淀粉及变性淀粉的简介

一、原淀粉
    在农作物籽粒、根、块根中淀粉是经光合作用合成，具有颗粒结构与蛋白质、纤维、油脂、糖、矿物质等共同存在。淀粉颗粒不溶于水，工业上便是利用这种性质，采用水磨法工艺，将非淀粉杂质除去，得到纯度高的淀粉产品。
    1、化学组成
    淀粉生产工艺和设备发展很快，已达到很高的技术水平，但还不能将淀粉物完全分离出去，产品仍含有很少量杂质。
    淀粉是在水介质中光合作用合成，颗粒含有水分，一般在10-20%，淀粉颗粒水分是与周围空气中水分呈平衡状态存在的，空气干燥会散出水分，空气潮湿会吸收水分。水分的吸收和散失是可逆的。
    表一：淀粉化学组成
淀粉 水分% 脂（干基%）蛋白质% 灰分% 磷%
玉米 13 0.60 0.35     0.10 0.015
小麦 14 0.80 0.40 0.15 0.060
粘玉米 13 0.20 0.25 0.07 0.007
马铃薯 19 0.05 0.06 0.40 0.080
木薯 13 0.10 0.10 0.20 0.010
    脂类化合物与链淀粉分子结合成络合结构存在，对淀粉颗粒糊化、膨胀和溶解有强抑制作用。
    2、淀粉颗粒
    在光学显微镜，偏光显微镜和扫描电子显微镜下观察，玉米淀粉颗粒较小，呈多三角形；马铃薯淀粉颗粒较大，呈椭圆形；木薯淀粉颗粒有的呈凹形。
    表二：不同淀粉颗粒大小
淀粉 大小范围（μｍ） 平均范围（μｍ）
玉米 5-25            15
马铃薯 15-100            33
木薯 5-35            20
甘薯 15-55            30
小麦 2-35            - -
高粱 5-25            15
大米 3-8             5
    淀粉颗粒具有结晶性结构。颗粒的一部分具有结晶性结构，分子间具有规律性排列。另一部分为无定形结构，分子间排列杂乱，没有规律性。
    淀粉分子具有众多的羟基，亲水性很强，但淀粉颗粒球不溶于水，这是因为羟基之间通过氢键结合的缘故。颗粒中水分也参与氢键的结合。
    淀粉颗粒具有渗透性，水和水溶液能自由渗入颗粒内部。淀粉与稀碘溶液接触很快变蓝色，表明碘溶液很快渗入颗粒内部与其中链淀粉起反应呈现蓝色，蓝色的淀粉颗粒在与硫代硫酸钠溶液相遇时，蓝色有同样很快消失，表明溶液很快渗入颗粒内部。起了反应。这种快速的颜色变化表明，淀粉颗粒具有很高渗透性。工业上采用化学方法生产变性淀粉便是利用颗粒的渗透性，水起到载体作用。淀粉颗粒内部有结合无定形区域，后者具有较高的渗透性，化学反应主要发生在此区域。
    3、直链和支链淀粉
    淀粉是有葡萄糖组成的多糖高分子化合物，有直链状和支链状两种分子。
    表三：不同品种淀粉的直链和支链淀粉含量
淀粉 直链淀粉含量% 支链淀粉含量%
玉米      27              73
粘玉米      0              100
高粱      27              73
粘高粱      0              100
稻米      19              81
糯米      0              100
小麦      27              73
马铃薯      20              80
木薯      17              83
甘薯      18              82
高直链玉米    70              30
    淀粉化学结构式微（C6H10O5）n，n为不定数，因为直链淀粉和支链淀粉多是多种大小的高分子化合物。C6H10O5为脱水葡萄糖单位，淀粉分子是葡萄糖单位，淀粉分子是葡萄糖脱去水分子单位经由糖疳链连接成的高分子。组成淀粉分子的脱水葡萄糖单位数量称为聚合度，被C6H10O5分子量162乘得淀粉分子量。
    马铃薯链淀粉聚合度在1000—6000之间，平均约3000，玉米链淀粉聚合度在200—1200之间，平均约为800。支链淀粉聚合度平均在100万以上，分子量在2亿以上，为天然高分子化合物中最大的。谷物和薯类支链淀粉分子大小相同。淀粉分子间有的是经由水分子经氢链结合，水分子介于中间，有如架桥。
    4、糊化
    混合淀粉于水中，搅拌的乳白色，不透明悬浮液，成为淀粉乳。将淀粉乳加热，淀粉颗粒吸水膨胀，发生在颗粒无定形区域，结晶束具有弹性，仍保持颗粒结构。随温度上升，吸收水分更多，体积膨胀更大，达到一定温度，高度膨胀淀粉间互相接触，变成半透明的粘稠状，成为淀粉糊。这种由淀粉乳转变成淀粉糊的现象称为糊化。淀粉发生糊化的温度称为糊化温度。淀粉乳糊化，透明度增高，颗粒的偏光十字消失。淀粉颗粒开始消失便是糊化开始的温度，约98%颗粒偏光十字消失为糊化完成的温度。
    5、淀粉糊
    淀粉在不同工业中用途广泛，几乎都是通过加热使淀粉乳糊化，应用所得到的淀粉糊，起到增稠、凝胶、粘合、成膜和其他功用。不同中淀粉在性质方面存在差别，如粘度、粘韧性、透明度、抗剪切力、稳定性、凝沉性等。
    表四：淀粉糊性质
淀粉 抗剪切稳定性 粘度   粘韧性     透明度 凝沉性
玉米 高 中 短 不透明 强
粘玉米 低 中高 长 半透明 很弱
小麦 中 中低 短 不透明 强
高粱 中 中 短 不透明 强
大米 中 中低 短 不透明 强
马铃薯 低 很高 长 半透明 中
木薯 低 高 长 半透明 弱
甘薯 低 高 长 半透明 中
    马铃薯淀粉糊化膨胀能力最大，糊的粘度上升快而高，但继续搅拌受热，粘度迅速降低，这是因为膨胀颗粒强度低，受搅拌剪切影响易于碎裂。粘度降低大，也就是热粘度稳定性低。玉米淀粉颗粒较小，热粘稳定性较高。冷却淀粉糊，粘度增高。
    淀粉在较低温度下开始糊化，粘度上升快，达到最高值，称最高热粘度，也称峰值粘度。
    继续搅拌受热，粘度迅速降低。在95℃继续保温1小时，粘度降低的程度表示糊的热稳定性；降低大，稳定性低。冷却到50℃粘度升高，升高的温度表明凝沉性的强弱。在50℃保温一小时，粘度的变化表示糊冷粘度稳定性。
    用一根木片放入淀粉糊中，取出糊丝的长度表示粘韧性的高低。马铃薯、木薯、蜡纸玉米淀粉属于长糊，玉米及谷物淀粉属于短糊。
    淀粉乳糊化，透明度增高。
    机械搅拌淀粉糊产生剪切力，引起膨胀淀粉颗粒破裂，粘度降低。
    玉米淀粉颗粒膨胀较小，强度较高，抗剪力稳定性高。
    储存稀淀粉糊较长时间，溶解的链淀粉分子间趋向平行排列，经氢键结合成结晶结构，水不溶解，会逐渐变混浊，有白色沉淀下沉，水分析出，胶体结构破坏，这是由于溶解状态又重新凝结而沉淀。这种现象称为凝沉。低温度和高浓度都促凝沉发生，链淀粉分子长短与凝沉性强弱有关。较高的糊浓度（如玉米淀粉糊浓度70%以上）冷却时，很快凝结成半固体的凝胶，也是由于凝沉作用。

二、变性淀粉
    1、变性的目的
    随着科学技术、生产水平的快速发展，人民生活水平不断提高，原淀粉的有些性质以不符合新设备、新工艺和新产品的要求，需要改变其性能，保证获得好的应用效果。例如,食品加工越来越多应用冷冻、冷藏技术，但原淀粉冷冻会发生凝沉、析水、破坏食品胶体结构，通过酯化，醚化或交联变性，能提高动融稳定性。避免食品加工过程中出现的缺点。
    2、变性方法
    变性淀粉的制造方法由物理、化学、酶法，化学方法是最主要、应用最广泛的。
    化学变性是利用淀粉分子中的醇羟基化学反应，主要有醚化、酯化、氧化、交联等反应。
    组成淀粉的脱水葡萄糖单位有三个醇羟基，C6为伯醇羟基，C2和C3仲醇羟基。淀粉分子含有数目众多的羟基，其中只要少数发生化学反应，便能改变淀粉的糊化难易、粘度高低、稳定性、成膜性和其他性质，达到应用要求。
    化学变性使葡萄糖单位的化学结构发生变化，这类变性淀粉又称为27物。反应程度用平均每个脱水葡萄糖单位中羟基被取代的数量表示，称为取代度，英文缩写DS表示。工业上生产的重要变性淀粉几乎都是低取代度的产品，取代度一般在0.2以下，即平均每10个葡萄糖单位有2个一下被取代，反应程度很低。
    取代度只是表示平均反应程度，不能表示衍生物的不同结构。脱水葡萄糖单位被取代所产生的异物体，可能数目多，分离和确定结构是困难的，工业生产很少用取代度控制化学反应或表示产品。工业上一般是分析产品的性质变化程度来控制反应。例如，变性目的是提高糊的抗冷冻稳定性，则测定冷冻稳定性，达到要求时停止反应。
    化学变性的工艺一般分为湿法、干法、复合变性。
    化学变性的方法很多，这里仅介绍在食品工业中应用较广泛的方法之一，酯化变性淀粉。
    3、 淀粉磷酸酯
    淀粉易与磷酸盐起反应得磷酸酯，很低程度的取代度能改变原淀粉的性能。磷酸为三价酸，能与淀粉分子中一个、二个和三个羟基起反应生成淀粉磷酸一、二、和三酯。淀粉磷酸一酯也简称为淀粉磷酸酯。磷酸酯与来自不同淀粉分子的二个羟基起酯化反应的二指数交联淀粉。
        O                O                    O
        ‖               ‖                   ‖
淀粉 -O-P-OH      淀粉-O-P-O-淀粉      淀粉-O-P-O-淀粉
        |                |                    |
       OH               OH                    OH
      一酯             二酯                  三酯

    应用正磷酸盐和三聚磷酸钠得淀粉磷酸一酯，应用三偏磷酸钠和三氯氧磷得淀粉磷酸二酯，属交联淀粉酯，被交联的淀粉磷酸酯需要分二步进行，先酯化得一酯，在进行交联。
    淀粉磷酸酯生产工艺有两种，即干法和湿法。湿法生产反应完全，但成本高，又环境污染。干法生产成本低，环境无污染，但反应深度相对湿法差些。
    干法生产主要工艺过程：
    喷药混合→反应釜反应→气流干燥→筛选→包装
    4、淀粉磷酸酯的性质及应用
    淀粉磷酸酯具有电荷，为阴离子高分子电解质，与原淀粉相比较、糊粘度、透明度和稳定性都较高。很低酯化程度便能改变糊性质很大。原玉米淀粉是透明状不高的短糊，凝沉性强冷却称为不透明的凝胶。经磷酸酯化，取代度0.01糊性质改变很大，变为与马铃薯淀粉糊相似的“长”糊，粘度高，稳定性高透明度高、粘胶性强。
    淀粉磷酸酯仍为颗粒状，能在冷水中调制淀粉乳。
    淀粉磷酸只能被具有阳电荷亚甲兰显色，颜色深浅能表示阳离子化强度，用显微镜观察样品颜色分布的均匀程度能了解酯化反应发生的均匀程度。
    在食品加工中，淀粉磷酸酯是良好的乳化剂、增稠剂和稳定剂。在造纸工业中用作表面施胶剂和湿部添加剂。在纺织工业中应用于上浆、印染和织物整理。在医药、农业、饲料、环保等领域也得到了广泛的应用。