萌发苦荞粉的加工和消化特性分析

白永亮，谢静，李托雯，王海燕，田天娥，白卫东

（1.佛山科学技术学院食品科学与工程学院，广东佛山 528000）（2.中山市南方新元食品生物工程有限公司，广东中山 528436）(3.仲恺农业工程学院食品科学与工程学院，广东广州 510225）

苦荞麦[Fagopyrum tataricum(L.) Gaertn.]，又名荞叶七、菠麦、乌麦或花荞等，学名鞑靼荞麦，与“何首乌、大黄”等同属蓼科[1]。苦荞起源于中国和北亚地区[2]，广泛种植于北部、西北部和东北部地区[3]，具有生长周期短、抗逆性强以及生态适应性强等特性，在农业生产中具有特殊的地位[4]。苦荞营养价值高，除了淀粉、蛋白质、脂肪以及镁、铁、锌等微量元素外[5]，其主要功能性成分为黄酮类化合物，如芦丁、槲皮素等。

谷物粉的加工特性和消化特性会直接影响产品的加工适宜性以及食品经食用后在人体内的消化及吸收情况，最终会影响食品本身的嗜好特性。萌发作为一种有效改善物料加工性能和消化性的方法，已经广泛应用于小麦、青稞、燕麦和绿豆等作物中。刘本国等[6]研究发现，萌发能够显著提高苦荞麦中的芦丁和总酚的含量，特别是γ-氨基丁酸和游离氨基酸。梁雨荷等[7]在萌发青稞的研究中，发现青稞萌发后的营养成分和生理活性都发生了显著改变，其中γ-氨基丁酸、多酚和黄酮含量显著增加，但β-葡聚糖的含量有所下降。Leite等[8]研究发现种子萌发能增加含水量、蛋白质和纤维，降低了脂类、还原糖、单宁和酚类化合物的含量。也有研究指出，萌发谷物加工特性和消化特性[9-11]的改变主要归结于萌发过程中，水分含量迅速升高，细胞的生命代谢活动随之加快，淀粉酶活性增强促使淀粉发生降解，使淀粉的结构和组成发生变化[10,12]，蛋白酶活性增强促使蛋白质的状态发生改变[11,13]。

萌发苦荞麦黄酮类化合物含量高，是未来苦荞功能性食品开发的良好原料。在苦荞食品开发过程中，应充分考虑其加工特性和消化特性对食品品质的影响，这有助于更科学地利用资源，提高生产质量和效率。目前关于这方面的研究较少。周一鸣等[11]主要研究了萌发苦荞粉颗粒特性与及消化性研究，揭示了萌发改变了苦荞淀粉粒径和结晶度，结晶度增大，血糖指数下降。本文着重研究萌发苦荞粉的冻融稳定性、凝胶能力、水合特性、透明度等加工特性，并结合消化特性进行分析，为萌发苦荞在精深加工产品中的合理应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

苦荞籽粒：产自云南昭通，昭苦1号，收获于2019年。

次氯酸钠溶液、DNS试剂，均为分析纯，西安风腾化工有限公司；偏磷酸钠、氯化钠、磷酸二氢钾、氯化钾、氯化钙、碳酸氢钠、氢氧化钠，均为分析纯，上海麦克林生化科技有限公司；无水葡萄糖，分析纯，天津鼎盛鑫化工有限公司；无水乙醇，分析纯，湖南江虹试剂有限公司；α-淀粉酶，分析纯，天津市大茂化学试剂厂；胃蛋白酶、胰酶，均为分析纯，德国Biofroxx公司；石油醚，分析纯，西陇科学股份有限公司。

GXZ-500D恒温恒湿光照培养箱，购于宁波东南仪器有限公司；数显式电热恒温水浴锅，购于上海博迅实业有限公司医疗设备厂；紫外可见光分光光度计，购于上海现科分光仪器有限公司；THZ-82水浴恒温振荡器，购于常州亚特实验仪器有限公司；TH2-82A型气浴恒温振荡器，购于常州市化能实验仪器厂；TG16G高速离心机，购于常州金坛良友仪器有限公司；微波快速水分测定仪，购于德国Sartorius公司；Scientz-100F真空冷冻干燥机，宁波新芝生物科技股份有限公司；MM 400Retsch研磨仪，弗尔德（上海）仪器设备有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 样品制备

选取完整、均匀、饱满的苦荞籽粒，清洗沥干后，置于质量分数5%的NaClO溶液中浸泡15 min，在每个直径15 cm的培养皿中放入消毒好的苦荞籽粒200粒，之后在20 ℃下浸40 h取出，此时发芽率为26.6%，千粒质量为35.07 g；然后置于恒温恒湿箱中（25 ℃、湿度80%、光照强度7 500 Lx）萌发48 h，最终发芽率为94.20%，千粒质量为40.60 g立即液氮冷冻。将脱壳后的苦荞籽粒和萌发苦荞籽粒分别预冻24 h后，在-40 ℃、0.01 MPa的条件下在真空冷冻干燥机中处理24 h，在液氮保护下研磨粉碎，过60目筛，-4 ℃保存，备用。

淀粉含量测定参考参照GB 5514-2008；蛋白质测定参考GB 5009.5-2016；脂肪测定参考GB 5009.6-2016；水分测定参考GB 5009.3-2016；灰分测定参考GB 5009.4-2016；黄酮含量测定参考《保健食品检验与评价技术规范》（2003年版）。

表1 苦荞原粉和萌发苦荞粉的主要营养物质含量Table 1 Content of main nutrients of Tartary buckwheat powder and germinated Tartary buckwheat powder

1.2.2 冻融稳定性的测定

参考何财安等[9]的方法并稍作修改，取3.00 g样品于离心管中，加50 mL蒸馏水混匀，沸水浴加热20 min后冷却至室温，取10 mL溶液于塑料离心管（m1）中，称重（m2），置于-20 ℃冰箱中冷冻22 h后取出，放于30 ℃恒温水浴锅中解冻2 h，在3 000 r/min条件下离心20 min，弃上清液，反复冻融三次，称取沉淀物质量m3，按公式（1）计算析水率（记为X）。

1.2.3 沉降体积的测定

参考陈燕[14]的方法并稍作改动，称取样品粉末加入100 mL容量瓶中，配制成10 mg/mL的粉乳，在沸水浴中煮沸并保温15 min，保持体积不变，冷却至室温后倒入100 mL量筒中，静置24 h后测定测定沉降体积。

1.2.4 水合特性的测定

参考何财安等[9]的方法并稍作修改，称取0.10 g样品加入到对应的50 mL离心管离心管中，加入10 mL蒸馏水混匀，90 ℃水浴中加热，振动搅拌30 min，冷却，离心（3 000 r/min）20 min后取上清液于铝盒（m1）中，热风105 ℃中烘至恒重（m2），记录下层沉淀物的质量（m3）。通过公式计算持水力（WHC）、溶解度（WS）、膨胀性（SP）。

式中：

C——持水力，g/g；

J——溶解度，%；

P——膨胀性，%。

1.2.5 透明度的测定

参考陈燕[14]的方法并稍作改动，向烧杯内加入100 mL的蒸馏水，分别称取1.00 g样品加入到相对应的烧杯中，配制成1%的粉乳。沸水加热并搅拌15 min，冷却至25 ℃。用蒸馏水作为参比溶液，在620 nm处测定透光率即透明度。

1.2.6 体外消化

本实验体外模拟消化采用被广泛认可的Englyst法，并稍作修改。分别称取1 g样品，加入装有10 mL生理盐水的50 mL离心管里，配制成质量浓度约1 g/10 mL的淀粉悬浮液。

（1）口腔消化：往离心管中各加入5 mL模拟唾液于37 ℃恒温水浴摇床以转速为150 r/min消化2 min。

（2）胃消化：口腔消化后加入10 mL模拟胃液，用1 mol/L HCl溶液调整pH=2.0，37 ℃恒温水浴摇床（150 r/min）中消化2 h。

（3）肠消化：用1 mol/L NaHCO3溶液将体外模拟胃的pH值调节为6.9，加入6 mL模拟肠液，于温度为37 ℃、转速为150 r/min恒温水浴摇床中消化6 h，3 000 r/min离心5 min，取消化产物上清液进行还原糖含量的测定。

（4）根据消化率的速度和程度，淀粉被分为快消化淀粉（RDS）、慢消化淀粉（SDS）和抗性淀粉（RS），分别取出在体外模拟消化中的肠消化阶段消化20 min和120 min时的水解液各0.50 mL，加入无水乙醇灭酶，离心处理（3 000 r/min）后的上清液测定葡萄糖含量，淀粉含量为葡萄糖值乘以转化因子0.9，每样测定3个平行。计算公式如下：

式中：

HRDS——RDS含量，%（质量分数）；

HSDS——SDS含量，%（质量分数）；

HRS——RS含量，%（质量分数）；

G20、G120——20、120 min内水解产生的还原糖含量，mg；

TG——样品中总还原糖含量，mg；

TS——总淀粉含量，mg；

FG——酶水解前样品中游离还原糖含量，mg。

（5）还原糖含量测定：3,5-二硝基水杨酸法[15]。

1.2.7 淀粉水解率、估计血糖生成指数的计算

参考Goni等[16]方法测定苦荞的估计血糖生成指数，计算萌发苦荞粉、苦荞原粉和参考食品（白面包）在0～180 min期间淀粉水解曲线下的面积（AUC样品和AUC参考）。在肠消化阶段的0、2、5、10、20、30、60、120和180 min等时间点，各取1 mL样品于离心管，沸水浴灭酶5 min后离心取上清液测定还原糖含量。

按照下式计算淀粉的水解率。

式中：

S——淀粉水解率，%；

D——取样时间点消化的葡萄糖当量；

H总——总淀粉含量，g/100 g。

以时间作为横坐标，淀粉水解率作为纵坐标绘制水解率曲线。计算萌发苦荞样品、原苦荞样品和参考食品（白面包）在0～180 min期间淀粉水解曲线下的面积（AUC样品和AUC参考），得出各样品淀粉水解指数（HI）。样品的估计血糖生成指数（eGI）按照以下公式计算。

1.3 数据统计与分析方法

所有实验均做三组平行实验，数据分析采用SPSS 26软件分析各组实验数据差异显著性（p＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 苦荞籽粒萌发过程中含水率的变化

图1 萌发过程中的苦荞籽粒Fig.1 Tartary buckwheat seeds during germination

图2 苦荞萌发过程中的含水率Fig.2 Water content of Tartary buckwheat during germination

苦荞的萌发过程本质上是一种吸水的过程，因此水分在苦荞萌发中的物质代谢至关重要。图2为苦荞的含水率曲线，显示了苦荞籽粒萌发过程中含水率变化趋势：当萌发时间为0～6 h，已有少量苦荞籽粒萌发，种子的含水率迅速增加。种子的含水率随着浸泡于水中的时间的增长而增大，萌发期间苦荞籽粒快速吸水，内源酶活性被激活，物质代谢速率发生变化，从而导致内部物质性质和消化率发生改变。赵雪莹[17]和曹勇等[18]研究表明，水分含量和水分状态对淀粉热特性、膨胀度以及冻融稳定性均有影响。因此，水分在萌发过程中进入籽粒后的存在状态（如自由水、结合水）及内部成分结构的变化对于后期干燥得到的苦荞粉加工特性和消化特性有一定影响。

2.2 萌发处理对苦荞冻融稳定性的影响

冻融稳定性与淀粉分子的回生密切相关，是用来评判高淀粉食品品质优劣的重要指标。当淀粉凝胶反复冻融过程中，分子重新排列导致水分子析出，因此可用析水率反映淀粉的冻融稳定性，析水率越小代表冻融稳定性越好[19,20]。

由图3可知，苦荞原粉经两次冻融析出水分，平均析出水分6.29%；而萌发苦荞粉经一次冻融析出水分，平均析出水分含量高达18.94%，为苦荞原粉的3.01倍。萌发苦荞粉的析水率显著高于苦荞原粉（p＜0.05），说明苦荞原粉的冻融稳定性更好。这是因为未经萌发的苦荞支链淀粉含量较多，加热糊化后淀粉分子膨胀糊化形成较大空间阻隔，持水能力较强导致析水率较弱；而萌发苦荞粉的直链淀粉含量增加，直链淀粉分子间易于形成氢键，把淀粉结合的水排出，持水能力减弱导致析水率增大，冻融稳定性变差[21]。这与陈春旭[22]的试验结果相似。因此，苦荞原粉比萌发苦荞粉更适用于加工冷冻食品。

图3 苦荞原粉和萌发苦荞粉的析水率Fig.3 Water extraction rate of Tartary buckwheat powder and germinated Tartary buckwheat powder

2.3 萌发处理对苦荞粉凝胶能力的影响

苦荞原粉糊与萌发苦荞粉糊的沉降体积如图4所示，沉降体积越小代表凝胶能力越强[23]。可以看出，苦荞原粉淀粉糊的沉降体积显著高于萌发苦荞粉的沉降体积（p＜0.05），其中苦荞原粉淀粉糊的沉降体积为10.80 mL，而萌发苦荞粉淀粉糊的沉降体积为9.70 mL，降低了11.30%。这说明苦荞籽粒经过萌发处理后其凝胶能力增强。研究表明苦荞经过萌发后，其直链淀粉含量显著增加（p＜0.05）[24]，而直链淀粉含量越高，越容易发生沉降[25]，凝沉性更好，进而增强形成凝胶的能力[26]。因此萌发苦荞粉的凝胶能力优于苦荞原粉。

图4 苦荞原粉和萌发苦荞粉的凝胶能力Fig.4 Gel ability of Tartary buckwheat powder and germinated Tartary buckwheat powder

2.4 萌发处理对苦荞粉水合特性的影响

萌发苦荞粉和苦荞原粉的水合特性以持水力、溶解度和膨胀度表示，结果见图5，它们与食品的质构、感官和色泽等品质相关，进而影响着萌发苦荞粉在产品开发上的应用。苦荞经过萌发后，持水力显著降低（p＜0.05），其中苦荞原粉的持水力为11.00 g/g，而萌发苦荞粉的持水力为6.96 g/g，降低了7%。Kim等[27]研究表明苦荞经过萌发后粗纤维含量显著下降，而王艺静[28]认为持水力与粉体粗纤维含量具有直接的关系，当粉体粗纤维含量越低，其持水力也越低。此外，苦荞萌发过程中蛋白质和淀粉等大分子物质的降解，结构变疏松，也可能是其持水力下降的原因。因此，萌发苦荞粉在用于加工焙烤食品（如蛋卷、杏仁饼等）时颗粒容易出现松散现象。

图5 苦荞原粉和萌发苦荞粉的水合特性Fig.5 The hydration properties of Tartary buckwheat powder and germinated Tartary buckwheat powder

溶解度是指粉体中营养物质的溶解程度，溶解度越大则表明粉体中的可溶性营养成分越多。苦荞经过萌发88 h后，溶解度显著上升（p＜0.05），其中苦荞原粉的溶解度为15.30%，而萌发苦荞粉的溶解度为42.00%，增加了26.70%。陈春旭等[22]实验表明，苦荞淀粉溶解度在萌发2 d后呈现上升趋势，与本实验结果相似。研究表明，苦荞粉的溶解度与其淀粉颗粒结构、直链淀粉与支链淀粉的比例、可溶性营养成分等相关[29]。此外，溶解度大的粉体的深加工产品在蒸煮加工过程中容易出现糊汤现象[6]，因此萌发苦荞粉及其深加工产品不适合应用于蒸煮加工中。

膨胀度是一个评价粉体颗粒吸水过程中膨胀能力的指标[30]。苦荞经过萌发后，膨胀度下降，其中苦荞原粉的膨胀度为12.98%，而萌发苦荞粉的膨胀度为12.00%，降低了0.98%。陈春旭等[22]研究表明，萌发2 d的淀粉膨胀度相对于干样有显著的增加（p＜0.05），为干样的150%，继续萌发有回落的趋势，但其膨胀度仍较干样的膨胀度高，这与本实验结果稍有差异，表现为本实验萌发苦荞粉的膨胀度降低。苦荞粉中的主要成分为淀粉，其中直链淀粉含量越高，淀粉的膨胀度越小[31]。同时支链淀粉形成的微晶区域被破坏，胶束网状结构相对较弱，稳定性变差从而提高了颗粒的膨胀程度。综上，苦荞萌发后由于颗粒内部结构较弱，支链淀粉含量降低，直链淀粉含量越高，水分子不能与淀粉、蛋白质等大分子结合，导致水合特性较弱。相比苦荞原粉，萌发苦荞粉可能更适用于在高水分食品中。

2.5 萌发处理对苦荞粉透明度的影响

透明度是影响加工产品品质的重要因素之一，反映了淀粉与水的互融能力、淀粉的质量、直链淀粉与支链淀粉的比例等[32]。由图6可知苦荞经过萌发后，透光率下降，其中苦荞原粉的透光率为4.67%，而萌发苦荞粉的透光率为4.29%，降低了0.38%。丁卫英等[33]研究表明萌发黑苦荞淀粉糊的透明度低于原苦荞，与本实验结果相似。这可能是萌发苦荞粉糊化后淀粉颗粒结构进一步被破坏，直链淀粉增加导致回生速度加快，形成的胶束较多，光线发生散射，透明度降低。

图6 苦荞原粉和萌发苦荞粉的透光率Fig.6 Light transmittance of Tartary buckwheat powder and germinated Tartary buckwheat powder

2.6 萌发时间对苦荞粉体外消化特性的影响

由图7可知，浸泡时间是影响苦荞对营养物质的吸收和利用的主要因素，当浸泡时间过短，水分及相关营养成分不足以满足苦荞的生长需求，且各种内源酶活性较低。但浸泡时间过长时会对苦荞细胞内部结构造成不可逆的破坏，阻碍苦荞在萌芽时对营养物质的利用。随着苦荞籽粒浸泡时间延长，苦荞经消化后还原糖的含量呈先增加后下降的趋势。浸泡过程中还原糖含量增加的原因可能是淀粉颗粒浸泡后膨胀，种子中的淀粉酶被激活或合成，将淀粉等大分子物质分解，减少淀粉络合物的形成，从而提高苦荞粉的消化率，还原糖释放量提高。萌发后期还原糖含量明显增加，可能是淀粉、纤维素等大分子的降解提高了苦荞的消化性。黄升谋等[34]研究小麦种子萌发过程中糖类的变化中，在小麦种子萌发前12 h时还原糖含量平缓上升，12 h时后还原糖含量上升较快速，而萌发40 h时以后还原糖含量呈下降趋势，与本实验结果相似。

图7 浸泡、发芽时间对苦荞粉还原糖释放的影响Fig.7 Effect of soaking and germination time on reducing sugar release of Tartary buckwheat powder

2.7 萌发处理对苦荞淀粉含量和组成的影响

由表2可以看出，萌发苦荞粉与苦荞原粉的总淀粉含量有显著差异（p＜0.05），从66.94%下降到59.43%，下降了7.51%，表明萌发过程伴随着淀粉分解。萌发苦荞的快消化淀粉比原苦荞的含量显著提高（p＜0.05），达到85.69%；慢消化淀粉含量无显著变化（p＞0.05），而抗性淀粉中萌发苦荞显著低于原苦荞（p＜0.05）。周一鸣等[11]研究表明，随着萌发时间的增加，苦荞淀粉中的总淀粉含量与直链淀粉含量均不断减少。部分RS在萌发过程中转化为慢消化淀粉，慢消化淀粉的比例由7.58%上升到18.70%，提高了2.47倍，与本实验结果稍有差异，表现为本实验中SDS的比例下降，原因可能与萌发工艺控制不同或品种差异有关。周一鸣等[11]采用的原料为山西黑丰1号，消毒后浸泡12 h，在室温下催芽24 h，然后播种在苗盘内基质，每天用15 W紫外灯照射15 min，在环境湿度为80%～90%，温度为25～30 ℃的条件下萌发4 d得到萌发苦荞，与本文萌发工艺存在明显差异。因此，本实验中苦荞淀粉的降解主要表现为抗性淀粉的降解，萌发过程中慢消化淀粉和抗性淀粉转化为快消化淀粉。

表2 萌发88 h对苦荞中淀粉含量和组成的影响Table 2 Effect of germination for 88 h treatment on the content composition of Tartary buckwheat starch

2.8 萌发处理对苦荞淀粉水解率、估计血糖生成指数的影响

图8 苦荞原粉和萌发苦荞粉的淀粉水解率Fig.8 Starch hydrolysis rate of Tartary buckwheat powder and germinated Tartary buckwheat powder

由图8可以看到，萌发苦荞粉和苦荞原粉的水解率有显著的坡度和差值，且在水解初期就能达到较高的程度，消化至20 min逐渐达到平衡，水解趋势大致一致。萌发苦荞粉比苦荞原粉的水解率高，达到92.80%，且相对于苦荞原粉也较快进入平衡状态，在消化至20 min前，萌发苦荞粉水解速率显著高于苦荞原粉（p＜0.05），在进入平衡状态后，萌发苦荞粉的水解率无显著变化（p＞0.05）。说明萌发苦荞粉的水解速度比苦荞原粉更快，水解程度更高。王鹏等[35]研究荞麦等杂粮淀粉体外消化特性的分析中，水解曲线与本实验的曲线较为相似，但研究中在反应90 min后方才进入平衡状态，而本实验则在20 min后进入，两者的时间差距可能体现在样品消化前的处理方式不同。王鹏等采用了蒸煮、微波加热及加压处理下后，加入酶液进行消化。

血糖生成指数是评估淀粉类食品消化情况的重要指标，由表3可知萌发苦荞粉的估计血糖生成指数高于苦荞原粉但无显著变化（p＞0.05），二者的eGI值均高于70，与马雨洁等[36]研究的熟制挤压荞麦面条结果相似。结合苦荞原粉和萌发苦荞粉中淀粉组成的变化，eGI值可能与萌发过程中抗性淀粉和慢消化淀粉的降解有关。此外，影响食物eGI值的因素还有很多，例如食品的加工方式、食物的质构和食物中的抗营养成分等。

表3 苦荞原粉和萌发苦荞粉的估计血糖生成指数Table 3 Estimated glycemic index of Tartary buckwheat powder and germinated Tartary buckwheat powder

3 结论

苦荞经过萌发后，其加工特性和消化特性均发生了一定的变化。在加工特性的研究中，萌发苦荞粉的冻融稳定性、持水力、膨胀度和透明度均显著低于苦荞原粉，溶解度和凝胶能力高于苦荞原粉。因此，可以通过萌发或其他改性方法来改变苦荞中的淀粉结构，进一步改善其加工特性，使其适用于不同的产品中。在消化特性方面，萌发苦荞粉的快消化淀粉含量高于原粉，慢消化淀粉含量变化不显著，抗性淀粉显著低于原粉；淀粉水解速率、水解程度以及eGI值均高于苦荞原粉，表明萌发苦荞粉具有更好的消化性，可用于制作高营养易消化的食品。萌发改变苦荞粉的营养成分、加工特性和消化特性，从而影响萌发苦荞粉在食品中的应用。因此，深入开展萌发苦荞粉加工特性与消化特性的相关研究，对于萌发苦荞功能食品开发应用具有重要的意义。