外源添加物对淀粉理化性质和消化特性影响的研究进展

谭 沙，朱仁威，刘庆庆，郑莎莎

(铜仁学院材料与化学工程学院，铜仁 554300)

淀粉是高等植物的碳水化合物的主要来源[1]，广泛存在于植物的种子、块根、块茎、叶和果实之中[2]。淀粉被普遍应用在食品、化妆品、造纸、医药、纺织等相关领域[3]。但天然淀粉因自身结构特点，作为添加剂使用时存在一定缺陷，如食品加工及储藏过程中易发生老化等失稳现象，限制了其在生产中的应用[4]。

不合理的膳食引发的机体糖代谢失衡，是导致糖尿病发生的关键因素。淀粉在机体内水解、消化能引起血糖的变化，在食物的质构及血糖应答方面起着很重要的作用。我国居民膳食结构以淀粉类食物为主。通过控制血糖防控糖尿病可从抑制淀粉的消化角度考虑。快消化淀粉含量少的食品能减少食用者餐后血糖与胰岛素的应答，维持血糖稳定，有利于控制糖尿病患者病情。

大量研究证实，添加外源亲水胶体、多酚类物质、氨基酸、蛋白质等能够改善淀粉类食品的品质，如改善淀粉糊化特性、流变特性、降低淀粉消化速率、降低快速消化淀粉含量。本文将从外源添加物对淀粉主要理化性质、消化特性的影响及作用机理进行综述，以期为扩宽淀粉应用范围、改善淀粉基食品品质及开发适合糖尿病患者食用的功能性食品提供参考。

1 外源添加物对淀粉主要理化性质的影响及作用机理

1.1 外源添加物对淀粉流变特性的影响及作用机理

流变学特性是评价淀粉类产品品质的重要指标，在加工淀粉基食品时，淀粉糊常受到力的作用，其流变特性相应受到影响，最终导致产品感官特性的改变[5]。为改善淀粉的流变特性，常添加的外源添加物有多糖、多酚、蛋白等物质，而外源添加物不同，对淀粉流变特性的作用结果及机理有差异。

刘芳梅[5]发现添加芒果皮粉能够提高大米淀粉的G′、G″、tanδ，相似的现象在添加外源性多糖类的淀粉中存在[6-11]，究其原因主要是多糖类物质与淀粉通过氢键聚集成难以运动的大分子，导致内部缠节点增多；而多酚类物质则是降低淀粉的G′、G″[12-15]，主要是由于多酚类物质与淀粉中的直链淀粉或支链淀粉通过疏水作用结合到螺旋内腔中，导致淀粉链之间交联缠绕的机会减少；绿豆蛋白[16]包围淀粉颗粒并抑制其膨胀，阻碍直链淀粉释放，直链淀粉无法重排从而不能形成连续的网络结构，进而削弱了荞麦淀粉的凝胶网络，使弹性凝胶的形成受到抑制，因此绿豆蛋白使荞麦淀粉G′、G″降低；卵磷脂[17]限制小麦淀粉颗粒的溶胀，从而降低小麦淀粉的G′；范逸超等[18]研究发现，加入γ-聚谷氨酸后小麦淀粉G′、G″下降，可能是因为γ-聚谷氨酸羧基基团与淀粉分子紧密结合，在分子间、分子内形成大量氢键，与淀粉发生交联作用，阻碍淀粉颗粒的吸水膨胀。

1.2 外源添加物对淀粉糊化特性的影响及作用机理

研究发现，添加多糖类物质能够分别抑制玉米淀粉[6]、百合淀粉[7]、小麦淀粉[20]、马铃薯淀粉糊化[21]，菊粉、魔芋葡甘聚糖、无花果籽多糖因具有较强的吸湿性，在糊化过程中通过与淀粉争夺糊化所需的水分而抑制糊化，而瓜尔豆胶通过在百合淀粉颗粒形成薄膜密封淀粉颗粒在瓜尔豆胶体内而抑制糊化。原花青素和槲皮素均能够提高淀粉的热稳定性[22，23]，使糊化温度升高。原花青素[22]通过与淀粉竞争水，减少淀粉膨胀的机会，延缓复合物的糊化，而槲皮素[23]水溶性较低，水和能力弱，在淀粉糊化过程中不会与淀粉分子争夺水分子，但可通过自身分子结构中的羟基基团与溶出的直链淀粉分子或溶胀的支链分子侧链通过氢键结合，从而促进了淀粉分子的相互缔合，限制了淀粉分子在膨胀后的空间位移，从而增加了热糊的黏度，提高了其热稳定性。修琳等[16]研究发现绿豆蛋白通过静电作用或诱导淀粉、蛋白质颗粒相互吸引，从而降低了淀粉的吸水速度，抑制淀粉颗粒的分解，从而延缓复合物的糊化。γ-聚谷氨酸[18]与菊粉、魔芋葡甘聚糖及原花青素一样因其本身的强亲水性，与淀粉竞争水抑制淀粉颗粒的吸水膨胀，增强淀粉的热稳定性。

表1 外源添加物对淀粉流变学特性的影响

1.3 外源添加物对淀粉回生特性的影响及作用机理

淀粉回生会导致淀粉基食品中的一系列不良现象，包括消化率降低、硬度增加和口感恶化，从而限制了淀粉在食品工业中的应用[24]。添加外源性蛋白质水解物[19]、多糖[6, 25-28]、多酚[15, 29-31]、带电氨基酸[32]均能够抑制淀粉的回生或延缓淀粉回生。Hu等[19]发现乳清蛋白水解物与大米淀粉相互作用并结合可能抑制淀粉链之间氢键的形成，从而改变大米淀粉的回生。玉木耳多糖[27]可通过与玉米淀粉竞争水分子，使淀粉用于凝胶化转变的自由水分减少，无定形区域的水合作用减弱或者通过渗漏出的直链淀粉通过氢键结合相互作用，抑制淀粉分子移动重排，淀粉分子重新缔合形成的基质或网络结构较弱来延缓玉米淀粉的回生；魔芋胶[28]通过稀释淀粉分子链，提高淀粉链周围介质的黏度，降低淀粉的运动速度，抑制了小麦淀粉的回生。阿魏酸[15]通过氢键与淀粉生物高聚物链相互作用，因此淀粉链与自身相互作用重新排序的机会较小，并且不溶性阿魏酸的存在稀释了淀粉基质，这也减少了淀粉链之间的相互作用，从而导致回生减少。而聚合原花青素[29]的强亲水性降低了淀粉—聚合原花青素体系中的游离或有效水分含量，且聚合原花青素通过强烈的氢键和疏水性相互作用与淀粉分子结合，从而限制了淀粉链的活性并延缓了回生。Liu等[32]发现氨基酸因带电抑制了大米淀粉的膨胀，因此降低淀粉颗粒与水结合的能力会导致淀粉回生的增加。

1.4 外源添加物对淀粉热学特性的影响及作用机理

多糖类外源添加物[6, 9, 20, 33]因其强亲水性能，而淀粉对水的亲和能力不如亲水性多糖，导致与淀粉的混合体系中自由水量减少，降低水分可利用度，从而使整个体系稳定性提高，糊化温度升高，糊化焓降低。与多糖类外源添加物不同，多酚类外源添加物对淀粉热力学特征的影响，不同研究者研究结果不一样。Zheng等[22]、Xu等[29]、Zhu等[34]发现多酚类外源添加物主要是与淀粉侧链相互作用，改变淀粉结构，从而改变淀粉结晶区域和非结晶区的结合力，提高峰值温度和终止温度，降低糊化焓。而Miao等[35]、Han等[36]发现添加外源多酚使起始温度、峰值温度、糊化焓均降低，并且因多酚与淀粉发生非共价结合，使得淀粉结构发生了改变，出现此情况可能与多酚种类及淀粉来源有关，不同多酚和不同来源淀粉结构有差异。除多糖和多酚外，γ-聚谷氨酸[18]也影响淀粉的热学特性，提高起始温度、峰值温度、终止温度，降低糊化焓，主要原因是其分子链上的羟基与淀粉颗粒表面的活性基团结合，在分子间、分子内形成氢键，与淀粉相互交联，增加淀粉的热稳定性。

表3 外源添加物对淀粉回生特性的影响

2 外源添加物对淀粉消化特性的影响及作用机理

多糖类外源添加物通过降低快速消化淀粉和慢速消化淀粉含量、增加抗性淀粉量改变淀粉的消化速率，不同多糖作用机理有一定的差异，其改变消化特性主要通过形成物理屏障后限制酶进入淀粉内部[20，21, 27, 33]、通过改变淀粉结构如所含有的羟基或羧基基团与淀粉相互作用从而限制了酶对淀粉的可及性[21,33]、或是与淀粉竞争水降低糊化度、或通过增稠消化体系限制水分子运动降低酶的水解速率，其中最主要作用机理是淀粉颗粒表面周围形成物理屏障层。与多糖不同，多酚类外源添加物通过与酶的结合改变酶结构[29, 34, 37-39]，从而酶活性被降低，导致其对淀粉的消化能力降低。不同的多酚其作用方式存在一定差异，如聚合原花青素[29]可以与氨基酸残基结合，主要通过疏水相互作用非竞争性地抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的催化作用，从而降低酶的活性；而葡萄籽原花色素[38]会随着馒头基质结构的溶胀和水解，缓慢释放至消化液中，抑制淀粉酶的活性，降低淀粉的水解速率。蛋白类外源添加物[4,40]主要通过形成物理屏障或与淀粉形成氢键改变淀粉结构，也可与淀粉形成氢键或是抑制淀粉酶活性，从而降低对酶对淀粉的消化性，另一个潜在的机制是蛋白质可以与淀粉竞争性结合α-淀粉酶，从而延缓淀粉水解。Wang等[41]研究发现脂肪酸是与淀粉形成复合物抑制糊化，从而导致消化困难。此外，他还发现虽添加了相同的脂肪酸，但普通小麦淀粉和蜡质小麦淀粉的消化速率有差异，说明除添加物的差异外，淀粉组成也是一个影响外源添加物作用效果的重要因素。

表4 外源添加物对淀粉热学特性的影响

表5 外源添加物对淀粉消化特性的影响

不同外源性添加物影响淀粉理化性质及消化特性主要作用机理见图1，多糖类外源添加物主要通过增多内部缠节点、与淀粉争夺糊化所需的水分、在淀粉颗粒表面周围形成物理屏障层等方式改变淀粉的理化性质和消化特性；多酚类外源添加物主要通过疏水作用结合到螺旋内腔中减少淀粉链之间交联缠绕的机会、与淀粉竞争水或通过自身分子结构中的羟基基团与溶出的直链淀粉分子或溶胀的支链分子侧链通过氢键结合、通过强烈的氢键和疏水性相互作用与淀粉分子结合等方式改变淀粉的理化性质和消化特性。

图1 不同外源性添加物影响淀粉理化性质及消化特性主要作用机理

3 结论与展望

为改善淀粉基食品品质及降低消化速率，往往在淀粉中加入多糖、多酚、蛋白质等几类外源物，其中研究较多的外源添加物为多糖和多酚类。不同外源添加物及淀粉来源的差异导致对淀粉理化性质和消化特性的影响的差异且作用机理也有不一样。目前有较多改善淀粉理化性质及消化特性的研究，但有些问题还需进一步研究。如不同种类外源添加物协同使用或外源添加物与物理方法协同作用是否更有效；外源添加物与淀粉之间的作用机制尚未明确，需从更微观角度进一步通过实验验证；选择外源添加物时都是单一从改善淀粉的理化性质及消化特性角度出发，但是这些组分的添加是否会对肠道菌群平衡甚至人体健康造成影响等未被综合考虑。