四種元麥淀粉粒形態(tài)結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)的比較

閔晶晶 陳昕鈺 王磊磊 吳云飛 余徐潤(rùn) 李 波, 劉 建 熊 飛

(揚(yáng)州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1，揚(yáng)州 225009)(江蘇沿江地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所2，南通 226541)

元麥即裸大麥，又名青稞，是大麥的一種類(lèi)型，系禾本科(Gramineae)大麥屬(Hordeum)谷類(lèi)植物，在食品和非食品工業(yè)方面具有較高的開(kāi)發(fā)價(jià)值[1]。元麥比普通谷物含有更多的蛋白質(zhì)、膳食纖維、維生素和不飽和脂肪酸等[2]，具有良好的健康功效，尤其β-葡聚糖含量為大麥之首，具有清理腸胃、降低膽固醇、調(diào)節(jié)血糖等生理功能[3]。 2006年美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)認(rèn)定元麥產(chǎn)品可以作為保健食品進(jìn)行宣傳[4-5]。因此，元麥越來(lái)越受到人們的青睞。

元麥胚乳占據(jù)了種子的大部分，主要含淀粉和蛋白質(zhì)，其中淀粉占據(jù)了胚乳組織的85%以上[6]，由直鏈淀粉和支鏈淀粉分子組成，兩者的含量在元麥的生產(chǎn)應(yīng)用及加工品質(zhì)上有很大的影響[7]。元麥淀粉中直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0%～45%之間，依據(jù)直鏈淀粉在總淀粉中的比例不同，可將元麥淀粉分為3類(lèi)：蠟質(zhì)元麥淀粉(<2%)，普通元麥淀粉(約25%)，高直鏈元麥淀粉(約40%)[8]。

如今，元麥不僅只是糧食作物，在日常生活中逐漸成為食品和工業(yè)等方面的加工原料。而淀粉是影響元麥加工品質(zhì)的關(guān)鍵性狀，其直鏈淀粉含量、顆粒大小、膨脹勢(shì)和溶解度、相對(duì)結(jié)晶度、消化特性等理化性質(zhì)對(duì)于其在食品和非食品領(lǐng)域的應(yīng)用都有特殊用途[9]。在這種背景下，對(duì)元麥理化性質(zhì)等方面的研究顯得越來(lái)越重要。目前，對(duì)西藏、青海、云南、四川等高寒地區(qū)青稞淀粉理化性質(zhì)報(bào)道較多，任欣等[10]研究了藏青320、肚里黃、北青3號(hào)、北青6號(hào)和昆侖12號(hào)5個(gè)品種淀粉理化性質(zhì)，結(jié)果表明昆侖12號(hào)更適合用于工業(yè)化生產(chǎn)。徐菲等[11]定量分析了來(lái)自青海、西藏、四川、甘肅、云南5個(gè)主產(chǎn)區(qū)38個(gè)不同粒色青稞品種的營(yíng)養(yǎng)成分，結(jié)果表明，不同品種青稞的營(yíng)養(yǎng)成分存在顯著差異，其中蛋白質(zhì)、脂肪、纖維和灰分含量差異較大。宋居易等[12，13]分析了江蘇地區(qū)5種元麥粉的化學(xué)組分含量、溶解度、膨脹勢(shì)、糊化特性，以及與面條、面疙瘩品質(zhì)的相關(guān)性，表明通麥6號(hào)是更適宜面條加工的元麥品種，通麥8號(hào)、東陳元麥在感官評(píng)分及煮沸損失率指標(biāo)上優(yōu)于其他元麥品種。但國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)江蘇地區(qū)主要元麥品種的理化性質(zhì)研究較少，并且研究也不夠深入和詳細(xì)，特別缺少對(duì)淀粉有序結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、消化特性等理化性質(zhì)的研究。因此，對(duì)江蘇地區(qū)廣泛推廣的4種元麥品種(通麥6號(hào)、蘇裸麥2號(hào)、青元麥、黑元麥)的淀粉形態(tài)結(jié)構(gòu)和理化特性的差異進(jìn)行研究，為元麥淀粉在食品和非食品工業(yè)中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

選用黑元麥(HYM)、通麥6號(hào)(TM6)、青元麥(QYM) 、蘇裸麥2號(hào)(SLM2)4個(gè)代表性元麥品種(圖1)，其中黑元麥由鹽城農(nóng)科所提供，其他3個(gè)品種由江蘇沿江地區(qū)業(yè)科學(xué)研究所提供。于2017年10月種植于揚(yáng)州大學(xué)作物栽培重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)棚內(nèi)，實(shí)行常規(guī)管理，水肥充足，取其成熟穎果作為實(shí)驗(yàn)材料。

圖1 四種元麥穎果形態(tài)(標(biāo)尺=20 mm)

1.2 儀器與設(shè)備

S-4800Ⅱ場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，D8 Advance多晶X射線衍射儀，AVANCE III 400MHz WB固體核磁共振波譜儀，Cary 610/670顯微紅外光譜儀。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 淀粉粒的提取

元麥淀粉的提取參考余徐潤(rùn)等[14]的方法并稍加改進(jìn)。樣品加0.2%NaOH溶液后充分研碎，經(jīng)8層紗布過(guò)濾，濾液6 000 ×g 離心5 min后傾倒上清液，再加0.2%NaOH溶液高速振蕩20 min，6 000 ×g 離心5 min后傾倒上清液并刮除淀粉表層的有色層。重復(fù)多次直到上清液澄清后收集管底淀粉，在40 ℃烘箱干燥72 h后于干燥器中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 淀粉粒的掃描電鏡觀察

取少量淀粉樣品，用300 μL無(wú)水乙醇分散淀粉顆粒，吸取少許溶液滴入掃描電鏡樣品臺(tái)凹槽中，待乙醇完全揮發(fā)后經(jīng)真空離子濺射鍍金后，于揚(yáng)州大學(xué)測(cè)試中心場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡下觀察并拍照。

1.3.3 淀粉粒的粒度分析

用200 μL超純水懸浮少量干燥淀粉于2 mL離心管中，充分振蕩均勻，取少量懸浮液于載玻片上，加蓋玻片，在偏光顯微鏡下觀察拍照。用Image-Pro-Plus軟件隨機(jī)統(tǒng)計(jì)圖片中2 000個(gè)淀粉粒的粒徑，重復(fù)3次。

1.3.4 表觀直鏈淀粉含量的測(cè)定

用20 μL的95%的酒精懸浮10 mg淀粉，加入1 mL 1 moL/L NaOH的溶液，再用水稀釋10倍。用0.1 moL/L的HCl稀釋到最終溶液溶度為0.25 mg/mL。吸取0.1 mL溶液，并加入1.8 mL的水和0.1 mL的KI/I2溶液(2%KI+0.2%I2，質(zhì)量/體積)在室溫下反應(yīng)30 min。在波長(zhǎng)510 nm和620 nm下讀取吸光度值，直鏈淀粉含量=(A620-A510+0.054 2)/0.399 5×100%，重復(fù)3次。

1.3.5 X-射線衍射分析

取適量干燥的淀粉樣品壓片，在揚(yáng)州大學(xué)測(cè)試中心X-射線衍射儀上從2θ角4°到40°掃描 (步長(zhǎng)0.6 s)，獲得淀粉樣品的XRD波譜。用Origin8.0繪制淀粉XRD圖譜，使用圖像分析軟件Photoshop CS6和Image-Pro Plus圖像分析軟件計(jì)算淀粉的相對(duì)結(jié)晶度，重復(fù)3次。相對(duì)結(jié)晶度=結(jié)晶峰面積 /(結(jié)晶峰面積+無(wú)定型峰面積)× 100 %。

1.3.6 傅里葉變換遠(yuǎn)紅外光譜分析(FTIR分析)

取少量干燥淀粉懸浮于超純水中調(diào)制成乳狀，吸取少量到傅里葉變換遠(yuǎn)紅外光譜儀的衰減全反射模式(ATR)樣品臺(tái)上，以超純水為參照掃描背景從波數(shù)范圍800～4 000 cm-1進(jìn)行掃描，得到淀粉的解卷積光譜。統(tǒng)計(jì)1 045、1 022、995 cm-1峰的強(qiáng)度，同時(shí)計(jì)算(1 045/1 022)、(1 022/995) cm-1的比值，重復(fù)3次。

1.3.7 13C固體核磁共振波譜(13C CP/MAS NMR)分析

取適量淀粉于固體核磁共振波譜儀分析。利用PeakFit 4.12分析軟件對(duì)無(wú)定形淀粉(WDX)和元麥淀粉的13C CP/MAS NMR波譜進(jìn)行峰擬合，參考Tan等[15]方法計(jì)算出無(wú)定形峰、結(jié)晶峰、V-型單螺旋及雙螺旋的相對(duì)含量。

1.3.8 膨脹勢(shì)和溶解度的測(cè)定

取干燥的元麥淀粉40 mg(m0)溶解于2.5 mL超純水，分別在55、65、75、85、95 ℃下充分水浴振蕩1 h后5 000 × g離心10 min，棄除上清液后稱(chēng)質(zhì)量(m2)，最后在50 ℃烘箱中烘干至恒重(m3)。溶解度=[m0-(m3-m1)]/m0×100 %；膨脹勢(shì)(g/g)=(m2-m1)/(m3-m1)。

1.3.9 淀粉的水解特性

使用豬胰腺α-淀粉酶(PPA：≥10 U/mg)、淀粉葡萄糖苷酶(AAG：≥300 U / mL)和HCl分別對(duì)4種元麥淀粉進(jìn)行水解，具體方法及計(jì)算參考朱曉威[16]的研究。

2 結(jié)果與分析

2.1 元麥淀粉形態(tài)觀察、粒徑分布

元麥淀粉的掃描電鏡照片如圖2所示。青元麥、蘇裸麥2號(hào)和通麥6號(hào)顆粒表面比較光滑，大小比較均勻，極小顆粒淀粉比例比較小。黑元麥顆粒大小不均，極小顆粒淀粉比例較多，差異較大，大顆粒多為圓餅形，小顆粒多為圓球形。

圖2 元麥淀粉粒形態(tài)(×1 000)

元麥淀粉都呈現(xiàn)出雙峰的粒度分布，存在A-型(直徑>10 μm) 大淀粉粒和B-型(直徑<10 μm)小淀粉粒(圖3)。4種淀粉的平均粒徑差異較大，其中黑元麥平均粒徑最小，青元麥最大。此外，黑元麥和蘇裸麥2號(hào)的B-型淀粉粒較多，通麥6號(hào)和青元麥的A-型淀粉粒較多。A-型和B-型淀粉粒的比例會(huì)影響淀粉的理化性質(zhì)，如淀粉中直鏈淀粉的含量、膨脹勢(shì)、溶解度以及相對(duì)結(jié)晶度等。與B-型淀粉粒相比，A-型淀粉粒的含量越高，淀粉的溶解度和膨脹勢(shì)就越高[17]。

直鏈淀粉含量是影響元麥加工品質(zhì)的重要因素之一。由表1可知，4種元麥直鏈淀粉含量由高到低依次為黑元麥>通麥6號(hào)>蘇裸麥2號(hào)>青元麥，其中黑元麥的直鏈淀粉含量顯著高于其他品種。

圖3 元麥淀粉的粒度分布圖

表1 元麥淀粉的粒度和表觀直鏈淀粉含量

注：數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05),余同。

2.2 淀粉的XRD分析

從圖4a中可以看出，4種元麥淀粉的XRD圖譜整體相似，在2θ 角15°、17°、18°和23°附近有較強(qiáng)的衍射峰，其中17°和18°附近的衍射峰為相連的雙峰，在2θ角20°附近有弱的衍射峰，這是A-型晶體淀粉典型的XRD波譜特征。圖4b所示為4種淀粉的相對(duì)結(jié)晶度，4種淀粉的相對(duì)結(jié)晶度差異顯著，結(jié)晶度從大到小依次為黑元麥>青元麥>蘇裸麥2號(hào)>通麥6號(hào)。黑元麥淀粉的相對(duì)結(jié)晶度最高。

圖4 元麥淀粉的XRD圖譜和相對(duì)結(jié)晶度

2.3 ATR-FTIR分析

圖5a為淀粉的ATR-FTIR波譜，可以看出4種元麥淀粉在800～1 200 cm-1間表現(xiàn)出類(lèi)似的共振峰，其差別主要體現(xiàn)在995、1 022 cm-1和1 045 cm-1處。1 045/1 022 cm-1和1 022/995 cm-1共振峰強(qiáng)度的比值見(jiàn)圖5b，4種元麥中，青元麥的共振峰1 045/1 022 cm-1的比值最高，通麥6號(hào)的比值最低：蘇裸麥2號(hào)的共振峰1 022/995 cm-1的比值最高，黑元麥的比值最低。

圖5 元麥淀粉的ATR-FTIR波譜和紅外光譜共振峰的相對(duì)比值

2.4 淀粉的13C CP/MAS NMR分析

無(wú)定型淀粉和4種元麥淀粉的13C CP/MAS NMR波譜分析如圖6所示。從6A中可以看出，元麥淀粉的NMR波譜相似，在δ=120～50之間有4個(gè)明顯的信號(hào)強(qiáng)度區(qū)域，分別為C1、C4、C2，C3，C5區(qū)和C6區(qū)域。但它們的主要區(qū)別在于C1區(qū)域。無(wú)定型淀粉在C1區(qū)域只有102.9處一個(gè)峰，而經(jīng)過(guò)差減法得到的元麥淀粉NMR波譜在C1區(qū)域有3個(gè)明顯的結(jié)晶峰，分別在99.6、100.5、101.5處。

表2所示為4種元麥淀粉無(wú)定形峰、結(jié)晶峰、V-型單螺旋及雙螺旋的相對(duì)含量。從中可以看出青元麥和黑元麥淀粉的結(jié)晶峰含量明顯高于通麥6號(hào)和蘇裸麥2號(hào)淀粉，與XRD測(cè)定淀粉的相對(duì)結(jié)晶度的結(jié)果相一致。

圖6 元麥淀粉的13C CP/MAS NMR波譜

表2 元麥淀粉的無(wú)定型峰、結(jié)晶峰、V-單螺旋和雙螺旋比例

2.5 膨脹勢(shì)和溶解度

從圖7可以看出，淀粉的膨脹勢(shì)在55～65 ℃之間為緩慢增加的變化趨勢(shì)，而在65 ℃之后顯著增加，在85 ℃后趨于平緩。淀粉的溶解度在55～75 ℃之間顯著增加，在85 ℃后趨于平緩。在95 ℃時(shí)，4種元麥的膨脹勢(shì)的大小為：青元麥>通麥6號(hào)>蘇裸麥2號(hào)>黑元麥；溶解度大?。汉谠?蘇裸麥2號(hào)>通麥6號(hào)>青元麥。

圖7 元麥淀粉的膨脹勢(shì)和溶解度

2.6 水解性能

圖8為4種元麥淀粉的AAG、HCl和PPA水解程度圖。淀粉在3種水解條件下的水解程度隨水解時(shí)間的增加均逐漸增大，最后趨于平緩。在AAG水解過(guò)程中，0～12 h元麥淀粉水解程度類(lèi)似且水解程度急劇增加，12 h之后水解程度處于平緩，青元麥的水解程度最高，蘇裸麥2號(hào)水解程度最低。在PPA水解過(guò)程中，在0～12 h內(nèi)元麥的水解程度緩慢增加，黑元麥的水解程度最高，在12～48 h內(nèi)元麥的水解程度快速增高，通麥6號(hào)水解程度最高，48 h之后都開(kāi)始趨于平緩。在HCl水解過(guò)程中，元麥淀粉2 d內(nèi)的水解程度很高且其趨勢(shì)類(lèi)似，在2～8 d內(nèi)黑元麥和青元麥的水解程度逐漸高于通麥6號(hào)和蘇裸麥2號(hào)，8 d以后青元麥、通麥6號(hào)、蘇裸麥2號(hào)水解程度上升較快，黑元麥上升緩慢。綜合3種水解過(guò)程可以看出，在HCl和AAG水解過(guò)程中，青元麥水解程度最高，這可能與它直鏈淀粉含量較低有關(guān)。在PPA 水解過(guò)程中，通麥6號(hào)水解程度最高，青元麥最低。

圖8 元麥淀粉在AAG、PPA和HCl作用下的水解程度

3 討論

4種元麥淀粉粒中形狀多為圓餅形和圓球形，其淀粉粒的粒度分布均為雙峰分布，青元麥的平均粒徑最大，黑元麥的最小。

天然淀粉由結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)組成，一般來(lái)說(shuō)，天然淀粉可以分為A-型淀粉，B-型淀粉，C-型淀粉。根據(jù)XRD圖譜可得，4種元麥淀粉為典型的A-型晶體結(jié)構(gòu)。青元麥和黑元麥淀粉的結(jié)晶峰含量明顯高于通麥6號(hào)和蘇裸麥2號(hào)淀粉。一般而言，直鏈淀粉含量越少，淀粉的相對(duì)結(jié)晶度將會(huì)增大[18]。本研究中淀粉的相對(duì)結(jié)晶度與表觀直鏈淀粉含量之間并未存在負(fù)相關(guān)性，這可能是因?yàn)椋阂皇潜碛^直鏈淀粉含量中還存在部分支鏈淀粉的分支；二是雙螺旋的定位、淀粉晶粒的大小等因素也會(huì)影響淀粉的相對(duì)結(jié)晶度的大小[19]。

淀粉表層有序結(jié)構(gòu)的不同對(duì)淀粉的酸解性能存在很大的影響，無(wú)定型結(jié)構(gòu)的水解程度明顯快于有序結(jié)構(gòu)[20]。4種淀粉都表現(xiàn)出類(lèi)似的FTIR波譜，但淀粉表層結(jié)構(gòu)有序度存在差異，青元麥淀粉的外部有序結(jié)構(gòu)程度最高，利用FTIR圖譜的分析結(jié)果可以深入研究元麥淀粉在加工過(guò)程中表層結(jié)構(gòu)的變化。

淀粉的溶解度是指在一定溫度下，淀粉在水中的溶解程度；膨脹力反映的是淀粉在糊化過(guò)程中的吸水特性以及離心后糊漿的持水能力[21]。它們都反映了淀粉與水之間相互作用的大小。黑元麥具有較高的溶解度，青元麥有較高的膨脹勢(shì)，這可能與淀粉的直鏈淀粉含量以及淀粉顆粒結(jié)構(gòu)的制約有關(guān)。Sodhi等[22]研究表明，直鏈淀粉含量較低的淀粉具有較高的膨脹勢(shì)和較低的溶解度，直鏈淀粉能抑制淀粉顆粒的膨脹。而且小淀粉粒之間堆積緊密，空隙小，吸水膨脹空間阻力大。黑元麥有較高的直鏈淀粉含量，小顆粒淀粉數(shù)量較多，可能是導(dǎo)致它的膨脹勢(shì)低于其他3種淀粉，溶解度高于其他3種淀粉的因素。

酸解淀粉和酶解淀粉被廣泛的應(yīng)用在食品和非食品行業(yè)中，而且酸和酶對(duì)淀粉的水解作用受多種因素的影響，如晶體結(jié)構(gòu)特征、粒度大小、直鏈淀粉與支鏈淀粉的比例、顆粒的完整性等[23]。綜合3種水解過(guò)程，青元麥和通麥6號(hào)水解程度比較高，更容易被人體消化。

4 結(jié)論

江蘇地區(qū)4種元麥品種通麥6號(hào)、蘇裸麥2號(hào)、青元麥、黑元麥淀粉理化性質(zhì)存在一定差異，故根據(jù)其理化的不同特性可應(yīng)用于不同食品加工和開(kāi)發(fā)。黑元麥和蘇裸麥2號(hào)的B-型淀粉粒較多，可作為脂肪代替品用于食品行業(yè)，通麥6號(hào)和青元麥的A-型淀粉粒較多，可在工業(yè)上作為原材料。黑元麥的直鏈淀粉含量最高，直鏈淀粉有更強(qiáng)的耐拉伸力，可以提高食品的脆性，所以黑元麥可以用于食品中增加食品的脆性。青元麥具有更好的吸水特性和持水能力，可以加于農(nóng)產(chǎn)品中，增加持水性，改善品質(zhì)。青元麥和通麥6號(hào)水解程度比較高，易被消化，故可被用來(lái)作為化妝品的添加劑和老幼人群的輔食。