块根与块茎淀粉：从分子结构到功能特性的比较研究及其在食品工业中的应用潜力

《Starch - St?rke》：Tuber and Root Starches: Molecular and Physicochemical Properties

这篇综述系统比较了三种非传统来源（Dale Dale、Mashua和Pituca）的块根与块茎淀粉在分子（如直链/支链淀粉比例）、理化（如结晶度、热特性、糊化粘度）及功能（如溶解度、溶胀力、流变性）等方面的核心差异，揭示了淀粉组成、结构与最终性能之间的内在关联，为开发新型、功能化的食品工业用淀粉原料提供了重要的理论依据。

　　

引言

淀粉作为一种重要的天然高分子聚合物，广泛存在于多种植物组织中，在食品工业中作为填充剂、增稠剂、生物膜和可食用涂层等发挥着关键作用。不同植物来源的淀粉因其分子和理化特性的差异，表现出截然不同的功能性质和应用潜力。安第斯山脉和亚马逊地区的块茎、块根和种子作为新兴的食物来源，其淀粉成分具有独特的营养价值和潜在的健康益处。然而，除了马铃薯淀粉被广泛商业化外，来自Mashua、Olluco、Oca等安第斯块茎以及Dale Dale（又名Ariá）和Pituca等来源的淀粉仍未得到充分利用，对其技术潜力和组分特性的全面研究相对较少。因此，系统地表征和比较这些非传统来源淀粉的结构与理化性质，对于理解其差异、探索潜在食品应用至关重要。

材料与方法

本研究提取了来自秘鲁不同地区的Dale Dale块茎、Mashua块茎和Pituca根部的淀粉，并对其进行了一系列系统的表征。方法包括标准化学组分（水分、蛋白质、脂肪、灰分、总淀粉及直链淀粉含量）测定、功能性质（溶解度与溶胀力）评估、颜色参数（CIELAB色空间）测量。形态和粒度分布通过扫描电子显微镜（SEM）和激光衍射粒度分析仪进行观察。热性质使用差示扫描量热仪（DSC）分析。糊化特性通过快速粘度分析仪（RVA）测定。分子结构方面，采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析短程分子序，并通过X射线衍射（XRD）评估长程结晶结构和相对结晶度（RC）。流变学性质则通过混合流变仪测定稳态剪切下的流动行为（采用Herschel–Bulkley模型描述）和动态振荡下的粘弹特性（存储模量G′、损耗模量G″和损耗因子tan δ）。所有数据分析均采用方差分析（ANOVA）和Tukey事后检验。

结果与讨论

理化组成

三种淀粉的化学组成存在显著差异。Mashua淀粉的水分含量最高，而Pituca淀粉的蛋白质、脂肪和灰分含量均为三者中最高。总淀粉含量方面，Dale Dale和Mashua淀粉均高于97%，显著高于Pituca淀粉（82.02%）。直链淀粉含量以Dale Dale淀粉最高（38.97%），其次为Mashua（28.16%）和Pituca（20.90%）。这种差异可能与遗传变异、地理起源和栽培条件有关，并对淀粉的流变、糊化和功能性质产生重要影响。

颜色参数

颜色分析显示，Mashua淀粉的b^*值（黄度）最高，ΔE^*（总色差）最大，而白度指数（WI）最低，表明其提取过程中有色化合物去除不完全。Dale Dale和Pituca淀粉则表现出更高的白度和更接近标准白的颜色。

功能性质

溶解度与溶胀力（SP）随温度升高而增加。在温度≥60°C时，Dale Dale淀粉的溶解度显著低于Mashua和Pituca淀粉。Mashua淀粉在各个温度下（50-90°C）的溶胀力均显著高于其他两种淀粉。这些差异与淀粉的分子组织、结构特性以及直链淀粉和支链淀粉的链长分布密切相关。低溶胀力值可能与直链淀粉和支链淀粉链之间的强相互作用，以及磷脂与长链形成螺旋复合物从而限制颗粒膨胀有关。

颗粒形态与粒度分布

SEM图像显示，Dale Dale淀粉颗粒主要呈圆柱形和椭圆形，Mashua淀粉颗粒多为球形，而Pituca淀粉颗粒则呈现多面体形态且表面光滑。粒度分布分析表明，Mashua淀粉呈双峰分布，Dale Dale和Pituca淀粉呈单峰分布。Dale Dale淀粉的平均粒径最大（23.50 μm），Pituca最小（2.25 μm）。颗粒形态和大小的差异受植物种类、遗传变异、环境条件和栽培实践的影响。

糊化特性

三种淀粉表现出不同的糊化行为。Dale Dale淀粉的糊化温度（PT）最高（85.18°C），Pituca（73.5°C）和Mashua（64.95°C）次之。峰值粘度（PV）以Mashua淀粉最高（10291 cP），Dale Dale（5635.5 cP）和Pituca（2697 cP）较低。最终粘度（FV）则是Dale Dale淀粉最高（4814 cP）。崩解值以Mashua淀粉最大，而回生值以Dale Dale淀粉最高，这与Dale Dale淀粉较高的直链淀粉含量及其在冷却阶段更强的氢键形成和回生趋势相一致。

热性质

热分析显示，Dale Dale淀粉的起始糊化温度（T_i）、峰值糊化温度（T_g）和终止糊化温度（T_f）均为三者中最高，表明其结晶区域需要更多的热能来破坏。糊化焓（ΔH）也以Dale Dale淀粉最高（18.97 J/g），这与其较高的直链淀粉含量、结晶度以及淀粉颗粒内部的结构组织有关。

FTIR光谱

FTIR光谱显示三种淀粉的红外图谱相似。通过计算吸收比R₁（1047/1022 cm^-1）和R₂（995/1022 cm^-1）来评估短程有序性。1047/1022比值在三者间无显著差异，而995/1022比值则差异显著，其中Dale Dale淀粉最高，表明其无定形相具有更高程度的双螺旋有序性。这一差异有助于解释其糊化和热行为的差异。

X射线衍射图谱

XRD分析揭示了晶体类型的差异：Mashua淀粉呈现典型的B型衍射图谱，而Dale Dale和Pituca淀粉则呈现A型图谱。这反映了支链淀粉链长分布和堆积方式的差异。相对结晶度（RC）以Dale Dale淀粉最高（40.4%），Pituca（37.7%）和Mashua（26.4%）次之。结晶度与淀粉的功能、营养和消化特性密切相关。

流变学性质

稳态流变测试表明，所有淀粉糊均表现出假塑性（剪切变稀）行为（流动指数n < 1）。Mashua淀粉糊的屈服应力（σ_o）和稠度系数（K）最高，表明其形成了更强的分子网络，这可能与其较高的直链淀粉含量有关。动态粘弹性测试显示，Dale Dale和Mashua淀粉糊在整个频率范围内均表现出类固体行为，弹性占主导（G′ > G″），而Pituca淀粉糊在较高频率下则表现出粘性主导（G′ < G″）。损耗因子tan δ值也证实，Mashua和Dale Dale淀粉糊的弹性更强，这与它们较高的直链淀粉含量促进形成更富弹性的凝胶网络有关。

结论

Dale Dale、Mashua和Pituca淀粉在化学组成、形态、结构和功能性质上均存在显著差异。直链淀粉含量是导致其功能、糊化、回生和流变特性不同的关键因素。Dale Dale和Mashua淀粉糊表现出最高的峰值粘度和最终粘度。FTIR的995/1022 cm^-1比值表明Dale Dale淀粉的无定形结构更为有序。结晶度方面，Dale Dale和Pituca淀粉高于Mashua淀粉。流变学上，所有淀粉糊均呈假塑性流动，且Dale Dale和Mashua淀粉糊表现出显著的弹性特征。鉴于其较高的糊粘度，Dale Dale和Mashua淀粉在作为稳定剂和增稠剂方面显示出应用潜力。未来研究建议更深入地探讨这些淀粉的分子和结构特性，并探索通过改性策略定制其特定功能，以作为食品添加剂使用。