第二章 谷物淀粉

1. 第二章 谷物淀粉

2. 第一节 谷物淀粉概述 植物中的叶绿素利用太阳能把二氧化碳和水合成葡萄糖， 反应式如下： 光，叶绿素 • 6H2O + 6CO2 C6H12O6 +3O2 葡萄糖是植物生长和代谢的要素，但其中有一部分被用作下一代生长发育的养料贮备起来。在植物体内葡萄糖是以多糖的形式贮藏的，其中最主要的多糖形式是淀粉。

3. 植物体内由葡萄糖缩合形成淀粉的途径： • 首先，由磷酸化酶把2个葡萄糖分子缩合为麦芽糖： • 第二步由麦芽糖淀粉缩合的方法有多种， 随着氧连在1-4，1-3或1-6位而定，形成了不同结构的淀粉，由1-4键连接构成的淀粉为直链淀粉，由1-3或1-6键连接构成的淀粉为支链淀粉，在谷物中贮藏的淀粉主要由这两种成分构成。 α- D-葡萄糖麦芽糖

4. 谷物籽粒以淀粉的形式贮藏能量，不同谷物中淀粉的含量是不同的，一般可以占到总量的60%~75%，因此，人们消耗的食品大都是淀粉，它是人体所需要热能的主要来源，同时，淀粉也是食品工业的重要原料。谷物籽粒以淀粉的形式贮藏能量，不同谷物中淀粉的含量是不同的，一般可以占到总量的60%~75%，因此，人们消耗的食品大都是淀粉，它是人体所需要热能的主要来源，同时，淀粉也是食品工业的重要原料。 表2-1 各种谷物籽粒中的淀粉含量（干基，%）

5. 第二节 淀粉粒的结构 淀粉分子在谷物中是以白色固体淀粉粒（starch granule）的形式存在的，淀粉粒是淀粉分子的集聚体，不同谷物由于遗传及环境条件的影响，形成不同结构及性质的淀粉粒。 各种谷物淀粉粒的结构 1：小麦 7：燕麦淀粉粒 2：大麦 8：粟 3：黑麦 9：小麦 4：高粱 10：玉米淀粉粒 5：玉米 6：大米

6. 淀粉粒的层状结构(轮纹) 各部分密度不同，折射率大小不同而造成。 淀粉粒在形成过程中，受昼夜光照的差别，造成葡萄糖供应数量不同，致使淀粉合成速度有快有慢而引起的。 白天供应葡萄糖多，形成淀粉的密度大，而夜间供应葡萄糖少，形成淀粉的密度小，从而出现层状结构。 用α-淀粉酶处理过的高粱籽粒横切面 扫描电子显微镜图

7. 表2-2 用X射线衍射法测定的 淀粉粒的结晶化度 • 结晶性 用十字棱镜拍摄的小麦淀粉粒的 光学显微镜图 显出马耳他十字 淀粉粒在偏光显微镜下具有双折射性，在淀粉粒粒面上可看到以粒心为中心的黑色十字形，称为偏光十字。说明淀粉粒是一种球晶，但同时又具有一般球晶没有的弹性变形的现象。据此可以分析淀粉粒内部晶体结构的方向。

8. 第三节 谷物淀粉的物理化学性质

9. 一、淀粉的分子结构 • 直链淀粉（amylose）与支链淀粉（amylopectin） （一）直链淀粉的结构 Meyer等人用温水法从淀粉粒中首先分离出来的成分，称为直链淀粉，其结构经实验证明，是由葡萄糖通过α-1,4-糖苷键连接起来的直链状的高分子化合物： 直链淀粉的分子结构 DP (degree of polymerization), 聚合度 直链淀粉的螺旋结构

10. （二） 支链淀粉的结构 支链淀粉的分子结构 支链淀粉的几种分子模型

11. 表2-3 常见均一多糖的性质比较

12. 表2-4 谷物籽粒直链淀粉含量（%，占纯淀粉）

13. 表2-5 常见谷物支链淀粉的分子结构数据 （单位：葡萄糖残基数）

14. 二、淀粉的物理性质 1、比重 淀粉粒的比重约为1.5，不溶于冷水，这是淀粉制造工业的理论基础，所谓水磨法，就是利用这一性质。先将原料打碎成糊 (若原料为玉米一类籽粒粮则必须先行浸泡，然后湿磨破坏组织，使其成糊)，除去蛋白质及其它杂质，再使淀粉在水中沉淀析出。

15. 2、淀粉粒的糊化作用 淀粉粒不溶于冷水，若在冷水中，淀粉粒因其比重大而沉淀。但若把淀粉的悬浮液加热，到达一定温度时（一般在55℃以上），淀粉粒突然膨胀，因膨胀后的体积达到原来体积的数百倍之大，所以悬浮液就变成粘稠的胶体溶液。这一现象，称为“淀粉的糊化”，也有人称之为α化。淀粉粒突然膨胀的温度称为“糊化温度”，又称糊化开始温度。

16. 表2-6 几种谷物淀粉粒的糊化温度

17. 淀粉糊化的本质 • 水分子进入微晶束结构，拆散淀粉分子间的缔合状态，淀粉分子或其集聚体经高度水化形成胶体体系。

18. 淀粉糊化过程中粘度的变化

19. 影响淀粉糊化的因素 • 水分 • 碱 • 盐类 • 极性高分子有机化合物 • 脂类 • 直链淀粉含量的影响 • 其它因素

20. 3、淀粉的凝沉作用 • 淀粉的稀溶液，在低温下静置一定时间后，溶液变混浊，溶解度降低，而沉淀析出。如果淀粉溶液浓度比较大，则沉淀物可以形成硬块而不再溶解，这种现象称为淀粉的凝沉作用，也叫淀粉的老化作用。 淀粉的凝沉作用的化学本质 • 在温度逐渐降低的情况下，溶液中的淀粉分子运动减弱，分子链趋向于平行排列，相互靠拢，彼此以氢键结合形成大于胶体的质点而沉淀。因淀粉分子有很多羟基，分子间结合得特别牢固，以至不再溶于水中，也不能被淀粉酶水解。

21. 凝沉作用的影响因素及防止的方法 直、支链淀粉的比例 分子的大小 无机盐类的影响 溶液的pH 冷却速度 化学添加剂 凝沉作用的有利一面

22. 淀粉的吸附性质 • 对极性有机化合物的吸附 正丁醇、百里酚、脂肪酸等 直链淀粉分子由于在高温溶液中分子伸展，极性基团暴露，容易与一些极性有机化合物形成“复合物”。 • 对碘的吸附

23. 直链淀粉分子与碘分子的吸附作用 不论是淀粉溶液或固体淀粉和碘作用，都生成有色复合体。 直链淀粉与支链淀粉对碘吸附作用是不同的。 支链淀粉分子与碘作用产生紫色至红色的复合体（根据支链淀粉分子的分枝长短而定）。 直链淀粉分子与碘作用则形成兰色的复合体。 应用x光衍射分析，也证实了直链淀粉分子呈螺旋的卷曲状态，每六个葡萄糖残基形成一个螺圈，其中恰好容纳一个碘分子。

24. 表2-7 淀粉与碘复合体的颜色反应

25. 三、淀粉的化学性质 1、淀粉转化糖 酸水解，酶法水解

26. 葡萄糖值（Dextrose Equivalent，DE值） DE值表示了已水解的糖苷键的百分率， 而不能表明糖浆的化学组成。

27. 淀粉酶（amylase）的分类及各自特点 分类： 1、根据来源分： 麦芽（α淀粉酶、，植物） 唾液淀粉酶，胰液淀粉酶（人、动物） 细菌（枯草杆菌、芽孢杆菌）、霉菌淀粉酶（微生物） 2、根据作用形式分： 内部作用：α淀粉酶 外部作用（末端作用）：β淀粉酶，葡萄糖淀粉酶 3、根据作用方式和水解产物分类：

28. 1、α淀粉酶(水解α-1,4糖苷键:低分子糖和糊精,产物为α型)1、α淀粉酶(水解α-1,4糖苷键:低分子糖和糊精,产物为α型) • 2、β淀粉酶(水解α-1,4，(α-1,3，α-1,6，慢)糖苷键: • 麦芽糖和糊精，产物为β型) • 3、葡萄糖淀粉酶(水解α-1,4糖苷键:葡萄糖，产物为β型，从 • 非还原端开始) • 4、切枝酶(水解α-1,6糖苷键，异淀粉酶、普鲁兰酶等) • 5、环状糊精酶(6-7个AGU组成环状空心圆柱体，可以用作乳 • 化剂，具有保香的效果，但是亲水性不是很好) • 6、麦芽四糖和麦芽六糖生成酶 • 7、葡萄糖基转移酶(葡萄糖－－α-1,6糖苷键－－异麦芽糖， • 异麦芽三糖等)

29. α淀粉酶，EC.3.2.1.1 • 全名：α-1,4,葡聚糖（底物）-4-葡聚糖（产物）水解（性质、方式）酶 • 作用于淀粉和糖元时，从底物分子内部随机内切α-1，4键生成一系列相对分子量不等的糊精和少量低聚糖、麦芽糖和葡萄糖。 • 一般不水解支链淀粉的α-1，6键和紧靠α-1，6键外的α-1，4键，但是可以跨过α-1，6键和淀粉的磷酸酯键。 • 产物为α构型 • 不同的淀粉，作用程度不同，对支链淀粉，内部作用稍慢，而直链淀粉，作用快。 • 淀粉糊的粘度下降快，（工业上将其称为液化型淀粉酶），随着淀粉分子量的下降水解速度变慢，工业上利用其对淀粉分子进行前阶段的液化处理。 • 性质： • 1、最佳作用温度80℃左右（耐中温90-100℃，耐高温110℃），最佳作用pH5~6。 • 2、金属酶类，Ca++可以维持酶分子的构象，保持最大活力和稳定性。 • 3、MW：50000，PI4.0，-SH含量少，耐热性好 • 用途：淀粉糖工业，制造葡萄糖、高浓度麦芽糖、果葡糖浆等的生成。

30. β淀粉酶，EC.3.2.1.2 全名：α-1,4-葡聚糖-4-麦芽糖水解酶 作用于淀粉分子时，从非还原端开始，每次切下2个葡萄糖单位，并且将产物的构型转为β型。不能作用于α-1,6键，也不能跨过α-1,6键，水解至α-1,6键分支点的2-3个葡萄糖单位时，水解停止。 水解产物为较大分子的极限糊精、麦芽糖 性质： 1、β淀粉酶广泛存在于植物和微生物中。 2、最佳作用温度60℃左右，最佳作用pH5~6。 3、目前工业上应用的主要来源于植物，植物来源的β淀粉酶对淀粉的水解率一般在60-65％左右。 4、MW：58000左右（514个AA组成），PI5-6 用途：淀粉糖工业，啤酒工业（糖化阶段）。

31. 葡萄糖淀粉酶，EC.3.2.1.3 全名：α-1,4-葡聚糖-4-葡萄糖水解酶 作用于淀粉分子时，从非还原端开始，每次切下1个葡萄糖单位，并且将产物的构型转为β型。可以作用于α-1,4、α-1,3、α-1,6键，但是水解速度不同。 性质： 1、最佳作用温度50~60℃左右，最佳作用pH4~5。 葡萄糖淀粉酶主要来源于黑霉菌、根霉等微生物， 2、MW：5万~6万，是一种糖蛋白，含糖14~23% 3、葡萄糖淀粉酶作用时，产物构型受到底物浓度和温度的影响较大，当底物浓度和反应温度提高的话，产物的异构化程度提高，葡萄糖含量下降。 用途：淀粉糖工业，在酸酶法、双酶法生成工艺中，用于生成高纯度的葡萄糖。

32. 不同淀粉酶的水解方式

33. 各种不同的淀粉水解糖化产品的生产过程示意图

34. 淀粉糖的种类 结晶葡萄糖 全糖 高转化糖浆 中转化糖浆 低转化糖浆（麦芽糊精） 果葡糖浆 麦芽糖浆（饴糖 ）

35. 淀粉糖的性质 甜味 溶解度 结晶性 吸潮性和保潮性 渗透压 粘度 发酵性

36. 几种糖的相对甜度

37. 含水α-葡萄糖的吸湿性

38. 淀粉糖的应用 食品工业 医药工业 化学工业

39. 2、淀粉发酵制品 • 淀粉发酵制品种类 • 乳酸的制备工艺： 淀粉——糊化——糖化（酸、麦芽或曲）——接乳酸菌种——发酵（单行复发酵式、平行复发酵式）——逐渐加碱中和——使呈弱碱性——加热使菌体和其他悬浮物沉淀——分离上清液——冷却使乳酸钙结晶——加入硫酸——除去硫酸钙 —— 40%左右的制品——乙醚提取——分馏法、酯化法、锌盐法精制——食用乳酸或结晶乳酸

40. 3、淀粉改性 为了满足应用需要，把天然淀粉经过物理或化学方法处理，改变其某些物理性质，如水溶解特性、粘度、色泽、味道及流动性等，此种经过处理的淀粉或其制品，称为变性淀粉。

41. 天然淀粉的属性和性能界限 天然淀粉具有冷冰不溶性、老化易脱水、耐药性和机械性差、缺乏乳化力、被膜性差和缺乏耐水性等缺陷。 为了改进这些缺陷，根据淀粉的结构及物理化学性质，开发了淀粉变性技术。这种淀粉变性技术主要是利用各种官能团的反应试剂改变淀粉的天然性质、增强某些机能或引进某些新的特性。 制造变性淀粉的原理和方法 用某些化合物取代淀粉中的葡萄糖单位，减少和增加葡萄糖单位的聚合度；添加化学试剂使葡萄糖分子上的2、3、6碳上的OH与其他化合物作用，生成醚、酯及其他衍生物，改变淀粉的物理特性使之符合工业用途的要求。

42. 变性淀粉分类 • 按用途分类 食品类，医药用类，工业用类，其他类 • 按产品性质分类 淀粉分离物，淀粉分解产物，化学衍生物，其他制品 • 按处理方法分类 化学变性，物理变性，酶法变性

43. 淀粉衍生物的取代度 以DS值(degree of substitution)表示，DS值是代表在每一个D-吡喃葡萄糖基（一般称为脱水葡萄糖基(anhydroglucose unit，AGU）单位上测定被基所衍生的羟基平均数，淀粉AGU上最多有3个可以被取代的羟基，所以，DS的最大值为3，绝大多数淀粉衍生物都是低DS产品，DS值一般低于0.2。

44. 1、α化淀粉 • 又称预糊化淀粉，系将原淀粉在一定量水存在下进行加热处理后而制得。主要特点是能够在冷水中溶胀溶解，形成具有一定粘度的淀粉糊，使用方便，且其凝沉性比原淀粉小，所以广泛应用于食品、造纸、纺织等行业。

45. 生产方法 1、滚筒法 影响α化淀粉质量的因素： 1、原料淀粉的质量。 2、糊化的好坏。 3、滚筒表面温度、淀粉乳浓度、滚筒转速等工艺参数。 4、混入的异物。

46. 2、挤压法 利用塑料挤压成型机，将淀粉乳注入钢铁圆筒中，在120~160℃的温度下，用螺旋桨高压挤压；由顶端小轮以爆发式喷出，通过瞬时膨胀、干燥、粉碎，连续获得产品。 这种方法基本不需要加水，能够用内摩擦热维持温度。同时原料的利用效率高，减少费用，还可大大改变成品的组成性质和外观，用此法所得产品不易为微生物污染，很少破坏其中的维生素，由于它只需低费用的热源来蒸发干燥，所以较经济。

47. α化淀粉用途 • 食品工业，用α化淀粉可省去热处理，用于增粘保型，改善糕点配合原料的质量，稳定冷冻食品结构等。 • 造纸工业，用于纸张增强剂，提高纸张的强度，作为粘合剂主要用于纸袋、信封、香烟盒的底胶和侧胶，邮票和证券的涂胶。 • 纺织工业，用作各种纤维的经纱上浆，增加浆纱强度，提高纤维的织造性能。纺织成品精加工的浆料，增加织物的硬挺性和手感。 • 铸造工业，用作砂型粘合剂，防止表面的砂掉落，使砂失去流动性。 • 饲料方面，主要用作鱼虾饲料的粘合剂。

48. 2、糊精 • 糊精是可溶性淀粉进一步分解的产物。是将粉体加热到140~200℃得到的，所以又称烧焙糊精。 • 分类（按形态分）： 粉末糊精：白色糊精、黄色糊精，与可溶性淀粉近似，分解度很低，。 无定形状糊精：外形与阿拉伯胶相似，分解度有所提高，一般为黄色或黄褐色。

49. 糊精的制造条件及物理性质

50. 糊精的用途： • 主要用于纤维的加工和整形、纸张表面上胶和粘涂料、水溶性涂料、各种粘结剂。 • 优质的黄色糊精溶于冷水，粘度低，其粘度与牛顿流体粘度接近，能够粘结纤维素原料并形成水溶性膜，以及粘接无机材料等。 • 白色糊精用作片剂、丸剂的填充料。