红缨子高粱淀粉分子结构及糊化特性研究

倪德让，孔祥礼，孙崇德，叶兴乾，林 琳，王和玉，王 莉*

（1.贵州茅台酒股份有限公司技术中心，贵州 仁怀 564501；2.浙江大学 农业与生物技术学院，浙江 杭州 310058；3.浙江大学 生物系统工程与食品科学学院，浙江 杭州 310058）

高粱是白酒酿造的主要原料，利用高粱作为原料酿造白酒在我国已有700余年的历史，其品质水平直接决定了白酒的酒体质量水平，近年来酿酒高粱的专用化水平有了很大的提升，红缨子高粱是酿造茅台酒唯一的有机高粱品种，其耐蒸煮的特征十分有利于茅台酒工艺的多轮次蒸煮发酵[1-3]。白酒发酵与谷物淀粉特性有很大的关系，淀粉的理化特性与发酵产物的品质直接相关[4]。如我国北方地区的酿酒企业多采用粳高粱作为酿酒原料，用于生产清香型白酒，而我国西南地区生产的酱香和浓香型白酒则多采用糯高粱，酱香型白酒所需的糯高粱还要求粒小皮厚、单宁含量适中、玻璃质含量高、耐蒸煮等特点。高粱成分主要包括淀粉（直链淀粉、支链淀粉）、蛋白质、脂肪、单宁等，而其中淀粉含量占比高，是酿酒的主要成分[5]。然而对红缨子高粱淀粉品质的研究却鲜有报道，本研究以茅台酒酿造专用高粱红缨子作为对象，对其淀粉分子结构及糊化特性进行深入分析，以期加深对红缨子淀粉品质的理解，为茅台酒酿造工艺和过程以及茅台酒专用原料的品种改良提供理论依据及指导。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

红缨子高粱籽粒样品：贵州茅台酒股份有限公司；氢氧化钠、醋酸钠、二甲基亚砜（dimethyl sulfoxide，DMSO）（均为分析纯）：国药集团化学试剂有限公司；异淀粉酶和普鲁兰酶：爱尔兰Megazyme公司。

1.2 仪器与设备

TDZ5-WS离心机：湖南湘仪公司；TM05C试验用碾米机：日本SATAKE公司；XL-3型扫描电子显微镜：荷兰飞利浦公司；D5005型X射线衍射仪：德国西门子公司；6700型傅立叶变换红外光谱仪：美国热电公司；ICS 5000＋离子色谱仪：美国Thermal Fisher公司；Q20差示扫描量热仪、DHR-1型流变分析仪：美国TA公司；3D型快速黏度仪：澳大利亚Newport公司。

1.3 方法

1.3.1 淀粉提取

高粱籽粒种皮的去除采用试验用碾米机去皮，获得白色无种皮高粱籽粒。称取去皮高粱籽粒样品按照料液比1∶3（g/g）浸泡于0.25%氢氧化钠溶液中，用搅拌机打碎后置于4 ℃冰箱24 h。然后用搅拌机打磨样品并用大量蒸馏水冲洗过38 μm筛子，滤液置于3 000 r/min离心10 min，倒掉上清液，用刮刀去除上层灰色非淀粉层，将淀粉沉淀层重新悬浮于蒸馏水中，加0.1 mol/L盐酸调节pH值至中性，然后离心10 min，倒掉上清液，得淀粉沉淀层后再悬浮于蒸馏水中离心沉淀，此过程重复2～3次，最后获得的淀粉沉淀层置于40 ℃烘箱24 h，粉碎过212 μm筛子得红缨子高粱淀粉粉末，样品密封于自封袋备用。

1.3.2 红缨子淀粉颗粒扫描电镜观测

淀粉粉末样品分散均匀置于载物台，用扫描电子显微镜在15 kV加速电压、100 V工作电压下放大2 000倍观测拍照，分析淀粉颗粒表观形态。

1.3.3 红缨子淀粉晶体结构分析

淀粉晶体结构采用X射线衍射仪在室温条件下分析，采用Cu靶Kα波长为1.54 Å，K衍射角2θ为5～40°，管压及管流分别为30 kV和30 mA，步长为0.02°，扫描速率为1°/min。结晶峰的确定采用LOPEZ-RUBIO A等[6]的方法，而淀粉颗粒结晶度的计算采用HAYAKAWA K等[7]的方法。计算公式如下：

式中：Ac为总的结晶峰区域面积，Aa为无定形区域面积。

1.3.4 红缨子高粱淀粉傅立叶变换红外光谱分析

淀粉颗粒表面结构有序性采用傅立叶变换红外光谱仪分析，测定范围为波数400～4 000 cm-1，分辨率为2 cm-1，扫描次数为16次。

1.3.5 红缨子支链淀粉链长分布分析

支链淀粉的纯化采用KONG X L等[8]的方法，称取3 mg纯化的支链淀粉样品，加入150 μL 90%DMSO溶液中搅拌过夜充分溶解。然后加入0.1 mol/L 100 μL醋酸钠（pH 5.5）和750 μL去离子水将溶液稀释，再往溶液中加入酶液（1 μL异淀粉酶和1 μL普鲁兰酶），室温条件下搅拌过夜。离心后，用孔径为0.45 μm的过滤头将溶液过滤，过滤后的样品用配备脉冲安培检测器和BioLC梯度泵的离子交换色谱仪进行分析。碳水化合物含量通过脉冲安培检测信号进行反映，然后通过Thermo ScientificTMDionexTMChromeleonTM6.8色谱数据系统软件进行记录分析。离子色谱柱带有保护柱，分析色谱柱规格为250 mm×4 mm（Carbo-Pac PA100），洗脱梯度采用以前文献描述的方法[8]。

1.3.6 红缨子淀粉热力学特性分析

称取2 mg左右（干基）淀粉样品于铝坩埚并加入6 μL蒸馏水，用T-Zero压盘机进行密封，室温条件下放置2 h使淀粉与水充分接触。将样品盘放入差示扫描热量仪，从30 ℃加热至110 ℃，加热速率为10 ℃/min。用DSC 分析软件得出糊化起始温度（To）、糊化峰值温度（Tp）、糊化终止温度（Tc）和糊化吸收热焓值（ΔH）。

1.3.7 红缨子淀粉糊化黏度特性分析

称取2.58 g干基淀粉样品，置入快速黏度仪样品铝罐中，加蒸馏水至总质量达28 g，充分搅拌混匀。快速黏度仪测定程序如下：50 ℃运行1 min，接着加热至95 ℃（升温速度为6 ℃/min），维持5 min，之后冷却至50 ℃（降温速度为6 ℃/min），维持2 min，得出淀粉糊化曲线，用黏度仪分析软件得峰值黏度（peak viscosity，PV）、热值黏度（hot pasting viscosity，HPV）和冷糊黏度（cold paste viscosity，CPV）、崩解（breakdown，BD）值、消减（setback，SB）值和最高黏度时间（peak time，PT）等参数。

1.3.8 红缨子淀粉流变学特性分析

配制质量分数为10%的红缨子淀粉溶液，置于快速黏度仪中糊化，糊化结束将淀粉胶快速转移到流变仪平台进行流变特性分析。夹具为40 mm平板，样品厚度为1 mm，升温过程为25～95 ℃，然后平衡5 min，降温过程为95～25 ℃，设置升温和降温速率均为1 ℃/min、应变为1%、频率为6.28 rad/s进行温度扫描，温度扫描结束后，平衡5 min，然后在25 ℃条件下进行频率扫描，扫描范围为0.628～125.6 rad/s。通过Trios软件记录储能模量（storage modulus，G'）和损耗模量（loss modulus，G"）。

2 结果与分析

2.1 红缨子高粱淀粉表观颗粒形态

通过扫描电镜观测淀粉的颗粒形貌，深入了解淀粉颗粒的微观结构对于淀粉的深加工及淀粉的品种鉴定有着比较重要的意义[9]。由图1可知，红缨子高粱淀粉颗粒大小不一，形状不规则，有些呈圆球形，表面较为光滑，有些则呈多角形，部分颗粒表面有凹陷或蜂窝状，大部分淀粉颗粒大小介于5～20 μm。蒋兰[10]研究了7种南北方品种的高粱，发现颗粒大小介于10～23 μm之间，且北方品种高粱淀粉颗粒较南方的稍大，其研究的高粱淀粉颗粒范围较小，可能与高粱品种和淀粉提取方法有关。田晓红等[11]则研究了20种高粱的淀粉颗粒形态，发现高粱淀粉颗粒粒径在5～20 μm之间，与本研究中所观测到的结果较为一致。

图1 红缨子高粱淀粉颗粒形态Fig.1 Starch granule morphology of Hongyingzi sorghum

2.2 红缨子淀粉晶体结构特征

红缨子高粱淀粉X射线衍射图谱如图2所示。由图2可知，红缨子高粱淀粉在衍射角2θ为15.0°、17.0°、17.8°及22.9°有较强的吸收峰，而在衍射角2θ为19.9°处吸收峰较弱，表明红缨子高粱淀粉晶体构型为A型且直链淀粉-脂质复合体晶体较少，这与红缨子高粱中直链淀粉含量较低有关。通过图2的衍射图谱计算得出，红缨子高粱淀粉结晶度为31.0%，较普通白高粱的25.9%高[12]，这可能与支链淀粉含量有关，红缨子高粱含有较高的支链淀粉含量，因而形成较多的双螺旋结构，导致结晶度升高。

图2 红缨子高粱淀粉X射线衍射图谱Fig.2 X-ray diffraction pattern of Hongyingzi sorghum starch

2.3 红缨子淀粉颗粒表面结构

傅立叶变换红外光谱仪可以对淀粉颗粒表面2 μm左右的结构有序性进行分析，并可以反映淀粉分子基团的结构特征。淀粉的傅立叶变换红外光谱特征吸收峰主要有：在波数3 380 cm-1附近有一个极宽的O－H键伸缩振动导致的吸收峰，在波数2 930 cm-1附近有H－C－H键反对称伸缩振动导致的吸收峰，在波数1 650 cm-1附近有H－O－H键弯曲振动导致的吸收峰，在波数1 350 cm-1附近有O－C－H键、C－C－H键和C－O－H键弯曲振动导致的吸收峰，在波数1 150 cm-1附近有C－O和C－C键的伸缩振动导致的吸收峰，在波数1 080 cm-1附近有C－H键的弯曲振动导致的吸收峰，在波数1 018 cm-1附近有C－O键的伸缩振动和C－O－H弯曲振动导致的吸收峰[13-14]。其中波数1 047 cm-1和1 022 cm-1吸收值的比率可以反映淀粉颗粒表面有序性状况，通过图3的数据计算得红缨子高粱淀粉颗粒在此波段吸收值的比率为0.943，其数值明显高于水稻、莲藕、红薯和马铃薯的淀粉颗粒在此波段吸收值的比率值[15-16]，表明红缨子高粱淀粉颗粒表面结构有序性非常高。

图3 红缨子高粱淀粉傅立叶变换红外图谱Fig.3 Fourier transform infrared spectra of Hongyingzi sorghum starch

2.4 红缨子支链淀粉链长分布特征

支链淀粉结构分析常用的方法为用脱支酶（异淀粉酶和普鲁兰酶）将支链淀粉脱支为短直链结构，然后用色谱或毛细管电泳方法测定短直链组分含量分布特征。短直链的大小用聚合度（degree of polymerization，DP），即分子中脱水葡萄糖苷元的平均数目表示，并将组成支链淀粉的短直链按照链长分成4种类型，为fa（DP为6～12）、fb1（DP为13～24）、fb2（DP为25～36）和fb3（DP＞36）[17]。红缨子高粱支链淀粉链长分布（图4）按照质量百分比如下：fa含量为17.07%，fb1含量为45.83%，fb2含量为15.43%，fb3含量为21.67%。与国外学者研究的外国品种高粱相比，红缨子高粱支链淀粉含有较高的fb3长链组分[18-19]。

图4 红缨子高粱支链淀粉链长分布特征Fig.4 Chain length distribution profile of amylopectin from Hongyingzi sorghum starch

2.5 红缨子淀粉热学特性

淀粉的热学特征与其在食品加工及工业中的应用息息相关，不同品种和不同地区高粱淀粉热学特性有很大的差别。差示扫描量热仪分析显示，红缨子淀粉的糊化起始温度（To）为70.3 ℃，糊化峰值温度（Tp）为75.8 ℃，糊化终止温度（Tc）为82.6 ℃，而糊化吸收热焓值（ΔH）为17.0 J/g。差示扫描量热仪测定的糊化温度反映了淀粉中微晶质量的优劣程度（有效的双螺旋长度），而热焓值反映了淀粉的整体结晶度和淀粉结构的稳定性[20]。相比于以前对高粱淀粉糊化温度的报道，红缨子淀粉有着较高的糊化温度和糊化吸收热焓值[4，20-24]，这也解释了红缨子高粱“耐蒸煮、难糊化”的特点。

表1 红缨子高粱淀粉热学特性Table 1 Thermal properties of starch in Hongyingzi sorghum

2.6 红缨子淀粉糊化黏度特征

淀粉的糊化黏度特性是了解其物理特性和潜在应用价值的关键，与直链淀粉的含量和支链淀粉的结构密切相关。红缨子淀粉的糊化峰值黏度（PV）为302 RVU，热值黏度（HPV）为89 RVU，冷黏度（CPV）为150 RVU，崩解（BD）值、消减（SB）值和最高黏度时间（PT）分别为213 RVU、61 RVU和6.3 min。高崩解值和低回生值是酿酒高粱的重要特征之一[4]，表明红缨子淀粉糊冷却形成的凝胶黏度低，不易老化，有利于淀粉在发酵过程中被充分利用。

2.7 红缨子淀粉动态流变学特性

动态模量包括储能模量（G'）和损耗模量（G"）。其中储能模量表示物质在形变过程中储存的能量，反映物质形变后恢复原状的能力，储能模量值越高，恢复能力越强；损耗模量表示物质在形变过程中为了抵抗黏性助力而损失的能量，反映了物质抵抗流动的能力，损耗模量值越高，物质抵抗流动能力越强。升温扫描过程中（图5A），红缨子淀粉胶的储能模量和损耗模量均逐渐减小，储能模量从25 ℃的24.1 Pa下降至95 ℃的12.6 Pa，损耗模量则从25 ℃的6.9 Pa下降至95 ℃的4.0 Pa。降温扫描过程中（图5B），红缨子淀粉胶的储能模量先从95 ℃的11.9 Pa减小至81 ℃的10.7 Pa，然后逐步上升至25 ℃的16.4 Pa，而损耗模量则从95 ℃的3.9 Pa减小至81℃的3.7 Pa，然后逐步上升至25 ℃的5.7 Pa，说明在低温条件下，红缨子淀粉胶表现出更强的弹性特征。红缨子淀粉胶储能模量和损耗模量在25 ℃条件下随频率变化过程如图5C所示，随着频率增大，储能模量和损耗模量均增大，说明红缨子淀粉胶的弹性和黏性都增加，随着频率从0.628 rad/s增加至125.6 rad/s，储能模量从19.9 Pa增加至55.2 Pa，损耗模量则从2.7 Pa大幅增加至25.2 Pa，说明在高频率条件下，淀粉胶的黏性特征比弹性特征增加更为显著。

图5 红缨子高粱淀粉动态流变学特性Fig.5 Dynamic rheological properties of Hongyingzi sorghum starch

3 结论

红缨子高粱淀粉颗粒大小介于5～20 μm之间，且大小不一，形状不规则，部分颗粒表面有凹陷或呈蜂窝状。淀粉颗粒晶体结构为A型，结晶度为31.0%，较普通白高粱高。傅立叶变换红外光谱分析表明，红缨子淀粉颗粒表面结构的有序性比其他淀粉高。红缨子支链淀粉含有较高的fb3长链组分，较高的结晶度及fb3长链组分导致其较高糊化温度和糊化吸收热焓值。快速黏度仪分析表明，红缨子高粱具备高崩解值和低回生值这一适宜酿酒的重要特征。动态流变学分析发现，红缨子淀粉形成的淀粉胶在升温扫描过程中，其储能模量和损耗模量均逐渐下降，而在降温扫描过程中，其储能模量和损耗模量则先轻微下降，而后则逐步升高，在频率扫描过程中，红缨子淀粉胶储能模量和损耗模量均显著升高，而损耗模量增加幅度更大，说明在高频条件下，其黏性特征比弹性特征增加的更为明显。