不同加工方式對藜麥淀粉結構與功能特性的影響

杜春婷, 黨 斌,2, 楊希娟,2, 張 杰,2, 張文剛,2

(青海大學農林科學院，青海省青藏高原農產品加工重點實驗室1，西寧 810016)(省部共建三江源生態與高原農牧業國家重點實驗室2，西寧 810016)

藜麥(ChenopodiumquinoaWilld.)又稱為南美藜、奎藜，其營養價值極高，是“全營養食品”，具有預防與治療多種慢性疾病的功效[1]。目前藜麥在我國山西、內蒙古、甘肅、吉林、青海等地區均有較大種植面積[2]，在高原地區其已成為特色經濟作物。

藜麥淀粉是藜麥的主要營養成分，占干物質總質量的58.0%～64.2%。藜麥淀粉顆粒為多邊形，屬于假塑性非牛頓流體結構，吡喃環、—OH、—CH2和—CHO是淀粉分子中的典型官能團，其具有良好的穩定性、乳化性和凝膠性，富含淀粉的藜麥籽粒是加工各種食品，如制作湯羹、餅干、面包、嬰兒食品等的理想谷物[3，4]。加工會影響淀粉的結構與功能，而淀粉的特性決定了產品的性狀、營養與感官品質。蒸制是最傳統的加工方式，何夢[5]發現蒸煮可以提高大米淀粉的黏度，低溫過量水蒸使大米淀粉發生退火，雙螺旋結構增強；徐建國[6]發現萌發燕麥使其淀粉崩解值和回生值先降低后升高，適度的萌發能夠提升淀粉的冷糊穩定性；肖香等[7]指出大麥粉經擠壓膨化后吸水指數和水溶指數分別上升了 341%和7.98%，糊化溫度由69.5 ℃下降至50.2 ℃，淀粉顆粒明顯聚合。

目前，對藜麥淀粉的研究主要在其成分含量、理化性質與消化特性上，關于常用食品加工方式對其淀粉結構與功能特性影響鮮有報道。本研究以青白藜1號藜麥為原料，選用蒸制、萌動、擠壓膨化技術加工藜麥并提取淀粉，分析不同加工方法對藜麥淀粉結構、理化和功能特性的影響。

1 材料與方法

1.1 原材料與試劑

原料：青白藜1號由青海大學農林科學院作物所提供。

試劑：氯化鈉、氫氧化鈉、乙醇(分析純)；纖維素酶(5.0×104U/g)、中性蛋白酶(6.0×105U/g)；實驗用水為去離子水。

1.2 主要儀器與設備

KETSE 20/40D雙螺桿擠壓膨化機，S-3400N 掃描電子顯微鏡，Mastersizer2000激光粒度分析儀，X’Pert PRO X-射線衍射儀，N4S 紫外分光光度計。

1.3 方法

1.3.1 原料處理與樣品制備

藜麥籽粒經除雜清洗后進行不同處理。未處理組45 ℃烘干，粉碎過篩；煮制組將藜麥顆粒均勻鋪于紗布上，常壓下水沸騰入籠熱蒸5min，冷凍干燥20 h，粉碎過篩；萌發組用去離子水將藜麥沖洗并浸泡6 h，均勻鋪在雙層濾紙上于25 ℃培養箱暗室發芽，每12 h噴灑1次去離子水，萌發48 h，冷凍干燥，粉碎過篩；擠壓膨化組取部分未處理藜麥粉于雙螺桿擠壓膨化機(六區150 ℃、螺桿轉速100 r/min)膨化，粉碎過篩。

藜麥淀粉參考翟婭菲等[8]的方法稍加改動后提取。將過100目篩后的藜麥粉分別與60%乙醇按1∶7比例混合浸提3 h。隨后4 000 r/min離心10 min，用適量蒸餾水混合沉淀后同條件離心，取下層沉淀并用質量分數為0.75%的NaCl 溶液浸泡45 min，用蒸餾水清洗4次，離心后將沉淀溶于蒸餾水。加入20 U/g 纖維素酶于25 ℃攪拌樣品3 h，酶解后離心。沉淀再次溶于水，調pH到7，加入中性蛋白酶100 U/g，25 ℃下攪拌酶解40 min。酶解后的樣品同轉速離心20 min，取下層白色物質于培養皿，30 ℃烘箱烘干，得粗淀粉，置于干燥器室溫保存。

1.3.2 淀粉的結構特性

按付麗紅等[9]和杜雙奎等[10]的方法。將藜麥淀粉均勻粘附于導電膠后噴金處理，置于電子顯微鏡下掃描；準確稱取適量淀粉樣品與適量KBr充分研磨，壓片，在400～4 000 cm-1范圍內進行紅外光譜掃描；配制5 %淀粉懸濁液，超聲波分散后于0.1～500 μm范圍內進行激光粒度分析；X射線衍射用石墨單色器濾色片，掃描范圍為4°～50°，參考Nara等[11]的方法計算結晶度。

1.3.3 藜麥淀粉的功能特性

溶解度與溶脹度測定：取一定質量(m)藜麥淀粉配成2%的懸濁液，沸水浴均勻加熱15 min，快速冷卻后4 000 r/min離心15 min，分離上清液，105 ℃烘干稱重。烘干的上清液質量即為溶解淀粉質量m1，其余部分為溶脹淀粉質量m2。溶解度(S)和膨脹度(B)如式(1)和式(2)所示。

S=m1/m×100%

(1)

B(g/g)=m2/[m×(100-S)/100]

(2)

透光率測定：將質量分數為1%的淀粉乳置于沸水浴中不斷攪拌加熱糊化30 min，冷卻至室溫，以蒸餾水做空白，在波長為 650 nm 處測定其吸光度A，透光率按式(3)計算。

T=10-A×100%

(3)

融凍穩定性測定：配制質量分數為6%的乳液，沸水浴加熱糊化30 min，取一定質量(m)裝至離心管，經快速冷卻后，將樣品在-20 ℃條件下冷凍24 h和48 h，取出樣品，自然解凍6 h后4 000 r/min離心15 min，棄上清液，稱取沉淀物質量m1，利用式(4)分別計算凍融24、48 h后的析水率。

析水率=(m-m1)/m×100%

(4)

老化值測定：配制質量分數為2%乳液，沸水浴均勻加熱20 min，取一定量淀粉糊于4 ℃冷藏24 h，4 000 r/min離心15 min，淀粉糊析出水占原淀粉糊的體積分數即淀粉的老化值[12]。

RVA測定：取適量樣品配制成的12%淀粉懸浮液于鋁盒中，用RVA儀進行掃描測定。

1.4 數據統計分析

實驗平行3次，所得數據采用Excel、MID jade 6.0、SPSS20、OMNIC 8等軟件進行分析處理；數據的顯著性使用方差分析LSD法(α=0.05)進行檢驗；采用Origin 2018作圖。

2 結果與分析

2.1 藜麥淀粉的結構特性

2.1.1 淀粉形貌

由圖1可知，經過不同加工處理藜麥提取的淀粉在形貌上存在明顯差異。圖1a中未處理藜麥淀粉呈現較規則的多面體結構，輪廓清晰，無堆積現象且存在小顆粒淀粉，與Jiang等[13]報道結果一致。經蒸制后，提取的藜麥淀粉顆粒表面凹凸不平，有塌縮現象，黏聚的大顆粒體增加，粒徑均一性降低(圖1b)。萌發組藜麥淀粉形態變化較小，但淀粉表面粗糙度增大，細微褶皺增加，大顆粒淀粉也略有增加(圖1c)。圖1d中，擠壓膨化組淀粉顆粒出現破損、皺縮和明顯棱角，淀粉顆粒之間黏聚加重，形狀不規則。總體來說，3種加工方式處理籽粒，擠壓膨化對淀粉形貌影響最大，蒸制次之，萌發影響相對較小。

蒸制屬于濕熱處理，在短時高溫蒸汽的作用下，藜麥籽粒中淀粉顆粒發生部分糊化和膨脹，冷卻后顆粒結構進一步變化，表現出部分皺縮和黏聚[14]。萌發是種子呼吸代謝的過程，生物酶隨機結合在淀粉顆粒表面，從表面開始酶解并逐步通過形成的小孔擴散至淀粉顆粒中心[12]。因此，可以從圖1c觀察到，萌發藜麥的淀粉表面更粗糙，并出現細小皺紋及坑洞，這與Xing等[15]報道的結果一致。擠壓膨化加工中，藜麥粉在雙螺桿擠壓膨化機腔體內高溫、高壓和高剪切作用下處于熔融態，其淀粉發生糊化，結構遭到破壞[16]，淀粉顆粒破裂黏結，在高壓驟降和冷卻后淀粉顆粒進一步皺縮變形，形貌特征顯著改變。

2.1.2 淀粉粒徑

由圖2知，未處理藜麥的淀粉粒徑呈現單峰分布，峰值位于1.5 μm，與報道的1～2 μm結果一致[4，13]，遠小于小麥、玉米、土豆、木薯等淀粉。由于藜麥淀粉會形成聚集結構，表現出較寬的尺寸分布，這是小顆粒組成淀粉的典型特征。不同加工方式處理藜麥后，藜麥淀粉粒度分布曲線向右偏移，有粒徑增大的趨勢，其中萌發處理對粒度影響最小，蒸制影響顯著，擠壓膨化處理影響最大。

圖2 藜麥淀粉粒徑分布圖

萌發藜麥淀粉粒徑分布集中，比未處理組僅有微小的增大趨勢，與曹龍奎等[17]報道的蕓豆淀粉隨著萌發時間延長粒徑逐漸減小不同，可能是藜麥萌發過程中淀粉粒發生水解，形成了更多的小顆粒變性淀粉，而后其聚集形成大顆粒。蒸制處理使藜麥中淀粉發生部分糊化，結構變得松散，小分子淀粉鏈發生交聯形成更大的結構，并出現黏聚現象。擠壓膨化組藜麥淀粉顆粒破損并擠壓結團，大顆粒比例顯著增加，形狀更不規則，與電鏡觀察結果一致。

2.1.3 X-射線衍射

如圖3所示，藜麥淀粉在2θ角15°、17°、18°、23°處有較強的衍射峰，為A型晶體結構，與水稻、燕麥、青稞淀粉類似[5,6,18]。與未處理組相比，蒸制、萌發、擠壓膨化后其淀粉衍射峰基本一致，沒有改變藜麥淀粉的晶體類型。計算得到未處理組藜麥淀粉的結晶度為31.3%，略高于Jiang等[13]報道的21.0%～29.6%；蒸制組、萌發組淀粉的結晶度提升，分別為35.4%和32.3%；擠壓膨化組淀粉結晶度降低至28.6%。

圖3 藜麥淀粉X-射線衍射圖

淀粉是由直鏈和支鏈淀粉分子形成的聚合體，這種聚合體由無定形的非結晶區和有序的結晶區構成。本研究發現藜麥經過短時熱蒸處理后，其淀粉結晶度有所提高，可能原因一方面是濕熱處理后藜麥淀粉顆粒內部結構變化，淀粉鏈之間結合增強，發生雙螺旋配對重排[19,20]；另一方面，實驗對經蒸制后的藜麥進行了冷凍干燥，其淀粉發生重結晶，支鏈淀粉在氫鍵作用下形成更緊密有序的結構[21]。谷物萌發會在淀粉顆粒上形成“通道”，并優先分解表面和無定形區的短鏈淀粉，增強淀粉網絡的相互作用，有序性提升[6，12]，使萌發藜麥的淀粉結晶度上升，這與梁雨荷[18]報道的結果較一致。擠壓膨化藜麥的淀粉發生糊化、膨脹、崩解，晶體結構受到較大破壞，內部有序性下降，結晶度顯著降低。

2.1.4 FTIR光譜

由圖4可知，未處理、蒸制、萌發和擠壓膨化組藜麥淀粉的光譜屬于典型的淀粉紅外光譜圖，且不同樣品的特征基團吸收峰位置無明顯差異。在3 395～3 380 cm-1間有單一強吸收峰，對應淀粉分子中O—H的伸縮振動；2 930～2 927 cm-1處對應—CH2的C—H伸縮振動；1 648～1 645 cm-1對應C=O的伸縮振動；928 cm-1處對應D-吡喃環葡萄糖的α-1,4糖苷鍵的骨架振動；578～577 cm-1的弱吸收峰對應吡喃環骨架振動區[4,15]。

圖4 藜麥淀粉的紅外光譜圖

淀粉紅外光譜中波數1 047、1 022、995 cm-1吸光度比值可以用來評估淀粉雙螺旋短程結構有序度和結晶度變化，其中1 047 cm-1/1 022 cm-1比值越大則淀粉結晶度越高，1 022 cm-1/995 cm-1比值越小則淀粉中雙螺旋的分子有序度越高[22]。未處理、蒸制、萌發和擠壓膨化組的淀粉1 047 cm-1/1 022 cm-1處吸光度比值分別為0.827、0.864、0.835和0.813，即蒸制和萌發組淀粉的結晶度升高，而擠壓膨化組淀粉結晶度降低；1 022 cm-1/995 cm-1比值分別為1.414、1.381、1.405和1.486，表明蒸制和萌發組藜麥淀粉的雙螺旋有序度有所提高，擠壓膨化組則顯著降低，與XRD分析結果一致。3種加工方式處理藜麥對其淀粉分子表面官能團種類影響較小，但使吸收強度有所改變，其中擠壓膨化組減弱最明顯，擠壓膨化組的部分吸收峰減弱可能是由于分子間連接鍵斷裂，晶體結構被破壞以及含水量不同導致。

2.2 藜麥淀粉的功能特性

2.2.1 藜麥淀粉溶解度與溶脹度

由圖5可知，蒸制、萌發、擠壓膨化處理可提高藜麥淀粉的溶解度與溶脹度，其中擠壓膨化藜麥后其淀粉溶解度和溶脹度分別提升3.70和1.24倍。由于蒸制藜麥的淀粉結晶度有一定提高，有序結構增加，排列緊密的淀粉顆粒不易被水分子滲透，而且從SEM和粒徑分布結果可知除淀粉黏聚增加外，淀粉顆粒的分解不明顯，因此與原淀粉相比蒸制藜麥的淀粉溶解度和溶脹度變化不顯著。萌發過程中藜麥淀粉結構和組成(直/支鏈淀粉比例、淀粉鏈長分布、結晶度等)發生變化，導致淀粉水結合能力升高，溶解性增大，但對溶脹度影響較小，與Xing等[15]報道的結果一致。支鏈淀粉是淀粉溶脹度的來源，而溶解度是直鏈淀粉浸出的結果[23]。擠壓膨化組藜麥淀粉損傷嚴重，淀粉顆粒結晶度和結構緊密程度顯著降低，使淀粉顆粒水合能力和短鏈淀粉溶出能力提高，從而導致溶解度和溶脹度顯著升高，與Yan等[21]的研究結果一致。

注：相同指標不同處理組之間標有不同字母表示在0.05水平差異顯著，下同。圖5 藜麥淀粉的溶解度和溶脹度

2.2.2 藜麥淀粉透光率

圖6表明，藜麥的淀粉透光率較玉米、馬鈴薯淀粉低[8]。相比于未處理組，蒸制和萌發組的淀粉透光率顯著減小，擠壓膨化組淀粉透光率顯著增大。淀粉的透光率與淀粉品種和性質、溶解度、顆粒大小及結構組成等有關。與未處理藜麥的淀粉相比，萌發和蒸制藜麥的淀粉粒徑、結晶度和溶解度不同程度提高，發生改性后的小顆粒淀粉受熱糊化后，可能分子排列締合形成更為緊密的構象[24]，對光線的反射和折射增多，使其透光率顯著降低。擠壓膨化藜麥的淀粉結構破壞嚴重、溶解度顯著升高，淀粉結晶度降低，粒徑顯著增大形成更多大顆粒淀粉，其結構較為松散、水和能力強，對光線折射少，使透光率顯著升高[25]。

圖6 藜麥淀粉的透光度

2.2.3 藜麥淀粉融凍穩定性

由圖7可知，24 h凍融后，萌發藜麥的淀粉析水率顯著低于未處理組，說明適度萌發有助于提高藜麥淀粉的融凍穩定性；蒸制與擠壓膨化組淀粉析水率顯著高于未處理組，說明這兩種熱處理降低了淀粉的融凍穩定性。48 h凍融后，各組藜麥淀粉水分進一步析出，萌發組淀粉持水力優勢消失，蒸制和擠壓膨化組淀粉析水率接近上限，差異不顯著。蒸制與擠壓膨化處理均會明顯降低藜麥淀粉的持水能力，使其凍融穩定性變差。藜麥萌發后，其淀粉形態保持良好、結晶度提高，但淀粉結構和組成可能發生改變，使水合能力增強，溶解性及凍融穩定性改善。凍融穩定性高的淀粉有利于冷藏、冷凍或罐裝食品加工。研究表明，熱處理很難提高淀粉的凍融穩定性[26]。蒸制藜麥的淀粉雖然也保持相對完整的形態，但重結晶后形成的高結晶度淀粉顆粒可能吸水受限，導致析水率增加。擠壓膨化藜麥的淀粉凍融穩定性相對最差，淀粉凝膠較為稀松，可能與淀粉顆粒結構的嚴重損傷、結晶度的下降、溶解度上升等有關[27]。

圖7 藜麥淀粉的融凍穩定性

2.2.4 藜麥淀粉老化性

由圖8可知，相比未處理組，蒸制組淀粉老化值顯著提高，而萌發和擠壓膨化組淀粉老化值變化不顯著。淀粉老化是指淀粉稀溶液糊化后，冷卻過程中線性分子重新排列并通過氫鍵形成不溶性分子微束的現象[12，19]。蒸制加工藜麥時，藜麥內淀粉部分發生糊化，隨后在冷凍干燥過程中發生分子重排和重結晶使淀粉結晶度提高，分子間相互作用力增強[21，24]；當蒸制組損傷淀粉被熱水糊化后，淀粉可能形成了更多的不溶性分子微束，從而使老化值顯著提高。擠壓膨化組老化值變化不大，可能是改性淀粉分子鏈與水分子相互作用延緩了淀粉老化；此外，藜麥原粉含水量較低(8.1%)，淀粉的擠壓糊化程度可能小于蒸制加工且未經過冷凍干燥過程，從而造成淀粉老化值與未處理組差異不顯著。

圖8 藜麥淀粉的老化值

2.2.5 淀粉的糊化特性

未處理、蒸制、萌發和擠壓膨化藜麥的淀粉黏度特征值見表1。結構決定淀粉的功能特性，綜合來看，蒸制、萌發、擠壓膨化都可以通過提高淀粉溶解度、溶脹度、粒徑以及改變其顆粒形態來增強淀粉分子間的相互作用，增大了黏度數值，但損失一定熱糊穩定性和抗老化性。

表1 藜麥淀粉的糊化特性指標

與未處理組相比，蒸制使藜麥內淀粉發生部分糊化，提高了淀粉黏度，其中峰值、谷值、最終值分別增大了221.2、68.3、74.6 mPa/s；而崩解值和回生值在所有處理中最高，此時淀粉顆粒較易破碎、耐剪切能力下降，熱糊穩定性差，最易老化。擠壓膨化組淀粉黏度峰值、谷值、最終值分別提高142.5、100.1、104.3 mPa/s；崩解值、回生值有所升高，熱糊穩定性降低。萌發組淀粉黏度峰值、谷值、最終值顯著高于其他處理，分別提升574.0、449.8、504.8 mPa/s，其凝沉性和凝膠性最強；回生值與崩解值升高，其熱糊穩定性和抗老化性也變差[28]。

蒸制、萌發、擠壓膨化處理藜麥都使其淀粉的成糊時間提前，萌發組與未處理組較接近，而蒸制組與擠壓膨化組淀粉糊化更快，說明3種加工都可以加快淀粉糊的糊化進程。相比未處理組，蒸制和萌發組淀粉結晶度增大，淀粉雙螺旋結構更加緊密，新結晶的熔點可能更高且融化速度較慢[27]，從而成糊溫度升高，其中萌發組較明顯。擠壓膨化藜麥的淀粉結晶度顯著下降，雙螺旋結構無序度增加，結晶區和無定型區分子鏈間束縛力發生變化，使得淀粉成糊溫度顯著降低(67.5 ℃)，淀粉更易糊化，與結構表征結果一致。

研究表明，藜麥淀粉的回生值比馬鈴薯、玉米、蕓豆淀粉低[8，10]，具有較好的糊化穩定性，不易老化；蒸制、萌發、擠壓膨化處理藜麥會使其淀粉的糊黏度峰值上升，成糊時間提前，耐剪切能力下降，適合用于面食中降低筋度、改善口感。

3 結論

擠壓膨化和蒸制處理對藜麥淀粉損傷較大，而萌發處理較為溫和，3種處理條件下藜麥淀粉粒徑均有增大但其晶型未改變。藜麥蒸制后結晶度的明顯增加說明濕熱處理條件(溫度、時間和方式)對淀粉顆粒非結晶和結晶區域的變化影響較大；與蒸制和萌發不同，擠壓膨化使藜麥淀粉結晶度顯著降低，透光率顯著升高。3種加工方式均能提高藜麥淀粉的溶解和膨脹特性，此外非熱萌發加工還表現出改善淀粉凍融穩定性的趨勢。蒸制藜麥的淀粉抗老化能力降低，其他加工方式影響較小。藜麥淀粉功能特性與顆粒形態、粒度及結晶度等密切相關。藜麥經3種方式處理后，其淀粉黏度增大、成糊時間提前、耐剪切能力下降，熱糊穩定性不同程度降低；蒸制和萌發使藜麥淀粉成糊溫度升高，而擠壓膨化使之顯著降低；這些特性可能對面食改善口感有積極意義。不同的藜麥加工方式對其淀粉結構和功能特性存在顯著影響，因此，在藜麥產品加工中可通過評估淀粉特性變化來選擇適宜的加工方式。