21 種寧夏大米淀粉分子結(jié)構(gòu)及特性的比較分析

賀捷群， 辛世華， 劉慧燕*， 方海田， 楊小萍

（1. 寧夏大學(xué)食品與葡萄酒學(xué)院/寧夏食品微生物應(yīng)用技術(shù)與安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏銀川 750021； 2. 寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院旅游管理學(xué)院，寧夏銀川 750021）

大米占我國(guó)糧食消費(fèi)的60%以上，是最主要的口糧之一[1-3]。 寧夏稻區(qū)氣候干燥，生產(chǎn)的大米表面光滑，晶瑩剔透，入口黏而不膩，口感極佳，是優(yōu)質(zhì)粳稻最佳生態(tài)產(chǎn)區(qū)[4-5]。 大米的主要成分是淀粉，其占總物質(zhì)的75%，是提取淀粉的主要原料之一[6]。 大米淀粉在所有天然淀粉中，顆粒最小，在水相中有良好的分散性[7]。 同時(shí)，還具有色白、易消化、低過(guò)敏、口感優(yōu)良及糊化凍融穩(wěn)定性等特征[8]。 目前，周林秀等研究表明大米淀粉獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，可用于生產(chǎn)調(diào)味料、冷加工醬汁或面包填餡等，是淀粉工業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)[9]。

大米淀粉品種豐富，不同品種大米淀粉之間組成和結(jié)構(gòu)不同[10-11]。 劉傳菊等研究了大米淀粉的多尺度結(jié)構(gòu)對(duì)其物化特性的影響[12]。 程科等研究表明了不同品種大米淀粉分子結(jié)構(gòu)的差異，其物化特性也存在較大差異[13]。 馬洪文等通過(guò)近紅外光譜技術(shù)對(duì)寧夏200 份育種材料的稻米膠稠度、 堿消值、蛋白質(zhì)含量、直鏈淀粉含量等進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果表明化學(xué)分析結(jié)果與近紅外光譜技術(shù)分析結(jié)果相近[14]。

作者選擇21 個(gè)寧夏大米品種， 通過(guò)X 晶體射線衍射（XRD）和傅里葉紅外光譜（FTIR）測(cè)定大米淀粉分子的晶型結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度和分子有序性，然后通過(guò)快速黏度測(cè)定儀（RVA）對(duì)淀粉的糊化和回生特性進(jìn)行研究，分析不同品種的大米淀粉分子在結(jié)構(gòu)及特性上的差異，為寧夏不同大米品種的分類及精細(xì)加工提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

21 種不同品種的大米淀粉（寧梗28 號(hào)、 寧梗41 號(hào)、寧梗48 號(hào)、寧梗50 號(hào)、寧梗54 號(hào)、寧梗55號(hào)、松遼6 號(hào)、松遼7 號(hào)、花147、花159、寧香、香優(yōu)108、富源4 號(hào)、天降優(yōu)169、稻花香4 號(hào)、水稻3、水稻D10、5 關(guān)19、843、18HJ-24、177J-13）： 均產(chǎn)自寧夏。

1.2 儀器與設(shè)備

JDMZ 100 稻谷出米率檢測(cè)儀： 北京東孚久恒儀器技術(shù)有限公司產(chǎn)品；LTJM-2099 極速冷卻型精米機(jī)：浙江伯利恒儀器設(shè)備有限公司產(chǎn)品；高速萬(wàn)能粉碎機(jī)：天津市泰斯特儀器有限公司產(chǎn)品；XRD-7000 衍射儀：日本島津公司產(chǎn)品；NICOLET 6700 紅外光譜分析儀：Thermo Fisher Scientific 公司產(chǎn)品；快速黏度測(cè)定儀（RVA）：波通瑞華科學(xué)儀器（北京）有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)條件

1.3.1 大米粉的制備稻谷篩出雜質(zhì)后，經(jīng)烘干去除水分，放入到碾米機(jī)內(nèi)。 稻谷因膠輥的擠壓，使谷殼被壓破脫落。 再將初步與稻殼分離出來(lái)的糙米，進(jìn)入到精米機(jī)中，去除表面黃色的麩皮。 采用高速粉碎后，過(guò)100 目篩，得到大米粉。

1.3.2 大米淀粉的提取參考唐雅璐等的方法并修改[15]，稱取100 g 經(jīng)石油醚浸泡脫脂的大米粉于質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2% NaOH 中，8 000 r/min 離心5 min 去除上清液，取沉淀中間層的白淀粉，水洗至中性后于40 ℃烘干，得到大米淀粉。

1.3.3 淀粉顆粒X 射線衍射儀測(cè)定根據(jù)吳麗榮等[16]的方法并加以修改，通過(guò)X 射線衍射儀測(cè)定大米淀粉樣品的晶體結(jié)構(gòu)，樣品于烘箱45 ℃下干燥6 h。 在40 kV 和40 mA 的條件下Cu－Kα 輻射 （ KAlpha1=1. 540 598，K－Alpha2=1. 544 426，K－Alpha2/K－Alpha10.5），發(fā)散狹縫固定為0.38 mm。掃描范圍為4°~40°（2θ）。 用Origin 2021 繪制峰圖，并計(jì)算相對(duì)結(jié)晶度（Xc）。

式中：Xc為相對(duì)結(jié)晶度，%；Ac、Aa分別為X 射線衍射圖上的結(jié)晶區(qū)域和非晶區(qū)域面積。

1.3.4 淀粉顆?？焖兖ざ葍x測(cè)定糊化特性測(cè)定參照GB/T 24852—2010 并修改[17]。 準(zhǔn)確稱取3.0 g樣品，加入25.0 mL 水于樣品筒中并攪拌，使樣品分散。測(cè)試程序如下：在初始溫度為50 ℃時(shí)保持1 min，然后在3.42 min 內(nèi)恒速升溫至95 ℃，3.5 min 后再以恒速在3.48 min 內(nèi)降溫至50 ℃， 并保持2 min。攪拌器在開始10 s 內(nèi)升高轉(zhuǎn)動(dòng)速度至960 r/min后，保持轉(zhuǎn)動(dòng)速度為160 r/min，整個(gè)測(cè)試過(guò)程為13 min。

1.3.5 淀粉顆粒傅里葉紅外光譜儀測(cè)定采用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析21 種大米淀粉的短程有序結(jié)構(gòu)。 將21 種大米淀粉樣品分別與固體KBr 粉末混合，壓成透明小片，用FTIR 分光光度進(jìn)行測(cè)定。 在4 000～500 cm-1的波數(shù)范圍內(nèi)掃描，記錄透射率。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 24.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析， 用Origin 2021 和Design-Expert 8.0.6 軟件進(jìn)行繪圖處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 X 射線衍射分析

當(dāng)X 射線進(jìn)入結(jié)晶內(nèi)發(fā)生散射，呈尖峰衍射峰和彌散衍射峰。 根據(jù)衍射峰的位置，可將淀粉的晶型結(jié)構(gòu)分為A、B 和C 型[18]。不同品種大米淀粉的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度，表現(xiàn)出不同的XRD 圖譜，見圖1。21 種大米淀粉X-射線衍射圖的2θ 分別在15.1°、17.1°、18.1°及23.0°出現(xiàn)尖峰衍射峰，表明這些淀粉是典型的A 型結(jié)構(gòu)，與蔡沙[19]所研究的不同類型大米淀粉均為A 型且在2θ 出現(xiàn)的特征衍射峰呈現(xiàn)一致。 淀粉結(jié)晶度是表征淀粉顆粒結(jié)晶特性的一個(gè)重要參數(shù)，它表明了晶體在淀粉中的比率[20]。不同品種大米淀粉結(jié)晶度存在差異，而結(jié)晶區(qū)域主要分布的是支鏈淀粉[21]。 淀粉的支鏈淀粉分子雙螺旋結(jié)構(gòu)排列較為有序，表現(xiàn)為樣品相對(duì)結(jié)晶度較高[22]。 21 種大米淀粉的結(jié)晶度在29.24%~32.96%，絕大多數(shù)大米淀粉的結(jié)晶度低于32.00 %， 僅有 “寧梗28 號(hào)”“843”“水稻3”“松遼7 號(hào)” 結(jié)晶度高于32.00%，其中“寧梗28 號(hào)”結(jié)晶度最高為32.96%；結(jié)晶度最低是 “稻花香4 號(hào)” 和 “花147”， 僅為29.24%和29.30%。

圖1 不同品種大米淀粉的XRD 圖譜Fig. 1 XRD patterns of different rice starches

2.2 傅里葉紅外光譜分析

紅外光譜對(duì)分子的構(gòu)象和螺旋結(jié)構(gòu)的改變十分敏感，是檢測(cè)高分子物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的重要方法之一[23]。當(dāng)?shù)矸壑谢衔锏拇嬖跁r(shí)，分子振動(dòng)吸收特定波長(zhǎng)的紅外光，從而產(chǎn)生吸收峰[24]。圖2 是不同品種大米淀粉的FT-IR 圖譜。 所有大米淀粉分子均在2 930 cm-1產(chǎn)生吸收峰， 屬于飽和碳上的C—H 伸縮振動(dòng)，基團(tuán)類型為（—CH2—）[25]。 1 157 cm-1附近吸收峰是無(wú)定型區(qū)的結(jié)構(gòu)特征，對(duì)應(yīng)淀粉分子中無(wú)規(guī)則線團(tuán)結(jié)構(gòu)[26]；1 047 cm-1則是結(jié)晶區(qū)的結(jié)構(gòu)特征，對(duì)應(yīng)淀粉分子中有序結(jié)構(gòu)。 所有大米淀粉分子均在1 167 cm-1和1 015 cm-1處分別產(chǎn)生紅外吸收峰， 分別為大米淀粉分子中的無(wú)定型區(qū)和有序結(jié)構(gòu)。 其中，“水稻3”在1 748 cm-1和2 852 cm-1產(chǎn)生紅外吸收，屬于C=O 伸縮和O—H 鍵，其余樣品無(wú)此吸收峰。

2.3 糊化特性分析

圖3為不同品種大米淀粉的RVA 糊化曲線，所有大米淀粉的RVA 曲線呈先上升后下降再上升的變化，但“寧梗41 號(hào)”和“松遼7 號(hào)”在500~600 s時(shí)較其余樣品呈現(xiàn)出上升幅度很大的變化，表現(xiàn)出較高的黏度值。 在800~1 000 s 時(shí)溫度下降，所有大米淀粉黏度開始減小，產(chǎn)生明顯的降落值。 隨著時(shí)間的增加，糊化的大米淀粉又重新排列，形成致密、高度晶化的不溶解性的淀粉分子膠束，發(fā)生回生甚至是老化[27]。 其中，“天降優(yōu)169”降落值較小，回生值較其余品種最低；“寧梗41 號(hào)”和“松遼7 號(hào)”回生值較大（糊化曲線最后產(chǎn)生與谷值黏度相差較大的峰值）。

圖3 不同品種大米淀粉的RVA 糊化曲線Fig. 3 RVA pasting curves of different rice starches

21 種大米淀粉RVA 糊化測(cè)定獲得的峰值黏度、谷值黏度、最終黏度、崩解值和回生值等特征參數(shù)，見表1。 一般來(lái)說(shuō)，峰值黏度反映了淀粉顆粒的膨脹程度或者結(jié)合水的能力， 通常峰值黏度越高，樣品黏滯性越強(qiáng)[28]。其中，淀粉的黏滯性是預(yù)測(cè)大米食用、蒸煮和加工品質(zhì)的重要指標(biāo)[29]。 21 種大米淀粉的峰值黏度范圍在1 793~665 mPa·s，其中“寧梗41 號(hào)”最高，具有較強(qiáng)的黏滯性；“843”最低，表現(xiàn)出較差的黏滯性。 谷值黏度最高為“寧梗41 號(hào)”（948 mPa·s），谷值黏度最低為“843”（482 mPa·s）。 崩解值是指峰值黏度和谷值黏度的差值， 崩解值越大，淀粉熱穩(wěn)定性越低，耐剪切性弱[30]。 其中“寧梗41號(hào)”具有較大的崩解值，表現(xiàn)出較差的熱穩(wěn)定性和耐剪切性；“天降優(yōu)169” 崩解值最低為152 cPa·s，說(shuō)明淀粉結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，與水分子結(jié)合形成親水膠體溶液，有較好的熱穩(wěn)定性和耐剪切性。 回生值是指最終黏度和谷值黏度之間的差值， 回生值越高，樣品冷糊穩(wěn)定性越低，凝膠性越強(qiáng)，越易老化[31]。“寧梗41 號(hào)”“稻花香4 號(hào)”和“寧香”的回生值較高，說(shuō)明這3 個(gè)大米淀粉更易老化， 老化后氫鍵數(shù)量增多，凝膠強(qiáng)度增加。

表1 不同品種大米淀粉RVA 的糊化參數(shù)Table 1 RVA pasting parameters of different rice starches

3 結(jié) 語(yǔ)

21 種不同寧夏稻區(qū)品種的大米淀粉，分子結(jié)構(gòu)相同，均為A 型。 結(jié)晶度差異較大，結(jié)晶度最高是“寧梗28 號(hào)”，最低是“稻花香4 號(hào)”和“花147”。 由紅外光譜分析可知，不同品種的大米淀粉分子均在2 930 cm-1產(chǎn)生吸收峰，其中，“水稻3”在1 748 cm-1和2 852 cm-1產(chǎn)生特征吸收峰， 說(shuō)明不同品種之間分子有序性存在差異。 在糊化曲線分析中，不同品種的大米淀粉RVA 曲線變化相同， 其中“寧梗41號(hào)”黏滯性較強(qiáng)，“843”較差?！疤旖祪?yōu)169”表現(xiàn)出較好的熱穩(wěn)定性和耐剪切性，而“寧梗41 號(hào)”與之相反。 “寧梗41 號(hào)”“稻花香4 號(hào)”“寧香”的回生值較高，適合制備所需凝膠性強(qiáng)的食品。 以上研究結(jié)果可為寧夏不同大米品種的分類及精細(xì)加工提供參考依據(jù)。