微波間歇干燥對北方粳高粱蛋白質及淀粉品質的影響

張吉軍，曹龍奎，衣淑娟，王立東，張東杰，劉德志，全志剛，車 剛，王 娟，趙姝婷，王維浩，魏春紅，蘇有韜

（1.黑龍江八一農墾大學工程學院，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江八一農墾大學食品學院，黑龍江 大慶 163319；3.黑龍江八一農墾大學 國家雜糧工程技術研究中心，黑龍江 大慶 163319）

高粱作為我國古老的旱地糧食作物之一，在我國已有幾千年的栽培歷史[1]，曾被人們稱為“生命之谷”[2]。高粱雖然已經作為雜糧作物，但其依然有著廣泛的用途。高粱籽粒除作食品和飼料外，還可以制酒、制淀粉、制醋等；利用高粱莖稈可做建材、造紙、板材、燃料，甜高粱莖稈可制糖漿和結晶糖[3]，還可制酒精、作青飼料和青貯飼料[4-5]等。隨著我國農業種植結構調整和雜糧產業的快速發展，高粱種植與加工擁有巨大的發展空間。

目前，我國高粱一般在蠟熟后期收獲，收獲后籽粒主要通過自然晾曬使水分含量降到安全貯藏水平。自然涼曬存在作用時間長、易受天氣影響、占用大量場地、收獲量大時不易操作、易使高粱霉變等不足。在北方地區，高粱收獲季的溫差變化較大，且高粱含水量較高，未及時干燥的高粱容易受到霜凍及溫差的影響，進而影響高粱中蛋白質和淀粉的內在品質。因此，采用先進的干燥技術對收獲高粱進行及時干燥處理，能更好保證高粱的內在品質。微波干燥是一種節能、高效、綠色的干燥技術，且具有良好的殺菌殺蟲效果[6-8]，在糧食干燥、食品加工、農產品干燥、殺菌殺蟲等領域已得到了廣泛的應用[9]。

目前，利用微波技術對包括高粱在內的農產品加工方面的研究，主要集中在微波輻射作用、微波預處理、微波改性等對農產品品質的影響方面[10-12]；而從糧食干燥角度出發，研究微波干燥對高粱降水及蛋白質、淀粉品質的影響鮮見公開報道，高粱微波干燥過程中，微波作用時間是影響干燥效率和干燥品質的核心因素，因此本研究針對北方粳高粱進行了微波間歇干燥實驗，探尋主要干燥參數——單循環微波作用時間對高粱降水及蛋白質、淀粉品質的影響。為高粱微波干燥產業化應用提供理論和數據支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

實驗用的‘龍雜10號’粳高粱產于大慶杜爾伯特縣，屬典型北方粳高粱（以下簡稱天然高粱）。

鹽酸、氫氧化鈉、硫酸鉀（均為分析純）、溴化鉀（光譜級） 天津市大茂化學試劑廠；硫酸銅（分析純）沈陽市華東試劑廠；98%濃硫酸 沈陽市民聯化工有限公司；亞硫酸鈉、75%乙醇、氫氧化鉀（分析純） 國藥集團化學試劑有限公司；碘化鉀、醋酸鈉、乙酸（均為分析純） 上海安譜實驗科技有限公司；葡萄糖、α-淀粉酶、淀粉葡糖苷酶 美國Sigma公司；GOPOD試劑愛爾蘭Megazyme公司。

1.2 儀器與設備

GWM-80B型隧道式微波干燥機 甘肅天水華圓制藥設備有限公司；MB25水分分析儀 奧豪斯常州儀器有限公司；LS6200C精密電子天平 瑞士Precisa公司；ST20XB便攜式紅外測溫儀 北京雷泰光電技術有限公司；BUCHI-K370型全自動凱氏定氮儀瑞士BUCHI公司；TGL16B型臺式離心機 上海安亭科學儀器廠；S220型pH計、AR2140型分析天平 瑞士梅特勒-托利多儀器有限公司；DK-S24型電熱恒溫水浴鍋、DGG-9053A型電熱鼓風干燥箱 上海森信實驗儀器有限公司；Q Exactive質譜儀 美國Thermo Fisher公司；Frontier傅里葉變換紅外光譜儀（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR） 美國PerkinElmer公司；Q2000差示掃描量熱儀（differential scanning calorimeter，DSC） 美國TA Instruments公司；RVA4500型快速黏度分析儀（rapid visco analyser，RVA） 瑞典波通儀器公司；SU8020場發射掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM） 日本日立公司。

1.3 方法

1.3.1 粳高粱微波干燥實驗

清除雜質、篩選籽粒飽滿均勻的高粱進行干燥實驗。采用特制干燥盒稱取定量高粱在隧道式微波干燥機上進行干燥實驗。選取單位質量干燥功率為3 W/g、排濕風速為0.5 m/s，單循環微波作用時間分別為1.02、2.08、3.13、4.17、5.00 min。采用間歇式的干燥方式，即按照干燥機中每奇數個干燥室發射微波進行干燥和每偶數個干燥室不干燥的方式進行一個循環的干燥過程。一個干燥循環結束后，快速進行籽粒測溫與質量測定，再進行下一個干燥循環，直到高粱的水分含量降到安全水平（水分質量分數12%）時干燥結束。采用精密電子天平測量一個干燥循環后高粱籽粒的質量，并依據干燥前后物料中干物質不變原理計算出對應干燥循環次數的高粱含水率。采用便攜式紅外測溫儀對同一料層的5個不同均勻分布位置進行測溫，取其平均值作為一個干燥循環后高粱籽粒的平均溫度。

單循環微波作用時間是指高粱物料從隧道式微波干燥機入口進入干燥、從出口移出結束干燥時，微波實際輻射作用在物料上的總時間。由于采用間歇干燥方式，間歇比（單循環內微波輻射總時間與微波不輻射總時間的比值）是1∶1，故單循環微波作用時間等于干燥機全部干燥腔總長度的一半除以干燥機內傳送帶的帶速。

1.3.2 粳高粱總蛋白質量分數的測定

將高粱籽粒粉碎并過80目篩，稱取1.000 g高粱固體粉料樣品，具體參照GB 5009.5—2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》[13]中的凱氏定氮法測定蛋白質質量分數。

1.3.3 粳高粱的蛋白組學分析

樣品制備后，進行肽段酶解：樣品凍干，加入40 μL胰蛋白酶緩沖液，37 ℃孵育16～18 h；色譜分離：液相色譜柱：RP-C18柱（150 mm×0.15 mm），以體積分數0.1%甲酸乙腈溶液進行平衡，樣品由自動進樣器上樣到Zorbax 300SB-C18中肽捕集器，再經過液相色譜柱分離。質譜鑒定：酶解產物經毛細管高效液相色譜分離后用質譜儀進行質譜分析，分析時長為60 min，檢測方式為正離子模式。多肽和多肽碎片的質量電荷比按照每次全掃描后采集10個碎片圖譜。最后將質譜測試原始文件用軟件MaxQuant檢索相應的數據庫，得到蛋白質鑒定結果。再以倍數變化大于1.5 倍且P＜0.05的標準篩選差異表達蛋白，并對差異表達蛋白進行基因本體（gene ontology，GO）功能富集分析和京都基因和基因組百科全書（Kyoto encyclopedia of genes and genomes，KEGG）的代謝通路分析。

1.3.4 粳高粱淀粉的提取

將高粱籽粒粉碎過80目篩，稱取高粱粉末200 g，取蒸餾水600 mL，配制質量分數0.4%的NaOH溶液，按照料液比1∶3要求，將200 g高粱粉末倒入600 mL 0.4% NaOH溶液中，充分攪拌，混合均勻，將上述混合料液放入恒溫水浴鍋中40 ℃下攪拌4 h左右，取出攪拌液，冷卻至室溫，4 000 r/min離心10 min，將非淀粉層去除，保留具有淀粉的料層，再重復離心多次，直至獲得淺白色淀粉料；調節淀粉料液pH值至中性；在恒溫干燥箱中40 ℃干燥12～24 h，取出粉碎過篩、備用。

1.3.5 粳高粱總淀粉質量分數和直鏈淀粉質量分數的測定

總淀粉質量分數測定：將樣品研缽研磨分散，過100目篩。稱取100 mg樣品于15 mL試管中，加入4 mL 80%（體積分數，下同）乙醇，70 ℃放置2 h，漩渦混勻；12 000 r/min離心10 min，棄上清液；加4 mL 80%乙醇，重復上述操作3次，倒出上清液，去除多余液體；試管冰浴，加入2 mL 2 mol/L KOH，混勻，振蕩20 min；加入8 mL 1.2 mol/L的醋酸鈉緩沖液，混勻，立即加入0.1 mL淀粉葡糖苷酶；50 ℃孵育30 min，漩渦混勻；將試管中全部液體轉移到100 mL容量瓶中，用蒸餾水調節體積至100 mL；取上述液體0.1 mL至新試管中，加入3 mL GOPOG試劑，漩渦混勻，于50 ℃下孵育20 min。對照包括0.1 mL葡萄糖標準溶液（1 mg/mL）和3 mL GOPOD試劑；試劑空白溶液包括0.1 mL蒸餾水和3 mL GOPOD試劑；采用分光光度計在510 nm波長處測定吸光度[14-15]。

直鏈淀粉質量分數測定：將樣品研缽研磨分散，過100目篩。取干凈微量離心管，準確稱取10 mg樣品，加入100 μL 80%乙醇和900 μL 1 mol/L NaOH溶液，漩渦混勻，沸水煮10 min，冷卻后定容至10 mL，取干凈15 mL離心管，加入0.5 mL上清、0.1 mL乙酸和0.2 mL碘化鉀溶液，定容至10 mL，室溫放置10 min，采用分光光度計在720 nm波長處測定吸光度[14-15]。

1.3.6 粳高粱淀粉的FTIR分析

取高粱淀粉0.5～2.0 mg，再加入100～200 mg經過磨細干燥的KBr粉末，混合研磨均勻后，將混合粉末在模具中壓制成片（選用KBr片作空白參比），放入FTIR儀中進行掃描，掃描范圍為4 000～400 cm－1，分辨率為4 cm－1，得到高粱淀粉的紅外光譜圖。

1.3.7 粳高粱淀粉的老化性質分析

稱取3.00 g（干基）天然及干燥后高粱淀粉于鋁盒中，加蒸餾水25 mL，35 ℃保溫3 min，設定以轉速6 ℃/min加熱到95 ℃，保溫5 min，以6 ℃/min的轉速降溫到50 ℃，用RVA配套的軟件分析得到峰值黏度、谷值黏度、最終黏度、衰減值和回生值。

1.3.8 粳高粱淀粉的微觀結構觀察

將導電雙面膠帶貼于SEM的載物臺上，取少量干燥后的淀粉樣品在雙面膠上均勻涂抹并去除多余淀粉，將載物臺放入鍍金儀器中進行噴金處理，再放入SEM中觀察，電子槍加速電壓取3 kV，獲得SEM圖。

1.3.9 粳高粱淀粉的糊化特性分析

采用DSC分析高粱淀粉樣品熱焓變化，通過檢測樣品吸、放熱量的變化，進而檢測樣品隨著溫度的變化而產生的相變過程，得到相變起始溫度、峰值溫度、終止溫度及糊化焓值等。高粱淀粉樣品過100目篩，精確稱取樣品10 mg于樣品盤中，加入30 μL無菌水，密封氧化鋁坩堝；室溫平衡12 h。加熱速率為10 ℃/min，由30 ℃升溫至95 ℃掃描熱量變化，用空白盤作參比。

1.4 數據統計與分析

各數據重復測定3次，實驗結果用平均值±標準偏差表示。采用Excel、SPSS軟件對數據統計分析，采用Duncan檢驗法進行顯著性分析，用Origin軟件進行繪圖。

2 結果與分析

由于微波介電加熱效應和電磁極化現象的存在，微波干燥過程中，一方面籽粒中的極性水分子通過高速的互相摩擦、碰撞產生大量熱能，從而造成淀粉、蛋白質的結構和理化特性發生改變；另一方面，微波光子能量的存在會影響籽粒中淀粉、蛋白質分子中化學鍵及基團周圍電子云的排布，進而可以改變淀粉、蛋白質分子的構象[16]。因此改變單循環微波作用時間干燥高粱，將對干燥后高粱蛋白質及淀粉品質產生影響。

2.1 單循環微波作用時間對粳高粱含水率及籽粒溫度的影響

微波干燥過程中，單循環微波作用時間是影響高粱含水率和高粱籽粒溫度的重要因素，進而對高粱干燥后品質也將產生較大影響。微波作用時間的延長增強了高粱的傳熱、傳質過程[17]。

如圖1所示，隨著單循環微波作用時間的延長，高粱積累的熱能增大，含水率下降幅度增加，達到安全水分時的總干燥時間明顯縮短，與于潔[18]、唐小閑[19]等的結論一致。這些含水率下降幅度的差異將對高粱干燥后品質產生影響。

圖1 不同單循環微波作用時間對高粱含水率的影響Fig. 1 Effect of time of single microwave cycle on moisture content in sorghum

如圖2所示，隨著單循環微波作用時間的延長，高粱籽粒溫度升速明顯。總體來看，高粱籽粒溫度變化包括快速上升和趨于穩定兩個階段，與于潔[18]、鄭先哲[20]等的結論一致。尤其是當時間為1.02 min時，高粱籽粒溫度變化在兩個階段表現更明顯。原因為干燥前期高粱總體含水量較高，吸收微波能力強，因此籽粒溫度上升較快；干燥中后期高粱水分含量偏低，其吸收微波產熱與水分蒸發吸熱大致相當，因此籽粒溫度趨于穩定。高粱籽粒的這些溫度變化規律將對干燥后品質產生較大影響。

圖2 不同單循環微波作用時間對高粱籽粒溫度的影響Fig. 2 Effect of time of single microwave cycle on the temperature of sorghum grains

2.2 不同單循環微波作用時間對粳高粱總蛋白質量分數的影響

如表1所示，隨著單循環作用時間在1.02～5.00 min范圍內逐漸延長，高粱的總蛋白質量分數在8.8%～9.1%之間變化。相比于天然粳高粱（未進行微波作用），總蛋白質量分數最大變化量為0.4%，變化不明顯。表明改變單循環微波作用時間（1.02～5.00 min）對高粱總蛋白質量分數影響不顯著。

表1 天然和不同單循環微波作用時間條件下高粱的總蛋白質量分數Table 1 Total protein contents of sorghum treated and not treated with single microwave cycles

2.3 微波干燥對粳高粱差異蛋白表達、功能分類及代謝通路的影響

將天然粳高粱（未進行微波作用）、單循環微波作用時間為5.00 min時的微波干燥樣品進行蛋白質的質譜分析。以倍數變化大于1.5 倍且P＜0.05的標準篩選差異表達蛋白質，并對差異表達蛋白進行聚類分析、GO功能分析和KEGG代謝通路分析。

2.3.1 差異表達蛋白的聚類分析

篩選出天然高粱樣品、微波干燥高粱樣品共有的差異表達蛋白共85個。采用層次聚類算法對比較組的差異表達蛋白質分別進行聚類分析，并以熱圖形式表達如圖3所示。

圖3 天然高粱與微波干燥高粱組差異表達蛋白質聚類分析結果Fig. 3 Results of cluster analysis of differentially expressed proteins between raw sorghum and microwave-dried sorghum

圖3中橫坐標分別表示天然高粱樣品和微波干燥高粱樣品的3次重復實驗結果。在天然高粱樣品含有的85個差異表達蛋白中，51個蛋白含量較低，34個蛋白含量較高；經微波干燥后，天然高粱樣品中含量較低的51個蛋白表達均上調，使蛋白含量增加；天然高粱樣品中含量較高的34個蛋白表達均下調，使蛋白含量降低。結果表明，微波干燥處理使天然高粱中的差異蛋白表達發生了顯著的變化。85個差異表達蛋白中，有26個差異蛋白屬于未表征蛋白，其余59個差異蛋白均得到表征。

59個得到鑒定的差異蛋白中，上調顯著的差異蛋白主要有淀粉分支酶IIb、類泛素折疊修飾蛋白等；下調表達顯著的差異蛋白主要有天冬氨酸氨基轉移酶、3-磷酸甘油醛脫氫酶等。淀粉分支酶IIb表達顯著上調可能使高粱中直、支鏈淀粉含量及分布產生一定變化，對高粱的后續發酵加工產生影響。類泛素折疊修飾蛋白將參與許多細胞活動的調控過程，如內質網調控、DNA修復以及應激反應等，因此該蛋白的表達顯著上調可能對高粱籽粒后續加工中的生物學細胞調控過程產生影響。天冬氨酸氨基轉移酶的表達顯著上調將對高粱籽粒氨基酸代謝過程產生影響。3-磷酸甘油醛脫氫酶是參與糖酵解的一種關鍵酶，其表達顯著上調將對高粱籽粒后續加工中的糖代謝、RNA結合、蛋白質表達調節等過程產生影響。表達上調和下調顯著的其他差異蛋白將可能對高粱籽粒后續加工中的相應生物學過程和營養功能產生影響。

2.3.2 差異表達蛋白的GO功能分類

本研究通過Fisher精確檢驗方法對天然和微波干燥高粱比較組的差異表達蛋白質進行GO功能分析，結果如圖4所示。基于生物學過程、細胞組分和分子功能三大方面進行功能分類。該圖表示了將以上三大功能富集分析結果按照顯著性從左向右排序，并選取前7～10個分類信息進行匯總。從以上3個方面的次級分類水平上可以看出，在生物學過程功能分類中，參與細胞生物學過程的蛋白最多，其次為參與單組織生物過程蛋白，再次為參與應激反應、細胞成分的組織或生物合成的蛋白；在細胞組分功能分類中，與細胞、細胞部位相關的蛋白最多，然后依次為細胞器、細胞器部位和生物大分子復合體相關蛋白；而在分子功能分類中，與催化活性、結合作用相關的蛋白最多，然后為結構分子活性、轉運功能、抗氧化活性相關蛋白。

圖4 基于GO分析的差異蛋白功能分類Fig. 4 Functional classification of differentially expressed proteins based on gene ontology (GO) analysis

2.3.3 差異表達蛋白的KEGG通路分析

通過Fisher精確檢驗方法對天然和微波干燥高粱比較組的差異表達蛋白質進行KEGG通路分析。如圖5所示，將排名前10的代謝通路根據顯著性從左向右（顯著性P值依次為0.000 000 73、0.000 002 04、0.000 369、0.002 87、0.007 74、0.008 71、0.011 7、0.013 5、0.025 5和0.026 2）排序分布。可知，差異蛋白質極顯著參與碳代謝、糖酵解/糖異生、光合生物碳固定、氨基酸的生物合成、氨基糖和核苷酸糖代謝、三羧酸循環等代謝途徑；而參與淀粉和蔗糖代謝、RNA降解、內質網中的蛋白質加工、次級代謝物生物合成等代謝途徑達到顯著水平。表明天然高粱經微波干燥后，籽粒中產生的差異蛋白在高粱后續加工應用中將對碳物質代謝、糖代謝、光合作用過程、氨基酸的合成與分解、檸檬酸鹽循環等過程產生較大影響，進而可能對高粱籽粒營養功能產生影響。

圖5 差異蛋白參與的KEGG代謝通路富集分析柱狀圖Fig. 5 Kyoto encyclopedia of genes and genomes (KEGG) pathway enrichment analysis of differentially expressed proteins

2.4 不同單循環微波作用時間對粳高粱總淀粉和直鏈淀粉質量分數的影響

微波的快速加熱效應和極化效應影響淀粉分子間及其與水分子間的化學反應動力學速率，進而影響淀粉的分子結構和物理化學性質[21]。如表2所示，相比于天然高粱（未進行微波處理，下同）淀粉，隨著單循環微波作用時間在1.02～5.00 min延長，總淀粉質量分數、直鏈淀粉質量分數總體上有增加趨勢，與劉佳男等[22]的結論一致。與天然高粱淀粉相比，在1.02、2.08、3.13 min時直鏈淀粉變化不顯著，在4.17、5.00 min時直鏈淀粉質量分數有一定增加，5.0 min時增加量達到1.06%。相對于天然高粱淀粉，在1.02、4.17 min時總淀粉質量分數變化不顯著，在2.08、3.13、5.00 min時總淀粉質量分數有一定增加，2.08 min時增加量達到2.55%。直鏈淀粉質量分數增加可能在于微波干燥作用使高粱中支鏈淀粉的部分長鏈發生分解，轉變為直鏈淀粉[23]；總淀粉質量分數增加可能在于微波的熱效應和極化效應破壞了天然高粱中淀粉與蛋白質及單寧等物質的聚集結構，使部分淀粉得到了釋放。

表2 天然和不同單循環微波作用時間條件下高粱的總淀粉、直鏈淀粉質量分數Table 2 Contents of total starch and amylose in raw and microwavedried sorghum

2.5 不同單循環微波作用時間處理后粳高粱FTIR分析

如圖6所示，各組在995 cm－1處吸收峰基本無差異；在1 022、1 047 cm－1時，時間由3.13 min延長到5.00 min時，曲線逐漸升高，時間為1.02、2.08 min時，與天然高粱的曲線相比變化不明顯；3 650～3 200 cm－1區域為強而寬的吸收峰，時間為1.02、2.08 min時，峰高與天然高粱差別不大，當時間延長到3.13、4.17、5.00 min時，吸收峰相比于天然高粱顯著變窄變高；1 750～2 750 cm－1區域時，峰型位置有明顯的變化，相對于天然高粱，時間為1.02、2.08 min時的峰型位置明顯變窄變低，時間為3.13、4.17、5.00 min時峰型位置顯著變寬變高，總體上，隨著單循環微波作用時間的延長，吸收峰逐漸變寬變高。原因可能是在干燥前高粱含水率一定的情況下，隨著單循環微波作用時間的延長，高粱吸收微波能增加，使淀粉分子吸收轉化為的動能增加，振動強度增大，這與圖1中單循環微波作用時間對高粱含水率下降的影響規律基本一致。

圖6 天然和不同單循環微波作用時間條件下高粱淀粉的FTIRFig. 6 Infrared spectra of raw and microwave-dried sorghum starch

分析表明，淀粉樣品在干燥前后的紅外吸收光譜峰型沒有明顯差異，沒有新吸收峰的出現，表明微波干燥高粱并不影響高粱淀粉的化學基團，未產生新的化學鍵或者基團，與遲治平[10]、陳秉彥[11]等的結論一致。不同單循環微波作用時間條件下，相應吸收峰的強度存在明顯變化，表明對應的特征化學基團振動強度產生明顯變化。在微波輻射作用下，淀粉分子振動強度改變。

2.6 不同單循環微波作用時間對粳高粱淀粉老化性質的影響

峰值黏度的產生是由于淀粉充分吸水膨脹后，顆粒之間相互摩擦而使糊液黏度增大，能反映淀粉的膨脹能力[24]。谷值黏度反映淀粉在高溫下的耐剪切能力，能夠影響食品加工操作難易。最終黏度是由于溫度降低之后淀粉顆粒所包圍的水分子運動減弱，淀粉黏度再度升高，其反映了淀粉的回生特性[25]。如表3所示，相對于天然高粱淀粉，單循環微波作用時間在1.02～5.00 min范圍變化時，微波干燥高粱淀粉的峰值黏度總體低于天然高粱淀粉，呈降低趨勢；谷值黏度和最終黏度總體高于天然高粱淀粉，呈增加趨勢。其中，時間為4.17 min時峰值黏度略有增加可能為實驗誤差引起，當時間達到5.00 min時，峰值黏度降低最顯著，從4 945 mPa·s降低到4 150 mPa·s。微波作用時間為2.08 min時谷值黏度略有下降可能為實驗誤差引起。

衰減值反映了淀粉顆粒在進行加熱處理時抗剪切力而維持分子內部結構穩定性能力的大小，衰減值越大代表淀粉顆粒的穩定性越差[26]。研究表明支鏈淀粉的長鏈含量與衰減值之間呈顯著正相關[27]。回生值能夠反映淀粉糊的穩定性及老化能力，回生值越大，在一定程度上表明淀粉越易老化[28]。淀粉的老化性質與直鏈淀粉的含量及支鏈鏈長的分布情況有關。如表3所示，相對于天然高粱淀粉，單循環微波作用時間在1.02～5.00 min范圍時，微波干燥高粱淀粉的衰減值均低于天然高粱淀粉，衰減值總體呈降低趨勢，微波作用時間為5.00 min時，衰減值最低，最大減少量達到990 mPa·s；隨著單循環作用時間的延長，淀粉回生值逐漸增大，與天然高粱淀粉相比最大增加量達到267 mPa·s。可見，相對于天然高粱淀粉，隨著單循環微波作用時間在1.02～5.00 min范圍延長，高粱淀粉顆粒熱穩定性增加，淀粉更易老化。時間達到5.00 min時，淀粉顆粒熱穩定性最高，老化也最嚴重。

在微波輻射作用下，高粱中的支鏈淀粉的長鏈部分分解為短鏈或直鏈淀粉，結合的氫鍵數量增多，回生值增加。前述分析可知，相對于天然高粱淀粉，直鏈淀粉含量隨著單循環微波作用時間的變化而略增，這可能由于微波輻射作用，使支鏈淀粉的長鏈部分分解為直鏈淀粉，氫鍵結合增多，回生值增大；支鏈淀粉的長鏈含量減少，衰減值減小。因此相比于天然高粱淀粉，微波干燥后的高粱淀粉衰減值下降、回生值增加，淀粉更易老化。

表3 天然和不同單循環微波作用時間條件下高粱淀粉的老化性質指標Table 3 Aging properties of raw and microwave-dried sorghum starch

2.7 不同單循環微波作用時間對粳高粱淀粉顆粒微觀形貌的影響

如圖7A所示，天然粳高粱淀粉顆粒多為類圓形和不規則形狀，表面內凹，顆粒較大，部分顆粒表面有類蜂窩狀結構，少部分較小顆粒為球形或橢球形，表面光滑。在不同單循環微波作用時間條件下，淀粉顆粒如圖7B～F所示，淀粉顆粒總體形狀基本不變。但部分淀粉顆粒表面產生較明顯的裂紋、表層脫落、甚至開裂及破碎現象，部分淀粉顆粒的表層凹陷程度加劇。可能原因為高粱在微波干燥過程中，籽粒內部極性水分子吸收微波能，并不斷轉化為自身的熱能形成蒸汽壓，當此壓力達到或超過淀粉顆粒分子鏈組織結構所能承受的強度時，顆粒表面的束縛被打破，顆粒外觀及內部發生一定程度的改變[12]。

圖7 天然和不同單循環微波作用時間條件下高粱淀粉SEM圖Fig. 7 Microscopic morphology of raw and microwave-dried sorghum starch

2.8 不同單循環微波作用時間對粳高粱淀粉糊化特性的影響

如表4所示，高粱淀粉糊化過程中，在64～74 ℃之間存在一個明顯的吸熱峰。天然高粱和微波干燥高粱淀粉的相變起始溫度都較低，約為64 ℃左右。與天然高粱相比，單循環微波作用時間在1.02～5.00 min范圍變化時，高粱淀粉的相變起始溫度、相變峰值溫度、相變終止溫度和相變溫度差異不顯著。由圖2可知，當時間在1.02～5.00 min變化時，干燥過程中高粱籽粒的平均溫度約在59～64 ℃之間變化，可見微波干燥高粱過程中籽粒未產生較明顯的糊化過程。

淀粉的相變糊化焓代表在相轉變過程中雙螺旋鏈的解開與熔化所需要的能量，熱焓值越大，表明淀粉顆粒結構越緊密，分子間相互作用力越強[29-30]。由表4可知，與天然高粱淀粉相比，單循環微波作用時間在1.02～5.00 min范圍變化時，高粱淀粉的糊化焓有所下降，與劉佳男[22]、李世杰[31]等的結論一致。尤其在4.17、5.00 min時，糊化焓下降較顯著，分別下降了2.82、2.64 J/g。表明微波干燥后的粳高粱淀粉中雙螺旋鏈含量減少，淀粉顆粒結晶區相鄰支鏈淀粉雙螺旋的相互作用力減弱，淀粉顆粒中的分子排列變得無序化[22]。微波對高粱籽粒的干燥作用破壞了存在于淀粉顆粒結晶區或無定形區的部分雙螺旋結構，使分子發生了重排列，因此微波干燥后高粱淀粉表現為糊化焓下降。

表4 天然和不同單循環微波作用時間條件下高粱淀粉的糊化特性指標Table 4 Gelatinization properties of raw and microwave-dried sorghum starch

3 結 論

單循環微波作用時間對高粱含水率和籽粒溫度都產生了較大影響。隨著單循環微波作用時間在1.02～5.00 min范圍內延長，高粱累積的熱量逐漸增加，高粱物料含水率下降幅度明顯增加，高粱籽粒溫度升高速度增加；改變單循環作用時間，高粱籽粒總體溫度變化都包含快速上升和趨于穩定兩個階段。

相對于天然粳高粱，在1.02～5.00 min范圍改變單循環微波作用時間對高粱總蛋白質量分數影響不顯著，總蛋白質量分數最大變化量為0.4%；天然高粱經微波干燥（單循環作用時間5.00 min）后差異蛋白表達發生了顯著的變化，篩選出共有的85個差異蛋白中有34個表達下調，51個表達上調；GO功能分類表明，在生物學過程功能分類中，參與細胞生物學過程的蛋白最多，在細胞組分功能分類中，與細胞、細胞部位相關的蛋白最多，而在分子功能分類中，與催化活性、結合作用相關的蛋白最多；KEGG通路分析表明，差異蛋白質極顯著參與碳代謝、糖酵解/糖異生、光合生物碳固定、氨基酸的生物合成、氨基糖和核苷酸糖代謝、三羧酸循環等代謝途徑（P＜0.01）；顯著參與淀粉和蔗糖代謝、RNA降解、內質網中的蛋白質加工和次級代謝物生物合成等代謝途徑（P＜0.05）。差異蛋白的這些變化將可能對微波干燥高粱籽粒后續深加工中的生物學過程及營養功能產生影響。

相對于天然粳高粱，在1.02～5.00 min時間范圍，隨著單循環微波作用時間的延長，總淀粉質量分數、直鏈淀粉質量分數總體上呈增加趨勢，在較長的單循環作用時間條件下，相對含量增加得較明顯，最大增加量分別為2.55%和1.06%；微波干燥高粱未產生新的化學鍵或基團，但對應的特征化學基團的振動強度產生明顯變化，隨著單循環微波作用時間的延長，對應化學基團的振動強度逐漸增大。

天然粳高粱淀粉顆粒較大，多為不規則形狀和近似圓形，表面存在內凹陷，類蜂窩狀結構存在于部分顆粒表面，少部分較小顆粒形狀為球形或橢球形，表面比較光滑；在1.02～5.00 min范圍的不同單循環微波作用時間條件下，干燥后的粳高粱淀粉顆粒總體形狀基本不變，但部分淀粉顆粒表面產生較明顯的裂紋、表層脫落、開裂及破碎現象，部分淀粉顆粒的表層凹陷及類蜂窩狀結構程度加劇，表明微波干燥處理對部分天然粳高粱淀粉顆粒產生了形貌上的較大影響。

與天然粳高粱淀粉相比，隨著單循環微波作用時間在1.02～5.00 min范圍延長，總體看高粱淀粉的衰減值減小，回生值增大，衰減值最大減少量達到990 mPa·s，回生值最大增加量達到267 mPa·s，表明微波干燥高粱更易回生，淀粉顆粒熱穩定性提高；且單循環作用時間越長，回生越嚴重、熱穩定性越高；微波干燥高粱淀粉的相變起始溫度、相變峰值溫度、相變終止溫度總體差異不顯著，但淀粉的糊化焓值都有所下降，在4.17、5.00 min微波作用時間條件下，糊化焓值下降比較顯著，減少量達到2.82 J/g。