基于小米淀粉顆粒結構評價小米粥適口性

張佳佳，沈 群，楊 鈺，王顯瑞，張 凡,3，王 超,*

（1.中國農業大學食品科學與營養工程學院，國家糧食產業（青稞深加工）技術創新中心，植物蛋白與谷物加工北京市重點實驗室，國家果蔬加工工程技術研究中心，北京 100083；2.赤峰市農牧科學研究院谷子研究所，內蒙古 赤峰 024031；3.北京一輕研究院有限公司，北京 101111）

小米屬禾本科，是谷子（Setaria itaticaBeauv）脫殼后的產物。我國是小米的主產區，小米產量占全世界產量的80%[1]。小米中不僅含有豐富的營養成分如優質蛋白[2]、脂肪酸[3]、碳水化合物、維生素[4]、無機鹽[5]等，還含有各種生物活性物質如膳食纖維[6]、硒[7]、肌醇[8]、谷維素[9]等，且營養素之間比例適宜、消化率高[10]，是非常優質的食物源。隨著消費水平的提升，大眾的消費觀已從“吃得飽”轉變為“吃得好”，對小米的食味品質有了更高的要求。小米的食味品質一般通過小米蒸煮后所形成米飯或米粥的感官評價判斷，主要包括外觀、氣味、滋味、適口性等，其中適口性權重最大（40%）[11]，是影響小米食味品質的關鍵因素。調查顯示，小米粥是小米最普遍的食用方式[12]，因此小米粥適口性評價對小米食用品質的提升具有重要意義。

適口性一般是指被測對象的黏性、彈性、軟硬度等[13]。研究表明，小米淀粉的特性會對小米蒸煮后的適口性產生一定的影響[14]。小米淀粉是小米最主要的組分（占56.0%～61.0%）[15]，小米粥熟化的過程主要就是淀粉糊化的過程[16]。張卓敏[17]研究發現小米粥的黏性和彈性與小米淀粉的溶解度、膨脹度和透明度呈正相關。穆秋霞等[18]的研究結果表明小米粥的適口性與小米淀粉凝膠的黏著性、彈性、黏聚性、硬度、咀嚼性、黏附性、膠黏性均呈負相關，其中彈性、硬度、咀嚼性、膠黏性與小米粥適口性呈顯著負相關。此外，小米淀粉的熱特性能夠反映淀粉的糊化性質，其通過影響淀粉糊化進一步影響小米蒸煮品質[19]。然而，現有的研究主要集中在小米淀粉的理化性質，有關結構特點影響小米粥適口性的研究較少。小米淀粉顆粒多呈現多角形，粒徑在6.14～11.9 μm之間，其直鏈淀粉含量約占20.0%～27.1%[20]。已有研究證明淀粉的顆粒結構會影響大米飯的適口性，淀粉顆粒的孔隙小，則吸水速度慢、吸水量少，淀粉蒸煮過程中不能充分糊化，蒸煮后米飯黏度低，較為松散[21]。大量前期的研究已經發現小米淀粉顆粒的直鏈淀粉/支鏈淀粉含量比對小米蒸煮后的適口性有極大的影響[22-26]。因此，本實驗在此基礎上，首先分析各品種小米粥之間的淀粉顆粒結構差異；其次評價小米淀粉顆粒結構與其理化特性及小米粥適口性的相關性；最后基于小米淀粉理化及顆粒結構特性指標建立小米粥適口性預測模型，探究小米淀粉顆粒結構對于小米粥適口性的影響，以期為我國適宜蒸煮加工小米的優選提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

‘中谷’‘豫谷18號’小米由中國農業科學院作物科學研究所提供，‘黃金谷’‘峰紅谷’‘張雜谷’‘昭農’‘赤谷6 號’‘赤谷8 號’‘赤谷17號’‘紅苗壓破車’小米由赤峰市農牧科學研究院提供。

BC4265鏈淀粉含量試劑盒、鹽酸、氫氧化鈉、乙酸鉛、硫酸鈉、石油醚、乙醚、無水乙醇、甲基紅 北京索萊寶科技有限公司。

1.2 儀器與設備

L10-L191料理機 九陽股份有限公司；BD-E2型熱風循環箱 德國Binder公司；TA.XT plus質構儀英國Stable Micro Systems公司；差示掃描量熱儀 美國TA公司；LGJ-10G標準型真空冷凍干燥機 北京四環起航科技有限公司；LS Particle Size Analyzer 13320激光衍射粒度分析儀 美國Beckman Coulter公司；AuTosorb iQ物理吸附微孔孔徑分析儀 美國Quantachrome Instruments公司。

1.3 方法

1.3.1 小米淀粉的提取

通過改良李星[22]的方法進行小米淀粉的提取。取1 kg的去皮小米，淘洗4 次后加蒸餾水至5 L，浸泡12 h。使用小型攪拌機進行破碎，每次打漿時小米與水的質量體積比約為1∶2，打漿30 s后過200 目篩。對第一道濾出的米渣再次打漿30 s后過篩，用蒸餾水反復洗米渣，濾出約5 L米漿。將米漿攪勻，用保鮮膜封口后在4 ℃下靜置。12 h后，倒掉上層黃色液體，加蒸餾水攪勻沉降物，再次4 ℃靜置，重復水洗沉降物直至上層液體澄清（約4～5 次），最后一次靜置24 h。倒掉上清液后，將桶放入40 ℃烘箱，12 h后取出沉降物并去除黃色部分，將白色部分置于干燥的紙盤中，繼續40 ℃烘干24 h。將所得白色固體粉碎后過60 目篩，即得小米淀粉。

1.3.2 小米淀粉的組成測定

總淀粉含量按GB 5009.9—2016《食品安全國家標準 食品中淀粉的測定》的方法測定；直鏈淀粉含量使用BC4265鏈淀粉含量試劑盒進行測定；支鏈淀粉含量由總淀粉含量減去直鏈淀粉含量而得。

1.3.3 小米淀粉凝膠的質構特性測定

根據張凡[27]的實驗方法進行修改，使用質構儀測定小米淀粉凝膠的質構特性。采用質構測定模式，設置形變率55%、擠壓時間5 s、擠壓力5 g、測試速率1.00 mm/s。使用系統自帶軟件分析導出數據。

1.3.4 小米淀粉的熱特性測定

根據Wang Chao等[28]的方法進行修改，使用差示掃描量熱儀測定小米淀粉的熱特性。制樣時，在液體坩堝中準確稱取3 mg淀粉并加入12 μL超純水，用壓片機壓片后放入干燥器中平衡12 h。將樣品放入儀器中，在標準模式下以10 ℃/min的升溫速率從30 ℃升溫至100 ℃，以空坩堝為對照進行測定。使用TA Universal Analysis 5.5.22軟件進行分析。

1.3.5 小米淀粉的溶解度與膨潤力測定

根據Hu Wenxuan等[29]的方法進行修改，測定小米淀粉的溶解度與膨潤力。稱取0.60 g（m）淀粉于離心管中，加入30 mL蒸餾水配制成20 mg/mL的淀粉懸濁液。在95 ℃下加熱30 min，5 000 r/min離心15 min，將上清液倒入已稱質量（m0/g）鋁盒中，放入105 ℃烘箱烘干24 h，取出再次稱質量（m1/g）；同時將沉淀物稱質量（m2/g）。按照式（1）、（2）分別計算溶解度和膨潤力。

1.3.6 小米淀粉顆粒的粒徑測定

使用激光衍射粒度分析儀進行測定。將4 g凍干的小米淀粉裝入專用樣品管中，使用旋風干粉系統進行測定，設置分析暗淡值為4%，樣品密度為1.6 g/mL，使用Beckman Coulter LS 5.01軟件分析導出粒徑數據。

1.3.7 小米淀粉顆粒孔隙的比表面積與孔徑分布測定

使用物理吸附微孔孔徑分析儀進行測定。取用1～2 g凍干的淀粉放入樣品管中，在50 ℃下真空脫氣6 h后浸入液氮中，使用儀器進行氮氣吸附脫附實驗，使用ASiQwin 2.0軟件分析導出數據，根據Brunauer-Emmett-Teller（BET）理論計算比表面積，根據Barrett-Joiner-Halenda（BJH）理論計算孔徑分布。

1.4 數據處理與分析

各項實驗重復測定3 次及以上，除特殊說明外，結果用平均值±標準差表示。使用SPSS 24軟件進行統計分析，不同品種間的差異用Duncan法進行顯著性分析，使用Pearson相關系數進行相關性分析，使用逐步回歸分析建立小米粥品質預測模型。

2 結果與分析

2.1 不同品種小米的主要組分及小米粥適口性評價結果

根據前期研究結果[27]，不同品種小米理化特性和適口性評價結果分別如表1、2所示。從表2可以看出，‘中谷’‘黃金谷’‘峰紅谷’的適口性最好，‘張雜谷’‘豫谷18號’‘昭農’的適口性一般，‘赤谷8號’‘赤谷6號’‘赤谷17號’‘紅苗壓破車’的適口性最差。

表1 不同品種小米的主要組分Table 1 Major composition of different varieties of foxtail millet

表2 不同品種小米粥的適口性得分Table 2 Sensory scores for palatability of foxtail millet congee from different varieties

2.2 小米淀粉的組成分析結果

10 個品種小米淀粉的直、支鏈淀粉組成如表3所示。不同品種間淀粉的組成存在差異。其中，直鏈淀粉含量在18.82（‘峰紅谷’）～24.56 g/100 g（‘赤谷17號’）之間，平均含量為22.18 g/100 g；支鏈淀粉含量在75.44（‘赤谷17號’）～81.18 g/100 g（‘峰紅谷’）之間，平均含量為77.82 g/100 g。可以看出，綜合評分較高的小米品種其直鏈淀粉含量較少，支鏈淀粉含量較高。由此可知，直鏈淀粉含量越高，小米粥適口性越差。

表3 不同品種小米淀粉的組成Table 3 Starch composition of ten varieties of foxtail millet

2.3 小米淀粉凝膠的質構特性

10 種小米淀粉凝膠的質構特性如表4所示，各品種間質構指標存在顯著差異。硬度是影響感官品質的重要因素之一[30]。10 種小米淀粉凝膠中，硬度最高的是適口性排名后3 位的‘赤谷6號’‘赤谷17號’和‘紅苗壓破車’，硬度均為690 g左右，排名第6的‘昭農’凝膠硬度最低，為378.30 g。

表4 不同品種小米淀粉凝膠的質構特性Table 4 Textural properties of foxtail millet starch gels from ten varieties

從其他指標來看，適口性排名后4 位（不好吃）的品種黏性（最高為－18.12 g·s）遠小于排名前6（好吃和一般）的品種，彈性、黏聚性和膠黏性也顯著偏低，不好吃的品種淀粉凝膠表現出黏性和彈性較小，黏聚性、膠黏性較小的特點。好吃的品種（適口性排名前3 位）彈性平均值約為0.93，黏聚性平均值約為0.67，膠黏性平均值約為322，咀嚼性平均值約為301，回復性平均值約為0.52。總體來說，小米淀粉凝膠硬度隨適口性下降而升高，黏性、彈性、黏聚性等其他指標均隨適口性下降而減小。好吃的3 個小米品種呈現出淀粉凝膠硬度小（約450 g）、黏聚性（約0.67）等其他質構指標大的特點。

2.4 小米淀粉的熱特性

10 種小米淀粉的熱特性如表5所示，其中起始糊化溫度（To）最高的是‘張雜谷’（66.17 ℃），最低的是‘赤谷8號’（61.65 ℃）；峰值溫度（Tp）最高的是‘昭農’（71.62 ℃），最低的是‘赤谷6號’（67.70 ℃）；糊化終止溫度（Tc）間差異不大，但是糊化溫度范圍（R）的差異較大，最高為‘赤谷17號’（28.74 ℃），最低為‘豫谷18號’（22.84 ℃）。可以觀察到，排名前6 位的品種To、Tp都高于平均值，R都低于平均值，說明淀粉糊化起始溫度較高且峰值溫度較高但糊化速度快的品種口感更好，其中好吃的3 個品種平均To約為64.87 ℃、平均Tp約為70.12 ℃、平均R約為24.13 ℃。

表5 不同品種小米淀粉的熱特性Table 5 Thermal characteristics of foxtail millet starch from different varieties

2.5 小米淀粉與水分結合能力分析結果

溶解度和膨潤力常用于反映淀粉整體表現出的溶解能力和持水能力[29]。小米淀粉在95 ℃下的溶解度和膨潤力最大[22]，表6列出了該溫度下10 種小米淀粉的溶解度和膨潤力，溶解度顯著高于其他品種的是‘張雜谷’（7.04%）和‘赤谷17號’（6.91%），溶解度最低的是‘峰紅谷’（1.79%）。10 種淀粉的膨潤力中，末位的‘紅苗壓破車’膨潤力（13.12%）顯著低于其他9 個品種（15.06%～18.58%），而適口性好的品種膨潤力總體較高（平均約16.85%），說明適口性較好的品種淀粉與水結合的能力較強。

表6 不同品種小米淀粉的溶解度和膨潤力Table 6 Solubility and swelling power of foxtail millet starch from different varieties

2.6 小米淀粉的粒徑及其分布

小米淀粉的粒徑會影響小米蒸煮后的食用品質[31]。淀粉顆粒可分為極小粒（＜4 μm）、小粒（4～10 μm）、中粒（10～20 μm）和大粒（＞20 μm）[32]，10 種小米中各類淀粉顆粒所占的比例如表7所示，小米淀粉平均97.53%的顆粒是中粒和小粒。排名第1、5名的品種粒徑分布十分相近，排名第2、3、8名的品種粒徑分布相近，幾乎全是中、小粒，粒徑集中于4～20 μm。排名第4、6名的‘張雜谷’和‘昭農’有少量大粒淀粉；排名第7、9名的‘赤谷8號’和‘赤谷17號’大粒比例最多（4.77%、4.43%），分布最零散。排名第10名的‘紅苗壓破車’極小粒比例最多（4.81%）。總體來看，好吃的品種呈現出粒徑分布集中，小粒比例較高（約55.67%）、中粒比例較低（約43.64%）、極小粒和大粒比例極低（約0.50%和0.17%）的特點。宋佳寧[33]的研究也發現，不同粒徑小米淀粉的添加會給小米饅頭帶來不同的口感，隨著添加的小米淀粉粒徑的減小，小米饅頭的硬度、咀嚼性增加，彈性、內聚性、感官評價得分減小，表明小米饅頭品質下降且越來越耐咀嚼。

表7 不同品種小米淀粉中不同粒徑顆粒所占比例Table 7 Proportions of granules of different sizes in foxtail millet starch

2.7 小米淀粉顆粒的比表面積與孔徑分布分析結果

圖1A列出了10 種小米淀粉的孔徑分布圖，dV(d)表示單位孔徑下的孔容，峰寬越窄則孔徑分布越集中，峰值越高則該孔徑的孔洞越多。根據國際化學聯合會（International Union of Pure and Applied Chemistry，IUPAC）定義，孔洞按照孔徑大小可分為微孔（＜2 nm）、介孔（2～50 nm）和大孔（＞50 nm），由圖1可知，‘中谷’‘黃金谷’‘昭農’‘赤谷8號’4 個品種含有少量微孔。

10 種小米淀粉的吸附脫附等溫線如圖1B所示。根據IUPAC對于吸附滯后現象的解釋[34]，所有品種均出現不同形狀大小的滯留回環，這是介孔在吸附脫附時發生毛細孔凝聚所致。滯留回環的形狀沒有出現典型的陡峭變化，可能由于淀粉內部孔洞并不貫通整個顆粒，而是一端封閉的交聯孔、盲孔或閉孔。‘中谷’‘黃金谷’兩品種吸附體積隨壓力增大而均勻升高，滯留回環面積小，說明其孔徑分布較為均勻，大孔極少，孔道較為規則。‘峰紅谷’‘張雜谷’‘昭農’‘赤谷8號’和‘赤谷17號’5 個品種的等溫線總體向橫軸凸出，且吸附體積在相對壓力接近1時出現不同程度的躍變，這主要是大孔吸附造成，其中‘張雜谷’‘昭農’‘赤谷8號’3 個品種的大孔較多。‘豫谷18號’‘赤谷6號’和‘紅苗壓破車’的等溫線沒有明顯凸起，但滯留回環比‘中谷’‘黃金谷’大，吸附體積總體較小，說明大孔很少，但孔徑分布較大，孔道形狀不規則。

圖1 不同品種小米淀粉的孔徑分布（A）與等溫吸附脫附曲線（B）Fig.1 Pore size distribution (A) and isothermal adsorption desorption curves (B) of foxtail millet starch from different varieties

再結合表8中部分孔隙結構定量指標來分析，可以進一步概括不同品種小米淀粉的孔隙特征。表中SBET為多點BET比表面積，表示每克淀粉外部和內部孔隙（含大孔）的表面積之和；DPO為平均孔徑，用總孔容和SBET計算，為所有孔洞的平均值；DBJH是BJH吸附孔徑，表征介孔的平均孔徑；SBJH為累積吸附表面積，表征介孔的孔內吸附表面積；VBJH為累積吸附孔體積，表征介孔的總孔容。適口性好的‘中谷’‘黃金谷’和‘峰紅谷’SBET及SBJH平均值高于總體平均值，DPO平均值低于總體平均值且偏小，DBJH平均值及VBJH平均值低于總體平均值，適口性好的小米粥的小米淀粉孔隙特征總體趨向于孔洞較小、數量較多、孔道適中。適口性中等的‘張雜谷’‘豫谷18號’和‘昭農’DPO平均值及VBJH平均值高于總體平均值，其余指標平均值都略小于總體平均值，該組小米粥的小米淀粉孔隙特征總體趨向于大孔數量較多，介孔的孔洞偏大、數量適中、孔道較淺。適口性差的‘赤谷8號’‘赤谷6號’‘赤谷17號’和‘紅苗壓破車’DBJH平均值高于總體平均值，其余指標平均值均小于總體平均值，該組小米粥的小米淀粉孔隙特征總體趨向于孔洞較大、數量較少、孔道較淺。

表8 不同品種小米淀粉的孔隙結構特征Table 8 Pore structure characteristics of foxtail millet starch from different varieties

總體來看，孔數量多、孔隙分布均勻且孔道規則的小米淀粉其小米粥適口性較好。

2.8 小米淀粉組成及理化特性與感官評分的相關性

表9列出了小米淀粉組成和理化特性與小米粥綜合評分及適口性相關評分的相關性，每種理化特性中都有指標與小米粥口感顯著相關。本實驗結果充分佐證了小米淀粉的組成及理化特性會對小米粥適口性起到決定性的作用。小米淀粉中直鏈淀粉含量、淀粉凝膠硬度以及R均與小米粥的各項適口性得分呈顯著或極顯著負相關（P＜0.05、P＜0.01），而淀粉凝膠的黏性、彈性、黏聚性、膠黏性、咀嚼性、回復性以及To、膨潤力與小米粥的各項適口性指標均呈顯著或極顯著正相關（P＜0.05、P＜0.01）。

表9 小米淀粉組成及理化指標與小米粥適口性評分的相關性Table 9 Correlation between starch composition and physicochemical indexes of foxtail millet and sensory score for palatability of foxtail millet congee

2.9 小米淀粉顆粒結構與理化性質的相關性

小米淀粉顆粒結構特性與各項適口性評分均無顯著相關性，小米淀粉顆粒結構與淀粉理化特性的相關性如表10所示。小米淀粉粒徑分布與淀粉的熱特性和水分結合能力有關。小米淀粉的小粒比例與Tc呈極顯著負相關，與R呈負相關；中粒比例與Tc呈極顯著正相關；大粒比例與小米淀粉的溶解度呈極顯著正相關。而根據2.8節中小米淀粉理化特性與適口性評分的相關性，小米淀粉的熱特性（Tc、R）及水分結合能力與小米粥的適口性顯著相關，說明小米淀粉顆粒結構主要通過影響關鍵理化性質間接影響小米粥的適口性。結合表9可知，小米淀粉中粒比例越高，米粥黏性和彈性越差；而小粒比例越高，則米粥總體適口性評價越好。從水分結合能力來看，大顆粒淀粉占比越高，米粥的持水能力越好。

表10 小米淀粉顆粒結構與理化指標的相關性Table 10 Correlation between starch granule structure and physical and chemical indexes

2.10 小米粥適口性預測模型

為量化小米粥適口性與小米淀粉顆粒結構及理化特性之間的關系，將小米粥的綜合評分作為因變量，將前述表中包含的25 個指標作為自變量進行逐步回歸分析，逐步引入最顯著自變量的同時剔除不顯著的自變量[35]。經SPSS軟件分析得到的線性回歸方程，如式（3）所示。

表11 小米粥適口性的預測得分Table 11 Predicted scores for palatability of millet congee

3 結論

本實驗初步探索了不同品種小米粥的適口性與小米淀粉組成、理化及顆粒結構特性的關系。結果表明，小米淀粉的直鏈淀粉含量與小米粥的適口性呈顯著或極顯著負相關；淀粉小粒比例多、極小粒比例少、介孔累積孔容大，則糊化終止溫度更低、糊化更快，小米粥適口性好。小米淀粉的顆粒結構是通過影響小米淀粉理化特性間接影響小米蒸煮后的品質。另外，本研究構建了由小米淀粉的凝膠黏聚性、直鏈淀粉含量、極小粒比例、R以及SBJH組成的小米粥適口性預測模型（R2＝0.996）。預測得分與總分的相關系數達到0.998（P＜0.01），可為優化谷子加工品種的優選提供判斷依據。