苦荞发芽过程中淀粉的理化特性变化

陈春旭，郭元新*

（安徽科技学院食品药品学院，安徽 凤阳 233100）

苦荞发芽过程中淀粉的理化特性变化

陈春旭，郭元新*

（安徽科技学院食品药品学院，安徽 凤阳 233100）

以发芽苦荞为主要材料，研究苦荞发芽过程中淀粉理化特性（淀粉的溶解度、膨胀度、透明度、老化值、酶活力、冻融特性和碘蓝值）的变化情况，并对淀粉颗粒的显微变化进行分析。结果表明：在实验范围内随着发芽天数的增加，苦荞淀粉颗粒直径由4～5 ☒m增加到7～8 ☒m，颗粒形状大多数为卵形和多角形或不规则形，有极少数淀粉颗粒为球形。同时，发芽使荞麦粉中的部分淀粉颗粒水解而呈现多孔状，随着发芽时间增加，多孔淀粉颗粒增多。颗粒除了淀粉的溶解度、透明度和冻融稳定性下降以外，其他各指标均表现增加的趋势。

苦荞；发芽；淀粉；理化特性

苦荞（tartary buckwheat）是一种蓼科荞麦属双子叶植物，又名鞑靼荞麦［1］（F. tataricμm），是药食两用的粮食珍品，原产于我国西南部的四川凉山地区，目前在西北和西南等地区广有种植［2］。苦荞具有丰富的营养价值，除了含有约10.6%的蛋白质［3］、2.5%的脂肪、70.0%左右的淀粉外，还含有黄酮类化合物，特别是黄酮类物质在抗氧化、抗癌等方面受到越来越多消费者的青睐［4-5］。目前，国内外在苦荞芦丁和蛋白分离及功能性方面已有较多的研究［6-8］，但苦荞籽粒的主要成分淀粉研究较少。有报道指出苦荞淀粉明显优于其他谷物，有较高含量的抗性淀粉（resistant starch，RS）［9-10］，在生理功能方面可以有效抑制血糖的升高速率［11］。并且荞麦淀粉峰值黏度高、热糊稳定性和冷糊稳定性强的特点，可广泛用于食品增稠剂或胶凝剂等领域［12］。

研究表明，苦荞在萌发后氨基酸更为均衡，总黄酮和芦丁含量显著增加［13］，杨春等［14］发现黑苦荞仅发芽10 h后直链淀粉含量、透明率增加，淀粉峰值黏度提高1.1 倍。因此发芽对于提高荞麦的药用与保健价值，增加淀粉糊对高温、酸、碱和剪切力的抗性，改善淀粉糊的凝胶性、成膜性等有着一定的益处［12］。本实验对有关资料较为少见的发芽苦荞淀粉理化性质和结构方面进行研究［15］，旨在为荞麦淀粉实际深加工产品的生产提供理论依据。

1　材料与方法

1.1材料与试剂

黑苦荞籽粒，内蒙古自治区乌兰察布市产。

次氯酸钠、NaOH、碱性蛋白酶、3，5-二硝基水杨酸、KOH、无水乙醇、HCl、碘试剂等。

1.2仪器与设备

C21-SK2101电磁炉 广东美的电器有限公司；GZX-9076MBE数显鼓风干燥箱 上海博迅实业有限公司医疗设备厂；YP3001N电子天平 上海精密科学仪器有限公司；KDC-160HR高速冷冻离心机 安徽中科中佳科学仪器有限公司；745P型紫外-可见分光光度计上海光谱仪器有限公司；HH数显恒温水浴锅 金坛市金成国胜实验仪器厂；YC-260L冰箱 中科美菱公司；LHP-160型智能恒温恒湿培养箱 广州深华仪器有限公司；NDJ-9S型数显黏度仪 上海平轩科学仪器有限公司；S-4800冷场发射扫描电子显微镜 日本日立公司。

1.3方法

1.3.1苦荞的发芽

苦荞种子用去离子水清洗后，用质量分数为1.0%的次氯酸钠消毒15 min后冲洗至pH值中性，在30 ℃条件下于去离子水中浸泡2 h。置于铺有两层滤纸的培养皿中，样品置于30 ℃的培养箱内避光发芽，每8 h喷去离子水1 次，分别培养0、2、4、6 d后取样，清洗后用吸水纸吸干水分，样品用数显鼓风干燥箱于50 ℃条件下8 h烘干，保存待用。

1.3.2苦荞粉的制备

取苦荞适量，置于研钵中将苦荞颗粒碾碎，再用镊子将外壳全部去除，后将去壳后的苦荞用粉碎机碾成粉末置于密封的包装袋中，贮存于硅胶干燥器中备用。

1.3.3苦荞淀粉的制备

称取苦荞粉5 g，加50 mL 蒸馏水摇匀，用6 mol/L NaOH溶液调整pH值为12左右，添加0.2 g碱性蛋白酶，置于45 ℃数显恒温水浴锅中，用玻璃棒不断搅拌酶解4 h，室温静置30 min后，小心倒掉上层的杂质液体，然后以1∶2（V/V）的料水比加入适量蒸馏水，充分摇匀后以4 000 r/min的转速离心15 min，倒掉上层的杂质，重复几次直到无杂质为止，最后得到的淀粉在鼓风干燥箱中40 ℃烘干。置于密封包装袋中，贮存于硅胶干燥器中备用。

1.3.4淀粉碘蓝值的测定

参考史俊丽［16］的方法，并作改进。将淀粉溶解冷却后，取0.5 mL样液加入10 mL蒸馏水，用0.1 mol/L HCl调至pH值至3左右，加入0.5 mL碘试剂，静置15 min。空白对照组中样液用0.5 mL蒸馏水代替样液，其他操作同样液处理，然后用分光光度计于620 nm波长处比色［17］。

1.3.5淀粉糊的溶解度与膨胀度

参考徐建国［18］的方法，配制20 g/L的淀粉乳，离心，取上清液烘干称水溶性淀粉质量（m1），另称离心管下层膨胀淀粉质量（m2），计算溶解度（S）和膨胀度（B）。

式中：m为淀粉乳质量/g。

1.3.6淀粉老化值的测定

将10 g/L淀粉乳置于沸水浴上加热30 min，在期间补加蒸馏水保持淀粉乳总体积不变，确保淀粉完全糊化［16］。取出冷却至室温后，将处理后的淀粉糊置于冰箱冷冻室放置24 h。后取出室温解冻，3 000 r/min离心15 min，称量得沉淀物质量，计算老化值。

式中：m1为离心前淀粉糊质量/g；m2为离心后沉淀质量/g。

1.3.7淀粉糊的冻融稳定性

配制质量浓度为50 g/L的淀粉乳，在沸水浴中加热搅拌15 min，取出后冷却至室温，再取定量的淀粉糊置于离心管中，在冰箱冷冻室中放置24 h后，取出室温解冻后，3 000 r/min离心15 min烘干后称取沉淀物的质量，计算析水率。若没有水析出，则继续重复冷冻实验直至有水析出为止［15］。

1.3.8淀粉糊透明度的测定

参考徐建国［18］的方法并加以改进，精密称取50 mg苦荞淀粉加入50 mL水，制备成10 g/L的淀粉糊，置于沸水浴中搅拌加热30 min，确保淀粉至完全糊化后，取出冷却至室温，不加蒸馏水至原来体积。在紫外-可见分光光度计上，用蒸馏水作空白调零于620 nm波长处测定透明度。

1.3.9淀粉黏度参数的测定

精密配制10 g/L的淀粉糊溶液，称取0.5 g的淀粉定容至50 mL，用黏度仪进行黏度的测定。

1.3.10淀粉酶活力测定

根据刘娟等［19］的方法，采用标准曲线法进行计算，在紫外-可见分光光度计上测定540 nm波长处的吸光度，计算α-淀粉酶活力及淀粉酶的总活力。酶活力是指在特定条件下，1 min内转化1 ☒mol底物或者底物中1 ☒mol有关基团所需的酶量，称为一个国际单位（IU）。

β-淀粉酶活力=总淀粉酶活力-α-淀粉酶活力 （5）

1.3.11淀粉颗粒结构分析

首先取适量的淀粉样品置于扫描电镜的底座上，在实际操作中，为增强淀粉颗粒的导电性，进行增金处理，即在淀粉颗粒表面增加十几个纳米厚的金粉颗粒，处理时间为2 min。再将淀粉颗粒置于电镜内并抽真空（防止淀粉颗粒表面的电子导电而失去）拍照。经计算机软件自动处理分析结果，可得到样品的粒径分布数据。

2　结果与分析

2.1淀粉颗粒结构的变化

图1　不同发芽时间苦荞淀粉颗粒的电子显微镜扫描结果Fig.1　SEM images of tartary buckwheat starch granules during germination

苦荞干样在发芽前各项理化指标均未开始发生变化，所以选择苦荞干样为CK（空白对照）。由图1a、1b可知，苦荞发芽前干样的淀粉颗粒直径大部分在4～5 ☒m范围内，形状多为多角形或球形。苦荞发芽2 d后淀粉颗粒大小大部分在5～6 ☒m范围内，形状多为多角形或不规则形状，极个别为卵形，并且部分淀粉的晶体结构被破坏，少许淀粉颗粒有孔洞（图1c、1d）。苦荞发芽6 d后淀粉颗粒大小大部分在7～8 ☒m范围内，有极个别的淀粉颗粒形状较小。淀粉颗粒形状多为多角形，个别淀粉形状为球形，并且大部分淀粉颗粒上有孔洞（图1e、1f）。随着发芽时间的增加，苦荞淀粉颗粒逐渐增大，且颗粒大多数为卵形和多角形等不规则形状，有极少数淀粉颗粒为球形。发芽使荞麦粉中的部分淀粉颗粒水解而呈现多孔状，且发芽时间越长，多孔淀粉颗粒就越多。这与张国权［12］研究荞麦淀粉的发现一致，苦荞种子在发芽过程中淀粉酶活力升高导致淀粉水解增多。淀粉颗粒小孔可能与发芽条件籽粒的种类和结构及淀粉结构有关［18］。由于多孔淀粉颗粒有较高的抗压缩强度，在食品工业中可以用来包埋易氧化物质，如二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）、维生素等［20］。

2.2淀粉碘蓝值的变化

由于碘蓝值可反映直链淀粉的浓度及聚合度，并且增加直链淀粉含量对抗性淀粉的形成有利，所以碘蓝值在一定程度上反映了抗性淀粉的含量。由图2可知，苦荞发芽后，碘蓝值的变化显著（P＜0.05），与干样（CK）相比，浸泡后发芽0 d和发芽的淀粉碘蓝值均有所升高；浸泡后发芽0 d的淀粉碘蓝值变化极显著，增加量达到干样的52.3%。发芽2 d的淀粉碘蓝值增加不显著，发芽4 d和发芽6 d的淀粉碘蓝值与干样相比分别增加了35.2%、41.6%。发芽2 d相对于发芽0 d的苦荞淀粉碘蓝值减小。根据刘娟等［19］的描述，直链淀粉是由葡萄糖以α-1，4-糖苷键结合而成的链状化合物，发芽初期，α-淀粉酶活性增强，而α-淀粉酶主要是水解α-1，4-糖苷键，导致直链淀粉含量降低或聚合度减小。但是随着发芽天数的增加，碘蓝值又有所回升，这可能与发芽后期荞麦种子本身合成的直链淀粉增多。说明发芽4 d后的荞麦更适合用于生产加工直链淀粉需求高的产品。

图2　不同发芽时间苦荞淀粉碘蓝值的变化Fig.2　Change in starch iodine blue value of tartary buckwheat starch during germination

2.3淀粉糊溶解度和膨胀度的变化

图3　不同发芽时间苦荞淀粉溶解度的变化Fig.3　Change in solubility of tartary buckwheat starch during germination

图4　不同发芽时间苦荞淀粉膨胀度的变化Fig.4　Change in swelling degree of tartary buckwheat starch during germination

膨胀度是评价小麦粉或淀粉糊化过程中吸水能力的简单指标。一般来说，淀粉膨胀反映了直链淀粉的特性，在相同温度条件下，直链淀粉含量越少的淀粉，它的膨胀度越大［17］。而淀粉溶解主要是直链淀粉从膨胀的颗粒中逸出，反映的是淀粉分子与水分子的相互作用［18］。由图3可知，苦荞淀粉溶解度在开始2 d内呈现出下降的趋势，但在2 d后又呈上升趋势。发芽2 d的淀粉溶解度变化极显著（P＜0.01），降低为干样的25.0%。由图4可知，发芽2 d的淀粉膨胀度相对于干样有显著的增加（P＜0.05），为干样的150%。可能是因为苦荞发芽2 d时，内源淀粉酶被激活，导致苦荞淀粉发生降解，引起直链淀粉和支链淀粉含量下降，分子间结合变得疏松，极性基团容易暴露在外与水结合，导致淀粉膨胀度增大及溶解度减少［18-20］。随着发芽天数的增加，发芽4 d时溶解度和膨胀度都又有所回升，这可能与发芽后期荞麦种子本身合成的直链淀粉增多有关。因此，发芽2 d的荞麦淀粉因其高膨胀度，适用于膨化食品、肉制品及方便面等产品。

2.4淀粉老化值的变化

图5　不同发芽时间苦荞淀粉老化值的变化Fig.5　Change in retrogradation value of tartary buckwheat starch during germination

淀粉老化的本质是糊化的淀粉分子在冷却过程中氢键的重新形成促使溶解度降低所致［18］，由图5可知，苦荞淀粉糊的老化值在不同发芽阶段的变化有差异。与干样相比，发芽0～6 d的苦荞淀粉糊的老化值均有所增加，分别增加了4.1%、23.5%、10.3%、14.5%，可能是因为发芽导致淀粉氢键重新排列，分子缔合度减小，使得淀粉糊溶液的老化值相对于原苦荞淀粉都有一定程度的增加。其中发芽2 d的淀粉老化值增加极显著。可能是因为直链淀粉的含量与氢键的重新形成有关［18］，从另一方面印证了碘蓝值测定中苦荞淀粉的直链淀粉含量在发芽2 d时降至降低这一结果。

2.5淀粉糊冻融稳定性的变化结果

淀粉糊的低温对抗性对其应用有很大的实用参考价值，淀粉糊的析水率越小，表明其冻融稳定性越好［21］。由图6可知，发芽苦荞淀粉的冻融稳定性相对于原苦荞淀粉显著的降低，其中发芽2 d的淀粉冻融稳定性降低极显著（P＜0.01），为干样的150.0%。这是由于发芽2 d苦荞淀粉的直链淀粉的含量最低，导致析水率最高，冻融稳定性最差。发芽4 d和发芽6 d的苦荞淀粉相对于发芽2 d的苦荞淀粉冻融稳定性有所增加，增加值分别为16.7%和8.3%。这是由于直链淀粉易重新排列和缔合而发生凝沉［21-22］，与淀粉老化类似，低温破坏淀粉糊胶体结构而析出游离水分，使食品不能保持原有的胶体结构［23］，析水率从侧面反映了淀粉的冻融稳定性。当用于加工冷冻食品中时，发芽荞麦淀粉糊需要考虑其冻融稳定性。

图6　不同发芽时间苦荞淀粉糊的析水率变化Fig.6　Change in syneresis rate of tartary buckwheat starch paste during germination

2.6淀粉糊透明度的变化

透明度反映了淀粉与水的互溶能力以及膨胀、溶解能力的好坏，与淀粉来源以及直、支链比例有关［24］。淀粉糊的吸光度越大，说明糊的透明度越好。由图7可知，苦荞发芽后淀粉糊的吸光度先减小后增加，在发芽2 d后达到峰值，之后透明度逐渐下降。发芽4 d和发芽6 d的苦荞淀粉糊吸光度相对于原苦荞发芽0 d淀粉糊透明度也有显著下降。这主要是因为直链淀粉易相互缔合而使淀粉糊回生，使光线发生散射，减弱光的透射，从而降低糊的透明度［25］。因此，当苦荞淀粉糊作为添加剂用于饮料等对透明度要求较高的食品时，需考虑其透明度。

图7　不同发芽时间苦荞淀粉糊的透明度变化Fig.7　Change in starch paste transparency during germination

2.7淀粉酶活性的变化

苦荞的淀粉酶活性反映了苦荞的细胞呼吸作用的强弱，而苦荞种子在发芽过程中淀粉酶活力升高的直接结果是淀粉的水解增多，因此，研究苦荞淀粉酶活可从另一方面验证发芽过程中淀粉含量的变化［26］。由图8可知，随着苦荞颗粒发芽天数的增加，苦荞淀粉的总淀粉酶、α-淀粉酶、β-淀粉酶活力均呈增加趋势。发芽4 d和发芽6 d的总淀粉酶活和β-淀粉酶活相比较干样显著增加（P＜0.05），发芽2 d的变化不显著。相对于干样，浸泡后发芽0～6 d的苦荞淀粉α-淀粉酶活力分别增加了10.7%、35.7%、44.6%和53.6%。这可能是淀粉颗粒中被水解的孔洞增多的原因［27］。因此随着发芽时间的延长，更有利于有着较高的抗压缩强度和吸附性的多孔淀粉的生成。

图8　不同发芽时间苦荞淀粉酶活力变化Fig.8　Change in amylase activity during germination

3　结 论

本实验结果表明，随着发芽天数的增加，苦荞淀粉的透明度下降趋势显著；淀粉酶活性增强显著；苦荞淀粉的膨胀度随着发芽天数的增加有显著增加；淀粉的老化值和碘蓝值增加显著；淀粉的冻融特性显著降低。苦荞淀粉的电镜扫描图所扫描的淀粉颗粒形状，随着发芽天数的增加，苦荞颗粒外观会变大，形状会由卵形变为多角形，极少数仍然保持者卵形，并且部分淀粉颗粒外表随着发芽天数的增加会出现孔洞。在苦荞发芽的过程中，苦荞的主要储能物质淀粉因苦荞细胞呼吸作用将淀粉水解而利用葡萄糖，以提供较多的能量供细胞生长使用，这一过程伴随着直链淀粉增多和支链淀粉减少，从而使得淀粉的溶解度和透明度下降，相应的淀粉冻融稳定性的减弱。因此，发芽荞麦淀粉更适用于对直链淀粉需求较多的食品。

［1］ 顾娟. 荞麦淀粉理化特性及消化性研究［D］. 无锡： 江南大学， 2009：33-38.

［2］ 郭刚军， 何美节， 邹建云， 等. 苦荞黄酮的提取分离及抗氧化活性研究［J］. 食品科学， 2008， 29（12）： 373-376.

［3］ 张瑞. 苦荞黄酮及其降血糖活性研究［D］. 北京： 中国农业科学院，2008： 47-49.

［4］ 李富华， 刘冬， 明建. 苦荞麸皮黄酮抗氧化及抗肿瘤活性［J］. 食品科学， 2014， 35（7）： 58-63. doi： 10.7506/spkx1002-6630-201407012.

［5］ CUI Xiaodong， WANG Zhuanhua， LI Yuying， et al. Buckwheat trypsin inhibitor enters HepG2 cells by clathrin-dependent endocytosis［J］. Food Chemistry， 2013， 141（3）： 2625-2633.

［6］ 朱琳， 任清， 徐笑颖. 高速逆流色谱分离纯化苦荞中芦丁、槲皮素［J］. 食品科学， 2014， 35（2）： 47-50. doi： 10.7506/spkx1002-6630-201402009.

［7］ KIM S L， KIM S K， PARK C H. Introduction and nutritional evaluation of buckwheat sprouts as a new vegetable［J］. Food Research International， 2004， 37（4）： 319-327.

［8］ GAO Xiaona， YAO Huiyuan. Fractionation and characterization of tartary buckwheat flour proteins［J］. Food Chemistry， 2006， 98（1）： 90-94.

［9］ QIN Peiyou， WANG Qiang， SHAN Fang， et al. Nutritional composition and flavonoids content of flour from different buckwheat cultivars［J］. International Journal of Food Science and Technology，2010， 45（5）： 951-958.

［10］ GO☒I I， GARCIA-DIZ L， MA☒AS E， et al. Analysis of resistant starch： a method for foods and food products［J］. Food Chemistry，1996， 56（4）： 445-449.

［11］ 郭春锋， 李婧妍， 张守文. 抗性淀粉生理功能研究进展［J］. 食品科技，2006， 10（5）： 1-3.

［12］ 张国权. 荞麦淀粉理化特性及改性研究［D］. 杨凌： 西北农林科技大学， 2007： 16-18.

［13］ 蔡马. 萌发对荞麦营养成分的影响研究［J］. 西北农业学报， 2004，13（3）： 18-21.

［14］ 杨春， 丁卫英， 周柏玲， 等. 发芽对黑小麦、黑苦荞淀粉物理化学特性的影响［J］. 中国粮油学报， 2011， 26（12）： 5-10.

［15］ 卢飞. 苦荞麦淀粉的制备及理化性质分析［D］. 绵阳： 西南科技大学，2012： 79-82.

［16］ 史俊丽. 超微细化大米淀粉的制备和性质研究［D］. 武汉： 华中农业大学， 2005： 93-99.

［17］ 杨慧萍， 李常钰， 王超超. 发芽糙米淀粉理化特性研究［J］. 中国粮油学报， 2012， 27（4）： 38-43.

［18］ 徐建国. 燕麦发芽过程中淀粉理化特性的变化［J］. 中国粮油学报，2012， 27（5）： 27-30； 34.

［19］ 刘娟， 叶晓枫， 王庆南， 等. 玉米发芽过程中碳水化合物代谢变化研究［J］. 中国粮油学报， 2012， 27（10）： 18-25.

［20］ 尹卓林， 解乐福， 李艳杰， 等. 微胶囊多孔淀粉的制备及应用研究进展［J］. 食品研究与开发， 2014， 35（12）： 105-107.

［21］ LORETI E， ALPI A， PERATA P. Alpha-amylase expression under anoxia in rice seedlings： an update［J］. Russian Journal of Plant Physiology， 2003， 50（6）： 737-742.

［22］ GAMEL T H， LINSSEN J P， MESALLEM A S， et al. Effect of seed treatments on the chemical composition and properties of two amaranth species： starch and protein［J］. Journal of the Science of Food and Agriculture， 2005， 85（2）： 319-327.

［23］ JEYARANI T， REDDY S Y， PRABHAKAR J V. Physical - chemical and functional properties of starches separated from Bombay halwa，atraditional indiad［J］. Journal of Food Science and Technology， 1996，33（2）： 116-120.

［24］ 臧靖巍. 青稞淀粉和蛋白质的化学组成及其工艺性质研究［D］. 重庆： 西南农业大学， 2005： 55-60.

［25］ 杨春， 丁卫英， 周柏玲， 等. 发芽对黑小麦、黑苦荞淀粉物理化学特性的影响［J］. 中国粮油学报， 2011， 26（12）： 5-10.

［26］ 程建军. 淀粉工艺学［M］. 北京： 科学出版社， 2011： 106-110.

［27］ 毕淑峰， 胡晓倩， 陈向阳， 等. “小麦萌发前后淀粉酶活力比较”实验的改进与探讨［J］. 安徽农学通报， 2013， 19（3）： 29； 75.

Changes in Starch Physiochemical Properties during Germination of Tartary Buckwheat

CHEN Chunxu， GUO Yuanxin*
（Food and Drug College， Anhui Science and Technology University， Fengyang 233100， China）

In this study， changes in physical and chemical properties of starch including solubility， swelling power，transparency， retrogradation value， amylase， freeze-thaw characteristics and iodine blue value during germination of tartary buckwheat were investigated. Meanwhile， the morphological changes of starch granules were analyzed. Results showed that with increasing germination duration within the experimental range， starch granule diameters of germinated tartary buckwheat were increased from 4-5 ☒m to 7-8 ☒m and most of the starch granules were polygonal or irregular shapes. Longer germination time resulted in the appearance of more porous starch granules. All indices of starch granules increased except solubility， transparency and freeze-thaw stability.

tartary buckwheat； germination； starch； physicochemical properties

TS201.2

A

1002-6630（2015）13-0069-05

10.7506/spkx1002-6630-201513014

2014-12-08

安徽省自然科学基金项目（1308085MC32）

陈春旭（1984—），男，助教，硕士，研究方向为食品饮料生产工艺及品质控制。E-mail：ccx1205@126.com

郭元新（1970—），男，教授，博士，研究方向为农产品加工及品质控制。E-mail：guoyuanxiner@163.com