淀粉，英文名Starch，分子通式為，n常為800~3000，是一種天然多糖高分子。分子結構上存在直鏈淀粉和支鏈淀粉兩種形式，外觀為白色結晶粉末，無味無臭，不溶于冷水，在水中加熱則糊化，降溫后會再次回生，對一些特定無機物或者有機物具有吸附作用，在水、無機酸中共熱或者在淀粉酶作用下會分解為葡萄糖、麥芽糖、糊精等糖類物質。工業上常常通過加工植物獲取天然淀粉，再通過一系列物理化學手段對淀粉改性得到變性淀粉，這些變性淀粉被廣泛應用醫藥、化工和食品工業。
發現歷史
距今約30000年前的歐洲舊石器時代時，人們已經開始大量研磨加工蒲菜根莖來獲取淀粉。
對于淀粉結構進行明確研究則在1811年才開始，德國化學家基爾霍夫（Krichoff）發現馬鈴薯淀粉經過硫酸水解后所得的溶液澄清透明且具有甜味。到了1815年，法國化學家索熱爾（Saussur）證實該澄清液體的甜味來自于葡萄糖，該葡萄糖在成分上與葡萄糖汁中的葡萄糖是一樣的，因此他認為該馬鈴薯淀粉水解產物的主要成分是D-型葡萄糖糖。直至1935年，該D型葡萄糖被證明是α-D-吡喃葡萄糖，且淀粉的結構也被進一步確定為α-六元環結。
到了1940年，邁耶（K.H.Meyer）發現淀粉的分子并非只存在單一結構形式，原因在于淀粉顆粒在熱水溶液里面一部分沉淀出，一部分留在母液。他將結晶析出的部分稱為直鏈淀粉，留存在母液中的部分稱為支鏈淀粉。那些兩者尚沒有被分開的淀粉通常以全淀粉相稱。
然而淀粉的獲取主要還是依靠植物加工，直至2021年，中國科學院天津工業生物技術學院在學術期刊Science上首次報道了以二氧化碳人工合成淀粉技術。
來源情況
淀粉在自然界分布很廣，是植物中的常見組分，以碳水化合物的貯藏形式主要存在于高等植物的根莖、葉、果實和花粉等器官中。淀粉的植物來源很多，根據不同的植物來源可分為四大類，谷類淀粉、薯類淀粉、豆類淀粉和其他類淀粉等。
谷類淀粉
谷類淀粉可細分為米淀粉（糯米淀粉、米淀粉、秈米淀粉）、玉米淀粉（白玉米淀粉、黃玉米淀粉、黃玉米水淀粉)、高梁淀粉、麥淀粉（小麥淀粉、小麥濕淀粉、大麥淀粉、黑麥淀粉）等。因此，其主要來源于玉米、大麥、小麥、大米、燕麥、蕎麥、高粱和黑麥等禾谷類植物，淀粉主要存在于種子的胚乳細胞中。其中玉米是淀粉工業最常使用的原料。
薯類淀粉
薯類淀粉主要存在于木薯、番薯、馬鈴薯、芋頭、豆、山藥、蕉芋等薯類的塊根和塊莖中。淀粉工業上馬鈴薯和木薯是最常采用的原料。
豆類淀粉
豆類淀粉主要來源于蠶豆、豌豆、綠豆等豆類原料。其中，綠豆的淀粉含量在三者中最高，其次為豌豆，蠶豆的淀粉含量最低。例如，湖南長沙的傳統小吃刮涼粉即以蠶豆粉為主要原料制作。
其他類淀粉
淀粉也可來源于其他一些植物，例如鹽水鳳梨、香蕉、芭蕉、白果、百合等的果實存在大量淀粉；另外，一些野生植物的果實、塊根、種子中也含有淀粉，如魔芋、葛根、茅栗、菱粉、藕粉、荸薺、橡子、慈菇、藕、百合、山藥、芭蕉、蘑芋。
物質結構
淀粉的分子式是，嚴格地講是，n表示聚合度，一般為800~3000。淀粉含有兩種結構的聚合物，分別是直鏈淀粉和支鏈淀粉。
直鏈淀粉
直鏈淀粉由α-D-吡喃葡萄糖單位通過α-1,4糖苷連接形成的線性聚合物。其分子量為5~20萬，相當于300~1200個葡萄糖單元聚合而成，實際分子量大小也隨淀粉的來源和籽粒的成熟度而相差很大。
天然固態直鏈淀粉分子的分子構像并非完全伸開的一條直線鏈形狀，原因便是每個α-D-吡喃葡萄糖單元在聚合物中是都呈現搖椅構象，導致高聚的直鏈分子呈現卷曲盤旋和左螺旋狀態，且兩葡萄糖單元之間也會形成氫鍵，進一步穩定該構象。
直鏈尾端的葡萄糖單位稱為末端基。其中，尾端葡萄糖單位的C1碳原子含有還原羥基的，具有還原性，稱為還原末端基；尾端葡萄糖單位不具有還原性，含有一個惰性醛基的稱為非還原末端基。
支鏈淀粉
支鏈淀粉不僅有由α-D-吡喃葡萄糖單位通過α-1，4糖苷鍵相互連接形成的直鏈，還擁有許多分支鏈，這些分支鏈通過α-1，6糖鍵連接在第六碳原子上，每條支鏈約有20-30個葡萄糖單元，其中分支鏈分為三種形式：C鏈，為主鏈，由α-1，4糖苷鍵和α-1，6糖苷鍵連接的葡萄糖單元再加一個還原端組成。B鏈由α-1，4糖苷鍵和α-1，6糖苷鍵連接的葡萄糖單元組成。A鏈由葡萄糖單元通過α-1，4糖苷鍵連接而成。這些分支鏈呈隨機交叉。
生理作用
淀粉常常取自綠色植物，其中綠色植物中的淀粉是通過光合作用合成的。即在陽光下吸收二氧化碳和水來合成有機化合物質并放出氧氣。所合成的有機物主要是糖，這些糖進一步轉變成為淀粉。其中光合作用也伴隨能量的產生，這些能量就是貯存在這些糖和淀粉中，是植物乃正整個生物鏈中能量的最終來源。
理化性質
物理性質
外觀
淀粉呈白色粉末狀。其粉末顆粒大小和形狀因其來源不同而不同。例如馬鈴薯淀粉顆粒最大，喜米淀粉顆粒最小；形狀存在圓形、橢圓形等。
溶解性
淀粉可溶于二甲亞、N，N-二甲基甲胺，丁醇或者異戊醇飽和的水溶液，也可溶于氯化鈣、硝酸鈣濃溶液、甲酸、DL-乳酸及三氯甲醛，易溶于稀堿溶液。淀粉具有吸濕性，水分子能自由滲入淀粉顆粒內部。直鏈淀粉不溶于冷水，支鏈淀粉可均勻分散于冷水，因此淀粉混入水中，會形成乳白色、不透明的懸浮液，即淀粉乳。
淀粉的糊化
淀粉分子之間會存在氫鍵作用使得淀粉不溶于冷水，因此在水中會形成淀粉乳。將淀粉乳加熱，淀粉顆粒的非晶區域會大量結合水，導致體積膨脹，此時仍能保持顆粒結構。隨著溫度上升淀粉結晶的氫鍵被破壞，吸收水分更多，體積大幅度膨脹，相互膨脹的顆粒相互接觸，成為半透明的粘稠糊狀，成為淀粉糊，這一現象就是淀粉的糊化過程。
其中直鏈淀粉部分在熱水中溶脹破裂形成膠體溶液，而支鏈淀粉不溶于熱水，只能在熱水中溶脹糊化。
將淀粉糊在光滑平面涂成薄層后，干燥會形成薄膜。
淀粉的回生
淀粉溶液或淀粉糊在低溫條件下放置一段時間后，體系中會逐漸產生不溶性物質，并形成硬的凝膠塊。在稀淀粉溶液中有晶體沉淀析出。如果將濃的淀粉液冷卻，則會迅速形成彈性的膠體。這種現象稱為淀粉糊的回生，也可稱為淀粉的老化。
回生的本質：由于溫度降低，分子熱運動能量不足，體系處于熱力學非平衡態，因此體系自由降低，因此直鏈分子和支鏈分子會趨向平行排列，并重新形成氫鍵結合，團聚靠攏，重新形成混合多晶顆粒，使淀粉糊具有硬的整體結構。
淀粉的吸附作用
淀粉可吸附一些有機化合物，且不同分子形狀的直鏈或者支鏈淀粉的吸附性能會有差異。在高溫溶液中，直鏈淀粉的分子的極性基團可與同樣含有極性基團的有機物產生氫鍵締合，從而結晶析出，例如丁醇、丙醇、己醇等。
淀粉對碘液有吸附作用，直鏈淀粉對碘的吸收能力強于支鏈淀粉。直鏈淀粉根據葡萄糖鏈的長度在吸附碘會形成從無色變為黃、紅、紫、藍紫、藍的不同色調的配位化合物，聚合度在40以上時，會呈藍色。支鏈淀粉只能吸附少量的碘，結合碘后呈現的顏色隨分支化度的增加和外側單位鏈鏈長的變短，呈現由紅紫色轉為紅色以至棕色的遞進變化。當干淀粉遇碘呈暗棕色，加少量水立即轉為藍色。
化學性質
淀粉不僅僅具有葡萄糖的共性，而且因其由大量葡萄糖聚合而成的聚合物而具有獨特性質。
水解
當淀粉與水共熱時，會造成其分子裂解。當與無機酸共熱時，則徹底水解為α-D-葡萄糖。其水解過程及其中間產物如下所示：
當淀粉與淀粉酶在一定條件下時，也會發生水解。淀粉酶可分為α淀粉酶、β-淀粉酶、糖化酶及異淀粉酶，這些酶可將淀粉水解成葡萄糖、麥芽糖、三糖、果葡糖、糊精等成分。
氧化作用
淀粉在不同的氧化劑作用下可被氧化成多種產物，例如羥基輕度氧化而得到氧化淀粉，或氧化使得C2-C3間鍵的斷裂等。與次氯酸反應可將C2的羥基氧化為酮基，與正高碘酸反應則可將淀粉氧化為轉變為二醛淀粉。
糊精化
在干燥的環境下，具有一定含水量（20%）的淀粉受熱至160℃~170℃或者經酸水解，可先得到可溶性淀粉，進而變成分子量更小更容易溶于水的糊精，因此糊精相較于淀粉更容易被消化，這便是糊精化。
淀粉衍生物
淀粉可與一些試劑反應生成一系列的衍生物，與酸作用生成食用醋酸淀粉；與環氧乙烷作用生成羥乙基淀粉；與haas作用生成甲基淀粉；與二乙基氨基乙基氯作用生成二乙基氨基乙基淀粉。
制備方法
生物合成
淀粉在綠色植物中的合成分成兩步，先生成直鏈淀粉，然后再合成支鏈淀粉。
直鏈淀粉的合成：直鏈淀粉有三條合成路線，第一種是以 1-磷酸葡萄糖作為底物，α-1,4-葡聚寡糖作為可接受 1-磷酸葡萄糖的引子，經由淀粉磷酸化酶催化來合成淀粉。第二種是以尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）或者腺苷二磷酸葡萄糖（ADPG）為底物，α-1,4-葡聚低聚糖作引子，經由淀粉合成酶來催化合成淀粉。第三種是由D酶從短片段糖鏈斷裂下一個葡萄糖基，然后將斷裂后的糖鏈片段轉移給另外一個具有α-1,4-糖苷的糖鏈來形成淀粉。
支鏈淀粉的合成：支鏈淀粉的合成需要淀粉合酶與1，4-α-葡聚糖分支酶協同作用。其中，葡萄糖在經過淀粉合酶催化后，兩兩間形成α-1,4-糖苷鍵，然后在1，4-α-葡聚糖分支酶從上述路線合成的直鏈淀粉下非還原端拆下一個低聚糖片段并通過α-1，6-糖苷鍵連接到直鏈片段作為支鏈。
人工合成
淀粉的人工合成途徑主要是2021年報道的人工淀粉合成代謝途徑（ASAP）：利用化學催化劑將高濃度二氧化碳在高密度氫能作用下還原成碳一（C1）化合物，然后通過設計構建碳一聚合新酶，再依據化學聚糖反應原理將碳一化合物聚合成碳三（C3）化合物，最后通過生物途徑優化，再將碳三化合物又聚合成碳六（C6）化合物，再進一步合成直鏈和支鏈淀粉（Cn化合物）。但是由于技術原因，該人工合成方法并沒有實現產業化。
植物提取
淀粉的生產原料有玉米、小麥、馬鈴薯、番薯等，因此可以通過對這些原料進行一系列植物提取工藝來獲取植物淀粉。例如玉蜀黍屬淀粉便可以通過清理、浸泡、小麥胚芽分離、細磨、纖維分離、皮分離和干燥等步驟從玉米中提取。
變形淀粉的制備
天然淀粉雖然具有生產成本低、資源豐富的優點，但是大多數的天然淀粉因其性質上的不足，如在冷水中溶解度低、成膜性差、易老化、低溫易凝沉等，限制了其在生產生活上的應用。因此常常采取物理、化學或酶法對天然淀粉進行改性處理而得到功能化的變性淀粉，使得淀粉更為廣泛地應用于食品、醫藥、化工等領域。
淀粉的代謝過程
淀粉在人體的代謝
淀粉進入人體后主要在小腸處被消化吸收。直鏈淀粉在胰淀粉酶 （淀粉酶）催化下，其α-1,4-糖苷斷裂分解得到麥芽糖和葡萄糖，而支鏈淀粉的水解產物除了麥芽糖和少量葡萄糖外，還有支鏈寡糖，叫極限糊精。但該物質可在寡聚 1，6 糖苷酶催化下使得α-1,4-糖苷鍵斷裂產生麥芽糖和葡萄。此外，寡聚 1，6 糖酶也可跳過淀粉酶直接催化分解支鏈淀粉而得到去支鏈的直鏈淀粉。淀粉分解得到的麥芽糖可進一步被小腸內的麥芽糖酶催化分解為葡萄糖，然后被小腸吸收進入血液。
淀粉在植物體的代謝
淀粉在進入植物體會被降解為單糖然后進一步吸收利用提供能源和碳源。降解過程分為兩種，一種是在多種水解酶相繼作用下水解得到葡萄糖的過程，其中以α淀粉酶和β-淀粉酶為主。對于直鏈淀粉，它能夠無規則水去水解α-1,4-糖苷鍵得到葡萄糖和麥芽糖的混合物，而對于支鏈淀粉，其水解產物除了葡萄糖和麥芽糖之外還會有異麥芽糖和一些由α-1,4-糖苷鍵結合的低聚糖。β-淀粉酶具有外切酶的特性，它會指定的從支鏈淀粉和直鏈淀粉外層的非還原性末端中剪下兩個葡萄糖單位。但它不能水解α-1,6-糖苷鍵。因此它的水解產物通常為麥芽糖和分支淀粉相比來說小的多的核心糊精。核心糊精再經過支鏈淀粉1,6-糖苷鍵、低聚1,6-糖苷酶、α-糖苷酶相繼作用下徹底被水解為葡萄糖。
另一種是通過磷酸化酶將淀粉降解為葡萄糖-1-磷酸的過程。其中磷酸化酶的主要作用是催化淀粉中的非還原末端脫去一個葡萄糖殘基再與無機化合物磷酸結合得到葡萄糖-1-磷酸。磷酸化酶這種末端脫去的催化反應可反復發生直至脫至淀粉分支前四個葡萄糖殘基才被抑制。且磷酸化酶同樣無法并不能催化α-1,6-糖苷鍵磷解，因此在整個降解過程中仍然需要與一些參與水解過程中酶協同作用，才能將淀粉完全降解為小分子的單糖。
應用領域
在食品工業的應用
在食品工業中，淀粉可用于制糊精、麥芽糖、葡萄糖、酒精等的原材料。天然淀粉經過變性后可獲得因其良好的黏稠性、透明度、耐熱性、成膜性、親水性、抗老化性等性質，可作為添加劑應用于面食、糖果、冷凍食品以及甜食的生產，例如，添加入肉制品和面制品制備過程中，可以增加凍融穩定性、彈性、保水性，并且還能降低產品的脂肪含量。在蛋糕/糖衣制備過程中作為酥油的代替品，在焙烤食物中作釉光劑，水果餅、餡餅、餡料中、果凍西米露等甜品、沙丁魚醬、湯和醬汁作穩定劑和增稠劑，在糖類食品里面可作為膠凝劑和拋光劑。
在紡織工業上的應用
淀粉能夠降低漿液黏度、增大液體流動性、滲透性等特性，因此也被廣泛應用于紡織工業中的織物整理、印花色漿、經紗漿料等方面。在織物整理中，使用淀粉可提高疏水聚針織物的親水性、耐洗滌性和染色牢度。在印花色漿中，淀粉作為印花糊料，賦予色漿一定黏度和印花特性、參與染料的固著，還可以促進印花色漿各組分在原糊中的均勻分散以及延緩印漿中各組分彼此間相互作用的保護膠體等。在紡織生產的經紗漿料工藝中，當使用變性淀粉經紗上漿后，能夠加強單線纖維間黏結力，并使得毛頭伏貼，從而提高了紗線的強度。
造紙工業上的應用
淀粉可作為紙張生產中的增強劑等，可以增強紙張的各個物理性狀，提高質量和檔次，降低木漿配比，改善紙張表面紋理和提高紙張強度；也能提高造紙過程中的細小纖維、填料的留著度，提高成紙的灰分、白度和不透明度；還可一定程度上改善印刷適性，減少印刷時易折斷頭、易掉毛掉粉和易糊版等問題，同時進一步加強紙張對油墨的吸附，從而使得色彩鮮艷，字跡清晰等；淀粉也可作為施膠劑，能改善施膠效果，節約施膠劑用量，可作為中性紙的配套助劑。
淀粉也可以作為紙制品（例如瓦楞紙）的粘合劑，具有強粘力，成本低，污染小等特點，因此可施用于紙箱和紙管的粘合。
在醫藥工業上的應用
淀粉具有良好的生物相容性且安全無毒，因此被廣泛應用于醫藥工業中，例如作為片劑的賦形劑、外科手套的潤滑劑及醫用撒粉輔料、代血漿、藥物載體、淀粉微球，另外淀粉也可添加至濕布藥用基材的增粘劑、治療尿毒癥、降低血液中膽固醇和防止動脈硬化等產品中。
可降解塑料領域的應用
淀粉可以和聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、聚碳酸亞乙基酯、聚己內酯等各類塑料共混得到淀粉塑料，通常淀粉的混合量為7%~30%，最高不過40%，但這種共混型淀粉塑料仍然存在一些難降解問題。但當添加淀粉的量達到90%時，即使添加其他組分也能完全降解，因此這種淀粉塑料被稱為全淀粉塑料。
其他應用
淀粉還可以作為制造糊墻紙、絕熱材料、墻板材料及音響貼紙的膠漿料、粘合劑、膠粘材料。
淀粉還可以作為藥用潤滑劑、保護劑及吸著劑，外用于皮膚，能夠一定程度緩解中毒發癢癥狀。
淀粉還可以外用于皮膚作為爽身粉，以及在放射治療后局部麻醉用。
參考資料 >