四種元麥淀粉粒形態結構與理化性質的比較

閔晶晶 陳昕鈺 王磊磊 吳云飛 余徐潤 李 波, 劉 建 熊 飛

(揚州大學生物科學與技術學院1，揚州 225009)(江蘇沿江地區農業科學研究所2，南通 226541)

元麥即裸大麥，又名青稞，是大麥的一種類型，系禾本科(Gramineae)大麥屬(Hordeum)谷類植物，在食品和非食品工業方面具有較高的開發價值[1]。元麥比普通谷物含有更多的蛋白質、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、調節血糖等生理功能[3]。 2006年美國食品藥品監督管理局(FDA)認定元麥產品可以作為保健食品進行宣傳[4-5]。因此，元麥越來越受到人們的青睞。

元麥胚乳占據了種子的大部分，主要含淀粉和蛋白質，其中淀粉占據了胚乳組織的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應用及加工品質上有很大的影響[7]。元麥淀粉中直鏈淀粉質量分數在0%～45%之間，依據直鏈淀粉在總淀粉中的比例不同，可將元麥淀粉分為3類：蠟質元麥淀粉(<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等方面的加工原料。而淀粉是影響元麥加工品質的關鍵性狀，其直鏈淀粉含量、顆粒大小、膨脹勢和溶解度、相對結晶度、消化特性等理化性質對于其在食品和非食品領域的應用都有特殊用途[9]。在這種背景下，對元麥理化性質等方面的研究顯得越來越重要。目前，對西藏、青海、云南、四川等高寒地區青稞淀粉理化性質報道較多，任欣等[10]研究了藏青320、肚里黃、北青3號、北青6號和昆侖12號5個品種淀粉理化性質，結果表明昆侖12號更適合用于工業化生產。徐菲等[11]定量分析了來自青海、西藏、四川、甘肅、云南5個主產區38個不同粒色青稞品種的營養成分，結果表明，不同品種青稞的營養成分存在顯著差異，其中蛋白質、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5種元麥粉的化學組分含量、溶解度、膨脹勢、糊化特性，以及與面條、面疙瘩品質的相關性，表明通麥6號是更適宜面條加工的元麥品種，通麥8號、東陳元麥在感官評分及煮沸損失率指標上優于其他元麥品種。但國內學者對江蘇地區主要元麥品種的理化性質研究較少，并且研究也不夠深入和詳細，特別缺少對淀粉有序結構、晶體結構、消化特性等理化性質的研究。因此，對江蘇地區廣泛推廣的4種元麥品種(通麥6號、蘇裸麥2號、青元麥、黑元麥)的淀粉形態結構和理化特性的差異進行研究，為元麥淀粉在食品和非食品工業中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

選用黑元麥(HYM)、通麥6號(TM6)、青元麥(QYM) 、蘇裸麥2號(SLM2)4個代表性元麥品種(圖1)，其中黑元麥由鹽城農科所提供，其他3個品種由江蘇沿江地區業科學研究所提供。于2017年10月種植于揚州大學作物栽培重點實驗室實驗棚內，實行常規管理，水肥充足，取其成熟穎果作為實驗材料。

圖1 四種元麥穎果形態(標尺=20 mm)

1.2 儀器與設備

S-4800Ⅱ場發射掃描電鏡，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 實驗方法

1.3.1 淀粉粒的提取

元麥淀粉的提取參考余徐潤等[14]的方法并稍加改進。樣品加0.2%NaOH溶液后充分研碎，經8層紗布過濾，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后于干燥器中保存備用。

1.3.2 淀粉粒的掃描電鏡觀察

取少量淀粉樣品，用300 μL無水乙醇分散淀粉顆粒，吸取少許溶液滴入掃描電鏡樣品臺凹槽中，待乙醇完全揮發后經真空離子濺射鍍金后，于揚州大學測試中心場發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軟件隨機統計圖片中2 000個淀粉粒的粒徑，重復3次。

1.3.4 表觀直鏈淀粉含量的測定

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，質量/體積)在室溫下反應30 min。在波長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，在揚州大學測試中心X-射線衍射儀上從2θ角4°到40°掃描 (步長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圖像分析軟件計算淀粉的相對結晶度，重復3次。相對結晶度=結晶峰面積 /(結晶峰面積+無定型峰面積)× 100 %。

1.3.6 傅里葉變換遠紅外光譜分析(FTIR分析)

取少量干燥淀粉懸浮于超純水中調制成乳狀，吸取少量到傅里葉變換遠紅外光譜儀的衰減全反射模式(ATR)樣品臺上，以超純水為參照掃描背景從波數范圍800～4 000 cm-1進行掃描，得到淀粉的解卷積光譜。統計1 045、1 022、995 cm-1峰的強度，同時計算(1 045/1 022)、(1 022/995) cm-1的比值，重復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分析軟件對無定形淀粉(WDX)和元麥淀粉的13C CP/MAS NMR波譜進行峰擬合，參考Tan等[15]方法計算出無定形峰、結晶峰、V-型單螺旋及雙螺旋的相對含量。

1.3.8 膨脹勢和溶解度的測定

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，棄除上清液后稱質量(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(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4種元麥淀粉進行水解，具體方法及計算參考朱曉威[16]的研究。

2 結果與分析

2.1 元麥淀粉形態觀察、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號和通麥6號顆粒表面比較光滑，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(×1 000)

元麥淀粉都呈現出雙峰的粒度分布，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號的B-型淀粉粒較多，通麥6號和青元麥的A-型淀粉粒較多。A-型和B-型淀粉粒的比例會影響淀粉的理化性質，如淀粉中直鏈淀粉的含量、膨脹勢、溶解度以及相對結晶度等。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就越高[17]。

直鏈淀粉含量是影響元麥加工品質的重要因素之一。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>蘇裸麥2號>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：數據表示為平均值±標準誤。不同小寫字母表示差異顯著(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種淀粉的相對結晶度，4種淀粉的相對結晶度差異顯著，結晶度從大到小依次為黑元麥>青元麥>蘇裸麥2號>通麥6號。黑元麥淀粉的相對結晶度最高。

圖4 元麥淀粉的XRD圖譜和相對結晶度

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間表現出類似的共振峰，其差別主要體現在995、1 022 cm-1和1 045 cm-1處。1 045/1 022 cm-1和1 022/995 cm-1共振峰強度的比值見圖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號的比值最低：蘇裸麥2號的共振峰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比值

2.4 淀粉的13C CP/MAS NMR分析

無定型淀粉和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個明顯的信號強度區域，分別為C1、C4、C2，C3，C5區和C6區域。但它們的主要區別在于C1區域。無定型淀粉在C1區域只有102.9處一個峰，而經過差減法得到的元麥淀粉NMR波譜在C1區域有3個明顯的結晶峰，分別在99.6、100.5、101.5處。

表2所示為4種元麥淀粉無定形峰、結晶峰、V-型單螺旋及雙螺旋的相對含量。從中可以看出青元麥和黑元麥淀粉的結晶峰含量明顯高于通麥6號和蘇裸麥2號淀粉，與XRD測定淀粉的相對結晶度的結果相一致。

圖6 元麥淀粉的13C CP/MAS NMR波譜

表2 元麥淀粉的無定型峰、結晶峰、V-單螺旋和雙螺旋比例

2.5 膨脹勢和溶解度

從圖7可以看出，淀粉的膨脹勢在55～65 ℃之間為緩慢增加的變化趨勢，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，4種元麥的膨脹勢的大小為：青元麥>通麥6號>蘇裸麥2號>黑元麥；溶解度大小：黑元麥>蘇裸麥2號>通麥6號>青元麥。

圖7 元麥淀粉的膨脹勢和溶解度

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間的增加均逐漸增大，最后趨于平緩。在AAG水解過程中，0～12 h元麥淀粉水解程度類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號水解程度最低。在PPA水解過程中，在0～12 h內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內元麥的水解程度快速增高，通麥6號水解程度最高，48 h之后都開始趨于平緩。在HCl水解過程中，元麥淀粉2 d內的水解程度很高且其趨勢類似，在2～8 d內黑元麥和青元麥的水解程度逐漸高于通麥6號和蘇裸麥2號，8 d以后青元麥、通麥6號、蘇裸麥2號水解程度上升較快，黑元麥上升緩慢。綜合3種水解過程可以看出，在HCl和AAG水解過程中，青元麥水解程度最高，這可能與它直鏈淀粉含量較低有關。在PPA 水解過程中，通麥6號水解程度最高，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。

天然淀粉由結晶區和無定形區組成，一般來說，天然淀粉可以分為A-型淀粉，B-型淀粉，C-型淀粉。根據XRD圖譜可得，4種元麥淀粉為典型的A-型晶體結構。青元麥和黑元麥淀粉的結晶峰含量明顯高于通麥6號和蘇裸麥2號淀粉。一般而言，直鏈淀粉含量越少，淀粉的相對結晶度將會增大[18]。本研究中淀粉的相對結晶度與表觀直鏈淀粉含量之間并未存在負相關性，這可能是因為：一是表觀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影響淀粉的相對結晶度的大小[19]。

淀粉表層有序結構的不同對淀粉的酸解性能存在很大的影響，無定型結構的水解程度明顯快于有序結構[20]。4種淀粉都表現出類似的FTIR波譜，但淀粉表層結構有序度存在差異，青元麥淀粉的外部有序結構程度最高，利用FTIR圖譜的分析結果可以深入研究元麥淀粉在加工過程中表層結構的變化。

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，這可能與淀粉的直鏈淀粉含量以及淀粉顆粒結構的制約有關。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，小顆粒淀粉數量較多，可能是導致它的膨脹勢低于其他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用在食品和非食品行業中，而且酸和酶對淀粉的水解作用受多種因素的影響，如晶體結構特征、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種水解過程，青元麥和通麥6號水解程度比較高，更容易被人體消化。

4 結論

江蘇地區4種元麥品種通麥6號、蘇裸麥2號、青元麥、黑元麥淀粉理化性質存在一定差異，故根據其理化的不同特性可應用于不同食品加工和開發。黑元麥和蘇裸麥2號的B-型淀粉粒較多，可作為脂肪代替品用于食品行業，通麥6號和青元麥的A-型淀粉粒較多，可在工業上作為原材料。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，可以加于農產品中，增加持水性，改善品質。青元麥和通麥6號水解程度比較高，易被消化，故可被用來作為化妝品的添加劑和老幼人群的輔食。