不同直鏈淀粉含量小麥淀粉理化性質與消化特性研究

李 旭,王 弘,王 鼎,李 雯,李學軍

(1.西北農林科技大學農學院,陜西楊凌 712100; 2.陜西省種子工作總站,陜西西安 710018)

淀粉是成熟小麥籽粒的主要組成部分,約占籽粒胚乳的70%～80%[1],依據其結構特征可分為兩類:直鏈淀粉和支鏈淀粉。常規(guī)小麥品種的直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例約為1∶3;由于品種、農藝措施以及生長環(huán)境等因素的不同,特定品種的直鏈淀粉和支鏈淀粉比例會發(fā)生變化[2-3]。直鏈淀粉和支鏈淀粉各自形成不同層次的精細結構,二者的比例以及相互作用對淀粉的水結合能力、熱特性和酶解特性都有很大影響[4]。淀粉中還存在少量脂類、蛋白質等物質,脂類和蛋白質通常與淀粉以復合物的形式存在,二者的單一或協(xié)同作用造成了淀粉理化性質、谷物品質和工業(yè)用途的多樣性[5]。

隨著社會發(fā)展和人民生活水平的日益提高,人們對小麥營養(yǎng)品質的要求也越來越高,小麥淀粉品質的改良越來越受到研究者重視。提高小麥抗性淀粉含量,降低小麥淀粉在人體腸道的消化速率和消化程度,有助于改善饅頭、面包和其他面制食品對人體血糖的影響。淀粉消化速率由其微觀結構控制,淀粉的微觀結構包括直鏈和支鏈淀粉的比例、淀粉顆粒的形態(tài)和大小、淀粉顆粒的結晶特征以及直鏈和支鏈淀粉的精細結構等,他們共同影響酶對淀粉的結合與催化效率,并決定淀粉的消化程度與消化速率[6-7]。隨著直鏈淀粉含量的增加,淀粉消化速度減慢,消化程度降低[8]。Li等[9]研究認為,在烹飪過程中高直鏈淀粉含量可以抑制淀粉顆粒的膨脹以及內部晶體結構的崩解,從而阻礙酶與淀粉的接觸,降低淀粉的消化速率。與低直鏈淀粉含量相比,高直鏈淀粉含量的淀粉顆粒在膨脹及冷卻過程中,大量浸出的直鏈淀粉易于重新排列,形成重組的有序結構,這其中可能會包含穩(wěn)定的雙螺旋結構以及強度更高的結晶[10]。Dhital等[11]研究認為,較小的淀粉顆粒比較大的淀粉顆粒更容易被酶水解,這是因為它們單位質量淀粉粒與酶接觸的表面積更大。也有研究指出,淀粉顆粒的完整性對淀粉的消化率有重要影響,破壞淀粉顆?？梢栽黾用概c淀粉的接觸面積[12]。

本研究選擇4個直鏈淀粉含量差異較大的小麥品種,研究不同直鏈淀粉含量的小麥淀粉在淀粉粒度分布、晶體特性、黏度特性、熱特性以及消化特性方面的差異,以期明確小麥淀粉理化性質與消化特性的關系,為高直鏈淀粉小麥的開發(fā)利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

研究選用目前大面積推廣的4個直鏈淀粉含量不同的小麥品種,分別是陜糯1號、鄭麥119、中麥895和西農836。4個品種于2020-2021年度種植于西北農林科技大學農作一站(陜西楊凌,108°4′E,34°160′N)。每個品種種植10行,行長2 m,行間距0.23 m,設置3個重復。播種前,施用600 kg·hm-2復合肥(N-P2O5-K2O)作為基肥。其余管理同當地大田生產。于2021年6月中旬小麥完熟期收獲籽粒,經充分晾曬后在陰涼干燥處放置4周,然后進行后續(xù)試驗。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 小麥粉制備

取200 g小麥籽粒,用錘式旋風磨(LM 3100, Perten)磨粉;過80目篩后裝入自封袋中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 小麥淀粉提取及純化

取30 g小麥粉,加入60%的蒸餾水,手揉制成面團,室溫下靜置30 min;用蒸餾水揉洗面團,得到粗淀粉漿;將淀粉漿過100目篩后5 000 r·m-1離心10 min,去上清液,刮除附著在沉淀上方的雜質,收集下層淀粉;參照崔亞楠等[13]的方法,用NaOH-堿性蛋白酶混合體系去除淀粉中的蛋白質;參照周冬冬[14]的方法,使用甲醇和丙酮混合液去除淀粉中的脂類物質;置于45 ℃ 烘箱烘干即為純淀粉。

1.2.3 直鏈淀粉含量測定

參照戴 雙等[15]的方法,準確稱取1.2.2中提取的小麥淀粉0.1000 g,緩緩傾倒在50 mL燒杯底部;加入幾滴無水乙醇潤濕并分散淀粉,加入10 mL 0.5 mol·L-1KOH;于80 ℃ 水浴加熱并用玻璃棒持續(xù)攪拌10 min,使淀粉糊化;取出燒杯使其冷卻至室溫,將內容物轉移到50 mL容量瓶中,用蒸餾水定容,搖勻后靜置。取定容后的上清液2.5 mL加入50 mL燒杯中,加25 mL蒸餾水;用0.1 mol·L-1HCl將pH值調整到3.5,加0.5 mL碘試劑,攪拌均勻;將溶液轉移至50 mL容量瓶并定容,搖勻后在室溫下放置30 min;在測定波長和參比波長下測定吸光度,根據標準曲線換算成直鏈淀粉含量。

1.2.4 淀粉粒度分布測定

參照銀永安等[16]的方法,用激光衍射粒度分析儀(S3500,Microtrac)測量其粒度分布。

1.2.5 淀粉晶體結構測定

使用X射線衍射儀(D8 ADVANCE A25,Bruker),測定淀粉樣品的結晶度。參數設定:電流30 mA,電壓40 KV,掃描范圍2θ = 5～40°,步長0.02°。利用軟件MDI Jade 6.0擬合淀粉的結晶峰和非結晶峰,從而獲得淀粉的相對結晶度。

1.2.6 淀粉熱力學性質測定

參照吳桂玲等[17]的方法,準確稱取5 mg淀粉樣品于鋁制坩堝中,按1∶2(w/w)比例加入蒸餾水,將坩堝密封后放置在4 ℃ 冰箱24 h;使用差示掃描量熱儀(Q2000,TA)進行熱特性測定,溫度范圍為30 ℃至100 ℃ ,升溫速率為10 ℃·min-1,空白對照為鋁制空坩堝。利用儀器自帶的DSC分析軟件進行數據處理,得到起始溫度、峰值溫度、終止溫度及熱焓值。

1.2.7 淀粉黏度指標測定

使用快速黏度分析儀(RVA 4500,Perten),根據軟件自帶的程序文件Standard 1進行測定。具體過程如下:取25.0±0.01 mL蒸餾水(預先應測定淀粉樣品含水量并按12%濕基進行水分補償)移入鋁罐中;取3.00 g淀粉到鋁罐中,攪拌均勻,將鋁罐安放在快速黏度分析儀內。起始的10 s內,攪拌速度960 r·min-1;以160 r·min-1的速度直到測試結束。起始溫度為50 ℃,維持1 min,以12 ℃·min-1的升溫至95 ℃,保持2.5 min;以12 ℃·min-1的速率降至50 ℃,保持恒溫到測試完成,得到黏度參數峰值黏度、低谷黏度、崩解值、最終黏度、回生值、峰值時間和糊化溫度。

1.2.8 淀粉消化指標測定

根據Englyst等[18]的方法做適當修改。具體如下:預先配置混合酶體系(豬胰酶20 U·mL-1,糖化酶20 U·mL-1),并將酶液置于37 ℃ 恒溫搖床中孵育。準確稱取200 mg淀粉,傾倒在50 mL帶蓋離心管的底部,加入5 mL蒸餾水,輕輕震蕩使其分散混勻;震蕩沸水浴30 min使淀粉完全糊化;將其冷卻至37 ℃ 后加入10 mL醋酸鈉緩沖液(0.2 mol·L-1,pH = 5.2);置于37 ℃ 恒溫搖床中30 min;加入5 mL預先孵育過的混合酶液,形成20 mL的反應體系;于37 ℃ 恒溫搖床中持續(xù)反應,并將加入酶液的時間記為消化反應的起始時間。在反應開始4、8、12、16、20、40、60、80、100、120、140、160、180、200 min后從反應體系中取出0.2 mL溶液,置于已加入2 mL無水乙醇的離心管中,劇烈振蕩,終止酶促反應;10 000 r·min-1離心5 min,取1 mL上清液加入DNS試劑2 mL,沸水浴加熱5 min后取出,冷卻至室溫。各管中加入9 mL蒸餾水稀釋,混勻。用分光光度計于540 nm處測吸光值,換算成體系中的葡萄糖含量,得到淀粉樣品的消化程度(Ct)。

淀粉消化程度的計算公式為:

Ct=Glu×0.9×(V×N)/T×100%

快消化淀粉(RDS,%)=C20

慢消化淀粉(SDS,%)=C120-C20

其中Glu為經DNS試劑測定得到的葡萄糖含量,0.9為葡萄糖與淀粉轉換系數,V為整個消化體系的體積,N為稀釋倍數,T為淀粉樣品的干基質量。C20和C120、C200分別代表淀粉經酶水解反應20 min、120 min和200 min后的消化程度。

1.3 數據分析

數據分析采用SPSS Statistics 26,所有數據至少3次重復。采用Tukey檢驗進行方差分析,使用Excel 2013繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 不同小麥品種的淀粉組分

4個小麥品種的直鏈淀粉含量為3.66%～35.82%,品種間差異均顯著(表1)。西農836的直鏈淀粉含量最高,其次是中麥895和鄭麥119,陜糯1號的直鏈淀粉含量最低。

淀粉相對結晶度反映淀粉顆粒內部結晶區(qū)域和無定型區(qū)的構成比例。陜糯1號具有最高的相對結晶度,為37.12%,其次為鄭麥119 (29.78%)、中麥895(27.44%)、西農836 (26.55%)。根據X射線衍射圖譜(圖1),4個品種淀粉的XRD波譜特征均在2θ為15°和23°附近有較強的衍射峰,在17°和18°附近有一個相連的衍射雙峰;除陜糯1號外,其他3個品種的淀粉在2θ = 20°處有一個衍射峰,該峰對應V型淀粉結晶,表示存在直鏈淀粉-脂質復合物[19]。陜糯1號的XRD圖譜中觀測不到這個峰的存在,說明其淀粉中沒有直鏈淀粉-脂質復合物。

圖1 淀粉XRD衍射圖譜

淀粉顆粒根據直徑被分為A型(>10 μm)、B型(<10 μm)[20]。4個小麥品種中,陜糯1號的A型淀粉粒含量最高(44.70%),西農836最低 (26.72%)。相應地,陜糯1號具有最低的B型淀粉粒含量(55.30%),而西農836的B型淀粉粒含量最高(73.28%)。

2.2 不同小麥品種的淀粉黏度特性

陜糯1號具有最高的峰值黏度(3 589.3 cP)和最大的崩解值(2 209.0 cP),陜糯1號的低谷黏度(1 380.3 cP)、最終黏度 (1 687.3 cP)以及回生值(306.0 cP)均最低(表2)。4個品種的糊化溫度范圍在69.4～90.2 ℃ 之間,從小到大依次為陜糯1號、鄭麥119、中麥895、西農836,4個品種的回生值也呈現出相同的變化趨勢。具有最高直鏈淀粉含量的西農836具有最高的糊化溫度,其回生值也顯著高于其他材料。

表2 淀粉黏度特性分析

2.3 不同小麥品種的淀粉熱特性

四個小麥品種淀粉從30 ℃ 加熱至100 ℃ 的熱量變化情況如表3所示。陜糯1號具有最高的起始溫度、峰值溫度以及終止溫度,且顯著高于其他品種(鄭麥119的終止溫度除外)。隨著直鏈淀粉含量的增加,上述三個溫度參數均呈下降趨勢。四個品種的熱焓值沒有明顯的變化規(guī)律,其中,中麥895有最高的ΔH值,為12.20 J·g-1,其后依次為陜糯1號(11.29 J·g-1)、鄭麥119 (10.68 J·g-1)、西農836(10.25 J·g-1)。

表3 淀粉熱特性分析

2.4 不同小麥品種的淀粉消化特征

四個小麥品種的淀粉體外消化情況如表1所示。陜糯1號具有最高的RDS含量(56.43%),西農836具有最低的RDS含量(49.36%)。在前20 min,除了西農836外,另外三個品種淀粉的消化程度都超過50%。200 min的淀粉消化量C200在72.23% ～ 79.77%之間,由高到底依次為陜糯1號(79.77%)、鄭麥119(76.34%)、中麥895(74.23%)、西農836(72.23%)。從圖2可以看出,在酶解的初始階段,曲線上升很快,而后期的曲線逐漸趨于平緩,陜糯1號的消化程度始終高于其他3個品種。

圖2 淀粉體外消化曲線

2.5 淀粉理化性質與消化特性的相關性

15個淀粉指標之間的Pearson相關系數如表4所示。直鏈淀粉含量(AM)與B型淀粉粒含量(BC)、最終黏度(FV)、回生值(SV)、糊化溫度(PT)均呈極顯著正相關,與起始溫度(To)、峰值溫度(Tp)、終止溫度(Tc)、快速消化淀粉含量(RDS)、淀粉總消化程度(C200)呈極顯著負相關,與熱焓值(ΔH)、峰值黏度(PV)、低谷黏度(TV)、崩解值(BV)、慢消化淀粉含量(SDS)相關不顯著。而淀粉總消化程度(C200)與起始溫度(To)、峰值溫度(Tp)、終止溫度(Tc)、快速消化淀粉含量(RDS)均呈極顯著正相關,與直鏈淀粉含量(AM)、B型淀粉粒含量(BC)、最終黏度(FV)、回生值(SV)、糊化溫度(PT)均呈極顯著負相關,而與熱焓值(ΔH)、峰值黏度(PV)、低谷黏度(TV)、崩解值(BV)、慢消化淀粉含量(SDS)相關不顯著。

表4 淀粉各指標的皮爾遜相關性分析

3 討 論

本研究結果顯示,隨著直鏈淀粉含量的提高,小麥淀粉中B型淀粉粒含量增加,A型淀粉粒含量減少;B型淀粉粒含量與直鏈淀粉含量呈極顯著正相關;4個小麥品種中,陜糯1號的直鏈淀粉含量是最低的,其A型大淀粉粒所占的比例最高。前人研究也發(fā)現,蠟質品種具有更多圓盤狀A型淀粉粒[21],本研究結果與其一致。

對四種淀粉晶體結構的測定表明,除陜糯1號外,其他3個品種的淀粉存在直鏈淀粉-脂質復合物。這種復合物會抑制淀粉顆粒膨脹及直鏈淀粉浸出程度,從而提高了糊化溫度[22],這可能是四個小麥品種淀粉糊化溫度存在差異的原因。有研究發(fā)現,糊化溫度越高的淀粉,其糊化過程中的黏度(包括峰值黏度、谷值黏度、最終黏度)越低[23]。在本研究中,盡管西農836具有最高的糊化溫度,但其峰值黏度卻僅次于陜糯1號,并且其具有最高的最終黏度。相關性分析顯示,B型淀粉粒含量與最終黏度呈極顯著正相關,這與Liu等[24]研究結果一致,推測西農836具有較高比例的B型小淀粉?？赡軐е缕渥罱K黏度沒有顯著下降。陜糯1號具有較大比例的A型大淀粉粒,在糊化過程中膨脹的體積更大,導致其峰值黏度最高?；厣悼梢苑从车矸壑匦戮奂约爸亟M氫鍵的能力,具有更高直鏈淀粉含量的淀粉,會在淀粉糊化后的回生中短時間內發(fā)生分子間的重新排列和聚合。本研究發(fā)現,直鏈淀粉含量與回生值極顯著正相關。這與前人的研究結果一致[25]。

在淀粉熱特性方面,起始溫度、峰值溫度、終止溫度均與直鏈淀粉含量呈極顯著負相關。前人研究表明,高的轉變溫度與高的結晶度有關,淀粉內部的結晶區(qū)域提供了淀粉顆粒結構的穩(wěn)定性[26]。而隨著直鏈淀粉含量的增加,結晶度降低,從而顯現出直鏈淀粉含量與上述溫度參數之間的負相關關系。

從體外消化的結果來看,無論是在水解的前期,還是末期,陜糯1號的消化程度都最高,而且消化速率最快。4個品種淀粉總消化程度的差異主要是由于RDS含量的不同導致,而它們的SDS含量沒有顯著差異,說明淀粉結構及理化性質主要影響淀粉酶解過程的前期。相關性分析表明,RDS含量與回生值存在極顯著負相關關系,而高的回生值是高直鏈淀粉的典型特征,這也表明具有更高直鏈淀粉含量的淀粉,通過促進淀粉的回生過程,來抵抗酶的分解,造成幾種淀粉之間RDS含量以及總消化程度的差異。

本研究發(fā)現,具有最高直鏈淀粉含量的西農836含有更高比例的B型小顆粒淀粉,但其淀粉總消化程度以及消化速率并未提高,這可能是由于淀粉經過糊化之后,淀粉顆粒充分膨脹溶解,直鏈淀粉和支鏈淀粉都釋放出來,游離在整個混合體系中。淀粉顆粒大小會影響到淀粉的黏度特性,但是當淀粉充分糊化后,粒度的差異并不能帶來淀粉消化特性上的變化。