淀粉结构对食品品质的影响

淀粉结构对食品品质的影响绪论淀粉是食品加工和生产的重要原料，存在于多种食物中，如米饭、米粉、粉丝、面包、面条等。淀粉的理化性质如润胀、糊化等为其在食品中的应用提供了理论基础，淀粉的结构则决定了淀粉的理化特性，不同原料来源的淀粉分子因其结构的差异而具有各自不同的特性，从而对食品的品质造成各种有利或不利的影响。•淀粉的结构•淀粉的理化特性•淀粉结构对特性的影响•天然淀粉结构对食品品质的影响•变性淀粉结构对食品品质的影响目录淀粉的结构谷物籽粒和薯类根茎等植物中的淀粉属天然高分子碳水化合物，是以α-D-六环葡萄糖为基本单位组成的多聚葡萄糖。在许多个葡萄糖分子组成的淀粉粒中，具有两种分子结构，即直链淀粉和支链淀粉。因此淀粉的基本结构包括：1.直链淀粉的分子结构2.支链淀粉的分子结构3.淀粉颗粒的晶体结构淀粉的结构——直链淀粉的分子结构•在天然淀粉中有20%~30%的淀粉为直链淀粉分子。直链淀粉是D-葡萄糖基以α-1,4糖苷键连接而成的多糖链，分子中有200个左右葡萄糖基，分子量1～2×105。•直链淀粉分子的立体结构呈螺旋状，遇碘形成蓝色的络合物，若将其加热至70℃，蓝色消失，冷后蓝色重现。分子聚合度（DP）在100~6000之间，一般不超过1000。直链淀粉分子是线性分子，呈直链状结构，如图：淀粉的结构——支链淀粉的分子结构•支链淀粉相对分子质量很大，分子中除含有以α-1,4糖苷键连接的直链外，还有α-（1，6）糖苷键连接的分支链。•主链中每隔6－9个葡萄糖残基就有一个分支，每一个支链平均含有约15－18个葡萄糖残基，平均每24－30个葡萄糖残基中就有一个非还原尾基。•分子中含300～400个葡萄糖基，分子量2×107，平均聚合度约为1000一30000，一般在6000以上，难与碘呈络合物，所以遇碘仅呈红紫色。因此支链淀粉的结构为高支化聚合物，十分复杂，呈树枝状构造：淀粉的结构——淀粉颗粒的晶体结构•淀粉的组成：直链淀粉和支链淀粉（主要成分）、10%~20%（W/W）的水分和少量蛋白质、脂肪类物质、磷和微量无机物。•晶体结构：淀粉颗粒由许多微晶束构成，存在着结晶区和无定形区，结晶区构成了淀粉颗粒的紧密层，非结晶区构成了淀粉颗粒的稀疏层，紧密层与稀疏层交替排列。•一般而言，支链淀粉分子构成结晶区域，它们以葡萄糖链先端为骨架相互平行靠拢，并靠氢键彼此结合成簇状结构，而直链淀粉同样以氢键相互连接构成无定形区。如图所示，左下图为淀粉粒微晶束结构，右下图为淀粉颗粒的结构模型：结晶区域非结晶区域湿润状态（水分45%）100-110。A图1-10淀粉微粒晶束结构。A淀粉的结构——淀粉颗粒的晶体结构•淀粉颗粒形状：由于淀粉颗粒中水分子也参与氢键结合，淀粉分子间有的是由水分子经氢键结合，水分子介于中间，有如架桥，使淀粉粒的内部结构变得疏松。•因此，一般含水量高，蛋白质少的植物淀粉颗粒比较大（通常用颗粒直径范围和平均值表示淀粉颗粒大小），形状也较整齐，呈圆形或椭圆形，如马铃薯淀粉；•相反则颗粒小，形状不规则，内部结构紧密，如玉米淀粉。淀粉的组分含量与颗粒大小关系：淀粉种类玉米淀粉马铃薯淀粉小麦淀粉木薯淀粉组分含量水分(20℃，RH65%)13191313蛋白质（%，干基）0.350.10.40.1颗粒大小直径范围（μm）3~265~1002~354~35直径平均值（μm）15331520不同种类淀粉的颗粒形状和大小：马铃薯1500玉米1500木薯1500高直链玉米1500淀粉的理化特性淀粉最基本的理化特性是糊化和老化，这两种特性对食品的品质特别是质构有显著影响。近年来，人们又发现淀粉的另一特性玻璃态和玻璃化转变也会影响到食品的品质，尤其是贮藏品质，玻璃化转变温度(Tg)更是食品贮藏的一项关键指标。淀粉的理化特性——淀粉的糊化•糊化概念：淀粉不溶于冷水，通过不断搅拌可形成均一悬浮液，如果将淀粉悬浮液加热到一定温度，淀粉乳液的黏度会逐渐增大，形成具有很大黏性的淀粉糊，这种现象就是淀粉的糊化。黏度开始增加时的温度叫做糊化温度。•糊化实质：在加热的作用下结晶或非结晶的淀粉分子间的氢键缔合被破坏，淀粉分子由紧密的有序排列变成散乱的无序排列，这时的淀粉称糊化淀粉（即α-淀粉），是晶体结构完全被破坏、易溶于冷水的无定形粉末。淀粉的糊化过程：淀粉的理化特性——淀粉的老化•老化概念：淀粉糊在低温下放置一定时间后透明度降低并发生沉淀的现象，这种现象即为淀粉的老化，也称回生或凝沉现象。•老化实质：糊化后的淀粉分子和水分子都处于运动状态，分子间结合趋势较小，微晶束呈散乱状态；然而随着温度降低，淀粉分子和水分子的活化能力也减弱，散乱的微晶束又趋向于平行排列，淀粉分子重新结晶而凝沉。淀粉的理化特性——淀粉的玻璃化转变•魏长庆等人在《淀粉玻璃化转变及其对食品品质影响》一文中提到，研究人员发现淀粉的玻璃态和玻璃化转变会影响食品贮藏质量控制，如表皮发干发硬、掉渣、萎缩开裂，内部出现结晶、凝结成团、甚至冷却变性等，最终导致产品品质下降。•美国Levince和Slade认为，食品在玻璃态下一切受扩散控制的反应速率均十分缓慢，甚至不发生反应；因此食品采用玻璃化保藏，可最大限度保存其原有色、香、味、形及营养成分，从而延长食品保存期，并能提高保存过程中质量。淀粉的理化特性——淀粉的玻璃化转变•玻璃态、橡胶态和粘流态玻璃态、高弹态和粘流态称为无定形聚合物三种力学状态。无定形聚合物在较低温度下，分子中侧基、支链和链节能够运动，而分子链和链段均处被冻结状态，分子热运动能量很低，只有较小运动单元；这时聚合物所表现出力学性质与玻璃相似，故称该状态为玻璃态。随温度升高至某一温度时，链段运动受到激发；但整个分子链仍处冻结状态，在受外力作用时，无定型聚合物表现出很大形变；外力解除后，形变又可恢复，这种状态称谓高弹态，又称橡胶态。若温度继续升高，不仅链段可运动，整个分子链都可运动，无定形聚合物表现出粘性流动状态，即粘流态。如图为无定形聚合物形态与温度的关系图：淀粉的理化特性——淀粉的玻璃化转变•玻璃化转变玻璃化转变是非晶态聚合物（包括晶态聚合物中非晶部分）从玻璃态到橡胶态或橡胶态到玻璃态转变，其特征温度称为玻璃化转变温度（Tg），是控制食品质量和稳定性的关键。•淀粉的玻璃化转变淀粉是部分结晶聚合物，由高度分支，部分结晶支链淀粉分子和线形无定形直链淀粉分子所组成，含有无定形区、过渡区和结晶区。淀粉与水共热时，长链中分子开始运动，当能量足够大时，分子间发生相对滑动，使聚合物变得粘性、柔韧，呈橡胶态，这一变化过程被称之玻璃化相变。较低温度下发生无定形区玻璃化转变，热力学上称为二级相转变；较高温度下发生结晶区熔融转变（转变温度为Tm），热力学称为一级相转变。下图表示淀粉同时存在两种相转变，Tg，Tm为相应的相转变温度，淀粉的许多性质都是围绕Tg和Tm展开的。淀粉的理化特性——淀粉的玻璃化转变•淀粉玻璃化转变对淀粉性质的影响VRHarwalkar和CYMa研究发现淀粉-水体系在Tm处发生熔融转变，即淀粉糊化，淀粉从有序的晶体结构转变到无序的无定形结构。在Tm，Tg之间，淀粉的结晶，重结晶，退火(重结晶后的晶体的完整成形或部分熔融的过程)才能发生。低于Tg时，淀粉的晶体不再生长，只发生缓慢的热力学可逆的老化，在此过程中，淀粉结构重排以达到一个合适的能量平衡（VRHarwalkar,CYMa.Thermalanalysisoffoods.1990）。淀粉结构对特性的影响——糊化•糊化与淀粉粒分子间的缔合程度、分子排列紧密程度、微晶束的大小及密度有关。分子间缔合程度大，分子排列紧密，拆开分子间的聚合和微晶束就要消耗更多的能量，淀粉粒就不易糊化；•较小的淀粉粒内部结构比较紧密，糊化温度相对较高。•直链淀粉分子间的结合力比较强，含直链淀粉较高的淀粉粒糊化温度高，糊化较难。淀粉结构对特性的影响——老化•直链淀粉分子是线性分子，呈直链状构造，在糊液中空间障碍小，易于取向有序排列，容易老化。•支链淀粉分子呈树枝状构造，在溶液中空间障碍大，不易凝沉。•但是，直链淀粉分子量大的，取向困难；分子量小的易于扩散，均不容易老化，只有分子量适中的才易于老化。直链淀粉构成比例越大越易老化。支链淀粉含量高的较难凝沉。各种天然淀粉的结构与糊化、老化特性关系表：淀粉结构对特性的影响——玻璃化转变水分含量淀粉是一种可与水共混的生物高聚物，RuanR和ChenPL研究发现（1991年）：水的增塑作用会增强处于玻璃态淀粉无定形区链段活动性，故而降低玻璃化转变温度；另一方面，水使聚合链间氢键被破坏，减弱分子间相互作用力，使分子链获得更大活动性，从而使分子和分子链全部冻结所需温度（即Tg）降低。Zeleznak研究了小麦淀粉的和预糊化小麦淀粉的水分含量与Tg的关系，如下图，可以看出，这些淀粉的Tg都随水分含量的升高而降低：淀粉结构对特性的影响——玻璃化转变淀粉结晶度SalvadorA等人（2005）研究发现天然淀粉含有15%~30%结晶区，而预糊化淀粉无结晶区，前者Tg在相同水分含量下明显高于后者。淀粉—水体系在Tm处发生熔融转变，即淀粉糊化，淀粉从有序晶体结构转变到无序无定形结构。对淀粉而言，结晶区并未参与玻璃化转变，但却限制淀粉主链活动；具有较高结晶度淀粉，限制链段活动能力越强，相应Tg也越高。MTkalichevsky等人发现不同种类的淀粉，其支链淀粉分子侧链越短并且数量越多，增塑效果越强，则Tg也相应越低。如小麦支链淀粉比玉米支链淀粉侧链更多，更短，其Tg也比玉米支链淀粉的Tg小。天然淀粉结构对食品品质的影响由农作物和植物制得的淀粉称为天然淀粉。在食品工业中，天然淀粉的结构不仅影响着被加工食品的成品品质，还会影响食品的贮藏品质；除此之外，根据天然淀粉结构的差异还会选择性地将其作为食品添加剂加入到食品中，以该改善食品的原有品质。天然淀粉结构对面条品质的影响•淀粉占面条生产原料的75%~80%。•在面条的制作中，生淀粉几乎不吸水，而是被包埋在面筋吸水膨润形成的网络中，使面条具有弹性，能被延压成形。•在面条的蒸煮过程中，淀粉通过糊化吸水赋予面条粘弹性和柔软的口感。•而在贮存和烹调后，淀粉构成的凝胶则会随着时间不断老化，使面条口感变硬，品质下降天然淀粉结构对面条品质的影响天然淀粉结构对面条品质的影响研究表明，直链淀粉含量对面条品质有负效应。ToyokawaH等人用组分分离、重组法研究发现，制作优质面条的小麦品种应具有一个合适的直链淀粉与支链淀粉比率，直链淀粉含量高的小麦麦粉制成的面条不易糊化但易老化，食用品质差、无韧性、粘性大；而直链淀粉含量偏低或中等的小麦粉制成的面条易糊化且不易老化，食用品质好、有韧性、粘性小。天然淀粉结构对面条品质的影响天然淀粉也是面制品生产中常用的品质改良剂，它的结构及性质对面制品品质的影响很大。例如鲁战会、李里特研究发现马铃薯淀粉由于其支链淀粉含量高，因此添加马铃薯淀粉制成的面条口味淡、组织细腻透明、面条柔软，咀嚼性好。天然淀粉结构对面条品质的影响鲁战会等人还发现作为纯支链淀粉的蜡质玉米淀粉，吸水膨胀速度快，以其制成的面条煮制时间短、柔软有弹性、口感滑爽，贮存后硬化较慢，但蒸煮溶出率大。王显伦等人研究发现添加玉米淀粉的面条颜色白、筋力强，放置后很少产生断条发黏，但谷物口味重。天然淀粉结构对米粉品质的影响米粉又叫米线、河粉，是以大米为原料，经过浸泡、粉碎或磨桨、糊化、挤丝（或切条）等一系列工序制成的细条状或扁宽状的米制品。大米原料中淀粉含量占其干重的85%以上。淀粉的糊化、凝胶的形成和老化是米粉制作的理论基础，因此淀粉的结构是影响米粉品质的重要因素。•孙庆杰等人研究发现，采用不同品种大米制作米粉时，大米中直链淀粉和支链淀粉含量的高低及其比例直接影响米粉的品质。•直链淀粉含量高的大米淀粉制成的米粉成品密度大，口感较硬；•而支链淀粉含量适当高时，制成的米粉韧性好，煮食时不易断条；但支链淀粉含量过高时，大米淀粉在糊化过程中迅速吸水膨胀，其黏性较强，制作米粉时容易并条，而且韧性差、易断条。天然淀粉结构对米粉品质的影响天然淀粉结构对米粉