谷粒濕熱處理對薏仁米淀粉形態(tài)、結(jié)構(gòu)與熱特性的影響

劉 星，范 楷，司文帥，張其才，饒欽雄，楊俊花，宋衛(wèi)國*

（上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所，上海農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全工程技術(shù)研究中心，上海市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全評價技術(shù)服務(wù)平臺，上海 201403）

薏仁米為一年或多年生禾本科植物薏苡的成熟種仁，主產(chǎn)于亞洲國家，廣泛種植于我國貴州、福建、云南、遼寧、江蘇等省[1]。因富含薏仁油、氨基酸、薏苡素等多種營養(yǎng)功能成分，薏仁米具有抗腫瘤[2]、免疫調(diào)節(jié)[3]、祛濕[4]等藥理作用，被譽為“世界禾本科植物之王”和“生命健康之友”[5]。

為了得到高營養(yǎng)價值和/或更適合生產(chǎn)加工需要的淀粉，通常會對谷物淀粉進(jìn)行改性。濕熱處理作為一種安全、環(huán)保的生產(chǎn)綠色食品的手段，已被廣泛地應(yīng)用于淀粉的改性[6]。但是谷物在實際的加工過程中多以整個谷粒的形態(tài)出現(xiàn)，谷物的其他營養(yǎng)成分對淀粉具有保護(hù)作用，因此對整個谷粒進(jìn)行濕熱處理會使淀粉呈現(xiàn)不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)、熱特性等[7]。目前已有研究主要集中在薏仁米功效成分的提取、鑒定及臨床應(yīng)用上[8-9]，對于薏仁米的營養(yǎng)成分，尤其是其主要組分淀粉（平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)61.39%）的研究較少，且主要集中在某一種薏仁米淀粉提取條件的優(yōu)化[10]、性質(zhì)研究[11-12]及對所得淀粉的化學(xué)改性[13]方面。

市場上常見的薏仁米根據(jù)尺寸和透明度可以分為3 種：大粒薏仁米（big Coix seed，BCS）、小粒薏仁米（small Coix seed，SCS）和半透明薏仁米（translucence Coix seed，TCS）（圖1），本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)3 種薏仁米的淀粉結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)等存在差異[14-15]。因此，本研究將濕熱處理作用于3 種薏仁米整個谷粒，分析對比濕熱處理后分離得到的淀粉形態(tài)、結(jié)構(gòu)及熱特性的變化，以期為薏仁米淀粉的深度開發(fā)與應(yīng)用提供理論依據(jù)。

圖 1 3 種薏仁米的外觀和尺寸Fig. 1 Appearance and size of three kinds of Coix seeds

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

BCS購于遼寧省朝陽市，SCS購于安徽省安慶市，TCS購于貴州省六盤水市。

凱氏定氮催化劑 丹麥FOSS公司；濃硫酸、石油醚、甘油（分析純） 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；直鏈淀粉（A0512，來源于馬鈴薯）、支鏈淀粉（S4126，來源于玉米） 美國Sigma公司。

1.2 儀器與設(shè)備

Soxtec 2050脂肪分析儀、Kjeltec 8200自動凱氏定氮儀 丹麥FOSS公司；MPA傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)T-IR）儀、D8 Advance X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）儀德國Bruker公司；JYL-G11打漿機(jī) 山東九陽股份有限公司；204 F1差示掃描量熱（differential scan calorimeter，DSC）儀 德國Netzsch公司；Eclipse 200顯微鏡 日本Nikon公司；Sirion 200掃描電子顯微鏡美國FEI公司；Mastersizer 2000激光衍射顆粒分析儀英國Malvern公司；FD-1A-50冷凍干燥機(jī) 北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司；CM-230摩爾超純水機(jī) 上海摩勒科學(xué)儀器有限公司；AL204、PL2002分析天平梅特勒-托利多儀器有限公司；HG-12-4B馬弗爐 上海禾工科學(xué)儀器有限公司；DHG-9140A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海精宏實驗設(shè)備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 薏仁米HMT及其淀粉提取

分別將3 種薏仁米（各1 000 g）倒入3 個燒杯中，用適量的去離子水浸泡，使其水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到30%；將容器密封，置于120 ℃烘箱中2 h，冷卻至室溫，用于制作谷粒濕熱處理（heat moisture treatment，HMT）淀粉[16]。

將濕熱處理后的薏仁米和未進(jìn)行處理的薏仁米在室溫下浸沒于適量的去離子水中6 h，加入同體積的去離子水打漿，漿液過200 目篩，剩余固形物用去離子水沖洗3 次。淀粉漿混合液于3 500 r/min離心10 min，倒掉上層液體，去除上層黃色蛋白，下層白色粗淀粉再次懸浮于去離子水中，3 500 r/min離心10 min，重復(fù)此過程至不再有可見的黃色物質(zhì)[17]。收集白色淀粉于-54 ℃至少冷凍干燥12 h，備用。

1.3.2 薏仁米HMT淀粉成分的測定

水分和灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定按照AOAC 945.15《谷物中水分的測定》、AOAC 923.03《面粉中灰分的測定》；蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定按照GB 5009.5—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測定》；粗脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)按照GB 5512—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脂肪的測定》用脂肪分析儀測定；直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定按NY/T 55—1987《水稻、玉米、谷子籽粒直鏈淀粉測定法》。

1.3.3 薏仁米HMT淀粉的粒度測定及形態(tài)觀察

取適量的淀粉樣品在蒸餾水中超聲5 min后，于粒度分析儀中進(jìn)行淀粉粒度測定。儀器參數(shù)為：水和淀粉的折射率分別為1.33和1.52，淀粉的吸光度設(shè)為0.10。粒度分布是通過將顆粒的體積等同于球體來表示的。d（0.1）、d（0.5）和d（0.9）表示粒徑小于等于某一值的百分比分別為10%、50%和90%；d3,2值為表面積平均直徑，d4,3值為體積平均直徑；比表面積（speci fic surface area，SSA）為6/d3,2[18]。

將淀粉用甘油稀釋到合適質(zhì)量濃度，用普通顯微鏡觀察淀粉顆粒的偏光十字形態(tài)，放大倍數(shù)為20 倍。將適量的淀粉均勻地分布在圓形鋁樁的碳涂膜膠帶上并進(jìn)行噴金處理，于5 kV加速電壓下使用掃描電子顯微鏡觀察淀粉顆粒的形態(tài)，放大倍數(shù)分別為5 000 倍和20 000 倍。

1.3.4 薏仁米HMT淀粉結(jié)構(gòu)特征的測定

將淀粉樣品放置于鋁片孔（15 mm×20 mm，厚為1.5 mm）中，壓緊，使用XRD儀進(jìn)行測試。實驗條件為：波長為1.540 6 ?的單色Cu-Kα，管壓40 kV，管流40 mA，衍射角2θ為10°～40°，掃描速率4（°）/min，步長為0.02°。相對結(jié)晶度根據(jù)XRD峰，通過非線性峰擬合來進(jìn)行計算[20]。

FT-IR也被用來表征HMT淀粉的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。實驗采用衰減全反射檢測系統(tǒng)，氘化硫酸三甘肽晶體檢測器，光譜掃描波數(shù)范圍為4 000～6 500 cm-1，掃描次數(shù)16 次，光譜分辨率4 cm-1，掃描數(shù)據(jù)以吸光度形式保存。將淀粉樣品直接散落在晶體探頭處進(jìn)行測定，每個樣品平行實驗3 次，扣除大氣和背景干擾，取其平均光譜作為最終光譜。結(jié)果用Omnic 8.2軟件進(jìn)行歸一化、扣除基線和去卷積。去卷積參數(shù)為：帶寬為30 cm-1，分辨率增強因子為1.5，1 047 cm-1/1 022 cm-1從去卷積光譜中得到[21-22]。

1.3.5 薏仁米HMT淀粉熱特性的測定

將3 g左右的淀粉樣品放入DSC儀的鋁盤內(nèi)，加入11 μL蒸餾水，密封后于室溫放置1 h。樣品加熱程序為：以5 ℃/min的速率從20 ℃升到100 ℃，銦金屬熔融為基準(zhǔn)校正，空鋁盤作為對照，使用儀器自帶軟件計算初始溫度（To）、峰值溫度（Tp）、結(jié)束溫度（Tc）和凝膠熱焓（△H）[19]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)是至少2 次平行實驗的平均值，并用Matlab R2009a軟件進(jìn)行單尾方差分析，P＜0.05表明差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 薏仁米HMT淀粉的成分分析

表 1 薏仁米HMT淀粉和原淀粉的組成成分Table 1 Chemical composition of native and HMT Coix seed starch%

由表1可知，BCS、TCS和SCS原淀粉中的直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.63%、24.12%和0.96%，表明不同品種薏仁米的直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在差異，從而影響薏仁米淀粉的結(jié)構(gòu)、熱特性及與其他組分的關(guān)系。與原淀粉相比，HMT淀粉均含有更多的蛋白質(zhì)，這可能與HMT使得蛋白質(zhì)通過二硫鍵和/或疏水鍵與淀粉形成復(fù)合物有關(guān)[23]；HMT淀粉中的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于原淀粉，且BCS原淀粉和HMT淀粉中的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均最高，分別為14.20%和10.87%，說明BCS淀粉有更強的水結(jié)合力，這種結(jié)合力使得淀粉結(jié)構(gòu)在升溫過程中不容易被破壞，從而在一定程度上影響了淀粉的熱特性[24]；SCS原淀粉和HMT淀粉中灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均最高，但具有最低的脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)，推測不同種薏仁米淀粉所含組分的不同能夠影響其顆粒粒度、結(jié)構(gòu)和熱特性。

2.2 薏仁米HMT淀粉顆粒特征

圖 2 薏仁米HMT淀粉及原淀粉的形態(tài)及偏光十字特征Fig. 2 Morphology and birefringence of native and HMT Coix seed starch

由圖2可見，薏仁米淀粉表面有許多谷物所特有的氣孔，為水、酶等進(jìn)入淀粉顆粒內(nèi)部提供通道；淀粉顆粒多呈卵形、不規(guī)則形、多邊形等。TCS和SCS原淀粉（圖2C1、E1）表面有輕微的破損。HMT后，薏仁米淀粉顆粒（圖2B1、D1、F1）均有破碎顆粒和附著物出現(xiàn)，這些附著物可能是淀粉碎片、脂類和/或淀粉蛋白復(fù)合物。由偏光十字形態(tài)觀察結(jié)果可見，HMT后的淀粉（圖2B3、D3、F3）偏光十字減弱，有些淀粉顆粒的偏光十字已經(jīng)很難辨清，這可能是HMT過程中熱能使淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)的移動性增加，從而導(dǎo)致雙螺旋結(jié)構(gòu)的徑向序列損失[25]。HMT使BCS部分淀粉內(nèi)部破壞（圖2B2），BCS-HMT淀粉顆粒內(nèi)部呈現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)；TCS-HMT、SCS-HMT淀粉中，表面未見到氣孔的顆粒外表破損更嚴(yán)重（圖2 D2、F2），有些顆粒表面呈現(xiàn)凹陷（圖2D1、F1），有氣孔的淀粉出現(xiàn)破裂且表面孔道更大（圖2F2），這樣可能使淀粉有更好的吸附性能[26]。由此可見，HMT使淀粉顆粒的形態(tài)發(fā)生了改變，這些改變可能影響淀粉的結(jié)構(gòu)和其他特性。

表 2 薏仁米HMT淀粉及原淀粉的顆粒粒度特征Table 2 Particle size characteristics of native and HMT Coix seed starch

由表2可知，BCS、TCS和SCS的HMT淀粉較其原淀粉有更小的d4,3值、d（0.9）和SSA，更大的d（0.1）和d3,2值，這與HMT的形態(tài)結(jié)構(gòu)是一致的，即HMT淀粉經(jīng)過濕熱處理后有很多破損顆粒，但同時，濕熱處理使得淀粉與蛋白質(zhì)、脂類等的相互作用更緊密，因此HMT淀粉在掃描電子顯微鏡中顯示出更多的附著物[27]。TCS-HMT淀粉較BCS-HMT和SCS-HMT淀粉有更小的d4,3值、d（0.1）、d（0.5）、d（0.9）和SSA；HMT使BCS淀粉粒徑變化最小，其中d（0.5）處理前后變化不顯著，說明HMT對BCS淀粉顆粒粒度的影響最小，對TCS淀粉影響最大，這也與TCS-HMT淀粉所顯示的偏光十字形態(tài)被破壞最嚴(yán)重相對應(yīng)。

2.3 薏仁米HMT淀粉的結(jié)構(gòu)特征分析

圖 3 薏仁米HMT淀粉及原淀粉的XRD衍射圖Fig. 3 XRD patterns of native and HMT Coix seed starch

由圖3可見，HMT前后3 種淀粉都在2θ 17°和18°附近處有一個強的雙峰，其他主要的峰在15°和23°附近，說明HMT沒有改變薏仁米淀粉的晶型，仍均為谷物的A型淀粉[21]，這一結(jié)果與薏仁米淀粉直接濕熱處理的結(jié)果一致[14]。衍射圖中的峰強度和相對結(jié)晶度分別反映了淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)的強度和支鏈淀粉中微晶體所占的比例[28]。由圖3可知，原淀粉中SCS的淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)強度最大，TCS淀粉次之，且均大于其的HMT淀粉；而HMT后，BCS-HMT淀粉有最強的雙螺旋結(jié)構(gòu)，且BCS-HMT淀粉的峰強度高于BCS原淀粉，這可能是由于水分和熱能使其相鄰雙螺旋結(jié)構(gòu)的相互作用加強、氫鍵數(shù)量增多[29]；而TCS-HMT和SCS-HMT淀粉峰強度下降，可能是HMT作用削弱了淀粉的雙螺旋結(jié)構(gòu)。

表 3 薏仁米HMT淀粉及原淀粉的晶體特征Table 3 Crystallographic characteristics of native and HMT Coix seed starch

由表3可知，薏仁米HMT淀粉的相對結(jié)晶度均低于原淀粉，BCS-HMT、TCS-HMT和SCS-HMT淀粉的相對結(jié)晶度分別下降了3.76%、3.72%和3.92%，說明HMT使支鏈淀粉微晶體受到破壞，但是破壞程度均低于薏仁米淀粉直接進(jìn)行濕熱處理[14]；HMT后BCS-HMT淀粉有最高的相對結(jié)晶度（42.51%）。這一結(jié)構(gòu)的改變會影響薏仁米淀粉的熱特性。

由于淀粉的FT-IR光譜主要對淀粉分子結(jié)構(gòu)的短程序列（即淀粉的鏈構(gòu)象）敏感[30]，淀粉樣品在861 cm-1處有指示C—O—C伸縮和C—H變形的峰存在；在1 077、1 047、1 022、994、928 cm-1附近的峰能反映C—O和C—C鍵的伸縮和C—O—H鍵的變化[31]；1 047 cm-1處的峰高隨結(jié)晶度的增加而升高，1 022 cm-1處峰表示無定形區(qū)內(nèi)分子的振動模式，它的峰高隨結(jié)晶度的增加而降低，所以1 047 cm-1和1 022 cm-1處的峰對于淀粉中結(jié)晶結(jié)構(gòu)和無定形結(jié)構(gòu)敏感，它們的比值可用于反映淀粉分子有序的結(jié)晶區(qū)與無定形區(qū)的相對大小[32]。由圖4可見，薏仁米HMT淀粉和原淀粉的峰位置相似，峰強度存在差異，TCS-HMT淀粉在1 022 cm-1處有最高峰，BCS-HMT淀粉在此處最低；BCS淀粉在1 047 cm-1處有最高峰，TCS淀粉在此處最低，這一現(xiàn)象與表3中各淀粉的相對結(jié)晶度大小相對應(yīng)。由表3可知，只有TCS-HMT淀粉的1 047 cm-1/1 022 cm-1比較原淀粉有輕微的下降，這可能是由于淀粉結(jié)晶區(qū)的雙螺旋結(jié)構(gòu)重新定位和/或一些連接相鄰雙螺旋的氫鍵被破壞[33]，而BCS-HMT和SCS-HMT淀粉的1 047 cm-1/1 022 cm-1較原淀粉有所上升，可能是由于淀粉無定形區(qū)受破壞程度大于結(jié)晶區(qū)。這一結(jié)果與淀粉直接濕熱處理的結(jié)果有些不同，濕熱處理使得3 種淀粉的結(jié)晶區(qū)破壞更嚴(yán)重。結(jié)合XRD結(jié)果，說明FT-IR光譜可為HMT淀粉的結(jié)構(gòu)改變研究提供依據(jù)，也為淀粉的理化修飾提供更多信息。

圖 4 薏仁米HMT淀粉和原淀粉去卷積后的FT-IR圖譜Fig. 4 Deconvoluted FT-IR spectra of native and HMT Coix seed starch

2.4 薏仁米HMT淀粉的熱特性

表 4 薏仁米HMT淀粉和原淀粉的熱特性Table 4 Thermal properties of native and HMT Coix seed starch samples

由表4可知，HMT后，薏仁米淀粉的To、Tp和Tc值均高于原淀粉，這可能是由于HMT使直鏈淀粉-直鏈淀粉、直鏈淀粉-支鏈淀粉和/或支鏈淀粉-支鏈淀粉間相互作用加強，進(jìn)而使淀粉受破壞的無定形區(qū)和微晶體區(qū)重新排列得更有序。Tp值能反映淀粉結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗凝膠化能力[12]，HMT后，BCS-HMT淀粉有最好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，TCS-HMT淀粉的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗凝膠能力較差，這與TCS淀粉含有的高直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)。（Tc-To）值反映了淀粉顆粒內(nèi)微晶體的不均勻性，HMT淀粉較原淀粉有更小的（Tc-To）值，表明HMT作用減弱了淀粉內(nèi)微晶體的異質(zhì)性，且異質(zhì)性程度排序為：BCS-HMT＞SCS-HMT＞TCS-HMT，這可能與BCS-HMT淀粉有最高的相對結(jié)晶度有關(guān)。△H值反映解淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)所需的能量[33]，HMT后，BCS-HMT、TCS-HMT和SCS-HMT淀粉△H值分別下降了3.16%、9.90%和2.57%，較淀粉直接濕熱處理后的△H值降低的少，說明HMT較濕熱處理溫和，這可能與谷物內(nèi)皮及其他營養(yǎng)成分對其的保護(hù)作用有關(guān)；HMT淀粉的△H值下降，說明HMT削弱了淀粉的雙螺旋結(jié)構(gòu)，解螺旋所需的能量下降，其更高的Tp也說明了HMT淀粉中可能有更高比例的短鏈結(jié)構(gòu)，這些短鏈很難形成穩(wěn)定的雙螺旋結(jié)構(gòu)，但使HMT淀粉有相對更穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)[33]，這一現(xiàn)象與XRD和FT-IR圖譜所反映的結(jié)果一致。

3 結(jié) 論

3 種薏仁米經(jīng)過HMT后，部分淀粉顆粒破損、凹陷，表面氣孔增大，利于水分、酶等進(jìn)入，有更強的吸附能力，且可以發(fā)現(xiàn)BCS淀粉內(nèi)部的層狀結(jié)構(gòu)；由于晶體結(jié)構(gòu)的破壞，偏光十字減弱，與蛋白質(zhì)、脂類等作用加強，TCS-HMT淀粉破損最嚴(yán)重；淀粉顆粒的d4,3值減小，d3,2值增大，與淀粉的破損程度一致。由于HMT破壞結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)，淀粉的相對結(jié)晶度較原淀粉減小，但晶型仍為A型；同時，由于水分和熱能可使淀粉相鄰雙螺旋結(jié)構(gòu)重新定位、氫鍵數(shù)量增多或減少，F(xiàn)T-IR圖譜顯示SCS-HMT和BCS-HMT淀粉的無定形區(qū)較結(jié)晶區(qū)破壞更嚴(yán)重，而TCS-HMT淀粉的結(jié)晶區(qū)破壞相對更嚴(yán)重。HMT作用使得淀粉分子有更高比例的短鏈結(jié)構(gòu)，淀粉Tp值升高，但是短鏈很難再形成穩(wěn)定的雙螺旋結(jié)構(gòu)，使得淀粉△H值降低，且含高直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的TCS降低幅度最大，這與其晶體破壞最嚴(yán)重的結(jié)果一致。由于HMT過程中有蛋白質(zhì)、脂類等天然屏障，薏仁米淀粉的形態(tài)、大小、結(jié)構(gòu)、熱特性的改變與淀粉直接濕熱處理相比較變化更小。本研究結(jié)果可為薏仁米在加工過程中的食用品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì)變化的評價提供依據(jù)，也為尋找合適的薏仁米加工方式提供參考。