糯玉米淀粉的理化性質及其在食品中的應用研究進展

婁海偉,王 媛,趙仁勇

河南工業大學 糧油食品學院,河南 鄭州 450001

根據聯合國糧食及農業組織公布的最新數據,1961—2020年,全球的玉米產量從2.05億t增至11.63億t[1],玉米作為優質的糧食作物得到了迅速的發展。根據國家統計局發布的數據顯示,1978年我國的玉米年產量僅為5 595萬t;2021年我國的玉米年產量增至2.7億t,顯著高于小麥(年產量1.4億t)和稻谷(年產量2.1億t)[2],玉米已成為我國重要的糧食作物之一。我國的玉米種類繁多,由于直鏈淀粉含量的差異,被分為糯玉米、普通玉米和高直鏈玉米[3]。近些年來,糯玉米因其獨特的口感品質,深受消費者的喜愛。

糯玉米是由普通玉米經自然突變并通過人工篩選得到的品種[4],其胚乳呈無光澤的蠟質狀,又被稱為蠟質玉米[5],與碘液反應呈棕紅或褐紅色,蒸煮口感黏糯香甜[6]。糯玉米淀粉幾乎完全由支鏈淀粉構成,具有較高的食用品質和使用價值。目前,糯玉米淀粉大多被用于制作變性淀粉,通過物理[7]、化學[8]或生物[9]等方式對淀粉進行處理,有助于推動糯玉米淀粉產業的發展。但是食品法規對變性淀粉的要求十分嚴格,基于天然、綠色、食用安全的考慮,越來越多的消費者更傾向于選擇天然糯玉米淀粉。糯玉米淀粉的性能及用途尚未被完全發掘,其產業發展緩慢,基于國家“釋放新需求、創造新供給”的食品科技創新政策,有必要深入研究天然糯玉米淀粉的理化特性并探索其合適的應用領域,對其產業發展具有推動作用,為其高值化利用奠定理論基礎。

1 糯玉米的起源及其淀粉的合成機制

1908年,糯玉米作為優質的種質資源在我國首次被發現[10],大多數分布于西南部及中原地區[11-12],其中在西雙版納等地區種植的四路糯、紫稈糯及曼金蘭黃糯等品種較為原始。隨著人們對糯玉米接受度的提高,我國擴大了對糯玉米的繁育,培育出眾多的糯玉米品種,其中根據胚乳的顏色可分為黑糯、紫糯、花糯、白糯、黃糯玉米等[13]。在營養方面,糯玉米中的賴氨酸和色氨酸的含量較高,具有良好的生理功能[14],并且胚乳中高含量的支鏈淀粉易被人體消化吸收[15]。糯玉米除了被用于制作鮮食玉米外,還被用于制作糯玉米淀粉(Waxy corn starch,WCS),WCS具有較強的黏性、溶脹性和抗老化性等特點,因此,糯玉米作為高品質谷物具有巨大的商業價值和發展潛力[16]。

糯玉米淀粉獨特的理化性質與其高含量的支鏈淀粉構成有關,其中支鏈淀粉的合成受隱性蠟質基因(wx)的控制,隱性純合子(wxwx)存在時胚乳中支鏈淀粉含量幾乎達到100%。支鏈淀粉的形成是一個復雜的生化過程,基因直接調控糯玉米中淀粉合成酶的豐度,進一步調控支鏈淀粉的含量,其中淀粉合成酶(Starch synthase,SS)和分支酶(Starch branching enzymes,SBE)協同控制支鏈淀粉的合成,主要通過切斷淀粉分子鏈上的α-(1,4)-糖苷鍵并連接上α-(1,6)-糖苷鍵合成支鏈淀粉,如果SS的基因喪失或被突變就會導致支鏈淀粉含量下降。玉米的蠟質基因位于9號染色體,其中突變體wx-7的wx基因的外顯子7尾端的堿基缺失,導致基因的表達受阻,使顆粒結合型淀粉合成酶(Granule-Bound starch synthase I,GBSS I)的活性喪失,阻礙了GBSS I催化ADP-葡萄糖合成直鏈淀粉,使支鏈淀粉的含量提高[17-20]。糯玉米淀粉的糯性不僅受基因的控制,還受外部環境的影響,為了提高糯玉米淀粉的純度,需使糯玉米與其他玉米品種保持安全的種植距離。

2 糯玉米淀粉的結構和理化性質

2.1 糯玉米淀粉的組成與結構

糯玉米淀粉是通過糖苷鍵連接而成的一種天然生物大分子[21],幾乎完全由支鏈淀粉組成[22]。支鏈淀粉呈高度分支化的復雜結構[23-24],由A鏈、B鏈和C鏈組成[25],其中A鏈是一條單獨的無分支的淀粉鏈,通過α-(1,6)-糖苷鍵連接在B鏈上;B鏈攜帶一個或多個A鏈,其結構多種多樣,是淀粉結構的核心;每個大分子含有一個C鏈,擁有淀粉鏈中唯一的還原性末端[26-27]。支鏈淀粉參與淀粉結晶和無定形結構的形成,被分為外鏈和內鏈[28],外鏈呈雙螺旋結構進而形成結晶薄層,內鏈呈無定形狀態從而形成非晶態層[29]。糯玉米淀粉內部呈“年輪”般的生長環結構,各層輪紋以一個“臍”為中心環繞,其中生長輪的數量和大小取決于淀粉的結構[30],鏈長影響淀粉的糊化、消化和老化等特性[31]。

2.2 糯玉米淀粉的理化性質

2.2.1 糯玉米淀粉的糊化特性

對淀粉溶液加熱時,溫度升高可使水滲透入淀粉顆粒的速度加快,促進淀粉吸水膨脹,導致部分分子鏈從淀粉顆粒中溶出,淀粉顆粒在不斷地吸水中破裂,從而改變淀粉溶液的黏度,這一過程稱為淀粉的糊化,即天然淀粉顆粒失去規則的晶體結構,形成無定形分散狀態的過程[32-33]。支鏈淀粉呈高度分化的樹枝狀,水分子易滲透入淀粉顆粒的內部,在糊化過程中能夠快速吸水膨脹,糯玉米淀粉膨脹的體積是普通玉米淀粉的2.7倍以上[34]。糯玉米淀粉的糊化特性顯著影響食品品質,Wang等[35]研究發現糯玉米淀粉具有糊化溫度低、溶脹快和峰值黏度高等特點,可以改善面條的蒸煮特性,提高其彈性和咀嚼性。淀粉的糊化特性亦會影響面制品的水合作用和黏彈性[36],Van Hung等[37]發現交聯糯玉米淀粉能夠降低復配粉的糊化溫度和峰值溫度,提高最終黏度,可用于改善面團或面包的柔軟性。因此,基于糯玉米淀粉易糊化、峰值黏度高、持水性強等優勢特性,可用于提升食品的品質。

2.2.2 糯玉米淀粉的老化特性

面制品的老化是普遍存在的現象,會引起面包、饅頭等食物的表皮干裂、體積縮小以及水分流失等問題[38-40]。在儲存過程中,面制品品質的變化與淀粉的結構和性質有密切關系,糊化后的淀粉顆粒在冷卻階段會重新排列并形成結晶[41],結晶的出現提升了重組淀粉顆粒的剛性和硬度[42]。因此,面制品在儲存過程中會逐漸失水、變硬并掉渣,口感品質下降。

淀粉的老化分為直鏈淀粉的短期老化和支鏈淀粉的長期老化,高度分支化的支鏈淀粉具有回生值低[43]、抗老化能力強,糯玉米淀粉中支鏈淀粉含量較高,適宜添加于面制品中以延緩面制品的老化。Xiao等[44]發現脫支糯玉米淀粉有助于抑制普通玉米淀粉的短期老化;顧娟等[45]發現糯玉米淀粉可以降低湯圓粉的沉降值,減緩湯圓的老化。因此,糯玉米淀粉可用于延緩面制品的老化,改善食品的儲藏穩定性。

2.2.3 糯玉米淀粉的透明度

淀粉的透明度是影響淀粉用途的重要指標[46]。隨著時代的發展,飲食習慣也發生了改變,越來越多的消費者傾向于食用外觀獨特的產品,因此商家推出了高透明度的食品來迎合消費者的需求,如粉皮、粉條、水晶蝦餃和水晶湯圓等。由于糯玉米淀粉具有易糊化的特性,淀粉顆粒在水中迅速膨脹,形成均勻的淀粉溶液,可降低光的反射和折射。直鏈淀粉分子鏈之間容易締合形成折疊的構象,光透過淀粉溶液的強度降低[47],而高度分支化的支鏈淀粉較難締合,使糯玉米淀粉溶液呈現透亮的狀態,因此其透明度較高。由于糯玉米淀粉具有較強的持水性和較高的糊化黏度,支鏈淀粉不易與水發生分層,儲藏一段時間后淀粉溶液仍具有較高的透明度。因此,糯玉米淀粉適宜應用于對透明度有一定需求的食品。

2.2.4 糯玉米淀粉的消化性

人體每日攝入的碳水化合物大多來源于面制品,淀粉在人體的消化和吸收中占據重要的地位[48]。在胃和腸道中,淀粉的水解效率與淀粉的顆粒大小、表面結構、直鏈淀粉和支鏈淀粉的含量有關[49],顆粒小且表面存在孔洞結構的淀粉水解效率較高。相比于直鏈淀粉,支鏈淀粉的分子量大、結構分散且不易聚集、高度分支化、具有較大的比表面積,容易被淀粉酶水解,易于被人體消化吸收。糯玉米淀粉具有較高的支鏈淀粉含量,消化率為80%～90%[50],適宜于營養需求較高的嬰幼兒及腸胃功能較弱的人群。

2.2.5 糯玉米淀粉的凍融穩定性

當今冷凍速食行業發展迅速,人們對預加工即食食品的需求量增大,其中許多預加工面制品被冷凍后出售。然而在冷凍時,水分會在食物基質中形成聚集性的大冰晶;解凍時,水分又非常容易從致密的網絡結構中析出,導致面制品失水、軟化,從而影響產品的品質[51],因此含有淀粉的食品,在加工、運輸、保藏和銷售中經過多次冷凍及解凍過程,食品的品質下降[52]。糯玉米淀粉具有較強的持水性和凍融穩定性,在多次凍融過程中仍然保持較高的穩定性,因此,糯玉米淀粉適宜應用于冷凍食品行業。

3 糯玉米淀粉在食品中的應用

糯玉米淀粉具有峰值黏度高、回生值低、透明度和消化率高、凍融穩定性強等優勢特性[53],具有較好的應用價值。淀粉對食品品質的影響十分顯著,如峰值黏度高的糯玉米淀粉可用于制作食品的餡料,使內餡不易松散;回生值低的糯玉米淀粉可提高食品的儲藏穩定性,延緩面包和糕點的老化[54];持水性好的糯玉米淀粉可提高乳劑[55]、醬汁[56]、果醬[57]和色拉汁等乳狀液的細膩度;糯玉米淀粉的易消化吸收的特性,有益于嬰幼兒食品的開發等[58]。以下將進一步闡述糯玉米淀粉在面制品、脂肪替代物、乳狀液及增稠劑等方面的應用研究進展,為推動糯玉米淀粉產業的發展提供理論基礎。

3.1 糯玉米淀粉在面制品中的應用

糯玉米淀粉應用于發酵面制品時,在面團醒發和蒸制的過程中能夠很好地保持住氣體,使發酵面制品的體積增大,同時也可以提高產品的柔軟度和蓬松度等[54,59]。但目前大多數研究是關于變性糯玉米淀粉的應用,如Dapcevic-Hadnadev等[60]發現辛烷基琥珀酸糯玉米淀粉能夠提高淀粉凝膠的黏性及彈性,增加面團的延展性和面包芯的柔軟度。

糯玉米淀粉應用于非發酵面制品時,可有效改善面團的硬度和回復性,提升產品的感官品質和蒸煮品質等[61]。如Guo等[16]發現糯玉米淀粉較糯米粉具有更好的凍融穩定性、更高的糊化黏度和更慢的凝沉速率,可替代糯米粉應用于湯圓、糯米團和年糕等速凍黏性面制品中。Yu等[62]發現糯玉米淀粉可提高面條爽滑、筋道的口感,也能夠提高方便面的復水性等;侯漢學等[63]發現羥丙基磷酸交聯糯玉米淀粉可改善面團的流變學性能,降低面條的溶出率。因此,糯玉米淀粉在面制品中具有較好的應用前景。

3.2 糯玉米淀粉作為脂肪替代物的應用

為了滿足消費者對脂肪質地和口感的需求,食品行業使用具有獨特質地和風味口感的功能性脂肪替代物來降低食品中的熱量,以避免高脂飲食造成的健康問題[64]。Abu-Hardan等[65]發現糯玉米淀粉和脂肪的復合物可以作為脂肪替代物應用于食品中,并且不會因為脂肪含量的降低而出現食品口感下降的問題,為低脂食品的開發提供了新的原料支持。Heydari等[66]發現使用高壓處理后的糯玉米淀粉替代低溫乳劑中的脂肪,可以有效地提高乳劑的Zeta電位、硬度以及稠度等,也可以降低乳劑的平均粒徑和分散指數。此外,添加糯玉米淀粉不僅能夠提高乳劑的穩定性,還可降低50%的脂肪含量。Garzoan等[67]采用糯玉米淀粉-脂質復合物制備曲奇餅干,有效降低了起酥油的添加量。Diamantino等[68]發現辛烯基琥珀酸糯玉米淀粉可以提高脫脂干酪的水分含量,改善其口感質地。以糯玉米淀粉作為脂肪替代物,可為患有肥胖癥和心血管疾病的人群提供低脂、低能量的食物,也有助于普通人群遠離高脂飲食引發的疾病。

3.3 糯玉米淀粉在乳狀液和食品增稠劑中的應用

兩種互不相溶的液體混合形成的分散體系為乳狀液,如蠔油、沙拉醬和蛋黃醬等[69],在這些產品的加工過程中,常需要添加增稠劑、乳化劑等來提高分散體系的穩定性。Xu等[70]發現小顆粒的淀粉能提升空間位阻效應,改變界面性質。Pickering乳液是一種通過添加固體顆粒來提高穩定性的乳狀液[71],使用辛烯基琥珀酸糯玉米淀粉和殼聚糖,可以在pH 6.5條件下穩定Pickering乳液,使其具有較高的濁度、表觀黏度和熱穩定性。Jo等[72]發現辛烯基琥珀酸糯玉米淀粉可有效提高體系的穩定性,尤其是中性或堿性條件下,不會對胃腸道產生損傷。Jo等[73]利用辛烯基琥珀酸糯玉米淀粉制備白藜蘆醇乳劑,提高了白藜蘆醇的消化性和酸性條件下的乳劑穩定性,增強了白藜蘆醇的生物可及性。糊化后的糯玉米淀粉具有較高的峰值黏度,可以改善乳狀液的穩定性。Bortnowska等[55,74]發現糯玉米淀粉對醬汁的增稠效果顯著優于馬鈴薯淀粉,對開發高品質醬汁具有重要的意義。Costa等[75]發現4%的糯玉米淀粉添加量可以提高益生菌發酵的大米副產物的稠度,據此研發出了一款口感與營養較好的酸奶類制品。因為糯玉米淀粉能夠顯著提高乳狀液的穩定性并增加乳狀液的稠度,所以糯玉米淀粉在乳狀液、增稠劑等領域具有很大的應用潛力。

3.4 糯玉米淀粉作為微膠囊材料的應用

微膠囊技術用于保護和緩釋微膠囊內的成分,其中微膠囊由壁材和芯材組成,在食品中,壁材通常被用于包裹固體飲料、風味調味品和色素等。壁材的選擇需要考慮其物理化學性能,雖然糯玉米淀粉具有較好的透明度和成膜性,但天然糯玉米淀粉直接作為生物活性物質的緩釋材料仍具有一定的局限性,因此常采用變性糯玉米淀粉作為微膠囊的壁材。如薛軍[34]發現雙重酯化糯玉米淀粉微膠囊產品的表面結構較穩定,較好地保護了芯材物質VE。雷欣欣等[76]使用羥丙基-辛烯基改性糯玉米淀粉制備壁材,將油脂包裹在其中,壁材表面的油脂含量下降,提高了包油能力。糯玉米淀粉也是很好的芯材材料,如Park等[77]采用海藻酸鈉包裹糯玉米淀粉,降低了糯玉米淀粉的消化速率,制備的微膠囊適用于高血糖和高血壓等人群。糯玉米淀粉既可以作為微膠囊的壁材也可以作為微膠囊的芯材,對糯玉米淀粉產業鏈的延長具有重要意義。

3.5 糯玉米淀粉與食用膠體結合的應用

糯玉米淀粉可以與食用膠體形成穩定的混合體系。Liu等[78]發現糯玉米淀粉與卡拉膠形成了穩定的水凝膠結構,卡拉膠通過吸附周圍的水分來促進淀粉分子間的相互作用,從而獲得更強的網絡結構。Sahin等[79]發現糯玉米淀粉可以與瓜爾豆膠、阿拉伯膠或卡拉膠制作無蔗糖點心,有效提高點心的內聚性和硬度等感官品質。

4 總結與展望

糯玉米作為一種優質的谷物,其淀粉具有獨特的品質,但目前糯玉米淀粉的發展十分緩慢,在國家食品科技創新的新政策背景下,很有必要了解糯玉米淀粉的理化性質和糯玉米淀粉在食品中的應用。基于此,首先簡述了糯玉米的起源和糯玉米淀粉的合成機制;其次闡述了糯玉米淀粉的優勢特性對食品品質的影響,并分析了其糊化特性、老化特性、透明度和消化性等,對維持食品內部結構的穩態、延緩面制品的老化、提高食品的透明度和口感品質等方面具有重要的意義;最后總結了糯玉米淀粉在食品中的應用研究,有助于進一步推動糯玉米淀粉產業的發展,為糯玉米淀粉的高值化利用開辟新途徑,為糯玉米淀粉的可持續發展奠定理論基礎。

隨著時代的發展和進步,糯玉米及其淀粉在食品行業中迅速發展并占據重要地位,但仍存在一些亟待解決的問題:(1)培育支鏈淀粉純度更高的糯玉米品種;(2)探索綠色、安全且高效的糯玉米淀粉提取新技術,以期提高糯玉米淀粉的提取率;(3)挖掘糯玉米淀粉的優勢特性;(4)基于糯玉米淀粉的理化性質,進一步拓展其應用領域,開發更多的糯玉米淀粉產品,滿足不同消費者的需求,如具有良好抗老化性的面制品、具有良好凍融穩定性的冷凍食品等;(5)拓展糯玉米淀粉的應用領域,如化妝品、藥物的膠囊殼等。