選擇和使用親水膠體提供理論依據(jù)。本文還探討了親水膠體對淀粉可能的作用機理。

1 親水膠體的概念和種類

親水膠體通常是指一類可溶解于水中，并在一定條件充分水化形成粘稠、滑膩或膠凍液的大分子物質，其化學組成通常為多糖或蛋白質。親水膠體可以賦予水溶液和其他懸浮液很高的黏性或形成凝膠。親水膠體的分類見表1。

在食品體系中需要的親水膠體添加量甚微，通常為千分之幾，但卻能有效又經濟地改善體系的性質，可作為增稠劑、凝膠劑、乳化穩(wěn)定劑、持水劑及泡沫穩(wěn)定劑等。

2 親水膠體對淀粉理化性質的影響

2.1 親水膠體對淀粉糊化性質的影響

當?shù)矸蹐F粒在過量水中被逐漸加熱時，將會達到一個轉變點，此時偏光十字開始消失，淀粉團粒開始發(fā)生不可逆的膨脹。這些和淀粉團粒結構分裂有關的現(xiàn)象稱為“糊化”。在本文中糊化可以被定義為團粒中分子有序排列的瓦解（氫鍵斷裂），伴隨著特性發(fā)生不可逆的變化，例如吸水、團粒膨脹、晶態(tài)體熔化、雙折射消失、淀粉溶解以及黏度增加［3］。糊化性質包括峰值粘度、終值粘度、崩解值、回生值和糊化溫度。添加親水膠體通常使淀粉的峰值粘度和終值粘度增加［4-6］。張雅媛等發(fā)現(xiàn)添加瓜爾豆膠會使玉米淀粉和蠟質玉米淀粉的峰值粘度和終值粘度上升［4］。添加黃原膠也會使玉米淀粉的峰值粘度和終值粘度上升［5］。Techawipharat等發(fā)現(xiàn)添加羧甲基纖維素、甲基纖維素和Κ-、ι-、λ-卡拉膠均會使大米淀粉峰值粘度和終值粘度上升［6］。然而，Techawipharat等發(fā)現(xiàn)添加羥丙基甲基纖維素會降低大米淀粉的峰值粘度和終值粘度［6］。崩解值代表淀粉的耐剪切能力，其值越大代表耐剪切性越差。親水膠體對淀粉崩解值的影響與膠體種類和淀粉來源相關。添加瓜爾豆膠可使玉米淀粉和木薯淀粉的崩解值上升［4，7］，而使陰離子木薯淀粉的崩解值下降［7］。添加黃原膠會使玉米淀粉和綠豆淀粉的崩解值下降［5，8］，木薯淀粉的崩解值上升［9］。親水膠體對淀粉回生值的影響也與膠體種類和淀粉來源相關。高群玉等發(fā)現(xiàn)不同添加量的食品膠（瓜爾豆膠、魔芋微粉、卡拉膠、羧甲基纖維素、黃原膠）可以降低甘薯淀粉的回生值［10］，而張雅媛等發(fā)現(xiàn)添加瓜爾豆膠會增加玉米淀粉的回生值［4］。另外，親水膠體影響淀粉的糊化溫度。Chaisawang［7］、蔡旭冉等［11］發(fā)現(xiàn)親水膠體的加入可以提高淀粉的糊化溫度；而Sikora等［12］發(fā)現(xiàn)一些親水膠體的加入會使淀粉的初始糊化溫度降低。另外也有研究發(fā)現(xiàn)，鹽類的加入會改變復合體系的糊化性質。黃金城等發(fā)現(xiàn)鹽的加入增加了玉米淀粉-黃原膠的成糊溫度、峰值黏度、崩解值和回升值［13］。

表1 親水膠體的分類Table1 The classification of hydrocolloids

2.2 親水膠體對淀粉流變性質的影響

淀粉質流體食品的流變特性影響食品的硬度、黏稠度和咀嚼度等，加工過程中原料的輸送、攪拌、混合、能量的損耗等也與物料的流變特性密切相關。黏度系數(shù)、流變指數(shù)和流動能等是流變特性的重要參數(shù)。一些親水膠體對某些淀粉流變性質的影響見表2。

從表2中可以看出，不同的親水膠體與不同的淀粉作用會產生不同的流變效果，這可能與親水膠體和淀粉的種類有關。值得注意的是，Witczak等［23］還研究了菊粉和果膠混合后對淀粉性質的影響，發(fā)現(xiàn)菊粉和果膠之間存在相互作用會對淀粉糊的性質產生影響。

2.3 親水膠體對淀粉凝膠特性的影響

淀粉凝膠的粘彈性、強度、硬度等性質會影響食物的口感和速食性。親水膠體的加入可以改善淀粉的凝膠性質。吳津蓉等研究了酸變性淀粉分別與卡拉膠、結冷膠、瓊脂以不同的比例進行混合后，其凝膠強度、彈性、析水率幾方面的變化。當變性淀粉與結冷膠為14∶1時各項性能較為接近明膠，可進一步為布丁點心類原料備選提供理論依據(jù)［26］。Tischer等對玉米淀粉、蠟質玉米淀粉、高直鏈淀粉、甘薯淀粉與ι-卡拉膠混合體系的凝膠性質進行了研究。結果表明ι-卡拉膠加入到高直鏈淀粉、玉米蠟質淀粉、玉米淀粉中，會形成柔軟的熱可逆凝膠，另外ι-卡拉膠加入到甘薯淀粉中，會增強體系的固體性質和凝膠的彈性［27］。Huang等對結冷膠、卡拉膠、魔芋葡甘聚糖對大米淀粉性質影響進行了研究，結果表明，低濃度（＜0.2%，w/w）的卡拉膠和高濃度（＞0.3%，w/w）的結冷膠都會顯著增強凝膠的硬度和粘性，然而這三種膠體都不會影響混合凝膠的彈性［28］。郭洪娜發(fā)現(xiàn)黃原膠、瓜爾豆膠不同程度地降低了葛根淀粉的凝膠強度和回復性，凝膠硬度和粘連性隨黃原膠濃度升高呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢，另外隨著瓜爾豆膠添加量的增大，葛粉凝膠的粘連性也逐漸升高［29］。

2.4 親水膠體對淀粉老化性質的影響

經過糊化后的淀粉在室溫或低于室溫下放置后，會發(fā)生凝沉，這種現(xiàn)象稱為淀粉的老化。老化可以分為短期老化和長期老化。Yoshimura［30］、Funami等［31］發(fā)現(xiàn)膠體的加入會使淀粉的短期老化增強，長期老化減弱；Khanna等［32］也發(fā)現(xiàn)膠體的加入會減弱淀粉的長期老化。然而，也有研究發(fā)現(xiàn)膠體的加入不會影響淀粉的老化［33］。這可能與淀粉和膠體的種類有關。

析水率常被作為凍融穩(wěn)定性的評判指標，析水率越小，淀粉糊的凍融穩(wěn)定性越好。親水膠體的加入通常使淀粉的凍融穩(wěn)定性提高。林鴛緣等研究瓜爾豆膠對蓮子淀粉凍融穩(wěn)定性的影響，研究表明，添加瓜爾豆膠可大大降低蓮子淀粉糊的析水率，提高蓮子淀粉糊的凍融穩(wěn)定性［34］。Lee等也發(fā)現(xiàn)海藻酸鈉、瓜爾豆膠和黃原膠的加入可以顯著降低馬鈴薯淀粉的析水率［35］。

表2 親水膠體對淀粉流變性質的影響Table2 Effect of hydrocolloids on rheological properties of starch

2.5 親水膠體對淀粉其他理化性質的影響

親水膠體的加入對淀粉的熱力學性質、成膜性質、溶脹度及微觀結構等性質也會產生影響。Witczak等研究了菊粉和果膠單獨及混合后加入對馬鈴薯淀粉熱力學性質的影響，發(fā)現(xiàn)菊粉和果膠的加入會使老化后淀粉的轉變焓降低［23］。吳佳敏等以抗拉強度、斷裂拉伸應變、透濕性和透氧性為指標，研究食品膠對甘薯淀粉膜性能的影響，發(fā)現(xiàn)添加食品膠能夠顯著增加甘薯淀粉膜的抗拉強度，某些膠體可以降低淀粉膜的透氧性［36］；Lafargue等研究了添加Κ-卡拉膠對羥丙基豌豆淀粉膜的影響，結果表明，Κ-卡拉膠可以改變淀粉糊的流變學性質，但對最后形成膜的性質影響較?。?7］。Rojas［38］、Song等［33］認為低濃度的親水膠體會增加顆粒溶脹能力。然而，Alloncle［39］認為其實驗所用膠體濃度不會影響淀粉顆粒溶脹。更多的研究發(fā)現(xiàn)膠體的存在會抑制顆粒膨脹［31，40］，這可能是由于親水膠體固定或結合體系中的水分，從而使淀粉顆粒所獲得的水分減少。Chaisawang等［7］對黃原膠與淀粉復配的混合物進行SEM掃描，發(fā)現(xiàn)黃原膠可以完全包裹木薯淀粉；唐敏敏等也發(fā)現(xiàn)黃原膠能填充于淀粉顆粒片段間，體系表面孔洞縮小，表面更加光滑，形成的結構更加致密［41］。

3 親水膠體影響淀粉理化性質的機理

3.1 親水膠體與淀粉之間的物理作用

親水性膠體與淀粉由于熱力學不相容性會產生相分離。一方面，這種相分離作用有助于增加淀粉分子間的相互作用，使直鏈淀粉更加接近，從而有助于分子締合［42］；另一方面，位于連續(xù)相的親水膠體分子對淀粉顆粒內支鏈分子結晶交聯(lián)體系產生干擾，最終使凝膠體系的硬度和結晶度同時降低［31］。另外，親水膠體分子包裹在淀粉顆粒表面，由于親水膠體吸水作用，使得溶脹顆粒的周圍水分分配量降低，實際濃度提高，從而使回生度增加［43-44］。也有研究發(fā)現(xiàn)，當?shù)矸垲w粒吸水膨脹時，親水膠體在連續(xù)相中的濃度會增加，從而導致體系粘度增加［39］。糊化過程中析出的直鏈淀粉可以與親水膠體相互作用，從而阻止形成淀粉剛性結構，降低水分的析出，提高凍融穩(wěn)定性［34］。

Yoshimura［45］、Tran等［46］則認為淀粉和親水膠體分子之間沒有相互作用。這種區(qū)別提示：只有特定的親水膠體-淀粉聚合物分子才能形成復合物。

3.2 親水膠體抑制或弱化淀粉分子的凝膠結構

Eidam等［14］認為大多數(shù)親水膠體分子會弱化凝膠結構，使凝膠變得更加粘稠松軟。Freitas［47］、Lai等［48］研究發(fā)現(xiàn)親水膠體和淀粉分子間的相互作用會導致網狀結構的形成和/或交聯(lián)。Biliaderis等［40］還認為親水膠體會干涉分子間交聯(lián)的形成，減少網狀結構的鏈接。

3.3 親水膠體電荷、鏈長、分子量的影響

具有不同電荷、鏈長及分子量的膠體分子與不同的淀粉分子之間能夠以不同的方式鍵合（如氫鍵等）。某些膠體帶負電荷如黃原膠，分子之間會產生相互排斥，使分子鏈舒展，從而容易與淀粉糊中的直鏈淀粉相互作用形成氫鍵［49］；某些膠體如魔芋膠、瓜爾豆膠、涼粉草膠等是由糖苷鍵組成高分子多糖，其分子鏈上存在有較多的羥基，淀粉鏈上也含有較多的羥基，兩者之間通常可以形成較強的羥基氫鍵作用［29］；Feng等［50］利用分子動力學模擬證實了涼粉草膠與大米淀粉分子之間可以形成氫鍵（如圖1顯示）。Qiu等發(fā)現(xiàn)不同分子量的玉米纖維膠會對混合體系的峰值粘度產生不同的影響［51］。

圖1 涼粉草膠與大米淀粉分子之間形成的氫鍵網絡結構Fig.1 Representation of hydrogen-bond network between starch and MBG，where dash line represents hydrogen-bond formed

3.4 親水膠體與淀粉混合方式及實驗方法的影響

Lai［48］、Closs等［52］認為膠體與淀粉相互作用與所用的淀粉、親水膠體、實驗條件和方法有關。Song［33］、Savary等［53］的某些實驗結果（如膨脹能力）互相矛盾，也說明了這一點。

總之，親水膠體對淀粉的影響與淀粉和親水膠體的種類、結構、濃度及帶電性等有關，也與實驗所用的儀器、條件、材料制備方法及分析方法等有關。

4 親水膠體-淀粉混合體系的應用

將淀粉和親水膠體進行混合，發(fā)揮兩者間的協(xié)同互補作用，既可減少原料用量，降低產品成本，又可擴大淀粉和膠體的應用范圍。亞麻籽膠、瓜兒豆膠和變性淀粉組成的復配穩(wěn)定劑應用于攪拌型酸奶的生產中，可以保證產品品質不變并延長攪拌型酸奶的保質期［54］。百合淀粉和食品膠可用于新型果凍產品的開發(fā)，使果凍具有百合淀粉特殊的功能作用和風味，并具有較好的口感和質構特性（如粘彈性、持水性和咀嚼性等）［55］。阿拉伯膠、麥芽糊精和變性淀粉混合制作成的微膠囊可用于包埋香精［56］。馬鈴薯淀粉/0.12%黃原膠復配體系可作為草莓醬的增稠劑［57］。淀粉衍生物與黃原膠、卡波姆復配凝膠可用到生產護膚凝膠中［58］。玉米交聯(lián)淀粉和黃原膠的混合物可以作為控制藥劑釋放的成膜材料［59］。以馬鈴薯淀粉和黃原膠為單體制備得到淀粉黃原膠交聯(lián)膜可用作淀粉基載藥體系［60］。

5 結論與展望

向淀粉中加入適量的親水膠體，可以改善體系的糊化性質、流變性質、凝膠特性、老化性質、熱力學性質和成膜性等。隨著對不同淀粉與不同親水膠體以不同配比復配的深入研究，親水膠體-淀粉混合體系在工業(yè)生產中的應用范圍將會更加廣泛。但隨著人們生活要求的日益提高以及一些新興親水膠體和淀粉的出現(xiàn)，何種親水膠體與何種淀粉以何種比例復配能夠滿足人們何種需求，需要進一步研究。另外，隨著復配膠的廣泛使用，又提出新的問題，即復配膠對淀粉理化性質的影響及機理有待進一步研究。

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Review on the effects of hydrocolloid on physicochemical properties of starch

GUO Xiao-juan，LIU Cheng-mei*，WU Jian-yong，ZHOU Guo-hui，LI Zhong-qiang
（State Key Laboratory of Food Science and Technology，Nanchang University，Nanchang 330047，China）

Effects of hydrocolloids on physicochemical properties of starch were reviewed in this paper，including pasting properties，rheological properties，gel properties，retrogradation properties，thermal properties and filmforming ability.Furthermore，the interaction mechanism of starch and hydrocolloids was discussed，and the application of starch-hydrocolloid mixed system was also introduced.This paper may provide a theoretical basis for selection and use of hydrocolloids.

hydrocolloid；starch；physicochemical properties；mechanisms

TS231

A

1002-0306（2016）06-0367-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.06.065

2015－05－29

郭曉娟（1991-），女，碩士研究生，研究方向：食品科學與工程，E-mail：gxjnc137808@163.com。

劉成梅（1963-），男，博士，教授，研究方向：食品科學，E-mail：liuchengmei@aliyun.com。