基于不同提取方法對(duì)藜麥淀粉性質(zhì)的比較

李敏，張倩芳，栗紅瑜，孟晶巖

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)山西功能食品研究院，特色農(nóng)產(chǎn)品加工山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030031）

藜麥（Chenopodium quinoa）屬覓科藜亞科藜屬，雙子葉植物[1]，距今已有近7000年的歷史，最早發(fā)現(xiàn)于南美洲安第斯山脈。藜麥米的形狀與小米相似，呈扁圓狀，顏色分黑、白、紅3大類(lèi)。20世紀(jì)80年代，藜麥開(kāi)始在我國(guó)種植，近年來(lái)，我國(guó)的藜麥產(chǎn)量不斷增加，特別是甘肅、青海和山西等地[2]。藜麥對(duì)氣候和土壤條件有極高的抗性，由于生長(zhǎng)地區(qū)的海拔和降雨量差異顯著，因此培育出了眾多不同的藜麥品種，部分品種甚至能夠承受海水的鹽度[3]。藜麥營(yíng)養(yǎng)豐富且不含麩質(zhì)，是麩質(zhì)過(guò)敏者理想的膳食選擇。藜麥具有優(yōu)質(zhì)完全蛋白，蛋白含量高于大麥、大米和玉米[4]，與牛肉相當(dāng)，賴(lài)氨酸含量幾乎是小麥和玉米的2倍[5]，膳食纖維、礦物質(zhì)和維生素等比例均衡，是一種可以滿(mǎn)足人體基本營(yíng)養(yǎng)需求的單體植物，享有“營(yíng)養(yǎng)黃金”和“超級(jí)谷物”的美譽(yù)[6-8]。藜麥不飽和脂肪酸占脂肪總量83%以上，脂肪酸種類(lèi)多且配比平衡，含有人體無(wú)法合成的亞油酸（ω-6）和α-亞麻酸（ω-3），其含量分別可以達(dá)到48.2%～56.0%和3.8%～8.3%[9-10]，有維持細(xì)胞膜流動(dòng)性和提高機(jī)體記憶力等功效。

藜麥淀粉含量低于水稻和玉米[11]，主要分布在外胚乳中，以單獨(dú)或球形聚合物形式存在，其晶體特性、溶解性、膨脹能力和凍融穩(wěn)定性等理化特性對(duì)藜麥相關(guān)食品的加工至關(guān)重要。研究開(kāi)發(fā)實(shí)用、高效的藜麥淀粉提取方法，對(duì)于提高藜麥的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)藜麥淀粉的研究主要集中于分離、提取、純化、特性研究及物化改性等方面[12-14]，本研究采用水磨法、堿法及酶法工藝提取藜麥淀粉，并對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)地對(duì)比分析，分析不同工藝來(lái)源的淀粉性質(zhì)差異，為藜麥淀粉的實(shí)際應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

藜麥：靜樂(lè)田園生態(tài)農(nóng)業(yè)綜合開(kāi)發(fā)有限公司；蛋白酶（200 000 U/g）：北京索萊寶科技有限公司；碘、碘化鉀、無(wú)水乙醇、氫氧化鈉（均為分析純）：天津化工有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

HK-8603KW五谷雜糧磨粉機(jī)：鄭州旭眾機(jī)械設(shè)備有限公司；JS31-300多功能攪拌機(jī)：浙江紹興蘇泊爾電器有限公司；TG1850-WS離心機(jī)：上海盧湘儀離心機(jī)儀器有限公司；Whiteness Checker NW-1色差儀：日本電色工業(yè)株式會(huì)社；T6新世紀(jì)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)：北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；DGH-9140A鼓風(fēng)干燥箱：上海一恒科學(xué)儀器有限公司；BCD-238S電冰箱：青島海爾股份有限公司；HH數(shù)顯恒溫水浴鍋：江蘇金壇市金城國(guó)勝實(shí)驗(yàn)儀器廠(chǎng)；JSM-7001F場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡：日本電子株式會(huì)社（JEOL）；D8 ADVANCE A25型X-射線(xiàn)粉末衍射儀：德國(guó)布魯克AXS GmbH公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 淀粉化學(xué)成分測(cè)定

水分：參照GB 5509.3—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測(cè)定》中直接干燥法進(jìn)行測(cè)定。

蛋白質(zhì)：參照GB 5009.5—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》中凱氏定氮法進(jìn)行測(cè)定。

灰分：參照GB 5009.4—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中灰分的測(cè)定》中方法進(jìn)行測(cè)定。

脂肪：參照GB 5009.6—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中脂肪的測(cè)定》中索氏抽提法進(jìn)行測(cè)定。

淀粉：參照GB 5009.9—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中淀粉的測(cè)定》中酸水解法進(jìn)行測(cè)定。

1.3.2 提取工藝流程

1.3.2.1 水磨法

藜麥→浸泡 5 h→磨漿[料水比 1∶5（g/mL）]→120 目篩過(guò)濾得濾液→離心→去雜→反復(fù)清洗離心3次→低溫烘干→水磨法提取的藜麥淀粉（quinoa starch extracted by water grinding，WQS）

1.3.2.2 堿法

藜麥→粉碎過(guò)篩→堿液浸泡5h[料水比1∶5（g/mL）、NaOH濃度0.2%]→120目篩過(guò)濾得濾液→離心→去雜→反復(fù)清洗離心3次→低溫烘干→堿法提取的藜麥淀粉（quinoa starch extracted by alkali soaking，AQS）

1.3.2.3 酶法

藜麥→粉碎過(guò)篩→加蛋白酶酶解[料水比1∶5（g/mL）、加酶量0.5%、酶解時(shí)間30 min、溫度45℃]→120目篩過(guò)濾得濾液→離心→去雜→反復(fù)清洗離心3次→低溫烘干→酶法提取的藜麥淀粉（quinoa starch extracted by enzymolysis method，EQS）

1.3.3 凝沉性測(cè)定

分別準(zhǔn)確稱(chēng)取3種淀粉各1 g，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的淀粉乳，沸水浴20 min，其間不斷攪拌，糊化結(jié)束后冷卻至室溫25℃，將3種淀粉糊分別轉(zhuǎn)入25 mL帶刻度的試管中，于室溫（25℃）下靜置，以淀粉糊上層清液析出率表示淀粉的凝沉性，上層清液析出率計(jì)算公式如下。

1.3.4 溶解度及膨脹度的測(cè)定

參照LI等[15]的方法，分別稱(chēng)取3種淀粉配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2%的淀粉乳，在 60、65、70、75、80、85、90 ℃的水浴鍋中，用玻璃棒不斷攪拌加熱30 min后將淀粉乳離心，分別稱(chēng)取沉淀和上清液中干物質(zhì)的質(zhì)量，根據(jù)以下公式計(jì)算溶解度及膨脹度。

1.3.5 透光度測(cè)定

將3種淀粉分別配制成1%的淀粉乳，在沸水中加熱30min成淀粉糊，其間不斷攪拌，冷卻至室溫25℃后，以蒸餾水做空白，在波長(zhǎng)為650 nm處測(cè)定其透光度，之后將淀粉糊置于4℃冰箱冷藏，每隔24 h測(cè)定一次透光度。

1.3.6 白度的測(cè)定

參照張正茂等[16]的方法，采用色差儀測(cè)量，以白板為參照標(biāo)準(zhǔn)，得出 L（明暗度）、a（紅綠色）、b（黃藍(lán)色）值，并按如下公式計(jì)算白度W。

1.3.7 淀粉-碘復(fù)合物可見(jiàn)光譜分析

分別準(zhǔn)確稱(chēng)取3種淀粉各1 g，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的淀粉乳；再分別取3種淀粉乳各2.5 mL，加80 mL蒸餾水加熱糊化，冷卻至室溫25℃后加入0.5 mL碘液顯色，定容至100 mL，充分搖勻后備用。利用分光光度計(jì)在波長(zhǎng)420 nm～800 nm對(duì)待測(cè)溶液進(jìn)行掃描，即得淀粉-碘復(fù)合物的可見(jiàn)光譜。

1.3.8 凍融穩(wěn)定性的測(cè)定

將3種淀粉分別配制成5%的淀粉乳，于95℃水浴加熱30 min得淀粉糊，不斷攪拌后分裝到離心管中，經(jīng)快速冷卻后，將淀粉糊在-20℃條件下冷凍，每隔24 h取出，在30℃水浴條件下解凍2 h，離心棄上清液，稱(chēng)取沉淀物質(zhì)量，按以下公式計(jì)算析水率。

1.3.9 外貌形態(tài)觀(guān)察

分別取0.2 g淀粉樣品于100 mL燒杯中，加入20 mL無(wú)水乙醇進(jìn)行超聲波分散，超聲功率為100 W，時(shí)間為1 min，用滴管吸取少量超聲波處理過(guò)的樣品分別滴于電鏡硅片上，待乙醇揮發(fā)后將承載硅片的平皿放于50℃烘箱內(nèi)烘干，得到分散度較好的掃描電鏡樣品，對(duì)電鏡樣品噴金處理，利用掃描電子顯微鏡放大到適當(dāng)倍數(shù)觀(guān)察淀粉顆粒形態(tài)。

1.3.10 晶體特性測(cè)定

利用D8 ADVANCE A25型X-射線(xiàn)粉末衍射儀檢測(cè)，測(cè)定條件為電壓 40 kV，電流 200 mA，衍射角（2θ）的旋轉(zhuǎn)范圍為 5 °～40 °，步長(zhǎng) 0.02 °。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 9軟件作圖，SPSS 24.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 藜麥淀粉化學(xué)成分

3種提取方法得到的藜麥淀粉化學(xué)成分如表1所示。

表1 藜麥淀粉化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of quinoa starch %

由表1可知，提取方法對(duì)藜麥淀粉的提取率影響顯著，AQS提取率最高，為88.76%，WQS提取率最低，為67.89%。3種淀粉干基純度都達(dá)到了98%以上。不同提取方法提取出的淀粉之間水分、灰分含量差異不顯著，脂肪含量差異顯著（P＜0.05）。因堿性溶液會(huì)破壞蛋白質(zhì)分子中的氫鍵，使一部分蛋白質(zhì)分子溶解在堿溶液中，提高蛋白質(zhì)和淀粉的分離效果，所以AQS中蛋白質(zhì)含量最低，為 0.46%，與 WQS、EQS差異顯著（P＜0.05）。

2.2 凝沉性

提取方法對(duì)藜麥淀粉凝沉性的影響見(jiàn)圖1。

圖1 不同提取方法對(duì)藜麥淀粉凝沉性的影響Fig.1 Effects of different extraction methods on starch settability of quinoa

由圖1可知，提取方法對(duì)藜麥淀粉凝沉性的影響差異較大，3種方法提取的淀粉隨著時(shí)間的延長(zhǎng)上清液析出率都逐漸增大。WQS在靜置6 h～48 h，上清液析出率迅速增大，淀粉糊沉降較快，60 h時(shí)上清液析出率達(dá)到23.73%，AQS和EQS靜置48 h后，上清液析出率幾乎不再增加，靜置60 h時(shí)，上清液析出率分別達(dá)到11.63%、4.43%。凝沉是與糊化相反的一種現(xiàn)象，淀粉在一定水分環(huán)境中加熱糊化形成淀粉糊，在低溫環(huán)境中靜置一段時(shí)間后，淀粉分子自動(dòng)重排，葡萄糖分子間的羥基不斷締合，分子集聚形成致密的淀粉微晶束，從而沉淀析出[17]，析出水分越多，凝沉性越差。在實(shí)際應(yīng)用中，淀粉類(lèi)食品的凝沉可能是淀粉凝沉、蛋白質(zhì)交聯(lián)及水分遷移共同作用的結(jié)果[18]，試驗(yàn)結(jié)果得出，EQS凝沉性最佳，AQS次之，WQS最差。

2.3 溶解度及膨脹度

提取方法對(duì)藜麥淀粉膨脹度和溶解度的影響見(jiàn)圖2。

圖2 不同提取方法對(duì)藜麥淀粉溶解度及膨脹度的影響Fig.2 Effects of different extraction methods on starch solubility and expansion degree of quinoa

由圖2可知，3種方法提取的藜麥淀粉膨脹度與溶解度隨溫度升高均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，與焦夢(mèng)悅[19]的研究一致。溶解度結(jié)果顯示，在60℃～70℃，溶解度快速增大，70℃之后增勢(shì)不明顯，WQS、AQS在60℃～70℃溶解度不超過(guò)3%，90℃時(shí)分別達(dá)到3.54%、3.82%；EQS溶解度明顯高于前兩者，70℃時(shí)已超過(guò)5%，90℃時(shí)達(dá)到5.95%，溫度對(duì)EQS溶解度的影響相對(duì)于WQS與AQS更明顯。

膨脹度可以反映淀粉分子與水的結(jié)合力，隨著溫度升高，水的勢(shì)能增大，首先進(jìn)入淀粉非結(jié)晶區(qū)域，淀粉在一定程度內(nèi)膨脹，溫度繼續(xù)升高，水分子可進(jìn)入淀粉結(jié)晶區(qū)，與淀粉分子結(jié)合，體積繼續(xù)快速膨脹，形成凝膠狀，達(dá)到較高的膨脹度。從膨脹曲線(xiàn)可以看出，藜麥淀粉屬于限制性膨脹淀粉，隨溫度的升高分為初期膨脹期和迅速膨脹期。在70℃時(shí)上升趨勢(shì)出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，60℃升高到90℃時(shí)，WQS膨脹度從7.77%增長(zhǎng)到13.39%，該結(jié)果與JAN等[20]的研究結(jié)果（12.53%）接近，AQS初始階段膨脹度較低為4.27%，溫度大于80℃時(shí)，與WQS接近，90℃時(shí)增長(zhǎng)到13.30%，EQS膨脹度較前兩者低，從3.82%增長(zhǎng)到10.90%。綜上所述，藜麥淀粉溶解度對(duì)比為EQS＞AQS＞W(wǎng)QS，膨脹度對(duì)比為 WQS＞AQS＞EQS。

2.4 透光度

透光度是研究淀粉外在特征的重要指標(biāo)。淀粉乳吸熱糊化過(guò)程中，微晶體吸水解體，分子間締合作用減弱，有序的分子結(jié)構(gòu)變成無(wú)序排列，光線(xiàn)從糊化淀粉乳中穿過(guò)，晶體的散射與反射現(xiàn)象消失，光的透過(guò)性增大，體現(xiàn)為淀粉糊的透光度增大。隨著放置時(shí)間的增加，糊化淀粉分子重新排列，發(fā)生老化，透光度減弱。透光度對(duì)比如圖3所示。

圖3 不同提取方法對(duì)藜麥淀粉透光度的影響Fig.3 Effects of different extraction methods on starch transmittance of quinoa

由圖3可知，3種提取方法得到的藜麥淀粉在放置一段時(shí)間后透光度都明顯減弱，且在放置24 h后，減弱趨勢(shì)漸緩，WQS＞AQS＞EQS，EQS 透光度低于 AQS和WQS，與孔露等[21]、翟婭菲等[22]的研究結(jié)果接近，分析其原因可能是酶解過(guò)程中產(chǎn)生了有色素的小分子物質(zhì)，附著在淀粉上影響了淀粉透光度。

2.5 白度

提取方法對(duì)藜麥淀粉白度的影響見(jiàn)圖4。

圖4 不同提取方法對(duì)藜麥淀粉白度的影響Fig.4 Effects of different extraction methods on starch whiteness of quinoa

由圖4可知，3種方法提取的藜麥淀粉白度都達(dá)到85以上，均符合GB 31637—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食用淀粉》感官要求。AQS最高，為88.65，EQS白度略低，在酶解過(guò)程中有深色的酶解物吸附在藜麥淀粉分子上，常規(guī)的清洗沒(méi)有完全使其脫離下來(lái)，導(dǎo)致酶法得到的藜麥淀粉白度偏低[23]。

2.6 淀粉-碘復(fù)合物可見(jiàn)光譜分析

提取方法對(duì)藜麥淀粉-碘復(fù)合物可見(jiàn)光譜的影響見(jiàn)圖5。

圖5 不同提取方法對(duì)藜麥淀粉淀粉-碘復(fù)合物吸光度的影響Fig.5 Effects of different extraction methods on starch-iodine visible light absorption of quinoa starch

淀粉-碘復(fù)合物的吸光度可以反映淀粉直鏈淀粉的含量，碘藍(lán)值較大者直鏈淀粉含量較高[24]。由圖5可以看出，3種方法提取的藜麥淀粉-碘復(fù)合物可見(jiàn)光譜圖類(lèi)似于正態(tài)分布曲線(xiàn)，形狀非常相似，3條曲線(xiàn)都有最高點(diǎn)且都出現(xiàn)在620 nm處，說(shuō)明藜麥淀粉的紫外可見(jiàn)光最大吸收波長(zhǎng)在620 nm左右，提取方法對(duì)藜麥淀粉-碘復(fù)合物吸光度的影響差異不大，陳子月等[24]對(duì)不同工藝提取的大米淀粉-碘復(fù)合物的光譜圖分析也得出了相似的結(jié)論。

2.7 凍融穩(wěn)定性

提取方法對(duì)藜麥淀粉凍融穩(wěn)定性的影響見(jiàn)表2。

表2 不同提取方法對(duì)藜麥淀粉凍融穩(wěn)定性的影響Table 2 Effects of different extraction methods on freeze-thaw stability of quinoa starch

凍融穩(wěn)定性是考察淀粉是否適用于冷凍食品的重要指標(biāo)，淀粉糊在反復(fù)凍結(jié)和融化之后析出的水分越少，說(shuō)明凍融穩(wěn)定性越好，反之，直鏈淀粉與支鏈淀粉分子聚集發(fā)生脫水縮合，淀粉膠體結(jié)構(gòu)被破壞，水分析出，會(huì)影響食品質(zhì)構(gòu)與貨架期。淀粉的顆粒大小也會(huì)影響凍融穩(wěn)定性，WQS受到的機(jī)械損傷較小，淀粉破損程度低，淀粉顆粒較大，而藜麥在干法制粉過(guò)程中會(huì)使破損淀粉比例增大，因此AQS和EQS析水率較接近，可能與原料加工方式有關(guān)。由表2可知，3種方法提取的藜麥淀粉析水率均不超過(guò)50%，EQS最低，為32.55%，WQS最高，為42.04%，資料顯示馬鈴薯、綠豆、藕粉和小麥淀粉析水率均高于50%[25]，所以藜麥淀粉更適合冷凍食品的開(kāi)發(fā)，此結(jié)果與于躍等[26]、LI等[27]的研究結(jié)論一致。

2.8 掃描電鏡結(jié)果

利用掃描電鏡觀(guān)察3種藜麥淀粉顆粒的表面形態(tài)特征，結(jié)果如圖6所示。

圖6 藜麥淀粉掃描電子顯微鏡圖Fig.6 Scanning electron microscope of quinoa starch

由圖6可知，藜麥淀粉顆粒形狀為不規(guī)則的多邊形，WQS與EQS的表面較為光滑，無(wú)明顯孔洞，AQS有少量明顯的刻蝕孔洞，說(shuō)明堿法提取工藝對(duì)藜麥淀粉有一定程度破壞。WQS的顆粒大小較為均勻，粒徑范圍為 1.21 μm～1.97 μm，而 AQS、EQS 中存在少量小顆粒淀粉，分析其原因可能是在樣品制備時(shí)，通過(guò)磨粉機(jī)干法研磨，破壞了淀粉原本的形態(tài)，出現(xiàn)少量破損淀粉，兩者粒徑范圍較大，為 0.75 μm～1.89 μm。通過(guò)掃描電鏡圖分析，提取方法對(duì)藜麥淀粉的表觀(guān)形態(tài)存在一定的影響。

2.9 藜麥淀粉的晶體特性

對(duì)3種淀粉的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如圖7所示。

圖7 藜麥淀粉X-射線(xiàn)衍射圖Fig.7 X-ray diffraction spectrogram of quinoa starch

由圖 7 可知，3 種淀粉在 15°、17°、18°和 23°附近均有強(qiáng)的衍射峰，其中17°和18°附近的衍射峰為相連的雙峰，證明藜麥淀粉的晶體結(jié)構(gòu)是A-型[28]，峰值出現(xiàn)的位置相同，說(shuō)明提取方法未對(duì)藜麥淀粉的晶體結(jié)構(gòu)造成明顯改變。經(jīng)計(jì)算得出WQS、AQS、EQS的結(jié)晶度分別為38.32%、39.18%、37.53%，三者數(shù)值雖有區(qū)別但相近，說(shuō)明提取方法對(duì)淀粉結(jié)晶層的結(jié)晶區(qū)和半結(jié)晶層的無(wú)定形區(qū)有微弱影響。

3 結(jié)論

本研究采用水磨法、堿法及酶法工藝提取藜麥淀粉，并對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行對(duì)比分析，得出不同方法提取的淀粉理化性質(zhì)存在差異。3種方法的提取率分別為67.89%、88.76%、81.53%。提取方法對(duì)藜麥淀粉凝沉性差異影響較大，3種淀粉的溶解度與膨脹度隨溫度變化規(guī)律不一。藜麥淀粉糊透光度較其他谷物低，提取方法對(duì)淀粉-碘復(fù)合物可見(jiàn)光吸光度影響差異不大，三者的光譜圖形狀類(lèi)似，白度都達(dá)到85以上。藜麥淀粉的凍融穩(wěn)定性較好，可用于冷凍食品開(kāi)發(fā)，經(jīng)凍融后，EQS的析水率最低為32.55%。掃描電鏡顯示藜麥淀粉粒徑小于2 μm，堿法提取工藝對(duì)淀粉有一定破壞作用，酶法和堿法提取方法會(huì)增大破損淀粉比例。通過(guò)X-射線(xiàn)衍射圖譜得出藜麥淀粉晶體為A型，結(jié)晶度分別為38.32%、39.18%、37.53%，提取方法未改變淀粉晶型。研究提取方法對(duì)藜麥淀粉性質(zhì)的影響，對(duì)藜麥淀粉及淀粉類(lèi)食品的開(kāi)發(fā)應(yīng)用有積極的促進(jìn)作用，在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)對(duì)淀粉不同理化性質(zhì)的需求選擇相應(yīng)的提取方法制備藜麥淀粉。