不同品种来源的大麦淀粉理化和功能特性的研究

赵神彳，王辉，康辉，孔保华，胡公社，刘骞，*

（1.东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨150030；2.美国农业部农业研究局国家杂粮和马铃薯种质资源研究中心，爱达荷亚伯丁83210）

大麦是全世界重要的农作物之一，按照其产量排名第四，仅次于小麦、稻谷和玉米[1]。全球约65%的大麦用于动物饲料[2]，20 %的大麦用于制作酿造啤酒的麦芽，只有5%的大麦被用作加工类食品的原材料[3]。近年来，由于大麦特殊的营养特性（比如其中的β-葡聚糖），同时随着人们健康意识的增强，大麦作为一种潜在的食品配料应用到食品加工中的需求逐渐增强[4]。大麦分为有壳大麦和无壳大麦，无壳大麦（又被称为“裸大麦”），其与有壳大麦最大的区别在于打谷过程中无壳大麦的谷核能够轻易地被分离，这主要是由于大麦的隐性基因所导致的[5]。另外，无壳大麦相对于有壳大麦来说，具有节省储藏和运输空间的优势，而且彻底避免了由于剥皮所造成的维生素和矿物质的流失[6]。与此同时，无壳大麦含有更高含量的淀粉、蛋白和 β-葡聚糖[7]。

淀粉是大麦中的主要成分，大部分都贮存在胚乳中，约占总谷物干重的62%～77%左右[5]。虽然，大麦淀粉的可消化率对于动物饲料和啤酒酿造具有举足轻重的作用[8]，但是大麦淀粉的理化和功能特性对其作为食品配料来说同样具有重要的意义。另外，不同品种来源的大麦淀粉的物理化学特性（比如直链或支链淀粉含量、糊化特性、分子结构等等）具有很大的差异。Yangcheng 等[9]研究了西藏无壳大麦淀粉的物理化学性质，揭示了西藏无壳大麦淀粉性质变化的机理以及它们的结构和生长条件之间的关系。Källman 等[10]对10 种不同品种的大麦进行了支链淀粉的细微结构、淀粉的糊化以及回生性质的研究，结果表明不同品种大麦中具有紧密结构的小团簇分子导致更高的糊化温度，而淀粉分子中的短链会提高大麦淀粉的回升性质。Li 等[11]研究表明来源于不同基因型的无壳大麦淀粉，其直链淀粉含量、糊化特性、糊化温度和冻融稳定性均有较大的差异。

与此同时，淀粉作为增稠剂、品质改良剂等在肉类工业中被广泛应用，可以起到黏合、填充、增强持水性持油性、改善质地等作用，使肉制品的品质有所改善。然而，不同来源的淀粉对肉制品品质的影响有很大差异，比如在乳化肠和午餐肉加工中，大多使用玉米淀粉；在肉丸加工中，大多使用马铃薯淀粉和小麦淀粉；在松仁小肚和粉肠加工中，大多使用绿豆淀粉[12]。但是，大麦淀粉在肉制品应用方面的研究甚少。因此，本研究拟以不同品种来源的大麦淀粉（transit hull-less barley starch，BS1）和（tetonia hulled barley starch，BS2）为主要对象，同时以肉类工业中常用的淀粉（玉米淀粉、绿豆淀粉和马铃薯淀粉）为参比，研究不同来源淀粉的理化（直链淀粉含量、支链淀粉含量）和功能特性（溶解性、膨胀性、吸油性、糊化特性、凝胶强度、冻融稳定性）之间的差异，以期为其在肉类工业中的应用奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

绿豆淀粉（mung bean starch，MBS）：哈尔滨哈达淀粉有限公司；马铃薯淀粉（potato starch，PS）：黑龙江省如意淀粉食品有限公司；玉米淀粉（corn starch，CS）：吉林天成玉米开发有限公司；无壳大麦（品名Transit）、有壳大麦（品名 Tetoniat）：美国农业部-农业研究局国家杂粮和马铃薯种子资源中心；其它试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

DHG-9000 电热恒温鼓风干燥箱：上海一恒科学仪器有限公司；RVA-4 型快速黏度分析仪：澳大利亚Newport 科学仪器公司；DK-8B 水浴锅：余姚市东方电工仪器厂；AL-104 型精密电子分析天平：北京赛多利斯仪器系统有限公司；G3 型砂芯漏斗：盐城市悦成贸易有限公司；TA-XT2 质构分析仪：英国戈德尔明稳定微系统有限公司；GL-21M 高速冷冻离心机：湖南湘仪离心机仪器有限公司；JB-2 型磁力搅拌器：北京昊源科技有限公司；Pilot3-6M 型冷冻干燥机：北京博医康实验仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 大麦淀粉的制备

参照Liu 等[13]的方法制备大麦淀粉。首先，将有壳大麦进行脱壳处理，然后将两种大麦分别通过磨粉机磨成大麦粉。将750 g 大麦粉加入到与11.3 L 的温水（温度为45 ℃）中，同时加入160 mL 2 mol/L 氢氧化钠，使整体溶液的pH 值达到10.0，用搅拌机以5 500 r/min搅拌20 min。然后将上述溶液在25 ℃条件下以4 500 g离心25 min。离心后取沉淀，加入1 倍～2 倍体积的水，用搅拌机以2 400 r/min 搅拌10 min，然后用270 目筛子进行过滤。将收集到的滤液在25 ℃条件下以4 500 g离心15 min，弃去上清液，将沉淀表面的纤维和破损的淀粉除去。提取出的淀粉在室温（25 ℃）条件下用电风扇吹干，然后用粉碎机粉碎，用50 目筛子进行过筛，即得到最终的大麦淀粉。

1.3.2 淀粉中直链淀粉和支链淀粉含量的测定

参照国家标准GB5009.9-2016《食品安全国家标准食品中淀粉的测定》以及农业部NY/T55-1987《水稻、玉米、谷子籽粒直链淀粉测定法》的方法对各样品中的直链淀粉含量和支链淀粉含量进行测定。

1.3.3 淀粉溶解性和膨润力的测定

参照Kong 等[14]的方法，并稍有改动。在50 mL 塑料离心管中配制25 mL 1%（干基质量）的淀粉悬浮液，然后在沸水浴中加热并连续搅拌30 min，加热后将其放置在冷水中冷却至室温（25 ℃）。然后，将离心管放入离心机中在25 ℃条件下以8 000 g 离心30 min。离心后的上清液和沉淀物分别倒入干燥专用铝箔盒中。上清液在105 ℃下进行干燥直至恒重，沉淀物在105 ℃下进行干燥直至恒重。淀粉样品的溶解度（S）和膨胀力（SP）通过以下公式计算：

式中：m0为样品干基重量，g；m1为清液烘干至恒重后的残留物重量，g；m2为沉淀物的初始重量，g；m3为沉淀物烘干后至恒重的重量，g。

1.3.4 淀粉吸油性的测定

将2 g 左右的淀粉样品加入到50 mL 的烧杯中，并加入20 mL 大豆色拉油。然后，在室温（25 ℃）下在磁力搅拌器上搅拌30 min。将混合物置于砂芯漏斗上，进行抽滤，直至液体滴落停止后。取出砂芯漏斗，将混合物置于105 ℃的干燥箱中直至恒重[15]。淀粉样品的吸油性通过以下公式计算：

式中：m0是样品的重量，g；m1和 m2分别是吸附前后的砂芯漏斗的重量，g。

1.3.5 淀粉糊的黏度曲线

参照Kong 等[14]的方法，并稍有改动。在快速粘度分析仪（rapid visco analyzer，RVA）专用的铝盒内制作12%（干基质量）的淀粉悬浮液，并进行机械搅拌。淀粉悬浮液在50 ℃保持1 min，然后以12.2 ℃/min 的速率加热到95 ℃，并在95 ℃保持2.5 min。随后冷却至50 ℃（冷却速率为 11.8 ℃/min）并保持 2 min。

1.3.6 淀粉的冻融稳定性

测定淀粉的冻融稳定性采用Srichuwong 等[16]的测定方法。使用RVA 制备5%（干基质量）的淀粉凝胶。加热和冷却如下进行：以6 ℃/min 加热至50 ℃（恒温1 min 后），从50 ℃加热到95 ℃，在95 ℃保持 5 min后，再以 6 ℃/min 冷却至 50 ℃，并在 50 ℃保持 2 min。将得到的凝胶冷却至室温（25℃），取凝胶（5±0.5）g 转移到10 mL 离心管中并在-18 ℃储存21 h。然后将其在30 ℃的恒温水浴箱中解冻3 h，冻融循环重复5 次。在第一次、第三次和第五次冻融循环之后，收集5 个管以确定平均析水率。在25 ℃条件下以8 000 g 离心10 min，小心弃去上清液，并用薄纸沥干10 min。淀粉样品的析水率从初始凝胶重量中脱去的水的百分比。

1.3.7 淀粉的凝胶穿刺强度的测定

在30 mm×50 mm（高度×直径）的称量瓶中，制备10 mL10%的淀粉悬浮液（干基质量）并在90 ℃的水浴中加热20 min。然后，将制备的淀粉凝胶在4 ℃下储存 24 h，在分析凝胶前，需在室温下（22 ℃～24 ℃）解冻30 min。用型号TA-XT2 质构分析仪分析凝胶强度，并将其连接到5 kg 测力传感器上。用P/0.5 平表面圆柱形探针（直径12 mm）以50 mm/min 的速度在凝胶中轴向渗透至8 mm 的深度。使凝胶破裂所需的力的压力表示为凝胶强度。

1.3.8 扫描电子显微镜（scanning electron micrograph，SEM）观察冻融后淀粉的微观结构

将5%（干基质量）的淀粉浆按照1.3.5 的方法在RAV 中糊化，然后冷却至25 ℃，形成淀粉凝胶。将淀粉凝胶置于50 mL 离心管中，分别冻融1 次和冻融5 次。将冻融后的样品切成3 mm×5 mm 的长方形小块，先用2.5%、pH 6.8 戊二醛浸泡过夜固定，之后用0.1 mol、pH 6.8 磷酸缓冲液洗涤3 次，每次10 min。然后分别用50%、70%、80%、90%乙醇进行脱水，每次 10 min；再用100%乙醇脱水3 次，每次10 min～15 min，依次用100%乙醇 ∶叔丁醇（1 ∶1）和叔丁醇各置换 1 次，每次10 min～15 min。最后用氯仿进行脱脂两次处理，并对样品进行冷冻干燥。样品观察面向上粘贴在扫描电镜样品台上，用E-1010（Giko）型离子溅射镀膜仪进行离子溅射喷金，扫描电镜观察。

1.3.9 数据统计分析

每个试验重复3 次，结果表示为平均数±标准差。数据统计分析采用Statistix 8.1（美国Analytical Software 公司）软件包中Linear Models 程序进行，差异显著性（p<0.05）分析使用Tukey HSD 程序。采用Sigmaplot 12.5 软件作图。

2 结果与分析

2.1 淀粉中直链淀粉和支链淀粉的含量

不同淀粉样品中直链淀粉与支链淀粉含量见表1。

表1 不同淀粉样品中直链淀粉与支链淀粉含量Table 1 Contents of amylose and amylopectin of different starch samples

如表1 所示，不同品种之间的直链淀粉含量介于1.84%到34.34%之间，其中BS1 具有最低的直链淀粉含量，PS 的直链淀粉含量最高，BS2 次之（p＜0.05）。BS1和PS 淀粉的直链淀粉含量分别为1.84%、26.55%。反之，BS1 具有最高的支链淀粉含量为97.86%，BS2 的支链淀粉含量较 BS1 和 MBS 较少为 66.12 %（p ＜0.05）。研究表明，BS1 可以归为为蜡质大麦淀粉，而BS2 可以归为普通大麦淀粉。

对于含有较高蛋白质含量的大麦品种而言，在籽粒发育过程中，由热变性引起淀粉合成酶活性降低，导致淀粉含量降低使淀粉的堆积发生变化，导致淀粉含量降低[17]。此外，据报道大麦淀粉体中合成的蛋白质的量与在发育中的胚乳引发的大麦淀粉颗粒的数量减少相关[18-19]。

2.2 淀粉的溶解度、膨润力和吸油性

不同淀粉样品的溶解指数、膨润力和吸油性见表2。

表2 不同淀粉样品的溶解指数、膨润力和吸油性Table 2 Solubility，swelling power and oil holding capacity of different starch samples

当淀粉悬浮液经受高温时，淀粉分子水合并膨胀，随后浸出一些可溶性淀粉进入液体中[20]。该淀粉膨润力表示淀粉颗粒的吸水性，并且反映了淀粉溶胀过程期间的溶解性[21]。由表2 可知，不同品种的淀粉之间溶解度和膨润力有明显的差异。淀粉的溶解性是在糊化期间淀粉的浸出行为。MBS 和CS 溶解性与其他3种淀粉相比有显著性差异，它们在5 种淀粉中的溶解性最好分别为 8.15 %、9.79 %（p＜0.05）。在同一浓度下，BS2 和 BS1 的溶解性较差分别为 2.92%、2.3%（p＜0.05）由于淀粉悬浮液被加热，淀粉颗粒迅速膨胀，然后破裂，由于直链淀粉双螺旋的破坏，直链淀粉优先从溶胀的颗粒中浸出[22]。Zavareze 等[23]认为淀粉溶解性降低是由于较低的直链淀粉分子浸出，为了防止直链淀粉分子从淀粉颗粒中浸出，直链淀粉分子和支链淀粉分子之间的相互作用增强。

BS1 和PS 的膨润力与其他3 种淀粉相比有显著性差异，其中 BS1 的膨润力最好为 37.61（p＜0.05）。在同一浓度下，BS2 的膨胀力最差为 6.71（p＜0.05），Tester等[24]研究认为，直链淀粉抑制淀粉的膨胀并且维持膨胀的淀粉颗粒的完整性，脂肪络合的直链淀粉抑制淀粉颗粒膨胀的同时，限制直链淀粉分子的浸出。谷物淀粉的膨胀行为主要是受它的支链淀粉的性质影响，而且直链淀粉既是淀粉膨胀的稀释剂又是抑制剂[25]。Takahashi 等[26]研究结果表明大米淀粉的膨润力不仅受直链淀粉含量的影响而且与支链淀粉的分子量有关。Kumar 等[27]研究乳品成分对燕麦淀粉的性质影响时，认为盐，矿物质，乳糖和酪蛋白会抑制淀粉的膨胀，使淀粉的膨润力减小。Lei 等[15]研究认为，在加热过程中浸出的物质对油的亲和力有限，倾向于粘附相邻的分子形成聚合物，聚集在淀粉颗粒的表面，淀粉颗粒表面的聚合物抑制了淀粉的膨胀以及在水中重新加热时，也会抑制直链淀粉的浸出。Zavareze 等[28]表示膨润力减少可能是由于直链淀粉和支链淀粉分子之间协同作用增加或者是由于淀粉晶体结构之间的排布导致分子之间作用加强。当淀粉悬浮液的温度高于淀粉的糊化温度，氢键断裂水分子进入淀粉颗粒，水合自由羟基使其膨胀[29]。

BS1 和CS 相对于其他淀粉的吸油性较好，它们吸油率分别为56.14%和61.18%；BS2 的吸油性较差为51.56%（p＜0.05）。Chen 等[30]认为淀粉颗粒通过物理过程吸收油脂，几乎所有吸收的油存在于颗粒外层表面。这可能是由于在淀粉水解成低聚糖和葡萄糖之前，淀粉颗粒的多孔结构被破坏并分解成许多小颗粒[31]。

2.3 淀粉的糊化性质

不同淀粉样品的糊化特性见表3。

表3 不同淀粉样品的糊化特性Table 3 Pasting characteristics of different starch samples

淀粉糊化过程涉及淀粉颗粒的崩解，其在性质中显示为不可逆的过程。糊化是淀粉溶解的胶凝现象，其包括淀粉颗粒的膨胀，淀粉颗粒浸出物的组成以及最后总的淀粉颗粒的彻底分解。由表3 可知，BS1 和PS 的糊化温度与其他淀粉之间有显著性差异（p＜0.05），其糊化温度较低分别为 68.85、67.9 ℃。BS2 的糊化温度明显高于BS1 的糊化温度（p＜0.05）。糊化温度降低可能是因为在糊化过程中淀粉结构的弱化以及淀粉颗粒分解。BS2 具有较高的糊化温度，可能是由于淀粉中某些成分抑制淀粉的膨胀所造成的[32]。

淀粉的峰值黏度主要受其对水的吸收能力，淀粉分子的膨胀力以及胶体的持水力等因素的影响[33]。BS1、BS2 的峰值黏度仅高于 CS（p＜0.05），分别为 6 277.7、5 256.3 cp。BS2 的衰减值最低（p＜0.05），为 912.0 cp。表3 中样品的峰值黏度降低可以解释为糊化过程中糖苷键可能部分裂解，导致淀粉颗粒的分子量变小。由于分子量变小，淀粉颗粒不耐剪切，不能保持其完整性，从而产生较低的黏度[27]。也可能是由于淀粉颗粒吸水能力下降，即淀粉的疏水性特点，导致峰值黏度降低[23]。Li 等[34]研究认为过热处理会使淀粉的糖苷键断裂以及氢键被破坏，使黏度降低。BS1 的终值黏度和回升值最低（p＜0.05），分别为 2 719.5、671.5 cp。而 BS2 的终值黏度最高，其回升值仅次于PS（p＜0.05），分别为2 509.5、671.5 cp；Sandhu 等[35]研究认为氧化后的淀粉经过构象的重新排序和重新排列后，很难发生重新组合。引入官能团取代羟基，限制了这种结合力的形成。所以使回生值呈现降低的趋势（p＜0.05）。Zavareze 等[23]认为在冷却过程中，回升值与淀粉分子的回升以及重新排列有关，特别是直链淀粉分子，形成淀粉凝胶的网状结构。Li 等[11]认为在蜡质无壳大麦淀粉在96 ℃的环境中，由于高度膨胀的淀粉颗粒相互作用，使无壳大麦淀粉易分解。

2.4 淀粉的冻融稳定性

冻融稳定性是冻融稳定性是指淀粉在冻结和解冻过程中能够承受不良物理变化的能力。脱水收缩是通过浸出的淀粉分子之间的重构，使凝胶网络收缩从而水被分离的现象。然而，对于淀粉凝胶来说脱水收缩是不希望出现的现象，尤其在含淀粉产品中，因为它与产品的变质有关[27]，不同淀粉样品的冻融稳定性见表4。

如表4 所示，BS2 在第一次冻融循环后，其收缩率较高；经过3 次到5 次循环后仍然具有较高的析水率（p＜0.05）。造成高的析水率的原因是BS2 含有高含量的直链淀粉。然而，BS1 和MBS 在冻融循环中表现了相当低的冻融析水性。BS1 在1 次～5 次冻融循环后，冻融析水性发生微小的变化。BS2 在第一次冻融循环后的冻融析水性为30.50%，在第3 次冻融循环后析水率明显增加至47.31%，在3 次～5 次循环后其析水率降低至32.41%。MBS 和PS 在第一次冻融循环后析水率分别为11.43%，35.56%。在冻融循环3 次～5 次后，冻融析水性分别增加至19.23%、36.54%。CS 的第一周期析水率为30.89%，在3 次～5 次冻融循环后其析水率降低至21.26%。淀粉凝胶在冻融期间，淀粉分子和冰晶之间会形成相，因此水会从直链淀粉和支链淀粉形成的网络结构中流失[27]。另外，PS 与其他相同浓度下的淀粉凝胶相比，在第5 次冻融循环后，其析水率仍然最高（p＜0.05）。Charoenrein 等[36]研究认为，一些亲水性胶体会使淀粉中的析水率降低。所以，如果胶体中含有糖或者亲水性胶体，它们就会与水分子相结合，使淀粉的冻融析水性降低[37]。其次，叶建平等[38]研究本国大米的冻融稳定性，在1 次～5 次冻融循环后，析水率呈现逐渐降低的趋势。该结果显示具有蜂窝状的粗糙结构凝胶的形成，使其能够重新吸收部分分离的水[33]。

表4 不同淀粉样品的冻融稳定性Table 4 Freezing and thawing stability of different starch samples

2.5 淀粉在冻融循环后的微观结构

淀粉在冻融期间的微观结构通过扫描电镜获得如图1 所示。

图1 不同淀粉凝胶在冻融循环期间的微观结构Fig.1 Scanning electron microscopy images of different starch gels during freeze-thaw cycles

第1 次冻融循环后，形成清晰的蜂窝状结构，所以会形成如图1 中B1～E1。可能是由于在冷冻期间淀粉分子和冰晶重新进行有序的排列；外壳的形成可能是由于在冻藏过程中从淀粉颗粒释放的淀粉链重新交联，如果这种交联在颗粒附近，可能会使淀粉颗粒形成团簇。经过冻融循环处理的淀粉凝胶，会形成明显的外层，也可能是由从颗粒中滤出的淀粉链重新组合而成的基质[39]。与之相反，BS1 的图像A1 中没有明显的蜂窝状结构，可能与它高含量的支链淀粉有关。这样的结果与2.4 所得结果相一致。BS2 在第1 次冻融循环后，形成微小的孔洞和薄薄的外层；在第5 次冻融循环后，孔洞数量明显减少，其外层变厚；与第三周期相比在第五周期后蜂窝状结构重新吸收水分，导致冻融析水性降低如图1 中 B2 所示（p＜0.05）。PS、CS 和MBS 在第五周期后，孔洞变大，外层变脆出现裂纹甚至坍塌如图1 中C2～E2。可能是由于淀粉凝胶在冻融期间，淀粉分子和冰晶之间会形成相，水会从直链淀粉和支链淀粉形成的网络结构中流失。

2.6 淀粉凝胶穿刺力测定

淀粉凝胶穿刺力的测定是确定淀粉凝胶质构性质的一个有效的方法。不同淀粉糊的凝胶穿刺力见图2。

图2 不同淀粉糊的凝胶穿刺力Fig.2 Penetration force of different starch gels

如图2 所示，MBS 与其他4 种淀粉相比凝胶穿刺力最大为 5.87N，凝胶性最好（p＜0.05）。其次，BS1 和PS 之间差异显著，BS2 和BS1 的凝胶性较差其值为1.93、0.37N（p＜0.05）。这可能是由于淀粉中支链淀粉含量所导致的，如表 1 所示，MBS、PS、BS1 中的支链淀粉含量为73.15%、65.66%、97.86%。直链淀粉分子溶于热水，形成连续相，支链淀粉分子不溶于热水只能在水中溶胀糊化，浸出的直链淀粉分子与其他分子形成聚合物吸附在淀粉颗粒表面，抑制其他物质从淀粉颗粒中的浸出，导致其胶凝性降低。Oh 等[40]研究认为，由于对淀粉的过热处理，致使淀粉凝胶的热分解，所以导致淀粉的胶凝性降低。Colussi 等[23]认为过热处理会导致淀粉凝胶的热降解，致使凝胶穿刺力降低。淀粉凝胶的形成主要取决于膨胀淀粉颗粒内部网络结构的持水能力[41]。另外，淀粉凝胶的形成受很多方面的影响，例如直链淀粉的黏度，糊化后淀粉颗粒的硬度，以及胶体连续相和分散相之间的相互作用[42]。

3 结论

通过两种大麦淀粉中直链和支链淀粉含量的测定，BS1 可以认定为蜡质大麦淀粉，而BS2 可以认定为普通大麦淀粉。另外，BS1 和BS2 与玉米淀粉、绿豆淀粉和马铃薯淀粉相比，其溶解性、膨胀性、吸油性、糊化特性、凝胶强度、冻融稳定性具有很大差异。而且，BS1具有最佳的冻融稳定性，但是其凝胶穿刺力最弱。研究结果表明，不同来源的大麦淀粉之间的理化特性和功能特性具有很大差异，同时与肉制品加工中常用淀粉之间也具有很大差异，这为大麦淀粉在肉类工业中的广泛应用奠定了理论基础。