糯小麦淀粉结构特征和理化品质研究

刘 健 文 莉 张晓祥 李 曼 刘大同 寿路路 江 伟 张 晓

（江苏里下河地区农业科学研究所/农业农村部长江中下游小麦生物学与遗传育种重点实验室，江苏 扬州 225007）

淀粉是小麦的主要成分之一，约占小麦籽粒总重的60%～70%。淀粉由直链淀粉和支链淀粉组成，其中直链淀粉约占20%～30%，支链淀粉占70%～80%。糯小麦几乎不含直链淀粉，其支链淀粉含量达到98%以上，显著高于非糯小麦，其结构和品质特性也与非糯小麦有很大差异［1］。研究表明，支链淀粉含量越高，相对结晶度越高，因此糯小麦结晶度更高［2］。不同品质类型的非糯小麦结晶度也有差异，韦存虚等［3］认为强筋小麦结晶度较低，弱筋小麦结晶度较高，而Shang等［4］的研究结果则相反。淀粉晶体结构主要由支链淀粉分支形成的双螺旋结构组成，其结晶和晶体形式受支链淀粉分子的分支形式影响，其晶体类型与支链淀粉平均链长（聚合度，degree of polymerization，DP）密切相关［5］。李春燕等［6］、郭静［7］认为糯小麦与非糯小麦的淀粉链长分布存在差异，而Kiribuchi 等［8］发现糯小麦淀粉的链长分布与非糯小麦相似；不同非糯小麦之间结果也不一致，在支链淀粉较长的B3 链（DP≥37）和B2 链（DP 25～36）链含量上，李春燕等［6］认为弱筋小麦>强筋小麦>中筋小麦，而郭静［7］认为强筋小麦>中筋小麦>弱筋小麦，这可能与选用品种有关。支链淀粉链长分布是影响淀粉理化性质的主要因素，研究发现，较长的支链淀粉B 链长度有助于形成结构更有序、热稳定性更强的重结晶支链淀粉［9］，B2 链比例增加会使淀粉的凝胶糊化温度和热焓值变大［10］。支链淀粉B3 链比例是决定糯小麦淀粉理化性质的主要因素，而支链淀粉B1 链（DP 13～24）比例在促进糯小麦淀粉回生中发挥作用［11］。不同淀粉链长对淀粉理化性质的影响各异。因此，研究糯小麦淀粉链长分布对了解糯小麦淀粉品质特性具有重要作用。

淀粉在小麦胚乳中以颗粒形式存在，按粒径大小，淀粉粒分为A 型颗粒（≥10 µm）和B 型颗粒（<10 µm）。前者占淀粉总重的70%，但数量不足10%；后者占淀粉总重的30%，但数量占90%以上［11］。前人研究将小麦淀粉颗粒分为A 型颗粒（≥10 µm）、B 型颗粒（5～9.9 µm）和C 型颗粒（<5 µm）［12］。淀粉结构对理化性质有重要影响［13］，Kumar 等［14］研究发现改变淀粉颗粒组成可以调控淀粉性质，添加A-颗粒能显著影响淀粉热性能，且添加A 颗粒的效果好于B 颗粒。淀粉粒度分布可改变糯小麦特性［15］，前人对糯小麦粒度分布研究存在分歧：闫素辉等［15］、Dai等［16］、Liu 等［17］认为糯小麦中B 淀粉颗粒的体积、表面积和数量分布高于非糯小麦；Zhang 等［18］认为糯小麦淀粉B 型颗粒比例较小，平均粒径较大，鲁平［19］的研究结果则相反；Jung 等［20］认为糯小麦和非糯小麦品种之间A 型和B 型淀粉颗粒大小无显著差异。造成这种差异的原因可能是选用小麦品种或淀粉提取方法不同。

本研究以4个糯小麦为研究对象，3个不同筋力非糯小麦作为对照，系统研究糯小麦淀粉结构特征和理化品质，旨在明确糯小麦淀粉组成及其含量、粒度分布、X 射线衍射特性和结晶度、链长分布和热力学特性，为小麦面粉品质改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验设计

试验材料由4个糯小麦组成，3个不同筋力的非糯小麦为对照。其中，4个糯小麦分别为济糯1号、中科糯麦1 号、扬糯麦1 号和扬糯麦2 号，如表1 所示。根据《GB/T 17320-2013小麦品种品质分类》［21］综合评判，中科糯麦1 号、扬糯麦2 号筋力中等偏强，扬糯麦1 号筋力偏弱，济糯1号除稳定时间较低外，蛋白质和湿面筋含量表现为筋力中等偏强；3个非糯小麦分别为强筋小麦师栾02-1、中筋小麦扬麦158和弱筋小麦扬麦13。

表1 不同糯小麦品种部分品质参数Table 1 Quality parameters of waxy wheat varieties

供试材料于2019 年10 月30 日在江苏里下河地区农业科学研究所万福试验基地（32°24′N、119°26′E）种植。试验采用随机区组设计，2 次重复，每个小区面积6.67 m2，机械条播，采用常规大田模式进行管理，及时防治病、虫、草害发生，2020 年6 月1 日小区收获脱粒，晾晒除杂后统一磨粉。

1.2 主要仪器与设备

DFY-500 多功能高速粉碎机，中国温州顶历医疗器械有限公司；UV756分光光度计，中国上海约克仪器有限公司；Matersizer 3000 马尔文激光粒度仪，英国伍斯特郡Malv ern Instruments 有限公司；D8 AdvanceBruker X射线衍射仪，德国BrukerAXS公司；ThermoICS 5000+离子色谱系统，美国Thermofisher Scientific 公司；DSC Q2000差示扫描量热仪，美国TAInstruments公司。

1.3 试验方法

1.3.1 淀粉提取 参照Bai 等［22］的方法提取小麦籽粒淀粉，置于4 ℃冰箱中储存备用。分别取不同品种的小麦种子，用多功能高速粉碎机粉碎，过100 目筛。常温下将样品在固液比为1∶4的0.1% NaOH水溶液中浸泡20 h，期间搅拌3次。离心15 min，倒掉上清液和顶部较暗的层，即得淀粉样品。将淀粉样品重新悬浮在蒸馏水中并搅拌，重复上述离心过程。将白色淀粉样品在40 ℃下干燥15 h并研磨成粉末，最后过100目筛。

1.3.2 淀粉含量测定 参照文献［22-23］测定总淀粉含量和直链淀粉含量。用分光光度计在620 nm 波长下测量淀粉溶液的吸光度。根据直链淀粉和支链淀粉混合物的标准曲线，通过测量吸光度计算淀粉的直链淀粉含量。支链淀粉含量即为总淀粉含量与直链淀粉含量之差。

1.3.3 粒度分布测定 参照Deng 等［24］的方法，利用马尔文激光粒度仪进行湿法检测，在0.1～3 500 µm 范围内估计颗粒尺寸，测定淀粉的表面积、数量和体积分布。

（1）称取100～200 mg 淀粉于干净EP 管中，加入1 mL 75%酒精，涡旋混匀后超声混匀。

（2）将混匀后的样品置于马尔文激光粒度仪进行粒度分布测定，每样测定3次。

1.3.4 淀粉晶体特性测定 参考Zhou 等［25］的方法，利用X 射线衍射仪对提取的淀粉粉末进行X 射线衍射分析，在衍射角为5～40°的范围内，以步长0.02°、速度4°·min-1进行扫描，使用Jade 5.0 软件分析结果，分离结晶和非结晶峰值，将结晶峰面积除以总面积来计算结晶度百分比，并形成淀粉X 射线衍射（X-ray powder diffraction，XRD）图。

1.3.5 链长分布测定 色谱条件采用ThermoICS 5000+离子色谱系统，采用Dionex™CarboPac™PA100（250 mm×4.0 mm，10 µm）液相色谱柱，进样量为20 µL。流动相A 相：200 mmol·L-1NaOH；B 相：200 mmol·L-1NaOH/200 mmol·L-1NaAc，柱温30 ℃，利用电化学检测器对单糖组分进行分析检测。

1.3.6 热力学特性测定 参照Miroslav 等［26］的方法，通过差示扫描量热仪（differential scanning calorimeter，DSC）分析样品热焓变化，精确称取样品10 mg于样品盘中，加入30 µL无菌水，密封氧化铝坩埚；室温平衡24 h后上机。以10 ℃·min-1的速度，由30 ℃升温至95 ℃，扫描热量变化。通过检测样品吸/放热量的变化，进而检测样品随温度的变化而产生的相变过程，测定起始温度（onset temperature，To）、峰值温度（peak temperature，Tp）、终止温度（cancel temperature，Tc）和热焓（enthalpy，ΔH）等。

1.4 数据统计与分析

利用Excel 2010 和SPSS 20 软件进行差异显著性分析和作图。

2 结果与分析

2.1 淀粉组分及其含量

由表2 可知，4 个糯小麦总淀粉含量为66.04%～67.84%，显著小于3个非糯小麦。4个糯小麦的直链淀粉占比为0.07%～1.73%，显著小于非糯小麦直链淀粉占比；4个糯小麦支链淀粉占比为98.27%～99.93%，显著大于非糯小麦支链淀粉占比。

表2 不同小麦的淀粉含量及各组分所占比例Table 2 Starch content and proportion of each component in different wheat/%

2.2 淀粉粒度分布

根据粒径大小将淀粉颗粒分为3 个类型：粒径≥10 µm为A型颗粒，5 µm≤粒径<9.9 µm为B型颗粒，粒径<5 µm为C型颗粒。

图1 所示为淀粉表面积分布，糯小麦和非糯小麦淀粉表面积分布都表现为双峰曲线。所有品种第一个峰值出现在粒径为2～3 µm处，且糯小麦峰值高于非糯小麦，糯小麦中以中科糯麦1 号峰值最高，扬糯麦1 号峰值最低，非糯小麦峰值表现为师栾02-1>扬麦158>扬麦13。第二个峰值出现的粒径范围不一致，表现为糯小麦峰值出现粒径小于非糯小麦，其中济糯1号、扬糯麦2号、中科糯麦1号在粒径7 µm处达到峰值，扬糯麦1 号在粒径10～12 µm 处出现峰值，而3 个非糯小麦峰值在粒径约为12～14 µm 处，其中扬麦13 峰值最高，扬麦158次之，师栾02-1最低。

图1 不同小麦品种淀粉颗粒的表面积分布Fig.1 Surface area ratio of starch granules in different wheat varieties

图2 所示为淀粉体积分布，糯小麦和非糯小麦淀粉体积分布都表现为双峰曲线，且第一个峰值均明显低于第二个峰值。第一个峰值在粒径为2～3 µm处，各品种峰值高度较接近；第二个峰值在粒径为14～20 µm处，4个糯小麦品种峰值都低于3个非糯小麦，4个糯小麦峰值从高到低依次为扬糯麦1 号、济糯1 号、扬糯麦2号、中科糯麦1号，3个非糯小麦的峰值从高到低依次为扬麦13、扬麦158、师栾02-1。

图2 不同小麦品种淀粉颗粒体积分布Fig.2 Volume ratio of starch granules in different wheat varieties

图3 所示为淀粉数量分布，糯小麦和非糯小麦品种淀粉数量分布都表现为单峰曲线，在粒径为2～3 µm时达到峰值。在粒径为4～10 µm处，3个非糯小麦淀粉数量分布曲线下降较平和，而4 个糯小麦淀粉数量分布曲线下降较陡些。

图3 不同小麦品种淀粉颗粒数量分布Fig.3 Quantity ratio of starch granules in different wheat varieties

不同小麦品种淀粉粒度分布如表3 所示，所有小麦都表现为C 型淀粉颗粒数量较多，B 型淀粉颗粒数量次之，而A型淀粉颗粒数量相对较少；体积比趋势则相反；表面积比趋势不明显。4个糯小麦品种A型淀粉颗粒的表面积比、体积比和数量比分别为26.17%～35.16%、52.45%～62.89%、2.11%～3.19%，均显著低于非糯小麦；3个非糯小麦A型淀粉颗粒的表面积比、体积比和数量比从高到低依次为弱筋小麦扬麦13、中筋小麦扬麦158、强筋小麦师栾02-1。4个糯小麦品种B型淀粉颗粒的表面积比和体积比分别为32.20%～35.76%、26.75%～32.49%，均显著高于3个非糯小麦；糯小麦B型淀粉粒数量比为11.87%～13.71%，与3 个非糯小麦的数量比之间差异不明显。4个糯小麦品种C型淀粉颗粒的表面积比、体积比和数量比分别为31.39%～39.36%、10.36%～15.06%、83.10%～86.02%，均显著高于3 个非糯小麦，其中中科糯麦1 号C 型淀粉颗粒表面积比和数量比最高，而扬糯麦1号则相反。

表3 不同小麦品种淀粉粒度分布Table 3 Starch granule size distribution of different wheat varieties/%

非糯小麦A型淀粉颗粒表面积比与B、C型淀粉颗粒表面积比之和相当，但糯小麦A 型淀粉颗粒表面积比则远小于B、C型淀粉颗粒表面积比之和。非糯小麦A 型淀粉颗粒体积比都在70%以上，约是B 型和C 型颗粒总和的3 倍，但糯小麦A 型淀粉颗粒体积比略多于B、C型淀粉颗粒体积比之和。

2.3 淀粉X射线衍射特性

XRD 显示所有糯小麦与非糯小麦淀粉均呈现典型的A 型晶体波谱（图4）。所有小麦淀粉波谱曲线均表现为糯小麦低于非糯小麦，且在衍射角2θ为15°～23°之间出现多个波谱峰，其中17°和18°附近为相连波谱峰，其强度相对高于其他波谱峰。非糯小麦在20°附近均出现了较弱波谱峰，而糯小麦的波谱峰不明显，在20°附近几乎均未出现波谱峰。此峰代表直链淀粉-脂质复合物的含量，由于糯小麦淀粉基本全部为支链淀粉，因此难以形成直链淀粉-脂质复合物，从而在20°附近几乎没有波谱峰。不同糯小麦淀粉之间在衍射角2θ为20°附近的波谱峰值从高到低依次为扬糯麦2号、扬糯麦1 号、中科糯麦1号、济糯1号；不同非糯小麦淀粉之间在衍射角2θ为20°附近，波谱峰值表现为弱筋小麦扬麦13 最高，中筋小麦扬麦158 次之，强筋小麦师栾02-1最低。

图4 不同小麦品种淀粉XRD图Fig.4 Starch XRD of different wheat varieties

不同小麦品种淀粉结晶度如图5所示，4个糯小麦结晶度为25.16%～26.78%，且糯小麦结晶度显著高于非糯小麦。糯小麦中以中科糯麦1号淀粉结晶度最高，显著高于其他3个糯小麦品种，其余3个糯小麦之间差异不显著，结合粒度分布，可能与中科糯麦1号C型淀粉颗粒的数量显著多于其他3 个糯小麦品种有关；不同非糯小麦之间淀粉结晶度从高到低依次为弱筋小麦扬麦13、中筋小麦扬麦158、强筋小麦师栾02-1，且品种间差异显著。

图5 不同小麦品种淀粉结晶度Fig.5 Starch degree of crystallinity in different wheat varieties

2.4 淀粉链长分布

不同小麦品种淀粉链长分布如表4所示，4个糯小麦淀粉A链（DP 6～12）比例为27.88%～32.46%，其中扬糯麦1 号A 链比例最高，达32.46%，中科糯麦1 号A 链比例最低，为27.88%，另外2个糯小麦与非糯小麦淀粉A链比例之间差异不显著。4个糯小麦淀粉B1链（DP 13～24）、B2 链（DP 25～36）和B3 链（DP≥37）比例分别为47.30%～49.33%、12.87%～13.91%、7.36%～8.88%，扬糯麦1号淀粉的B1 链、B2 链、B3 链比例均显著低于其他3 个糯小麦和3个非糯小麦，而其他3个糯小麦与3个非糯小麦之间差异不显著。4 个糯小麦淀粉平均链长为18.68%～19.85%，其中扬糯麦1 号平均链长显著低于其他3 个糯小麦和3个非糯小麦，其余3个糯小麦淀粉平均链长略高于非糯小麦；中科糯麦1 号平均链长最高，显著高于其他3个糯小麦和3个非糯小麦。

表4 不同小麦品种淀粉链长分布Table 4 Starch chain length distribution of different wheat varieties/%

2.5 淀粉热力学特性

由表5 可知，4 个糯小麦淀粉起始温度为58.62～59.14 ℃，各品种间差异不显著，且与3 个非糯小麦之间差异也不显著。4 个糯小麦淀粉峰值温度为63.47～64.93 ℃，且糯小麦淀粉峰值温度显著高于非糯小麦淀粉，济糯1号和中科糯麦1号淀粉峰值温度显著高于扬糯麦1 号和扬糯麦2 号；4 个糯小麦淀粉终止温度为70.69～71.84 ℃，且糯小麦淀粉终止温度显著高于非糯小麦淀粉；4个糯小麦淀粉热焓值为10.13～11.51 J·g-1，其中济糯1 号和中科糯麦1 号热焓值显著高于扬糯麦1 号和扬糯麦2 号，除扬麦13 外，糯小麦淀粉热焓值高于非糯小麦，非糯小麦热焓值从高到低依次为弱筋小麦扬麦13、中筋小麦扬麦158、强筋小麦师栾02-1，且3个品种间差异显著。

表5 不同小麦品种淀粉热力学特性Table 5 Starch thermodynamic properties of different wheat varieties

3 讨论

3.1 淀粉粒度分布分析

淀粉粒粒度分布特征是影响小麦籽粒淀粉品质性状的重要因素，粒度分布为双峰曲线。处于第一个峰的B 型淀粉粒平均粒径显著小于A 型淀粉粒［18］；其体积也较小，约为A 型颗粒的1/3［27］；但数量却远大于A型淀粉粒［18，27］。B 型淀粉粒数目最高可达99%以上，淀粉粒的数目分布表现为单峰分布，峰值出现在0.5～1 µm 处［15］，B 型淀粉粒的表面积比也更大［27］。进一步研究表明，粒度分布主要受直链淀粉含量影响，高直链淀粉小麦的A 型淀粉粒体积和表面积比也较高，但B型淀粉颗粒则相反［15］。本研究中，糯小麦的A 型淀粉颗粒数量显著小于非糯小麦，C 型淀粉颗粒数量显著多于非糯小麦，但B型淀粉颗粒数量在两者之间，且规律不明显。前人研究表明小淀粉颗粒的含量影响加工品质，Zi 等［28］研究认为糯小麦配粉后面包和面条的加工品质更优，可能与其C 型淀粉数量更高有关；Guo等［29］研究认为随着小淀粉颗粒数量的增加，白面条的颜色、粘弹性和光滑度都得到显著改善；Guan 等［30］研究认为小淀粉粒的减少会增加面条的硬度、咀嚼性和黏附性，进而导致面条的品质变劣。表明糯小麦小淀粉颗粒的数量多，有利于加工品质的改良。

3.2 淀粉结构X衍射和链长分布分析

XRD 衍射图谱表明在2θ为20°附近，非糯小麦有较弱波谱峰，但糯小麦没有明显波谱峰，此峰代表淀粉-脂质复合物的含量。淀粉结构是决定淀粉-脂质复合物形成的关键因素［31］，直链淀粉含量较高的淀粉通常会形成更多复合物［32］，而支链淀粉和脂质之间相互作用比直链淀粉和脂质之间相互作用弱得多［33］。

结晶度是反映淀粉颗粒内部结构的主要指标，韦存虚等［3］研究发现不同品质类型小麦之间结晶度表现为强筋小麦<中筋小麦<弱筋小麦，Cao 等［34］认为强筋小麦淀粉结晶度较低，但Shang等［4］认为软质小麦淀粉结晶度低于硬质小麦。淀粉相对结晶度与直链淀粉含量呈负相关［14，35］，周冬冬［36］研究认为中小型淀粉粒（<10 µm）体积比越大，淀粉结晶度越高。本研究中，糯小麦的中小淀粉粒表面积比、体积比和数量比都高于非糯小麦，结晶度也高于非糯小麦。其中，中科糯麦1号结晶度显著高于其他品种，可能是由C型淀粉颗粒数量比和表面积比显著高于其他几个品种所致。

不同支链淀粉链长分布形成了不同晶体结构，进而决定了不同的淀粉特性。小麦支链淀粉链长分布决定了面条黏度，黏性越低，耐煮性越好。熟面条黏性与支链淀粉A 链数量呈正相关，但与B2 链数量呈负相关［37］。Zi 等［28］认为支链淀粉A 链的比例是改善小麦加工品质的有效指标，A 链比例可能与C 型淀粉颗粒数量呈负相关。本研究中，中科糯麦1 号A 链比例较低，B3 链比例较高，C 型淀粉粒数量最高，在加工面条改良方面可能是比较理想的原料产品；而扬糯麦1 号则相反，配粉后面条、速冻水饺等评分低于其他糯小麦［38］。在扬糯麦1 号基础上，新育成的扬糯麦2 号在蛋白质和湿面筋含量上都有所提高，推断面条耐煮性较好。徐鑫［38］研究表明筋力较强的糯小麦配粉改良，面条和速冻水饺评分更高。

3.3 淀粉热力学特性分析

淀粉热力学特性反映了淀粉在水中加热过程中发生的状态改变和能量变化。研究表明，直链淀粉和支链淀粉含量、晶体结构和淀粉粒超微结构都与淀粉热力学特性密切相关［39］。直链淀粉含量与热焓值呈显著负相关，而结晶度则相反；结晶度高，淀粉热焓值高，在凝胶过程中需要更高的能量输入［40］。本研究发现，与非糯小麦相比，糯小麦直链淀粉含量低，结晶度高，热焓值也较高，这与前人研究结果较为一致［41-42］。Zeng等［43］认为与A型淀粉粒相比，B 型淀粉粒（<10 µm）对凝胶过程温度变化更重要，淀粉的凝胶转化温度（起始温度、峰值温度和终止温度）随B型淀粉颗粒比例增加而增加，而热焓值则相反。本研究中，糯小麦的小淀粉颗粒（<10 µm，包括B 型淀粉颗粒和C 型淀粉颗粒）的数量、体积都显著高于非糯小麦，与前人结果较一致［15］。但本研究认为粒径更小的C 型淀粉颗粒起主要作用，其体积比、数量比和表面积比都表现为糯小麦高于非糯小麦，糯小麦峰值温度和终止温度都高于非糯小麦，热焓值也较高。糯小麦中以中科糯麦1 号的峰值温度、热焓值最高，可能也与其C型淀粉颗粒数量最高有关。

4 结论

本研究结果表明，糯小麦总淀粉含量、直链淀粉含量都显著低于非糯小麦。糯小麦的结晶度显著高于非糯小麦，且糯小麦的C型淀粉颗粒的数量比、表面积比和体积比均显著高于非糯小麦，而A 型淀粉颗粒则相反。与非糯小麦相比，糯小麦淀粉在2θ为20°附近几乎没有出现波谱峰。糯小麦与非糯小麦在链长分布上没有显著差异，除扬糯麦1号外，糯小麦较长的B3 链和平均链长要略高于非糯小麦。糯小麦的起始温度与非糯小麦差异不显著，但峰值温度、终止温度显著高于非糯小麦。