全麦酒酿关键加工工艺对淀粉的理化性质及体外消化性的影响

邵淋淋，曾诗雨，李秀娟，潘思轶

(华中农业大学 食品科技学院，湖北 武汉，430070)

酒酿作为我国特有的传统酒种，凝聚了中华饮食数千年的精华，有着鲜明的民族文化特色与地域性风味特色。酒酿大多由蒸熟的糯米拌上酒曲发酵而成，其营养丰富、酒度低、酸甜可口，深受广大群众的喜爱，并具有保健效果[1]。麦仁酒酿(麦酒)是河南、安徽一带等小麦产区的民间特产，湖北十堰也很常见，食用方法与米酒无异。目前，关于米酒的研究较多，而麦酒却未有研究报道。由于技术落后、文化滞后、宣传推广不够等原因，许多特色风味食品面临失传，麦酒及麦酒文化也在悄悄退出历史的舞台。采用现代高新技术对特色风味食品加工业进行改造、提升和工业化，将是传统食品发展的必然趋势。

在广泛调研麦仁酒酿及类似产品民间制作及食用方法的基础上，对麦仁酒酿(部分脱皮小麦发酵)和全麦酒酿(未脱皮小麦发酵)的加工工艺、营养和风味特性、小麦品种与酒酿品质的相关性等进行研究[2-4]。全麦酒酿是以整粒小麦为原料，经浸泡、煮制、拌曲发酵而成的一种全麦产品，其颜色淡黄有光泽，气味香甜怡人，滋味清甜，口感弹糯，营养丰富，含有大量还原糖、游离氨基酸、蛋白质、戊聚糖、矿物质、阿魏酸和膳食纤维等营养物质[2]，具有广阔的市场前景。全麦酒酿既可作为食品直接食用，又可作为其他食品的原料或辅料进一步加工。

全麦主要由淀粉组成，其含量占干物质的60%～70%。合适的淀粉消化率以及良好的加工性能是改善淀粉营养功能的关键[5]。淀粉的理化特性通常包括淀粉的颗粒特性、糊化特性、热特性、老化特性和流变特性等，这些性质与全麦深加工产品品质的关系最为密切。同时，淀粉的颗粒形态、直链与支链淀粉的比例、加工处理方式等，又影响淀粉的消化速率[6]。依据淀粉在人体内的消化特点，ENGLYST等[7]将淀粉划分为快消化淀粉(rapidly digestible starch, RDS)、慢消化淀粉(slowly digestible starch, SDS)和抗性淀粉(resistant starch, RS)，以3种淀粉含量衡量食物中淀粉的体外消化性[8]。摄入含有SDS和RS的淀粉类食品对降低患心血管及其他慢性疾病的风险具有潜在的有益作用[9]。研究全麦酒酿制作过程中小麦淀粉的变化，对提高全麦食品加工特性和功能特性具有重要作用，但该方面的报道甚少。

本文探讨了煮制与发酵处理对全麦中淀粉的微观结构、理化性质以及淀粉体外消化特性的影响，对全麦的开发、利用及全麦的精深加工具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料

小麦，产自湖北武汉新洲；甜酒曲，安琪酵母股份有限公司。

1.2 主要试剂与仪器

胰液素(EC 3.4.23.1)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；淀粉转葡糖苷酶(EC 3.2.1.3)，上海源叶生物科技股份有限公司；葡萄糖试剂盒(GOPOD)，上海名典生物工程股份有限公司；818型pH计，美国奥利龙的公司；JYZ-C0021料理机，九阳股份有限公司；DHG-9123A恒温烘箱，上海精宏实验仪器有限公司；755B紫外可见分光光度计，上海精密科学仪器有限公司；JSM-6390/LV扫描电镜，日本电子光学仪器有限公司；D8-Advance X-射线衍射仪，德国布鲁克有限公司；204F示差量热扫描仪(DSC)，德国耐驰公司；RVA-4快速黏度测定仪，澳大利亚纽波特科学仪器有限公司。HCl、KH2PO4、Na2HPO4、NaOH，国药集团化学试剂有限公司，均为分析纯。

1.3 试验方法

1.3.1 全麦酒酿的制作

将小麦淘洗干净，在25 ℃恒温浸泡18 h，沸水煮30 min，摊凉后拌曲，拌曲量为小麦干重的0.5%，30 ℃发酵48 h。

1.3.2 淀粉样品的提取

淀粉的提取参考LIU等[10]的方法稍加修改。将样品浸泡于蒸馏水中(样品质量浓度为0.33 g/mL)，转移至料理机粉碎10 min，悬浮液过100目筛，滤液以3 500 r/min的速度离心5 min，沉淀在40 ℃下恒温干燥。风干的沉淀中加入0.3% NaOH(样品在溶液中的质量浓度为0.125 g/mL)，搅拌15 min，室温下放置过夜。倒掉上清液，用蒸馏水反复洗涤沉淀物，直至上清液呈无色透明状态。再次浸泡沉淀后将悬浮液过200目筛，滤液于40 ℃下恒温干燥12 h即可得到淀粉样品。

1.3.3 扫描电镜

将淀粉样品放入真空冷冻干燥机，冷冻干燥24 h。将冷冻干燥后的淀粉样品固定在金属样品平台上，吹去多余的粉末，在真空下喷涂铂金，然后用扫描电子显微镜(SEM)以10 kV电子束观察拍摄淀粉的表面状态。

1.3.4 X-射线衍射

采用X-射线衍射仪进行物相分析，测试条件：管压40 kV，管流40 mA，扫描速度2.0 °/min，扫描范围5～30° (2θ)。相对结晶度的计算方法参考NARA等[11]，计算软件使用MDI-Jade 6.0 software。

1.3.5 表观直链淀粉含量

表观直链淀粉含量参考WILLIAMS等[12]建立的方法进行测定。

1.3.6 热力学特性研究

采用DSC进行淀粉样品的热力学特性测试。称取2.5 mg干燥淀粉样品，按m(样品)∶m(水)=1∶4的比例加入去离子水并混合均匀，压盖密封后在室温下平衡24 h，以空皿为参比，扫描温度20～80 ℃，扫描速率5 ℃/min。

1.3.7 溶解度与溶胀度

准确称取4份样品，淀粉悬浮液的浓度均为1%，分别放入65、75、85、95 ℃水浴30 min。冷却至室温，以4 000 r/min的速度离心30 min。取上清液在105 ℃下烘干，称重，即为水溶性淀粉的质量，计算溶解度。下层为溶胀淀粉部分，由溶胀淀粉质量计算溶胀度，计算公式(1)、(2)为：

(1)

溶胀度B=D/W(1-S)

(2)

式中：C，水溶性淀粉干重；W，淀粉样品干重；D，溶胀淀粉湿重。

1.3.8 糊化性质

采用RVA快速黏度分析仪测定淀粉糊化特性[13]。在铝杯中加入3.0 g(干重)淀粉样品和25 mL去离子水，搅拌使淀粉分散后置于快速黏度分析仪中进行测试。测定程序为标准方法：50 ℃保持1 min，在1～3.75 min以12 ℃/min速度升温至95 ℃，保持2.5 min，在4.75～8.5 min以12 ℃/min降温至50 ℃，保持2 min。起始转速为960 r/min，保持10 s，之后保持160 r/min的速度。测定指标包括峰值黏度、最小黏度、最终黏度、衰减值、回生值和成糊温度。

1.3.9 淀粉的体外消化性

淀粉体外消化性的测定参照ENGLYST等[7]建立的方法，稍作修改。

酶液配制：由α-淀粉酶液(54 mL)、淀粉转葡糖苷酶液(4 mL)和蒸馏水(4 mL)混合制得。α-淀粉酶液：准确称取3.0 g胰液素溶解至80 mL蒸馏水，在35 ℃下以150 r/min恒温水浴振荡20 min，以1 500 r/min离心15 min，取上清液备用。淀粉转葡糖苷酶液：准确称取2.25 g转葡糖苷酶溶解至50 mL蒸馏水，然后用α-淀粉酶液同样的方法配制。

准确称取200 mg样品于锥形瓶中，加入15 mL pH 5.2的磷酸缓冲溶液和7颗玻璃珠，将样品放入37 ℃水浴5 min。加入5 mL混合酶液，于37 ℃水浴中以150 r/min的速度加热振荡。分别在0、20和120 min时取出0.5 mL水解液放入4 mL 80%的乙醇中进行灭酶处理，然后5 000 r/min离心10 min以去除杂质。水解液中葡萄糖含量采用葡萄糖试剂盒测定，然后计算RDS、SDS和RS的含量。

1.3.10 统计分析

采用SPSS 17.0分析软件进行整理与分析，统计分析方法为Duncan检验(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 关键加工工艺对淀粉微观结构的影响

2.1.1 淀粉颗粒的微观形态

如图1所示，天然的淀粉颗粒主要分为2类：大型的圆盘状颗粒(A型)和小型的球形颗粒(B型)。大型颗粒表面光滑，少许颗粒表面有凹槽或缺口，这种结构能够减少底物与酶接触的机会[14-15]。经煮制后淀粉表面变得粗糙且没有规则，颗粒紧密堆积形成较大的颗粒。表面结构上的变化表明，淀粉的完全凝胶化使其完全失去了颗粒的原有形态。发酵过程也是淀粉老化的过程，伴随着老化的发生，发酵后淀粉颗粒的形态部分修复，呈不规则、球形或多边形的形态，并在表面产生了明显的裂纹。裂纹的产生可能是由于淀粉的内部结构在水分子和微生物的作用下断裂所导致。这些结果表明，煮制和发酵处理，对全麦淀粉颗粒破坏明显，有利于酶与淀粉颗粒接触，促进淀粉的利用。

图1 NS、CS和FS样品的扫描电镜图

Fig.1 SEM photographs of the NS, CS and FS samples

2.1.2 淀粉晶体结构和相对结晶度的变化

如图2所示，天然淀粉表现出典型的A-型图谱(主峰为 2θ=15.12°、17.17°、18.05°和23.01°)，煮制和发酵处理并没有改变晶体类型。NS、CS、FS的相对结晶度分别为33.68%、13.02%和26.19%。淀粉颗粒的结晶度经煮制后明显降低，可能是由于热水处理破坏了淀粉的结晶区，导致RDS增加和RS损失[16]。有研究认为，在煮制过程中，淀粉颗粒吸水，淀粉分子之间的氢键被水与淀粉之间的氢键所取代，导致新形成的晶体结构相对结晶度较低，容易被破坏。煮制淀粉经发酵后，淀粉相对结晶度增加，可能是由于老化作用发生，淀粉颗粒中形成了半晶状片层结构与无定形区相互交叠的微晶束，使得发酵后淀粉的相对结晶度增加[17]。研究表明，淀粉的酶解速度与淀粉的相对结晶度相关，淀粉结晶度越高，淀粉颗粒结构越稳定，酶越难分解，越难被消化[18]。因此与煮制淀粉相比，发酵淀粉不易被淀粉水解酶分解。

图2 NS、CS和FS的X-衍射谱图

Fig.2 X-ray diffraction patterns of the NS, CS and FS samples

2.2 关键加工工艺对淀粉理化性质的影响

2.2.1 表观直链淀粉含量

经测定，天然淀粉、煮制淀粉和发酵淀粉的表观直链淀粉含量分别为(49.83±1.26)%、(45.17±0.76)%、(46.33±1.26)%。煮制后的直链淀粉含量降低了4.66%，这是由于在煮制过程中直链淀粉从淀粉颗粒中析出造成的[19]。发酵淀粉中表观直链淀粉含量由于发酵过程中支链淀粉分支结构被酶水解成短直链造成轻微增加的现象。有研究表明，直链淀粉含量与淀粉中的RDS呈负相关性，但与RS呈正相关关系[20-21]。由此看出，煮制淀粉比发酵淀粉容易被分解。

2.2.2 淀粉热力学性质

采用DSC研究了3种淀粉样品的热力学特性，表1和图3分别为样品的热流变化参数及曲线。经煮制和发酵后淀粉样品的To、Tp、Tc值均呈上升趋势。在凝胶化过程中，淀粉结晶区的双螺旋结构被溶解，无定形区溶胀后对结晶区产生压力，聚合物链从淀粉晶体表面分离下来，导致了To、Tp、Tc的增加。煮制工艺会诱导淀粉颗粒的无定形区在发酵过程中更快速地被根霉和酵母所分泌的酶降解，致使To、Tp、Tc值变得更高。

糊化焓指双螺旋结构分离所需能量,与双螺旋短程结构有序性密切相关[22]。研究发现，煮制淀粉和发酵淀粉的焓值显著降低。煮制淀粉的吸热峰几乎完全消失，这主要是由于煮制淀粉中原始的双螺旋链被瓦解[23]，而伴随凝沉的发酵过程形成了更加规则的晶体结构，使发酵淀粉在74.30 ℃有较大的吸热峰。研究显示，具有较高焓值的淀粉样品中含有较高含量的RS[24]。

表1 NS、CS和FS样品的热力学性质

注：To-起始温度；Tp-峰值温度；Tc-终止温度；Tc～To为凝胶化温度范围；ΔH-凝胶化焓值。小写字母不同表示显著性差异(n=3，P<0.05)。

图3 NS、CS和FS样品的热力学性质

Fig.3 Thermal properties of the NS, CS and FS samples

2.2.3 淀粉的溶解度与溶胀度

溶胀度和溶解度主要反映淀粉颗粒内部的结晶区与无定形区相互作用的程度[25]。淀粉的溶胀度主要与支链淀粉分子的性质有关，与此同时，直链淀粉对淀粉的溶胀起抑制作用。由图4、图5可以看出，溶胀度和溶解度均随温度的升高而升高。与天然淀粉相比，煮制后淀粉的溶胀度增加，而发酵后淀粉的溶胀度减少。研究发现，淀粉的溶胀度值与其直链淀粉含量呈负相关关系[26]，具有最低直链淀粉含量的煮制淀粉在3种淀粉中显示出最高的溶胀度。

图4 NS、CS和FS样品的溶胀度

Fig.4 Swelling power of the NS, CS and FS samples

图5 NS、CS和FS样品的溶解度

Fig.5 Solubility of the NS, CS and FS samples

煮制淀粉溶胀度的增加和溶解度的减少归因于结晶度的降低、水合作用的增强、直链淀粉与支链淀粉相互作用的降低以及分子内氢键的减少[27]。而发酵淀粉溶胀度的降低和溶解度的增加可能是由于淀粉结晶区重排而形成更加有序的侧链相互结合成簇的支链结构。淀粉颗粒的溶胀可以促进消化性酶进入淀粉内部从而破坏其内部结构致使RDS含量增加[28]。煮制淀粉经发酵后溶胀度降低是由于相对完美晶体结构的形成，可限制淀粉颗粒的溶胀[29]且减少与消化性酶的接触。

2.2.4 淀粉的糊化性质

表2给出了样品黏度性质的结果。煮制和发酵过程对全麦淀粉的糊化性质有显著影响，其糊化温度、峰值黏度、衰减值和最终黏度均下降。较低的糊化温度表明直链淀粉-直链淀粉和直链淀粉-支链淀粉链之间的相互作用增强，淀粉样品只需在较低的加热条件下就可以使其结构瓦解形成糊状物[30]。在3种淀粉样品中，天然淀粉颗粒具有较高的峰值黏度，这表明天然淀粉颗粒中溶解的直链淀粉含量最高。支链淀粉中的长链所占比例较高会降低淀粉颗粒的衰减值[31]，因此，具有最低衰减值的煮制淀粉可能是由于其在3种淀粉中含有的长链支链淀粉最多。回生值表示直链淀粉与直链淀粉间的聚合度和在直链淀粉中能被浸出的碎片颗粒[32]，直链淀粉含量与回生值呈极显著的正相关[33]，3种淀粉中，煮制淀粉由于直链淀粉含量最低具而有最低的回生值。

BLAZEK等[34]提出最终黏度随着直链淀粉含量的增加而增加。因此，煮制淀粉的最终黏度最低。糊化性质的所有指标均显示出天然淀粉的存在形式最为稳定，而煮制的淀粉经发酵后其稳定性增强。

表2 NS、CS和FS样品的糊化性质

注：不同小写字母表示显著性差异(n=3，P<0.05)。下同。

2.3 关键加工工艺对淀粉体外消化特性的影响

小麦经煮制、发酵后体外消化性测定结果见表3。煮制后的淀粉中RDS和SDS含量分别增加到30.71%、16.06%，RS含量下降较明显，这是因为高度的凝胶化增加了淀粉颗粒对淀粉水解酶和葡萄糖苷酶的敏感性[35]。同时，淀粉颗粒的溶胀促进了消化性酶进入淀粉分子内部，因而增加了RDS和SDS的含量。图1中淀粉的扫描电镜图、图2中相对结晶度的降低、表观直链淀粉含量以及表1中的凝胶化焓值变化证实了这一结果。

表3 NS、CS和FS样品的体外消化性质

煮制淀粉在发酵处理后，部分淀粉易被酶水解成单糖，形成发酵产物，导致剩余淀粉RS的含量相对增加。与天然淀粉相比，发酵淀粉显示出更加规则和统一的微观形态，更高的直链淀粉含量，更高的相对结晶度和较高的凝胶化焓值，这些都有效降低了淀粉与酶接触的机会，从而导致了RS的增加。糊化温度、峰值黏度和最终黏度都与RDS的含量呈负相关性，而与RS的含量呈正相关性，与CHUNG等[36]的研究结果一致。在伴随老化作用的发酵过程中，由于RDS和SDS淀粉分子的重排形成更加规整的晶体，因而限制了部分水解酶对淀粉链的水解作用。

3 结论

全麦酒酿的关键加工工艺(煮制和发酵处理)通过影响淀粉的微观结构和理化性质改变了淀粉的消化率。结果表明，煮制淀粉在全麦的发酵过程中迅速老化，使得淀粉的形态呈现出不规则的椭圆形、球形或多边形的形态，且淀粉表面出现了裂缝，但是晶体结构仍维持A-型不变，而发酵淀粉的相对结晶度高于煮制淀粉。与天然淀粉相比，煮制淀粉和发酵淀粉的转型温度、凝胶化焓值均显著降低，而凝胶化温度显著提高。煮制淀粉和发酵淀粉峰值黏度、回生值和最终黏度均降低。3种淀粉中，煮制淀粉RDS含量最高，RS含量最低，最容易被消化。煮制淀粉经发酵后，RDS含量降低，RS含量增高，因此其消化性降低。因此，全麦酒酿通过发酵不仅可以赋予全麦独特的风味和口感，还能增加抗性淀粉的含量，降低淀粉的消化性，有利于身体健康。