高源远，MAMU Yasmeen，刘羽嘉，彭星云

（中国农业大学食品科学与营养工程学院，植物蛋白与谷物加工北京市重点实验室，北京 100083）

淀粉是食品加工中的重要原料，主要由分支频率0.3%～0.5%的线性直链淀粉和分支频率4%～5%的分支状支链淀粉组成。其中直链淀粉主要以单螺旋形式分布在天然淀粉中，其空腔可与脂肪酸等物质通过疏水作用形成络合物。直链淀粉含量高的天然淀粉更难在糊化等水热作用下吸水膨胀，冷却后分子间发生双螺旋和重结晶的速度也远大于支链淀粉，因而直链淀粉比例高的食品在淀粉糊化时增稠效果差，冷却后更易形成凝胶，直接造成淀粉质食品储藏期品质变化。由此可知，直链淀粉与支链淀粉在微观结构和理化性质上存在较大差异，使直链与支链成分之比（简称为“直支比”）成为决定淀粉性质和食品功能的重要因素。

研究中通常也把淀粉直支比直接以直链或支链淀粉含量的形式来表示。高直链淀粉（直支比0.43以上）具备糊化困难、回生速率快、易结晶的特点，能更好地抵抗淀粉酶水解作用，可用于制作具有高膳食纤维或慢消化特点的食品；低直支比的蜡质淀粉则在高黏度和高透明度的食品中具有广泛应用。除高、低直支比的明显差异外，细微的淀粉直支比差异也可对食品品质产生巨大影响。例如稻米的直支比被认为具有影响蒸煮难易程度、米饭质地和食味品质等作用；小麦淀粉的直支比可以影响面包的蓬松度和品质稳定时间，也能决定面条的韧性与粘弹性；小米淀粉直支比影响小米膨化食品的膨化率和水溶性；青稞淀粉直支比是青稞原粮酿造适用性的重要评价指标；豆类淀粉中直支比是影响粉丝弹性与蒸煮损失的重要因素等。因此，对各种范围的淀粉直支比进行定量具有重要意义。

近年来，淀粉直支比作为反映淀粉及淀粉质食品原料特性、应用和经济价值的关键指标逐渐在科学界和产业界得到重视和应用。为此，本文将重点分析食品研究和加工领域针对淀粉直支比定量的技术需求，介绍和比较当前得到广泛运用的淀粉直支比定量技术，以便为开展面向未来科技和产业发展的淀粉直支比定量技术创新提供参考。

1 食品领域针对淀粉直支比定量的技术需求

粮食品质划分、食品工业原料分级以及食品配方和工艺研究等领域涉及各种形式的淀粉直支比定量，贯穿了从粮食收购到淀粉质食品储藏期品质预测等食品产业链的各个环节，明确各环节中对淀粉直支比定量技术的需求可以针对性地选择淀粉直支比定量方法，提高生产效率保障产品品质。

1.1 粮食收购、分级与加工适应性评价领域

1.1.1 粮食收购 大米、小麦、玉米等粮食的品质和主要用途与其所含淀粉的直支比密切相关。粮食作物在不同产区生长时面临的微环境（温度、湿度和土壤成分等）差异巨大，常造成其中所含淀粉的直支比产生明显区别。企业在进行原料采购时需要依据淀粉直支比判断粮食的收购价值。对于依赖全国或全球粮食原料供应的大型食品企业，将不同产区和批次的粮食进行混收混用，容易导致工艺过程和终产品品质发生波动。因而在粮食收储阶段，对淀粉直支比定量提出迅速、准确、操作简易的需求。使用便携式仪器开展淀粉直支比的准确定量，有助于提升原料收购效率，降低原料积压成本，减少优质原料被抢收转售的风险，避免劣质原料收储入库，也便于及时安排和调整各产区的收购计划。

1.1.2 粮食品质分级 在多种粮谷类作物中，淀粉直支比已作为粮食品质分级的重要指标之一。GB/T 19266-2008中规定，优质五常大米的直链淀粉含量为15%～20%，其食味品质与胶稠度是区分优质一等和二等大米的标志，大米的食味品质与胶稠度等品质特性与淀粉直支比的密切关联已经得到广泛证实，这种品质划分方式实质上也基于两种等级大米淀粉直支比的差异。基于这种理念，GB/T 22438-2008中将河南原阳大米特等与优等大米的直链淀粉含量规定为15%～19%；GB/T 19503-2008中沁州黄优级和一级小米的直链淀粉含量在14%～20%之间。目前，已经有越来越多的标准和研究开始将淀粉直支比作为一种评价粮食品质的量化指标，乃至用于名优粮食产品的原产地保护。因而在粮食品质分级阶段，淀粉直支比定量的需求为准确、精细。

1.1.3 食品加工适应性评价 近年来，淀粉直支比与淀粉质食品原料加工适应性之间的联系已经被广泛探讨。常见稻米的直链淀粉含量在0%～35%左右，一些研究中将稻米依据直链淀粉含量划分为低、较低、中等、较高、高直支比五个类别，并分别研究了这五种类型稻米对应的加工特性。低直支比（<0.05）的糯性稻米适合做粘性大、抗回生的糍粑、汤圆、麻薯等糯米粉团类制品。较低直支比（0.06～0.14）的稻米蒸煮品质较好，粘性较大，冷却后质地柔软，食味性好，适合做米粥类食品。较高直支比（0.26～0.33）的稻米兼顾蒸煮性与回生性，有柔软的口感和适宜加工的强度，适合做炒饭类即食或方便食品。中等直支比（0.15～0.25）的稻米兼具较低较高直支比淀粉的性质，食用品质也在二者之间。高直支比（>0.33）的稻米适合作为制作米粉的原料。以淀粉直支比来评价食品原料加工特性的方法在小米上也逐渐得到应用。有报道指出，较低直支比（约0.06～0.14）的小米兼顾软糯与蓬松口感，适宜蒸煮加工；而低直支比（<0.05）的糯小米适合经膨化加工后用来做小米速食粉。总之，针对不同品种和产区的粮食开展大规模、系统性的食品加工适应性评价有利于高效利用粮食资源，提高食品加工效率和产品品质，这对淀粉直支比定量技术提出了高通量和高精确度的要求。

1.2 食品配料与工艺控制领域

1.2.1 食品配料 淀粉广泛存在于食品的各种原辅料中，发挥着提供质地、增稠、稳定、凝胶、营养等不同功能。淀粉直支比常作为食品配料过程中重要的参考指标，以便设计合理的原辅料配比来优化食品的感官品质与食品功能。通过调节直支比可获得不同营养、健康、食味品质的食品：混合谷朊粉的高直支比糙米粉面包具有更强的抗消化能力，有助于降低血糖响应和为肠道提供益生元；淀粉直支比为0.15 时重组营养强化米的稻米质构及蒸煮品质最佳。调整淀粉直支比还被广泛用于获得符合预期的食味品质：中等直支比（约0.20）的粳米与低直支比（<0.05）的糯米按3:1 混合制作的方便米饭，其外观、质地和滋、气味品质最佳，在货架期内的老化过程也更缓慢；不同直支比稻米在蒸煮时注意水米比搭配可以获得最佳工艺和风味；提高速冻米面类食品配方中低直支比淀粉的含量可以有效提升产品的粘性和弹性。不同直支比淀粉在不同pH 和盐浓度下有不同表现，加工时依据直支比选择盐与酸碱的添加量。总之，对各种类别和不同批次的食品原辅料以及成品进行淀粉直支比定量对于食品配方研发和优化以及品质控制都十分重要，在此环节应用的直支比定量技术应准确、精细。

1.2.2 食品工艺控制 淀粉直支比是决定含淀粉食品加工要求的重要因素。加工中常需要依据原料的直支比特性来控制合理的工艺参数。稻米淀粉的直支比是米粉生产中的关键控制指标，不仅影响着米粉本身的品质，还与米浆调制研磨参数、螺杆挤出熟化条件、老化和干燥工艺参数等密切相关。原料的淀粉直支比在白酒加工中与蒸煮加工条件有关：加工高直支比的高粱等粮食原料需要合理延长蒸煮时间，控制淀粉的糊化度，便于后续发酵。淀粉直支比也决定着含淀粉物料在加工物料的输送和升降温等过程中的流变学特性、可压缩性、热传导性等物理特性，进而影响着实现有关工艺过程的设备选择和参数设置。对生产线上的含淀粉食品加工物料进行淀粉直支比的实时在线定量有助于实现食品加工过程的精准控制和智能化发展，在此环节的直支比定量技术有智能、实时、准确的需求。

1.3 食品品质预测和检测

1.3.1 货架期品质预测 影响淀粉类食品货架期的主要因素是水分活度、微生物繁殖及淀粉回生。除微生物安全性之外，淀粉老化是对淀粉类食品食味品质劣变影响最大的因素，会大大缩短有关产品的品质保持时间（即最佳赏味期）。近年来，已经有众多研究基于淀粉直支比或直（支）链淀粉含量建立了食品货架期品质变化的预测模型。通过直链淀粉含量建立鲜湿米粉货架期品质的预测模型，指导了长货架期鲜湿米粉产品的开发；建立莲子汁直链淀粉含量、保质期和返生沉淀量之间的数学模型，准确预测莲子汁保质期，辅助莲子汁制作工艺的优化。对各种类型淀粉类产品的淀粉直支比进行定量是建立有关品质预测模型的基础，因此，在货架期品质预测环节淀粉直支比定量准确、精细。

1.3.2 品质检测 在产品进入市场流通的前后阶段都需要对商品质量进行评估与检测，淀粉直支比含量是反映产品品质的重要指标。淀粉生产商需在各批次产品出厂前进行必要的淀粉直支比含量检测，确保淀粉品质达到客户的使用需求。在淀粉直支比含量对食品品质影响较大的产品中，淀粉直支比含量的检测尤为重要，例如在方便米饭中，淀粉直支比较低的方便米饭复水时间短、复水率高，回生程度小，不易老化回生，品质也就更高；使用淀粉直支比含量高的原料制成的粉丝更有弹性，更耐煮，耐剪切和抗拉强度更强。虽然直链淀粉含量对食品品质影响较大，但这项指标还并未在各类食品加工场所中实现普及。并且，目前在部分会进行检测的企业品控部门和第三方检测机构中，多依据GB 7648-1987与GB/T 15683-2008的要求开展直链淀粉和支链淀粉含量的检测。但目前的检测方法中预处理复杂、耗时长，依赖熟练的技术人员操作，总体检测效率还较低。因此，在品质检测环节，针对精准度和抗干扰性等进行优化的淀粉直支比检测方法是企业品控部门和检测机构提高工作效率的共同需求。

在食品生产加工的各环节都对淀粉直支比的定量提出特定化的需求。在与原料和产品品质管控相关的环节，淀粉直支比的定量需求为准确度、精确度高，准确无误地评估、反馈原料和产品的质量；其中，在原料收储和短保质期产品品质检测等类似环节，具有检测时间长短决定生产线能否维持正常运转和产品品质能否保持的特点时，对淀粉直支比的检测在准确的基础上增加了快速的要求。在与生产加工过程相关的环节，淀粉直支比的定量直接指导生产线上原材料种类与用量的实时调整，需要淀粉直支比定量技术具备智能、实时的性能。在收储整粒种子或需要保持谷物颗粒完整的场景下，淀粉直支比检测技术需要具备无损的特点。此外，便捷、人工操作步骤少且设备简便是相关工作人员对淀粉直支比检测技术的共同需求。

2 淀粉直支比定量技术

目前有多种淀粉直支比定量技术已被用于食品科学研究与生产实践中，较为常见包括：碘比色法、碘电位滴定法、分子排阻色谱法、伴刀豆球蛋白法、近红外光谱法、差示扫描量热法等。这些方法的原理、优缺点和适用性差异巨大，依据检测场景选择适用方法非常重要。

2.1 碘比色法

碘比色法是检测淀粉直支比的经典方法，其主要原理是淀粉分子与碘反应产生不同颜色的络合物。具有相当聚合度的线性葡聚糖链容易形成单螺旋结构，其中央具有5.0～5.4 Å的空腔。直径3.6 Å的碘分子可以在单螺旋空腔内呈链状排列，形成淀粉-碘络合物。络合物的颜色与线性葡聚糖的聚合度（DP）有关：DP 12 以下不显色，DP12～15、20～30、35～40 以及45 以上时分别呈现棕色、红色、紫色和蓝色。支链淀粉中葡聚糖链的平均聚合度大约为20～30 DP，而直链淀粉葡聚糖链的平均聚合度为200～900 DP。因此，直链和支链淀粉与碘形成的络合物分别成蓝紫色和红棕色。这两种络合物不同的光学特性可以作为直链与支链淀粉的定量依据。此外，支链淀粉的精细结构也会影响络合物的颜色，例如随分支度降低与外支链聚合度增加，支链淀粉与碘形成的络合物颜色由红棕色向红紫色转变，从而干扰直链淀粉的准确定量。此外，络合物颜色的稳定性也与温度有关，当达到淀粉糊化温度时，线性葡聚糖分子的热运动加剧容易造成螺旋结构丧失，使络合物解体蓝色消失，使用此方法时需注意环境温度。

目前利用淀粉与碘形成有色络合物来实现淀粉直支比定量的方法主要有以下几种。

2.1.1 单波长法 单波长法是目前最常用的淀粉直支比定量方法，在我国标准和国际标准中被广泛使用。利用直链淀粉与支链淀粉标准品配制成系列标准溶液并加入碘试剂显色，在620 nm 处测定吸光值绘制标准曲线。待测样品经过分散、脱脂等预处理后，配制成相应浓度的淀粉溶液测定其吸光值，代入标准曲线得到淀粉直支比。此方法适用于测定直链淀粉含量在0～85%的淀粉，相对标准偏差小于0.1%。单波长法使用便捷，对仪器设备的要求低，但方法的准确度与淀粉种类相关。例如，测定糯玉米与高直链玉米淀粉样品直支比的准确性比普通玉米淀粉样品的准确性低。受淀粉标准品中线性葡聚糖链平均聚合度的限制，当淀粉样品中直链淀粉的聚合度较低或支链淀粉的精细结构与标准品存在较大差异时，单波长法的准确性也将受到影响。

2.1.2 双波长法 由于单波长法存在长支链淀粉与直链淀粉显色混淆致使直链淀粉含量偏高的问题，所以在此基础上提出了可以扣除支链淀粉干扰的双波长法。利用物质在两波长处有吸收时，两波长处吸光度差值与溶质浓度成正比的原理，将直链淀粉和支链淀粉的标准品配制系列溶液分别与碘反应，再应用分光光度计在波长400～960 nm 区间进行光谱扫描。在同一个坐标系内作图，确定直链与支链淀粉的测定波长与参比波长，在测定波长的比色结果中扣除参比波长下的显色干扰，即可得到校正的直链淀粉含量。双波长法适用于直链淀粉含量0～85%或支链淀粉含量45%～100%的样品，检出限极低，相对标准偏差小于1%。该方法扣除了背景偏差所以准确性较单波长法提高，但也增加了操作的复杂度，使淀粉直支比定量更加耗时。

2.1.3 改良碘比色法 Morrison（1983）在碘比色原理的基础上加以改良，运用“蓝值”（20 ℃下10 mg无水淀粉在100 mL 含碘试剂溶液中于635 nm 处的吸光值）进行直链淀粉含量测算，通过直链含量计算公式与温度矫正系数，不需标品即可得到干物质基直链淀粉含量。此方法还提供了表观直链淀粉含量与总直链淀粉含量的定量方法，可根据样品的脂肪含量和测试需求灵活选择。该方法对直链含量测定结果的变异系数为0.2%～1.0%（除蜡质型淀粉的变异系数为1.6%～1.8%），对于DP 大于230 的直链淀粉和含正常支链淀粉（最大波长535 nm 左右）的样品较为准确，而DP 小于200 或包含反常支链淀粉（最大波长大于540 nm）的准确度较差。与经典碘比色法一样，Morrison 方法也会过高估计高直链淀粉样品中的直链淀粉含量。

2.2 碘电位滴定法

碘电位滴定法同样利用了淀粉与碘形成络合物的原理。电位滴定过程中，碘与淀粉形成络合物的阶段不会引起溶液介电性质变化，因而电流或电压保持相对稳定；当新加入的碘不能继续形成络合物时，游离碘能改变溶液的介电性质，产生可视的电位或电流变化。从电位（或电流）滴定曲线可以求出形成络合物的饱和碘量，进而换算出直链或支链淀粉含量。研究表明，100 g 直链淀粉和支链淀粉对应的饱和碘量分别为20.1 和1.0 g。因此，使用直链和支链淀粉标准品按一定比例配制成的溶液，通过电位滴定计算出其特定直支比对应的饱和碘量绘制标准曲线。该方法通过自动电位滴定仪与电极实现自动化的直支比测量，优点是较为灵敏、准确、操作较为简单，但仍需要使用标准品。另外，滴定分析与建立标准曲线的过程较比色法更为复杂耗时，当样品中含有某些特殊离子时对结果测定有干扰。

2.3 分子排阻色谱法

淀粉中的直链和支链组分具有分子量与尺寸差异，二者在流经多孔凝胶色谱柱时的保留时间不同，因此可借助示差检测器和色谱峰面积直接测定出淀粉的直支比。分子排阻色谱法样品用量少，但前处理操作较为复杂，需要利用异淀粉酶和普鲁兰酶对淀粉样品进行脱支处理，每个样品的色谱检测时间长达30 min 左右。该方法的重复性分析的标准偏差小于0.6%，重现性好。但是方法所需检测器系统、色谱柱成本较高，适合在实验室环境中进行精密操作。同时，该方法的检测周期长，测试效率较低。

2.4 伴刀豆球蛋白法

伴刀豆球蛋白（ConA）可与分支葡聚糖非还原端的-D-吡喃葡萄糖或-D-甘露吡喃特异性结合形成沉淀，但不与线性葡聚糖反应。因此，可以利用Con A 实现直链淀粉与支链淀粉的分离。目前已有基于此原理开发的直链淀粉含量分析试剂盒，主要步骤包括：精准称量的样品溶解于热二甲亚砜后用乙醇沉淀获得去脂分散淀粉，加入Con A 在室温下静置1 h 沉淀支链淀粉，离心后利用酶法显色反应测定上清中的直链淀粉含量。进一步结合总淀粉含量，可得到支链淀粉含量，并计算淀粉直支比。该方法的优点为样品用量少，适用范围广，不需要标品，直链和支链组分在定量过程中的相互干扰小，但精确度有待提高（纯淀粉的相对标准偏差在5%以下，谷粉的相对标准偏差在10%以内）。但该方法过程仍较为繁琐耗时，使用的仪器设备多，无法满足便捷性应用需求；且单个样品测量成本高，不适合大批量样品检测。

2.5 近红外光谱法

近红外光谱通过有机化合物在近红外区（波长800～2500 nm）具有特征吸收的原理从光谱中识别物质组成与含量。直链淀粉在波长1700～1800 nm具有特征峰，可用于直链淀粉的快速无损定量。先利用质量分数0～100%的直链淀粉标准品进行光谱扫描，对图谱采用标准正态变量变换、多元散射校正、二阶求导、多重线性回归、最小二乘法等方法进行数据处理，建立并优化校准模型，再通过预测均方根误差和相关系数等指标评价模型性能。基于近红外光谱预测模型，可直接对淀粉样品进行扫描，将得到的近红外反射光谱处理后代入校准模型，得到样品直链淀粉含量。类似地，也可用此方法分别选择不同波段建立支链淀粉、总淀粉含量的模型，进而实现淀粉直支比的定量。近红外分析法的优势是实现了快速和无损的淀粉直支比检测，无需复杂的样品前处理过程，具备用于实时在线直支比定量监测的潜力。但该方法中数据采集与分析十分耗时，方法的准确性与模型性能以及建立模型所用的标品有关。因此，淀粉品种和结构变异对模型预测准确性的影响较大，同时样品中的淀粉来源复杂时也会使建模难度提升。目前，近红外分析法暂不适用于样品组成复杂、种类时常变更的检测环境。

2.6 差示扫描量热法

直链淀粉的螺旋结构可与溶血磷脂酰胆碱的极性端基团发生可逆络合作用。用淀粉标准品配制特定直支比的混合物，准确称量到坩埚中，加入一定浓度的溶血磷脂酰胆碱溶液，使用差示量热扫描仪按照一定的升温-降温-升温程序运行，测量样品在温度变化过程中的焓变值。由于温度变化会诱导溶血磷脂胆碱与直链淀粉的分离与络合，因此，可以建立焓变与直链淀粉含量关系的模型用于预测样品中的直链淀粉含量。该方法的优点是消耗样品量少，便于实现自动化检测；但测试成本高，十分耗时，对仪器设备要求也较高。有研究表明，该方法与碘比色法测得的数据相关性高（=0.99，<0.001），准确度与碘比色法相近，但对某些淀粉（如马铃薯淀粉）的预测准确度不足。

以上总结了六种在食品科学研究中被认可、生产实践中有所应用的经典淀粉直支比定量方法。其中，碘比色法开发历史久，多次更迭优化，因对试剂、设备要求低，成本低且结果相较准确而在企业、检测机构中被广泛应用，但因其操作繁琐，对技术人员要求高，便利性不足，无法测定大批量材料而使应用受到限制。分子排阻色谱法是目前准确度、精确度最高的方法，但具备色谱方法共有的前处理复杂、仪器设备昂贵、测定时间长等问题，目前仅限于科学研究中使用。除了以上最常用的两种方法外，碘电位滴定法、伴刀豆球蛋白法、近红外法、差示扫描量热法等也各有特点，由于方法各有优缺点而使使用的场景有所限制，大多数还停留在实验室科学研究使用的阶段，无法投入生产当中。表1 中总结了常用淀粉直支比检测方法的优缺点、检测指标、是否需要标准品等内容，供感兴趣的读者参考。

表1 淀粉直支比定量技术特点与适用性对比Table 1 Comparison of the characteristics and application of the technologies for the quantification of amylose-to-amylopectin ratio

3 总结与展望

食品研究和加工领域对淀粉直支比定量提出了准确、简便、自动化、无损检测等多样化的需求。其中，现有的淀粉直支比检测技术（如碘比色法和酶法等）已经能基本满足实验室条件下淀粉科学研究、食品品质检测等方面的需求。基于碘比色法和酶法测试原理开发的试剂盒以及自动化测试仪器提升了操作便利性，但这些方法也常兼具耗时长、成本高、前处理复杂等缺点。

伴随近年来食品产业的发展，对原料品质和加工适应性开展大规模高效评价、针对生产过程和产品品质开展精准管控等行业新需求不断涌现。在这种背景下，淀粉直支比定量技术所面临的使用场景开始逐渐从条件设施齐备的实验室转移到环境条件复杂的原料采购地、生产线等区域，这种趋势也为发展新型直支比定量技术提出了新要求。取样方便无损、检测设备简单便携、便于实时定量和联网、具备微量高通量属性的淀粉直支比定量技术将有助于未来食品行业实现对淀粉质原料的系统分级和高效利用以及对淀粉质食品加工和产后过程的在线智能化管理。总之，发展面向未来食品行业需求的新型淀粉直支比定量技术具有广阔的前景。