谷粒濕熱處理對薏仁米淀粉形態、結構與熱特性的影響

劉 星，范 楷，司文帥，張其才，饒欽雄，楊俊花，宋衛國*

（上海市農業科學院農產品質量標準與檢測技術研究所，上海農產品質量安全工程技術研究中心，上海市農產品質量安全評價技術服務平臺，上海 201403）

薏仁米為一年或多年生禾本科植物薏苡的成熟種仁，主產于亞洲國家，廣泛種植于我國貴州、福建、云南、遼寧、江蘇等省[1]。因富含薏仁油、氨基酸、薏苡素等多種營養功能成分，薏仁米具有抗腫瘤[2]、免疫調節[3]、祛濕[4]等藥理作用，被譽為“世界禾本科植物之王”和“生命健康之友”[5]。

為了得到高營養價值和/或更適合生產加工需要的淀粉，通常會對谷物淀粉進行改性。濕熱處理作為一種安全、環保的生產綠色食品的手段，已被廣泛地應用于淀粉的改性[6]。但是谷物在實際的加工過程中多以整個谷粒的形態出現，谷物的其他營養成分對淀粉具有保護作用，因此對整個谷粒進行濕熱處理會使淀粉呈現不同的形態結構、熱特性等[7]。目前已有研究主要集中在薏仁米功效成分的提取、鑒定及臨床應用上[8-9]，對于薏仁米的營養成分，尤其是其主要組分淀粉（平均質量分數61.39%）的研究較少，且主要集中在某一種薏仁米淀粉提取條件的優化[10]、性質研究[11-12]及對所得淀粉的化學改性[13]方面。

市場上常見的薏仁米根據尺寸和透明度可以分為3 種：大粒薏仁米（big Coix seed，BCS）、小粒薏仁米（small Coix seed，SCS）和半透明薏仁米（translucence Coix seed，TCS）（圖1），本課題組前期研究發現3 種薏仁米的淀粉結構、理化性質等存在差異[14-15]。因此，本研究將濕熱處理作用于3 種薏仁米整個谷粒，分析對比濕熱處理后分離得到的淀粉形態、結構及熱特性的變化，以期為薏仁米淀粉的深度開發與應用提供理論依據。

圖 1 3 種薏仁米的外觀和尺寸Fig. 1 Appearance and size of three kinds of Coix seeds

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

BCS購于遼寧省朝陽市，SCS購于安徽省安慶市，TCS購于貴州省六盤水市。

凱氏定氮催化劑 丹麥FOSS公司；濃硫酸、石油醚、甘油（分析純） 國藥集團化學試劑有限公司；直鏈淀粉（A0512，來源于馬鈴薯）、支鏈淀粉（S4126，來源于玉米） 美國Sigma公司。

1.2 儀器與設備

Soxtec 2050脂肪分析儀、Kjeltec 8200自動凱氏定氮儀 丹麥FOSS公司；MPA傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR）儀、D8 Advance X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）儀德國Bruker公司；JYL-G11打漿機 山東九陽股份有限公司；204 F1差示掃描量熱（differential scan calorimeter，DSC）儀 德國Netzsch公司；Eclipse 200顯微鏡 日本Nikon公司；Sirion 200掃描電子顯微鏡美國FEI公司；Mastersizer 2000激光衍射顆粒分析儀英國Malvern公司；FD-1A-50冷凍干燥機 北京博醫康實驗儀器有限公司；CM-230摩爾超純水機 上海摩勒科學儀器有限公司；AL204、PL2002分析天平梅特勒-托利多儀器有限公司；HG-12-4B馬弗爐 上海禾工科學儀器有限公司；DHG-9140A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 薏仁米HMT及其淀粉提取

分別將3 種薏仁米（各1 000 g）倒入3 個燒杯中，用適量的去離子水浸泡，使其水分質量分數達到30%；將容器密封，置于120 ℃烘箱中2 h，冷卻至室溫，用于制作谷粒濕熱處理（heat moisture treatment，HMT）淀粉[16]。

將濕熱處理后的薏仁米和未進行處理的薏仁米在室溫下浸沒于適量的去離子水中6 h，加入同體積的去離子水打漿，漿液過200 目篩，剩余固形物用去離子水沖洗3 次。淀粉漿混合液于3 500 r/min離心10 min，倒掉上層液體，去除上層黃色蛋白，下層白色粗淀粉再次懸浮于去離子水中，3 500 r/min離心10 min，重復此過程至不再有可見的黃色物質[17]。收集白色淀粉于-54 ℃至少冷凍干燥12 h，備用。

1.3.2 薏仁米HMT淀粉成分的測定

水分和灰分質量分數的測定按照AOAC 945.15《谷物中水分的測定》、AOAC 923.03《面粉中灰分的測定》；蛋白質質量分數的測定按照GB 5009.5—2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》；粗脂肪質量分數按照GB 5512—2016《食品安全國家標準 食品中脂肪的測定》用脂肪分析儀測定；直鏈淀粉質量分數的測定按NY/T 55—1987《水稻、玉米、谷子籽粒直鏈淀粉測定法》。

1.3.3 薏仁米HMT淀粉的粒度測定及形態觀察

取適量的淀粉樣品在蒸餾水中超聲5 min后，于粒度分析儀中進行淀粉粒度測定。儀器參數為：水和淀粉的折射率分別為1.33和1.52，淀粉的吸光度設為0.10。粒度分布是通過將顆粒的體積等同于球體來表示的。d（0.1）、d（0.5）和d（0.9）表示粒徑小于等于某一值的百分比分別為10%、50%和90%；d3,2值為表面積平均直徑，d4,3值為體積平均直徑；比表面積（speci fic surface area，SSA）為6/d3,2[18]。

將淀粉用甘油稀釋到合適質量濃度，用普通顯微鏡觀察淀粉顆粒的偏光十字形態，放大倍數為20 倍。將適量的淀粉均勻地分布在圓形鋁樁的碳涂膜膠帶上并進行噴金處理，于5 kV加速電壓下使用掃描電子顯微鏡觀察淀粉顆粒的形態，放大倍數分別為5 000 倍和20 000 倍。

1.3.4 薏仁米HMT淀粉結構特征的測定

將淀粉樣品放置于鋁片孔（15 mm×20 mm，厚為1.5 mm）中，壓緊，使用XRD儀進行測試。實驗條件為：波長為1.540 6 ?的單色Cu-Kα，管壓40 kV，管流40 mA，衍射角2θ為10°～40°，掃描速率4（°）/min，步長為0.02°。相對結晶度根據XRD峰，通過非線性峰擬合來進行計算[20]。

FT-IR也被用來表征HMT淀粉的結構性質。實驗采用衰減全反射檢測系統，氘化硫酸三甘肽晶體檢測器，光譜掃描波數范圍為4 000～6 500 cm-1，掃描次數16 次，光譜分辨率4 cm-1，掃描數據以吸光度形式保存。將淀粉樣品直接散落在晶體探頭處進行測定，每個樣品平行實驗3 次，扣除大氣和背景干擾，取其平均光譜作為最終光譜。結果用Omnic 8.2軟件進行歸一化、扣除基線和去卷積。去卷積參數為：帶寬為30 cm-1，分辨率增強因子為1.5，1 047 cm-1/1 022 cm-1從去卷積光譜中得到[21-22]。

1.3.5 薏仁米HMT淀粉熱特性的測定

將3 g左右的淀粉樣品放入DSC儀的鋁盤內，加入11 μL蒸餾水，密封后于室溫放置1 h。樣品加熱程序為：以5 ℃/min的速率從20 ℃升到100 ℃，銦金屬熔融為基準校正，空鋁盤作為對照，使用儀器自帶軟件計算初始溫度（To）、峰值溫度（Tp）、結束溫度（Tc）和凝膠熱焓（△H）[19]。

1.4 數據統計分析

數據是至少2 次平行實驗的平均值，并用Matlab R2009a軟件進行單尾方差分析，P＜0.05表明差異顯著。

2 結果與分析

2.1 薏仁米HMT淀粉的成分分析

表 1 薏仁米HMT淀粉和原淀粉的組成成分Table 1 Chemical composition of native and HMT Coix seed starch%

由表1可知，BCS、TCS和SCS原淀粉中的直鏈淀粉質量分數分別為0.63%、24.12%和0.96%，表明不同品種薏仁米的直鏈淀粉質量分數存在差異，從而影響薏仁米淀粉的結構、熱特性及與其他組分的關系。與原淀粉相比，HMT淀粉均含有更多的蛋白質，這可能與HMT使得蛋白質通過二硫鍵和/或疏水鍵與淀粉形成復合物有關[23]；HMT淀粉中的水分質量分數均低于原淀粉，且BCS原淀粉和HMT淀粉中的水分質量分數均最高，分別為14.20%和10.87%，說明BCS淀粉有更強的水結合力，這種結合力使得淀粉結構在升溫過程中不容易被破壞，從而在一定程度上影響了淀粉的熱特性[24]；SCS原淀粉和HMT淀粉中灰分質量分數均最高，但具有最低的脂肪質量分數，推測不同種薏仁米淀粉所含組分的不同能夠影響其顆粒粒度、結構和熱特性。

2.2 薏仁米HMT淀粉顆粒特征

圖 2 薏仁米HMT淀粉及原淀粉的形態及偏光十字特征Fig. 2 Morphology and birefringence of native and HMT Coix seed starch

由圖2可見，薏仁米淀粉表面有許多谷物所特有的氣孔，為水、酶等進入淀粉顆粒內部提供通道；淀粉顆粒多呈卵形、不規則形、多邊形等。TCS和SCS原淀粉（圖2C1、E1）表面有輕微的破損。HMT后，薏仁米淀粉顆粒（圖2B1、D1、F1）均有破碎顆粒和附著物出現，這些附著物可能是淀粉碎片、脂類和/或淀粉蛋白復合物。由偏光十字形態觀察結果可見，HMT后的淀粉（圖2B3、D3、F3）偏光十字減弱，有些淀粉顆粒的偏光十字已經很難辨清，這可能是HMT過程中熱能使淀粉雙螺旋結構的移動性增加，從而導致雙螺旋結構的徑向序列損失[25]。HMT使BCS部分淀粉內部破壞（圖2B2），BCS-HMT淀粉顆粒內部呈現層狀結構；TCS-HMT、SCS-HMT淀粉中，表面未見到氣孔的顆粒外表破損更嚴重（圖2 D2、F2），有些顆粒表面呈現凹陷（圖2D1、F1），有氣孔的淀粉出現破裂且表面孔道更大（圖2F2），這樣可能使淀粉有更好的吸附性能[26]。由此可見，HMT使淀粉顆粒的形態發生了改變，這些改變可能影響淀粉的結構和其他特性。

表 2 薏仁米HMT淀粉及原淀粉的顆粒粒度特征Table 2 Particle size characteristics of native and HMT Coix seed starch

由表2可知，BCS、TCS和SCS的HMT淀粉較其原淀粉有更小的d4,3值、d（0.9）和SSA，更大的d（0.1）和d3,2值，這與HMT的形態結構是一致的，即HMT淀粉經過濕熱處理后有很多破損顆粒，但同時，濕熱處理使得淀粉與蛋白質、脂類等的相互作用更緊密，因此HMT淀粉在掃描電子顯微鏡中顯示出更多的附著物[27]。TCS-HMT淀粉較BCS-HMT和SCS-HMT淀粉有更小的d4,3值、d（0.1）、d（0.5）、d（0.9）和SSA；HMT使BCS淀粉粒徑變化最小，其中d（0.5）處理前后變化不顯著，說明HMT對BCS淀粉顆粒粒度的影響最小，對TCS淀粉影響最大，這也與TCS-HMT淀粉所顯示的偏光十字形態被破壞最嚴重相對應。

2.3 薏仁米HMT淀粉的結構特征分析

圖 3 薏仁米HMT淀粉及原淀粉的XRD衍射圖Fig. 3 XRD patterns of native and HMT Coix seed starch

由圖3可見，HMT前后3 種淀粉都在2θ 17°和18°附近處有一個強的雙峰，其他主要的峰在15°和23°附近，說明HMT沒有改變薏仁米淀粉的晶型，仍均為谷物的A型淀粉[21]，這一結果與薏仁米淀粉直接濕熱處理的結果一致[14]。衍射圖中的峰強度和相對結晶度分別反映了淀粉雙螺旋結構的強度和支鏈淀粉中微晶體所占的比例[28]。由圖3可知，原淀粉中SCS的淀粉雙螺旋結構強度最大，TCS淀粉次之，且均大于其的HMT淀粉；而HMT后，BCS-HMT淀粉有最強的雙螺旋結構，且BCS-HMT淀粉的峰強度高于BCS原淀粉，這可能是由于水分和熱能使其相鄰雙螺旋結構的相互作用加強、氫鍵數量增多[29]；而TCS-HMT和SCS-HMT淀粉峰強度下降，可能是HMT作用削弱了淀粉的雙螺旋結構。

表 3 薏仁米HMT淀粉及原淀粉的晶體特征Table 3 Crystallographic characteristics of native and HMT Coix seed starch

由表3可知，薏仁米HMT淀粉的相對結晶度均低于原淀粉，BCS-HMT、TCS-HMT和SCS-HMT淀粉的相對結晶度分別下降了3.76%、3.72%和3.92%，說明HMT使支鏈淀粉微晶體受到破壞，但是破壞程度均低于薏仁米淀粉直接進行濕熱處理[14]；HMT后BCS-HMT淀粉有最高的相對結晶度（42.51%）。這一結構的改變會影響薏仁米淀粉的熱特性。

由于淀粉的FT-IR光譜主要對淀粉分子結構的短程序列（即淀粉的鏈構象）敏感[30]，淀粉樣品在861 cm-1處有指示C—O—C伸縮和C—H變形的峰存在；在1 077、1 047、1 022、994、928 cm-1附近的峰能反映C—O和C—C鍵的伸縮和C—O—H鍵的變化[31]；1 047 cm-1處的峰高隨結晶度的增加而升高，1 022 cm-1處峰表示無定形區內分子的振動模式，它的峰高隨結晶度的增加而降低，所以1 047 cm-1和1 022 cm-1處的峰對于淀粉中結晶結構和無定形結構敏感，它們的比值可用于反映淀粉分子有序的結晶區與無定形區的相對大小[32]。由圖4可見，薏仁米HMT淀粉和原淀粉的峰位置相似，峰強度存在差異，TCS-HMT淀粉在1 022 cm-1處有最高峰，BCS-HMT淀粉在此處最低；BCS淀粉在1 047 cm-1處有最高峰，TCS淀粉在此處最低，這一現象與表3中各淀粉的相對結晶度大小相對應。由表3可知，只有TCS-HMT淀粉的1 047 cm-1/1 022 cm-1比較原淀粉有輕微的下降，這可能是由于淀粉結晶區的雙螺旋結構重新定位和/或一些連接相鄰雙螺旋的氫鍵被破壞[33]，而BCS-HMT和SCS-HMT淀粉的1 047 cm-1/1 022 cm-1較原淀粉有所上升，可能是由于淀粉無定形區受破壞程度大于結晶區。這一結果與淀粉直接濕熱處理的結果有些不同，濕熱處理使得3 種淀粉的結晶區破壞更嚴重。結合XRD結果，說明FT-IR光譜可為HMT淀粉的結構改變研究提供依據，也為淀粉的理化修飾提供更多信息。

圖 4 薏仁米HMT淀粉和原淀粉去卷積后的FT-IR圖譜Fig. 4 Deconvoluted FT-IR spectra of native and HMT Coix seed starch

2.4 薏仁米HMT淀粉的熱特性

表 4 薏仁米HMT淀粉和原淀粉的熱特性Table 4 Thermal properties of native and HMT Coix seed starch samples

由表4可知，HMT后，薏仁米淀粉的To、Tp和Tc值均高于原淀粉，這可能是由于HMT使直鏈淀粉-直鏈淀粉、直鏈淀粉-支鏈淀粉和/或支鏈淀粉-支鏈淀粉間相互作用加強，進而使淀粉受破壞的無定形區和微晶體區重新排列得更有序。Tp值能反映淀粉結構的穩定性和抗凝膠化能力[12]，HMT后，BCS-HMT淀粉有最好的結構穩定性，TCS-HMT淀粉的結構穩定性和抗凝膠能力較差，這與TCS淀粉含有的高直鏈淀粉質量分數有關。（Tc-To）值反映了淀粉顆粒內微晶體的不均勻性，HMT淀粉較原淀粉有更小的（Tc-To）值，表明HMT作用減弱了淀粉內微晶體的異質性，且異質性程度排序為：BCS-HMT＞SCS-HMT＞TCS-HMT，這可能與BCS-HMT淀粉有最高的相對結晶度有關。△H值反映解淀粉雙螺旋結構所需的能量[33]，HMT后，BCS-HMT、TCS-HMT和SCS-HMT淀粉△H值分別下降了3.16%、9.90%和2.57%，較淀粉直接濕熱處理后的△H值降低的少，說明HMT較濕熱處理溫和，這可能與谷物內皮及其他營養成分對其的保護作用有關；HMT淀粉的△H值下降，說明HMT削弱了淀粉的雙螺旋結構，解螺旋所需的能量下降，其更高的Tp也說明了HMT淀粉中可能有更高比例的短鏈結構，這些短鏈很難形成穩定的雙螺旋結構，但使HMT淀粉有相對更穩定的分子結構[33]，這一現象與XRD和FT-IR圖譜所反映的結果一致。

3 結 論

3 種薏仁米經過HMT后，部分淀粉顆粒破損、凹陷，表面氣孔增大，利于水分、酶等進入，有更強的吸附能力，且可以發現BCS淀粉內部的層狀結構；由于晶體結構的破壞，偏光十字減弱，與蛋白質、脂類等作用加強，TCS-HMT淀粉破損最嚴重；淀粉顆粒的d4,3值減小，d3,2值增大，與淀粉的破損程度一致。由于HMT破壞結晶區和無定形區，淀粉的相對結晶度較原淀粉減小，但晶型仍為A型；同時，由于水分和熱能可使淀粉相鄰雙螺旋結構重新定位、氫鍵數量增多或減少，FT-IR圖譜顯示SCS-HMT和BCS-HMT淀粉的無定形區較結晶區破壞更嚴重，而TCS-HMT淀粉的結晶區破壞相對更嚴重。HMT作用使得淀粉分子有更高比例的短鏈結構，淀粉Tp值升高，但是短鏈很難再形成穩定的雙螺旋結構，使得淀粉△H值降低，且含高直鏈淀粉質量分數的TCS降低幅度最大，這與其晶體破壞最嚴重的結果一致。由于HMT過程中有蛋白質、脂類等天然屏障，薏仁米淀粉的形態、大小、結構、熱特性的改變與淀粉直接濕熱處理相比較變化更小。本研究結果可為薏仁米在加工過程中的食用品質、營養品質變化的評價提供依據，也為尋找合適的薏仁米加工方式提供參考。