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        面條制品常用淀粉及其衍生物研究進展

        2020-07-26 08:58:36徐舒簡李兆豐
        食品與機械 2020年6期
        關(guān)鍵詞:改性

        徐舒簡 李兆豐

        (江南大學食品學院,江蘇 無錫 214122)

        面條是中國傳統(tǒng)主食,歷史悠久、品種繁多、風味各異、頗具地方特色(如蘭州拉面、山西刀削面、張爺爺空心面等),現(xiàn)代還產(chǎn)生了方便面、雜糧面、LL面等面條新品種[1]。面條生產(chǎn)添加的淀粉包括原淀粉、化學改性淀粉(改性淀粉及其衍生物)及物理改性淀粉(預糊化淀粉),不僅可改善面條食用品質(zhì),如筋道、滑爽、Q彈等;還能賦予產(chǎn)品功能,如慢消化、低GI等,是面條生產(chǎn)中使用量最大的配料或品質(zhì)改良劑。文章擬系統(tǒng)對比面條制品生產(chǎn)涉及的淀粉及其改性淀粉的來源、形態(tài)、性質(zhì)等,試圖從微觀結(jié)構(gòu)與化學結(jié)構(gòu)角度,闡釋其對面制品品質(zhì)改良的效果及其機制,為淀粉及改性淀粉原料選用、淀粉改性工藝研究提供參考。

        1 常用的原淀粉

        在生面狀態(tài)下,面絮或面條的物理性質(zhì)主要由面筋組分決定,而在煮熟狀態(tài)下,影響面條食用品質(zhì)的最主要因素為淀粉。適用于面制品面條生產(chǎn)的淀粉一般要求具有易膨脹、糊化溫度低、黏度高等特點,目前常用的原淀粉包括玉米淀粉、木薯淀粉、馬鈴薯淀粉等,可在一定程度上改善面條的加工、蒸煮、食用及貯藏品質(zhì)。

        1.1 原淀粉的來源及其化學組成

        淀粉主要由直鏈淀粉(AM)與支鏈淀粉(AP)組成,還包含少量脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)(表1)。根莖類淀粉所含脂質(zhì)(馬鈴薯0.1%和木薯淀粉0.2%)通常比谷類淀粉(0.6%~1.2%)少,且脂質(zhì)含量與AM含量呈正相關(guān)[3]。在過量水下加熱淀粉,內(nèi)源性脂質(zhì)與AM易形成脂質(zhì)—淀粉復合物,從而抑制淀粉膨脹和AM的溶出。馬鈴薯淀粉含有相對含量較高的磷,其以磷酸單酯的形式存在,主要與AP共價結(jié)合。馬鈴薯淀粉中磷酸單酯的存在對其膨脹行為具有重大影響。帶負電荷的磷酸基團引起相鄰AP鏈間的排斥,并使得淀粉團??焖偎皖w粒顯著溶脹[4]。普通淀粉的AM含量為14%~29%。不含AM的淀粉稱為蠟質(zhì)淀粉,如玉米、木薯、小麥、馬鈴薯;也有一些高直鏈淀粉產(chǎn)品(AM含量>30%)。

        1.2 原淀粉的形態(tài)

        淀粉顆粒的大小和形狀取決于植物來源,如馬鈴薯淀粉顆粒非常大且呈圓形或橢圓形(10~100 μm)[5];木薯淀粉顆粒為圓形或截面形;玉米淀粉顆粒呈多邊形(表1);小麥淀粉呈現(xiàn)雙峰粒度分布,包括透鏡狀的大顆粒A淀粉(20~32 μm)和圓形小顆粒B淀粉(2~10 μm)(圖1)[2]。

        表1 不同來源的淀粉的化學組成與結(jié)構(gòu)特征?[2]

        圖1 不同來源淀粉團粒的掃描電鏡圖[2]

        1.3 原淀粉的物理特性

        由表2可知,馬鈴薯淀粉的膨潤力高于其他淀粉的,主要由于其含負電荷磷酸鹽單酯[9];木薯淀粉的膨脹力高于谷類淀粉,淀粉膨脹特性主要由AP決定,但同時受AM抑制。因此,蠟質(zhì)淀粉的膨潤力高于同類普通淀粉。去除內(nèi)源性淀粉脂質(zhì)可減少AM-脂質(zhì)復合物的形成,并增加小麥淀粉和玉米淀粉的膨脹力,但不超過塊莖類淀粉的膨脹水平。外源性脂質(zhì)對淀粉顆粒膨脹性能的影響取決于該脂質(zhì)類型和加熱溫度。木薯淀粉和馬鈴薯淀粉中缺乏AM-脂質(zhì)復合物,導致其膨潤力增強[6]。小麥淀粉具有最低的凝膠化溫度,其次是馬鈴薯淀粉、木薯淀粉和玉米淀粉。馬鈴薯淀粉糊化焓略高于其他淀粉,而小麥淀粉和玉米淀粉的糊化焓較低。馬鈴薯淀粉和木薯淀粉的糊化溫度低于谷物淀粉,由于馬鈴薯淀粉中帶負電的磷酸基團含量較高,因此在較低溫度下開始糊化。馬鈴薯淀粉可達到很高的峰值黏度(9 500 mPa·s),谷類淀粉膨脹能力較弱,所以其峰值黏度低(1 250 mPa·s)[6]。淀粉回生程度由存儲時間和溫度、淀粉糊濃度和淀粉結(jié)構(gòu)特性等多因素決定。形成雙螺旋至少需要DP為10,這解釋了在相同條件下馬鈴薯淀粉比谷物淀粉回生程度更高的原因[10]。

        表2 不同植物來源的淀粉的物理特性

        1.4 原淀粉在面條加工中的應(yīng)用

        馬鈴薯淀粉是自然界唯一可與磷酸鹽共價結(jié)合的淀粉,因此不易老化[11]。添加馬鈴薯淀粉可增加面條黏彈性,促進煮面時面條的膨潤度,增加面條煮后的透明感;馬鈴薯淀粉顆粒大、易糊化、膨脹性好,油炸時易形成微孔,可改善方便面的復水性[12]。普通玉米淀粉與小麥淀粉相似,直鏈淀粉含量較多,添加后面條口感硬,易老化;而蠟質(zhì)玉米淀粉由于不含直鏈淀粉,添加后可使面條質(zhì)地變得軟彈,面條久放不易老化。此外,木薯淀粉含有的直鏈淀粉少,添加后可使面條黏彈性、嚼勁增強,面條表面光亮、口感爽滑。

        直鏈淀粉含量、膨脹性、晶體結(jié)構(gòu)、淀粉顆粒大小均與面條食用品質(zhì)密切相關(guān),但起決定作用的直鏈淀粉與支鏈淀粉分子的精細結(jié)構(gòu)特征尚不明確。淀粉的理化特性與面條食用品質(zhì)密切相關(guān),同樣受淀粉精細結(jié)構(gòu)的影響。因此,全面了解淀粉結(jié)構(gòu)對面條品質(zhì)的影響,對于指導面用小麥育種及面用淀粉輔料的選擇具有重要意義。

        2 常用的化學改性淀粉

        原淀粉是食品體系優(yōu)良的質(zhì)地穩(wěn)定劑與改良劑,由于其抗剪切能力弱、耐熱性差、易于熱降解與回生,限制了其在一些工業(yè)化食品中的廣泛應(yīng)用。改性淀粉,通過改變天然淀粉的理化特性來改善其功能特性,就能滿足一些食品的特定需求,如熟面條的防回生、鮮面條的高持水性等。淀粉改性方法包括衍生化(如淀粉的醚化、酯化、交聯(lián)和接枝)、降解(淀粉的酸或酶水解、氧化)或進行濕熱處理對淀粉進行物理改性等(表3)。其中,淀粉衍生化是將官能團引入淀粉分子中,從而導致其理化性質(zhì)發(fā)生明顯變化。天然淀粉的這種化學修飾極大地改變了其糊化、黏度以及抗回生特性。

        表3 淀粉的不同改性方式、制備方法及用途

        2.1 改性淀粉的類型及其制備方法

        食品級淀粉經(jīng)化學修飾,主要是為了增加淀粉糊的稠度、光滑度和透明度,并賦予凍融和冷藏穩(wěn)定性[13]?;瘜W改性后淀粉的新功能特性主要取決于淀粉來源、直鏈淀粉與支鏈淀粉的比例、顆粒形態(tài)以及反應(yīng)物的類型和濃度,可通過選擇合適的改性劑(取代基類型)、天然淀粉來源(淀粉分子中取代基的分布)和反應(yīng)條件(反應(yīng)物濃度、時間,pH和催化劑的存在)來制備具有所需特性和取代度的改性淀粉[14]。

        具有低取代度的乙?;矸弁ǔMㄟ^在堿性催化劑存在下,將天然淀粉與乙酸酐酯化而獲得,其中作為食品級羥丙基淀粉是在堿性條件下將天然淀粉與環(huán)氧丙烷醚化來制備的。引入淀粉鏈的羥丙基基團能夠破壞分子間和分子內(nèi)的氫鍵,從而削弱淀粉的顆粒結(jié)構(gòu),導致淀粉鏈在無定形區(qū)域的運動自由度增加[15]。

        交聯(lián)處理的目的是在淀粉顆粒的隨機位置添加分子內(nèi)和分子間鍵,以增強和穩(wěn)定淀粉顆粒結(jié)構(gòu)[16]。交聯(lián)淀粉的淀粉糊不會隨著烹飪時間的延長、體系酸度的增加或劇烈剪切而分解,因而最大程度地減少烹飪過程中的淀粉顆粒破裂、黏度損失和絲狀糊狀物的形成。交聯(lián)劑類型決定了所處理淀粉的功能性質(zhì)的變化,三偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉、表氯醇、磷酰氯、己二酸和乙酸酐的混合物以及氯乙烯是用于交聯(lián)反應(yīng)的主要試劑。常規(guī)制備的磷酸淀粉具有高稠度的透明糊狀物,具有良好的凍融穩(wěn)定性[17]。

        雙重修飾是一種結(jié)合了取代和交聯(lián)的方法,已被證明能穩(wěn)定地防止淀粉的酸降解、熱降解和機械降解,并能延緩淀粉在貯藏期間的老化。制備雙重改性淀粉(交聯(lián)/羥丙基化)所需的交聯(lián)劑的量,隨淀粉來源、交聯(lián)劑的類型、交聯(lián)反應(yīng)的效率、所需的取代度和規(guī)定的最終改性淀粉性能范圍而變化,堿濃度、溫度、pH和催化劑鹽濃度等在羥丙基交聯(lián)淀粉的適度改性制備中起著關(guān)鍵作用[18]。

        2.2 改性淀粉的形態(tài)

        淀粉改性涉及接觸相表面的物理、化學和生化變化。羥丙基化后的大多數(shù)結(jié)構(gòu)變化發(fā)生在淀粉顆粒的相對較不規(guī)則的中央核心區(qū)域,即羥丙基最密集的沉積區(qū)域[19]。羥丙基基團產(chǎn)生的“推擠效應(yīng)”可能會導致羥丙基化后顆粒形態(tài)發(fā)生變化。Kaur等[18]發(fā)現(xiàn)采用環(huán)氧丙烷處理馬鈴薯淀粉顆粒會改變顆粒形態(tài)(圖2),在受影響較大的顆粒中,許多受影響較小的改性顆粒會產(chǎn)生凹陷,隨后導致細微的碎裂、壓痕,并沿著縱軸在中心核心區(qū)域形成深槽,這些顆粒以折疊結(jié)構(gòu)的形式出現(xiàn),其外側(cè)向內(nèi)拉,形成了類似甜甜圈的外觀。

        A. 天然馬鈴薯淀粉 B. 羥丙基化馬鈴薯淀粉

        2.3 改性淀粉的物理特性

        淀粉的理化性質(zhì)如溶脹、溶解度和透光率會受到化學修飾的顯著影響。與原淀粉相比,經(jīng)乙?;蛄u丙基化修飾后,淀粉的溶脹力和溶解度呈增加趨勢,而交聯(lián)淀粉呈減小趨勢(取決于交聯(lián)劑的類型和交聯(lián)程度)。通過乙?;瘜⒁阴;氲矸鄯肿訒е陆Y(jié)構(gòu)重組,淀粉分子之間排斥,從而促進了顆粒無定形區(qū)域內(nèi)水滲透的增加,以及溶脹能力的增加[20]。研究[21]表明,乙?;蟮矸廴苊浤芰腿芙舛染@著增加,其中馬鈴薯淀粉的增加程度更高。乙?;螅Y(jié)構(gòu)崩解可能會削弱淀粉顆粒的穩(wěn)定性,增加淀粉從顆粒中的浸出,從而增加淀粉的溶解度[22]。在直鏈淀粉含量低和顆粒小的淀粉中,溶脹力的增加程度更高[23]。

        Perera等[24]研究了羥丙基化對馬鈴薯淀粉熱學性質(zhì)的影響,引入淀粉鏈的反應(yīng)基團能破壞分子間和分子內(nèi)的氫鍵,導致親水性增加,從而降低淀粉的糊化溫度;隨著取代程度的增加,ΔHgel、To、Tp和Tc降低,糊化溫度范圍(Tc—To)變寬。羥丙基化和交聯(lián)化都大大減緩了淀粉回生趨勢,對延緩糊化大米淀粉凝膠回生方面具有協(xié)同作用。羥丙基化交聯(lián)淀粉比交聯(lián)羥丙基化淀粉表現(xiàn)出明顯更高的起始和峰值糊化溫度、糊化焓以及更低的回生率,說明兩種改性淀粉中交聯(lián)的位置不同。羥丙基化再交聯(lián)使淀粉具有更好的儲存穩(wěn)定性,磷酸交聯(lián)對淀粉的影響比羥丙基化的影響更明顯[25]。

        2.4 改性淀粉的營養(yǎng)與安全性

        在食品級淀粉的乙?;土u丙基化過程中,引入的單取代基團數(shù)量相對較低。醋酸酯淀粉、磷酸酯淀粉和羥丙基淀粉的最大取代水平分別為2.5%,0.4%和10.0%,每1 000個或更多的脫水葡萄糖單元包含一個取代基基團的交聯(lián)淀粉可安全食用[26]。

        淀粉衍生物越來越多地用作脂肪替代品或脂肪替代品,其部分或全部未被消化,因此在食用時熱量貢獻為零。化學修飾淀粉的生理效應(yīng)受修飾類型的影響[27],通過乙酰化對淀粉進行化學修飾可改善人的飽腹感、餐后血糖和胰島素反應(yīng)。磷酸化/交聯(lián)化淀粉易于消化,被認為可為人類提供營養(yǎng)[28];慢消化改性淀粉則可用于某些糖尿病的治療[29]。

        化學改性獲得的抗性淀粉(RS),因其潛在的健康益處和功能特性而備受關(guān)注[30]。與普通膳食纖維相比,RS具有對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)影響小、顏色白、質(zhì)地更好的特點,其制作的食品比傳統(tǒng)膳食纖維制成的食品具有更好的消費者接受度和口感??剐缘矸劬哂械偷某炙阅?,特別適于生產(chǎn)中、低水分食品,如面條、烘焙食品和油炸食品,并可輕松貼上簡單的淀粉標簽[31]。國際市場已有多款RS產(chǎn)品上市,如HylongTM VII、Fibersol 2、Crystalean?、Hi-Maize?、Nutriose?和Novelose?等[32]。

        2.5 改性淀粉在面條加工中的應(yīng)用

        GB 2760—2014明確規(guī)定,在生濕面制品、發(fā)酵面制品、方便面制品及冷凍面制品中,可使用的改性淀粉有醋酸酯淀粉、磷酸酯雙淀粉和羥丙基淀粉等13種類型,以下介紹兩種面制品中最常用的改性淀粉。

        2.5.1 醋酸酯淀粉 醋酸酯淀粉是在堿性條件下用醋酸酐等處理原淀粉,得到乙?;?.5%~2.5%的低取代度淀粉。少量醋酸根基團引入淀粉分子,阻礙或減少了直鏈淀粉分子間的氫鍵締合,因而其糊化溫度和回生度降低,不易形成凝膠,淀粉糊具有較高透明度。在方便面配方中加入醋酸酯淀粉,可有效改善面條的質(zhì)地,降低生產(chǎn)時耗油量,顯著改善面條復水性[33]。

        2.5.2 羥丙基淀粉 羥丙基淀粉是利用淀粉與環(huán)氧丙烷在堿性條件下發(fā)生醚化反應(yīng)制得。由于親水性羥丙基的引入,減弱了淀粉顆粒結(jié)構(gòu)的內(nèi)部氫鍵強度,使其易于膨脹與糊化;同時,羥丙基會產(chǎn)生空間位阻效應(yīng),阻止淀粉鏈的聚集和結(jié)晶,從而提高了淀粉糊的透明度和凍融穩(wěn)定性,有效防止了淀粉糊老化,所以適用于冷凍面條制品。研究[34]表明,加入面粉量1%的羥丙基玉米淀粉或酯化糯玉米淀粉的面條,其蒸煮損失率降低;回生程度變緩,長時間冷藏的濕面仍有較柔軟口感。

        綜上,在小麥粉中添加適量改性淀粉可顯著提高混合粉的親水性,易吸水膨脹,和面過程中能使面筋與淀粉顆粒、碎散的面筋間以及淀粉顆粒間很好地粘合起來,形成組織細密、黏彈性能良好的面團;能提高面條的彈性和黏聚性,減少蒸煮損失;提高熟面條的筋道感與爽滑性,且不易老化,但加入過量會對面團產(chǎn)生不利影響。

        3 常用的物理改性淀粉

        預糊化淀粉是一種物理改性淀粉,常采用滾筒干燥和擠壓蒸煮兩種方式生產(chǎn)[35]。經(jīng)預糊化處理的淀粉能在冷水中迅速膨脹,具有較大的黏性,可賦予食品理想的質(zhì)地特征。具有常溫水可溶性、凝膠性、保水性和膨脹性等優(yōu)點[36]。預糊化改性淀粉類似一種增“筋”劑,當面筋蛋白質(zhì)含量低或質(zhì)量不理想時,加入糊化改性淀粉可使面筋與淀粉顆粒很好地粘合,從而增強面條的抗拉強度。在雜糧面的生產(chǎn)中,添加預糊化淀粉可顯著提高雜糧面條的質(zhì)地與感官品質(zhì)[36]。研究[37]發(fā)現(xiàn),面條中預糊化淀粉使用量過大會增加斷條率,通常添加量控制在1%~5%。

        4 結(jié)束語

        淀粉來源廣泛,通過化學或物理手段進行改性,可改善其理化與功能特性,使其更適合于面條加工、食用與營養(yǎng)品質(zhì)要求。然而,中國對淀粉及其衍生物相關(guān)研究仍存在許多不足,與國外公司(如美國宜瑞安食品配料有限公司、松谷化學株式會社)相比,產(chǎn)品質(zhì)量還有很大的提升空間,主要體現(xiàn)在種類少、工藝不夠先進、性能不夠理想、產(chǎn)品成本高等。另一方面,雖然中國食品添加劑使用標準GB 2760中已有面條用改性淀粉用量和用法的相關(guān)內(nèi)容,但涉及食用改性淀粉的營養(yǎng)價值及安全性的內(nèi)容較少。為了提高改性淀粉的食用安全性,迫切需要開展改性淀粉的營養(yǎng)與安全性評估,建立和完善改性淀粉的食用安全評價體系。

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