小麥籽粒淀粉與面粉的理化特性差異

李春燕 張雯霞 張玉雪 姚夢浩 丁錦峰 朱新開郭文善 封超年,2,*

1揚(yáng)州大學(xué) / 江蘇省作物遺傳生理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育點(diǎn) / 糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 江蘇揚(yáng)州 225009; 2南京林業(yè)大學(xué),江蘇南京 210037

小麥籽粒中的主要成分是淀粉(直鏈淀粉和支鏈淀粉)、蛋白質(zhì)和脂肪等生物大分子物質(zhì), 此外還含有少量的礦物質(zhì)、糖類和維生素。根據(jù)直鏈淀粉含量可將小麥分為糯質(zhì)小麥(Waxy蛋白亞基全缺失)、部分糯質(zhì)小麥(Waxy蛋白亞基部分缺失)和非糯質(zhì)小麥(Waxy蛋白亞基不缺失)[1-2]。籽粒中直、支鏈淀粉含量與結(jié)構(gòu)的差異, 影響著淀粉的理化特性[3-4]。直鏈淀粉含量影響淀粉的成膠性、糊化特性和凝膠化作用[5-6], 直鏈淀粉含量高的淀粉比含量低的淀粉難糊化[7]。糯小麥理化特性中各項(xiàng)黏度參數(shù)值低于其親本材料, 還具有膨脹和吸水能力強(qiáng)及回生度低的特征[8-11], 亦有研究認(rèn)為糯小麥峰值黏度高于非糯小麥[12]。

小麥面粉主要用來制作面條、饅頭、面包和蛋糕等, 面制食品的品質(zhì)除與淀粉組分及其含量有關(guān)外, 還與面粉中 α-淀粉酶活性、蛋白質(zhì)、糖分、脂肪含量有關(guān)[13-15], 如面粉脫脂脫蛋白質(zhì)后溶解度、膨脹勢和黏度參數(shù)增加[13]。食品生產(chǎn)過程中, pH值及鹽類、極性高分子有機(jī)化合物等外源添加劑也會(huì)影響淀粉的理化特性, 面粉中添加蔗糖后糊化溫度顯著提高[16]。前人研究主要是以面粉或淀粉為材料,因其成份及α-淀粉酶活性不同, 研究結(jié)論不盡一致,特別是在糯與非糯小麥黏度參數(shù)差異上觀點(diǎn)不一。因此, 本研究選用糯小麥與非糯小麥, 分析其差異形成的原因, 并試驗(yàn)外源添加劑對(duì)面粉黏度特性的影響, 以期為小麥?zhǔn)称菲焚|(zhì)研究與改良提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用生產(chǎn)上示范推廣的糯小麥揚(yáng)糯麥1號(hào)和寧糯麥1號(hào), 非糯小麥揚(yáng)麥16和典型遺傳種質(zhì)材料中國春, 種子由江蘇省里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所和江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。

1.2 面粉的制備方法

采用 Quadrumat Junior小型實(shí)驗(yàn)室制粉機(jī)(Branbender, 德國)磨制 100目面粉, 用于面粉理化特性分析。

1.3 淀粉的制備方法

參照陸大雷等[17]描述的方法略做改進(jìn)提取小麥淀粉。稱取100 g小麥籽粒, 用去離子水浸泡48 h,豆?jié){機(jī)粉碎過100目篩, 靜置2 h, 棄上清液, 1500×g離心10 min, 去除沉淀上層灰色雜質(zhì), 重復(fù)3次,得到脫蛋白淀粉。當(dāng)脫蛋白淀粉蛋白質(zhì)含量高于0.5%時(shí), 再用 Solarbio堿性蛋白酶(北京索萊寶科技有限公司, 貨號(hào)B8360)脫蛋白。

脫蛋白淀粉加無水乙醇, 充分?jǐn)嚢? 1500 ×g離心 10 min, 重復(fù) 3次; 在沉淀中加入甲醇和丙酮等體積混合液, 充分?jǐn)嚢? 1500 ×g離心10 min, 重復(fù)3次, 通風(fēng)晾干制得純淀粉。

1.4 淀粉理化特性參數(shù)測定方法

對(duì)于參數(shù)測定每個(gè)品種重復(fù)3次。

1.4.1 蛋白質(zhì)和淀粉組分含量測定方法 稱取1.000 g樣品, 采用Kjeltec 2300型全自動(dòng)凱氏定氮儀(Foss, 瑞典)測定蛋白質(zhì)含量(干基); 采用雙波長法測定直、支鏈淀粉含量[18], 采用淀粉總量檢測試劑盒(Megazyme 公司, 貨號(hào) K-TSTA-50A)測定糯小麥面粉的總淀粉含量, 減去面粉中直鏈淀粉含量即為支鏈淀粉含量。

1.4.2 淀粉粒粒度分布測定方法 采用 Malvern Mastersizer 2000激光衍射粒度儀(Malvern, 英國)分析淀粉粒的粒度分布。根據(jù)淀粉粒粒徑將淀粉分為A 型(粒徑＞10 μm)、B 型(粒徑 2～10 μm)和 C 型(粒徑＜2 μm), 計(jì)算各品種3種淀粉粒的數(shù)目百分率。

1.4.3 破損淀粉含量測定方法 采用SD matic型破損淀粉測定儀(Chopin Technologies, 法國)測定破損淀粉含量[3], 用碘吸收率(Ai%)表示破損淀粉含量。

1.4.4 膨脹勢、溶解度和透光率 參照陸大雷等[17]描述的方法測定膨脹勢、溶解度和透光率。

1.4.5 黏度特性 利用 RVA Super3型快速黏度儀(Newport Scientific, 澳大利亞)測定黏度參數(shù)。選用模式標(biāo)準(zhǔn)方法 1和標(biāo)準(zhǔn)分析方法 1[4]。利用 16%(w/v)蔗糖溶液、5% (w/v)氯化鈉(NaCl)溶液、5 mmol L-1硝酸銀(AgNO3)溶液和 5 mmol L-1二硫蘇糖醇(DTT)溶液各1 L, 代替蒸餾水, 測定面粉在有機(jī)物、無機(jī)鹽、氧化劑和還原劑中的黏度特性[15]。

1.4.6 熱力學(xué)特性 稱取5 mg淀粉樣品, 按1∶2 (w/w)比例加入蒸餾水配成淀粉乳, 密封后置 4°C冰箱隔夜平衡。平衡后的樣品糊化溫度范圍為20～100°C, 升溫速率為 10°C min–1。采用 Q10 差示掃描量熱儀(TA Instruments, 美國)測定淀粉熱力學(xué)特性[19]。

糊化后的樣品在4°C下儲(chǔ)藏7 d 后進(jìn)行回生特性測定, 掃描范圍為 20～100°C, 升溫速率為 10°C min-1。

回生度 DR% = ΔH/ ΔH′ × 100%

式中, ΔH表示熱焓值, ΔH′表示回生時(shí)的熱焓值。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

利用Microsoft Excel 2010軟件處理數(shù)據(jù), DPS 7.05軟件進(jìn)行方差分析, LSD法比較不同小麥品種理化特性參數(shù)差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 蛋白質(zhì)、淀粉含量及淀粉粒數(shù)目分布

糯與非糯小麥面粉蛋白質(zhì)含量平均為12.63%,寧糯麥1號(hào)最高, 為13.65%, 揚(yáng)麥16最低, 為11.54%,4個(gè)小麥品種淀粉中蛋白質(zhì)含量僅為0.32%, 品種間差異不顯著。糯小麥淀粉中直鏈淀粉含量平均為0.62%, 非糯小麥淀粉中直鏈淀粉含量為29.23%。4個(gè)品種淀粉中支鏈淀粉含量均表現(xiàn)為糯小麥高于非糯小麥, 淀粉中直鏈淀粉含量高于相應(yīng)面粉中的含量(表1)。

4個(gè)小麥品種均以C型淀粉粒為主, 數(shù)目百分比為96.14%～97.36%, 糯小麥 C型淀粉粒數(shù)目百分比顯著高于非糯小麥, B型和A型淀粉粒數(shù)目百分比顯著低于非糯小麥(表1)。

2.2 破損淀粉、溶解度、膨脹勢及透光率

2個(gè)糯小麥品種面粉的破損淀粉(Ai%)含量平均為 70.76%, 顯著低于非糯小麥破損淀粉含量(90.98%)。淀粉中破損淀粉含量低于面粉中破損淀粉的含量, 品種間寧糯麥 1號(hào)破損淀粉含量最低,揚(yáng)麥16破損淀粉含量最高, 與品種相對(duì)應(yīng)面粉變化趨勢基本一致。非糯小麥淀粉中破損淀粉含量較面粉中破損淀粉含量下降的幅度小于糯小麥(表 2)。

兩種類型小麥均表現(xiàn)出面粉溶解度大于淀粉溶解度, 糯小麥面粉的溶解度高于非糯小麥, 其中寧糯麥 1號(hào)面粉的溶解度最大, 達(dá)到 14.09%,揚(yáng)糯麥 1號(hào)其次, 中國春最低, 僅為 6.75%。這 3個(gè)品種的淀粉溶解度分別為 8.49%、7.41%和3.60% (表 2)。

糯小麥膨脹勢顯著高于非糯小麥, 淀粉的膨脹勢又高于面粉, 品種間表現(xiàn)為寧糯麥1號(hào)＞揚(yáng)糯麥1號(hào)＞揚(yáng)麥 16＞中國春(表 2)。

糯與非糯小麥面粉的透光率變化在 2.70%～4.65%之間, 糯小麥面粉透光率高于非糯小麥, 差異顯著, 2個(gè)糯小麥淀粉的平均透光率為45.10%, 顯著高于相應(yīng)面粉的透光率; 非糯小麥淀粉的平均透光率為4.10%, 略高于相應(yīng)面粉的透光率(表2)。

2.3 淀粉與面粉的黏度特性

2.3.1 不同品種淀粉和面粉的黏度特性 糯小麥面粉RVA譜在3.6 min左右達(dá)到峰值黏度, 之后迅速下降, 冷卻過程中曲線只有小幅度上升, 最終黏度低于峰值黏度。糯小麥淀粉RVA譜變化趨勢與面粉基本一致, 品種間有差異, 揚(yáng)糯麥 1號(hào)淀粉與面粉峰值黏度差異不顯著, 寧糯麥 1號(hào)淀粉峰值黏值顯著高于面粉。非糯小麥面粉到達(dá)峰值黏度的時(shí)間早于淀粉。揚(yáng)麥16淀粉的低谷黏度和最終黏度高于面粉, 反彈值低于面粉; 中國春淀粉的低谷黏度高于面粉, 反彈值、最終黏度低于面粉(圖1)。

2個(gè)糯小麥面粉的糊化溫度與相應(yīng)淀粉相似, 而2個(gè)非糯小麥的面粉糊化溫度均有不同程度的下降(1.95～14.47°C, 數(shù)據(jù)未列出), 說明非糯小麥淀粉到達(dá)峰值黏度所需要的溫度高于面粉。

2.3.2 不同處理對(duì)籽粒面粉黏度特性的影響 用抑制 α-淀粉酶活性的 AgNO3氧化劑處理后, 4個(gè)小麥品種均表現(xiàn)峰值黏度、低谷黏度和最終黏度顯著增加(圖 2), 糯小麥峰值黏度值增加最顯著, 揚(yáng)糯麥1號(hào)增加72.39%, 寧糯麥1號(hào)增加63.97%。

用改變蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的 DTT還原劑處理后,非糯小麥峰值黏度、低谷黏度和最終黏度略低于未處理的面粉, 糯小麥面粉經(jīng)DTT處理后峰值黏度顯著低于未處理的面粉, 揚(yáng)糯麥1號(hào)峰值黏度下降15.70%, 寧糯麥1號(hào)峰值黏度下降22.71%, 最終黏度和低谷黏度略高于或接近未處理的面粉。

添加蔗糖和氯化鈉處理使 4個(gè)品種面粉的峰值黏度、低谷黏度和最終黏度顯著增加, 糯小麥峰值黏度增加較非糯小麥更顯著。氯化鈉促進(jìn)峰值黏度、低谷黏度和最終黏度增加的效應(yīng)大于蔗糖。蔗糖和氯化鈉處理后均延長了小麥面粉到達(dá)峰值黏度的時(shí)間, 氯化鈉延時(shí)的作用更顯著。

2.4 淀粉與面粉的熱力學(xué)特性

小麥淀粉熱焓值為寧糯麥1號(hào)＞揚(yáng)糯麥1號(hào)＞揚(yáng)麥16＞中國春; 面粉熱焓值顯著低于淀粉熱焓值, 4個(gè)品種面粉熱焓值比淀粉平均降低34%, 但面粉的起始溫度、峰值溫度和最終溫度高于相應(yīng)淀粉。糯小麥面粉和淀粉的熱焓值高于非糯小麥, 具有較高的起始溫度、峰值溫度和最終黏度(表3)。

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圖1 小麥籽粒淀粉與面粉RVA圖譜Fig. 1 Viscosity curves of grain starch and flour in different wheat cultivars

圖2 不同處理對(duì)小麥籽粒面粉黏度的影響Fig. 2 Viscosity curves of flour in different wheat cultivars under different treatments

將糊化后的樣品置4°C冰箱冷藏7 d后, 回生參數(shù)均低于其熱力學(xué)參數(shù)值, 其中起始溫度、峰值溫度和最終溫度均降低10°C左右。糯小麥面粉的平均回生度為 3.30%, 顯著低于非糯小麥 12.96%的回生度, 同一品種面粉的回生度顯著低于淀粉(表4)。

3 討論

劉希偉等[20]根據(jù)淀粉粒徑, 將淀粉粒分為A型(＞10 μm)和 B 型(＜10 μm)。本研究以 2 μm 和 10 μm為界限, 將淀粉粒分為 A型(＞10 μm)、B 型(2～10 μm)

和C型(＜2 μm), 糯小麥中C型淀粉粒百分比高于非糯小麥, 與 Zhang等[21]認(rèn)為糯小麥中小型淀粉粒偏多的觀點(diǎn)一致。破損淀粉含量影響面粉的吸水率,提高對(duì)酶的敏感性, 改變面粉的特性[22]。與以往研究結(jié)果[3]一致, 本研究也發(fā)現(xiàn)非糯小麥破損淀粉含量高于糯小麥, 同一品種面粉的破損淀粉含量略高于淀粉的破損淀粉含量, 這可能是因?yàn)槊娣凼峭ㄟ^機(jī)械碾壓制取, 淀粉是通過種子浸泡后水磨獲得,造成面粉中淀粉粒的破損程度增加, 也可能是引起面粉與淀粉糊化特性差異的原因之一。Tester等[23]認(rèn)為, 支鏈淀粉可增加淀粉的吸水膨脹, 加速顆粒糊化, 而直鏈淀粉和脂肪的作用是抑制或延緩膨脹和糊化; 但也有研究表明, 淀粉糊的透光程度直接受淀粉膨脹程度的影響, 具有較高膨脹勢的淀粉透光率也較高[24-25]。本試驗(yàn)結(jié)果表明, 4個(gè)小麥品種淀粉膨脹勢和透光度的變化趨勢一致, 均為寧糯麥 1號(hào)＞揚(yáng)糯麥 1號(hào)＞揚(yáng)麥 16＞中國春, 其中糯小麥淀粉透光率高達(dá) 45%, 說明糯小麥因直鏈淀粉與脂肪復(fù)合物含量低, 對(duì)淀粉膨脹抑制作用小, 淀粉膨脹程度和透光率顯著提高。4個(gè)品種淀粉的膨脹勢、透光度高于面粉, 主要是因?yàn)槊摰鞍踪|(zhì)和脫脂肪后的淀粉粒接觸到更多水分子, 有利于淀粉粒的膨脹, 膨脹勢增加; 面粉中蛋白質(zhì)、脂肪等物質(zhì)的存在, 阻礙了光束的通過, 從而使得面粉的透光率降低。另外,面粉的溶解度高于淀粉, 糯小麥高于非糯小麥。面粉溶解度高于淀粉的原因可能是面粉中存在一些易溶于水的糖類和無機(jī)鹽類物質(zhì), 這些物質(zhì)的溶解增加了溶質(zhì)的質(zhì)量, 糯小麥面粉溶解度也與其籽粒中具有較高的糖類物質(zhì)有關(guān)[26]。

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Schirmer等[27]認(rèn)為, 糯性淀粉具有較強(qiáng)的蓄水能力和較高的黏度特性, 膨脹的淀粉粒特別容易破裂, 高直鏈淀粉含量能夠阻止大量淀粉粒的膨脹,導(dǎo)致黏度降低。本研究中糯小麥品種面粉的低谷黏度、最終黏度、反彈值、峰值時(shí)間和糊化溫度均低于非糯小麥, 而稀澥值高于非糯小麥。揚(yáng)糯麥 1號(hào)淀粉與面粉峰值黏度差異不大, 寧糯麥 1號(hào)淀粉峰值黏度顯著高于面粉峰值黏度, 推測 2個(gè)糯小麥品種支鏈淀粉的精細(xì)結(jié)構(gòu)上可能存在差異。

面粉中的α-淀粉酶活性影響淀粉的糊化特性[28]。姚金寶等[15]認(rèn)為, 無論是糯小麥還是非糯型品系,加氧化劑 AgNO3處理的 RVA峰值黏度和最終黏度明顯高于不加AgNO3處理的品系, 對(duì)糯小麥品系的影響較大, 這主要是AgNO3抑制α-淀粉酶活性的緣故, 本研究結(jié)果與之一致, AgNO3處理對(duì)2個(gè)糯小麥面粉中 α-淀粉酶活性的抑制作用大于對(duì)非糯小麥,說明糯小麥面粉中 α-淀粉酶活性顯著高于非糯小麥,是抑制糯小麥面粉峰值黏度升高的主要原因; 此外,揚(yáng)糯麥1號(hào)淀粉峰值粘度顯著低于寧糯麥1號(hào)峰值粘度, 推測一方面可能與支鏈淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)有關(guān),另一方面可能與揚(yáng)糯麥1號(hào)淀粉中α-淀粉酶活性高有關(guān), 具體原因有待深入研究。在淀粉糊化加熱過程中, 支鏈淀粉粒吸水膨脹形成分散相, 蛋白質(zhì)吸水變性和部分直鏈淀粉溶于熱水形成黏稠相, 還原劑DTT處理后, 打破了二硫鍵削弱谷蛋白基質(zhì)作用,糊液穩(wěn)定性變差, 淀粉粒容易破裂, 表現(xiàn)為稻米峰值黏度和崩解值下降[14], 本試驗(yàn)結(jié)果與前人研究結(jié)果基本一致, 因品種類型不同而異, 對(duì)糯小麥的影響程度大于非糯小麥, 這與糯小麥蛋白質(zhì)含量高有關(guān)[10]。外源添加蔗糖以及氯化鈉均影響了面粉的黏度特性, 添加蔗糖提高糊化溫度[16]。本研究明確了氯化鈉處理對(duì)面粉峰值黏度、低谷黏度、最終黏度影響的效應(yīng)高于蔗糖處理, 由此說明面粉中 α-淀粉酶活性、糖含量、蛋白結(jié)構(gòu)、以及食品生產(chǎn)過程中添加的有機(jī)化合物、鹽類等均會(huì)影響面粉的黏度特性,這是導(dǎo)致淀粉與面粉黏度特性差異的原因之一。

Yasui等[29]研究表明, 糯小麥淀粉與其非糯親本相比具有高的糊化溫度和熱焓值。本研究中糯小麥熱焓值高于非糯小麥, 同一品種面粉與淀粉的熱力學(xué)參數(shù)存在差異, 表現(xiàn)為小麥面粉的熱焓值低于淀粉。其原因可能是面粉中的蛋白質(zhì)和戊聚糖能與面粉體系中的淀粉競爭自由水, 導(dǎo)致淀粉吸收的自由水減少, 從而使面粉的糊化熱焓值降低[30]。直鏈淀粉含量是影響淀粉回生特性最主要的因素, 較高的直鏈淀粉含量具有較強(qiáng)的回生趨勢[20,31]。本試驗(yàn)結(jié)果表明, 糯小麥面粉以及淀粉的回生度均低于非糯小麥, 與直鏈淀粉含量表現(xiàn)一致。相同品種面粉糊化的起始溫度、峰值溫度和最終溫度均高于淀粉,而熱焓值和回生度則低于淀粉, 主要原因是面粉中的蛋白質(zhì)妨礙了淀粉分子之間的相互聚攏, 不利于微晶束的形成, 此外, 面粉中直鏈淀粉–脂質(zhì)復(fù)合物的存在也會(huì)降低回生度[13,32-33]。

4 結(jié)論

不同類型小麥淀粉與面粉理化特性存在差異,淀粉的破損淀粉含量低于面粉, 淀粉糊化的起始溫度、峰值溫度和最終溫度均低于面粉, 熱焓值和回生度高于面粉, 淀粉的膨脹勢和透光度顯著高于面粉, 溶解度低于面粉。除了直、支鏈淀粉含量外, 面粉中蛋白質(zhì)、脂肪、糖類物質(zhì)以及面粉中 α-淀粉酶活性是造成面粉與淀粉理化特性差異的主要原因。