谷子淀粉特性与产品加工特性关系的研究进展

罗红霞*，王丽，句荣辉，贾红亮，潘妍，林少华

北京农业职业学院食品与生物工程系（北京 102442）

谷子（Millet）是禾本科狗尾草属，在我国种植已有7 000多年的历史，是我国、日本、南亚和中欧一些地区的重要粮食作物[1]。据FAO数据统计，近五年我国谷子产量逐年上升，2014年总产量为234.47万 t，位居世界第三[2]。谷子脱壳后的小米营养价值丰富，含有蛋白质、脂肪、糖类、维生素及矿物质等人体所必需的营养物质。同时具有易消化、养胃健脾、助睡眠、催乳补身之功效，深受人们喜爱。其色氨酸和蛋氨酸含量显著高于小麦、稻米，亚油酸含量占脂肪酸总量的65%[3]。小米中含有约60%的淀粉，很大程度上影响小米的性质及蒸煮特性。在食品工业中，淀粉可以作为食品加工过程中的增稠剂、稳定剂或组织增强剂等，以改善产品的质地、口感，增加产品的持水性、延长产品的贮藏期[4]。研究发现，稻米、玉米、甘薯等淀粉的品质特性与加工产品品质密切相关，如稻米中直链淀粉含量越高，糯性越低，淀粉糊的透明度越低，稻米蒸煮后米饭干燥蓬松色暗，冷后变硬夹生；蜡质玉米中支链淀粉含量高于普通玉米，并且淀粉的糊化温度越高，加工产品所消耗的能量越大；甘薯的直链淀粉含量越高，其回生速率越快，糊化温度越高而膨胀势则越低[5]。而目前关于谷子淀粉的结构、性质以及在食品加工领域的应用情况鲜有报道，因此，研究将对国内外谷子淀粉的结构、性质及其加工利用研究现状进行系统的分析和归纳总结，以期为我国谷子淀粉的研究及其加工利用提供参考依据。

1 谷子淀粉的组成与加工特性的关系

淀粉颗粒主要由直链淀粉和支链淀粉组成，这两种大分子聚合物占淀粉干重的98%～99%。由于直链淀粉分子呈直链状结构，空间阻碍小，易于回生；支链淀粉分子呈树枝状结构，分支较多，空间阻碍较大，不宜回生[6]。因此，直链淀粉和支链淀粉的含量是影响小米食用品质的重要因素。孙翠霞等[7]研究发现小米直链淀粉含量为2.27%～31.98%；Liu等[8]研究发现小米直链淀粉含量为11.15%～25.21%。不同人研究结果差异显著，可能与品种差异和产地差异有关。直链淀粉含量分别与小米饭的柔软性、香味、色泽、光泽密切相关。高直链淀粉含量（大于25%）的小米蒸煮后米饭干燥、蓬松、色暗，冷后变硬夹生，但出饭率高；低直链淀粉含量（小于18%）的小米蒸煮后米饭较黏湿，富有光泽，冷却后仍柔软，不过过热后光泽很快散裂分解，出饭率低；中等直链淀粉含量（18%～25%）的品种蒸煮的米饭既能保持高含量类型的蓬松性，冷却后又能保持低含量类型的柔软质地[9]。

淀粉的组成对产品的透明度、回生程度、贮藏稳定性、加工特性等影响显著[6]。因此，研究谷子淀粉的结构，分析谷子淀粉的物化特性、归纳总结谷子淀粉的功能特性，分析谷子淀粉与产品品质特性之间的关系，对于开发谷子新产品原料的选择、产品品质特性改善及新品种的培育提出指导意义。

2 谷子淀粉的微观结构与加工特性的关系

大部分天然存在的淀粉颗粒，不论其来自何种植物或组织，都包含两种主要的淀粉，即直链淀粉和支链淀粉。这两种聚合物都是由α-D-葡萄糖通过1, 4糖苷键连接而成的短链或长链。支链淀粉由许多短链构成，这些短链在还原端通过α-1, 6糖苷键链接在一起，使得支链淀粉成为高度分支的高分子多糖[4]。直链淀粉和支链淀粉都是由葡萄糖组成，但是葡萄糖组成的次序不同，将影响淀粉的特性[6]。因此，明确谷子淀粉颗粒大小、粒度分布、形态、类型等微观结构特性，对谷子淀粉的功能特性分析及产品品质特性的鉴定具有重要意义。

2.1 淀粉颗粒大小及分布

扫描电子显微镜（SEM）分析淀粉的微观结构时，照片富有立体感、清晰度高，几乎和肉眼直接观察物体相似，可以直接地观察到淀粉颗粒表面的微观结构及颗粒的形态[4]。Lindeboom等[6]根据直径大小将淀粉粒分为4类：大粒淀粉（直径大于25 μm）、中粒淀粉（直径10～25 μm）、小粒淀粉（直径5～10 μm）和极小粒淀粉（直径小于5 μm）。研究者通过分析不同品种、不同来源的谷子淀粉发现，谷子淀粉颗粒均为单粒，多数淀粉粒呈不规则的多面体形，极个别为小圆形，颗粒直径多数为7～12 μm，属于小粒淀粉[10-11]。

2.2 偏光十字

淀粉在偏光下观察，通常可以看到一个明显的偏光十字，十字的交叉点与淀粉颗粒的挤点重合，淀粉的这种现象证明了淀粉颗粒存在辐射状的结晶结构。当淀粉颗粒糊化后，有序的结构被打乱，偏光十字消失。不同种类的淀粉颗粒其偏光十字出现的位置、形状和清晰度均不相同。谷子淀粉在偏光显微镜下均可观察到清晰的偏光十字，其脐点位于颗粒中央附近，各品种偏光十字的夹角大小也具有明显差异，即以“X型”居多，部分呈正“十字”形[11]。陈佩[12]研究玉米淀粉在无剪切力情况下的糊化，研究表明，加热时淀粉颗粒偏光十字消失的起始温度、最终温度及颗粒的膨胀率与淀粉内直链淀粉含量呈负相关。

2.3 X-衍射射线

天然淀粉的结晶结构一般可以分为A、B和C三种类型，其中A型主要来源于小麦、稻谷、玉米等禾本科作物，衍射角度（2θ）在15°，17°，18°和23°时有较强的衍射峰出现；B型主要来源于马铃薯、香蕉等块茎类植物直链淀粉含量高的作物，当衍射角度为5.6°，17°，22°和24°时有较强的衍射峰出现；C型淀粉主要存在于豆类和其他的根类作物中，其衍射图中包括A、B两种晶型，衍射角度在5.7°，15°，17°，18°和23°时有较强的衍射峰出现[13]。申瑞玲等[14]研究结果表明，谷子淀粉在衍射角为15°和23°时，有一个单峰出现，在17°～18°区域间有相连的双峰出现，表明谷子淀粉的晶体为A型。不同品种稻米中淀粉相对结晶度的大小位次与直链淀粉含量的大小位次呈现反向关系，表明淀粉相对结晶度与直链淀粉含量有一定的关联性，进而影响米粉的糊化特性[15]。淀粉大小及颗粒分布影响直链淀粉含量、糊化特性、流变学特性、烘培品质、凝沉特性、离心沉降速度、流变学特性、淀粉糊的透光率及膨胀能力等理化性质，进而影响淀粉的加工品质与用途[16]。

3 谷子淀粉的物化特性与加工特性的关系

3.1 糊化特性

糊化特性是淀粉的重要应用性质，决定了淀粉的使用范围和用途。目前，主要采用布拉班德黏度计、快速黏度仪测定马铃薯、蜡质玉米、小麦淀粉的糊化性质[17]。淀粉的糊化特性常采用糊化温度、峰值黏度、低谷黏度、最终黏度、崩溃值、消减值和胶凝值等指标表示。糊化温度是小米淀粉在热水中膨胀而不可逆转时的温度，由此可以反映出胚乳和淀粉的硬度，糊化温度越低，小米越容易煮烂且食味性越好，反之较差。峰值黏度反映了淀粉颗粒的膨胀能力；崩溃值反映了淀粉糊的热黏度稳定性，崩溃值越低，表明淀粉糊的热稳定性越好；胶凝值反映了淀粉的短期老化能力[18]。

赵学伟等[10]比较了小米、小麦、大米淀粉的黏度发现，小米和大米淀粉的最低黏度和最终黏度低于小麦淀粉，小米和小麦淀粉的峰值黏度高于大米淀粉，使得小米淀粉糊不稳定且易回生。小米淀粉的糊化温度及糊化热焓值比玉米淀粉高，使小米成糊需要的能量越多、加工时间越长、加工难度也就越大。糊化温度与蒸煮米饭时用水量及蒸煮时间有关，高糊化温度表明用水量多，蒸煮时间长，出饭率高，低糊化温度相反，用水量少，蒸煮时间短，出饭率低[19]。

Takahashi等[20]研究发现，稻米的淀粉糊化特性与直链淀粉含量存在密切关系，一般认为直链淀粉含量低的品种，消减值一般为负值，米饭过黏，似糯稻；中等或高直链淀粉含量的品种，消减值为正值，米饭硬而糙。崩解值大的品种，胶稠度也较大，米饭较软。低直链淀粉含量品种达到最高黏度时间较短，中等或高直链淀粉含量品种较长[21]。从而可根据小米直链淀粉含量初步推断其糊化特性，对判断小米的品质及加工特性提供参考依据。

3.2 流变特性

流变特性是以流体力学和弹性力学为基础，主要应用线性黏弹性理论，研究食品在形变范围内的黏弹性质及其变化规律，测量食品在特定形变情况下具有明确物理意义的流变响应。食品流变性质对食品的运输、传送、加工工艺以及人在咀嚼食品时的满足感等都起着非常重要的作用[22]。

淀粉的流变特性常采用静态流变学特性和动态流变学特性来表示。静态流变学特性，可以得到淀粉的剪切应力、剪切速率、表观黏度和剪切稀化等指标的变化，根据剪切应力（τ）和剪切速率（γ）的关系，可将流体分为牛顿型流体和非牛顿型流体。动态流变学特性，常采用复合黏度（η*）、弹性模量（G′）、黏性模量（G″）和损失因子（G″/G′）来表示。弹性模量表示的是当物质受到力的作用时，物质的变形程度。弹性模量越大，物质受到力时形变程度小。黏性模量表示的是物质受到力的作用时，阻碍物质流动的特性。黏性模量越大，表明物质受到力时，物质不易流动[23]。

研究表明，淀粉的流变性除了受淀粉的种类、颗粒大小影响外，还受温度、糖、盐等外界因素的影响[24]。Parovuori等[25]测试了不同分子质量支链淀粉的影响，发现支链淀粉含量低于50%时，对弹性模型的影响大于直链淀粉和支链淀粉之和，但随着支链淀粉含量超过50%时，对黏性模量的影响增加。在加热过程中，随着淀粉颗粒吸水膨胀，直链淀粉从中渗出并溶解，渗出的直链淀粉可彼此之间或与支链淀粉的分支之间相互缠结，在膨胀的淀粉颗粒外部形成三维网络结构，导致体系G′增加。淀粉类食品在加工过程中，淀粉糊在高温和高剪切速率等加工条件下，可使其流变学特性发生改变，最终影响产品的品质特性。赵学伟等[10]研究发现，小米淀粉糊的黏度在搅拌开始时迅速降低，表现出很强的剪切稀化特性，随搅拌时间延长，黏度逐步趋于恒定，温度越低，转子转速越低，最终黏度越高。Xie等[26]系统地研究了不同直/支比玉米淀粉的流变性能，发现在相同的剪切速率下，高直链淀粉的表观黏度较大。

由于淀粉的流变特性能预测、解释流动和形变以及不同淀粉基食品处理时发生的质地变化情况。淀粉基食品加工设备设计、品质控制、贮藏稳定性、结构研究、产品的开发和感官评价等方面与流变特性具有密切相关的作用，因此，深入研究淀粉糊的流变特性是当前淀粉科学的热点。

3.3 热特性

淀粉颗粒是一种半结晶状态的结构，在水和热同时存在的条件下，颗粒会经历一个不可逆的无序转变过程。淀粉-水混合体系糊化过程中发生相变，样品在等容等压条件下发生糊化，糊化热焓值则被看作是糊化过程解开双螺旋所需要的能量，热焓值越大，则表示淀粉颗粒结构越紧密，分子间相互作用力越强[27]。申瑞玲等[14]、冷雪等[28]研究发现，谷子淀粉的起始温度（T0）值为52.78 ℃～70.95 ℃，顶点温度（Tp）值为71.12 ℃～79.26 ℃，终点温度（Tc）值为80.42 ℃～88.48 ℃，糊化热焓值（ΔH）值为9.83～21.62（J/g）。淀粉糊化的起始温度可能与淀粉颗粒的形状、结晶度、直链淀粉的含量、支链淀粉的长度等有关，焓值的不同可能是因为淀粉颗粒中结晶区的长度不同[29]。

4 结语

1) 谷子产品种类单一。同其它谷物相比，谷子淀粉在冻融稳定性、凝沉特性、碘蓝值、消化特性等理化特性具有明显的优势，但谷子脱壳后的小米加工方式单一，主要被用于煮制粥食，有待于研究新型的小米产品。

2) 谷子淀粉的组成、微观结构特性、物化特性与产品品质特性的关系机理不明确。淀粉加工特性与淀粉的形态结构，化学组成，以及颗粒的晶体结构等密切相关，如刘东莉[30]研究了玉米淀粉的结晶结构与淀粉吸水能力、老化速度、结晶度、蛋白质的影响情况，而关于谷子淀粉的相关研究报道较少，因此，将直链淀粉含量、淀粉的结构、黏滞特性和结晶特性结合起来研究，将有助于揭示谷子产品特性的形成机制。