凍融循環次數對淀粉結構及理化性質影響的研究進展

李欣蕊，鄭明珠*，姜梧桐，賁大智，吳初宇

（1.吉林農業大學 食品科學與工程學院，吉林 長春 130000；2.小麥和玉米深加工國家工程研究中心，吉林 長春 130000）

淀粉是由葡萄糖脫水縮合而成的高分子化合物，是人體重要的能量來源，也是重要的食品工業原料之一。因其來源豐富，成本較低，被廣泛應用于食品、化學、醫藥等眾多領域[1-2]。淀粉是由綠色植物通過光合作用產生，主要以顆粒形式存在于植物細胞中，是植物能量存貯的重要物質[3]。但天然淀粉在實際應用中存在著許多不足，如力學性能差、冷水中不易溶解、易老化、成膜性差等，極大程度地限制了淀粉的應用，所以常通過不同的處理手段來改善淀粉的不良性能[4-5]。

根據淀粉的結構和組成可將淀粉分為直鏈淀粉和支鏈淀粉[6]。直鏈淀粉和支鏈淀粉的差別在于二者葡萄糖殘基之間的連接方式不同、葡萄糖單元的聚合度和分支數量不同[7]。直鏈淀粉存在于淀粉顆粒的無定形區，是由葡萄糖分子以α-D-1，4 糖苷鍵脫水縮合而成的線型結構，直鏈淀粉的含量與淀粉品種和所處的生長環境密切相關。支鏈淀粉一般在淀粉的結晶區，以α-D-1，6 糖苷鍵相連，結構呈不規則的樹枝狀。直鏈淀粉和支鏈淀粉含量會影響淀粉顆粒的晶體結構進而影響淀粉的黏度、彈性、保水性等性質[8-9]。

目前，隨著消費者生活節奏不斷加快，淀粉基食品在銷售前會進行多次凍融過程，對食品品質、口感及消化特性等都會產生不同程度的影響[10]。有學者發現凍融處理能夠提高食品的孔隙率，較大限度保留食品的色、香、味，是一種先進的食品非熱加工技術[11]。因此有效地應用凍融處理對淀粉結構和性質的影響，可以充分改善淀粉基食品的品質。本文總結凍融循環次數對淀粉結構特性和理化性質的影響，以期為淀粉凍融特性的應用提供理論依據。

1 凍融處理淀粉的理論概述

1.1 凍融處理淀粉的原理

凍融破壞機理的理論敘述中，靜水壓理論是關鍵理論之一。它認為在受凍過程中由于作用底物表層溫度比較低，表面孔隙中游離水先結冰，孔內溶液在縫隙中移動，在此過程中需要克服黏滯阻力，水的壓力梯度對作用底物產生破壞作用。將淀粉進行冷凍至完全凍結，然后解凍，此為一個凍融循環，在這個過程中一部分水被凍結，剩余部分形成了濃度較高的淀粉基質，在恒定的溶質濃度和玻璃態轉變溫度（glass transition temperature，Tg）下，未凍結基質以非結晶固體和動力學亞穩態存在，冰晶嵌入海綿狀的淀粉網絡結構中，解凍時，冰晶融化成水迅速從基質中分離出來，導致脫水收縮作用的發生。從熱力學角度來說，食品冷凍的實質是液態水轉變為固態冰晶的相變過程，解凍即其逆過程[12-15]。

1.2 影響淀粉凍融特性的因素

凍融處理對淀粉結構和性質的影響主要取決于淀粉品種、冷凍溫度、水分含量、凍融循環次數[16]。

凍融循環次數是影響淀粉顆粒凍融特性的主要因素之一。研究發現芋頭淀粉顆粒表面形態的破壞程度隨凍融循環次數的增加而增大，凍融次數越多其穩定性越差；隨著凍融循環次數的增加，凝膠硬度、彈性、咀嚼性逐漸增加；起始溫度（onset temperature，To）、峰值溫度（peak temperature，Tp）、終止溫度（conclusion temperature，Tc）逐漸升高；膨脹力和凝沉性逐漸降低[17]。凍融循環處理造成糙米表面褶皺、擴大胚乳內裂隙，加速水分吸收速率進而減少糙米蒸煮至完全糊化所需時間，在同一水分含量下，隨著凍融循環次數的增加，蒸煮時間逐漸減少，水分吸收率和體積膨脹率呈上升趨勢；米飯硬度顯著下降，對糙米米飯黏聚性、彈性、膠著性、咀嚼性無顯著性影響，循環凍融糙米擁有像白米一樣的軟爛度、咀嚼性[18]。對糯玉米淀粉進行多次凍融處理，淀粉顆粒表面變得粗糙并出現氣孔，顆粒表面的孔隙數和粗糙度隨著凍融循環次數的增加而增加，峰值黏度、谷值黏度和最終黏度顯著增加，結晶度逐漸降低[19]。

在淀粉顆粒形態中，大小和形狀被認為是淀粉的重要性質，不同種類和來源的淀粉其顆粒形狀和大小也存在顯著性差異[20]，所以其受凍融處理影響的程度也不同。在冷凍過程中，水分在淀粉分子內外形成冰晶，淀粉顆粒的孔隙越大，越益于水分的進出。馬鈴薯淀粉顆粒比其他淀粉顆粒大，淀粉的顆粒直徑通常達到35～105 μm，外形呈橢圓形或圓形，具有較好的膨脹力[21]，易受凍融處理的影響。小麥淀粉顆粒直徑為20～45 μm，多呈扁平圓形，少數為不規則形狀，表面凹陷和孔洞較少[22]，較難進行改性處理。玉米淀粉大多數呈不規則多角形或者圓形，顆粒表面凹凸不平，嵌有微孔，內部具有無定形通道[23]，有利于水分子進入顆粒內部，所以其顆粒結構易于受外界影響而改變。大米淀粉通常呈圓形或橢圓形，是谷物淀粉中單個淀粉粒徑最小的一類[24]，大米淀粉的粒徑范圍為3～8 μm，較難進行凍融處理[25]。

在凍融過程中，冷凍溫度不同對淀粉結構和性質會產生不同的影響。在3 種不同溫度下對糯玉米淀粉進行凍融處理[19]，結果表明冷凍溫度對結晶度有顯著影響，在-20 ℃和-40 ℃時結晶度隨凍融循環次數的增加呈先增加后降低的趨勢，而在-80 ℃時，結晶度隨著凍融循環次數的增加而逐漸增加。不同冷凍溫度下的小麥淀粉其結構和理化性質有明顯不同[26]，冷凍后小麥淀粉的體積密度均低于原淀粉，但變化的趨勢不同，這種差異可能是由于不同溫度下晶體數量不同。隨著冷凍溫度的降低，小麥淀粉結晶度逐漸升高，起始糊化溫度、峰值溫度、終止溫度和糊化焓逐漸升高，糊化溫度、崩解值、回升值逐漸升高，峰值黏度逐漸降低。

淀粉的含水量和水分分布在凍融過程中對其性質和結構具有直接影響。反復凍融會促使冰晶的增長，冰晶的連續形成和融化對淀粉顆粒形成了一定的微觀機械力，擴大了淀粉分子的內部通道，使更多的可溶性物質溶解出來[27]，水分含量越高，對淀粉顆粒造成的微觀機械力越大。凍融循環時淀粉結構被破壞導致羥基暴露，暴露的羥基與水分子中的氫離子結合形成氫鍵，導致淀粉的性質發生改變。水分含量不同，羥基與水中氫離子結合能力也不同，直接影響了淀粉的凍融特性。當淀粉含水量較高時，淀粉分子交聯纏繞和聚合的機會減少，阻礙了淀粉分子的結晶重排[28]。Lu 等[29]的研究表明反復凍融處理對熟米質構特性的影響在很大程度上取決于米粒中的水分流動性。

2 凍融循環次數對淀粉結構特性的影響

2.1 凍融循環次數對淀粉顆粒形貌的影響

通過掃描電鏡可以觀察到，天然淀粉顆粒呈多邊形或橢圓形，表面光滑且有孔隙，無明顯的溝槽和裂縫[30]。經過反復凍融循環后，淀粉顆粒的大小和形狀基本保持不變，顆粒表面變得粗糙并出現氣孔，孔隙數和粗糙度隨凍融循環次數的增加而增加。賈會杰[31]對油莎豆進行反復凍融處理后，油莎豆淀粉顆粒表面變得粗糙，形成了一些微孔結構。且隨著凍融循環次數的增加，淀粉顆粒表面變得更加粗糙，微孔結構增多。Zhang 等[32]研究發現，隨著凍融循環次數的增加，淀粉顆粒由大小完整、邊緣規則且表面光滑逐漸轉變，顆粒表面出現了更多的孔隙和碎片。這是由于反復凍融破壞其微觀結構，隨著凍融循環次數的增加，冰晶越易聚集，導致淀粉顆粒發生更大的變性。

2.2 凍融循環次數對淀粉結晶結構的影響

淀粉顆粒按結構差異可分為非晶區、亞晶區和結晶區[33]，晶體結構的X 射線衍射圖表現為峰衍射特征，而非晶和亞晶結構表現為色散峰衍射特征[34]。凍融處理后淀粉的結構仍然呈現出與天然淀粉相似的多晶形態和雙螺旋晶體結構，淀粉的結晶類型未發生改變。玉米淀粉經過多次凍融處理后，結晶類型仍為A型，但凍融循環次數對結晶度有顯著影響，隨著凍融循環次數的增加其相對結晶度呈現先增加后降低的趨勢[35]。馬鈴薯淀粉經過凍融處理后結晶類型仍為B型，其相對結晶度逐漸降低，但研究發現有些品種的馬鈴薯淀粉經過凍融處理后結晶度逐漸升高，這可能與表觀直鏈淀粉含量的降低有關，也可能是多次凍融循環導致上清液可溶物含量的增加和淀粉結晶區與非結晶區比例的變化所致[36]。小麥淀粉經過凍融處理后，結晶類型仍為A 型，相對結晶度呈下降趨勢[37]。這是由于凍融循環破壞了淀粉顆粒結晶區內的化學鍵，從而減少了雙螺旋結構的相互作用，導致淀粉結晶度下降。凍融處理對不同種類淀粉結晶結構的影響因其本身結構不同而產生差異。

2.3 凍融循環次數對淀粉持水性的影響

持水性主要表征淀粉與水分子的結合能力，與淀粉分子中羥基的數量有關，暴露的羥基與水中的氫離子結合形成氫鍵[38]。經過凍融循環處理后糯玉米淀粉的持水性先增加后降低，均顯著高于原淀粉[19]。凍融處理破壞了淀粉的分子結構，使淀粉顆粒暴露出更多的羥基與水分子結合，從而提高淀粉的持水性，隨著凍融循環次數的增加，淀粉內部的孔隙變大，羥基與水的結合能力可能降低，導致持水性下降。王秋玉[39]研究發現，隨著凍融循環次數的增加，小麥淀粉持水性整體呈上升趨勢，凍融后淀粉持水性顯著高于原淀粉，與唐雪娟等[40]的研究一致。在反復冷凍或解凍的過程中，淀粉分子重結晶、顆粒部分破壞、氫鍵數量以及結構改變等因素均對淀粉持水性產生影響。

2.4 凍融循環次數對淀粉溶解度和膨脹力的影響

淀粉的溶解度反映淀粉在溶脹過程中溶解能力，與受損淀粉顆粒的損傷程度密切相關；膨脹力反映淀粉顆粒在糊化過程中的吸水能力以及在無剪切條件下的保水能力[41]。溶解度和膨脹力都反映了淀粉在無定形區和定形區的相互作用[42]。施帥等[17]對多種泰州芋頭淀粉進行反復凍融處理，隨著凍融循環次數的增加，不同品種芋頭淀粉溶解度的變化趨勢不同。泰興香荷芋淀粉和靖江香沙芋淀粉的溶解度整體呈現逐漸降低的趨勢，興華龍香芋淀粉的溶解度逐漸升高，這是由于反復凍融作用下，水分遷移促進了淀粉分子重結晶，導致溶解度發生變化。隨著凍融循環次數的增加，每種芋頭淀粉的膨脹力呈下降趨勢，說明反復凍融對淀粉的破壞能力更強。張雯婧[43]對3 種淀粉凍融特性進行研究，凍融后的馬鈴薯淀粉、山藥淀粉以及板栗淀粉的溶解度和膨脹力均高于原淀粉。隨凍融循環次數的增加，馬鈴薯淀粉、山藥淀粉以及板栗淀粉的溶解度呈先升高后降低的趨勢，馬鈴薯淀粉和板栗淀粉的膨脹力逐漸升高，山藥淀粉的膨脹力先升高后降低。這可能與支鏈淀粉含量以及結晶度有關，支鏈淀粉含量高、結晶度低時呈現較高的溶解度和膨脹力。Liu 等[44]研究發現，隨著凍融循環次數的增加，不同品種小麥淀粉的溶解度逐漸增加。這可能是由于凍融處理對淀粉顆粒結構的破壞，增加了淀粉分子從顆粒內部浸出的可能性，導致淀粉溶解度增加。膨脹力呈先升高后降低的趨勢，膨脹力的升高是由于淀粉顆粒結構被破壞，直鏈淀粉浸出，直鏈淀粉對支鏈淀粉膨脹的阻礙作用減弱。在經過4 次凍融循環后膨脹力開始降低，是由于支鏈淀粉的雙螺旋結構被重新排列，羥基與氫鍵結合在一起，氫鍵的增加使支鏈淀粉分子不能自由膨脹，導致膨脹力下降。

3 凍融循環次數對淀粉理化性質的影響

3.1 凍融循環次數對淀粉熱力學特性的影響

采用差示掃描量熱儀測定原淀粉及凍融處理淀粉的熱力學特性，淀粉顆粒具有半結晶性，經熱處理會發生糊化現象，由有序的晶體向無序的非晶體轉化，在此過程中伴隨著能量的變化[45]。凍融處理使淀粉的糊化起始溫度、峰值溫度以及終止溫度降低，糊化焓值降低。糊化焓表示糊化過程中淀粉顆粒結晶區域中雙螺旋解離所需的能量[46]，糊化焓的降低可能是由于在冷凍過程中冰晶產生的微觀機械力弱化了淀粉分子的雙螺旋結構。但凍融循環次數對淀粉熱性能的影響并不顯著。有研究表明在第一個凍融循環后糯玉米淀粉的To、Tp、Tc 值與原淀粉相比，略有下降的趨勢，說明處理后的淀粉更容易糊化，隨著凍融循環次數的增加，To、Tp、Tc 值略有升高[19]。凍融處理后ΔH 均低于原淀粉，隨凍融循環次數的增加，ΔH 呈先降低后升高的趨勢。但凍融循環次數對糯玉米淀粉熱性能沒有顯著的影響。嚴娟[47]對米淀粉進行多次凍融處理，糯米淀粉的起始糊化溫度與原淀粉相差不大，峰值溫度和終止溫度略有降低，與原淀粉相比ΔH 顯著降低，但多次凍融之間變化不顯著。秈米淀粉經過凍融處理后的To、Tp、Tc 與原淀粉相比均減小，但凍融循環次數對熱力學性質的變化并不顯著。許可[48]對小麥淀粉進行多次凍融處理，與小麥原淀粉相比，凍融處理提高了起始糊化溫度和峰值溫度，終止溫度降低，隨凍融循環次數的增加，這些變化更為明顯，說明凍融處理后小麥淀粉具有較高的熱穩定性，隨著凍融循環次數的增加糊化焓逐漸降低，表明凍融處理破壞了淀粉顆粒有序結構。

3.2 凍融循環次數對淀粉糊化特性的影響

淀粉的糊化特性對工藝設計和最終冷凍產品質量的評價具有重要意義[49]。具有吸水性能的淀粉顆粒受熱后膨脹，結構由有序向無序發生不可逆變化，顆粒中無定形區域的直鏈淀粉分子在加熱時溶解，但結晶區域保持穩定，隨著溫度的升高，熱能導致結晶淀粉膨脹，大量水分子進入淀粉顆粒，顆粒破碎后形成松散的凝膠狀分散相，發生糊化[50]。Liu 等[19]對糯玉米淀粉進行凍融處理，隨著凍融循環次數的增加，糊化溫度、峰值黏度、谷值黏度、最終黏度均有所升高，崩解值和回生值均有所降低，峰值時間無顯著變化。峰值黏度與淀粉顆粒膨脹力有關，支鏈淀粉是影響淀粉顆粒膨脹的重要因素，而直鏈淀粉和脂質則抑制淀粉顆粒的膨脹，維持膨脹后淀粉顆粒的完整性[51]。淀粉的峰值黏度升高可能是由于凍融循環破壞了淀粉顆粒內部結構，使淀粉顆粒上的孔隙變大、變多，水分更容易進入顆粒內部，更容易膨脹，因此凍融后淀粉的峰值黏度較原淀粉明顯升高。崩解值反映了淀粉糊的熱穩定性[52]，它越小淀粉的抗剪切性能越高，膨脹顆粒的機械強度越強。隨著凍融循環次數的增加，淀粉顆粒的崩解值逐漸增加，這可能是淀粉顆粒的分子內和分子間氫鍵斷裂，相對結晶度下降所致。最終黏度代表淀粉冷卻凝膠的穩定性[53]。凍融循環處理使淀粉顆粒充分被破壞，淀粉分子大量擴散，從而增大了試驗時的接觸面積，使冷卻時的最終黏度增大。回升值可以用來衡量分子在冷卻過程中的再結晶程度，也可以作為淀粉凝膠化能力和老化程度的指標[54]。回升值隨著凍融循環次數的增加而減小，表明其具有低老化趨勢。糊化溫度表示黏度開始增加的溫度[55]。糊化溫度的升高表明凍融處理后淀粉需要更高的溫度來糊化，隨著凍融循環次數的增加，糊化溫度先升高后降低，均高于原淀粉。糊化時間表示達到峰值黏度所需要的時間[56]，凍融循環次數對糊化時間沒有顯著影響。綜上所述，凍融循環處理可以改變淀粉糊的糊化性能，提高淀粉糊的抗老化性和耐熱性。Liu 等[44]研究表明，隨著凍融循壞次數的增加糊化溫度、峰值黏度、谷值黏度、崩解值和回生值均逐漸升高，在凍融循環過程中，冰晶的生長和重結晶破壞了淀粉顆粒的表面和結構完整性，導致部分可溶性物質的浸出，促進淀粉與水的結合，從而使峰值黏度和谷值黏度增加，糊化溫度升高可能是由于冷凍過程中淀粉分子鏈的重排所致，崩解值和回生值逐漸升高可能與凍融循環引起的直鏈淀粉浸出和淀粉結構弱化有關。

3.3 凍融循環次數對淀粉直鏈淀粉含量的影響

直鏈淀粉是一種雙螺旋結構，存在于淀粉的非晶態結構中，直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例對其性質有很大影響。凍融處理通過改變淀粉顆粒表面及內部結構進而影響直鏈淀粉含量。Fashi[34]研究表明隨著凍融循環次數的增加，玉米淀粉的直鏈淀粉含量逐漸升高，主要是由于支鏈淀粉在凍融處理下的穩定性不如直鏈淀粉，支鏈淀粉的分支斷裂成許多短直鏈淀粉，導致直鏈淀粉的含量升高。許可[48]對小麥進行凍融循環處理，未經處理的小麥淀粉直鏈淀粉含量為26.7%，經過2、6、10 個凍融循環處理后淀粉樣品的直鏈淀粉含量分別顯著增加到了28.5%、29.4%和33.3%。這是由于凍融循環處理會造成淀粉顆粒的表面出現裂紋，弱化了淀粉分子鏈間的相互作用。陳豐等[57]對錐栗淀粉進行多次凍融處理，隨著凍融循環次數的增加，直鏈淀粉含量逐漸減少。這是由于反復凍融處理弱化了淀粉顆粒的結構，破壞了淀粉顆粒非晶態區域。綜上所述，凍融循環處理后直鏈淀粉含量與淀粉來源、結構以及冷凍時間等密切相關。

3.4 凍融循環次數對淀粉體外消化特性的影響

淀粉的體外消化試驗模擬了體內酶消化淀粉的生理條件，是研究淀粉顆粒生物可及性的有益工具[58]。淀粉的消化率取決于幾個參數，如結晶度、淀粉來源、直鏈淀粉/支鏈淀粉的比例、淀粉鏈上官能團的類型和數量及顆粒大小、孔隙度和完整性等[59]。王秋玉[39]的研究表明凍融處理對小麥淀粉中快消化淀粉（rapid digestible starch，RDS）、慢消化淀粉（slowly digestible starch，SDS）和抗性淀粉（resistant starch，RS）的含量有顯著影響。隨凍融循環次數的增加RDS 含量先急劇下降又顯著增加，經過3 個凍融循環后RDS 含量最高，與原淀粉相比增加了5.83%。SDS 含量與RDS 含量的變化趨勢相反，先顯著增加再顯著下降，由30.19%下降到17.59%，凍融處理明顯使RDS 含量增加，SDS 含量降低，RS 含量總體呈現上升的趨勢。這是由于凍融循環處理破壞了淀粉的分子結構，釋放出體系中游離的直鏈淀粉所導致的。王昊[60]研究發現，未處理的糙米淀粉含有18.0%的快消化淀粉，隨凍融循環次數的增加呈先升高后降低的趨勢，均顯著高于原糙米淀粉。慢消化淀粉含量與原淀粉相比呈現先降低后升高趨勢，且顯著高于原淀粉，抗性淀粉含量逐漸降低。結果表明凍融循環處理能增加糙米淀粉中快消化淀粉的含量，減少抗性淀粉的含量，這是由于冷凍過程中淀粉可利用面積增大。Fashi 等[34]研究發現，凍融循環處理玉米淀粉中快消化淀粉和慢消化淀粉含量隨凍融循環次數的增加逐漸增加，抗性淀粉含量逐漸降低。這可能與淀粉顆粒的結晶結構減弱、表面孔隙的產生和淀粉結構被破壞有關。

4 凍融處理的應用

凍融處理作為一種常用的物理改性方法，對發展淀粉凍融變性理論和解決淀粉基制品（如面團）凍融加工品質劣變及深度開發淀粉顆粒的潛在應用價值方面均具有重要的意義。

根據凍融循環處理對淀粉結構和性質的影響，一方面可為淀粉基產品的生產加工提供理論參考，凍融循環處理簡單易行、安全高效，具有廣泛的應用前景。另一方面有很多學者將凍融處理作為一種預處理方法與其他方法協同改性，并且取得了重大成果。例如有學者將凍融處理和普魯蘭酶協同進行改性，凍融處理首先破壞淀粉顆粒的晶體結構，表面形成孔隙，有利于普魯蘭酶進入淀粉顆粒內部，增加了淀粉中游離直鏈淀粉的含量，促進了淀粉-脂質復合物的形成[61]。還有學者將凍融處理和其他物理改性方法進行復合，利用凍融和超聲復合處理制備低吸油率玉米淀粉，當凍融循環處理3 次，超聲功率為60 W 時玉米淀粉的吸油率最低，二者顯著降低了玉米淀粉對油脂的吸收，有助于開發更健康、含油率較低的油炸淀粉食品[62]。將凍融作為一種預處理方法與其他改性方法復合處理，對淀粉食品的研發和應用具有重要意義。

5 結論與展望

凍融處理對淀粉結構和理化性質均有顯著影響，凍融循環次數是影響淀粉凍融特性的最主要因素。淀粉的結構和性質隨凍融循環次數的增加呈現不同的變化趨勢，這種變化與淀粉種類，直鏈淀粉含量，以及淀粉顆粒結構等密切相關。目前，國內外對于凍融處理淀粉研究較多的是對其性質的影響，對于凍融循環次數對淀粉結構和性質改變的機理研究較少，從顆粒微觀結構方面研究凍融處理淀粉的報道較少，對不同晶型的淀粉凍融處理后其結構與性質變化規律的研究較少，從而影響淀粉在食品行業和其它行業的應用范圍。除此之外，將兩種或多種方法相結合可以彌補單一改性方法的不足之處，對凍融復合其他方法的研究具有廣泛的應用前景，對改善食品品質以及生產健康美味的功能食品具有重要作用。