紅纓子高粱淀粉分子結(jié)構(gòu)及糊化特性研究

倪德讓，孔祥禮，孫崇德，葉興乾，林 琳，王和玉，王 莉*

（1.貴州茅臺酒股份有限公司技術(shù)中心，貴州 仁懷 564501；2.浙江大學(xué) 農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310058；3.浙江大學(xué) 生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310058）

高粱是白酒釀造的主要原料，利用高粱作為原料釀造白酒在我國已有700余年的歷史，其品質(zhì)水平直接決定了白酒的酒體質(zhì)量水平，近年來釀酒高粱的專用化水平有了很大的提升，紅纓子高粱是釀造茅臺酒唯一的有機高粱品種，其耐蒸煮的特征十分有利于茅臺酒工藝的多輪次蒸煮發(fā)酵[1-3]。白酒發(fā)酵與谷物淀粉特性有很大的關(guān)系，淀粉的理化特性與發(fā)酵產(chǎn)物的品質(zhì)直接相關(guān)[4]。如我國北方地區(qū)的釀酒企業(yè)多采用粳高粱作為釀酒原料，用于生產(chǎn)清香型白酒，而我國西南地區(qū)生產(chǎn)的醬香和濃香型白酒則多采用糯高粱，醬香型白酒所需的糯高粱還要求粒小皮厚、單寧含量適中、玻璃質(zhì)含量高、耐蒸煮等特點。高粱成分主要包括淀粉（直鏈淀粉、支鏈淀粉）、蛋白質(zhì)、脂肪、單寧等，而其中淀粉含量占比高，是釀酒的主要成分[5]。然而對紅纓子高粱淀粉品質(zhì)的研究卻鮮有報道，本研究以茅臺酒釀造專用高粱紅纓子作為對象，對其淀粉分子結(jié)構(gòu)及糊化特性進行深入分析，以期加深對紅纓子淀粉品質(zhì)的理解，為茅臺酒釀造工藝和過程以及茅臺酒專用原料的品種改良提供理論依據(jù)及指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅纓子高粱籽粒樣品：貴州茅臺酒股份有限公司；氫氧化鈉、醋酸鈉、二甲基亞砜（dimethyl sulfoxide，DMSO）（均為分析純）：國藥集團化學(xué)試劑有限公司；異淀粉酶和普魯蘭酶：愛爾蘭Megazyme公司。

1.2 儀器與設(shè)備

TDZ5-WS離心機：湖南湘儀公司；TM05C試驗用碾米機：日本SATAKE公司；XL-3型掃描電子顯微鏡：荷蘭飛利浦公司；D5005型X射線衍射儀：德國西門子公司；6700型傅立葉變換紅外光譜儀：美國熱電公司；ICS 5000＋離子色譜儀：美國Thermal Fisher公司；Q20差示掃描量熱儀、DHR-1型流變分析儀：美國TA公司；3D型快速黏度儀：澳大利亞Newport公司。

1.3 方法

1.3.1 淀粉提取

高粱籽粒種皮的去除采用試驗用碾米機去皮，獲得白色無種皮高粱籽粒。稱取去皮高粱籽粒樣品按照料液比1∶3（g/g）浸泡于0.25%氫氧化鈉溶液中，用攪拌機打碎后置于4 ℃冰箱24 h。然后用攪拌機打磨樣品并用大量蒸餾水沖洗過38 μm篩子，濾液置于3 000 r/min離心10 min，倒掉上清液，用刮刀去除上層灰色非淀粉層，將淀粉沉淀層重新懸浮于蒸餾水中，加0.1 mol/L鹽酸調(diào)節(jié)pH值至中性，然后離心10 min，倒掉上清液，得淀粉沉淀層后再懸浮于蒸餾水中離心沉淀，此過程重復(fù)2～3次，最后獲得的淀粉沉淀層置于40 ℃烘箱24 h，粉碎過212 μm篩子得紅纓子高粱淀粉粉末，樣品密封于自封袋備用。

1.3.2 紅纓子淀粉顆粒掃描電鏡觀測

淀粉粉末樣品分散均勻置于載物臺，用掃描電子顯微鏡在15 kV加速電壓、100 V工作電壓下放大2 000倍觀測拍照，分析淀粉顆粒表觀形態(tài)。

1.3.3 紅纓子淀粉晶體結(jié)構(gòu)分析

淀粉晶體結(jié)構(gòu)采用X射線衍射儀在室溫條件下分析，采用Cu靶Kα波長為1.54 ?，K衍射角2θ為5～40°，管壓及管流分別為30 kV和30 mA，步長為0.02°，掃描速率為1°/min。結(jié)晶峰的確定采用LOPEZ-RUBIO A等[6]的方法，而淀粉顆粒結(jié)晶度的計算采用HAYAKAWA K等[7]的方法。計算公式如下：

式中：Ac為總的結(jié)晶峰區(qū)域面積，Aa為無定形區(qū)域面積。

1.3.4 紅纓子高粱淀粉傅立葉變換紅外光譜分析

淀粉顆粒表面結(jié)構(gòu)有序性采用傅立葉變換紅外光譜儀分析，測定范圍為波數(shù)400～4 000 cm-1，分辨率為2 cm-1，掃描次數(shù)為16次。

1.3.5 紅纓子支鏈淀粉鏈長分布分析

支鏈淀粉的純化采用KONG X L等[8]的方法，稱取3 mg純化的支鏈淀粉樣品，加入150 μL 90%DMSO溶液中攪拌過夜充分溶解。然后加入0.1 mol/L 100 μL醋酸鈉（pH 5.5）和750 μL去離子水將溶液稀釋，再往溶液中加入酶液（1 μL異淀粉酶和1 μL普魯蘭酶），室溫條件下攪拌過夜。離心后，用孔徑為0.45 μm的過濾頭將溶液過濾，過濾后的樣品用配備脈沖安培檢測器和BioLC梯度泵的離子交換色譜儀進行分析。碳水化合物含量通過脈沖安培檢測信號進行反映，然后通過Thermo ScientificTMDionexTMChromeleonTM6.8色譜數(shù)據(jù)系統(tǒng)軟件進行記錄分析。離子色譜柱帶有保護柱，分析色譜柱規(guī)格為250 mm×4 mm（Carbo-Pac PA100），洗脫梯度采用以前文獻描述的方法[8]。

1.3.6 紅纓子淀粉熱力學(xué)特性分析

稱取2 mg左右（干基）淀粉樣品于鋁坩堝并加入6 μL蒸餾水，用T-Zero壓盤機進行密封，室溫條件下放置2 h使淀粉與水充分接觸。將樣品盤放入差示掃描熱量儀，從30 ℃加熱至110 ℃，加熱速率為10 ℃/min。用DSC 分析軟件得出糊化起始溫度（To）、糊化峰值溫度（Tp）、糊化終止溫度（Tc）和糊化吸收熱焓值（ΔH）。

1.3.7 紅纓子淀粉糊化黏度特性分析

稱取2.58 g干基淀粉樣品，置入快速黏度儀樣品鋁罐中，加蒸餾水至總質(zhì)量達28 g，充分攪拌混勻?？焖兖ざ葍x測定程序如下：50 ℃運行1 min，接著加熱至95 ℃（升溫速度為6 ℃/min），維持5 min，之后冷卻至50 ℃（降溫速度為6 ℃/min），維持2 min，得出淀粉糊化曲線，用黏度儀分析軟件得峰值黏度（peak viscosity，PV）、熱值黏度（hot pasting viscosity，HPV）和冷糊黏度（cold paste viscosity，CPV）、崩解（breakdown，BD）值、消減（setback，SB）值和最高黏度時間（peak time，PT）等參數(shù)。

1.3.8 紅纓子淀粉流變學(xué)特性分析

配制質(zhì)量分數(shù)為10%的紅纓子淀粉溶液，置于快速黏度儀中糊化，糊化結(jié)束將淀粉膠快速轉(zhuǎn)移到流變儀平臺進行流變特性分析。夾具為40 mm平板，樣品厚度為1 mm，升溫過程為25～95 ℃，然后平衡5 min，降溫過程為95～25 ℃，設(shè)置升溫和降溫速率均為1 ℃/min、應(yīng)變?yōu)?%、頻率為6.28 rad/s進行溫度掃描，溫度掃描結(jié)束后，平衡5 min，然后在25 ℃條件下進行頻率掃描，掃描范圍為0.628～125.6 rad/s。通過Trios軟件記錄儲能模量（storage modulus，G'）和損耗模量（loss modulus，G"）。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅纓子高粱淀粉表觀顆粒形態(tài)

通過掃描電鏡觀測淀粉的顆粒形貌，深入了解淀粉顆粒的微觀結(jié)構(gòu)對于淀粉的深加工及淀粉的品種鑒定有著比較重要的意義[9]。由圖1可知，紅纓子高粱淀粉顆粒大小不一，形狀不規(guī)則，有些呈圓球形，表面較為光滑，有些則呈多角形，部分顆粒表面有凹陷或蜂窩狀，大部分淀粉顆粒大小介于5～20 μm。蔣蘭[10]研究了7種南北方品種的高粱，發(fā)現(xiàn)顆粒大小介于10～23 μm之間，且北方品種高粱淀粉顆粒較南方的稍大，其研究的高粱淀粉顆粒范圍較小，可能與高粱品種和淀粉提取方法有關(guān)。田曉紅等[11]則研究了20種高粱的淀粉顆粒形態(tài)，發(fā)現(xiàn)高粱淀粉顆粒粒徑在5～20 μm之間，與本研究中所觀測到的結(jié)果較為一致。

圖1 紅纓子高粱淀粉顆粒形態(tài)Fig.1 Starch granule morphology of Hongyingzi sorghum

2.2 紅纓子淀粉晶體結(jié)構(gòu)特征

紅纓子高粱淀粉X射線衍射圖譜如圖2所示。由圖2可知，紅纓子高粱淀粉在衍射角2θ為15.0°、17.0°、17.8°及22.9°有較強的吸收峰，而在衍射角2θ為19.9°處吸收峰較弱，表明紅纓子高粱淀粉晶體構(gòu)型為A型且直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合體晶體較少，這與紅纓子高粱中直鏈淀粉含量較低有關(guān)。通過圖2的衍射圖譜計算得出，紅纓子高粱淀粉結(jié)晶度為31.0%，較普通白高粱的25.9%高[12]，這可能與支鏈淀粉含量有關(guān)，紅纓子高粱含有較高的支鏈淀粉含量，因而形成較多的雙螺旋結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致結(jié)晶度升高。

圖2 紅纓子高粱淀粉X射線衍射圖譜Fig.2 X-ray diffraction pattern of Hongyingzi sorghum starch

2.3 紅纓子淀粉顆粒表面結(jié)構(gòu)

傅立葉變換紅外光譜儀可以對淀粉顆粒表面2 μm左右的結(jié)構(gòu)有序性進行分析，并可以反映淀粉分子基團的結(jié)構(gòu)特征。淀粉的傅立葉變換紅外光譜特征吸收峰主要有：在波數(shù)3 380 cm-1附近有一個極寬的O－H鍵伸縮振動導(dǎo)致的吸收峰，在波數(shù)2 930 cm-1附近有H－C－H鍵反對稱伸縮振動導(dǎo)致的吸收峰，在波數(shù)1 650 cm-1附近有H－O－H鍵彎曲振動導(dǎo)致的吸收峰，在波數(shù)1 350 cm-1附近有O－C－H鍵、C－C－H鍵和C－O－H鍵彎曲振動導(dǎo)致的吸收峰，在波數(shù)1 150 cm-1附近有C－O和C－C鍵的伸縮振動導(dǎo)致的吸收峰，在波數(shù)1 080 cm-1附近有C－H鍵的彎曲振動導(dǎo)致的吸收峰，在波數(shù)1 018 cm-1附近有C－O鍵的伸縮振動和C－O－H彎曲振動導(dǎo)致的吸收峰[13-14]。其中波數(shù)1 047 cm-1和1 022 cm-1吸收值的比率可以反映淀粉顆粒表面有序性狀況，通過圖3的數(shù)據(jù)計算得紅纓子高粱淀粉顆粒在此波段吸收值的比率為0.943，其數(shù)值明顯高于水稻、蓮藕、紅薯和馬鈴薯的淀粉顆粒在此波段吸收值的比率值[15-16]，表明紅纓子高粱淀粉顆粒表面結(jié)構(gòu)有序性非常高。

圖3 紅纓子高粱淀粉傅立葉變換紅外圖譜Fig.3 Fourier transform infrared spectra of Hongyingzi sorghum starch

2.4 紅纓子支鏈淀粉鏈長分布特征

支鏈淀粉結(jié)構(gòu)分析常用的方法為用脫支酶（異淀粉酶和普魯蘭酶）將支鏈淀粉脫支為短直鏈結(jié)構(gòu)，然后用色譜或毛細管電泳方法測定短直鏈組分含量分布特征。短直鏈的大小用聚合度（degree of polymerization，DP），即分子中脫水葡萄糖苷元的平均數(shù)目表示，并將組成支鏈淀粉的短直鏈按照鏈長分成4種類型，為fa（DP為6～12）、fb1（DP為13～24）、fb2（DP為25～36）和fb3（DP＞36）[17]。紅纓子高粱支鏈淀粉鏈長分布（圖4）按照質(zhì)量百分比如下：fa含量為17.07%，fb1含量為45.83%，fb2含量為15.43%，fb3含量為21.67%。與國外學(xué)者研究的外國品種高粱相比，紅纓子高粱支鏈淀粉含有較高的fb3長鏈組分[18-19]。

圖4 紅纓子高粱支鏈淀粉鏈長分布特征Fig.4 Chain length distribution profile of amylopectin from Hongyingzi sorghum starch

2.5 紅纓子淀粉熱學(xué)特性

淀粉的熱學(xué)特征與其在食品加工及工業(yè)中的應(yīng)用息息相關(guān)，不同品種和不同地區(qū)高粱淀粉熱學(xué)特性有很大的差別。差示掃描量熱儀分析顯示，紅纓子淀粉的糊化起始溫度（To）為70.3 ℃，糊化峰值溫度（Tp）為75.8 ℃，糊化終止溫度（Tc）為82.6 ℃，而糊化吸收熱焓值（ΔH）為17.0 J/g。差示掃描量熱儀測定的糊化溫度反映了淀粉中微晶質(zhì)量的優(yōu)劣程度（有效的雙螺旋長度），而熱焓值反映了淀粉的整體結(jié)晶度和淀粉結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[20]。相比于以前對高粱淀粉糊化溫度的報道，紅纓子淀粉有著較高的糊化溫度和糊化吸收熱焓值[4，20-24]，這也解釋了紅纓子高粱“耐蒸煮、難糊化”的特點。

表1 紅纓子高粱淀粉熱學(xué)特性Table 1 Thermal properties of starch in Hongyingzi sorghum

2.6 紅纓子淀粉糊化黏度特征

淀粉的糊化黏度特性是了解其物理特性和潛在應(yīng)用價值的關(guān)鍵，與直鏈淀粉的含量和支鏈淀粉的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。紅纓子淀粉的糊化峰值黏度（PV）為302 RVU，熱值黏度（HPV）為89 RVU，冷黏度（CPV）為150 RVU，崩解（BD）值、消減（SB）值和最高黏度時間（PT）分別為213 RVU、61 RVU和6.3 min。高崩解值和低回生值是釀酒高粱的重要特征之一[4]，表明紅纓子淀粉糊冷卻形成的凝膠黏度低，不易老化，有利于淀粉在發(fā)酵過程中被充分利用。

2.7 紅纓子淀粉動態(tài)流變學(xué)特性

動態(tài)模量包括儲能模量（G'）和損耗模量（G"）。其中儲能模量表示物質(zhì)在形變過程中儲存的能量，反映物質(zhì)形變后恢復(fù)原狀的能力，儲能模量值越高，恢復(fù)能力越強；損耗模量表示物質(zhì)在形變過程中為了抵抗黏性助力而損失的能量，反映了物質(zhì)抵抗流動的能力，損耗模量值越高，物質(zhì)抵抗流動能力越強。升溫掃描過程中（圖5A），紅纓子淀粉膠的儲能模量和損耗模量均逐漸減小，儲能模量從25 ℃的24.1 Pa下降至95 ℃的12.6 Pa，損耗模量則從25 ℃的6.9 Pa下降至95 ℃的4.0 Pa。降溫掃描過程中（圖5B），紅纓子淀粉膠的儲能模量先從95 ℃的11.9 Pa減小至81 ℃的10.7 Pa，然后逐步上升至25 ℃的16.4 Pa，而損耗模量則從95 ℃的3.9 Pa減小至81℃的3.7 Pa，然后逐步上升至25 ℃的5.7 Pa，說明在低溫條件下，紅纓子淀粉膠表現(xiàn)出更強的彈性特征。紅纓子淀粉膠儲能模量和損耗模量在25 ℃條件下隨頻率變化過程如圖5C所示，隨著頻率增大，儲能模量和損耗模量均增大，說明紅纓子淀粉膠的彈性和黏性都增加，隨著頻率從0.628 rad/s增加至125.6 rad/s，儲能模量從19.9 Pa增加至55.2 Pa，損耗模量則從2.7 Pa大幅增加至25.2 Pa，說明在高頻率條件下，淀粉膠的黏性特征比彈性特征增加更為顯著。

圖5 紅纓子高粱淀粉動態(tài)流變學(xué)特性Fig.5 Dynamic rheological properties of Hongyingzi sorghum starch

3 結(jié)論

紅纓子高粱淀粉顆粒大小介于5～20 μm之間，且大小不一，形狀不規(guī)則，部分顆粒表面有凹陷或呈蜂窩狀。淀粉顆粒晶體結(jié)構(gòu)為A型，結(jié)晶度為31.0%，較普通白高粱高。傅立葉變換紅外光譜分析表明，紅纓子淀粉顆粒表面結(jié)構(gòu)的有序性比其他淀粉高。紅纓子支鏈淀粉含有較高的fb3長鏈組分，較高的結(jié)晶度及fb3長鏈組分導(dǎo)致其較高糊化溫度和糊化吸收熱焓值。快速黏度儀分析表明，紅纓子高粱具備高崩解值和低回生值這一適宜釀酒的重要特征。動態(tài)流變學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，紅纓子淀粉形成的淀粉膠在升溫掃描過程中，其儲能模量和損耗模量均逐漸下降，而在降溫掃描過程中，其儲能模量和損耗模量則先輕微下降，而后則逐步升高，在頻率掃描過程中，紅纓子淀粉膠儲能模量和損耗模量均顯著升高，而損耗模量增加幅度更大，說明在高頻條件下，其黏性特征比彈性特征增加的更為明顯。