小麥淀粉結(jié)構(gòu)、組成、改性對其理化性能及面條品質(zhì)的影響研究進展

閆慧麗,陸啟玉,李翠翠

(河南工業(yè)大學糧油食品學院,河南鄭州 450001)

影響面條質(zhì)量的因素很多,包括原料、工藝、設備等,其中原料面粉是影響面條質(zhì)量的關鍵因素。淀粉是面粉中含量最多的組分,占面粉含量的70%～80%,其對小麥粉的加工性能和面條品質(zhì)有著至關重要的影響[1-4]。

淀粉是由直鏈淀粉和支鏈淀粉以一定形式排列、堆積形成具有結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)的顆粒。根據(jù)形態(tài)大小,小麥淀粉又可被分為A型淀粉和B型淀粉兩大類。A型淀粉的平均粒徑一般大于10 μm,B型淀粉的平均粒徑則在10 μm以下。不同品種的小麥粉中,A型、B型淀粉以及直鏈和支鏈淀粉的含量均存在差異,這種差異會對小麥面粉的粉質(zhì)特性、加工特性產(chǎn)生影響,從而影響面條的品質(zhì)。淀粉的某些性質(zhì),如冷水不溶性,糊液在酸、熱和剪切作用下不穩(wěn)定等,限制了其在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的應用,改性淀粉的出現(xiàn)彌補了這些不足,擴大了淀粉的應用范圍。小麥淀粉經(jīng)過改性后,淀粉鏈的長短、分子側(cè)鏈、側(cè)鏈上基團等發(fā)生的變化將導致淀粉性質(zhì)的改變,進而影響面條品質(zhì)。此外,在面條加工過程中,面粉中的淀粉和脂類化合物也能發(fā)生復合作用形成淀粉-脂質(zhì)復合物,這種復合物也會對面團性能和面條品質(zhì)產(chǎn)生一定影響。

本文綜述了近年來小麥淀粉在結(jié)構(gòu)、組成、改性上的研究進展及淀粉在結(jié)構(gòu)和組成上變化對面條品質(zhì)的影響,為面條專用粉的加工和小麥育種提供一定的理論基礎。

1 小麥A、B型淀粉及其對面條品質(zhì)的影響

1.1 小麥A、B型淀粉的理化性質(zhì)

小麥A型淀粉顆粒的形態(tài)多為圓盤形或兩面凹陷的透鏡形狀,B型淀粉顆粒的形態(tài)多為球形和不規(guī)則形狀。不同品系來源的小麥淀粉,A、B淀粉的晶型結(jié)構(gòu)是相似的,但A、B型淀粉的理化性質(zhì)可能存在差異。研究表明,A淀粉的相對結(jié)晶度[5-6]、糊化時的黏度參數(shù)基本上都要大于B型淀粉[6-7],而B型淀粉的膨脹度則大于A型淀粉[6,8]。Zhang等[5]認為,A型淀粉的短程有序性和分子內(nèi)C-6位羥基形成的氫鍵含量較高,是其相對結(jié)晶度較大的重要原因。Zeng等[7]研究發(fā)現(xiàn),B型淀粉的凍融穩(wěn)定性和結(jié)合水的能力要強于A型淀粉;但由于B型淀粉中直鏈淀粉含量較高,所以其淀粉凝膠的回生速率要快于A型淀粉。與Zeng等[7]的研究結(jié)果相反,Li等[6]的研究結(jié)果則表明A淀粉的直鏈淀粉含量較高。此外,Li等[6]、Zeng等[7]、Zhang等[5]關于A、B型淀粉糊化溫度和糊化焓的研究結(jié)果也不盡一致,這些結(jié)果的不同很可能是由品種間的差異造成的。

A、B型淀粉結(jié)構(gòu)的差異是其理化性質(zhì)差異的基礎,從納米級結(jié)構(gòu)來講,A型淀粉半結(jié)晶層和結(jié)晶層的平均厚度都要大于B型淀粉,不過,B型淀粉半結(jié)晶層的有序性更高,其結(jié)晶區(qū)雙螺旋結(jié)構(gòu)的取向更加一致;此外,由于B型淀粉擁有表面分形結(jié)構(gòu),所以其顆粒表面更加致密光滑[5]。除了理化性質(zhì)的差異,A、B型淀粉對于酶的敏感性也是不同的。雖然A、B型淀粉在酶解過程中的形態(tài)變化是類似的,但由于B型淀粉的相對表面積大,所以更容易受到α-淀粉酶的攻擊,在相同水解條件下釋放出還原糖的速率也更快[9]。由于影響淀粉水解速率的因素除了相對表面積外,還包括顆粒大小、結(jié)晶度、孔隙率、直鏈與支鏈淀粉比等,而這些因素與小麥品種息息相關。有研究發(fā)現(xiàn),B型淀粉的水解速率僅在水解前期較快,A型淀粉的水解速率則在后期更快一些[6]。

1.2 小麥A、B型淀粉對面條品質(zhì)的影響

小麥淀粉中,A、B型淀粉的理化性質(zhì)存在明顯的差異,所以當面粉中A、B型淀粉的含量發(fā)生變化時,最終產(chǎn)品的品質(zhì)必然會受到一定程度的影響。研究表明,小麥粉中A、B型淀粉的比例會影響面條的色澤、蒸煮品質(zhì)和食用品質(zhì);隨著B型淀粉含量的上升,白面條的色澤、粘彈性和適口性得到改善;當面粉中B型淀粉的含量在30%～40%時,面條的硬度是最合適的[10]。面條中A、B型淀粉的比例不同時,鮮濕面的水分分布和動態(tài)熱力學性質(zhì)也會受到影響。當面條中20%的原淀粉分別被A、B型淀粉取代時,A淀粉含量高的面條其結(jié)合水含量以及面條的儲存模量和損耗模量較高[11]。

A、B型淀粉理化特性和酶解特性的差異在很大程度上與小麥品種相關,不同品種的小麥淀粉其A、B型淀粉的特性可能存在較大差異,這對于我們?nèi)?、充分地了解A、B型淀粉的特性造成了一定的障礙,但這也說明關于A、B型淀粉仍然有很多值得深入研究的地方。近年來,關于A、B型淀粉對面條品質(zhì)影響的研究相對較少,還基本停留在A、B型淀粉比例對面條質(zhì)構(gòu)特性的影響方面。因此,關于A、B型淀粉對面條品質(zhì),特別是微觀結(jié)構(gòu)的影響仍有待于深入研究。從近年來的研究進展還可以看出,對A、B型淀粉結(jié)構(gòu)的研究已逐漸上升到納米級和分形特征,這有助于進一步從根本上揭示A、B型淀粉理化性質(zhì)差異的基礎,更加有助于揭示A、B型淀粉在維持面條感官品質(zhì)、蒸煮品質(zhì)和食用品質(zhì)中所發(fā)揮的作用。

2 小麥淀粉的化學組成及其對面條品質(zhì)影響

2.1 小麥淀粉的化學組成

從化學組成上來講,小麥淀粉由直鏈淀粉、支鏈淀粉及少量的蛋白和脂質(zhì)等組成。蠟質(zhì)小麥淀粉(不含直鏈或直鏈淀粉含量很低)與普通小麥淀粉具有相似的形態(tài)特征、顆粒大小分布和晶型結(jié)構(gòu),但蠟質(zhì)小麥淀粉的相對結(jié)晶度較大,顆粒表面不平滑,與普通小麥淀粉在顆粒的平均直徑、B型淀粉的含量和大小上存在差異,這些結(jié)構(gòu)上的差異進而導致了兩種淀粉在理化特性上的差異[12-13]。對于不同品種的蠟質(zhì)小麥淀粉來說,其部分理化性質(zhì)可能存在差異,但不同品種間淀粉的形態(tài)、晶型、長程和短程有序性都是相似的[14]。相對于普通小麥淀粉來說,高直鏈淀粉(直鏈淀粉含量約75%)的形狀則顯得不太規(guī)則,且粒徑在5 μm以下的顆粒相對較多,這也導致了高直鏈淀粉的填充體積(packing volume)較大[15]。

雖然淀粉顆粒中蛋白和脂質(zhì)的含量較少,但它們?nèi)詴Φ矸垲w粒的形態(tài)和理化性質(zhì)產(chǎn)生一定影響。普通小麥淀粉和蠟質(zhì)小麥淀粉脫脂后A型淀粉表面能明顯觀察到孔洞增多,B型淀粉的表面則沒有明顯變化。脫脂不改變淀粉的晶型,但會使淀粉的結(jié)晶度下降,同時,脫脂還會影響淀粉的溶解度、膨脹度和糊化特性,但影響程度與淀粉樣品的直鏈淀粉含量和支鏈淀粉鏈的遷移率有關[16-17]。與脫脂處理相似,脫蛋白處理也會影響A、B型淀粉理化性質(zhì),不過脫蛋白處理會使普通淀粉的相對結(jié)晶度增大[17-18]。脫脂和脫蛋白處理除了會影響小麥淀粉的溶解度、膨脹度、凍融穩(wěn)定性等特性外,還會導致樣品中抗性淀粉含量下降,慢消化淀粉和快消化淀粉含量上升,使得淀粉顆粒的體外消化率增加[19-20]。

2.2 小麥淀粉化學組成對面條品質(zhì)的影響

直鏈和支鏈淀粉含量是影響面條質(zhì)量的重要因素之一,是造成不同小麥品種淀粉糊化和膨脹特性及面條質(zhì)量差異的物質(zhì)基礎[21-23]。Zhang等[24]研究表明,鮮面條的硬度和內(nèi)聚性會隨著直鏈淀粉含量的增加而上升,但面條的彈性不會明顯受到直鏈淀粉含量的影響。面條的干物質(zhì)吸水率與直鏈淀粉含量存在顯著的負相關關系,而干物質(zhì)損失率和蛋白質(zhì)損失率則與直連淀粉的含量呈正相關[25]。糯小麥淀粉(蠟質(zhì)小麥淀粉)相對于普通小麥淀粉來說不易回生且持水力較強,這些特性有利于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的面條[12,26]。適量的糯麥配粉可以使面條保持較好的色澤、彈性和表觀狀態(tài),降低面條的烹煮損失,并且有助于提高和面時的加水量,延緩面條老化;若面粉中支鏈淀粉含量太高,則會與其它組分競爭吸水,阻礙面筋的形成,反而使面條的品質(zhì)下降[25,27-28]。趙登登等[29]的研究也證明了這一點,在一定范圍內(nèi),面條中支鏈淀粉含量越高,面條的蒸煮特性、質(zhì)構(gòu)特性和食用品質(zhì)越好;相反,面條的直鏈淀粉含量越高,面條的品質(zhì)則越差。

關于小麥直鏈和支鏈淀粉及其對面條品質(zhì)影響的研究相對較多,不過,同A、B淀粉的研究相似,關于直鏈和支鏈淀粉對面條的影響也主要停留在對面條質(zhì)構(gòu)、感官等宏觀性質(zhì)的影響,缺乏微觀結(jié)構(gòu)方面的研究。另外,關于淀粉中微量組分脂質(zhì)和蛋白對面條品質(zhì)可能產(chǎn)生的影響目前還未見報道。

3 小麥淀粉改性方法及其對面條品質(zhì)的影響

3.1 小麥淀粉常用改性方法

無論是直鏈淀粉還是支鏈淀粉,其性質(zhì)的不同都是由其結(jié)構(gòu)不同決定的。要改變淀粉的性質(zhì),主要途徑是改變淀粉的分子結(jié)構(gòu),常用的方法包括酶法、物理法、化學法、復合法等。不同改性方法對小麥淀粉特性的影響如表1所示。淀粉品種間的差異也會對改性結(jié)果產(chǎn)生影響。例如,琥珀酸/乙酸酐和壬二酸/乙酸酐混合物在不同濃度下分別對兩個品系小麥淀粉進行處理,結(jié)果發(fā)現(xiàn),同一酸酐混合物對淀粉糊化焓的影響規(guī)律存在品種間的差異;而不同酸酐混合物對淀粉同一特性的影響也不盡相同。例如,對淀粉回生值的影響甚至存在完全相反的結(jié)果[30-31]。不同品種淀粉間A、B型淀粉理化特性的差異很可能是影響改性結(jié)果的重要原因之一,但利用環(huán)氧丙烷和環(huán)氧丙烷類似物分別對蠟質(zhì)小麥淀粉和普通小麥淀粉的A、B型淀粉進行改性時,A、B型淀粉的取代度在種內(nèi)和種間沒有明顯的差別,并且環(huán)氧丙烷和環(huán)氧丙烷類似物還能在一定程度上縮小同一品種間A、B淀粉糊化特性的差異[32]。

3.2 改性小麥淀粉對面條品質(zhì)的影響

小麥粉經(jīng)α-淀粉酶抑制劑改性后,面條的蒸煮特性、硬度、感官評分和微觀結(jié)構(gòu)基本不變;而面粉經(jīng)分支酶處理后,淀粉結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,支鏈淀粉的含量上升,進而導致面條的蒸煮時間延長,煮后質(zhì)量、吸水率和蒸熟損失下降,面條的硬度上升,感官品質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變;無論是α-淀粉酶抑制劑還是分支酶,都會導致淀粉的消化率下降,使得面條的血糖生成指數(shù)降低,這對于糖尿病人來說或許大有益處[34]。除了酶法,利用琥珀酸酐和辛烯基琥珀酸酐分別對淀粉改性,也可以顯著降低淀粉中快消耗淀粉的含量,增加慢消化淀粉的含量,進而降低面條的血糖生成指數(shù)[60]。淀粉分子上的基團發(fā)生變化后,面條的品質(zhì)也會受到影響。小麥淀粉被雙氧水氧化后,由于羧基的引入,淀粉的親水力增強,導致添加氧化淀粉的面條中深層結(jié)合水比例減少,弱結(jié)合水比例增加;同時,由于淀粉親水力增強,阻礙了分子間氫鍵的締合,使淀粉與淀粉或蛋白質(zhì)之間的作用力減弱,導致了添加氧化淀粉的面條的儲能模量和損耗模量降低[54]。

淀粉經(jīng)過酶法、物理或化學等手段改性后,分子量、側(cè)鏈基團等發(fā)生變化。近年來,將玉米、馬鈴薯、木薯等改性淀粉作為面條品質(zhì)改良劑,發(fā)現(xiàn)改性淀粉對面條品質(zhì)的影響,或者將改性后的小麥淀粉作為穩(wěn)定劑應用在蛋糕、酸奶的生產(chǎn)中[55,61],對于小麥原淀粉分子量和側(cè)鏈基團等結(jié)構(gòu)的改變會對面條的品質(zhì)產(chǎn)生何種影響,目前的研究僅有張克等[54]涉及到。

3.3 小麥淀粉-脂質(zhì)復合物

小麥淀粉-脂質(zhì)復合物雖然屬于改性淀粉的范疇,但卻不同于一般的改性淀粉,它本身就存在于自然界的原淀粉中。直鏈淀粉能夠與脂質(zhì)進行絡合,在分子內(nèi)氫鍵的作用下,直鏈淀粉的鏈會發(fā)生卷曲,形成螺旋狀內(nèi)絡物。淀粉與脂質(zhì)復合后,除了晶型結(jié)構(gòu)由原來的A型轉(zhuǎn)變?yōu)閂型,淀粉的糊化特性、流變學特性、凍融穩(wěn)定性、糊的透明度、凝膠質(zhì)構(gòu)、回生特性、酶的敏感性等均受到影響[62-66]。

淀粉-脂質(zhì)復合物的生成及其對淀粉性質(zhì)的影響與脂質(zhì)的添加量、脂肪酸的鏈長和飽和度、脂質(zhì)的加入時間、復合物的制備方式和制備溫度等因素有關。對于同一種小麥淀粉,月桂酸與淀粉的復合指數(shù)隨月桂酸用量的增加而增大;對于不同品種的小麥淀粉,月桂酸用量相同時,復合指數(shù)隨直鏈淀粉含量的增加而增大[65]。對于飽和脂肪酸來說,其碳鏈越短則越容易與直鏈淀粉復合;隨著脂肪酸鏈長的增加,直鏈淀粉-脂肪酸復合物對淀粉顆粒的膨脹、凝膠化、回生和糊化進程的抑制作用加強[67]。盡管淀粉-脂質(zhì)復合物能夠影響淀粉顆粒的膨脹和顆粒內(nèi)碳水化合物的溶出,但Gerits等[68]的研究認為這兩者之間并不存在因果關系。溫度是影響小麥淀粉-脂質(zhì)復合物形成的重要因素之一,隨著制備小麥淀粉-卵磷脂復合物溫度的上升,淀粉糊的透明度、淀粉的溶解度和膨脹度逐漸上升[64]。溶血磷脂膽堿(LPC)與小麥淀粉復合時,若在淀粉糊化的不同階段分別加入LPC,體系的粘度特性將受到不同的影響;若將不同含量的LPC分別與小麥淀粉復合,淀粉懸濁液對淀粉酶的敏感性則隨著復合指數(shù)的上升而下降,部分復合物即使在4 h后仍然不能被α-淀粉酶水解[69-70]。小麥淀粉-脂質(zhì)復合物除了抗酶解特性增強外,抗輻照性能也有所增強,其相對普通小麥淀粉和改性小麥淀粉來說結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定,其結(jié)晶度不受輻照劑量的影響[36]。制備方法也是影響小麥淀粉復合物生成的一個重要因素。徐澎聰?shù)萚71]分別采用HCl/KOH法和快速黏度分析法制備小麥淀粉-油酸包合物,二種方法制備的復合物在復合指數(shù)、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、顆粒表面短程結(jié)構(gòu)有序度、相對消化率等方面均存在差異。Gerits等[68]研究發(fā)現(xiàn),脂肪酶也能夠顯著誘導小麥直鏈淀粉-脂質(zhì)復合物的生成,且不受脂質(zhì)的類型和位置的影響。除了常規(guī)的水熱法制備淀粉-脂質(zhì)復合物外,Rangelov等[72]還研究出了一種基于球磨技術制備淀粉-LPC復合物的機械化學方法,該法制備出的復合物與水熱法制備出的復合物具有相同的晶體結(jié)構(gòu),通過固態(tài)13C核磁共振波譜與差示掃描量熱儀分析也進一步證明了這種機械化學法在制備淀粉-LPC復合物方面的有效性。

小麥淀粉-脂質(zhì)復合物是近年來的一個研究熱點,目前,國內(nèi)外的研究僅僅停留在純淀粉和單一脂肪酸合成淀粉-脂質(zhì)復合物的研制以及性質(zhì)方面,對食品混合體系中淀粉-脂質(zhì)復合物的研究多集中于延緩面包老化方面[73],關于小麥淀粉-脂質(zhì)復合物對面條品質(zhì)影響的研究還未見報道。

4 小麥淀粉損傷對面條品質(zhì)的影響

除了直鏈和支鏈淀粉含量及A、B型淀粉含量會對面條品質(zhì)產(chǎn)生較大的影響外,面粉中破損淀粉含量也是影響面條品質(zhì)的一個重要因素。淀粉受到機械損傷后,形狀變得不規(guī)則,顆粒粒徑減小,吸水能力增強,進而影響淀粉在加熱和非加熱狀態(tài)下的流變學特性、面粉的粉質(zhì)特性等,使得面條的色澤、適口性、蒸煮損失、干物質(zhì)吸水率等受到影響;損傷淀粉含量在一定范圍內(nèi)對于面條的品質(zhì)改良具有正面意義,超過某一臨界值將阻礙面筋的充分擴展,使面條品質(zhì)迅速劣變[24,29,74-77]。新磨制的小麥粉并不適合制作面條,其中一個原因也與損傷淀粉含量有關。新磨制的小麥粉經(jīng)過一個熟化過程后淀粉的峰值黏度、最終黏度、最低黏度下降、損傷淀粉含量上升,此時制作的面條硬度、彈性等才比較合適[78]。Hatcher等[79]研究表明,破損淀粉含量對于黃堿面條的彈性特征影響較大,且破損淀粉含量對熟面條彈性的影響程度要遠大于生面條?？籽愕萚80]也發(fā)現(xiàn),破損淀粉含量是影響拉面制作的重要因素之一,此外,制作優(yōu)質(zhì)蘭州拉面的面粉還應具有較高的峰值黏度和較低的衰減值。

5 結(jié)論與展望

不同品種的小麥淀粉中A、B型淀粉的含量及其理化特性、直鏈與支鏈淀粉含量、損傷淀粉含量可能存在顯著差異,這些差異導致了面條在感官品質(zhì)和蒸煮品質(zhì)上的差異。隨著對小麥淀粉研究的深入,淀粉的超結(jié)構(gòu)、消化特性及淀粉中的微量組分脂質(zhì)、蛋白等的作用受到越來越多的關注,這必將有助于進一步揭示淀粉對面條品質(zhì)的影響規(guī)律。小麥淀粉改性是增加其應用范圍的重要手段,但對于小麥淀粉分子量和側(cè)鏈基團等結(jié)構(gòu)的改變會對面條品質(zhì)產(chǎn)生何種影響的研究相對較少。小麥淀粉-脂質(zhì)復合物的制備及其理化特性是近年來的一個研究熱點,但對小麥淀粉-脂質(zhì)復合物在面條體系中的作用及其機理還缺乏深入的研究。

綜合當前的研究現(xiàn)狀來看,關于小麥淀粉對面條品質(zhì)的影響多集中于面條的質(zhì)構(gòu)特性、表觀狀態(tài)、食用品質(zhì)等宏觀特性,很少從分子水平上研究小麥面粉中淀粉組分對面條品質(zhì)的影響。所以,從分子水平上研究淀粉組分及其對面條品質(zhì)的影響機制將可能是未來的一個發(fā)展方向。