燕麥淀粉的制備及物理改性研究進展

李超敏，孫永軍，鞠文明，仇 菊，曹汝鴿*

（1.天津科技大學食品科學與工程學院,食品營養與安全國家重點實驗室,天津 300457；2.好當家集團有限公司,山東 榮成 264305；3.中國農業大學營養與健康系,北京 100083）

燕麥屬禾本科谷物，主要包括皮燕麥（Avena sativa L.）和裸燕麥（Avena nuda）兩種[1]。我國主要種植裸燕麥，主要分布于內蒙古、山西、河北等地區，其中內蒙古地區種植面積居首位[2]。裸燕麥中蛋白質、脂肪、礦物質成分總量及不飽和脂肪酸含量均居糧食作物之首[3]，其水溶性膳食纖維β-葡聚糖更是公認的功能因子[4]。

淀粉是燕麥中最豐富的成分，約占50%～65%[1]。燕麥淀粉顆粒表面光滑、直鏈淀粉鏈長小、相對結晶度較高[5]，具有較好的溶水性和膨潤力，這使得燕麥淀粉與其他谷物淀粉相比具有一定的獨特性，有利于其在常溫條件下的加工。然而，天然燕麥淀粉在食品中的應用通常伴隨著其低熱穩定性、糊狀透明度和抗剪切性以及高糊黏度的問題[6]，為解決這一問題，目前主要是通過物理改性、化學改性、生物改性等對燕麥淀粉進行改性處理。物理改性因其簡單、經濟、環保和安全性，成為改善淀粉性質的首選方法[7]。如圖1 所示，本文綜述了燕麥淀粉的提取、結構特點、理化性質及物理改性方面的最新研究進展。

1 燕麥淀粉的提取方法和結構、理化性質

1.1 燕麥淀粉的提取方法

圖2 為燕麥籽粒的內部剖面結構。燕麥淀粉存在于燕麥粒的胚乳中，被蛋白質和纖維所包圍，與麩皮等其他成分緊密相連[8]，因此燕麥淀粉的提取過程較為困難和復雜。燕麥淀粉的產量受不同品種燕麥中蛋白質含量和提取方法的影響，通常蛋白質含量高的燕麥淀粉產量較低[9-10]。從燕麥中提取淀粉主要有3 種方法，即堿提取法、酶提取法和水提取法。

圖2 燕麥籽粒剖面結構Fig.2 Profile structure of oat grain

1.1.1 堿提取法

相較于其他谷物淀粉，燕麥淀粉和蛋白的結合較為疏松，因此分離燕麥淀粉不需要強堿條件，只需要稀堿就能達到分離淀粉和蛋白質的目的。并且稀堿對燕麥蛋白營養價值和功能特性破壞較小，同時對環境污染也較小[11]。堿提取法易使蛋白質和淀粉分離，且所得淀粉顆粒粒度較小。但該法對淀粉顆粒的破壞程度較大，使其表面出現凹坑并變得粗糙[12]；同時所得燕麥淀粉的溶解度較小、糊化溫度較高，凍融穩定性、熱糊穩定性均較差，且衰減值和回生值較大，更容易老化[13]。

1.1.2 酶提取法

酶提取法所用的酶是蛋白酶和纖維素酶，蛋白酶能減弱淀粉和蛋白質之間的作用力，纖維素酶能夠消化和破壞完整的細胞壁，從而將淀粉分離出來[9,12,14]。酶法提取得到的燕麥淀粉顆粒形狀較為完整，顆粒表面出現的凹坑和破損較少，破損淀粉含量也較低，因而對淀粉顆粒的破壞程度較小。同時，用于水解蛋白質的中性蛋白酶不會破壞淀粉與脂肪的結合，因此酶法提取的燕麥淀粉存在一定量的直鏈淀粉-脂類復合物淀粉[12]。

1.1.3 水提取法

水提取法是在高剪切速率條件下，通過浸泡時濕潤和水解的作用，降低淀粉和蛋白之間的作用力，使得兩者容易分開以提取淀粉[12,15]。水提法對淀粉品質的影響較小，得到的淀粉顆粒中球形顆粒所占比例明顯較大，且淀粉顆粒表面塌陷程度較低。該法得到的淀粉回生值較小，因此得到的燕麥淀粉抗老化能力較強，熱穩定性較好[16]。表1 總結了燕麥淀粉不同提取方法和條件。

表1 燕麥淀粉的提取Tab.1 Extraction of oat starch

1.2 燕麥淀粉的結構

1.2.1 微觀結構

大多數燕麥淀粉具有多邊形或不規則形狀[23-24]，這是由于燕麥淀粉顆粒成簇形成，其中團簇外層的顆粒一側為卵形，而另一側為多邊形[25]。這些團簇的直徑范圍為20～150 μm，平均為60 μm[10]。顆粒表面光滑，無裂縫痕跡以及孔洞。

1.2.2 分子結構

燕麥淀粉主要由直鏈淀粉和支鏈淀粉構成，主要成分是高度分支化的支鏈淀粉[26]。燕麥的直鏈淀粉含量一般范圍為19.4%～29.4%，是由α-D-葡萄糖通過α-D-1,4 糖苷鍵連接成的線性鏈狀分子，呈右手螺旋結構[27]。支鏈淀粉分子各葡萄糖單位之間以α-1,4 糖苷鍵連接構成它的主鏈，支鏈通過α-1,6 糖苷鍵與主鏈相連，分支點的α-1,6 糖苷鍵占總糖苷鍵的5%～6%[3]。支鏈淀粉在淀粉顆粒中以復雜的片層結構存在，是淀粉的主要組成成分[3,27]。燕麥支鏈淀粉聚合度通常在6～37 之間，其中聚合度在6～12 之間和大于37 的鏈分布較少，而在13～24 和25～36 之間的鏈分布較多[28-29]。

1.2.3 晶體結構

燕麥淀粉顆粒致密堆積，具有半結晶結構，特征峰位于15.0°、17.0°、18.0°、20.0°、23.0°、26.0°和30.0°的2θ處，是典型的A 型晶型[30]。而位于20°的2θ可以觀察到明顯的布拉格峰，這是淀粉-脂類絡合物的典型特征[31]。燕麥淀粉的相對結晶度范圍為28.0%～36.5%，低于大多數其他谷物淀粉[24]。在偏振光下，燕麥淀粉顆粒以馬耳他十字的形式表現出弱的雙折射現象，這表明淀粉內部結構具有高度的有序性[26]。

1.2.4 功能基團

在FTIR 光譜中，燕麥淀粉在3 400 cm-1處的吸收峰表示親水羥基(-OH)的拉伸吸收帶，而在2 929 cm-1處產生的強吸收峰為-CH2官能團的拉伸振動，1 600 和1 500 cm-1處的吸收峰則對應-COO 和C-O-C 官能團[8]。位于1 047 cm-1和1 022 cm-1處的吸收峰分別對應燕麥淀粉的結晶區域和無定形區域[32]。天然燕麥淀粉的強度比1 047 cm-1/1 022 cm-1在0.65～0.67 之間，反映了燕麥淀粉表層的有序度，比值越大，有序度越高[28,33]。

1.3 燕麥淀粉的理化性質

1.3.1 糊化特性

在有足夠水存在的情況下，淀粉的糊化發生在臨界溫度以上，這是一個不可逆的相變過程，會導致淀粉顆粒膨脹、微晶熔化和雙折射損失[27]。Rumaisa Mukhtar 等[34]報道了3 個不同品種燕麥淀粉的起始溫度、糊化溫度和結束溫度分別為48.5～55.1 ℃、79.6～82.5 ℃和100.5～101.2 ℃。Pereira等[35]也報道了燕麥淀粉的起始溫度、糊化溫度和結束溫度分別57.42、62.8 和67.71 ℃。與其他谷物淀粉相比，燕麥淀粉由于存在大量脂質而具有較高的糊化溫度。有研究[36]證明，在去除燕麥中的非淀粉類脂質后，燕麥粉和燕麥淀粉的峰值黏度升高，凝膠強度降低。

1.3.2 老化特性

淀粉的老化是重結晶的過程，是指淀粉糊中分解的直鏈淀粉和支鏈淀粉分子重新結合形成更有序結構的過程[37]。燕麥淀粉經過糊化冷卻后的凝膠具有高黏度且更清晰的特點，比其他谷物淀粉更不容易老化，具有更低的回生值，這可能歸因于燕麥淀粉中有較高含量的脂質[26]。Li 等[36]的研究結果表明，在燕麥淀粉-脂質體系中，隨著脂質含量的降低，淀粉老化增強且回生值增大，同時淀粉凝膠強度的增加也與燕麥淀粉的老化行為相關。利用該特點，在中式饅頭中添加燕麥淀粉，在室溫貯藏過程中可阻礙淀粉結構穩定有序的形成，對淀粉結晶的形成具有抑制作用[38]。

1.3.3 流變特性

淀粉的流變特性指的是不同結構的淀粉在外加應力作用下表現出不同的變形和流動行為，淀粉的主要流變性能包括糊化特性、淀粉糊的黏度和淀粉凝膠的流變性能[39-40]。對于燕麥面團對應的流變特性，Gu 等[41]發現用50%或65%糊化程度的燕麥粉制備的面團能夠表現出更好的黏彈性行為，G′和G′′適中，tanδ較低，相對彈性部分（77.40%）和應力松弛百分比（34.55%）較高。表2 總結了燕麥淀粉的基本結構（見文獻[3]、[23]、[26]、[29]、[31]、[32]、[42]）和性質參數（見文獻[31]、[32]、[40]、[43-45]）。

表2 不同國家燕麥淀粉的基本結構和性質比較Tab.2 Comparison on the basic structure and properties of oat starch from different countries

2 物理改性

淀粉的物理改性是指僅通過物理手段而引起淀粉性質的變化，不會對淀粉分子鏈進行任何的化學修飾[7,46]。物理改性淀粉的優點在于天然安全，經濟實用，可接受度更高。物理處理可分為熱處理和非熱處理。熱處理包括：烘烤、蒸制、微波、過熱蒸汽、擠壓膨化、紅外、蒸汽爆破等。而非熱處理包括超聲、高靜水壓、脈沖電場、低溫等離子體等[46]。

2.1 熱處理

2.1.1 烘烤

烘烤可以改善燕麥產品的感官和風味屬性，同時也可影響其營養、理化和功能特性[47]。烘烤可能會對燕麥產生多種影響，包括削弱燕麥中各成分之間的結合能力，降低燕麥淀粉的糊化黏度，提高水化性能、凝膠強度和消化率等[48]。Gu 等[47]研究發現，烘烤處理破壞了燕麥籽粒的結構，促進了脂質的釋放，并導致燕麥粉顆粒的聚集和包裹，最終改善了全燕麥粉的水化性質。

2.1.2 蒸制

蒸制可以失活燕麥中的脂肪酶而有助于延長保質期，是目前用于防止燕麥變質的最常用的穩定方法[49]。徐斌等[50]的研究表明，添加經過蒸制處理的預糊化燕麥粉可以改善掛面品質，添加量為70%時燕麥掛面的品質最佳[50]。燕麥的烘烤-蒸制處理有利于在熟面條中形成大量緊密的蛋白質淀粉網絡，并促進抗性淀粉的形成（41%）和面條品質的提升[51]。

2.1.3 微波

微波加熱通過分子振動和摩擦轉化所產生的熱量能夠穿透淀粉顆粒的內部，對整個樣品進行均勻加熱[52]，同時由于在短時間內可產生大量熱量而產生更多的改性淀粉[53]。Zhang 等[54]建立了微波預糊化條件模型描述燕麥淀粉特性，發現微波處理后燕麥粉的水合和熱力學性質均得到改善，微波的高頻電磁場和熱效應破壞了淀粉的晶體結構，形成了糊化溫度和焓較低的聚集體，將糊化度為88.5%微波預糊化燕麥粉應用于擠壓全燕麥面，獲得了品質良好的面條。

2.1.4 過熱蒸汽

過熱蒸汽處理可以通過改變淀粉的分子結構來抑制谷物在貯藏過程中溶脹力、水溶性以及熱糊化性能的變化[55]。有學者[56]比較了普通蒸制（100 ℃，20 min）和過熱蒸汽（200 ℃，2 min）對燕麥粉及其面條品質的影響，發現過熱蒸汽很好地保護了燕麥淀粉顆粒的完整性，具有較強的酶滅活效果，同時改善了部分面團特性、提升了燕麥面條的質地特性和感官品質。

2.1.5 擠壓膨化

擠壓膨化過程伴隨著淀粉的水合、膨脹、糊化、降解和結晶度變化、蛋白質變性和脂多糖復合物的形成，可以極大地改善膨化食品的物理和熱性能以及儲存穩定性和消化率[57-58]。由于擠壓處理持續時間短，可以很大程度減少食品褐變和營養損失影響[59-60]。擠壓后的燕麥淀粉變得更加疏松多孔，糊化溫度、峰值黏度、最終黏度和峰值時間都降低，使燕麥淀粉變得更穩定，也更容易糊化[61-62]。

2.1.6 紅外處理

紅外處理作用時間短，可以大大降低燕麥脂肪酶和過氧化物酶的活性，而不會造成β-葡聚糖或脂質的損失，并使燕麥淀粉糊化，有助于燕麥加工[63]。在溫度30～60 ℃和水分含量1:2～1:10（質量比）的條件下，遠紅外射線可使燕麥淀粉鏈重新排列，同時不破壞淀粉的顆粒結構，而使其溶脹和流變等理化性質發生改變[64]。

2.1.7 蒸汽爆破

蒸汽爆破可以降低淀粉分子鏈聚合度，增加結晶度，可用于生產具有高度消化特性的淀粉[65]。研究發現，經過蒸汽爆破處理馬鈴薯淀粉的分子量和結晶度降低，并增加了淀粉的溶解度[66]。而蒸汽爆破產生的熱和機械效應能夠導致糙米淀粉晶體類型和糊化程度的變化，從而進一步改善了淀粉糊的流變特性[67]。

2.2 非熱處理

2.2.1 超聲波

超聲處理是一種非熱物理淀粉改性方法，具有加工時間短、產量高、操作維護成本低、品質特性好、能減少致病菌等優點[68]。超聲波對淀粉結構的影響與超聲參數（例如振幅、時間、溫度和能量）相關，結構變化可能涉及顆粒表面出現孔隙、裂縫和破裂以及顆粒變形等現象[69]。以不同強度（350、250、150 W）超聲浴/探頭對燕麥淀粉顆粒進行不同時長（10、20 min）的超聲處理，可使燕麥淀粉顆粒表面產生裂隙和孔洞，超聲處理可以提高直鏈淀粉含量、溶脹力、溶解度、透光率、水分和脂質持水性，同時降低糊化焓和結晶度，超聲處理對淀粉顆粒的結晶結構造成了一定程度的破壞，但A 型晶形保持不變[31]。

2.2.2 高靜水壓

高靜水壓力可以在不影響淀粉品質和風味成分的情況下進行淀粉改性，可引起淀粉部分或完全糊化，降低溶解度和膨脹力，提高糊化溫度和慢消化淀粉的含量，并進一步延緩老化，而這些理化變化主要取決于淀粉的種類、加壓水平、處理時間和溫度等因素[70]。Zhang 等[71]探究了高靜水壓力（0、100、200、300、400、500、600 MPa）對燕麥淀粉微觀結構和回生特性的影響，發現高靜水壓力處理使燕麥淀粉的微觀結構經歷了結晶完整（100～300 MPa）、結晶破壞（400 MPa）、結晶崩解和糊化（500～600 MPa）的過程，500 MPa 處理15 min 可以抑制燕麥淀粉的回生。隨著高靜水壓力處理時間的延長，燕麥淀粉顆粒形成凝膠，粒徑增大，晶體結構由A 型轉變為V 型，經歷了結晶破壞(5 min)、結晶崩解(15 min)和糊化(＞15 min)3 個階段[72]。

2.2.3 脈沖電場

脈沖電場技術使用高電場的短脈沖，持續時間極短，在微秒到毫秒之間，電場強度約為10～80 kV/cm[7]，具有加工溫度低、效率高、處理連續性和強度均勻等優點，已被廣泛應用于大分子改性[73]。大多數情況下，隨著電場強度的增加，脈沖電場處理會損壞淀粉顆粒，增加淀粉顆粒粗糙度和酶敏感性，并降低改性淀粉的相對結晶度、糊化溫度和糊化焓[74]。經脈沖電場處理的燕麥淀粉粒度增大、組分聚集、淀粉顆粒形態受到破壞，淀粉短程分子順序和蛋白質二級結構發生改變[75]。研究發現，脈沖電場處理可以提高了燕麥原料的糊化穩定性，同時增強了生燕麥粉的回生性能[76]。

2.2.4 低溫等離子體

低溫等離子體處理具有能耗低、安全、方便等優點[77]，是一種在高電場條件下通過電離氣體(空氣或空氣混合物)產生各種活性物質的非熱處理，對環境的影響較小[78]。低溫等離子體處理可顯著降低燕麥微生物的數量，同時提高燕麥淀粉水結合力和膨脹力，降低燕麥淀粉峰值黏度、最終黏度和衰退值，而并未改變淀粉的晶體結構[79]。此外，有研究報道，低溫等離子體處理能夠改善米粉的水合特性[80]以及改善小麥粉的糊化特性[81]，但關于低溫等離子體處理對燕麥淀粉理化性質的影響報道相對較少。表3 總結了不同處理對燕麥淀粉的影響。

表3 物理改性對燕麥淀粉的影響Tab.3 Effect of physical modification on oat starch

3 應用

在食品行業，燕麥淀粉因其特殊的營養價值和加工特性常被用來制作零食、面條、醬汁、奶制品及烘烤食品。燕麥淀粉提供的可溶性淀粉大分子具有食品加工所需的附著力、表面涂層特性和高黏度特性[10]，同時燕麥淀粉更高的脂質含量（1%～3%）也賦予了其更多傳統淀粉所沒有的應用優勢[26]。Gibiński 等[84]利用燕麥淀粉和多糖制備應用于糖醋醬的增稠劑，發現燕麥淀粉能夠賦予醬料良好的黏附性和感官特性。有研究表明，燕麥淀粉可作為淀粉基薄膜的良好材料，這是由于其脂質成分能夠賦予薄膜更多的疏水特性，從而提高薄膜的穩定性[85]。Mirmoghtadaie 等[86]利用乙?；帑湹矸壑谱鞯案?，大大增強了蛋糕的面糊黏度，使產品中保留更多氣體而變得更加疏松多孔，產品的白度也得到提升。近幾年，燕麥淀粉還被開發用作蛋黃醬中的脂肪代替品，并且發現蛋黃醬的穩定性隨淀粉添加量的增加而增加[87]。

4 結論與展望

燕麥淀粉是食品工業中非常重要的原料，本文對如下相關內容進行了總結。

1）比較了燕麥淀粉的不同提取方法（堿提取法、酶提取法和水提取法）。

2）解析了燕麥淀粉多樣化特性（微觀結構、直/支鏈淀粉比、化學鍵、糊化特性、老化特性和流變特性）。

3）分類闡述了燕麥淀粉的物理改性技術及其影響。

4）概述了目前燕麥淀粉在食品行業的應用。

本文內容中對燕麥淀粉多樣化特性的解析為理解和控制燕麥產品的品質變化提供了研究基礎，而對特定應用的燕麥淀粉進行提取和改性將有助于促進其在食品工業中的使用，對燕麥淀粉應用的總結也為實際生產提供了更多新的思路。燕麥淀粉物理改性的研究還處于探索階段，其機制和應用還需要更多地進行研究，目前的研究結果還需要進一步驗證。此外，燕麥淀粉的應用還受到一些限制，例如在食品中的應用需要滿足一定的口感、穩定性等要求，在醫藥領域中的應用需要滿足一定的藥理學和毒理學要求，這些限制也需要在研究中充分考慮。