四种元麦淀粉粒形态结构与理化性质的比较

闵晶晶 陈昕钰 王磊磊 吴云飞 余徐润 李 波, 刘 建 熊 飞

(扬州大学生物科学与技术学院1，扬州 225009)(江苏沿江地区农业科学研究所2，南通 226541)

元麦即裸大麦，又名青稞，是大麦的一种类型，系禾本科(Gramineae)大麦属(Hordeum)谷类植物，在食品和非食品工业方面具有较高的开发价值[1]。元麦比普通谷物含有更多的蛋白质、膳食纤维、维生素和不饱和脂肪酸等[2]，具有良好的健康功效，尤其β-葡聚糖含量为大麦之首，具有清理肠胃、降低胆固醇、调节血糖等生理功能[3]。 2006年美国食品药品监督管理局(FDA)认定元麦产品可以作为保健食品进行宣传[4-5]。因此，元麦越来越受到人们的青睐。

元麦胚乳占据了种子的大部分，主要含淀粉和蛋白质，其中淀粉占据了胚乳组织的85%以上[6]，由直链淀粉和支链淀粉分子组成，两者的含量在元麦的生产应用及加工品质上有很大的影响[7]。元麦淀粉中直链淀粉质量分数在0%～45%之间，依据直链淀粉在总淀粉中的比例不同，可将元麦淀粉分为3类：蜡质元麦淀粉(<2%)，普通元麦淀粉(约25%)，高直链元麦淀粉(约40%)[8]。

如今，元麦不仅只是粮食作物，在日常生活中逐渐成为食品和工业等方面的加工原料。而淀粉是影响元麦加工品质的关键性状，其直链淀粉含量、颗粒大小、膨胀势和溶解度、相对结晶度、消化特性等理化性质对于其在食品和非食品领域的应用都有特殊用途[9]。在这种背景下，对元麦理化性质等方面的研究显得越来越重要。目前，对西藏、青海、云南、四川等高寒地区青稞淀粉理化性质报道较多，任欣等[10]研究了藏青320、肚里黄、北青3号、北青6号和昆仑12号5个品种淀粉理化性质，结果表明昆仑12号更适合用于工业化生产。徐菲等[11]定量分析了来自青海、西藏、四川、甘肃、云南5个主产区38个不同粒色青稞品种的营养成分，结果表明，不同品种青稞的营养成分存在显著差异，其中蛋白质、脂肪、纤维和灰分含量差异较大。宋居易等[12，13]分析了江苏地区5种元麦粉的化学组分含量、溶解度、膨胀势、糊化特性，以及与面条、面疙瘩品质的相关性，表明通麦6号是更适宜面条加工的元麦品种，通麦8号、东陈元麦在感官评分及煮沸损失率指标上优于其他元麦品种。但国内学者对江苏地区主要元麦品种的理化性质研究较少，并且研究也不够深入和详细，特别缺少对淀粉有序结构、晶体结构、消化特性等理化性质的研究。因此，对江苏地区广泛推广的4种元麦品种(通麦6号、苏裸麦2号、青元麦、黑元麦)的淀粉形态结构和理化特性的差异进行研究，为元麦淀粉在食品和非食品工业中的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

选用黑元麦(HYM)、通麦6号(TM6)、青元麦(QYM) 、苏裸麦2号(SLM2)4个代表性元麦品种(图1)，其中黑元麦由盐城农科所提供，其他3个品种由江苏沿江地区业科学研究所提供。于2017年10月种植于扬州大学作物栽培重点实验室实验棚内，实行常规管理，水肥充足，取其成熟颖果作为实验材料。

图1 四种元麦颖果形态(标尺=20 mm)

1.2 仪器与设备

S-4800Ⅱ场发射扫描电镜，D8 Advance多晶X射线衍射仪，AVANCE III 400MHz WB固体核磁共振波谱仪，Cary 610/670显微红外光谱仪。

1.3 实验方法

1.3.1 淀粉粒的提取

元麦淀粉的提取参考余徐润等[14]的方法并稍加改进。样品加0.2%NaOH溶液后充分研碎，经8层纱布过滤，滤液6 000 ×g 离心5 min后倾倒上清液，再加0.2%NaOH溶液高速振荡20 min，6 000 ×g 离心5 min后倾倒上清液并刮除淀粉表层的有色层。重复多次直到上清液澄清后收集管底淀粉，在40 ℃烘箱干燥72 h后于干燥器中保存备用。

1.3.2 淀粉粒的扫描电镜观察

取少量淀粉样品，用300 μL无水乙醇分散淀粉颗粒，吸取少许溶液滴入扫描电镜样品台凹槽中，待乙醇完全挥发后经真空离子溅射镀金后，于扬州大学测试中心场发射扫描电子显微镜下观察并拍照。

1.3.3 淀粉粒的粒度分析

用200 μL超纯水悬浮少量干燥淀粉于2 mL离心管中，充分振荡均匀，取少量悬浮液于载玻片上，加盖玻片，在偏光显微镜下观察拍照。用Image-Pro-Plus软件随机统计图片中2 000个淀粉粒的粒径，重复3次。

1.3.4 表观直链淀粉含量的测定

用20 μL的95%的酒精悬浮10 mg淀粉，加入1 mL 1 moL/L NaOH的溶液，再用水稀释10倍。用0.1 moL/L的HCl稀释到最终溶液溶度为0.25 mg/mL。吸取0.1 mL溶液，并加入1.8 mL的水和0.1 mL的KI/I2溶液(2%KI+0.2%I2，质量/体积)在室温下反应30 min。在波长510 nm和620 nm下读取吸光度值，直链淀粉含量=(A620-A510+0.054 2)/0.399 5×100%，重复3次。

1.3.5 X-射线衍射分析

取适量干燥的淀粉样品压片，在扬州大学测试中心X-射线衍射仪上从2θ角4°到40°扫描 (步长0.6 s)，获得淀粉样品的XRD波谱。用Origin8.0绘制淀粉XRD图谱，使用图像分析软件Photoshop CS6和Image-Pro Plus图像分析软件计算淀粉的相对结晶度，重复3次。相对结晶度=结晶峰面积 /(结晶峰面积+无定型峰面积)× 100 %。

1.3.6 傅里叶变换远红外光谱分析(FTIR分析)

取少量干燥淀粉悬浮于超纯水中调制成乳状，吸取少量到傅里叶变换远红外光谱仪的衰减全反射模式(ATR)样品台上，以超纯水为参照扫描背景从波数范围800～4 000 cm-1进行扫描，得到淀粉的解卷积光谱。统计1 045、1 022、995 cm-1峰的强度，同时计算(1 045/1 022)、(1 022/995) cm-1的比值，重复3次。

1.3.7 13C固体核磁共振波谱(13C CP/MAS NMR)分析

取适量淀粉于固体核磁共振波谱仪分析。利用PeakFit 4.12分析软件对无定形淀粉(WDX)和元麦淀粉的13C CP/MAS NMR波谱进行峰拟合，参考Tan等[15]方法计算出无定形峰、结晶峰、V-型单螺旋及双螺旋的相对含量。

1.3.8 膨胀势和溶解度的测定

取干燥的元麦淀粉40 mg(m0)溶解于2.5 mL超纯水，分别在55、65、75、85、95 ℃下充分水浴振荡1 h后5 000 × g离心10 min，弃除上清液后称质量(m2)，最后在50 ℃烘箱中烘干至恒重(m3)。溶解度=[m0-(m3-m1)]/m0×100 %；膨胀势(g/g)=(m2-m1)/(m3-m1)。

1.3.9 淀粉的水解特性

使用猪胰腺α-淀粉酶(PPA：≥10 U/mg)、淀粉葡萄糖苷酶(AAG：≥300 U / mL)和HCl分别对4种元麦淀粉进行水解，具体方法及计算参考朱晓威[16]的研究。

2 结果与分析

2.1 元麦淀粉形态观察、粒径分布

元麦淀粉的扫描电镜照片如图2所示。青元麦、苏裸麦2号和通麦6号颗粒表面比较光滑，大小比较均匀，极小颗粒淀粉比例比较小。黑元麦颗粒大小不均，极小颗粒淀粉比例较多，差异较大，大颗粒多为圆饼形，小颗粒多为圆球形。

图2 元麦淀粉粒形态(×1 000)

元麦淀粉都呈现出双峰的粒度分布，存在A-型(直径>10 μm) 大淀粉粒和B-型(直径<10 μm)小淀粉粒(图3)。4种淀粉的平均粒径差异较大，其中黑元麦平均粒径最小，青元麦最大。此外，黑元麦和苏裸麦2号的B-型淀粉粒较多，通麦6号和青元麦的A-型淀粉粒较多。A-型和B-型淀粉粒的比例会影响淀粉的理化性质，如淀粉中直链淀粉的含量、膨胀势、溶解度以及相对结晶度等。与B-型淀粉粒相比，A-型淀粉粒的含量越高，淀粉的溶解度和膨胀势就越高[17]。

直链淀粉含量是影响元麦加工品质的重要因素之一。由表1可知，4种元麦直链淀粉含量由高到低依次为黑元麦>通麦6号>苏裸麦2号>青元麦，其中黑元麦的直链淀粉含量显著高于其他品种。

图3 元麦淀粉的粒度分布图

表1 元麦淀粉的粒度和表观直链淀粉含量

注：数据表示为平均值±标准误。不同小写字母表示差异显著(P<0.05),余同。

2.2 淀粉的XRD分析

从图4a中可以看出，4种元麦淀粉的XRD图谱整体相似，在2θ 角15°、17°、18°和23°附近有较强的衍射峰，其中17°和18°附近的衍射峰为相连的双峰，在2θ角20°附近有弱的衍射峰，这是A-型晶体淀粉典型的XRD波谱特征。图4b所示为4种淀粉的相对结晶度，4种淀粉的相对结晶度差异显著，结晶度从大到小依次为黑元麦>青元麦>苏裸麦2号>通麦6号。黑元麦淀粉的相对结晶度最高。

图4 元麦淀粉的XRD图谱和相对结晶度

2.3 ATR-FTIR分析

图5a为淀粉的ATR-FTIR波谱，可以看出4种元麦淀粉在800～1 200 cm-1间表现出类似的共振峰，其差别主要体现在995、1 022 cm-1和1 045 cm-1处。1 045/1 022 cm-1和1 022/995 cm-1共振峰强度的比值见图5b，4种元麦中，青元麦的共振峰1 045/1 022 cm-1的比值最高，通麦6号的比值最低：苏裸麦2号的共振峰1 022/995 cm-1的比值最高，黑元麦的比值最低。

图5 元麦淀粉的ATR-FTIR波谱和红外光谱共振峰的相对比值

2.4 淀粉的13C CP/MAS NMR分析

无定型淀粉和4种元麦淀粉的13C CP/MAS NMR波谱分析如图6所示。从6A中可以看出，元麦淀粉的NMR波谱相似，在δ=120～50之间有4个明显的信号强度区域，分别为C1、C4、C2，C3，C5区和C6区域。但它们的主要区别在于C1区域。无定型淀粉在C1区域只有102.9处一个峰，而经过差减法得到的元麦淀粉NMR波谱在C1区域有3个明显的结晶峰，分别在99.6、100.5、101.5处。

表2所示为4种元麦淀粉无定形峰、结晶峰、V-型单螺旋及双螺旋的相对含量。从中可以看出青元麦和黑元麦淀粉的结晶峰含量明显高于通麦6号和苏裸麦2号淀粉，与XRD测定淀粉的相对结晶度的结果相一致。

图6 元麦淀粉的13C CP/MAS NMR波谱

表2 元麦淀粉的无定型峰、结晶峰、V-单螺旋和双螺旋比例

2.5 膨胀势和溶解度

从图7可以看出，淀粉的膨胀势在55～65 ℃之间为缓慢增加的变化趋势，而在65 ℃之后显著增加，在85 ℃后趋于平缓。淀粉的溶解度在55～75 ℃之间显著增加，在85 ℃后趋于平缓。在95 ℃时，4种元麦的膨胀势的大小为：青元麦>通麦6号>苏裸麦2号>黑元麦；溶解度大小：黑元麦>苏裸麦2号>通麦6号>青元麦。

图7 元麦淀粉的膨胀势和溶解度

2.6 水解性能

图8为4种元麦淀粉的AAG、HCl和PPA水解程度图。淀粉在3种水解条件下的水解程度随水解时间的增加均逐渐增大，最后趋于平缓。在AAG水解过程中，0～12 h元麦淀粉水解程度类似且水解程度急剧增加，12 h之后水解程度处于平缓，青元麦的水解程度最高，苏裸麦2号水解程度最低。在PPA水解过程中，在0～12 h内元麦的水解程度缓慢增加，黑元麦的水解程度最高，在12～48 h内元麦的水解程度快速增高，通麦6号水解程度最高，48 h之后都开始趋于平缓。在HCl水解过程中，元麦淀粉2 d内的水解程度很高且其趋势类似，在2～8 d内黑元麦和青元麦的水解程度逐渐高于通麦6号和苏裸麦2号，8 d以后青元麦、通麦6号、苏裸麦2号水解程度上升较快，黑元麦上升缓慢。综合3种水解过程可以看出，在HCl和AAG水解过程中，青元麦水解程度最高，这可能与它直链淀粉含量较低有关。在PPA 水解过程中，通麦6号水解程度最高，青元麦最低。

图8 元麦淀粉在AAG、PPA和HCl作用下的水解程度

3 讨论

4种元麦淀粉粒中形状多为圆饼形和圆球形，其淀粉粒的粒度分布均为双峰分布，青元麦的平均粒径最大，黑元麦的最小。

天然淀粉由结晶区和无定形区组成，一般来说，天然淀粉可以分为A-型淀粉，B-型淀粉，C-型淀粉。根据XRD图谱可得，4种元麦淀粉为典型的A-型晶体结构。青元麦和黑元麦淀粉的结晶峰含量明显高于通麦6号和苏裸麦2号淀粉。一般而言，直链淀粉含量越少，淀粉的相对结晶度将会增大[18]。本研究中淀粉的相对结晶度与表观直链淀粉含量之间并未存在负相关性，这可能是因为：一是表观直链淀粉含量中还存在部分支链淀粉的分支；二是双螺旋的定位、淀粉晶粒的大小等因素也会影响淀粉的相对结晶度的大小[19]。

淀粉表层有序结构的不同对淀粉的酸解性能存在很大的影响，无定型结构的水解程度明显快于有序结构[20]。4种淀粉都表现出类似的FTIR波谱，但淀粉表层结构有序度存在差异，青元麦淀粉的外部有序结构程度最高，利用FTIR图谱的分析结果可以深入研究元麦淀粉在加工过程中表层结构的变化。

淀粉的溶解度是指在一定温度下，淀粉在水中的溶解程度；膨胀力反映的是淀粉在糊化过程中的吸水特性以及离心后糊浆的持水能力[21]。它们都反映了淀粉与水之间相互作用的大小。黑元麦具有较高的溶解度，青元麦有较高的膨胀势，这可能与淀粉的直链淀粉含量以及淀粉颗粒结构的制约有关。Sodhi等[22]研究表明，直链淀粉含量较低的淀粉具有较高的膨胀势和较低的溶解度，直链淀粉能抑制淀粉颗粒的膨胀。而且小淀粉粒之间堆积紧密，空隙小，吸水膨胀空间阻力大。黑元麦有较高的直链淀粉含量，小颗粒淀粉数量较多，可能是导致它的膨胀势低于其他3种淀粉，溶解度高于其他3种淀粉的因素。

酸解淀粉和酶解淀粉被广泛的应用在食品和非食品行业中，而且酸和酶对淀粉的水解作用受多种因素的影响，如晶体结构特征、粒度大小、直链淀粉与支链淀粉的比例、颗粒的完整性等[23]。综合3种水解过程，青元麦和通麦6号水解程度比较高，更容易被人体消化。

4 结论

江苏地区4种元麦品种通麦6号、苏裸麦2号、青元麦、黑元麦淀粉理化性质存在一定差异，故根据其理化的不同特性可应用于不同食品加工和开发。黑元麦和苏裸麦2号的B-型淀粉粒较多，可作为脂肪代替品用于食品行业，通麦6号和青元麦的A-型淀粉粒较多，可在工业上作为原材料。黑元麦的直链淀粉含量最高，直链淀粉有更强的耐拉伸力，可以提高食品的脆性，所以黑元麦可以用于食品中增加食品的脆性。青元麦具有更好的吸水特性和持水能力，可以加于农产品中，增加持水性，改善品质。青元麦和通麦6号水解程度比较高，易被消化，故可被用来作为化妆品的添加剂和老幼人群的辅食。