顆粒狀冷水可溶淀粉的制備、特性及應用

黃峻榕，魏寧果，薛婷，李宏梁，劉樹興，楊大慶

（陜西科技大學生命科學與工程學院，陜西 西安 710021）

淀粉在自然界中分布很廣，是一種價廉、可再生和可降解的工業原料。然而原淀粉在性能上存在的一些不足，如不溶于冷水、糊液穩定性差、易老化等，限制了其應用范圍。淀粉在工業中使用時絕大部分需要先加熱將其糊化，增強其水溶性，因此，使用在冷水中可溶的淀粉，可減少工業生產環節，提高生產效率。已工業化生產的預糊化淀粉就是一種冷水可溶淀粉，但預糊化淀粉存在呈非顆粒態、光澤度差等缺點，復水后糊的狀態及性質與原淀粉存在著較大差異，影響其應用效果[1]。顆粒狀冷水可溶淀粉，既能夠保持原淀粉的顆粒狀態，又能直接溶于冷水，形成高度分散的均勻糊液，糊液光澤度和粘彈性好，具有良好的增稠、保水、保型和乳化作用以及良好的耐高溫及凍融穩定性[2-3]。因此，顆粒狀冷水可溶淀粉的制備、特性、應用研究對指導實際生產具有重要意義。

1 顆粒狀冷水可溶淀粉的制備方法

制備顆粒狀冷水可溶淀粉的方法主要有：雙流噴嘴噴霧干燥法、高溫高壓醇法、常壓多元醇法、球磨研磨法和酒精堿法等（表1）。不同的制備方法都有各自的優缺點。雙流噴嘴噴霧干燥法[4-6]和高溫高壓醇法[5-7]需高溫高壓和專用設備，能耗大，且設備投資較高。常壓多元醇法[5-6,8]和球磨研磨法[9-10]避免了高壓的工藝要求，但對溫度有嚴格的要求。

幾種制備方法所得的顆粒狀冷水可溶淀粉的冷水溶解度差異不大，但酒精堿法[5,11-12]可在較低的溫度，常壓條件下完成，能耗小，不需要專門的設備，設備的投資低，不存在因為傳熱不理想而影響產品品質的情況，是目前制備顆粒狀冷水可溶性淀粉較理想的方法，制備條件依據淀粉種類的不同而不同（表2）。淀粉乳的濃度從5%（蕎麥淀粉）到25%（西米淀粉），乙醇濃度從20%（竹芋淀粉）到100%（糯玉米淀粉），反應溫度和時間從25℃，12 min（糯玉米淀粉）到70℃，80 min（蕎麥淀粉）[13-16]。制備條件的差異與淀粉顆粒的溶脹率有關，顆粒越容易溶脹，所需要乙醇濃度越高，反應溫度越低，時間越短。乙醇可以維持顆粒中的雙螺旋結構，從而抑制顆粒的膨脹，保持顆粒的完整性。糯玉米淀粉顆粒容易膨脹，因此需要較高的乙醇濃度。堿用量是制備顆粒狀冷水可溶淀粉的另一個重要影響因素。不同淀粉顆粒膨脹的難易程度有差異，需要的堿量也有較大的區別。堿會促進淀粉顆粒的膨脹，提高冷水溶解度，但堿過量時，會使得顆粒局部過度糊化，影響顆粒形狀的完整性以及產品品質。

表1 顆粒狀冷水可溶淀粉的制備條件、工藝流程及優缺點對比Table 1 Comparison of preparation, process, and the advantages and disadvantages of granular cold-water-soluble starches

表2 酒精堿法制備不同品種的顆粒狀冷水可溶淀粉的制備條件及冷水溶解度Table 2 Alcoholic-alkaline treatment for preparing the best production processes of granular cold-water-soluble starches of different varieties of starches

2 顆粒狀冷水可溶淀粉的特性

2.1 冷水溶解度

冷水溶解度的測定方法是：室溫下，1.000g (干基)顆粒狀冷水可溶淀粉與100mL蒸餾水混合，低速攪拌15s后，高速攪拌2min，穩定1h，將該溶液于3000r/min離心分離15min，取25mL上層清液于已稱重的蒸發盤中在干燥箱中干燥，再于110℃下干燥3-4h。冷水溶解性由下式計算[12,22]:

式中：A-25mL上清液中固體質量，g；B-樣品質量，g

制備方法、工藝參數、淀粉種類和產地等的不同都會對所制備的顆粒狀冷水可溶淀粉的冷水溶解度有影響。用高溫高壓醇法制備的顆粒狀冷水可溶淀粉的冷水溶解度至少為50%，在最佳制備條件下，可達80%～95%[7]。常壓多元醇法生產的顆粒狀冷水可溶淀粉的冷水溶解度為50%～94%[8]。酒精堿法制備的顆粒狀冷水可溶淀粉的冷水溶解度為40%～98%[2,13-21]。顆粒狀冷水可溶淀粉的冷水溶解度與其原淀粉顆粒的膨脹能力大小有關。馬鈴薯淀粉和木薯淀粉有著很高的膨脹能力，而小麥淀粉和綠豆淀粉的膨脹能力較低且差異不大[23-24]，玉米淀粉的膨脹能力最小，因此馬鈴薯、木薯顆粒狀冷水可溶淀粉的冷水溶解度高于綠豆、小麥顆粒狀冷水可溶淀粉的，玉米顆粒狀冷水可溶淀粉的冷水溶解度最低。糯玉米淀粉顆粒的膨脹度高于普通玉米淀粉顆粒的，因為糯玉米淀粉顆粒中幾乎不含直鏈淀粉，而普通玉米淀粉顆粒中的直鏈淀粉與支鏈淀粉纏繞在一起阻止顆粒的分散，顆粒結構較難破壞[25,27]，因此顆粒狀冷水可溶糯玉米淀粉的冷水溶解度高于顆粒狀冷水可溶普通玉米淀粉的。原淀粉顆粒的結晶結構對所制備的顆粒狀冷水可溶淀粉的性質也有影響。具有A型結晶結構的淀粉顆粒其內部結構排列緊密，而具有B型結晶結構的淀粉顆粒其內部排列疏松，即A型淀粉（如玉米淀粉）較B型淀粉（如馬鈴薯淀粉）的顆粒結構穩定，更不易被破壞[11,25]，因此A型淀粉制備得到的顆粒狀冷水可溶淀粉的冷水溶解度較低。

2.2 顆粒形貌特征

用偏光顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)的觀察結果表明，經酒精堿法制得的顆粒狀冷水可溶糯玉米淀粉、糯米淀粉、木薯淀粉、馬鈴薯淀粉、西米淀粉，仍然保持其原淀粉的顆粒狀，但顆粒膨脹，體積增大，形狀發生改變：原淀粉顆粒表面光滑，而制備出的顆粒狀冷水可溶淀粉顆粒間發生了粘連且顆粒表面不光滑，有較多的凹陷、空隙和裂縫等特征。隨著冷水溶解度的增加，淀粉顆粒樣品的偏光十字逐漸減少[14,18,21,25]。在顆粒狀冷水可溶淀粉的制備中使用乙醇抑制顆粒膨脹，保持顆粒的完整性，存在于溶脹顆粒內部的水分和乙醇在最后干燥時排出，使得顆粒表面收縮，出現凹陷，內部形成空穴[26]。

2.3 結晶特性

X-射線衍射是研究和測定淀粉多晶體系結晶性質和結晶度的一種有效手段。在衍射曲線中結晶結構對應尖峰衍射特征，而非晶結構對應彌散衍射特征。木薯原淀粉顆粒在2θ為15.0°、17.1°、18.0°和23.0°處有強的衍射峰，屬于C型多晶體系，而酒精堿法制備的顆粒狀冷水可溶淀粉在2θ為19. 0°、19.3°、20.1°附近有弱的衍射峰，可以認為是一種V型結晶和亞微晶結構相結合的圖譜類型[27]。V-型結晶結構的形成主要是因為直鏈淀粉與醇形成了單螺旋復合物。玉米原淀粉顆粒屬于A型多晶體系，西米原淀粉顆粒屬于C型多晶體系，酒精堿法處理后的玉米淀粉和西米淀粉的晶型也轉化為V型。Chen等用酒精堿法制備的顆粒狀冷水可溶玉米淀粉和高直鏈淀粉玉米淀粉的X-射線衍射顯示V型的圖譜；而顆粒狀冷水可溶蠟質玉米淀粉，顯示無定形圖譜[14]。

除晶型外，顆粒狀冷水可溶淀粉的X-射線衍射峰強度和相對結晶度也有所改變。顆粒狀冷水可溶馬鈴薯淀粉和木薯淀粉的尖峰衍射特征隨著冷水溶解度的增加而逐漸減弱直至完全消失。相對結晶度也由原來的18.9%最后降低至非晶顆粒態冷水可溶性淀粉的0，達到完全非晶化的程度[18,21]。有序結構發生變化，結晶結構被破壞，這是因為在堿性溶液中，淀粉-OH的質子被解離，淀粉分子帶負電，它們之間相互排斥促進顆粒溶脹。隨著反應過程中堿的加入，堿濃度增大，這種膨脹力也相應增強，最終導致雙螺旋變成單螺旋[11,28-29]。劉天一[10]等利用球磨研磨法制備了顆粒狀冷水可溶玉米淀粉，隨著淀粉溶解度增大，X-射線衍射圖中的尖峰衍射強度逐漸減弱，當溶解度達到57%時，尖峰完全消失，整條曲線變成一個饅頭峰，為典型的無定形結構衍射曲線，表明此時淀粉已從多晶形態轉為無定形態。這是由于球磨機械力破壞了結晶結構，晶格有序化程度逐漸降低，使淀粉由晶態向非晶態轉換，結構趨于無序化，促進了水分子和淀粉分子的結合，從而提高了淀粉的冷水溶解度[30]。

2.4 淀粉糊的黏度特性

顆粒狀冷水可溶木薯淀粉和預糊化木薯淀粉都冷水可溶，而且溶于冷水后，顆粒狀冷水可溶淀粉比預糊化淀粉的黏度高，布拉班德（Brabender）黏度曲線顯示兩者的黏度變化趨勢基本相同，都是先快速下降，最后保持不變。在升溫的過程中，分子間的作用力減弱，兩者的黏度都降低，但顆粒狀冷水可溶淀粉的淀粉糊的黏度比預糊化淀粉的黏度大，主要因為顆粒狀冷水可溶木薯淀粉在制備過程中保持顆粒狀態，未受剪切力的作用，因此糊中的淀粉分子和水分子的結合能力更強。在冷卻保溫階段，預糊化淀粉的黏度增大，表明其相對較容易回生[27]。

使用烏氏黏度計測得西米原淀粉的特性黏度為114 mL/g，酒精堿法制備的顆粒狀冷水可溶西米淀粉的特性黏度比西米原淀粉的低，基本在71～104mL/g之間，溶解度越高，特性黏度越低，這可能是因為其分子結構發生了變化，如支鏈淀粉的降解[14]。

2.5 熱學性能

Rajagopalan等[8]利用多元醇在常壓下制備了顆粒狀冷水可溶小麥、玉米和馬鈴薯淀粉，對其進行差示掃描量熱（DSC）分析，結果表明在水-多元醇的混合物中加熱淀粉，在較高溫度下可得到一個單一的糊化吸熱峰，并且比單獨在水中加熱淀粉觀察的吸熱峰窄。在多元醇中淀粉的糊化溫度的增加與直鏈淀粉在水-多元醇中的膨脹和溶解性呈現負相關。

西米原淀粉的起始糊化溫度為70℃，峰值溫度為75℃。酒精堿法制備的顆粒狀冷水可溶西米淀粉的起始糊化溫度為68～69℃，峰值溫度為74℃，相對于西米原淀粉都有所降低?？赡芤驗榈矸垲w粒的內部結構的改變能夠使淀粉顆粒在較低的溫度下糊化。相比于西米原淀粉，高溶解度的顆粒狀冷水可溶西米淀粉的糊化焓降低，可能由于其鏈長比西米原淀粉的短，而且與分子的有序結構有關。與原淀粉相比，顆粒狀冷水可溶淀粉有著較低的玻璃化轉變溫度（Tg），由于其結晶結構被破壞，而結晶結構作為連接點，能夠抑制聚合物的移動，使其不參與玻璃化轉變，因此結晶度越高的淀粉顆粒，抑制移動的作用越強，有著較高的玻璃化轉變溫度[14]。

2.6 直鏈淀粉含量的變化

顆粒狀冷水可溶馬鈴薯淀粉的直鏈淀粉含量為23%～28%，低于原淀粉的（26%～31%），顆粒狀冷水可溶玉米淀粉的直鏈淀粉含量為20%，也低于原淀粉的（22%），可能是由于在制備過程中有部分直鏈淀粉濾出[31-32]。在制備得到顆粒狀冷水可溶淀粉的過程中，馬鈴薯淀粉的直鏈淀粉降低的程度比玉米淀粉的大，可能與馬鈴薯淀粉顆粒的結構較易被破壞有關[26]。

3 顆粒狀冷水可溶淀粉的應用

顆粒狀冷水可溶淀粉的冷水可溶性優于原淀粉，淀粉糊的性質優于預糊化淀粉，可作為一種食品添加劑，在果醬、果凍、果汁、餡餅內容物、肉汁及甜點中能起到增稠和保形的作用，同時在農業、石油、鑄造、紡織、醫藥、造紙和化妝品等多個領域也有應用[4-6,33-35]（表3）。

表3 顆粒狀冷水可溶淀粉在食品行業與非食品行業中的應用Table 3 Application of granular cold-water-soluble starches in food industry and non-food industries

4 展望

顆粒狀冷水可溶淀粉能夠保持顆粒狀態，彌補了原淀粉和預糊化淀粉的不足，在工業應用中能減少生產環節，提高效率，且能保證產品具有較高的品質，因此有較好的發展前景。酒精堿法是目前制備顆粒狀冷水可溶淀粉較理想的方法，但由于需要使用有機溶劑，對生產過程的控制和廢水處理要求較高，限制了其工業化推廣。因此，如何使用無有機溶劑的方法制備出冷水溶解度好，性質穩定，成本較低的顆粒狀冷水可溶淀粉，是下一步研究的方向。顆粒狀冷水可溶淀粉比原淀粉和預糊化淀粉有更多的優勢，如能達到生產過程綠色環保，并且成本適中，該產品會有更大的發展空間。各個行業對于淀粉的性質要求不同，可針對不同的行業、不同產品，結合交聯、酯化、醚化等手段進行復合變性，使顆粒狀冷水可溶淀粉產品系列化，將有更廣闊的應用前景。

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