皮裸燕麥胚乳淀粉形態結構及理化性質的比較

陳 剛，文 婷，張 萍，余徐潤，吳云飛，熊 飛

(江蘇省作物遺傳生理國家重點實驗室培育點/糧食作物現代產業技術協同創新中心/揚州大學教育部農業與農產品安全國際合作聯合實驗室，江蘇揚州 225009)

燕麥(AvenasativaL．)，禾本科燕麥屬一年生草本植物，一般分為帶稃型(皮燕麥)和裸粒型(裸燕麥)兩種[1]。皮燕麥是世界上廣泛栽培的作物，多用于家禽的飼料。我國種植燕麥歷史悠久，種植面積廣泛，且多以裸燕麥為主，主要作為糧食食用[2]。燕麥被認定為僅次于水稻、小麥、玉米、大麥、高粱和谷子的第七大重要經濟谷物[3]，以其豐富的營養價值1997年被美國食品藥品監督管理局(FDA)認定可以作為保健食品進行宣傳。

淀粉作為燕麥的主要儲藏物質，其含量約占64.8%，低于其他禾谷物類作物[4]。淀粉的形態和理化性質，如淀粉的顆粒形態、大小、直鏈淀粉含量、相對結晶度和淀粉膨脹勢、溶解度會影響燕麥的加工品質[5]。燕麥淀粉有多種顆粒形態，Zwer 等[6]發現，燕麥淀粉因復粒淀粉形成不規則的顆粒，與水稻淀粉相似，相比小麥、玉米等淀粉顆粒小。Hoover 等[7]研究發現，燕麥淀粉結晶度在28.0%～36.5%之間，低于水稻、小麥和糯玉米。淀粉在食品工業被廣泛用于制造醬料、烘焙食品和奶制品等[8]。與其他淀粉相比，燕麥淀粉在食品加工中沒有明顯的優勢，然而其也存在一定的獨特性。Aigster 等[9]發現，燕麥抗性淀粉可制成低熱量、低脂肪、高纖維的健康食品。與其他傳統淀粉相比，燕麥淀粉脂質含量較高(1.36%)，用其生產的淀粉薄膜更具有疏水性，膜的穩定性更高[10]。燕麥淀粉因其顆粒小的特性，可在化妝品工業中作滑石粉替代物，也可作為外科手套的除塵粉[11]。目前燕麥淀粉被廣泛用于食品加工，利用其低熱量的特點開發出多種健康食品[8]。雖然前人已經對燕麥的穎果發育、淀粉含量和理化性質進行了研究，但有關皮、裸燕麥淀粉的理化性質特別是淀粉有序結構、晶體結構、消化特性等研究還不夠深入。因此，本研究以4個不同類型的燕麥為材料，對其淀粉的形態結構和理化特性進行分析，為燕麥淀粉在食品工業和其他方面的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料選用全國推廣面積較大的皮燕麥蒙燕1號(P1)、塔娜(P2)，裸燕麥白燕2號(L1)、壩燕18(L2)。于2019年11月上旬種植于揚州大學作物栽培生理重點試驗室試驗棚內，常規水肥管理。

1.2 試驗方法

1.2.1 淀粉的提取

燕麥成熟后，參考余徐潤等[12]方法，稍加改進提取燕麥淀粉。燕麥籽粒經浸泡、研磨，經8層紗布過濾；濾液4 000 r·min-1離心5 min，棄上清液，再加入0.2% NaOH充分攪拌后4 000 r·min-1離心5 min，棄上清并刮去表面有色層，重復多次直到上清液澄清，表面無有色層。得到的淀粉沉淀在烘箱中烘干，過100目篩保存備用。

1.2.2 淀粉粒度測定

稱取燕麥淀粉10 mg，加入400 μL 甘油充分震蕩搖勻分散淀粉粒，取少量淀粉懸浮液于載玻片，蓋上蓋玻片后在電子顯微鏡下觀察并拍照。用Image-Pro Plus軟件隨機統計1 000個淀粉粒的粒徑，重復3次。

1.2.3 淀粉粒形態觀察

燕麥背部胚乳掃描電鏡觀察：取成熟燕麥籽粒從中間將籽粒掰斷，經真空離子濺射鍍金后，在揚州大學測試中心S-4 800Ⅱ場發射掃描電子顯微鏡下觀察。另取少量提取的淀粉樣品，用無水乙醇分散，吸取分散后的溶液滴入掃描電鏡樣品臺凹槽內，待乙醇揮發后進行真空離子濺射鍍金，并在掃描電鏡下觀察、拍照。

1.2.4 直鏈淀粉含量測定

參照He[13]的方法稍加改動測定直鏈淀粉含量。稱取10 mg 淀粉懸浮于100 μL 95%酒精，溶于1 mL 1M NaOH溶液中，用蒸餾水稀釋10倍；用0.1 M HCl中和為0.25 mg·mL-1的淀粉原液；吸取0.2 mL淀粉原液，加入3.6 mL水和0.2 mL I2- KI溶液，室溫下避光反應30 min。最后在波長510、620 nm下測定吸光度值，重復3次。直鏈淀粉含量按下式計算。

直鏈淀粉含量=(A620-A510+0.0542)/ 0.3995×100%

1.2.5 淀粉的相對結晶度測定

取適量干燥淀粉壓片，于揚州大學測試中心X-射線衍射儀上從2θ角4°到40°掃描(步長0.4 s)，獲得淀粉樣品的XRD波譜。用Origin 8.0軟件繪制淀粉的XRD圖譜，用圖像分析軟件Photoshop CS6和Image-Pro Plus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+無定形峰面積) × 100%

1.2.6 淀粉微結構相關指標測定

取適量烘干的淀粉于AVANCE Ⅲ 400 MHz WB固體核磁共振波譜儀進行分析。利用PeakFit 4.12軟件對無定形淀粉(WDX)和燕麥淀粉的13C CP/MAS NMR波譜進行峰擬合，參考Tan等[14]的方法計算淀粉無定形區比例以及單螺旋、雙螺旋的相對含量。

1.2.7 淀粉表層有序度測定

取少量燕麥淀粉加超純水使其形成粘稠狀，利用Cary 610/670顯微紅外光譜儀分析，以超純水為參照掃描背景，波長計數范圍800～4 000 cm-1進行樣品掃描得到淀粉的解卷積光譜，計算1 045 cm-1/1 022 cm-1、1 022 cm-1/995 cm-1的比值。重復3次。

1.2.8 膨脹勢、溶解度測定

稱取干燥燕麥淀粉100 mg(m0)放入10 mL重量記為m1的離心管中，加3 mL蒸餾水，充分振蕩混勻后于95℃下振蕩水浴 1 h，5 000 r·min-1離心5 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=(m2-m1)/(m3-m1) 。

1.2.9 支鏈淀粉鏈長分布測定

參考Wu[15]的方法制備脫支淀粉。稱取0.2 mg淀粉，加入1.5 μL 0.2 M的APTS(8-氨基芘-1，3，6-三磺酸三鈉鹽)和1.5 μL 1 M的硼氫化鈉，對脫支后的支鏈淀粉進行熒光標記。以熒光標記后的麥芽六糖為標樣，通過熒光輔助毛細管電泳法(fluorophore-assisted capillary electrophoresis)測定支鏈淀粉的鏈長分布。

1.2.10 淀粉體外消化試驗

參考Chung 等[16]的方法進行淀粉酶解。分別取0.01 g淀粉，不做任何處理的為天然淀粉，98℃水浴12 min的為糊化淀粉，采用D-葡萄糖檢測法(GOPOD法)，加入2 mL 酶液(按每100 mL 20 mM PBS緩沖液加50 mg α-淀粉酶的比例進行配制，充分混勻10 min以上，5 000 r·min-1離心，轉移保留上清酶液，最后加入葡萄糖淀粉酶液1.67 mL)，37℃下酶解20 min和2 h，酶解后的樣品4℃ 離心(15 000 r·min-12 min)，離心前在酶液中加入240 μL 0.1 M HCl和2 mL 50% 乙醇，0℃水浴2 min以阻斷酶反應，然后測定上清液D-葡萄糖含量，從而算出已分解的淀粉量(淀粉量=糖含量×0.9)。

2 結果與分析

2.1 燕麥淀粉形態結構分析

對4個燕麥品種穎果胚乳掃描電鏡觀察可看出，皮、裸燕麥淀粉同時以復粒淀粉和單顆粒淀粉形式存在于燕麥胚乳中。2個裸燕麥品種白燕2號、壩燕18背部胚乳中大顆粒復粒淀粉數目較少，且部分大顆粒復粒淀粉裂開，形成小淀粉粒；而2個皮燕麥中依舊含有數目較多的大顆粒復粒淀粉，且較完整(圖1)。燕麥復粒淀粉在淀粉提取過程中易破碎形成多面體或形狀不規則的小淀粉顆粒，由于燕麥淀粉中還含有單顆粒淀粉，所以提取的燕麥淀粉形態有的呈現較為規則的圓形或橢圓形。對4種燕麥淀粉的粒徑統計結果表明，燕麥胚乳淀粉顆粒小，基本呈現單峰的粒度分布，直徑主要在5～8 μm(圖2)。此外，壩燕18和塔娜胚乳中含有更多的細小顆粒淀粉(1～3 μm)。對比皮裸燕麥品種的淀粉可看出，二者形態結構差異不大，多呈不規則的顆粒狀。

圖1 4個燕麥品種籽粒淀粉顯微結構圖

圖2 4個燕麥品種籽粒淀粉粒度分布圖

2.2 燕麥淀粉結構分析

2.2.1 淀粉晶體結構和螺旋結構分析

淀粉由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成，直鏈淀粉和支鏈淀粉含量的高低會影響燕麥的加工和食味品質[17]。由表1可知，2個裸燕麥的直鏈淀粉含量高于皮燕麥。4個品種燕麥直鏈淀粉含量表現為：壩燕18>白燕2號>塔娜>蒙燕1號。

表1 燕麥淀粉直鏈淀粉含量、相對結晶度、無定形區、雙螺旋和單螺旋相對比例及吸光度比值Table 1 Amylose content, relative crystallinity, relative proportion of amorphous area, double helix and single helix as well as ratio of absorbance of starch from the four oat varieties

支鏈淀粉的雙螺旋結構構成淀粉的結晶區。淀粉結晶結構和非結晶結構在 XRD 圖譜上的表現特征不同，結晶區呈現尖峰特征。由圖3可以看出，4個品種淀粉的XRD圖譜大體相似，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，另外在20°附近有較弱的衍射峰，說明4種的淀粉均為A型晶體。對比4個品種淀粉的相對結晶度發現，其變化趨勢與直鏈淀粉含量變化趨勢正好相反。2個皮燕麥品種的相對結晶度明顯高于2個裸燕麥品種，其中壩燕18最低，而蒙燕1號最高(表1)。

圖3 燕麥淀粉XRD、傅里葉變換遠紅外光譜、13C固體核磁共振圖譜

由圖3可知，4個燕麥品種淀粉的NMR波譜相似，在120～50 ppm處都有C1、C4、C2,3,5、C6 4個主要信號區域。天然燕麥淀粉和無定形淀粉圖譜差異主要在于C1區，無定形淀粉在C1區只有102.9 ppm處一個峰，而利用差減法得到的燕麥淀粉NMR波譜在C1區有99.4、100.5、101.7和102.9 ppm 4個明顯的結晶峰。經擬合峰面積計算出燕麥淀粉無定形區比例，以及單螺旋、雙螺旋比例(表1)，從中可以看出，2個裸燕麥品種的無定形區比例大于2個皮燕麥品種，即：壩燕18>白燕2號>塔娜>蒙燕1號，雙螺旋比例蒙燕1號最高，壩燕18最低，單螺旋比例壩燕18最高，這與XRD測定淀粉的相對結晶度的結果基本一致。總體而言，裸燕麥的直鏈淀粉含量較皮燕麥高，相對結晶度低。不同品種間淀粉的晶體結構也有所不同，本研究的4 個燕麥品種中，雙螺旋比例以皮燕麥蒙燕1號最高，裸燕麥壩燕18最低，另兩個品種則無明顯差異。

2.2.2 淀粉表層有序結構分析

由圖3傅里葉變換紅外光譜圖可看出，4 種燕麥淀粉在 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。其中1 045 cm-1/1 022 cm-1峰強度比值被看作是淀粉表層有序程度的指標，比值越大有序度越高[18]，不同種類淀粉間峰的強度存在差異。由表1中1 045 cm-1/1 022 cm-1的比值可知，2個皮燕麥品種表層有序度高于2個裸燕麥品種，其中蒙燕1號最高，壩燕18最低。這表明皮燕麥蒙燕1號淀粉外部區域結構的有序性最高。

2.2.3 皮裸燕麥支鏈淀粉鏈長分布

支鏈淀粉在淀粉顆粒中以復雜的片層結構存在，是淀粉的主要組成成分。支鏈淀粉的分支鏈結構影響淀粉的結晶度[19]。從圖4和表2可看出，燕麥支鏈淀粉聚合度(DP)絕大部分在6～25之間，長支鏈分布較少。裸燕麥淀粉中支鏈淀粉的短支鏈分布較高，皮燕麥則含有更多的長支鏈。不同燕麥品種淀粉的支鏈淀粉鏈長分布存在明顯差異，壩燕18的支鏈淀粉含有更多的長鏈(DP>30)，平均鏈長明顯高于其他3個品種，而皮燕麥塔娜支鏈淀粉含最短支鏈(DP 6～12)更多，平均鏈長也最低。

圖4 4個燕麥品種支鏈淀粉鏈長分布圖

表2 4個燕麥品種支鏈淀粉聚合度統計Table 2 Statistics of DP of amylopectin from the four oat varieties

2.3 燕麥淀粉品質分析

淀粉的膨脹勢和溶解度與淀粉直鏈淀粉含量和淀粉結構相關；淀粉糊化過程中，支鏈淀粉吸水膨脹，直鏈淀粉含量較高時，淀粉顆粒吸水膨脹受到抑制[17]。膨脹勢和溶解度可用來衡量淀粉顆粒中的結晶結構和非結晶結構之間分子的相互作用力。在小麥等作物中，膨脹勢還與A-型淀粉含量相關，A-型淀粉含量較多其吸水速率越快[20]。研究表明，燕麥淀粉的膨脹勢和溶解度隨溫度的升高而升高，當溫度達到95℃時，燕麥淀粉的膨脹勢和溶解度均達到最大值[21]。本試驗選取95℃下對4個品種燕麥淀粉進行水浴，結果表明，皮燕麥和裸燕麥的淀粉膨脹勢和溶解度并無明顯差異，但品種間存在差異，壩燕18(L2)淀粉的膨脹勢顯著高于其他3個品種，其溶解度在4個品種中最低，但未達顯著水平(表3)。這表明壩燕18淀粉有較強的持水能力，受熱后易形成凝膠。

表3 4個燕麥品種籽粒淀粉的膨脹勢和溶解度Table 3 Swelling power and solubility of starch from the four oat varieties

根據淀粉體外消化速率可將淀粉劃分為快速消化淀粉(RDS)、慢速消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)3種，其中SDS和RS屬于低血糖食品，可用于降糖食品的原料。由圖5可看出，未糊化的天然淀粉中，RS含量最高，SDS比例最少。這是由于未糊化的支鏈淀粉外側的短鏈易形成雙螺旋結構，氫鍵相互堆積形成結晶[22]。4個燕麥品種中，白燕2號天然淀粉的RS含量最高，而塔娜的RS含量最低；而SDS的含量則相反，塔娜最高而白燕2號最低。隨著淀粉的糊化，RS含量大幅降低，而RDS比例明顯上升，同時SDS含量也增高。這是由于淀粉的體外消化速率與淀粉結晶結構相關，淀粉糊化過程中破壞了淀粉的晶體結構[16]，使天然淀粉中的SDS和RS轉化成RDS。4個品種中，蒙燕1號的淀粉糊化后RDS含量增加最多，而壩燕18的RDS含量最少。而糊化后SDS的含量則相反，壩燕18最高，蒙燕1號最少。

圖5 4個品種燕麥淀粉體外消化結果分析

3 討 論

3.1 皮裸燕麥淀粉品質差異

麥類作物淀粉如小麥淀粉一般呈規則的橢圓形，含有比較大的A-型淀粉和小顆粒的B-型淀粉，分為粒徑成雙峰分布，而燕麥淀粉在胚乳中以復粒淀粉和單顆粒淀粉形式存在，淀粉顆粒多為不規則的顆粒狀，也有較少部分呈橢圓形，淀粉顆粒小且皮、裸燕麥淀粉形態無太大差異[23]。由于燕麥淀粉顆粒小、形狀不規則等特性使燕麥淀粉含有高膨脹勢和低溶解度的特點[24]。此外淀粉的膨脹勢還與直鏈淀粉含量相關，一般而言，直鏈淀粉含量高的淀粉其膨脹勢低[25]。本研究中，兩個裸燕麥品種的直鏈淀粉含量較高，相對的結晶度較低，然而與皮燕麥相比其膨脹勢和溶解度并無太大差異，這可能受到了支鏈淀粉的鏈長分布影響。有研究指出，淀粉的糊化性質和消化性能很大程度受支鏈淀粉鏈長分布影響，如淀粉的糊化溫度受支鏈淀粉短鏈控制[21]。本研究中，2個皮燕麥品種的相對結晶度高于2個裸燕麥品種，蒙燕1號相對結晶度最高，這說明皮燕麥品種的持水性更好，更易形成凝膠，可作為脂肪的代替品。兩個皮燕麥品種表層有序度較高，淀粉不易被水解，可作為低糖食品開發[26]。淀粉中的SDS和RS含量作為評價淀粉營養品質的指標，淀粉中的SDS含量受支鏈淀粉的分支結構影響，支鏈淀粉FrⅠ(DP>30)和FrⅡ(13

3.2 燕麥在食品加工方面的應用

淀粉廣泛應用于生產淀粉膜、凝膠、抗性淀粉、脂肪代替品，也應用于醫藥、造紙行業等，淀粉的結構性質不同其應用也有所差異。隨著人們對健康飲食的追求，燕麥作為健康食品也受到重視，如低熱量、高膳食纖維的燕麥棒受到歡迎[9]。燕麥淀粉由于顆粒較小，糊化后易形成穩定的凝膠，是良好的食品添加劑。研究表明，淀粉結晶度高，支鏈淀粉中的長支鏈含量高時，其峰值黏度相對較高，淀粉的吸水性、增稠性較好[28]。與裸燕麥相比，皮燕麥的相對結晶度、表層有序度和支鏈淀粉長支鏈分布較高，更適合作為提高黏度的食品添加劑，且凝膠良好的穩定性滿足了某些食品加工如高溫殺菌等要求，也可作為食用肉類的添加劑。與其他雜糧如玉米等相比，燕麥RS和SDS含量相對較高，在食物中添加RS和SDS會增強飽腹感，是理想的減肥食品。本研究中，糊化后的淀粉裸燕麥的SDS含量較皮燕麥更高，其中壩燕18的 SDS含量明顯高于其他3個品種，很適合做血糖生成指數較低的食品，也適合用于降糖的食品原料[29]。此外燕麥淀粉還可作為面條的食品添加劑來增強面條硬度[30]。淀粉的回生和消化特性與支鏈淀粉鏈長分布相關，因此有研究利用淀粉的改性對支鏈淀粉鏈長進行改造使淀粉更適合食品加工需求。