不同發芽階段高粱粉理化及功能特性的變化

張俊，胡玲，張三杉，余夢玲，雷激

(西華大學 食品與生物工程學院，四川 成都，610039)

高粱，是世界上產量僅次于稻米、小麥、玉米及大麥的第五大糧食作物[1]。由于高粱具有較強的抗旱能力，隨著人口的不斷上漲和水資源的減少，未來其將成為重要的農作物。高粱可為人體提供多種營養成分，包括蛋白質、淀粉、纖維素和礦物質等；另外，還含有多酚、花青素和植物固醇等功能性成分[2]，可以很好地預防和改善癌癥與心血管疾病，能更好地滿足人們的營養需求。但由于高粱的淀粉分子質量大，口感較差，目前多用作釀酒、制醋和飼料的原料，極少數用于高粱米飯、窩頭和粥等傳統食品[3]。

高粱不含麩質，近年來有不少國外研究者開始用高粱替代小麥粉應用在烘焙食品、面制品等食品中，以滿足麩質過敏人群的需求。但由于高粱中面筋蛋白的缺乏，導致其在加工過程中網狀結構難以形成，制成的面團缺乏黏彈性和柔韌性，在一定程度上限制了高粱粉在食品加工方面的應用。相關研究表明，發芽處理可以改善糙米淀粉的持水性和乳化活性[4]、降低淀粉的回生程度[5]、改善薏米粉的營養和理化特性[6]等。目前，國內對于發芽過程中高粱粉流變特性、熱力學性質、糊化性質以及功能特性的變化還缺乏研究。本實驗主要探討發芽處理對高粱粉流變、熱力學、糊化性質以及持水性和持油性、乳化性、起泡性等理化及功能特性的影響，旨在探索高粱發芽過程中高粱粉性質的變化，以期改善高粱粉理化及功能特性，為高粱在食品加工方面的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

白高粱種子，江蘇省沭陽縣新河鎮(市售)；麥芽糖、可溶性淀粉，北京世紀奧科生物技術有限公司；H2O2、3，5-二硝基水楊酸、酒石酸鉀鈉等試劑均為分析純，成都科隆化學品有限公司。

UV-2600型紫外分光光度計，上海譜元儀器有限公司；MCR 302流變儀，奧地利安東帕(中國)有限公司；DSC 3差示掃描量熱儀，梅特勒-托利多測量設備(上海)有限公司；Nicolet Is 50傅立葉變換紅外光譜儀，上海力晶科學儀器有限公司；FSH-2A均質機，河北慧采科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 發芽高粱的制備

參考易翠平等[7]的高粱發芽實驗：挑選高粱籽粒，確保沒有破損顆粒和其他雜質。將浸泡20 h后的高粱用7.0%(體積分數)的H2O2溶液消毒15 min，再用去離子水反復沖洗。然后將高粱籽粒平鋪于雙層紗布之間，于30 ℃條件下避光發芽0、12、24、36、48、60、72 h，每隔12 h灑水1次，并清洗紗布和高粱籽粒防止發霉。將不同發芽階段的高粱籽粒取出后于40 ℃干燥至水分含量約為13%，粉碎過80目篩，放入4 ℃冰箱冷藏保存、備用。

1.2.2 淀粉酶活力的測定

淀粉酶活力采用李合生等[8]的方法進行測定。淀粉酶活力定義為：40 ℃下每分鐘內麥芽糖增加的毫克數為1個淀粉酶活力單位(U)。

1.2.3 淀粉含量的測定

采用雙波長比色法[9-10]測定直鏈和支鏈淀粉含量，總淀粉含量為兩者之和。

1.2.4 熱力學性質的測定

準確稱取3 mg高粱粉和6 mg去離子水于DSC鋁制坩堝中，加蓋密封，在4 ℃條件下平衡12 h。測試條件：溫度范圍25 ～150 ℃，升溫速率10 ℃/min，以氮氣作保護氣，流速80 mL/min。

1.2.5 糊化特性的測定

測定方法參考董貝貝[11]的方法稍作調整，用蒸餾水配制10%(質量分數，以干基計)的高粱粉懸濁液17.77 g，置于流變儀測量杯中。具體程序設定如表1所示。

表1 測試程序Table 1 Test program

1.2.6 動態流變特性的測定

采用MCR 302流變儀，在頻率為1 Hz，應變掃描范圍為0.001%～10%的條件下對1.2.4制備的高粱粉糊進行振幅掃描檢測其線性黏彈區。根據結果確定應變為1%，固定溫度25 ℃，測定高粱粉糊在0.1～100 rad/s范圍內的動態黏彈性變化[6]。

1.2.7 持水性和持油性的測定

參照ELKHALIFA等[12]的方法，取1 g樣品于40 mL離心管中，加入20 mL水(或油)混合均勻，靜置30 min后以4 000 r/min離心30 min，倒掉水(或油)，稱量此時離心管的重量。持水(油)性計算如公式(1)所示：

(1)

式中：m0為樣品千質量，g；m1為離心管加干樣品質量，g；m2為離心管加沉淀質量，g。

1.2.8 起泡性和泡沫穩定性

參照ELKHALIFA等[12]的方法，在250 mL燒杯中加入2 g高粱粉樣品和100 mL蒸餾水，室溫下攪拌10 min后立即轉入250 mL量筒中，記錄泡沫體積。發泡能力計算如公式(2)所示：

(2)

通過測定1 h后泡沫的體積變化來確定泡沫的穩定性，如公式(3)所示：

(3)

1.2.9 乳化性和乳化穩定性

參照ELKHALIFA等[12]的方法：取2.00 g高粱粉樣品于100 mL離心管中，分別加入20 mL去離子水(4 ℃冷卻)和色拉油，用高速均質機以20 000 r/min分散1 min后，以4 000 r/min離心10 min，記錄乳化層高度。乳化性計算如公式(4)所示：

(4)

乳化穩定性：將離心后的乳化液以80 ℃水浴熱30 min，冷卻到室溫后以4 000 r/min離心10 min。乳化穩定性計算如公式(5)所示：

(5)

1.2.10 傅里葉紅外光譜分析

準確稱取150 mg的粉末樣品倒入壓片模具中，通過壓片機以8 t的壓力壓制30 s，將壓好的樣品進行光譜測定。掃描次數：16次；分辨率：8 cm-1；掃描范圍：400～4 000 cm-1。

1.2.11 統計分析

所有實驗數據用Excel 2010分析處理，利用Origin 8.5作圖，通過SPSS 19.0進行顯著性檢驗(P<0.05)，結果以均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 發芽對高粱淀粉酶活力的影響

高粱發芽過程中淀粉酶活力變化如圖1所示。發芽0 h即浸泡處理后，高粱淀粉酶活力無明顯(P>0.05)變化。當高粱種子完全吸水膨脹后，淀粉酶活力隨著發芽時間的延長而顯著(P<0.05)上升，總淀粉酶活力和β-淀粉酶活力在發芽60 h達到最大值，分別為165.86和123.98 U/g，之后略微下降但不顯著；α-淀粉酶活力在發芽48 h達到最大值，為41.79 U/g，之后無明顯變化。α-淀粉酶與β-淀粉酶的活力有明顯的不同，因為α-淀粉酶是在種子萌發過程中誘導產生的，而β-淀粉酶是在種子發育過程中合成的，以儲存蛋白的形式存在于成熟種子中[13]，因此未發芽高粱以及浸泡后α-淀粉酶活力依然很低。總淀粉酶活力的變化趨勢與ELKHALIFA等[12]的研究結果相似。

圖1 高粱發芽過程中淀粉酶活性的變化Fig.1 Changes of amylase activity during sorghum germination注：發芽0 h的是經過浸泡處理而未發芽的高粱；不同字母表示同一曲線數值之間差異顯著(P<0.05)(下同)

2.2 發芽對高粱總淀粉、直鏈淀粉和支鏈淀粉含量的影響

如表2所示，與未發芽高粱相比，浸泡處理(0 h)對淀粉含量無顯著影響。隨著發芽時間的延長，高粱總淀粉、直鏈淀粉和支鏈淀粉含量顯著下降(P<0.05)。發芽72 h后，總淀粉含量從72.74%下降到54.44%，直鏈淀粉含量從15.32%下降到9.58%，支鏈淀粉含量從57.43%下降到44.86%，這與LI等[14]的研究結果相似。這是因為隨著發芽時間的延長，高粱中淀粉酶活性增加，這些酶的作用使淀粉降解成還原糖，以滿足種子萌發和生長的物質和能量的需要[15]。

表2 高粱總淀粉、直鏈淀粉和支鏈淀粉含量的變化Table 2 Changes in total starch, amylose and amylopectin content of sorghum

2.3 發芽對高粱粉熱力學性質的影響

由表3數據可知，在發芽時間12 h內，起始糊化溫度(To)顯著(P<0.05)下降，12 h后不斷上升；峰值(Tp)和終止糊化溫度(Tc)無顯著(P>0.05)變化。發芽初期糊化溫度略微下降可能與脂質-淀粉復合物的降解有關[16]。據報道，脂肪可與淀粉交互作用形成復合物，從而使糊化溫度升高，高粱經過發芽處理，這種交互作用可能降低，從而使糊化溫度有所下降[5,14]。12 h后糊化溫度逐漸升高可能是因為發芽過程中淀粉降解形成還原糖，這些小分子糖與淀粉相互作用可能促使淀粉的糊化溫度提高[17]。焓值(ΔH)通常用于衡量打開分子內化學鍵所需要的能量，ΔH越大穩定性越好，結晶度越大[18]。隨著發芽時間的延長，高粱粉糊化焓顯著(P<0.05)增加，60 h達到最大值。說明發芽后高粱粉糊化需要消耗更多的能量，淀粉的穩定性和結晶度提高，這可能是由于發芽過程中主要降解的是淀粉的非結晶區；在64 h后開始下降，這可能是由于淀粉過度分解，導致結晶結構的破壞[4]。

表3 高粱粉熱力學性質的變化Table 3 Changes in thermodynamic properties of sorghum flour

2.4 發芽對高粱粉糊化特性的影響

表4顯示了不同發芽階段高粱粉的糊化粘度特性。由表4可知，與未發芽高粱相比，浸泡(0 h)處理后，高粱粉糊化體系的黏度顯著(P<0.05)提高。這可能是因為浸泡過程引起水分的遷移和狀態的變化，從而對糊化性質產生影響[19]。在發芽前36 h，隨著發芽時間的延長，峰值黏度、谷值黏度、終值黏度、崩解值和回生值顯著(P<0.05)下降，36 h之后趨于平緩。其他谷物籽粒在發芽后也存在相似的趨勢[20-21]。這是因為隨著發芽時間的延長，淀粉酶降解促使淀粉破碎，使其更易崩解，導致高粱糊體系黏度降低[22]；發芽處理后淀粉分子鏈的斷裂及降解導致其在剪切過程中不容易發生重排，分子締合度降低，最終使淀粉的回生值下降[23]，冷糊穩定性增強。此外，崩解值顯著下降，表明發芽處理可增強高粱粉糊的抗剪切能力和熱穩定性。

表4 高粱粉糊化特性的變化Table 4 Changes in gelatinization characteristics of sorghum flour

2.5 發芽對高粱粉動態流變特性的影響

圖2為高粱不同發芽階段高粱粉糊的動態流變特性。其中儲能模量(G′)是指高粱粉糊經外力作用后可自我恢復的彈性性質；損耗模量(G″)表示高粱粉糊的黏性性質，反映高粱粉糊的流動性。由圖2可知，不同發芽階段的高粱粉糊G′和G″都隨角頻率的增大而增大，并且在相同角頻率下G′始終大于G″。說明高粱粉糊的彈性大于黏性，表現出典型的弱凝膠動態流變特性[5]。隨著發芽時間的延長，G′和G″逐漸下降。這與SINGH等[24]研究發芽對小麥粉動態流變特性的研究結果相似。淀粉作為高粱粉的主要成分，其含量在發芽過程中大幅度降低是導致高粱粉糊G′和G″降低的主要原因之一。如前所述，淀粉酶活性的增加可導致高粱粉糊體系黏度下降，從而影響其動態流變特性。損耗角正切值(tanδ)為G″與G′的比值，不同發芽階段的高粱粉糊tanδ均小于1，即G′>G″，表明其主要表現出彈性特征。

a-儲能模量;b-損耗模量;c-損耗角正切值圖2 高粱粉動態流變特性的變化Fig.2 Changes in dynamic rheological properties of sorghum flour

2.6 發芽對高粱粉持水性和持油性的影響

由圖3可知，與發芽高粱粉相比，天然高粱粉具有最高的吸收和保留水分的能力，持水性為143.11%。在發芽前36 h顯著(P<0.05)下降，36 h后下降幅度變緩。CORNEJO等[25]對糙米粉持水性的研究也有相似的結果。在發芽過程中，淀粉酶和纖維降解酶被激活，這導致通過水解淀粉產生高水平的糊精和可發酵糖。這些釋放的糖可進一步與淀粉之間形成交聯，從而阻礙高粱粉與水的結合，降低其持水性[25-26]。而隨著發芽時間的延長，持油性一直呈顯著(P<0.05)上升趨勢。這可能是因為蛋白質的溶解和解離導致蛋白質分子內部非極性成分的暴露，從而提高氨基酸的利用率[12]，而淀粉與脂質的結合取決于疏水性氨基酸的表面利用率[27]。這一特點表明發芽后的高粱粉更適于配制高脂肪含量的食品[28]。

圖3 高粱粉持水、持油性的變化Fig.3 Changes in water and oil retention of sorghum flour

2.7 發芽對高粱粉乳化性和乳化穩定性的影響

由圖4可知，與天然高粱粉相比，發芽的高粱粉具有優良的乳化性能。隨著發芽時間的延長，高粱粉的乳化性和乳化穩定性顯著(P<0.05)上升，這與董貝貝[11]的研究結果相似。發芽可能導致多肽的解離和部分展開，從而暴露出氨基酸的疏水位點，這有助于肽鏈與脂質液滴的疏水結合，進而提高乳液容量，增強乳化能力[27]。另一方面，也可能是因為發芽改變了淀粉的疏水基團在水油界面上的分布，形成具有較高界面黏彈性的界面膜[29]，使乳膠粒發生碰撞聚結的空間位阻加大，有利于乳膠粒的穩定[30]。對于蛋糕、甜點等加工食品而言，乳化能力和乳化穩定能力至關重要。

圖4 高粱粉乳化性和乳化穩定性的變化Fig.4 Changes in emulsification and emulsification stability of sorghum flour

2.8 發芽對高粱粉起泡性和泡沫穩定性的影響

泡沫的形成和穩定性取決于蛋白質類型，表面張力，攪拌強度和時間等[31]。ELTAYEB等[32]報道面粉中的蛋白質具有表面活性，這是面粉能夠產生泡沫的原因。泡沫穩定性由不穩定泡沫損失的體積來衡量。這種特性對于蛋糕和餅干等烘焙食品中使用的面粉非常重要。在本研究中，未發芽高粱粉未顯示出任何起泡能力，這與ELKHALIFA等[28]和SINGH等[33]的報道一致。由圖5可知，浸泡處理(0 h)后高粱粉顯示出一定的起泡能力，隨著發芽時間的延長，起泡性顯著(P<0.05)增加；發芽0 h和12 h的高粱粉泡沫在1 h后完全消失，穩定性為0，隨著發芽時間繼續延長，泡沫穩定性顯著(P<0.05)增加，這可能是由于發芽過程中蛋白質部分變性引起可溶性蛋白表面積增加，空氣和水界面表面張力下降，導致了更多的可溶性蛋白質分子的結合，允許更多的疏水相互作用，從而導致更高的發泡能力，泡沫穩定性也隨之增加[34]。

2.9 發芽對高粱粉紅外光譜性質的影響

圖5 高粱粉起泡性和泡沫穩定性的變化Fig.5 Changes in foamability and foam stability of sorghum flour

3 結論

本研究探討了發芽過程中高粱粉理化及功能特性的變化。結果表明，高粱發芽過程中，淀粉酶活力增加，總淀粉、直鏈淀粉和支鏈淀粉含量下降。隨著發芽時間的延長，高粱粉糊化溫度上升，糊化焓增大，提高了高粱粉的穩定性和結晶度；高粱粉糊體系黏度下降，熱糊穩定性及冷糊穩定性提高；G′和G″隨發芽時間的延長而降低，G″/G′始終小于1，主要表現為彈性特征，高粱粉糊流動性增強，凝膠性能減弱；乳化性、起泡性及其穩定性都得到改善，持油性增強，持水性降低。綜上所述，發芽在一定程度上改善了高粱粉的理化及功能特性，為高粱的進一步研究和在食品中的應用提供了理論基礎。