甘薯淀粉的結構特性、物化特性及其加工應用

馬 晨，孫 健，張勇躍，鈕福祥*，朱 紅，徐 飛，岳瑞雪，張 毅，張文婷，王洪云

(1.江蘇徐淮地區徐州農業科學研究所/江蘇徐州甘薯研究中心，江蘇 徐州 221131；2.河南省漯河市農業科學院，河南 漯河 462300)

甘薯(IpomoeabatatasL.)，屬于旋花科甘薯屬一年生或多年生塊根作物，其風味獨特，富含淀粉、胡蘿卜素、維生素、10余種微量元素以及膳食纖維等，具有很高的營養價值和藥用價值，深受國民喜愛。據聯合國糧農組織統計，2019年我國甘薯種植面積為237萬 hm2，產量為5199萬t，居世界首位。

淀粉作為植物的貯存養料，是人類供能的主要營養物質，一般存在于谷類、植物根、莖和種子中。淀粉是甘薯的主要成分之一，約占甘薯塊莖干基重的50%～80%[1]。甘薯淀粉因其產量高、價格低廉等優勢，已經被廣泛應用于食品生產等領域。但是甘薯品種特性各異，不同品種甘薯淀粉的基本成分、分子結構、物化特性及產品品質具有較大的差異。此外，甘薯淀粉加工行業良莠不齊，企業生產規模小、行業工業化程度低、技術工藝滯后、超劑量違法添加、耗能高污染大等問題導致缺乏產業研發創新能力，嚴重影響甘薯淀粉行業的現代化進程[2]。

目前，國內外致力于研究甘薯淀粉特性并將其應用于加工產業，以期開發高品質、高附加值的甘薯淀粉制品，但缺乏系統的甘薯淀粉的物化特性及應用現狀的總結，因此本文綜述了近年來國內外學者對甘薯淀粉的結構特性、糊化特性及功能特性等方面的研究及在食品加工行業的應用，以期為甘薯淀粉的研究及加工應用提供理論參考。

1 甘薯淀粉的結構特性

1.1 化學成分

甘薯淀粉產品中通常含有約84.30%的淀粉，2.50%～13.35%的水分，含有少量的蛋白質、脂質、磷等成分，其化學成分的含量(質量分數)詳見圖1[1,3-4]。這些化學成分含量雖然少，但是會影響淀粉吸水、膨脹、回生等特性。據報道，淀粉糊化過程中脂質通過與直鏈淀粉復合，阻礙淀粉膨脹與消化，提高結晶度[5]；同時，脂質的存在也導致淀粉糊黏度與透明度下降，穩定性提高[6]。而磷能與淀粉分子以共價鍵結合，因此磷的存在會增加淀粉的凝膠強度、黏度和透明度，提高粉條品質[7-8]。

1.2 淀粉的形態與組成

淀粉是由葡萄糖分子聚合而成的長鏈化合物，通過相互纏繞與相互作用形成淀粉粒。淀粉按照形態差異，可分為單粒淀粉、復粒淀粉和半復粒淀粉[9]。由于淀粉生物合成酶基因多樣、成長環境各異，故不同物種淀粉粒形態與尺寸存在差異。甘薯淀粉的形態多呈現圓球形、類圓球形、橢圓形、半球形、多面體形且棱角分明，其粒徑范圍為4～50 μm[10-12]。通常淀粉的粒徑越小，膨脹勢和溶解度越小，消化率越高，所制粉條的質構性質越好[13]。

天然淀粉粒外層為支鏈淀粉，內層為直鏈淀粉，均由D-葡萄糖組成(圖2)。直鏈淀粉以α-1,4-糖苷鍵連接而成，鏈長約為250～300個葡萄糖單位；支鏈淀粉由多個較短的1,4-糖苷鍵短鏈結合而成，每兩個短直鏈之間的連接為1,6-糖苷鍵。甘薯淀粉中直鏈淀粉含量約為13.21%～20.11%，支鏈淀粉含量約為79.89%～86.79%，表明甘薯淀粉中主要為支鏈淀粉[14]。不同品種甘薯淀粉的直鏈/支鏈淀粉含量與結構各異，同一品種的甘薯淀粉在不同生育期、貯藏期也有差異，這也會影響淀粉的溶解性、糊化特性及加工性質。由于直鏈淀粉能與脂質形成雙螺旋結構，與支鏈淀粉形成凝膠網絡狀結構，因此直鏈淀粉含量越高，淀粉糊的凝膠強度越大[15]。同時，直鏈淀粉含量越高，支鏈中A鏈比例越低、B1鏈比例越高，淀粉糊的峰值黏度、谷值黏度、終值黏度及回生值、溶解度也越高，淀粉越容易發生老化，粉條彈性越好、耐煮且不易斷條[14,16-19]。此外，糊化過程中高溫使支鏈淀粉間雙螺旋結構分解，因此支鏈淀粉中長鏈越多，淀粉的溶脹性越大。

圖2 直鏈淀粉(A)與支鏈淀粉(B)示意圖

1.3 結晶結構

淀粉顆粒是由結晶、亞微晶和非晶中的一種或多種結構形成的天然多晶體系。結晶區由直鏈淀粉與支鏈淀粉構成，非結晶區由直鏈淀粉構成，亞微晶結構介于非晶結構與結晶結構之間。根據X射線衍射圖譜，可以將淀粉晶型劃分為A型、B型和C型。A型淀粉在2θ為15°、23°處有較強衍射峰，在17°和18°處為雙衍射峰；B型淀粉在2θ為5.6°、15°、17°、20°、22°和24°處有較強衍射峰；C型衍射峰為A型和B型的疊加[20]。一般來說，C型淀粉耐消化，熱力學性質穩定[21]。不同甘薯淀粉的結晶型略有差異。Paixāo[22]研究發現不同顏色薯塊的甘薯淀粉呈現不同的淀粉型，白色和橙色薯塊淀粉表現為CA型，黃色和紫色甘薯淀粉表現為A型。然而，Trung[23]發現白色、黃色與紫色甘薯中的淀粉均為典型的A型。Zhang[24]研究發現寧紫1號紫薯及其6個先進育種品系的淀粉為CA型。引起不同品種、不同顏色薯塊的甘薯淀粉的結晶型及結晶度具有差異的原因在于甘薯淀粉結晶型受甘薯基因型、栽培區域和生長條件等因素影響。此外，淀粉結晶度也會影響淀粉熱特性，結晶度越高，所需糊化溫度越高，熱焓值越大[25]。

2 物化特性

2.1 糊化性質

淀粉糊化是指淀粉懸濁液加熱后淀粉顆粒吸水快速膨脹，變為半透明的凝膠溶液的現象。同時，伴隨著淀粉晶體結構解體、雙折射現象消失。淀粉糊化的實質是淀粉加熱后淀粉分子間氫鍵斷裂，淀粉分子與水分子形成新氫鍵，導致淀粉顆粒解體，淀粉分子離散于溶液中。淀粉糊化過程分為3個階段：首先，少量水分子進入淀粉顆粒內部，顆粒體積膨脹不明顯，此為可逆吸水階段；然后，大量水分子進入淀粉內部，破壞淀粉內部結構，直鏈淀粉逸出，導致顆粒體積迅速膨脹；與此同時，淀粉溶液透明度增加且黏度上升，此為不可逆吸水階段；最后，淀粉顆粒破碎解體，淀粉分子離散地分散于溶液，此為顆粒解體階段[26]。通常采用快速黏度儀(RVA)測定淀粉糊化特性，RVA曲線以時間為橫坐標，單位時間內黏度的變化為縱坐標。RVA曲線中包括糊化溫度、峰值黏度、最低黏度、最終黏度、崩解值和回生值等(圖3)。糊化溫度是熟化淀粉的最低溫度，反映了能量的消耗；峰值黏度是隨溫度上升，懸濁液變為凝膠后的最大黏度，反映了淀粉顆粒的膨脹能力；最低黏度是指由于淀粉分子間距增大，凝膠變為溶膠，引起黏度急速下降，達到最低的黏度值；最終黏度是指溫度降低時，溶液由溶膠變為凝膠后穩定維持的黏度；崩解值反映了淀粉的耐剪切能力，崩解值越低，表明淀粉越耐剪切；回生值反映了淀粉的短期重排能力。

圖3 糊化特性曲線

不同來源淀粉的RVA特征參數具有差異，糊化特性各不相同。對比不同來源淀粉的RVA參數，可以發現甘薯糊化溫度較低，峰值黏度適中，崩解值適中，回生值較低(表1)。同時，不同品種的甘薯之間RVA特征參數也具有差異。甘薯糊化溫度、峰值黏度、最低黏度、最終黏度、崩解值和回生值范圍分別為73.6～82.0 ℃、5578～6475 mPa·s、820～3829 mPa·s、1650～5003 mPa·s、2634～5390 mPa·s、725～1174 mPa·s，表明加工過程中應根據產品特性選擇適宜的淀粉。引起不同品種甘薯淀粉在RVA曲線的特征值具有差異的原因在于淀粉類型、結構和成分等因素會影響黏度特性。此外，淀粉的峰值黏度、谷值黏度、最終黏度、回生值等會影響粉絲的彈性。峰值黏度、最終黏度、崩解值和回生值越大，粉條的質構特性越好、斷條率越低[18-19]。

表1 不同品種淀粉的糊化特性

2.2 熱特性

淀粉的熱特性是指淀粉顆粒糊化過程中，淀粉分子氫鍵被破壞而產生的熱力學變化。通常用差示掃描量熱儀(DSC)測定淀粉的熱力學特性，DSC曲線以溫度為橫坐標，以單位時間內焓值的變化為縱坐標。DSC曲線中包括淀粉糊化的起始溫度T0、最高溫度Tp、終止溫度Tc和熱焓變化△H[31]。T0為凝膠化起始溫度；Tp為凝膠峰值溫度，表示了淀粉分子中長程有序性和短程有序性發生顯著性改變的起點溫度；Tc為凝膠結束溫度，表示了淀粉在該溫度下發生完全凝膠化[32]。△H是淀粉完全糊化所需的熱量，△H越大，表示淀粉顆粒的分子間結構越致密。

由表2可得，不同品種甘薯間淀粉的DSC特征參數具有差異。甘薯淀粉糊化的起始溫度、最高溫度、終止溫度和熱焓范圍分別為65.91～73.94 ℃、75.21～79.35 ℃、82.14～85.71 ℃、2.96～11.51 J/g，表明甘薯具有良好的熱特性。不同品種甘薯淀粉DSC曲線的特征值具有差異的原因在于淀粉尺寸及形狀、結晶度和直鏈/支鏈淀粉等因素影響糊化溫度。此外，淀粉熱焓變化越大，所制粉條的拉伸強度越大，彈性越好[3]。

表2 不同品種甘薯淀粉的熱特性

2.3 流變特性

流變特性是指外力作用下物質發生的流動與變形性質，可以表征物質在流動下的剪切應力與剪切速率的變化關系，反映物質的加工特性。通常采用靜態流變學特性和動態流變學特性來表示物質的流變特性。靜態流變學特性常用來表示大分子溶液/漿在外力作用下的運動速度與阻力，指標包括表觀黏度(ηa)、剪切應力(τ)、剪切速率(γ)。靜態流變學特性可用來研究流體類型，通過獲取剪切應力和剪切速率間關系，將流體分為牛頓型流體和非牛頓型流體。動態流變學特性(動態粘彈性)指在交變的應力作用下物質表現出來的力學響應規律，可以反映流體的動態粘彈性，主要用于研究半固體物質(如凝膠等)的流變特性，指標包括復合黏度(η*)、彈性模量(G′)、黏性模量(G″)和損失因子(G″/G′)。彈性模量是外力作用下的物質形變程度；黏性模量是外力作用下的阻礙物質流動的特性[33]。

經流變特性分析，甘薯淀粉是典型的非牛頓型流體，具有剪切變稀和復合觸變性；在靜態流變特性中，甘薯淀粉糊的剪切應力隨剪切速率增大而逐漸增大，表現出剪切稀化(切力變稀)現象，為假塑性流體；而在動態流變特性中，G′始終大于G″，表明體系以彈性性質為主，呈現典型的弱凝膠體系[15]。然而，不同淀粉的流變特性各異，淀粉的流變性受淀粉的種類、顆粒大小、化學組成、分子結構、分子間的相互作用等影響[34]。Zeng等[35]對比了玉米淀粉和大米淀粉的流變性，兩種淀粉在線性粘彈性區域內，G′遠大于G″，表明淀粉凝膠表現出更多的凝膠或固體性質；相較于玉米淀粉，大米淀粉凝膠由于顆粒較小而難以膨脹變形，因而具有更高的機械強度以及更好的流變性能。孟杰等[36]發現淀粉結構會影響流變特性，淀粉結構越致密，彈性模量G′、黏性模量G″和損失因子越大。Ye等[37]分析發現淀粉的結構特征的差異(特別是淀粉顆粒大小)影響了甘薯淀粉的流變性能。

2.4 溶解度和膨脹度

溶解度和膨脹度是淀粉的基本性質，也是食品加工中的重要性質，反映了淀粉和水的相互作用程度。淀粉的溶解度是指淀粉顆粒吸水膨脹后，直鏈淀粉溶出分散在水中的程度，反映了淀粉的溶解特性。而膨脹度是指淀粉顆粒吸水后膨脹的程度，反映了淀粉的吸水特性。

由表3可知，甘薯淀粉在不同溫度下的溶解度與膨脹度的范圍分別是0.34%～13.89%、1.84～21.28 g/g[38]。甘薯淀粉糊加熱后，淀粉顆粒大小及形狀、結晶度、直鏈/支鏈淀粉、支化度、直鏈淀粉與脂質形成的復合物均會影響淀粉的溶解及吸水膨脹[39]，這也解釋了為何不同甘薯淀粉具有差異性。同時，外界溫度與外源物質添加等環境因素亦影響淀粉糊的溶解度及膨脹度。例如親水性膠體能減輕淀粉對水的吸收，增強淀粉分子間的連接作用力，從而促進淀粉顆粒的膨脹。此外，淀粉溶解度和膨脹勢會極大地影響粉條的品質。溶解度越小，粉條的質構特性、彈性越好；膨脹度越大，粉條的烹煮品質越好；膨脹度越小，復水時水分含量越低，粉條咀嚼性越好[19]。

表3 不同溫度下甘薯淀粉的溶解度與膨脹度

2.5 消化特性

淀粉的消化特性反映了小腸對淀粉的消化吸收能力，通常用體外消化率評價淀粉的消化特性。根據淀粉在腸道內的消化速率，將淀粉劃分為三類：在小腸內快速消化(0～20 min)的快消化淀粉(RDS)、緩慢但完全消化(20～120 min)的慢消化淀粉(SDS)以及不消化的(>120 min)抗性淀粉(RS)[40]。在消化過程中，RDS促使血糖快速上升，SDS緩慢消化以持續供能，而RS則在大腸中很難消化。因此，RS具有調節血糖、血脂、腸道菌群的功能，在未來發展中具有重大發展潛力[41-42]。

不同來源的淀粉消化特性各異，反映了不同的顆粒性質和分子構象特征[43]。由表4可知,甘薯的RDS、SDS以及RS范圍分別為9.83%～11.34%、2.27%～3.99%和84.67%～87.90%，表明甘薯淀粉具有較高比例的慢消化淀粉以及抗性淀粉，且水解率較低。部分學者認為淀粉消化特性取決于淀粉比例及結構、直鏈淀粉含量、淀粉分子精細結構(顆粒大小)、殘留的蛋白及脂質[37,44]。然而Zhou等[45]則認為直鏈淀粉含量與快消化淀粉含量無關。造成結論不一致的原因可能是大多數研究均是比較不同基因型甘薯淀粉，而不同甘薯淀粉的性質各異使淀粉直鏈淀粉含量與消化性之間的關系變得復雜。

表4 不同淀粉的消化特性

3 甘薯淀粉在食品加工業的應用

甘薯淀粉是甘薯加工的主要產物，在食品行業中應用廣泛。但是甘薯加工準入門檻低、產品價位較高，故“三粉”(淀粉、粉條/粉絲、粉皮)仍舊是甘薯淀粉的主要加工形式。此外，甘薯淀粉黏度高、回生快，所得甘薯“三粉”透明度好、成膜性高、爽滑筋道、耐煮性好，深受國人喜愛。然而，甘薯淀粉加工行業良莠不齊，存在生產企業規模小、行業工業化程度低、技術工藝滯后、違法添加、耗能高、污染大等問題，對甘薯淀粉產業發展提出了極大的挑戰，因此淀粉生產企業的整改迫在眉睫[2]。

3.1 甘薯淀粉的研究現狀

甘薯淀粉提取方法可分為兩種：一種是采用鮮甘薯直接提取，適用于甘薯產地加工；另一種是采用薯干為原料提取，適用于工廠加工。然而以薯干為原料提取淀粉工藝復雜、成本高，故常采用鮮甘薯提取淀粉。提取淀粉常采用酸漿法、旋流法等，規?；a多采用旋流法[48]。

目前，研究者不僅專注于提高甘薯淀粉提取率、減少污染與損耗，而且還將甘薯淀粉加工為粉條、粉絲、粉皮等方便速食產品。但是甘薯淀粉加工仍然存在提取率低、產品單一與品質缺陷等問題，為此國內外做了大量研究來改善甘薯淀粉工藝與生產中的問題。為提高甘薯淀粉提取率與減少損耗，張靜等[49]采用超聲輔助膠體磨與螺桿壓榨機在不加水下鮮榨甘薯，從薯汁和薯渣分離提取淀粉，與傳統提取工藝相比將淀粉提取率提高了7.32%，并減少了廢水量。王豐等[50]開發了基于逆向萃取粉溶滾筒浸提式設備，極大提高了提取率與減少了用水量與廢渣排放。然而天然甘薯淀粉在生產中存在一些局限，為此研究者采用超高壓微射流、高功率超聲、壓熱-凍融循環等方法處理淀粉，處理后的淀粉不僅具有優秀的加工品質,而且還具備多種生理功效[46,51]。肖瑀等[52]利用復合酶法處理甘薯淀粉，處理后的甘薯淀粉具有高比例短鏈和高分支密度的簇狀結構，且溶解度明顯提高。Jong等[10]采用濕熱法處理甘薯淀粉，制備高比例慢消化甘薯淀粉并優化工藝條件，慢消化淀粉產量最大化(50.9%)的濕熱法條件為：113 ℃、含水量22.8%、處理時間8.6 h。此外，甘薯淀粉的安全生產是另一研究熱點。歐陽愛國等[53]結合太赫茲光譜技術探索了甘薯淀粉中明礬含量快速檢測方法，該方法可以快速精確定量分析甘薯淀粉中明礬含量，為監控淀粉安全提供了有力保障。

3.2 甘薯粉條(粉絲)的研究現狀

粉條(粉絲)是傳統的淀粉凝膠制品，甘薯淀粉具有獨特的高黏特性，所制粉條(粉絲)品質優良，口感爽滑筋道，深受亞洲人民喜愛。但并不是所有品種的甘薯都適合做甘薯粉條，經研究后發現盧選1號、商19等品種制作的粉條品質更高[18]。在粉條(粉絲)生產過程中，把控生產步驟與優化工藝十分重要。為此，范會平等[54]與Lee等[55]分別研究了加工過程中的冷凍條件與涂布方式對粉條品質的影響，并優化生產工藝從而提升粉條的品質。廖彪等[56]也向甘薯淀粉中添加富硒水、魔芋精粉優化粉條生產工藝，制得的粉條富含彈性、硒含量高。

隨著生活節奏加快，傳統粉條(粉絲)因需要長時間煮沸熟化而無法滿足人們對食品方便、快捷的需求，為此鄒光友等研發了方便速食粉絲，并采用新工藝生產不含明礬的粉絲，所制的粉絲安全、衛生[57]。隨后顏明霞等[58]基于響應面法以淀粉量、水分含量、微波功率、微波處理時間為單因素，以感官評價為評價指標優化了方便粉絲工藝條件，所制粉絲透明度、黏性、硬度和彈韌性好。

由表5可知，傳統粉絲與方便粉絲在加工工藝、食用特點等方面各具特點[57]。然而無論是傳統粉絲，還是方便粉絲，其制作均利用了淀粉糊的凝膠特性(糊化、回生)，而凝膠的粘彈性及強度會影響粉絲品質，因此淀粉的結構特性和物化特性與甘薯粉絲的品質密切相關。但是研究者所得的淀粉特性與粉絲品質關系的結論并不一致，譚洪卓等[19]認為直鏈淀粉含量、淀粉黏度及回生參數顯著影響粉絲品質，可作為預測粉絲品質的重要指標；Chen等[59]則認為甘薯粉絲品質并不完全受直鏈淀粉含量的影響，淀粉顆粒的尺寸對其品質影響更大。此外，為了改進粉條(粉絲)的品質，研究者向甘薯淀粉中添加魔芋膠[60-61]、沙蒿膠[62]、紫薯全粉[3]、蔬菜汁[63]等改良劑，或用超聲[64]、濕熱[8]等方法改性甘薯淀粉，結果表明這些手段均可不同程度改善粉條(粉絲)的烹煮和質地特性。

表5 傳統粉絲與方便粉絲對比

3.3 甘薯粉皮的研究現狀

淀粉凝膠制品在我國具有悠久歷史，粉皮是其中典型代表之一。粉皮的加工原料主要為薯類、谷類、豆類，其中以甘薯為原料的粉皮顏色銀白光潔、半透明、抗溶化、韌性強、不易折碎、口感爽滑，是最具代表性的粉皮之一。

在傳統甘薯粉皮生產過程中往往會添加明礬改善粉皮品質，但是明礬中含有鋁元素，影響人體健康。鑒于此，20世紀初我國嚴禁向粉皮中添加明礬。但禁止向粉皮中添加明礬，會影響粉皮的生產加工品質。為了改善粉皮品質、尋找明礬替代品，王柳雄等[65]和張龍等[66]嘗試將卡拉膠、瓜爾豆膠和海藻酸鈉等多糖和蛋白類穩定劑加入粉皮中，研究發現這類穩定劑可以改善粉皮的凝膠和持水性能，提高感官品質。邢燕等[67]則選擇天然綠色的糯米粉作為替代品，添加糯米粉制成的粉皮同樣具有硬度適中、持水能力、拉伸性能、口感良好的優點，且更為綠色健康。

添加外源物質可以提高粉皮品質，但更為重要的影響因素是淀粉自身結構與特性。只有探明何種淀粉生產的粉皮具有更優良的品質，才能高效地、靶向地優化淀粉的分子結構與特性。經研究，具有高直鏈淀粉的粉皮干硬、持水能力差，而低直鏈淀粉的粉皮易糊化、耐煮性能差，因此要選用合適支直比的淀粉生產粉皮[67-68]。

3.4 其他

在食品加工業中，甘薯淀粉除了用于加工“三粉”外，甘薯淀粉也可作為增稠劑、保水劑、穩定劑等來改善食品體系的持水性、保水性、黏度，以提高食品的貯藏特性[69]。

4 展望

綜上所述，甘薯淀粉具有黏度高、回生快與熱特性穩定等優良加工特性，目前甘薯淀粉加工的主要形式仍為“三粉”?，F階段我國甘薯淀粉加工產業面臨品種差異、工藝技術、法律法規、綠色環保等諸多層面的挑戰，所以在以后的研究中我們應該分類研究不同品種甘薯淀粉的結構特性、物化特性及功能特性，篩選不同加工適宜性的甘薯淀粉，研發不同類型甘薯淀粉加工產品。同時，借助高新技術改善甘薯淀粉品質，生產具有優良特性的甘薯淀粉及其制品也將是未來重點研究方向。此外，應將甘薯淀粉研究與加工產業密切聯系起來，促進成果轉化，從而推動甘薯淀粉加工產業的現代化進程。