李雪,許晶冰,楊世雄,張玲*,高飛虎*
1(重慶市農業科學院 農產品加工研究所,重慶,401329)2(重慶農科糧油加工技術研究有限公司,重慶,401329)3(重慶市食品藥品檢驗檢測研究院,重慶,401121)
甘薯為旋花科薯蕷科薯蕷屬一年生纏繞草質藤本植物,也被稱為紅薯、番薯、甜薯、山芋、地瓜等,是世界第七大主要糧食作物[1]。該植物起源于美洲中部墨西哥、哥倫比亞一帶,后由西班牙人攜帶至菲律賓等國家種植。16世紀末,甘薯傳入我國[2]。根據聯合國糧農組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO)統計,2021年全球有100多個國家和地區種植甘薯,甘薯的收獲面積為4 096.79 萬hm2,總產量高達8 886.79 萬t,其中亞洲甘薯產量最大,占總產量的61.46%,其次為非洲(33.73%)、美洲(3.79%)和大洋洲(1.03%)[3]。中國甘薯產量居世界首位,2021年甘薯產量達4 783.49 萬t,占亞洲總產量的87.58%,占世界甘薯總產量的53.83%。
目前,甘薯的資源可持續性及其營養價值受到重視。甘薯塊莖中含有蛋白質、果膠、纖維等成分,在加工過程中容易發生褐變,導致甘薯資源未被充分利用。但甘薯淀粉在食品、醫藥和化工等領域有著重要的應用價值,在食品工業中可用作食品添加劑(如增稠劑、穩定劑等)改善食品的持水能力和保持食品的貯藏品質,還可用作加工原料生產粉絲、粉條、粉皮、面條、飴糖等食品。近年來,通過應用新技術提高了甘薯淀粉的提取率、白度等,為其利用奠定了基礎[4]。
根據結構決定性質原理,改性(如物理、化學及生物方法)能在一定程度上改變原甘薯淀粉顆粒的多尺度結構,改善原甘薯淀粉的理化性質,拓寬其應用范圍。本文首先介紹了甘薯淀粉的結構及性質,在此基礎上歸納總結了常用的改性方法、概述了其在食品工業中的應用情況,最終分析了甘薯淀粉資源的應用前景及趨勢。
1.1 甘薯淀粉的組成和結構
淀粉是葡萄糖的自然聚合體,是D-葡萄糖通過α-1,4和α-1,6糖苷鍵連接而成的高聚物,根據葡萄糖分子間的連接方式不同而被分為直鏈淀粉和支鏈淀粉。其中,直鏈淀粉是D-葡萄糖主要通過α-1,4糖苷鍵連接而成的線狀大分子,有些直鏈淀粉含有少量的α-1,6分支;支鏈淀粉是D-葡萄糖通過α-1,4和α-1,6糖苷鍵連接而成的非線狀大分子,支鏈淀粉的每一個分支平均含20～30 個葡萄糖殘基,分支間相距約12個葡萄糖殘基[5]。甘薯淀粉中直鏈淀粉的聚合度約為3 025～4 400(圖1-a);圖1-b為甘薯支鏈淀粉的結構示意圖,支鏈淀粉是由A鏈、B鏈和C鏈構成,聚合度約為900～19 200,分子質量高達1.77×108,支鏈鏈長主要分布在6～45[6]。
a-直鏈淀粉;b-支鏈淀粉
不同品種的甘薯淀粉粒具有相似的形態,多呈圓形、橢圓形和多邊形,其中紫甘薯淀粉粒的形狀多為圓形和多角形。甘薯淀粉粒主要分布在塊根的薄壁細胞內,表面光滑,其淀粉粒的大小受甘薯品種的影響,同一品種甘薯的淀粉粒徑隨著甘薯的成熟而逐漸增大。黃華宏[5]研究顯示,甘薯淀粉的粒徑為14.6～22.8 μm。王文質等[7]研究發現,20 個品種甘薯的淀粉粒徑介于1～45 μm。甘薯淀粉的結晶結構多為C型(含A型和B型的混合結構),同時含有部分A型結晶,在特定條件下,A和B型的混合體晶體可轉變為B型晶體[6, 8]。羅志剛等[8]報道甘薯淀粉的粒徑在5～31 μm。因此,不同品種甘薯淀粉的粒徑存在明顯差異。此外,甘薯淀粉的主要化學成分如表1所示,其含水量一般在13.9%～17%,蛋白質含量0.05%～0.57%,脂肪含量0.14%～0.21%,纖維含量50～70 mg/100 g,磷含量9～22 mg/100 g,淀粉含量83.5%～98.7%,其中直鏈淀粉占比8.5%～38%[5, 9]。
表1 甘薯淀粉的主要化學組分Table 1 Main chemical composition of sweet potato starch
1.2 甘薯淀粉的主要特性
1.2.1 物化性質
甘薯淀粉的顆粒形貌及大小、分散性、支鏈淀粉與直鏈淀粉比例及其特征參數、熱力學特性、結晶類型及程度、共存物等通過影響甘薯淀粉的分散性、糊化及老化等功能特性,最終影響其加工特性及營養特性,也會對其改性產生影響。甘薯淀粉顆粒的大小影響其自身的膨脹勢、溶解度、消化性等性質,通常顆粒越大的淀粉的膨脹勢和溶解度越大,但其消化性降低[10],亦有學者報道淀粉顆粒越小,比表面積越大,其膨脹能力和溶解度越大[6],吸濕性能越強[11]。天然甘薯淀粉不溶于冷水,加熱到一定溫度會使淀粉發生溶脹,淀粉粒中的直鏈淀粉分子向水中擴散而形成膠體溶液,當溫度足夠高時,支鏈淀粉吸水膨脹,進而形成穩定的黏稠膠體溶液。甘薯淀粉的物性見表2,在不同溫度條件下溶解度為1.5%～13.65%,其受溫度影響較大[10];電導率為62.10～536.00 μs[12],甘薯淀粉溶液pH值一般為5.1～7.0[5]。甘薯淀粉的熱特性分析顯示,起始糊化溫度為65.6～75 ℃,峰值糊化溫度為72～79 ℃,終止糊化溫度為81.4～86.8 ℃,其熱焓值為10.0～16.3 J/g[13]。在85 ℃時,甘薯淀粉的膨脹勢在32.5～50 mL/g[10]。樊黎生[14]研究發現,甘薯淀粉粒有輪紋結構,其粒心以不規則放射狀具偏心輪紋的單粒為主,伴有少量2～3 個單粒構成的復粒,甘薯淀粉呈現出較好的持水性和凍融穩定性。
表2 甘薯淀粉的物性Table 2 Physical properties of sweet potato starch
此外,甘薯淀粉可與多糖[15]、醇類[16]、脂質[17-18]、表面活性劑[19]、芳香族化合物[20]等形成特定結構復合物影響其結構和功能特性。
1.2.2 淀粉的糊化特性
淀粉與水形成的懸浮液在加熱過程中,其淀粉結晶區域膠束中的弱氫鍵遭到破壞,部分膠束結構逐漸松散而形成空隙,水分子浸入并與部分淀粉分子通過氫鍵結合,膠束結構進一步被破壞,空隙進一步擴大,水分子繼續浸入,淀粉粒發生不可逆的膨脹。隨著溫度繼續上升,結晶區域膠束遭到破壞而完全崩潰,淀粉分子形成單分子分散態而被水分子所包圍,淀粉懸浮液逐漸變成高黏度的糊漿狀態。在此過程中,淀粉粒中的直鏈淀粉分子游離出來而形成溶膠,破裂的支鏈淀粉則形成凝膠。淀粉粒對加熱和冷卻溫度及其速率非常敏感,遇熱水會發生吸水膨脹、崩裂,經冷卻而形成膠。據報道,甘薯淀粉的糊化溫度為58～90 ℃,其中絕大部分甘薯淀粉的糊化溫度在65.9～79.9 ℃[8,10]。黃華宏[5]研究發現,甘薯淀粉凝膠化的起始溫度、峰值溫度和結束溫度分別為65.7、76.0和82.7 ℃,凝膠化發生在糊化之前。在糊化過程中,甘薯淀粉的最低黏度為90～160 RVU,最高黏度為200～887 RVU,最終黏度為165～240 RVU,崩解值為90～140 RVU[5]。此外,脂類化合物的存在會降低甘薯淀粉糊化期間的峰值黏度,提高甘薯淀粉糊的穩定性;其支鏈淀粉含量及支鏈淀粉中支鏈鏈長和比例也影響著它的糊化情況。
1.2.3 淀粉的老化特性
淀粉的老化可看成是糊化的逆過程。在室溫或低于室溫的條件下淀粉分子運動減弱,趨向有序排列,相互靠攏,糊化的淀粉變得不透明,甚至凝結、沉淀。糊化后的淀粉分子在低溫條件下自動排序,相鄰分子間的氫鍵逐漸恢復,形成致密、高度晶化的淀粉微晶束。在老化過程中,支鏈淀粉結晶、純直鏈淀粉結晶和直鏈淀粉-脂肪復合物結晶的形成是一個動態變化的過程,淀粉凝膠的彈性大于黏度;在4 ℃老化過程中,糊化的甘薯淀粉的直鏈淀粉分子聚集,形成局部有序的凝膠網絡結構,隨后脂肪分子與直鏈淀粉分子交聯而形成直鏈淀粉-脂肪復合物結晶,進而減少了純直鏈淀粉的結晶;支鏈淀粉在老化的7 h左右重結晶,并在14 h以后淀粉的老化以支鏈淀粉結晶為主體[21]。因此,淀粉老化可以分為短期老化和長期老化,前者與直鏈淀粉相關,后者與支鏈淀粉相關,而直鏈淀粉在此階段形成的晶核為支鏈淀粉的長期老化提供晶種源。甘薯淀粉的老化率為30.7%～42.2%,其與直鏈淀粉含量、支鏈淀粉的結構和脂類化合物的存在等均有關[5,22]。
總之,詳細了解甘薯淀粉的組成、形態及其功能特性(如糊化和老化特性)有助于對其進行選擇性或靶向修飾,實現淀粉的定向改造,從而進一步制備和開發新的變性淀粉原料。
天然淀粉具有冷水難溶、糊液穩定性差、老化及成膜性差、抗剪切性能低等特點,這些限制了其廣泛應用。通?？刹捎梦锢怼⒒瘜W、酶處理或復合處理改變淀粉原有的性質(如溶解性、色澤、流動性等),改善原淀粉品質的一些缺陷,獲得所期望的淀粉特性。
2.1 物理方法改性甘薯淀粉
物理改性淀粉具有工藝簡單、易操作及無污染、安全性高等優點,常采用各種物理手段(如力、熱、超聲、超高壓、輻照等)改善淀粉的理化性質、晶體結構和消化性,同時在一定程度上保持淀粉的顆粒及分子結構,主要包括擠壓、超微粉碎、濕熱處理、輻照、超聲波等技術,具體涉及機械研磨、預糊化、濕熱處理、干熱處理等方法。
機械力能夠破壞淀粉粒的結晶區域,使得結晶度降低,從而使得淀粉的理化性質發生顯著改變。目前,球磨機被廣泛用于淀粉的微細化處理,帥英[11]利用高能行星磨對甘薯淀粉進行微細化處理,破壞了淀粉的晶體結構和分子的排列方式,改變了顯微結構,有效改善了甘薯淀粉的粒徑分布,減小了甘薯淀粉的粒徑,增加了比表面積,淀粉吸濕和吸附性提高,但過度研磨會因顆粒機械力化學活性提高而導致小顆粒淀粉發生團聚,進而形成較大的顆粒。高壓微射流亦是通過機械力滲透進淀粉粒,導致淀粉粒的結構和性質發生變化。有研究表明,80 MPa高壓微射流使得甘薯淀粉粒內部出現重結晶現象,淀粉結構更加致密;而120～160 MPa高壓微射流引起甘薯淀粉顆粒破碎,淀粉分子排列紊亂,相對結晶度和熱焓值降低,且改性淀粉的凝膠流變行為改變[23]。采用高壓均質法制備甘薯納米淀粉,在均質壓力80 MPa、均質次數25 次、甘薯淀粉質量濃度3.2 g/100 mL的條件下制備的甘薯納米淀粉呈橢圓形,平均粒徑為214.3 nm,與原甘薯淀粉相比,改性后淀粉的結晶度和熱分解初始溫度降低,懸浮液Zeta電位的絕對值增大,且淀粉在介質中的穩定性增強[24]。
在高于糊化溫度條件下處理水分含量較低的淀粉,淀粉性質改變后的產物屬于濕熱改性淀粉,這類淀粉的理化性質受濕熱改性條件的影響[25]。利用含水量34%的甘薯淀粉在105 ℃改性1 h,得到的濕熱改性甘薯淀粉有序性、相對結晶度增加,直鏈淀粉明顯增加,淀粉分子結構改變,長鏈斷裂,羥基和羰基數量增加,改性淀粉的黏性模量下降[26],改性淀粉糊的谷值黏度、終黏度、回生值及糊化時間和溫度提高,而峰值黏度和衰減值下降,彈性模量上升,快消化淀粉含量降低。MARTA等[27]發現濕熱處理和韌化改性淀粉的膨脹體積、溶解度、峰值黏度和崩裂黏度降低,糊化溫度和回生黏度增加;預糊化甘薯淀粉的體積密度、峰值黏度、崩裂黏度和回生黏度降低,而膨脹勢、膨脹體積、溶解度和水吸附能力增加。此外,反復濕熱處理會改變甘薯淀粉的慢消化淀粉含量、膨脹勢和溶解度[28],反復韌化和持續韌化處理能夠降低抗性淀粉含量和抗性淀粉與慢消化淀粉的總含量,且前者對淀粉的結晶度、溶解度、溶脹力、糊化、糊化轉變溫度、焓和消化率的改性效果是后者的4倍以上[29]。適當超聲波處理可改善淀粉的粒度和結構,提高超聲改性甘薯淀粉的熱穩定性、糊化焓值、溶解度、透光率和膨脹性,較高的功率使得淀粉顆粒變形且黏附碎片增多,有序晶體區域被破壞,雙螺旋結構變得疏松,導致甘薯淀粉的結晶度和熱穩定性降低[30-32]。隨著超聲波時間的延長,改性甘薯淀粉的結晶度、短程分子級數和有序分子結構的變化更加明顯,聚集態結構的無序增加了淀粉的膨脹勢和溶解度,降低了透光率、糊化溫度、峰值黏度、最終黏度和崩解值,淀粉高分子鏈的重排和纏繞形成的強化回生和凝膠結構也表明了超聲波處理過程中淀粉顆粒的結構紊亂[33]。
上述內容表明,物理改性通過改變淀粉的結晶度、分子結構和淀粉的粒度,改善甘薯淀粉的膨脹勢、水吸附能力、溶解度、透光率、黏度、糊化溫度以及消化性等諸多性質,進而獲得理想的改性淀粉,但因受諸多因素(如淀粉組成、處理方式、處理強度)的影響,物理改性淀粉呈現的理化性質并不一致。機械力能夠降低淀粉的粒度,但會達到粉磨平衡,甚至產生較大的能量進一步影響淀粉的性質;非機械力改性雖能夠改善淀粉的性質,但受改性參數和強度的影響較大。采用物理改性處理淀粉時,應根據所需求淀粉的性質選擇合適的改性方法并優化改性參數。總之,由于物理改性安全性高,在物理改性中尋找生產優質改性淀粉(如抗性淀粉)的方法受到持續關注。
2.2 化學方法改性甘薯淀粉
化學改性是利用化學試劑對淀粉進行改性,化學改性能夠改變淀粉的分子結構,同時使得其分子質量減少(如氧化淀粉、酸處理淀粉等)或增加(如酯化淀粉、交聯淀粉等),主要包括酸水解、氧化、酯化、交聯等方式。酸化處理使淀粉發生水解,進而改變淀粉的理化性質,例如鹽酸或檸檬酸改性甘薯淀粉可提高直鏈淀粉含量,晶體類型變為不同結晶度的C型,淀粉粒的光滑性變差且粒徑為8.00～8.90 μm[34]。酸改性甘薯淀粉的持水能力、水吸附指數、糊化溫度隨酸濃度的增加而增加,特別是較高濃度酸處理顯著改善淀粉的乳化特性。乙?；芨淖兊矸鄣男螒B特征,淀粉顆粒形成輕微的聚集或團簇,并在中心區域有較深的溝槽,淀粉的水結合能力、油結合能力、溶解度、糊透明度和凝膠強度增加,但改性淀粉的斷裂強度、凝膠彈性和黏附性降低[35]。三氯氧磷交聯處理甘薯淀粉的性質與交聯劑的濃度相關,該交聯能夠顯著降低甘薯淀粉的膨脹勢、稠度指數、表觀黏度和屈服應力,且隨交聯劑濃度增加(0.01%～0.03%)而顯著降低;交聯甘薯淀粉的糊化溫度和糊化焓高于天然甘薯淀粉,交聯甘薯淀粉漿料的儲能模量和損耗模量高于天然甘薯淀粉,但損耗因子(tanδ)和復合黏度(η*)降低[36]。利用羥丙基化法改性甘薯淀粉,羥丙基取代基位于結晶片層的團簇側鏈的無定形片層(支鏈區)和無定形區之間,羥丙基化主要發生在葡萄糖的O-2、O-3和O-6位置,每10 個葡萄糖單位平均含有2個羥丙基取代基,羥丙基化甘薯淀粉的酶消化物中10～15 個葡萄糖單位的低聚物片段攜帶5～8 個羥丙基基團[37-38]。羥丙基化明顯限制了酶的水解,提高了改性甘薯淀粉的膨脹勢、溶解度、流動行為指數、tanδ值、凝膠穩定性、貯藏穩定性,降低了淀粉的糊化溫度、糊化和回生焓值,且隨著取代度的增加,羥丙基化淀粉糊的稠度指數、表觀黏度、屈服應力、復合黏度和動態模量降低[39-40]?；瘜W修飾亦可改善甘薯淀粉的持水能力、糊化溫度、溶解度,其中酸法改性通過降低淀粉分子質量提高了淀粉的乳化性能,酯化等改性方式能夠增加淀粉的分子質量,改善淀粉的糊透明度和凝膠性能,但交聯改性可提高淀粉的糊化溫度,羥丙基化改性卻降低了淀粉的糊化溫度。根據不同化學改性方式賦予淀粉的優良性能,制作改性淀粉需考慮改性方式和改性強度。
2.3 酶法改性甘薯淀粉
酶法改性是利用酶類(如淀粉酶、脫支酶等)對淀粉進行適度酶解,改變淀粉的分子結構和物理化學特性。糖原分支酶用于淀粉改性,能夠使甘薯淀粉短的側鏈增加(聚合度DP≤12),降低了短的側鏈的比例,增加了長的側鏈(DP≥25)的比例和分子質量,C型晶體向B型晶體轉變,相對結晶度增加;該酶結合淀粉蔗糖酶共同作用于甘薯淀粉,雙重改性甘薯淀粉的慢消化淀粉和抗性淀粉的含量高于原甘薯淀粉,且改性淀粉的熔融溫度范圍變寬,熔融焓降低[41]。酶-酶雙重改性對淀粉的結構和性質的改變亦發揮重要的作用,糖化酶與分支酶協同處理甘薯淀粉,改性后甘薯淀粉的分支度增加,平均鏈長減短,氫鍵減少,抗性淀粉增加,流變性降低,抗老化能力增強[42]。支鏈淀粉酶處理能夠使甘薯淀粉分子脫支,改變淀粉結構,增加直鏈淀粉含量,改變了其糊化性能、糊化溫度、結晶度及回生特性[43]。經過“麥芽糖α-淀粉酶→β-淀粉酶→轉移葡萄糖苷酶”處理后,甘薯淀粉的α-1,6糖苷鍵的比率和聚合度不高于24的短鏈的比例增加,淀粉分子的鏈長變短,分子質量和聚合度高于24的長鏈的比例明顯減少;伴隨著結晶度的降低,甘薯淀粉的C型結構向B型結構轉變,這3種酶對應的改性甘薯淀粉的溶解度增加,黏度、糊化溫度和熔融焓降低[44],而“分支酶→β-淀粉酶→轉移葡萄糖苷酶”修飾增加了甘薯淀粉的分支度,本源淀粉的晶體Ca型轉變成C+V型,相對結晶度降低,溶解度增加,吸熱峰消失,淀粉糊的黏度、儲能模量和損耗模量降低,且損耗模量值高于儲能模量值[45]。酶法改性降低了淀粉的分子質量,改變了淀粉的結晶度和直鏈淀粉與支鏈淀粉的比例,改善了淀粉的溶解度、黏度、熱特性、糊化特性、回生特性以及流變性能。但基于成本考慮,酶法改性在淀粉改性中的研究與應用受到某種程度的限制。
2.4 復合法改性甘薯淀粉
復合改性是利用兩種或以上的改性方法處理淀粉,與單一方法相比,復合改性能夠兼顧單一改性方式的優點,使得淀粉具有特定的功能特性。高壓熱處理結合支鏈淀粉酶修飾可改變甘薯淀粉的晶體結構,提高抗性淀粉的產量,增加直鏈淀粉和較短的支鏈淀粉分支含量及糊化溫度,特別是糊化焓和熱穩定性[46-47]。通常,酸-濕熱法提高了甘薯淀粉中慢消化淀粉和抗性淀粉含量,淀粉的溶解度增加,但膨脹勢和黏度降低[48]。熱處理和蘋果酸處理引起了甘薯淀粉的部分水解,使淀粉的結晶區域和螺旋結構發生酯化重排,紅外光譜顯示改性后甘薯淀粉在1 722 cm-1處有一個明顯的羰基峰[49]。單一微波和微波輔助L-蘋果酸改性甘薯淀粉的膨脹勢、亮度、白度指數、糊化焓均降低,而微波輔助L-蘋果酸處理使得淀粉在1 735 cm-1處產生新的特征吸收峰,改性淀粉中抗性淀粉的含量增加[50]。辛烯基丁二酸酐含量影響甘薯淀粉羥基基團的取代度,而濕熱能夠促進辛烯基丁二酸酐進入淀粉粒,增加?；瘎┡c淀粉分子中羥基的反應,進一步提高該反應的取代度,且提高改性甘薯淀粉中慢消化淀粉和抗性淀粉的含量;辛烯基琥珀?；茐牧烁适淼矸鄣慕Y構,使得改性淀粉膨脹勢增加,改性淀粉的糊化起始溫度、峰值溫度、終溫度降低,但不能改變淀粉的晶型[51]。低溫等離子體輔助支鏈淀粉酶處理甘薯淀粉,與原甘薯淀粉和單一改性淀粉相比,雙重改性甘薯淀粉的結構被顯著修飾,直鏈淀粉含量和短鏈比例增加,改性淀粉的分子量和相對結晶度降低,干擾了近程有序結構,而等離子體對支鏈淀粉酶改性甘薯淀粉仍然有明顯的改善效果,即淀粉的溶解度、熱特性和耐酶水解性能得到增強,膨脹勢和峰值黏度特性減弱[52]。純韌化、酶法韌化和超聲酶法韌化均能明顯地改變甘薯淀粉的結構和性質,改性淀粉的峰值黏度、衰減值、回生值和膨脹勢降低,透明度和油吸附率增加;其中超聲酶法韌化對甘薯淀粉的作用最大,純韌化處理對淀粉的作用相對最低;純韌化處理能夠增加甘薯淀粉的相對結晶度,而酶法韌化和超聲酶法韌化甘薯淀粉的相對結晶度、粒徑、近程分子序和焓變值降低,超聲酶法韌化淀粉的淀粉粒的孔穴數量增加[53]。乳酸菌發酵改性淀粉則是通過乳酸菌產酸、產酶等作用于淀粉而改變淀粉原有的性質,屬于典型的復合改性技術。已有報道指出,乳酸菌發酵能夠破壞甘薯淀粉顆粒的結晶結構,導致淀粉顆粒表面凹凸不平、裂紋、孔洞等,并提高改性淀粉的終黏度、回生值和糊化溫度[54]。壓熱改性提高抗性淀粉含量,同時會增加淀粉的糊化溫度、糊化焓和熱穩定性;物理與化學復合改性能夠促進淀粉化學改性程度,提高慢消化和抗性淀粉的含量,增加淀粉的溶解度,但該法可能降低或提高淀粉的亮度、白度、膨脹勢或黏度,這些性質受淀粉分子質量和官能團的改變而變化;物理與酶復合改性能夠提高淀粉的溶解度、熱特性和耐酶水解性,但會降低淀粉的膨脹勢和黏度特性;乳酸菌發酵改性淀粉是基于發酵過程中乳酸菌及其分泌物復合作用對淀粉改性,提高淀粉的黏度、糊化溫度和回生值,但改性程度很難控制。
綜上所述,盡管物理、化學、酶處理或復合處理能夠改善淀粉原有的性質(如溶解性、色澤、流動性等),獲得性質更符合需求的改性淀粉,但是改性淀粉的性質與原淀粉的來源、結構、組成、改性方法和程度等因素有關。表3中列舉了不同改性方法中代表性的甘薯淀粉改性方式及其改性淀粉的理化性質,不同甘薯淀粉在同一改性方式下的理化性質存在明顯差異,同一甘薯淀粉在不同改性方式下的理化性質存在明顯的差異。
表3 幾種改性方法及其甘薯改性淀粉的理化性質Table 3 Several modification methods and physicochemical properties of their corresponding modified sweet potato starch
甘薯改性淀粉可作為食品加工原輔料及運載體,部分改性淀粉已被批準用于食品工業,其中甘薯改性淀粉基脂肪替代物、抗消化淀粉受到消費者歡迎。目前,甘薯改性淀粉主要用于粉絲、面制品、調味品等食品中,還可用于水果涂膜保鮮。
3.1 改性淀粉在粉絲中的應用
甘薯淀粉磷酸酯能夠替代明礬生產粉絲,且甘薯改性淀粉和復合增筋劑(如魔芋粉和復合磷酸鹽)替代明礬,可降低粉絲的斷條率和蒸煮損失率,提高其食用品質[64]。廖盧艷等[65]研究發現,與原淀粉粉條相比,濕熱改性紅薯淀粉粉條的斷條率降低了70%,粉條的硬度和拉伸強度顯著增加,粉條更加耐煮且不糊湯,粉條的彈韌性增加。超聲波處理通過改變甘薯淀粉的理化性質影響粉絲的品質,在超聲波功率為100 W時,超聲波改性淀粉的粉條的耐煮性增加,斷條率降低,蒸煮損失減少,湯汁透光率增加,感官品質最佳,但繼續增加超聲波功率會降低甘薯改性淀粉粉絲的品質,試驗證明可通過優化改性淀粉的制備方法及條件,篩選更適合粉絲加工用的甘薯改性淀粉[30]。
3.2 改性淀粉在面制品中的應用
在面條生產過程中,面粉的種類和品質主要影響面條的色澤、表觀狀態、黏性和彈性等。付蕾等[66]研究了抗性玉米淀粉對小麥粉面條品質的影響,結果發現抗性淀粉添加量為5%時面條感官評分最高;抗性淀粉添加量為15%時,面條的表面光滑度降低。尉新穎等[67]研究了甘薯淀粉對面條品質的影響,發現甘薯淀粉的添加量對面條的品質影響較大,隨著甘薯淀粉添加比例的增大,甘薯淀粉和小麥面粉混合粉的黏度增加,糊化溫度下降;而面條干物質損失率和蛋白質損失率先降低后增加,干物質的吸水率增加。許蒙蒙[68]研究發現,適量的甘薯淀粉添加量能夠提升面條的品質特性,而過量添加甘薯淀粉會降低面條的品質。通常,適用于面條生產的淀粉需滿足膨脹度高、黏度高及糊化溫度低等特點,適量的外源淀粉添加可改善面條的光亮度、彈性、咀嚼性等感官品質。CHEN等[69]用乙?；R鈴薯淀粉和乙?；适淼矸厶娲←溍娣?結果發現其改善了面條的品質。
在某些情況下,原甘薯淀粉達不到改善特定種類面制品品質的目的,需要對淀粉進行改性,使其滿足特定品質的面制品制作的要求。例如在饅頭制作中,甘薯氧化交聯淀粉影響面團的質地和黏彈性,且受添加量的影響,添加氧化交聯淀粉能夠賦予面團更強的彈性和更大的延展性,添加該改性淀粉的饅頭產品表皮光滑,彈性和韌性增加,氣孔均勻,富有嚼勁,氧化交聯淀粉具有保水保濕的作用,減緩了饅頭品質的變化程度及速度,增強了饅頭的抗老化性[70]。在速凍湯圓中,添加甘薯氧化交聯淀粉提高了湯圓的抗開裂性能,且隨著改性淀粉添加量的增加,湯圓的開裂現象逐漸減弱,并在添加量為6%時,湯圓的完好率達95%[70]。在韌性餅干生產過程中,添加甘薯慢消化淀粉可提高餅干的水分含量,降低餅干的硬度,改善了韌性餅干的外觀、色澤和味道;當甘薯慢消化淀粉添加量為15%時,韌性餅干的硬度最低,但感官品質最高[71]。張蕓[72]發現甘薯抗性淀粉的添加量影響餅干的品質,添加甘薯抗性淀粉改善了餅干的外觀、色澤和味道,但餅干的質地得分降低,咀嚼性、黏結性和回復力有所增加;隨著抗性淀粉添加量的增加,餅干的水分含量、水分活度和彈性逐漸降低。OKEREKE等[73]將改性甘薯淀粉應用于面包,發現改性甘薯淀粉與其他物質復配改變了面包的營養品質。
3.3 改性淀粉在食品調味料中的應用
甘薯改性淀粉在食品調味料中主要起增稠劑和穩定劑的作用。吳磊等[74]研究了甘薯交聯酯化淀粉在番茄沙司中的應用,結果發現添加甘薯交聯酯化淀粉的番茄沙司光澤性好、色澤鮮紅、口感潤滑細膩、酸甜可口,具有該產品特有的香味,并且黏稠性和掛壁性好、貯藏穩定性好。SENANAYAKE等[75]將濕熱改性甘薯淀粉應用到蔬菜湯混合物中,提高了混合物的黏稠度,改善了混合物的感官品質和貨架期。辛烯基琥珀酸酐改性甘薯淀粉可用于蛋黃醬的制作,可降低脂肪含量,增強了乳化特性,提高了儲能模量,使得蛋黃醬呈現類似凝膠的結構[76]。
3.4 改性淀粉在水果涂膜保鮮中的應用
甘薯改性淀粉的糊化溫度低,透明性好,凝沉性小,外觀潔白,成膜性優,可作為可食性保鮮膜和生物降解膜[77-79]。**達等[80]利用異淀粉酶處理玉米淀粉和甘薯淀粉,并將其與其他材料復配制成了良好的水不溶性可食性淀粉薄膜。濕熱改性的甘薯淀粉與孜然精油復合可制備可食性膜衣,其能減少鏈格孢菌引起的梨腐爛病變,延緩果實色澤、硬度和葉綠素降解的變化,抑制梨呼吸作用,減緩梨品質變差,并且覆膜梨氣孔密度保存完好[81]。劉勻昀[82]以干熱變性紫薯淀粉為基質制備涂抹材料,研究抑菌劑濃度與pH對干熱變性紫薯淀粉膜抑菌特性的影響,結果顯示含0.025%尼辛和0.06%那他霉素變性淀粉膜在pH值為7時對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、枯草芽孢桿菌、沙門氏菌、黑曲霉菌、綠木霉菌、青霉菌和根霉菌均具有有效的抑制作用;涂膜有效抑制了微生物生長,阻止鮮切榴蓮內部水分的流失,并維持了榴蓮的感官品質。
3.5 改性淀粉在其他食品中的應用
研究發現,甘薯低交聯淀粉磷酸酯能夠有效控制蛋白質沉淀,提高冰淇淋的膨脹率;同時淀粉酯還可以部分取代果凍粉或卡拉膠而降低果凍產品的脫液收縮率,提高果凍的穩定性,但透明度略有下降;甘薯低交聯淀粉磷酸酯是陰離子型的高分子質量淀粉衍生物,含有大量的親水基團(磷酸基團和羥基團)及磷酸酯鍵,具有很好的親水性,能夠作為良好的乳化穩定劑,并且磷酸酯鍵的引入阻礙了淀粉分子間氫鍵的形成,從而添加甘薯低交聯淀粉磷酸酯能夠減少淀粉老化,提高淀粉糊的穩定性,減弱了凝沉性,繼而能夠改善火腿腸的組織結構和持水能力,最終改善火腿腸的品質[83]。此外,SURENDRA等[84]研究發現,檸檬酸改性甘薯淀粉可作為脂肪替代物制作減脂冰淇淋,其改善了冰淇淋的質量和貯藏性能。RAVINDRA等[85]利用酶法改性甘薯淀粉制作冰淇淋,其降低了冰淇淋的熱量,改善了冰淇淋的感官品質、組成成分、質地和化學性質等。此外,甘薯改性淀粉還應用于蛋糕、糖果、肉制品、發酵制品、乳制品、飲料和保健食品等食品中。
我國是甘薯種植大國,甘薯種植面積和產量居世界首位,甘薯淀粉資源十分豐富。但相比馬鈴薯和木薯淀粉,甘薯淀粉的研究與開發起步較晚,目前需要加強甘薯淀粉的基礎研究、綜合開發及工業化應用,加快我國甘薯淀粉資源的創新發展。根據甘薯淀粉的多尺度結構及其理化性質,通?？刹捎梦锢矸椒ā⒒瘜W方法、酶法和復合技術對甘薯淀粉進行適度改性,通過改善甘薯淀粉結構和功能特性實現提質增效,最終使甘薯淀粉資源滿足現代化工業的最新要求。
近年來,國內外學者在甘薯淀粉的改性研究中取得了諸多成效,但在以下方面還需要深入研究:(1)通過恰當的改性方法開發具有優良性質的改性淀粉替代脂肪等產品,進一步開發營養、健康的淀粉類產品;(2)研究淀粉的綠色改性方法,提高改性淀粉純度,降低成本,滿足生物醫藥行業對改性淀粉原料高純度的要求;(3)考慮到淀粉多尺度結構對其功能特性的決定作用,需重點研究淀粉功能及生物活性的靶向修飾方法;(4)現有結構表征技術難以有效探究改性淀粉的精細結構及變化,需結合新的化學元素和結構分析方法,促進相關機理探索;(5)與傳統改性淀粉的結構和性質相比,一些新的改性淀粉的食用安全性研究尚不深入,需通過細胞實驗、動物實驗甚至臨床實驗來驗證改性淀粉的安全性。
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