芋頭淀粉改性方法及其應(yīng)用研究進(jìn)展

王孟坤，羅興武

（湖北民族大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 恩施 445000）

芋頭（Colocasia esculenta）是單子葉多年生草本根作物，屬天南星科［1］，具有重要的食用、藥用、營(yíng)養(yǎng)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。芋頭塊莖營(yíng)養(yǎng)豐富，其淀粉含量豐富，淀粉占干物質(zhì)總量的85%以上［2］，同時(shí)含有豐富的鉀、鈣等礦物質(zhì)。此外，芋頭淀粉直鏈淀粉含量低、膨脹性好、保水保油穩(wěn)定性好等功能特點(diǎn)，在食品加工領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。粒度?。ㄖ睆?～5 μm）的芋頭淀粉具有較高的消化率［3］，在功能性食品設(shè)計(jì)中具有較高的可行性，可作為面條、面包、嬰兒配方奶粉、可食用薄膜中的填充劑。

中國(guó)是芋頭生產(chǎn)大國(guó)，芋頭的種植面積占世界份額的6.7%［4］，但芋頭淀粉存在較多缺點(diǎn)，可進(jìn)行改性改良。 淀粉改性的方法主要有物理改性、化學(xué)改性、生物改性及復(fù)合改性。

1 物理改性

物理改性是指采用熱、力、光、電等物理手段來改變淀粉顆粒原有的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，進(jìn)而改變?cè)矸鄣墓δ芴匦浴?/p>

1.1 超聲改性

超聲波是一種環(huán)保、節(jié)能的物理修飾，超聲波產(chǎn)生強(qiáng)大的剪切力，可以使懸浮在水中的淀粉顆粒結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化。超聲波改性還可以根據(jù)所使用的參數(shù)（強(qiáng)度、頻率、時(shí)間、溫度）和所研究的淀粉、糊化性能和熱穩(wěn)定性發(fā)生變化，導(dǎo)致顆粒表面出現(xiàn)裂紋。超聲波改性淀粉主要是通過超聲波與淀粉乳相互作用，產(chǎn)生一系列的效應(yīng)（機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)、熱效應(yīng)），導(dǎo)致淀粉鏈狀結(jié)構(gòu)斷裂，來降低淀粉分子量改性，以此來改變淀粉的理化性質(zhì)［5］。Sit 等［6］利用超聲處理優(yōu)化芋頭淀粉得率，發(fā)現(xiàn)提取淀粉的溶脹性、溶解度、糊化性和質(zhì)構(gòu)性均有顯著提高，其凍融穩(wěn)定性更好。Martins 等［7］采用不同振幅的超聲波對(duì)紫芋淀粉進(jìn)行處理，超聲處理后樣品的熱穩(wěn)定性高于天然淀粉，凝膠化溫度略有下降，熱焓無顯著變化。改性后的淀粉具有較高的峰黏度和終黏度，同時(shí)具有較低的分解速率、老化速率和糊化溫度。

1.2 濕熱改性

濕熱改性是一種水熱處理，通過促進(jìn)淀粉鏈在無定形和結(jié)晶域內(nèi)的相互作用以及通過破壞淀粉晶體來改變淀粉的理化性質(zhì)。變化程度受淀粉組成、水分含量和處理過程中的溫度以及原生淀粉顆粒中直鏈淀粉和支鏈淀粉鏈的組織的影響。Santoso 等［8］采用不同時(shí)期的濕熱處理對(duì)芋頭淀粉進(jìn)行改性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)濕熱處理面粉的糊化特性隨溫度升高而變化。同時(shí)，濕熱處理也改變了淀粉顆粒的形態(tài)。改性芋頭粉在蒸煮過程中的熱穩(wěn)定性有待進(jìn)一步研究。Hamzah 等［9］對(duì)芋頭淀粉在不同的水分條件下進(jìn)行濕熱處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)芋頭淀粉的特性，如形狀、熱穩(wěn)定性和焓均發(fā)生了改變。Thomaz 等［10］對(duì)有機(jī)芋頭淀粉進(jìn)行濕熱和超聲處理，熱濕處理改變了淀粉的糊化和糊狀結(jié)構(gòu)，提高了糊化溫度和焓值，同時(shí)降低了黏度，在熱應(yīng)力和剪切力作用下，淀粉鏈具有較高的穩(wěn)定性和強(qiáng)化性，雙改性淀粉的糊化焓和糊化溫度范圍降低，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，糊化黏度降低。Setiarto 等［11］采用高溫濕熱處理和熱壓-冷卻循環(huán)對(duì)芋頭淀粉進(jìn)行改性，以改性芋頭淀粉作為植物乳桿菌SU-LS36 的包埋劑，具有良好的產(chǎn)率、包埋率，保護(hù)被包埋菌不受高溫的影響，具有良好的應(yīng)用前景。

1.3 微波改性

微波是頻率在300～3 000 kHz 范圍內(nèi)的電磁波。微波處理淀粉的過程中，淀粉中帶電粒子向電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生熱能。微波憑借其極強(qiáng)的穿透力，通過介質(zhì)傳遞直接作用于淀粉內(nèi)部的水分子，高頻振動(dòng)產(chǎn)熱使淀粉分子發(fā)生糊化。

Deka 等［12］對(duì)芋頭淀粉采用微波和其他熱濕處理方法（熱壓罐和熱風(fēng)烘箱）相結(jié)合改性處理，結(jié)果表明微波和高壓滅菌條件下，單一濕熱處理的淀粉和雙濕熱處理的淀粉在直鏈淀粉含量、顆粒結(jié)構(gòu)、糊化性能、凍融穩(wěn)定性和色澤等方面發(fā)生了明顯的變化，淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)和分子內(nèi)部排列在改性過程中遭到了破壞。Das 等［13］以芋頭原生淀粉為原料，通過熱濕、微波和超聲波對(duì)原生淀粉和淀粉納米顆粒進(jìn)行物理改性，改性過程對(duì)天然淀粉和改性淀粉納米顆粒的溶脹、溶解度、透明度和糊化性能也有影響。

2 化學(xué)改性

化學(xué)法改性淀粉是指淀粉分子中脫水葡聚糖單元（AGUs）上C2、C3 和C6 這3 個(gè)游離羥基基團(tuán)的變化，可用的3 個(gè)羥基可以通過酯化、醚化和氧化進(jìn)行化學(xué)修飾，從而改變天然淀粉的糊化、溶脹、溶解度和老化特性。

Hazarika 等［14］通過對(duì)芋頭淀粉進(jìn)行了羥丙基化和交聯(lián)雙重改性，淀粉的直鏈淀粉含量因單一和雙重改性而降低。雙改性淀粉的溶脹度、溶解度和澄清度隨羥丙基化程度的增加而增加，隨交聯(lián)程度的增加而降低。雙改性淀粉的凍融穩(wěn)定性也受到改性順序的影響。交聯(lián)淀粉和雙改性淀粉的黏度比天然淀粉和羥丙基淀粉高。雙改性淀粉的硬度也高于原改性淀粉和單改性淀粉。雙改性淀粉具有2 種改性方式的優(yōu)點(diǎn)，可用于需要高黏度和凍融穩(wěn)定性的食品。董迪迪等［15］用乙醇溶劑法對(duì)芋艿淀粉進(jìn)行羧甲基化改性，改性后的芋艿淀粉顆粒結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞，其糊化溫度比原淀粉明顯降低。王曉丹等［16］以芋艿淀粉為原料，選取醋酸為酯化劑制備醋酸酯化改性淀粉，理化性質(zhì)的檢驗(yàn)結(jié)果表明改性淀粉較原淀粉透明度、溶解度和膨脹率均有所提升，通過正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)確定醋酸酯法芋艿改性淀粉的最優(yōu)工藝。用醋酸酐對(duì)改良芋頭淀粉進(jìn)行乙?；幚?，改性后較原淀粉的流動(dòng)性、膨脹性、溶解度和壓實(shí)性均得到明顯改善。Rincón-Aguirre 等［17］對(duì)芋頭淀粉進(jìn)行磷酸化、乙?；㈢牾；幚恚?jīng)化學(xué)修飾的芋頭淀粉的理化性質(zhì)產(chǎn)生了重要的變化。結(jié)果表明，乙?；箢^淀粉黏度降低，結(jié)構(gòu)喪失，而磷酸化和琥珀?；箢^淀粉黏度高，糊化值大，具有較好的成膠性能。

在應(yīng)用方面，Pachuau 等［18］用檸檬酸對(duì)芋頭淀粉進(jìn)行改性，得到一種新的功能性材料，用于藥品的崩解劑，其崩解性能遠(yuǎn)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)玉米淀粉，崩解時(shí)間的縮短促進(jìn)了模型藥物從片劑的溶出。許鳳等［19］通過辛烯基琥珀酸酐制得改性芋艿淀粉酯，糊化溫度相比原淀粉有所降低。為了改善芋頭淀粉的疏水性，Jiang 等［20］利用辛烯基琥珀酸酐（OSA）由對(duì)熟芋頭淀粉脫支短鏈直鏈淀粉自組裝制備的淀粉納米顆粒（SNPs）進(jìn)行改性。OSA-SNPs 在水與非極性溶劑的混合溶劑中具有良好的兩親性和分散性。隨著DS 的增加，OSA-SNPs 的兩親性增加。代蕾［21］發(fā)現(xiàn)淀粉納米顆粒的熱穩(wěn)定性經(jīng)辛烯基琥珀酸酐酯化改性后降低，添加辛烯基琥珀酸酐酯化改性淀粉納米顆粒淀粉膜的斷裂伸長(zhǎng)率要明顯高于添加淀粉納米顆粒淀粉膜。彭曄［22］通過濕法對(duì)芋頭淀粉納米顆粒進(jìn)行了辛烯基琥珀酸改性，酯化改性芋頭淀粉納米顆粒為乳化劑制備了Pickering 乳液，酯化改性芋頭淀粉納米顆粒的水分散性良好，顆粒的乳化能力隨取代度的增大逐漸增大，乳液乳化穩(wěn)定性也呈增大趨勢(shì)。

3 酶法改性

酶法改性是通過酶來改變淀粉的結(jié)構(gòu)，破壞主鏈與支鏈的連接鍵，α-淀粉酶是一種內(nèi)切淀粉酶，能夠以隨機(jī)作用方式切斷淀粉、糖原、寡聚或多聚糖分子內(nèi)的α-1，4 萄萄糖苷鍵產(chǎn)生麥芽糖、低聚糖和葡萄糖等改性淀粉。周旭倩等［23］通過α-淀粉酶對(duì)芋艿淀粉進(jìn)行改性，改性后的淀粉與原淀粉相比，其透光率和溶解度都顯著增加。漆酶、多銅酶通過改變芋頭淀粉中的交叉連接（酚-硫醇）來改變流變性，提高無面筋芋頭產(chǎn)品的質(zhì)量，增加彈性［24］。More 等［25］用α-淀粉酶對(duì)芋頭淀粉進(jìn)行改性，結(jié)果表明，酶處理淀粉的功能特性（膨脹力和酶消化率）得到了改善，通過酶改性（α-淀粉酶）制備的改性芋頭淀粉具有良好的泡沫穩(wěn)定性、黏度和超限性，將酶處理后淀粉加入冰淇淋中，在冰淇淋中的穩(wěn)定性能適合代替常用的瓜爾膠。Sit 等［26］使用纖維素酶和木聚糖酶優(yōu)化芋頭淀粉提取，不僅提高了產(chǎn)量，也使經(jīng)酶處理的淀粉的澄清度、凍融穩(wěn)定性更好。

Kaavessina 等［27］研究發(fā)現(xiàn)，用α-淀粉酶對(duì)芋頭淀粉進(jìn)行酶改性后，將不同鏈長(zhǎng)的非端接聚丙烯酰胺接枝到淀粉中，淀粉中接枝的聚丙烯酰胺鏈越長(zhǎng)，其降低高嶺土懸浮液渾濁度的效果越好。這表明當(dāng)聚丙烯酰胺鏈長(zhǎng)度變長(zhǎng)時(shí)，膠體粒子容易團(tuán)聚，改性芋頭淀粉和聚丙烯酰胺組成的接枝絮凝劑在部分廢水處理中有應(yīng)用前景。

4 復(fù)合改性

采用多種方法聯(lián)合處理淀粉有助于更深層次地開發(fā)淀粉，以獲得滿足市場(chǎng)要求的改性淀粉。此外，復(fù)合改性可縮短反應(yīng)時(shí)間，提高反應(yīng)效率，使改性的過程更有針對(duì)性，在得到預(yù)期產(chǎn)物的同時(shí)減少副產(chǎn)物的產(chǎn)生［28］。胡愛軍等［29］通過超聲波輔助蘋果酸改性香芋淀粉，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，淀粉峰值黏度均大幅下降，透明度和析水率均增加。超聲明顯促進(jìn)了香芋淀粉的酸改性過程，超聲與酸的雙重作用促進(jìn)了淀粉顆粒結(jié)構(gòu)的破壞，增加了其透明度。Ekafitri 等［30］通過紫外線催化H2O2氧化改性芋頭淀粉，結(jié)果表明H2O2濃度越高，反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，反應(yīng)產(chǎn)物的羰基、羧基、直鏈淀粉含量、峰值黏度、最終黏度和烘焙膨化率均增加。同時(shí)降低了淀粉的黏度和相對(duì)結(jié)晶度，破壞了淀粉顆粒的形態(tài)結(jié)構(gòu)。Pramodrao 等［31］用離子膠（羧甲基纖維素和海藻酸鈉）對(duì)芋頭淀粉進(jìn)行干熱處理，并與馬鈴薯和甘薯進(jìn)行比較。結(jié)果表明，淀粉顆粒的溶解度較高，透光率、顏色衍射和溶脹強(qiáng)度最小。離子膠改性淀粉的持油、持水性均顯著增加。嚴(yán)雨婷等［32］利用電子束輻照預(yù)處理對(duì)辛烯基琥珀酸改性芋艿淀粉，結(jié)果表明，電子束輻照預(yù)處理顯著改變了辛烯基琥珀酸改性芋艿淀粉酯的理化與功能特性。Liu 等［33］采用球磨法和辛烯基丁二酸酐（OSA）酯化處理檳榔芋淀粉得到雙改性淀粉，相比單一處理的改性淀粉，復(fù)合改性淀粉具有較強(qiáng)的表面活性和較高的乳化黏度，乳化性能和穩(wěn)定性較佳。

5 結(jié)語(yǔ)

淀粉改性已成為開發(fā)新的加工技術(shù)和順應(yīng)市場(chǎng)趨勢(shì)的重要手段。淀粉改性方法已有較多研究，如化學(xué)、酶促、雙重或混合和新型物理方法，如超聲波、脈沖光、射頻、電子束輻射和高壓處理，可以用于商業(yè)用途以及食品或非食品行業(yè)。 根據(jù)應(yīng)用需求、可用性、市場(chǎng)趨勢(shì)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和成本，選擇合適的改性方法對(duì)行業(yè)至關(guān)重要。為了從以芋頭淀粉為基礎(chǔ)的工業(yè)中獲得更好的回報(bào)，需要開發(fā)淀粉改性新技術(shù)，從而拓寬芋頭淀粉的應(yīng)用領(lǐng)域。