黑糯米和血糯米淀粉结构及物化性质的对比分析

焦雪艳 邓昌月 钱雨哲 张莹莹 张 强 王乃富 周裔彬

(安徽农业大学茶与食品科技学院，合肥 230036)

糯米在我国北方又称江米，属于乔本科植物水稻的一种去壳种仁。糯米淀粉中支链淀粉质量极高，相对于普通淀粉而言具有低糊化温度、高透明度、高保水性、较强的抗老化和冻融稳定性等特点。因口感香糯黏滑，常被用于制作年糕、元宵、粽子等风味小吃。黑糯米、血糯米是2种常见的有色糯米，其表皮分别呈黑色、紫红色，具有极高的营养价值。黑糯米富含氨基酸、微量元素、花色苷，具有抗癌、抗过敏、抗肥胖和预防动脉硬化、心血管疾病等功效。因表皮质地细密，可溶性、蒸煮品质差，多作为辅料用于制作黑糯米酒、黑糯米醋、黑糯米粑、黑糯米酥、黑米吐司面包、黑米面条米粉等产品。血糯米富含蛋白质、脂肪、氨基酸和维生素，具有健脾养胃、明目活血、治疗神经衰弱等功能，可用于制作血糯八宝饭、血糯米酒酿、血糯米软曲奇、血糯米冰淇淋等产品。目前有许多相关研究报道，肖昕等[1]对黑米淀粉性质研究表明，黑米淀粉的膨润力和溶解度随温度增加而增大，当温度达到55 ℃时，黑米淀粉糊化速度迅速增加，淀粉结构被破坏；陈旭等[2]对黑米蒸煮品质研究表明，4种黑米蒸煮后硬度范围为698～892 g，咀嚼性范围为92～155 g；张杰[3]对黑米淀粉性质研究表明，黑米淀粉颗粒形貌为不规则的多角形结构，直链淀粉质量为18%，快消化淀粉(rapidly digestible starch，RDS)质量较高，达到84.30%，属于高RDS质量淀粉；张正茂等[4]对7种糯性谷物淀粉研究表明，糯性淀粉易糊化，血糯米和圆糯米、糯玉米淀粉糊化温度最小，均为60 ℃；血糯米、糯玉米淀粉剪切过后有变稠的趋势，形成更稳定的结构；周颖[5]对血糯米、粳糯米、籼糯米糕老化特性研究表明，糯米糕的硬度与相对结晶度(relative crystallinity, RC)、热焓值(gelatinization enthalpy, ΔHgel)呈显著正相关，推测淀粉老化回生影响糯米糕的硬度。目前关于黑糯米、血糯米淀粉的研究多是单独与非糯性淀粉的比较，对于同时对此2种糯性淀粉的对比研究较少。

淀粉是糯米中主要成分，淀粉由直链淀粉和支链淀粉组成。直链和支链淀粉的质量、比例会影响淀粉的加工特性，进而影响糯米产品的品质[6]。为了开发出具有高附加值的糯米淀粉产品、拓宽其应用，有必要对其结构和物化性质进行研究，以指导工业上根据产品需要选择合适的糯米原材料。研究对黑糯米、血糯米淀粉表观结构、球晶结构、支链链长、结晶结构、短程结构、黏度性质、糊化性质、老化性质进行对比分析，以期为指导糯米原材料的选用及其在食品工业中的合理开发利用和深加工提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

黑糯米、血糯米均为市售，异淀粉酶(EC 3.2.1.68，酶活≥1 000 U/μL)。

1.2 仪器与设备

1.3 方法

1.3.1 2种糯米淀粉的制备

取适量糯米于蒸馏水中浸泡3～5 h，浸泡好的糯米加足量蒸馏水多次磨浆后收集浆液，过100目筛，加入0.2%NaOH浸泡12 h后去上清液收集下层沉淀，反复水洗，每次倒掉上清液，刮去表层黄棕色胶状物，直到得到纯白淀粉为止，在35 ℃烘箱干燥24～48 h得到淀粉粒，再经粉碎过100目筛得糯米淀粉(黑糯米淀粉以干基计，水分12.88%，灰分0.32%，蛋白质3.44%，脂肪0.22%，淀粉83.39%，直链淀粉5.61%；血糯米淀粉以干基计，水分13.33%，灰分0.53%，蛋白质2.22%，脂肪0.13%，淀粉82.27%，直链淀粉3.13%)，置于干燥器中室温保存备用。

1.3.2 淀粉表观结构测定

将淀粉样品用导电双面胶固定在样品台上并进行喷金，然后用扫描电镜在加速电压3.0 kV、放大2 000倍的测试条件下观察淀粉颗粒形态。

1.3.3 淀粉球晶结构测定

配制50%水/甘油溶液淀粉，加入淀粉样品形成悬浊液，然后在交叉偏振光下使用双目显微镜观察淀粉样品。

1.3.4 支链淀粉链长分布测定

本文在梳理相关文献的基础上，运用面板数据时间固定效应模型，探讨商业银行人力资本与企业价值的相关性。通过实证分析可知，人力资本是企业发展的重要支撑，是企业持续繁荣的中坚力量，能够有效促进商业银行企业价值的提升。因此，如何将自身丰富的人力资源转化为更有竞争力的人才优势，是当前商业银行实现发展壮大，提升企业价值的关键。而商业银行人力资本的积累可从扩大人力资本投资和建立合理的人力资本激励机制入手。

支链淀粉分离纯化：取10 g淀粉，用无水乙醇完全浸润(30 mL)，加入300 mL 0.5 mol/L的NaOH溶液，沸水浴30 min后，冷却至室温，用2 mol/LHCl调pH至中性，将样品转移至1 000 mL圆底烧瓶，加入3∶1正丁醇-异戊醇混合物(200 mL)，沸水浴冷凝回流1 h，转移至泡沫箱中缓慢冷却20 h，然后置于4 ℃冰箱24 h。取出离心(8 000 r/min，20 min，4 ℃)，去除沉淀物；将上层胶状溶液倒入1 000 mL圆底烧瓶，加入40 mL 1∶1的正丁醇-异戊醇混合液，沸水浴持续回流搅动1 h，持续上述操作多次，直至没有沉淀。旋转蒸发，加入2倍体积的乙醇沉淀，将纯化的支链淀粉放置在鼓风干燥箱中干燥。

链长分布通过高效阴离子交换色谱配备脉冲安培检测器测定。称取5 mg纯化干燥的支链淀粉，加5 mL双蒸水，沸水浴60 min，间断混匀；然后取2.5 mL糊化的样品，加入125 μL CH3COONa、25 μL NaN3和5 μL异淀粉酶，38 ℃放置24 h。加入375 μL NaBH4，室温放置24 h。取600 μL于离心管中，室温干燥，然后溶于600 μL流动相中，离心(12 000 r/min，10 min)，取上清上样。流动相为：A相：双蒸水；B相：100 mmol/L NaOH；C相：100 mmol/L NaOH-500 mmol/L CH3COONa；流速：0.5 mL/min[7]。

1.3.5 淀粉结晶结构测定

用X射线衍射仪对淀粉样品进行测定，测定条件：特征射线Cu靶，衍射仪电压为40 kV，电流为80 mA，扫描角度为5°～50°，步长为0.02°，扫描速度为8(°)/min。用MDI Jade软件分析衍射图谱、计算相对结晶度。

1.3.6 淀粉短程结构测定

红外光谱测定采用溴化钾(KBr)压片法。取100 mg的KBr于玛瑙钵中研碎，添加1 mg样品，研匀，压片。将其在2 000 ～500 cm-1波数范围内扫描，以波数(cm-1)为横坐标，吸光度为纵坐标，得到红外吸收光谱。

1.3.7 淀粉黏度性质测定

采用快速黏度分析仪(rapid viscosity analyzer, RVA)测定淀粉的黏滞性。准确称取3 g淀粉放入RVA专用铝盒中，加入25 mL蒸馏水(按12%湿基试样水分补偿)，用小型塑料螺旋桨充分搅拌后，将RVA专用铝盒卡入旋转塔中进行测量，程序设置为：初始温度50 ℃保持1 min，以12 ℃/min升到95 ℃(3.75 min)，在95 ℃保持2.5 min，再以12 ℃/min降至50 ℃(3.75 min)并保持1.5 min，整个测定过程历时12.5 min，螺旋桨在起始10 s内转速为960 r/min，后以160 r/min的速度旋转。测得黏度特性曲线，用RVA配套软件记录和分析数据。

1.3.8 淀粉糊化性质测定

准确称取2 mg淀粉样品置于PE标准液体皿中，用移液枪加入6 μL的蒸馏水(样品∶水=1∶3)，使待测样品与蒸馏水混合，将PE液体皿进行密封并在室温下平衡水分24 h，平衡后将样品放入差示扫描量热(differential scanning calorimeter, DSC)仪进行测定，温度扫描范围为30～110 ℃，升温速率设定为5 ℃/min，以空液体皿作对照，每个样品做3次平行，经软件处理得到样品的吸热曲线。

1.3.9 淀粉老化性质测定

将经1.3.8方法糊化后的样品放置在4 ℃低温环境下保藏，于第14天取出，在室温下平衡1 h后，进行老化实验，实验参数同1.3.8。

1.4 数据处理

实验数据使用Origin软件作图，Excel软件进行平均值、标准偏差的计算。

2 结果与分析

2.1 淀粉表观结构

由图1可知，2种糯米淀粉颗粒表面光滑，无任何边缘锯齿，均呈现不规则的多角形，棱角分明。有些淀粉颗粒表面出现孔洞，少量颗粒表面有轻微裂痕。孔洞可能是在用碱浸泡法提取淀粉过程中，淀粉颗粒受到一定程度的破损所致[8]。裂痕可能是在淀粉制备过程中外在产生的机械剪切、摩擦作用造成。总体来说，2种淀粉颗粒形态没有明显差异，这是因为淀粉颗粒形状和大小的异同取决于淀粉的植物来源[9]，黑糯米、血糯米淀粉属于相近科属故颗粒形态没有明显差异。

图1 黑糯米和血糯米淀粉扫描电镜图(2 000×)

2.2 淀粉球晶结构

淀粉分子链在结晶区有序排列，在无定型区无序排列，这2种结构在密度和折射率上存在差异，从而导致偏振光通过淀粉时产生各向异性，形成双折射现象[10]。不同品种淀粉颗粒大小、相对结晶度和微晶取向的差异会导致双折射现象的位置、形状有较大差别[11,12]。在偏振光下黑糯米、血糯米淀粉均具有典型的双折射现象且呈现垂直十字交叉，脐点接近颗粒中心，可明显看出黑糯米淀粉较血糯米淀粉产生更大更清晰的双折射(图2)，这可能是由2种淀粉在结晶区、无定型区的差异导致。

图2 黑糯米和血糯米淀粉偏光十字图(80×)

2.3 支链淀粉链长分布

按照聚合度(degree of polymerization, DP)，支链淀粉链长可分为：A链(DP≤12)、B1链(DP 13～24)、B2链(DP 25～36)和B3链(DP≥37)。选择DP 6～76的峰进行积分，以聚合度为横坐标，相对峰面积为纵坐标，作DP-Area图，如图3所示。2种淀粉支链链长分布无明显差异，均有两个明显的峰，且峰值都分别出现在DP 12和DP 40。黑糯米淀粉支链中A链、B1链、B2链、B3链质量分别为30.96%、47.49%、11.33%、10.22%，血糯米淀粉支链中A链、B1链、B2链、B3链质量分别为31.24%、47.39%、11.45%、9.92%。2种淀粉支链链长无显著性差异。与血糯米淀粉相比，黑糯米淀粉支链中A链、B2链所占比例较低，B1链、B3链所占比例较高。

图3 2种糯米淀粉支链链长分布

2种淀粉支链中A链、B3链质量分别相差0.28%、0.3%，相差较多；B1链、B2链质量分别相差0.1%、0.12%，相差较少。

2.4 淀粉结晶结构

不同植物来源的淀粉通常表现出不同的晶体类型，可分为A型、B型、C型三种[13]。一般谷类胚乳含A型淀粉，植物贮藏块茎含B型淀粉，部分植物根茎和豆科植物胚含C型淀粉[14]。由图4可知，黑糯米淀粉在15.1°、23.1°有明显的衍射峰，在17.02°、17.96°处为相连的双峰；血糯米淀粉在15.16°、22.94°有明显的衍射峰，在17.02°、18.04°处为相连的双峰。2种淀粉出峰度数无显著性差异，均属于A型晶体。黑糯米淀粉相对结晶度(23.15%)比血糯米(22.11%)要高，这可能是由2种淀粉中直链质量、支链链长分布不同造成。

图4 2种糯米淀粉XRD图谱

2.5 淀粉短程结构

红外光谱对淀粉链的构象和螺旋的有序比较敏感，通过去卷积处理淀粉的红外光谱图，可以定量研究其有序区域与无定型区域的比例[15]。1 045 cm-1附近的吸收峰与淀粉的有序结构有关，表示结晶区的结构特征；1 022 cm-1附近的吸收峰与淀粉的无序结构有关，表示非结晶区的结构特征[16]；995 cm-1附近的吸收峰为C—O—H的弯曲振动。1 045cm-1/1 022 cm-1峰强度比值反映淀粉的有序程度，1 022 cm-1/995 cm-1峰强度比值反映淀粉的无序程度[17]。由图5可知，2种淀粉红外光谱吸收峰相似，在出峰位置和强度上存在差别，但无显著性差异。黑糯米、血糯米淀粉1 045 cm-1/1 022 cm-1比值分别为0.793、0.784，黑糯米比值较高，说明其有序程度较高；黑糯米、血糯米淀粉1 022 cm-1/995 cm-1比值分别为1.376、1.428，黑糯米比值较低，说明其无序程度较低。与XRD结果相一致。

图5 2种糯米淀粉FT-IR去卷积图谱

2.6 淀粉黏度性质

由图6可知，2种糯米淀粉RVA黏度曲线有较大差异。血糯米淀粉短时间内达到峰值黏度，之后迅速下降，冷却过程中谱线平缓；黑糯米淀粉达到峰值黏度所用时间较长，冷却过程中黏度回升明显，最终黏度高于血糯米淀粉。峰值黏度(Peak viscosity, PV)反映淀粉的水结合能力，可能与溶胀力有关[18]。溶胀力主要由直链淀粉分子控制[19]，直链淀粉质量高会导致PV值较低。由表1可知，血糯米淀粉PV值(3 672 mPa·s)显著高于黑糯米(2 891 mPa·s)，说明血糯米淀粉具有更大的增稠潜力，PV值较大可能是由于直链淀粉质量较低。最终黏度(Final viscosity, FV)是在冷却阶段结束时的最高黏度。是由于温度下降后，被直链淀粉和支链淀粉包围的水分子运动减少，而导致黏度再次上升[20]。黑糯米淀粉FV值(2 589 mPa·s)显著高于血糯米FV值(1 903 mPa·s)。崩解值(Breakdown, BD)反映淀粉的热稳定性和耐剪切性[21]。血糯米淀粉BD值(2 230 mPa·s)显著高于黑糯米(1 548 mPa·s)，说明血糯米淀粉颗粒崩解严重，溶胀后颗粒强度小，易于破裂，导致热稳定性差；加热过程中不稳定，黏度下降明显，耐剪切性差。回升值(Setback, SB)是由于淀粉分子在降温过程中重排引起的，与老化直接相关。黑糯米淀粉SB值(1 246 mPa·s)显著高于血糯米SB值(461 mPa·s)，说明黑糯米淀粉重结晶能力较强，冷糊稳定性较差，这可能与其较高的直链淀粉质量有关。黑糯米淀粉糊化温度(PTemp)值(71.80 ℃)显著高于血糯米PTemp值(67.49 ℃)，说明黑糯米淀粉颗粒具有更强的抗溶胀和抗破裂能力，结构破坏和糊化需要更高的加热温度。

图6 2种糯米淀粉RVA图谱

表1 2种糯米淀粉RVA参数

表2 2种糯米淀粉糊化、老化参数

2.7 淀粉糊化性质

2种淀粉起始温度(onset temperature,To)、峰值温度(peak temperature,Tp)、终止温度(conclusion temperature,Tc)和热焓ΔHgel参数见表2。糊化温度主要与直链淀粉质量、短支链(DP6～12)有关，直链淀粉质量越高、短支链比例越低，糊化温度越高[22,23]。黑糯米淀粉To、Tp、Tc分别为57.05、62.50、67.23 ℃，血糯米淀粉To、Tp、Tc分别为55.51、62.11、66.98 ℃，黑糯米淀粉均相对较高，这可能是因为黑糯米淀粉直链质量较高，短支链质量较低。热焓ΔHgel反映淀粉在相转变过程中所需要的能量。黑糯米淀粉ΔHgel值(11.80 J/g)显著高于血糯米ΔHgel值(10.39 J/g)。这可能是因为黑糯米淀粉相对结晶度、双螺旋质量较高，导致其糊化需要较多的能量，因此具有较大的糊化焓。

2.8 淀粉老化性质

2种淀粉糊在4 ℃条件下保存14 d后测得结果见表2。老化与直链淀粉、支链淀粉、蛋白质、脂类、水分等因素有关[24]。直链淀粉质量越高、支链淀粉中A链比例越低、B1链比例越高，越容易发生老化[25]。从表中可看出黑糯米淀粉ΔHret值(1.56 J/g)显著高于血糯米ΔHret值(0.56 J/g)，表明黑糯米淀粉老化程度较大，冷藏稳定性较差；血糯米淀粉老化程度较小，相比较更适合应用于对抗老化要求较高的食品领域。这可能是因为黑糯米淀粉直链质量较高，支链中A链比例较低，B1链比例较高。黑糯米淀粉老化程度较大与RVA中其较高的回升值(SB)是一致的。

3 结论

黑糯米和血糯米淀粉颗粒均呈现不规则的多角形；均具有双折射现象，黑糯米淀粉双折射更明显。2种淀粉支链中A链、B3链质量相差较多，B1链、B2链质量相差较少。2种淀粉均属于A型晶体，黑糯米淀粉相对结晶度较高，因此其糊化需要较多的能量，具有较大的糊化焓。黑糯米淀粉有序程度较高，血糯米淀粉无序程度较高。血糯米淀粉更容易发生糊化，其峰值黏度显著高于黑糯米淀粉，具有更大的增稠潜力；血糯米淀粉不易发生老化，其ΔHret值显著低于黑糯米淀粉，更适合应用于对抗老化要求较高的食品领域。