黑龍江省主栽小米淀粉特性分析

張卓敏,張洪微,左豫虎,高玉榮,崔素萍

(黑龍江八一農墾大學食品學院,黑龍江大慶 163319)

小米,俗稱谷子,古老的谷類作物。因其營養豐富,富含糖類、脂肪及蛋白質,并且其含量比例與推薦膳食供給量(RDA)推薦的營養素攝入標準相似[1],而備受發達國家和發展中國家的廣泛關注。

小米的主要成分是淀粉,含量為63%～70%左右,因此，淀粉的理化特性對食品加工與品質具有重要的影響。但目前，國內外對小米淀粉的研究主要集中在小米淀粉谷子淀粉提取方法和部分性質研究。Fujita等[2]對53個小米品種的淀粉研究發現,其46個品種的直鏈淀粉質量分數為20%～27.1%,并分析了小米淀粉的直鏈淀粉含量、淀粉-碘復合物的最大吸收波長、碘藍值以及它們之間的相關性。孫翠霞等[3]采用 1% SDS(十二烷基硫酸鈉)法提取小米淀粉,對其部分淀粉性質進行了相關性分析,發現溶解度、膨潤力、凝沉體積皆與直鏈淀粉含量呈顯著負相關。冷雪等[4]利用差示掃描量熱法對小米淀粉的糊化特性進行了研究,分析了不同添加物和生產條件(NaCl添加量、蔗糖添加量、pH等)對淀粉特性的影響,即添加NaCl的小米淀粉的糊化溫度比添加蔗糖的糊化溫度高。酸性條件抑制小米淀粉的糊化作用,堿的存在則促進體系糊化。Mi-Ja Lee等[5]研究了小米的糊化特性和質構特性與正常含量直鏈淀粉和低含量直鏈淀粉之間的相關性,低直鏈淀粉的硬度、粘附性、內聚性、膠著性和咀嚼性以及回升值,最終粘度,糊化溫度與正常含量直鏈淀粉相比要低。

黑龍江省是我國綠色農產品生產基地,且是小米的主產區之一,雖然張敏等[6]對黑龍江小米的化學組分、物理特性和加工品質等指標進行測定,但有關黑龍江省主栽小米品種淀粉的功能性質未見報道。若能充分了解不同產區小米淀粉的功能性質,則可為小米的加工提供理論和技術支持。本研究擬以黑龍江6種小米主栽品種為材料,研究 6 種小米淀粉的功能特性,以期為小米的加工提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紅谷子、大金苗、張雜谷、朝新谷8號、噸谷1號、貢米 采集于2016年,黑龍省龍江縣農業局;鹽酸、氫氧化鈉、亞硫酸鈉、酚酞、十二烷基苯磺酸鈉等試劑 均為分析純。

U-2910紫外可見分光光度計 天美(中國)科學儀器有限公司;AL204型分析天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;DK-S24型電熱恒溫水浴鍋 上海森信實驗儀器有限公司;TD5A-WS型臺式低速離心機 湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司;JJ-1型電動攪拌器 江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司;MJ-10A型磨粉機 上海市浦恒信息科技有限公司;DGG-9053A鼓風干燥箱 上海森信實驗儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 小米全粉的制備 將6種不同品種小米洗凈,45 ℃下烘干至恒重,后用粉碎機粉碎,過100目篩子,備用。

1.2.2 小米淀粉的提取 小米淀粉采用堿提取法提取,參照參考文獻[7]。用質量分數為0.03% NaOH溶液浸泡6種小米粉,料液比1∶4 (mg∶mL),在35 ℃下,攪拌4.5 h,然后與質量分數1.00%的十二烷基苯磺酸鈉溶液和質量分數0.2%的亞硫酸鈉的混合液(1∶9體積比)混合,小米粉與混合液的比例為1∶5 (mg∶mL),再次攪拌提取30 min。將提取液靜置沉淀36 h,棄去上層渾濁液,用蒸餾水反復更換浸泡溶液,直至上清液澄清。棄去上清液，繼續添加適量蒸餾水攪拌0.5 h后,常溫下4000 r/min離心15 min,棄去暗色的表層和底層淀粉,收集白色淀粉并多次用蒸餾水清洗,直至用1%酚酞檢查上清液不再顯示粉紅色。在45 ℃下,干燥24 h,研磨并過 100 目篩備用。

1.2.3 小米淀粉溶解度與膨脹度的測定 小米淀粉溶解度與膨脹度的測定見參考文獻[8]。分別取1 g淀粉樣品配制成50 mL質量分數為2%的淀粉乳,在95 ℃的水浴中加熱攪拌15 min,快速冷卻,4000 r/min離心15 min,分離上清液。在100 ℃的鼓風干燥箱內烘干至衡重,稱重即為可溶性淀粉的質量,下層為膨脹淀粉部分,溶解度和膨脹度的計算方法見式(1)、式(2)。

式(1)

膨脹度(g/g)=膨脹淀粉重/[淀粉樣品干重(g)×(100-溶解度)]×100

式(2)

1.2.4 小米淀粉凍融穩定性的測定 小米淀粉凍融穩定性的測定見參考文獻[9]和[10]。采用冰箱反復凍融法,稱取0.6 g淀粉樣品配制成10 mL的質量分數6%的淀粉乳,在95 ℃的水浴中加熱30 min,并不斷振蕩,加熱后快速冷卻至室溫,再將樣品放入-18 ℃的冰箱中凍藏20 h,然后取出在室溫條件下自然解凍4 h,以4000 r/min的速度離心20 min,棄掉上清液,稱量沉淀物質量,按式(3)計算析水率,以析水率表示凍融性,如此再進行20、40、60、80、100、120、140、160 h凍融處理。

式(3)

式中,m1為離心前淀粉糊質量,m2為離心后下層沉淀質量。

1.2.5 小米淀粉凝沉性的測定 小米淀粉凝沉性的測定見參考文獻[11]。稱取1.5 g小米淀粉，配制質量分數為2%的淀粉乳,在95 ℃的水浴中加熱30 min,并不斷振蕩,加熱后快速冷卻至室溫,放入50 mL具塞量筒中,觀察淀粉糊的分層及界面下降的高度,分別記錄淀粉糊靜置1、2、4、24、40、48、62、74、88 h后上清液體積,上清液體積占淀粉糊總體積的百分比即為凝沉性。

1.2.6 小米淀粉透明度的測定 小米淀粉透明度的測定見參考文獻[12]。分別取0.3 g淀粉樣品，配制成60 mL的質量分數0.5%的淀粉乳,在95 ℃的水浴中加熱30 min,并不斷振蕩,加熱過程中保持淀粉糊的體積不變,加熱后快速冷卻,用分光光度計在620 nm的波長下，分別測定淀粉糊放置 0、1、4、7、18、24、48、72 h后的透光率,以蒸餾水作為參比。

1.3 相關性分析

更加全面了解黑龍江省主栽小米淀粉特性,本實驗將小米淀粉特性間的相關性以及小米淀粉特性與直鏈淀粉、支鏈淀粉含量和直支比的相關性進行分析。進行相關性分析時,凍融穩定性采用儲藏時間為160 h,凝沉性為88 h,透明度為72 h。

1.4 數據處理

所有試驗均設3次重復,取平均值,利用SPSS 12.0 分析系統對數據進行統計分析,用GraphPad Prism 5進行圖表制作。

2 結果與分析

2.1 小米淀粉的溶解度和膨脹度分析

小米淀粉溶解度和膨脹度測定結果見表1。6種小米淀粉的溶解度和膨脹度因品種不同而有所不同。各品種間的溶解度存在一定差異性,噸谷1號的溶解度最高(10.36%±0.06%),而紅谷子的溶解度最低(8.43%±0.17%)。各品種間的膨脹度存在顯著性差異(p<0.05),噸谷1號的膨脹度最高(18.24%±0.27%),膨脹度最低的是紅谷子(14.29%±0.20%)。由結果可以看出,6種小米淀粉的溶解度越高,小米的直鏈淀粉含量越低,與Lawal等[13]報道稱淀粉的溶解度與直鏈淀粉含量密切相關的結論相似。6種小米淀粉的膨脹度越高,小米支鏈淀粉含量越高,此結果與Kawaljit 等[14]研究發現的隨支鏈淀粉含量升高,膨脹度呈增大趨勢的結論相似。溶解度和膨脹度是淀粉加工時重要特性,并且反映淀粉與水間相互作用力的大小,并且與淀粉粒大小、形態、分子量、直鏈/支鏈比例、分支度、支鏈外鏈長度及其它成分如脂類、蛋白質存在有關[15]。較低的膨脹度可能是由于其較高的蛋白質含量,和大量的直鏈淀粉脂質復合物。淀粉的溶解度與膨脹度在一定程度可以評價淀粉鏈與無定型、結晶區域交互作用的大小[16],并且分別反映了淀粉食品在烹煮過程中的膨脹程度和糊湯狀況。本實驗的結果顯示,6個小米品種中噸谷1號淀粉直鏈淀粉含量較高,而支鏈淀粉含量較低,溶解度和膨脹度較高,其在水中經加熱時更容易膨脹、溶出,因此，噸谷1號淀粉做成的食品易糊湯和斷條,不耐煮;而朝新谷8號則相反,耐煮且不易溶出。

表1 6種小米淀粉的溶解度和膨脹度Table 1 Solubility and swelling of starch from six millet varieties

2.2 小米淀粉的凍融穩定性分析

小米淀粉的凍融穩定性結果見圖1。

圖1 6種小米淀粉的析水率Fig.1 The freeze-thawing stability of starch from six millet varieties

凍融穩定性反映了淀粉糊在經過冷凍-解凍后脫水、收縮情況,主要通過析水率來確定,析水率越高,凍融穩定性越差[17]。由圖1可知,隨著凍融次數的增加,6種淀粉糊的析水率也逐漸升高,直至到第8次的凍融時,析水率增加緩慢,趨于平穩狀態。其中朝新谷8號的析水率最高為59.60%,析水率較低的是噸谷1號為40.71%。據報道,天然淀粉顆粒中的直鏈淀粉和支鏈淀粉分子的松散締合是造成高析水率的原因[18]。淀粉中直鏈淀粉含量高與較小的支鏈淀粉分子，會使淀粉糊在冷卻的過程中回生速度更快,凍融穩定性更差[19]。析水率的大小可以用來衡量淀粉凍融穩定性的好壞，并且和淀粉能否用于制作冷凍食品有著重要聯系。以上所述說明，朝新谷8號淀粉凍融穩定性均比較差,在解凍后容易析水,從而使淀粉品質變差。凍融穩定性好的淀粉,可以用于冷凍食品的制作。試驗結果表明,小米淀粉析水率大于 40%,因此,凍融穩定性均較差,不宜加工成冷凍食品或作為添加劑添加到產品中。

2.3 小米淀粉的凝沉性分析

小米淀粉的凝沉性結果見圖2。

圖2 6種小米淀粉的凝沉性Fig.2 Condensability of starch from six millet varieties

小米淀粉的凝沉性結果如圖2所示,隨著靜置時間的延長,小米淀粉糊析出的上清液體積均逐漸增加,48 h后基本達到穩定,為6.34%～18.0%。朝新谷8號淀粉糊凝沉率最快,62 h后其上清液體積分數為18%;噸谷1號和貢米淀粉糊的凝沉速率較慢,88 h后,其上清液體積均小于10%。貢米和噸谷1號的凝沉速率較緩慢,其穩定性最好。參試小米淀粉糊凝沉速度差異顯著,可能與不同品種淀粉內直鏈/支鏈淀粉的比例和結構以及粒度有關[20]。張國權等[21]報道稱，直鏈淀粉分子間會發生相互結合形成大的顆?；蚴鵂罱Y構,當達到一定程度時，便發生沉降,直鏈淀粉含量越高,淀粉的凝沉性也越大。結合2.1結果可知,本實驗結果與其結論相似。該試驗表明，噸谷1號和貢米淀粉穩定性顯著優于朝新谷8號淀粉,這一特性有利于小米淀粉食品的加工。

2.4 小米淀粉的透明度分析

小米淀粉的透明度結果見表2。

表2 6種小米淀粉糊不同儲藏時間內的透明度(%)Table 2 Transparency of six millet starch pastes with different storage times

透明度是淀粉糊表現出的一個非常重要的外在特征,反映了淀粉與水互溶的能力及膨脹程度,關系到淀粉產品的外觀和用途,還影響產品的可接受性[22],好的透光率對食品的色澤和質地是有利的。由表2可知,在72 h時,參試小米淀粉品種不同,淀粉糊的透明度存在一定差異(p<0.05),但并不都顯著;其中噸谷1號的透明度最高,朝新谷8號的透明度明顯低于其他品種。從表中還可以看出，6種小米淀粉糊的透明度隨著放置時間的延長而下降,下降趨勢逐漸減緩并趨于穩定。并且不同品種谷子淀粉的透光率也存在顯著差異(p<0.05)。影響淀粉糊透明度的因素很多,在沒有外因的情況下,主要取決于淀粉的來源和種類。淀粉種類不同,淀粉粒的大小及疏松程度不同,造成了糊化后淀粉粒的溶脹分散程度上的差異;粒徑較長的淀粉顆粒較易吸水膨脹,糊化后所形成的糊液透明度較高[23]。淀粉糊化后分子會進行重新排列,而直鏈淀粉較支鏈淀粉更易發生相互締合,從而減弱光的透射,導致較低的透明度[24]。也有據報道,儲存期間淀粉的濁度升高(透明度降低)是由于多種因素造成的,例如顆粒溶脹,顆粒殘留物,浸出的直鏈淀粉和支鏈淀粉,直鏈淀粉和支鏈淀粉鏈長度,分子內或分子間鍵合,脂質和交聯取代[25]。本實驗中直鏈淀粉含量高的朝新谷8號的透明度較低,在食品加工中易影響食品的感官。

2.5 小米淀粉特性之間的相關性分析

小米淀粉特性之間的相關性分析見表3。

表3 淀粉性質與直/支鏈淀粉及支直比之間的相關性分析Table 3 Analysis of correlation between starch properties and amylose/amylopectin and amylopectin to amylose ratio

由表3可知,溶解度、膨脹度、透明度與直鏈淀粉含量呈負相關,相關系數分別為-0.422、-0.396和-0.791**;但析水率和上清液體積(凝沉性)與直鏈淀粉含量呈正相關,相關系數為0.904**和0.952**。孫翠霞等[3]研究結果表明，溶解度與膨潤力呈極顯著正相關,溶解度、膨潤力皆與直鏈淀粉含量呈顯著負相關。本實驗結果與其相似,但是與其凝沉性與直鏈淀粉含量呈負相關的觀點不一致。如大金苗的直鏈淀粉含量較高為17.64%±0.04%,但其溶解度和膨脹度均較低分別為8.70%和14.79%。由于析水率越高,凍融穩定性越差,所以本實驗結果與李玲伊[26]等研究的凍融穩定性與直鏈淀粉呈負相關相一致。如朝新谷8號的直鏈淀粉含量最高為19.72%±0.11%,其析水率最高為59.60%,所以其凍融穩定性最差。鄭學玲等[27]發現，直鏈淀粉分子互相纏繞,形成交聯的網絡和凝膠束,減弱了光的穿透百分率,導致淀粉糊的透明度下降到一個相對穩定的值。噸谷1號的直鏈淀粉含量較低為14.56%±0.32%,但其透明度最高為3.58%±0.23%。

溶解度、膨脹度、析水率和上清液體積與支鏈淀粉含量呈正相關,相關系數分別為0.626**、0.507*、0.234和0.149。Tester等[28]研究結果表明，膨脹力是由支鏈淀粉含量和顆粒分布,直/支比等決定的。Kawaljit等[29]研究發現,隨支鏈淀粉含量升高,膨潤力及溶解度都呈增大趨勢。如噸谷1號的支鏈淀粉含量最高,其溶解度和膨脹度也最高分別為10.36%±0.06%和18.24%±0.27%。

溶解度、膨脹度和透明度與淀粉的支直比呈正相關,相關系數分別為0.652**、0.599**和0.767**;而析水率和上清液體積與淀粉的支直比而呈負相關,相關系數為-0.806**和0.863**。如噸谷1號的支直比最高3.85±0.00,其溶解度、膨脹度和透明度也最高分別為10.36%±0.06%、18.24%±0.27%和3.58±0.23。而其析水率和上清液體積也較低,分別為42.72%和6.33%。淀粉的溶解度、膨脹度和透明度分別與析水率和上清液體積呈負相關,而它們之間相互呈正相關。析水率和上清液體積之間呈正相關。此結果與申瑞玲等[30]的研究結果相似。此結果說明，小米淀粉的直鏈淀粉和支鏈淀粉含量以及支直比影響著淀粉的性質。直鏈淀粉含量的高低不僅影響淀粉的性質,也是影響食用品質的重要因素[31]。淀粉性質之間也是相互影響,相互作用的。

3 結論

黑龍江省小米主栽品種的淀粉溶解度和膨脹度、凍融穩定性、凝沉性和透明度等各項指標在品種間存在著差異。溶解度、膨脹度、透明度與直鏈淀粉含量呈負相關;析水率和上清液體積(凝沉性)而與直鏈淀粉含量呈正相關,即與凍融穩定性呈負相關。溶解度、膨脹度、析水率和上清液體積與支鏈淀粉含量呈正相關。溶解度、膨脹度和透明度與淀粉的支直比呈正相關;與析水率和上清液體積呈負相關。淀粉的溶解度、膨脹度和透明度分別與析水率和上清液體積呈負相關,而它們之間相互呈正相關。析水率和上清液體積之間呈正相關。因此,小米淀粉的各功能特性之間以及各功能性質與直鏈淀粉、支鏈淀粉、和支直比之間存在著相互作用的聯系。綜上所述,通過對黑龍江小米淀粉性質的分析可以對小米品種進行分類,有利于為工業生產找到合適的原料,并為高質量小米品種的選育提供參考,促進我省小米培育及小米淀粉深加工產業的發展。