黑龍江省主栽小米淀粉特性分析

張卓敏,張洪微,左豫虎,高玉榮,崔素萍

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院,黑龍江大慶 163319)

小米,俗稱(chēng)谷子,古老的谷類(lèi)作物。因其營(yíng)養(yǎng)豐富,富含糖類(lèi)、脂肪及蛋白質(zhì),并且其含量比例與推薦膳食供給量(RDA)推薦的營(yíng)養(yǎng)素?cái)z入標(biāo)準(zhǔn)相似[1],而備受發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家的廣泛關(guān)注。

小米的主要成分是淀粉,含量為63%～70%左右,因此，淀粉的理化特性對(duì)食品加工與品質(zhì)具有重要的影響。但目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)小米淀粉的研究主要集中在小米淀粉谷子淀粉提取方法和部分性質(zhì)研究。Fujita等[2]對(duì)53個(gè)小米品種的淀粉研究發(fā)現(xiàn),其46個(gè)品種的直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～27.1%,并分析了小米淀粉的直鏈淀粉含量、淀粉-碘復(fù)合物的最大吸收波長(zhǎng)、碘藍(lán)值以及它們之間的相關(guān)性。孫翠霞等[3]采用 1% SDS(十二烷基硫酸鈉)法提取小米淀粉,對(duì)其部分淀粉性質(zhì)進(jìn)行了相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)溶解度、膨潤(rùn)力、凝沉體積皆與直鏈淀粉含量呈顯著負(fù)相關(guān)。冷雪等[4]利用差示掃描量熱法對(duì)小米淀粉的糊化特性進(jìn)行了研究,分析了不同添加物和生產(chǎn)條件(NaCl添加量、蔗糖添加量、pH等)對(duì)淀粉特性的影響,即添加NaCl的小米淀粉的糊化溫度比添加蔗糖的糊化溫度高。酸性條件抑制小米淀粉的糊化作用,堿的存在則促進(jìn)體系糊化。Mi-Ja Lee等[5]研究了小米的糊化特性和質(zhì)構(gòu)特性與正常含量直鏈淀粉和低含量直鏈淀粉之間的相關(guān)性,低直鏈淀粉的硬度、粘附性、內(nèi)聚性、膠著性和咀嚼性以及回升值,最終粘度,糊化溫度與正常含量直鏈淀粉相比要低。

黑龍江省是我國(guó)綠色農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地,且是小米的主產(chǎn)區(qū)之一,雖然張敏等[6]對(duì)黑龍江小米的化學(xué)組分、物理特性和加工品質(zhì)等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定,但有關(guān)黑龍江省主栽小米品種淀粉的功能性質(zhì)未見(jiàn)報(bào)道。若能充分了解不同產(chǎn)區(qū)小米淀粉的功能性質(zhì),則可為小米的加工提供理論和技術(shù)支持。本研究擬以黑龍江6種小米主栽品種為材料,研究 6 種小米淀粉的功能特性,以期為小米的加工提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紅谷子、大金苗、張雜谷、朝新谷8號(hào)、噸谷1號(hào)、貢米 采集于2016年,黑龍省龍江縣農(nóng)業(yè)局;鹽酸、氫氧化鈉、亞硫酸鈉、酚酞、十二烷基苯磺酸鈉等試劑 均為分析純。

U-2910紫外可見(jiàn)分光光度計(jì) 天美(中國(guó))科學(xué)儀器有限公司;AL204型分析天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;DK-S24型電熱恒溫水浴鍋 上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;TD5A-WS型臺(tái)式低速離心機(jī) 湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開(kāi)發(fā)有限公司;JJ-1型電動(dòng)攪拌器 江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司;MJ-10A型磨粉機(jī) 上海市浦恒信息科技有限公司;DGG-9053A鼓風(fēng)干燥箱 上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 小米全粉的制備 將6種不同品種小米洗凈,45 ℃下烘干至恒重,后用粉碎機(jī)粉碎,過(guò)100目篩子,備用。

1.2.2 小米淀粉的提取 小米淀粉采用堿提取法提取,參照參考文獻(xiàn)[7]。用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03% NaOH溶液浸泡6種小米粉,料液比1∶4 (mg∶mL),在35 ℃下,攪拌4.5 h,然后與質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.00%的十二烷基苯磺酸鈉溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%的亞硫酸鈉的混合液(1∶9體積比)混合,小米粉與混合液的比例為1∶5 (mg∶mL),再次攪拌提取30 min。將提取液靜置沉淀36 h,棄去上層渾濁液,用蒸餾水反復(fù)更換浸泡溶液,直至上清液澄清。棄去上清液，繼續(xù)添加適量蒸餾水?dāng)嚢?.5 h后,常溫下4000 r/min離心15 min,棄去暗色的表層和底層淀粉,收集白色淀粉并多次用蒸餾水清洗,直至用1%酚酞檢查上清液不再顯示粉紅色。在45 ℃下,干燥24 h,研磨并過(guò) 100 目篩備用。

1.2.3 小米淀粉溶解度與膨脹度的測(cè)定 小米淀粉溶解度與膨脹度的測(cè)定見(jiàn)參考文獻(xiàn)[8]。分別取1 g淀粉樣品配制成50 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的淀粉乳,在95 ℃的水浴中加熱攪拌15 min,快速冷卻,4000 r/min離心15 min,分離上清液。在100 ℃的鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干至衡重,稱(chēng)重即為可溶性淀粉的質(zhì)量,下層為膨脹淀粉部分,溶解度和膨脹度的計(jì)算方法見(jiàn)式(1)、式(2)。

式(1)

膨脹度(g/g)=膨脹淀粉重/[淀粉樣品干重(g)×(100-溶解度)]×100

式(2)

1.2.4 小米淀粉凍融穩(wěn)定性的測(cè)定 小米淀粉凍融穩(wěn)定性的測(cè)定見(jiàn)參考文獻(xiàn)[9]和[10]。采用冰箱反復(fù)凍融法,稱(chēng)取0.6 g淀粉樣品配制成10 mL的質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%的淀粉乳,在95 ℃的水浴中加熱30 min,并不斷振蕩,加熱后快速冷卻至室溫,再將樣品放入-18 ℃的冰箱中凍藏20 h,然后取出在室溫條件下自然解凍4 h,以4000 r/min的速度離心20 min,棄掉上清液,稱(chēng)量沉淀物質(zhì)量,按式(3)計(jì)算析水率,以析水率表示凍融性,如此再進(jìn)行20、40、60、80、100、120、140、160 h凍融處理。

式(3)

式中,m1為離心前淀粉糊質(zhì)量,m2為離心后下層沉淀質(zhì)量。

1.2.5 小米淀粉凝沉性的測(cè)定 小米淀粉凝沉性的測(cè)定見(jiàn)參考文獻(xiàn)[11]。稱(chēng)取1.5 g小米淀粉，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的淀粉乳,在95 ℃的水浴中加熱30 min,并不斷振蕩,加熱后快速冷卻至室溫,放入50 mL具塞量筒中,觀(guān)察淀粉糊的分層及界面下降的高度,分別記錄淀粉糊靜置1、2、4、24、40、48、62、74、88 h后上清液體積,上清液體積占淀粉糊總體積的百分比即為凝沉性。

1.2.6 小米淀粉透明度的測(cè)定 小米淀粉透明度的測(cè)定見(jiàn)參考文獻(xiàn)[12]。分別取0.3 g淀粉樣品，配制成60 mL的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的淀粉乳,在95 ℃的水浴中加熱30 min,并不斷振蕩,加熱過(guò)程中保持淀粉糊的體積不變,加熱后快速冷卻,用分光光度計(jì)在620 nm的波長(zhǎng)下，分別測(cè)定淀粉糊放置 0、1、4、7、18、24、48、72 h后的透光率,以蒸餾水作為參比。

1.3 相關(guān)性分析

更加全面了解黑龍江省主栽小米淀粉特性,本實(shí)驗(yàn)將小米淀粉特性間的相關(guān)性以及小米淀粉特性與直鏈淀粉、支鏈淀粉含量和直支比的相關(guān)性進(jìn)行分析。進(jìn)行相關(guān)性分析時(shí),凍融穩(wěn)定性采用儲(chǔ)藏時(shí)間為160 h,凝沉性為88 h,透明度為72 h。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)均設(shè)3次重復(fù),取平均值,利用SPSS 12.0 分析系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,用GraphPad Prism 5進(jìn)行圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 小米淀粉的溶解度和膨脹度分析

小米淀粉溶解度和膨脹度測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。6種小米淀粉的溶解度和膨脹度因品種不同而有所不同。各品種間的溶解度存在一定差異性,噸谷1號(hào)的溶解度最高(10.36%±0.06%),而紅谷子的溶解度最低(8.43%±0.17%)。各品種間的膨脹度存在顯著性差異(p<0.05),噸谷1號(hào)的膨脹度最高(18.24%±0.27%),膨脹度最低的是紅谷子(14.29%±0.20%)。由結(jié)果可以看出,6種小米淀粉的溶解度越高,小米的直鏈淀粉含量越低,與Lawal等[13]報(bào)道稱(chēng)淀粉的溶解度與直鏈淀粉含量密切相關(guān)的結(jié)論相似。6種小米淀粉的膨脹度越高,小米支鏈淀粉含量越高,此結(jié)果與Kawaljit 等[14]研究發(fā)現(xiàn)的隨支鏈淀粉含量升高,膨脹度呈增大趨勢(shì)的結(jié)論相似。溶解度和膨脹度是淀粉加工時(shí)重要特性,并且反映淀粉與水間相互作用力的大小,并且與淀粉粒大小、形態(tài)、分子量、直鏈/支鏈比例、分支度、支鏈外鏈長(zhǎng)度及其它成分如脂類(lèi)、蛋白質(zhì)存在有關(guān)[15]。較低的膨脹度可能是由于其較高的蛋白質(zhì)含量,和大量的直鏈淀粉脂質(zhì)復(fù)合物。淀粉的溶解度與膨脹度在一定程度可以評(píng)價(jià)淀粉鏈與無(wú)定型、結(jié)晶區(qū)域交互作用的大小[16],并且分別反映了淀粉食品在烹煮過(guò)程中的膨脹程度和糊湯狀況。本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示,6個(gè)小米品種中噸谷1號(hào)淀粉直鏈淀粉含量較高,而支鏈淀粉含量較低,溶解度和膨脹度較高,其在水中經(jīng)加熱時(shí)更容易膨脹、溶出,因此，噸谷1號(hào)淀粉做成的食品易糊湯和斷條,不耐煮;而朝新谷8號(hào)則相反,耐煮且不易溶出。

表1 6種小米淀粉的溶解度和膨脹度Table 1 Solubility and swelling of starch from six millet varieties

2.2 小米淀粉的凍融穩(wěn)定性分析

小米淀粉的凍融穩(wěn)定性結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 6種小米淀粉的析水率Fig.1 The freeze-thawing stability of starch from six millet varieties

凍融穩(wěn)定性反映了淀粉糊在經(jīng)過(guò)冷凍-解凍后脫水、收縮情況,主要通過(guò)析水率來(lái)確定,析水率越高,凍融穩(wěn)定性越差[17]。由圖1可知,隨著凍融次數(shù)的增加,6種淀粉糊的析水率也逐漸升高,直至到第8次的凍融時(shí),析水率增加緩慢,趨于平穩(wěn)狀態(tài)。其中朝新谷8號(hào)的析水率最高為59.60%,析水率較低的是噸谷1號(hào)為40.71%。據(jù)報(bào)道,天然淀粉顆粒中的直鏈淀粉和支鏈淀粉分子的松散締合是造成高析水率的原因[18]。淀粉中直鏈淀粉含量高與較小的支鏈淀粉分子，會(huì)使淀粉糊在冷卻的過(guò)程中回生速度更快,凍融穩(wěn)定性更差[19]。析水率的大小可以用來(lái)衡量淀粉凍融穩(wěn)定性的好壞，并且和淀粉能否用于制作冷凍食品有著重要聯(lián)系。以上所述說(shuō)明，朝新谷8號(hào)淀粉凍融穩(wěn)定性均比較差,在解凍后容易析水,從而使淀粉品質(zhì)變差。凍融穩(wěn)定性好的淀粉,可以用于冷凍食品的制作。試驗(yàn)結(jié)果表明,小米淀粉析水率大于 40%,因此,凍融穩(wěn)定性均較差,不宜加工成冷凍食品或作為添加劑添加到產(chǎn)品中。

2.3 小米淀粉的凝沉性分析

小米淀粉的凝沉性結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 6種小米淀粉的凝沉性Fig.2 Condensability of starch from six millet varieties

小米淀粉的凝沉性結(jié)果如圖2所示,隨著靜置時(shí)間的延長(zhǎng),小米淀粉糊析出的上清液體積均逐漸增加,48 h后基本達(dá)到穩(wěn)定,為6.34%～18.0%。朝新谷8號(hào)淀粉糊凝沉率最快,62 h后其上清液體積分?jǐn)?shù)為18%;噸谷1號(hào)和貢米淀粉糊的凝沉速率較慢,88 h后,其上清液體積均小于10%。貢米和噸谷1號(hào)的凝沉速率較緩慢,其穩(wěn)定性最好。參試小米淀粉糊凝沉速度差異顯著,可能與不同品種淀粉內(nèi)直鏈/支鏈淀粉的比例和結(jié)構(gòu)以及粒度有關(guān)[20]。張國(guó)權(quán)等[21]報(bào)道稱(chēng)，直鏈淀粉分子間會(huì)發(fā)生相互結(jié)合形成大的顆?；蚴鵂罱Y(jié)構(gòu),當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，便發(fā)生沉降,直鏈淀粉含量越高,淀粉的凝沉性也越大。結(jié)合2.1結(jié)果可知,本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其結(jié)論相似。該試驗(yàn)表明，噸谷1號(hào)和貢米淀粉穩(wěn)定性顯著優(yōu)于朝新谷8號(hào)淀粉,這一特性有利于小米淀粉食品的加工。

2.4 小米淀粉的透明度分析

小米淀粉的透明度結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 6種小米淀粉糊不同儲(chǔ)藏時(shí)間內(nèi)的透明度(%)Table 2 Transparency of six millet starch pastes with different storage times

透明度是淀粉糊表現(xiàn)出的一個(gè)非常重要的外在特征,反映了淀粉與水互溶的能力及膨脹程度,關(guān)系到淀粉產(chǎn)品的外觀(guān)和用途,還影響產(chǎn)品的可接受性[22],好的透光率對(duì)食品的色澤和質(zhì)地是有利的。由表2可知,在72 h時(shí),參試小米淀粉品種不同,淀粉糊的透明度存在一定差異(p<0.05),但并不都顯著;其中噸谷1號(hào)的透明度最高,朝新谷8號(hào)的透明度明顯低于其他品種。從表中還可以看出，6種小米淀粉糊的透明度隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)而下降,下降趨勢(shì)逐漸減緩并趨于穩(wěn)定。并且不同品種谷子淀粉的透光率也存在顯著差異(p<0.05)。影響淀粉糊透明度的因素很多,在沒(méi)有外因的情況下,主要取決于淀粉的來(lái)源和種類(lèi)。淀粉種類(lèi)不同,淀粉粒的大小及疏松程度不同,造成了糊化后淀粉粒的溶脹分散程度上的差異;粒徑較長(zhǎng)的淀粉顆粒較易吸水膨脹,糊化后所形成的糊液透明度較高[23]。淀粉糊化后分子會(huì)進(jìn)行重新排列,而直鏈淀粉較支鏈淀粉更易發(fā)生相互締合,從而減弱光的透射,導(dǎo)致較低的透明度[24]。也有據(jù)報(bào)道,儲(chǔ)存期間淀粉的濁度升高(透明度降低)是由于多種因素造成的,例如顆粒溶脹,顆粒殘留物,浸出的直鏈淀粉和支鏈淀粉,直鏈淀粉和支鏈淀粉鏈長(zhǎng)度,分子內(nèi)或分子間鍵合,脂質(zhì)和交聯(lián)取代[25]。本實(shí)驗(yàn)中直鏈淀粉含量高的朝新谷8號(hào)的透明度較低,在食品加工中易影響食品的感官。

2.5 小米淀粉特性之間的相關(guān)性分析

小米淀粉特性之間的相關(guān)性分析見(jiàn)表3。

表3 淀粉性質(zhì)與直/支鏈淀粉及支直比之間的相關(guān)性分析Table 3 Analysis of correlation between starch properties and amylose/amylopectin and amylopectin to amylose ratio

由表3可知,溶解度、膨脹度、透明度與直鏈淀粉含量呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.422、-0.396和-0.791**;但析水率和上清液體積(凝沉性)與直鏈淀粉含量呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.904**和0.952**。孫翠霞等[3]研究結(jié)果表明，溶解度與膨潤(rùn)力呈極顯著正相關(guān),溶解度、膨潤(rùn)力皆與直鏈淀粉含量呈顯著負(fù)相關(guān)。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其相似,但是與其凝沉性與直鏈淀粉含量呈負(fù)相關(guān)的觀(guān)點(diǎn)不一致。如大金苗的直鏈淀粉含量較高為17.64%±0.04%,但其溶解度和膨脹度均較低分別為8.70%和14.79%。由于析水率越高,凍融穩(wěn)定性越差,所以本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與李玲伊[26]等研究的凍融穩(wěn)定性與直鏈淀粉呈負(fù)相關(guān)相一致。如朝新谷8號(hào)的直鏈淀粉含量最高為19.72%±0.11%,其析水率最高為59.60%,所以其凍融穩(wěn)定性最差。鄭學(xué)玲等[27]發(fā)現(xiàn)，直鏈淀粉分子互相纏繞,形成交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)和凝膠束,減弱了光的穿透百分率,導(dǎo)致淀粉糊的透明度下降到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值。噸谷1號(hào)的直鏈淀粉含量較低為14.56%±0.32%,但其透明度最高為3.58%±0.23%。

溶解度、膨脹度、析水率和上清液體積與支鏈淀粉含量呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.626**、0.507*、0.234和0.149。Tester等[28]研究結(jié)果表明，膨脹力是由支鏈淀粉含量和顆粒分布,直/支比等決定的。Kawaljit等[29]研究發(fā)現(xiàn),隨支鏈淀粉含量升高,膨潤(rùn)力及溶解度都呈增大趨勢(shì)。如噸谷1號(hào)的支鏈淀粉含量最高,其溶解度和膨脹度也最高分別為10.36%±0.06%和18.24%±0.27%。

溶解度、膨脹度和透明度與淀粉的支直比呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.652**、0.599**和0.767**;而析水率和上清液體積與淀粉的支直比而呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.806**和0.863**。如噸谷1號(hào)的支直比最高3.85±0.00,其溶解度、膨脹度和透明度也最高分別為10.36%±0.06%、18.24%±0.27%和3.58±0.23。而其析水率和上清液體積也較低,分別為42.72%和6.33%。淀粉的溶解度、膨脹度和透明度分別與析水率和上清液體積呈負(fù)相關(guān),而它們之間相互呈正相關(guān)。析水率和上清液體積之間呈正相關(guān)。此結(jié)果與申瑞玲等[30]的研究結(jié)果相似。此結(jié)果說(shuō)明，小米淀粉的直鏈淀粉和支鏈淀粉含量以及支直比影響著淀粉的性質(zhì)。直鏈淀粉含量的高低不僅影響淀粉的性質(zhì),也是影響食用品質(zhì)的重要因素[31]。淀粉性質(zhì)之間也是相互影響,相互作用的。

3 結(jié)論

黑龍江省小米主栽品種的淀粉溶解度和膨脹度、凍融穩(wěn)定性、凝沉性和透明度等各項(xiàng)指標(biāo)在品種間存在著差異。溶解度、膨脹度、透明度與直鏈淀粉含量呈負(fù)相關(guān);析水率和上清液體積(凝沉性)而與直鏈淀粉含量呈正相關(guān),即與凍融穩(wěn)定性呈負(fù)相關(guān)。溶解度、膨脹度、析水率和上清液體積與支鏈淀粉含量呈正相關(guān)。溶解度、膨脹度和透明度與淀粉的支直比呈正相關(guān);與析水率和上清液體積呈負(fù)相關(guān)。淀粉的溶解度、膨脹度和透明度分別與析水率和上清液體積呈負(fù)相關(guān),而它們之間相互呈正相關(guān)。析水率和上清液體積之間呈正相關(guān)。因此,小米淀粉的各功能特性之間以及各功能性質(zhì)與直鏈淀粉、支鏈淀粉、和支直比之間存在著相互作用的聯(lián)系。綜上所述,通過(guò)對(duì)黑龍江小米淀粉性質(zhì)的分析可以對(duì)小米品種進(jìn)行分類(lèi),有利于為工業(yè)生產(chǎn)找到合適的原料,并為高質(zhì)量小米品種的選育提供參考,促進(jìn)我省小米培育及小米淀粉深加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。