加酸水解对淀粉结构和功能的影响：综述外文翻译资料

 2022-09-11 22:24:30

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加酸水解对淀粉结构和功能的影响：综述

加酸水解是一种重要的化学改性，能够显著地改变淀粉的结构和功能特性，而不破坏淀粉颗粒的形态。加酸水解对淀粉结构和功能的深刻影响对于淀粉的科学研究及其工业应用是非常重要的。加酸水解期间，非结晶区域被优先水解，这提高了结晶度和加酸水解淀粉的双螺旋含量。本文讨论了目前关于加酸水解淀粉对结构和功能影响的理解。加酸水解对直链淀粉含量、支链淀粉分子的链长分布有影响，分子和结晶组织（包括层状结构）和颗粒形态的影响也考虑在内。讨论的功能性质包括膨胀力，凝胶化，凝沉，糊化，凝胶质地，以及体外酶消化性。本文还强调了加酸水解淀粉（淀粉纳米晶）对可生物降解纳米复合材料的准备、生物氢，和慢慢消化淀粉类健康食品的一些有前景的应用程序。

关键词 ：淀粉，加酸水解（lintnerization），直链淀粉，支链淀粉，体外消化，应用

介绍：

淀粉是高等植物多糖的主存储储备和对人类相当重要的生物聚合物。它是在食品工业和非食品应用中广泛使用的一种可再生、廉价，以及可生物降解的天然原料，转化成生物乙醇后作为能源（Ruml; oper, 2002; Burrell, 2003; Balat et al., 2008）。植物淀粉是由多个生物合成酶协调相互作用的合成内质，并存放于贮藏器官，如根，块茎，果实，谷物和种子，也在叶和茎中（泰特洛，2011年）。天然淀粉自然地以不溶性、半结晶颗粒的形式出现，由两个葡萄糖均聚物：直链淀粉和支链淀粉组成。尽管其化学组成看似简单，天然淀粉的结构和功能在植物物种间和物种内是高度可变的，甚至在不同条件下长大的同一植物品种上。这种变化是在颗粒形态学（大小、形状），直链淀粉含量，支链淀粉结构（链长分布和分支安置），以及这两个大分子成分在颗粒内被布置成结晶区和非晶区的方式都很明显。淀粉功能的可变性来自结构的可变性，这是由于编码淀粉合成酶的基因的多样性、对基因起作用的环境因素以及植物生长过程相关酶的多样性。如已经在别处描述的，淀粉的功能特性，如膨胀力，凝胶化和凝沉，糊化，和对酶消化的敏感性，对于食品加工和人类营养都非常重要（Copeland等人，2009; Wang等人，2011年）。

广泛的植物来源为满足众多的不同要求提供了天然淀粉。然而，天然淀粉由于功能限制不总是适合于特定的工业应用，如抗剪切应力低，热性能差，并且回生的高倾向（Hermansson和斯韦戈标记，1996）。这些天然的限制可以由淀粉改性得到极大改善，一般涉及物理（热 - 湿处理，低温退火，预凝胶化，高压处理，辐射，声波降解），化学（交联，取代，酸水解，氧化/漂白得到改善），酶处理过程（Jobling，2004; Miyazaki等人，2006;铍米勒和休伯，2010）。酶改性最常用的是通过淀粉水解酶将淀粉颗粒水解成更小的称为淀粉提取糖片段。酶改性淀粉广泛应用于食品，医药等行业。

由湿，热，高压，或放射物理改性已获得广泛的接受，因为没有化学试剂副产物出现在改性淀粉中，使得它成为食品应用（Zavareze和迪亚斯，2011）中天然、安全的成分。化学改性一直是整个上世纪深入研究的主题。多种化学改性淀粉已经被开发并应用于食品，造纸和纺织工业（宫崎等人，2006; Singh等人，2007）。最古老但仍常用的化学改性方法是加酸水解，其历史可追溯到当1874年ntilde;ageli和林特纳于1886年分别采用硫酸和盐酸，生产热水“可溶性淀粉”。这些过程被用于19世纪后期（惠斯勒，2008年）酸水解淀粉商业化生产。

酸水解淀粉通常在低于凝胶化温度下用无机酸（盐酸或硫酸）稀水溶液或醇溶液以不同的时间处理淀粉颗粒来制备。当达到水解的所需程度，通常由熟改性淀粉的粘度来判断，将所得改性淀粉通过用碱中和然后洗涤或仅通过洗涤至中性，并随后干燥。酸水解改变淀粉颗粒的结构，反过来改变其功能特性。

据我们所知，只有一篇专注于酸水解对淀粉结构和功能（胡佛，2000年）影响的综述论文。重新审视酸水解对淀粉结构和功能影响的最新进展是值得的。考虑到淀粉在水和醇溶液中水解的类似行为，我们只审查淀粉在水溶液中加酸水解。我们给出了淀粉结构和功能的简要的总结，但本文并不是旨在回顾这些主题上广泛的文献。有关淀粉的结构和功能的更多详细信息，读者可以参考淀粉结构和功能（Biliaderis ，2009; BeMiller和胡贝尔，2010）方面的近期综述评论和书籍章节（简，2009; P埃雷兹等，2009; P埃雷兹和Bertoft，2010）。

淀粉结构概述

直链淀粉（AM）和支链淀粉（AP）一起形成具有交替生长结构的不溶性半结晶淀粉颗粒（图1）。颗粒大小、形状、结晶度和内部的分子组织随植物来源不同而不同。普通天然淀粉按重量有20-30％AM和70-80％AP。 AM本质上是线性的大分子大多是alpha;-（1-4） - 连接的D-吡喃葡萄糖单元和小于0.5％的alpha;-（1-6）键葡萄糖。

淀粉的功能

淀粉的功能特性和在食品和非食品工业中的应用主要取决于它在水中被加热时的变化。这些变化包括颗粒膨胀，凝胶化，回生和糊化。淀粉功能是由淀粉结构决定的，并且扩展我们对这种关系的理解可能导致加工方法的改进和新食品和传统食品（Hermansson和Swegmark，1996; DELCOUR和Hoseney，2010年）质量的提升。

加酸水解对淀粉结构的影响

淀粉颗粒水解动力学

淀粉颗粒的水解动力学最常用两种不同的方法监测：可溶性糖在溶液中的含量和不溶性残留物的回收产率。几乎所有的淀粉表现出两阶段水解模式：快速初始速率接着较慢速率（Robin等人，1974年; Biliaderis等人，1981;的Muhr等人，1984;珍等人，1997。。杰拉德等人，2002; Jayakody和胡佛，2002;斯Chuwong等人，2005; Wang等人，2008D，2012; Genkina等人，2009; Jiang等人，2010;乐科尔等人， 2010年，2011;埃斯皮诺萨 - 索利斯等，2011; Kim等，2012）。相对快速的初始速率被认为是对应于淀粉颗粒内非结晶部分的水解，而缓慢的过程归因于非结晶和结晶区域的伴随水解（Wang等人，2012）。相比于结晶区，淀粉颗粒内的非结晶区域由于淀粉链的疏松填充被认为是更容易被酸侵蚀（Kainuma和法国，1971;罗宾等人，1974年）。在非结晶区中的水解第一个阶段是由颗粒尺寸、表面上的孔隙、直链淀粉含量和脂质复合的直链淀粉链的量影响。水解第二步，当非结晶和结晶区域都被攻击，是由支链淀粉含量、非晶形和结晶薄片间alpha;（1→6）分支的分配以及晶粒内的双螺旋的填充程度影响（乐科尔等人，2010）。一些作者已提出了三阶段，快速、缓慢和很慢水解模型分别对应于非结晶的、半结晶和结晶区域（Li等，2007）。已经提出两个假设解释淀粉颗粒的结晶区域更慢的水解速率。首先，晶粒内淀粉链的密实填充使得氢离子不容易快速渗透进入这些区域。第二，吡喃葡萄糖环因淀粉微晶里糖的固定从椅子到半椅式构象（对于糖苷键的水解必需的）的转变发生缓慢。所有糖苷氧都埋在双螺旋的内部，因此，更难被酸侵蚀（Kainuma和法国，1971年）。

高直链淀粉对加酸水解显示出低的敏感性，而那些低直链淀粉含量的是容易水解的（Vasanthan和Bhatty，1996; Jayakody和胡佛，2002;泽和Wang，2003）。高直链淀粉酸水解低敏感性的原因要么是因为非晶区淀粉链内更大程度的关联导致非晶区以更简洁的形式组织（胡佛和Manuel，1996; Vasanthan和Bhatty，1996），或由于高直链淀粉（泽和Wang，2003）的受限溶胀使氢离子更慢地渗透进颗粒。蜡质淀粉对水解有更大的敏感性可能是由于微晶（Jayakody和胡佛，2002年）中更松散的双螺旋。但是，不同的多晶型淀粉对酸水解的敏感性也有不一致的结果。已经提出A和B型淀粉之间酸水解速率差异是由alpha;（1→6）分支点在支链淀粉的非结晶和结晶区域的分布​​（简等人，1997年）以及结晶区（Jayakody andHoover，2002年）内双螺旋的填料程度影响的。

酸水解对直链淀粉含量的影响

两种不同的方法经常用于测量天然淀粉颗粒中直链淀粉含量：碘结合和伴刀豆球蛋白A（伴刀豆蛋白A）沉淀。前一种方法是基于直链淀粉与碘的结合能力，而后者涉及通过刀豆A. 酶促支链淀粉的特定沉淀来确定直链淀粉含量。比色法由于长的支链淀粉侧链和碘形成复合物使淀粉直链淀粉含量通常被高估。同样，刀豆蛋白A沉淀法由于具有低支化度或有缺陷侧分支的支链淀粉不完全沉淀也可能导致高估直链淀粉含量。通过这些和其它方法准确地确定直链淀粉含量也被culties Zhu等人（2008）和比拉普拉纳等（2012）讨论。

通过碘结合法测定，已经显示出直链淀粉含量在酸水解的早期阶段降低显着（Biliaderis等人，1981;朝鲜蓟Udomchai等人，2001;法等人，2002; Wang等人。 ，2003;三都等人，2007; Singh等人，2009a的，2009年b; Abdorreza等人，2012; Wanget人，2012）。直链淀粉含量的降低主要是由于淀粉颗粒内的非晶区的优先水解，这与直链淀粉很大程度上位于淀粉颗粒（詹金斯和Donald，1995）的非结晶区域的假设是一致的。直链淀粉广泛水解后变的检测不到（Biliaderis等人，1981;朝鲜蓟Udomchai等人，2001;三都等人，2007; Wang等人，2012），这表明剩余线性链的长度太短以致无法形成蓝色碘复合物（Wang等，2012）。但是，使用碘结合法，直链淀粉含量被发现在酸水解中最初增加（贝坦库尔andChel，1997; Amaya的-拉诺等人，2011），这要么通过直链淀粉的快速解聚和更多直链的解放解释，要么通过直链淀粉残基间分子内和分子间键的形成增加链的长度因此增加直链淀粉的含量以形成具有碘的复合体（阿马亚-拉诺等配合。，2011）。

相反，如由伴刀豆球蛋白A测量的方法，直链淀粉含量在酸水解的早期阶段迅速增加（Li等，2007; Wang等人，2012）。 Li等人（2007年）。将玉米淀粉中直链淀粉含量高解释为表明假定主要在非结晶区域的支链淀粉优先水解的原因。这种假设与一般认为支链淀粉主要负责天然淀粉颗粒结晶区的看法不一致。但是，考虑到支化程度（Goldstein等人，1965年）和外部刀豆蛋白A和支链多糖之间亲和力相关链长（科隆纳等人，1985）之间的关系，表面上直链淀粉含量初始迅速增加更可能是因为被高估了，因为由支链淀粉分子局部分解造成刀豆蛋白A结合力显著损失（Wang等，2012）。酸水解引起了碘和刀豆蛋白A与淀粉结合能力迅速丧失的观察结果为水解的初始阶段酸液同时侵蚀直链淀粉和支链淀粉提供了证据。

加酸水解对淀粉颗粒功能的影响

酸水解对膨胀能力的影响

酸水解已经显示出极大的改变了淀粉颗粒的膨胀力，虽然效果并不一致（小宫，奈良，1986; Tester和Morrison，1990b;贝坦库尔和CHEL，1997; Jayakody和胡佛，2002; Johnet人， 2002;辛格等人，2009年a，2009年b; Abdorreza等，2012; Gao等，2012; Wang和谷轮，2012b）。糯玉米（Jayakody和胡佛，2002年），糯稻（Testerand莫里森，1990b），竹芋（John等，2002），高粱（Singh等人，2009a的，2009年b），西米（Abdorreza等人的力量。 ，2012）和豌豆淀粉（Wang和谷轮，2012b）颗粒的膨胀能力在水解24小时后几乎完全丧失。提出支链淀粉完整结构对淀粉颗粒膨胀能力和保水能力发挥了重要的作用（Tester和Morrison，1990b）。一旦支链淀粉结构被破坏，完整的网状物无法形成并且损坏链趋于溶解，因为他们再也不能存水（Wang和谷轮，2012b）.Betancur和CHEL（1997）认为，酸水解淀粉颗粒是脆弱的而且片段不是在水中加热肿胀。一些研究表明，马铃薯淀粉膨胀能力起初减小，然后略微增加（小宫和奈良，1986），或正常谷类淀粉的膨胀能力起初增加并随后减小（Jayakody和胡佛，2002）。在膨胀力的初始增加是因为与保持在颗粒内水解的直链淀粉链与水分子相互作用;这些直链淀粉链被认为最初在天然淀粉里联系并且不能与水（Jayakody和胡佛，2002）相互作用。

酸水解淀粉的应用

酸水解改性淀粉的粒状结构，使得它们在水中加热时显示出不同的行为和产生具有低的特性粘度值，降低的热糊粘度，增加的凝胶强度，增加的水溶性，和更好的成膜能力的糊剂。酸水解淀粉已在许多行业中广泛地使用了许多年。酸水解淀粉食品工业的应用包括：（i）如在口香糖糖果制造和加工奶酪饼中做胶凝剂（维尔茨堡，1986年）;（例如，糖豆，橡皮糖和橙片。） （二）作为在低脂酱奶油、人造奶油，低脂蛋黄酱，低脂牛奶类产品和低脂肪的冰淇淋中的脂肪替代品/模拟脂肪（佐治-LATA和阿密特，2005年）; （三）在缓慢消化的饼干作为抗性淀粉粉末（Saguilan等人，2007）。

非食品工业使用酸水解淀粉的实例是：（i）作为用于生产阳离子和两性淀粉（​​维尔茨，1986）的一个预改性步骤; （ⅱ）在纺织品制造（维尔茨，1986）的织造操作中作为经纱浆料以增加纱线的强度和耐磨损性，; （三）作为粘合剂，在制造石膏板干墙施工（维尔茨堡，1986年）将石膏和纸粘合一起; （四）在纸和纸板制造（维尔茨堡，1986年）的纸张大小; （v）作为生产煮沸稳定粒状抗性淀粉（Brumovsky和Thompson，2001）的预处理步骤; （ⅵ）在直接压缩药片的制造中做填料（Atichokudomchai和Varavinit，

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