淀粉作为一种广泛存在于植物中的天然可再生多糖,在食品工业中扮演着增稠剂、胶黏剂和保水剂等重要角色,对产品的最终质地具有重要影响。天然淀粉由于溶胀能力低、溶解性和热稳定性差,易老化回生等问题,其应用范围受到了限制[1]。为了克服这些局限,越来越多研究者对天然淀粉进行改性处理,这一创新不仅提高了淀粉的工业价值,也为现代工业和食品加工提供了更多可能性[2]。根据处理方式和特性的不同,变性淀粉可分为物理变性淀粉、化学变性淀粉、酶法变性淀粉以及复合变性淀粉。这些变性淀粉各具特色,如羟丙基淀粉、羟丙基二淀粉磷酸酯、预糊化淀粉和磷酸酯双淀粉等,均在食品工业中发挥着重要作用[3]。如今,面制品作为中国传统美食的重要组成部分,正朝着健康化和高端化方向发展。方便面、冷冻馒头、冷冻面条等产品不断涌现,将变性淀粉应用于面制品中,成为提升产品品质、改善口感和质地、延长保质期的关键手段。本文将重点介绍近年来国内外关于变性淀粉的理化功能特性及其在面制品中的应用现状,并对其今后发展方向进行展望,以期推动相关产业的发展。
1 不同改性方法对淀粉理化结构及功能特性的影响
1.1 物理改性
物理改性是通过物理手段改变颗粒形态、大小、结晶度和糊化特性,预糊化是最常用的物理改性方法,预糊化淀粉在冷水中会迅速膨胀,黏度大,可以赋予食物理想的质地特征,它具有水溶性、凝胶性、保水性和室温溶胀性等优点。湿热处理可以破坏淀粉分子结构,降低糊化峰值温度,增加热焓值,能提高淀粉的吸水性和膨胀性,同时减少糊化时的黏度和膨胀度[4]。辐射处理利用高能射线(如γ射线或电子束)对淀粉进行改性,这种方法能够破坏淀粉分子间的氢键,从而改变其结构和性质。辐射处理后的淀粉通常具有更高的溶解性和黏度,适用于需要高黏度的食品加工[5]。超声波处理通过高频振动对淀粉颗粒进行机械作用,从而改变其结构和形态,能够降低淀粉的膨胀体积,提高其在食品中的稳定性[6]。
1.2 化学改性
化学改性是一种通过酸、碱、氧化剂、交联剂等化学试剂处理淀粉的方法改变其化学结构和性质。化学改性能够降低淀粉的分子质量,使其更易于溶解和分散,其中,乙酰化和酯化是2种有效降低分子质量的方法,通过在淀粉分子上引入乙酸基团和酯基(如乙酸酯、丙烯酸酯等),能显著改善淀粉的溶解性和糊化特性,同时提高抗冻融性能和热稳定性[7];氧化处理则是通过引入氧原子来改变淀粉的分子结构,进而增强其溶解性和水分保持能力,同时降低糊化温度和峰值糊化温度[8]。此外,接枝共聚和交联也是重要的化学改性方法,接枝共聚通过引入其他单体(如马来酰亚胺基团)形成共聚物,从而增强淀粉的黏合性和热稳定性,而交联则是利用交联剂(如戊二醛)使淀粉分子间形成交联网络,提高其热稳定性和抗剪切能力,增强面团的弹性和持气性[9]。
1.3 酶法改性
酶法改性是利用酶对淀粉分子中的特定化学键进行切割或重组,从而改变其分子结构和功能特性。例如,α-淀粉酶可以随机水解淀粉聚合物的α-(1→4)-糖苷键,生成不同长度的直链淀粉和支链淀粉,进而影响其溶解度、糊化温度和凝胶特性[10]。单酶改性通常使用单一类型的酶对淀粉进行处理。研究表明,使用热稳定α-淀粉酶对玉米淀粉进行处理后,其溶解度、糊化温度和抗性淀粉含量显著提高,聚合度降低,且颗粒形态由规则的球形变为不规则形状[11]。而复合酶改性结合了多种酶的作用,如α-淀粉酶与β-淀粉酶的协同作用,能够更有效地改变淀粉的分子结构,提高其功能性;普鲁兰酶和分支酶联合处理糯麦淀粉后,其直链淀粉含量显著增加,消化特性得到改善[12]。通过酶改性可以改善面制品的质地、口感和保水性,广泛应用于面包、饼干、面条等面制品的生产。
1.4 复合改性
复合改性通常涉及2种或多种改性技术的组合应用,例如交联与酯化、氧化与接枝等。这种多步骤的改性方法能够更全面地调整淀粉的分子结构,从而优化其性能。例如,通过交联和酯化相结合,可以同时提高淀粉的热稳定性、溶解性和抗老化能力,在食品加工中的乳化性能和稳定性显著提高,适用于乳制品和烘焙食品[13];酸解结合交联可以同时提高淀粉的吸水性和凝胶强度,还可以通过引入多种官能团或交联网络,增强淀粉的综合性能[8],物理预糊化与酶促改性相结合的复合改性则提高了淀粉的溶解度和糊化温度,同时降低了其凝胶强度[14]。
2 变性淀粉在面制品中的应用
2.1 变性淀粉在非发酵面制品中的应用
非发酵面制品是指在制作过程中不使用酵母或其他发酵剂的面制品。包括面条、饼干、蛋糕、麻薯等,这些面制品不需要经过长时间的发酵过程,缩短了生产周期,并减少了能源消耗。变性淀粉在非发酵面制品中的应用机制主要涉及其对面团的物理和化学性质的改善,从而提升面制品的质构、持水性、抗冻融性和感官品质。变性淀粉由于其亲水基团的引入,能够显著提高面团的持水性,不同种类的变性淀粉在常温下具有不同的持水能力,这与其淀粉链之间形成的氢键和共价键的程度有关。在非发酵面团中,变性淀粉在较低添加量(<5%,质量分数)时能够改善面团的流变特性,增加面团的深层结合水含量,从而提高面团的持水性和质构特性[15]。此外,复配变性淀粉(如醋酸酯大米淀粉、羧甲基淀粉和羟丙基二淀粉磷酸酯)的组合使用,可以综合各变性淀粉的优点,进一步提高面团的持水性和质构特性[16]。
2.1.1 面条
面条是一种由面粉制成的食品,通过和面、压延、切条等工艺制成细长的条状物。变性淀粉通过改变面条的物理化学性质,能够有效解决面条生产中的断条率高、烹调损耗大、质构劣化等问题。如表1所示,在挂面中同时添加交联淀粉和酯化淀粉后,增加面条弹性、韧性,提升口感爽滑度,有效减少煮制过程中的断条率,提高面条耐煮性[17]。甘薯氧化交联淀粉能够提高面条的表皮光滑度、气孔均匀性和弹性,同时降低面条的硬度和脆性,提高柔软度和口感细腻度[18]。预糊化处理通过改变淀粉颗粒的结构,使其在冷水中能迅速溶解并形成高黏度的糊状物减少冷冻损伤,并通过交联增强淀粉结构的稳定性,从而满足速冻和即食面条的需求[19]。同时,酯化处理增加了淀粉的亲水性,满足方便面和即食面的快速复水和口感需求[20]。磷酸酯化处理增加了淀粉的负电荷,提高了淀粉的分散性和稳定性,适合需要筋道和弹性的面条类型[21]。所以,选择合适的变性淀粉和改性方法,可以显著改善面条的质构特性和烹调特性,满足不同面条类型和消费者的需求。
表1 不同类型的面条及其添加剂对质构和烹调特性的影响
Table 1 The influence of different types of noodles and their additives on texture and cooking characteristics
面条类型添加剂类型改性方法添加量质构特性烹调特性鲜切面、挂面马铃薯复合变性淀粉化学交联+酯化2%～5%增加面条弹性、韧性,提升口感爽滑度减少煮制过程中的断条率,提高面条耐煮性氧化交联淀粉化学氧化+交联1%～4%降低面条硬度,提高柔软度和口感细腻度减少水分损失,保持面条新鲜度和口感即食面、速冻面条预糊化交联淀粉物理预糊化+化学交联3%～8%提升面条的弹性和黏着力,保持面条结构完整性减少冷冻损伤,提高面条在煮制过程中的稳定性酯化交联淀粉化学酯化+交联2%～6%改善面条口感爽滑度,提升食用时的愉悦感缩短复水时间,提高面条的吸水性和膨胀性乌冬面、拉面木薯改性淀粉化学磷酸酯化4%～10%增强面条的筋道感和弹性,提升口感层次保持面条形状完整,不易糊汤,提高面条的咀嚼感
2.1.2 饼干
饼干通常由面粉、糖、油脂等原料制成,具有酥脆的质地和香味。在饼干的制作过程中,常出现吸油性过高、硬度不足、脆性差、色泽不佳以及消化性能较差等问题,通过添加变性淀粉,可以有效改善这些问题,提升饼干的整体品质和健康价值。例如,加入氧化淀粉和酯化淀粉,因其良好的黏度、透明度和抗老化特性,可以使得饼干能够保持更好的结构和口感[16];通过使用改良的Kepok香蕉淀粉替代普通淀粉,可以显著增加饼干中的抗性淀粉含量,有助于降低饼干的血糖生成指数(glycemic index, GI),从而对糖尿病患者有益[22]。姚舒婷等[23]通过使用变性淀粉作为脂肪替代品,制作低脂压缩饼干,这种饼干不仅口感细腻,而且成型好、连食性强。
2.1.3 蛋糕
蛋糕是一种常见的烘焙食品,由面粉、糖、鸡蛋、油脂等原料制成,具有松软、细腻的口感和丰富的风味。变性淀粉在蛋糕中的应用主要体现在改善蛋糕的品质和延长其保质期方面。例如,添加预糊化变性淀粉可以提高蛋糕的水分含量,降低水分损失率,并延缓蛋糕的老化过程[24];李嘉瑜等[25]通过添加预糊化乙酰化二淀粉磷酸酯和羟丙基二淀粉磷酸酯增加蛋糕体积和延缓蛋糕老化。变性淀粉还可以用于替代蛋糕中的部分油脂,从而降低蛋糕的脂肪含量。这种替代不仅不影响蛋糕的品质,甚至可以在某些情况下超过对照产品的品质[26]。
2.1.4 麻薯
麻薯的制作包括糯米粉、水以及糖浆,通过蒸制或冷冻等方式完成,在生产与应用中常面临热稳定性差、抗剪切能力弱、老化快等问题。通过添加变性淀粉可以有效改善这些问题,提升麻薯的品质和功能性。木薯交联羟丙基淀粉被广泛应用于麻薯的制作中,能够显著改善麻薯皮料的外观、口感和抗老化性能。例如,糯米粉与木薯交联羟丙基淀粉的质量按4∶1 混合时,麻薯的品质最佳[27]。在麻薯面包的应用研究中,轻交联的木薯羟丙基淀粉在组织结构、加工性能和口感上表现优于深交联的木薯羟丙基淀粉,并且在比容、弹性及硬度上也表现良好,此外,与预糊化变性淀粉的质量按4∶1复配时,能显著提高麻薯面包的比容、弹性、组织结构,且口感清爽、保型性好[28]。
2.2 变性淀粉在发酵面制品中的应用
发酵面制品是指通过微生物发酵作用,使面团中的淀粉、蛋白质等成分发生生化反应,从而产生特殊风味和质地的食品。发酵面制品主要有馒头、包子、面包、发糕、油条等。面团发酵是一种极其复杂的生化反应,会导致面粉中淀粉和蛋白质等组分的结构和性质发生改变,从而影响发酵产品的质量,发酵产生的CO2在面筋基质中形成气泡,气泡不断胀大使面团膨胀形成多孔结构[29],在蒸制阶段能够增加馒头、面包的体积,赋予馒头、面包良好的结构特性。变性淀粉能够与面粉中的分子网络组成相互交叉、相互贯穿的新网络,这个新网络能够增加面团的强度、黏弹性和黏度,从而改善面团的流变性,同时变性淀粉具有良好的成膜性和透明度,这些特性使得变性淀粉在在发酵面制品中得到了广泛应用。
2.2.1 馒头
馒头是中国最古老的发酵面食之一,也是发酵面食的代表。根据多项研究表明,变性淀粉通过不同的改性方法和添加量,可以显著影响馒头的质构特性、感官品质以及抗老化性能。例如,添加玉米变性淀粉的马铃薯馒头较未添加的硬度、胶着性、咀嚼性显著降低,弹性升高,馒头的比容在添加质量为3%～ 4%时最大[30]。同时,添加量为3%(质量分数)马铃薯变性淀粉的馒头在低温贮存过程中硬度和回生值变化率先降低,后升高,表现出最好的抗老化效果[31]。因此变性淀粉在馒头中的应用不仅能够显著改善馒头的质构和感官品质,还能有效延长其货架期,是一种非常有价值的食品添加剂。
2.2.2 面包
面包通常以小麦粉为主要原料,以酵母、糖、盐等为辅料,加水之后称面团,经分割、成型、醒发、焙烤、冷却等过程加工而成的食品。但由于制作工艺、贮存条件、原料的单一性,制作出的产品易出现膨胀力不足、老化过快等问题,因此可添加适量变性淀粉进行优化。一般来说,添加变性淀粉后,混合粉的糊化时间短、峰值黏度高,面团的筋力、持水性和稳定性更强,同时能够抑制淀粉的回生作用,延缓面包的老化过程。例如添加辛烷基琥珀酸酐变性淀粉增加了面团吸水率,而交联淀粉增强了面团的稳定性,使制作的面包质地柔软,体积增大[32]。在面包冷藏期间,KANG等[33]发现乙酰化或羟丙基淀粉比氧化淀粉在延缓面包老化中更具有效果。添加羟丙基淀粉的面包在贮存过程中硬度更低,保持柔软的时间更长;乙酰化淀粉提高了面包贮存过程中的硬度,而交联淀粉的面包硬度更高,但交联的蜡质淀粉却能降低面包的硬度,因此不同种类的变性淀粉在面团和面包的质地中发挥着不同的作用,复合的变性淀粉性质比单一变性淀粉更全面[34]。
2.2.3 油条
油条是以小麦粉、膨松剂、水为原料,经过混合、调制、揉压、醒发、成型、油炸而成,在制作过程中,面团中的淀粉经过高温油炸会糊化,形成均匀的网络结构。变性淀粉由于其特殊的化学结构,可以显著提高淀粉的糊化温度和稳定性,降低吸油量,从而改善油条的质地和口感。王佳玉[35]将3种不同挤压条件下改性马铃薯淀粉添加至全麦油条中,发现油条硬度显著降低,弹性上升,比容增加。王振伟[36]探究了羟丙基二淀粉和乙酰化二淀粉磷酸酯对冷冻油条面胚保水性和油条品质的影响并进行了分析,使用变性淀粉能显著提高油条冷冻面胚的持水率,油炸后膨胀率明显提高,并且感官评分也有所提高,在相同使用量时,加入乙酰化二淀粉磷酸酯的油条膨胀率和感官评价更好,在其添加量为2.6%(质量分数)时最佳。
2.2.4 发糕
发糕是一种发酵型水蒸糕点,一般是以大米粉或小麦粉为原料,添加糖粉、酵母等辅料,经过混合、搅拌、发酵、蒸制而成的,是一种大众化饼类食物。发糕的制作不仅需要合适的工艺条件,其原辅料的配方组成也至关重要。由于原料的加工性能有限,单独使用时制成的发糕一般难以成型,尤其是在汽蒸过程中往往容易出现坍塌,因此需要添加一些辅料以改良发糕的品质。研究表明,预糊化改性淀粉在米发糕中的应用可以显著提高米发糕的比容、组织结构和弹韧性,同时降低回升焓,有效抑制米发糕的老化。吴宗帅等[37]探究了4种不同预糊化变性淀粉在米发糕中的应用发现,添加变性淀粉后的米发糕均优于未添加,添加蜡质玉米变性淀粉的米发糕,其比容、感官评价以及抗老化性能均优于木薯改性淀粉,添加蜡质玉米羟丙基改性淀粉能够明显改善内部组织结构,使气孔更小且均匀,口感更加细腻柔软,并且弹性更好。高丹阳等[38]研究也发现加入变性淀粉的红糖发糕内部组织结构明显改善,气孔均匀,口感细腻,并得出乙酰化二淀粉磷酸酯在面粉中的添加量为30%(质量分数)时效果最佳。
3 结论
变性淀粉主要是为了适应各种工业应用的要求而出现的,因其良好的增稠性、成膜性、稳定性在面制品中具有广泛的应用前景和显著的应用效果。我国对于变性淀粉的研制起步较晚,无论是从变性淀粉的种类、质量,还是应用范围,都处于蓬勃发展期间。针对单一食品,探索不同来源、不同生产方法、化学结构、物理性质的变性淀粉对产品品质的影响,进一步细化品种,提高变性淀粉的专用性,挖掘其功能特性,为提高面制品质量、延长保质期以及满足消费者多样化需求方面发挥更大作用。
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