小麦籽粒淀粉与面粉的理化特性差异

李春燕 张雯霞 张玉雪 姚梦浩 丁锦峰 朱新开郭文善 封超年,2,*

1扬州大学 / 江苏省作物遗传生理国家重点实验室培育点 / 粮食作物现代产业技术协同创新中心, 江苏扬州 225009; 2南京林业大学,江苏南京 210037

小麦籽粒中的主要成分是淀粉(直链淀粉和支链淀粉)、蛋白质和脂肪等生物大分子物质, 此外还含有少量的矿物质、糖类和维生素。根据直链淀粉含量可将小麦分为糯质小麦(Waxy蛋白亚基全缺失)、部分糯质小麦(Waxy蛋白亚基部分缺失)和非糯质小麦(Waxy蛋白亚基不缺失)[1-2]。籽粒中直、支链淀粉含量与结构的差异, 影响着淀粉的理化特性[3-4]。直链淀粉含量影响淀粉的成胶性、糊化特性和凝胶化作用[5-6], 直链淀粉含量高的淀粉比含量低的淀粉难糊化[7]。糯小麦理化特性中各项黏度参数值低于其亲本材料, 还具有膨胀和吸水能力强及回生度低的特征[8-11], 亦有研究认为糯小麦峰值黏度高于非糯小麦[12]。

小麦面粉主要用来制作面条、馒头、面包和蛋糕等, 面制食品的品质除与淀粉组分及其含量有关外, 还与面粉中 α-淀粉酶活性、蛋白质、糖分、脂肪含量有关[13-15], 如面粉脱脂脱蛋白质后溶解度、膨胀势和黏度参数增加[13]。食品生产过程中, pH值及盐类、极性高分子有机化合物等外源添加剂也会影响淀粉的理化特性, 面粉中添加蔗糖后糊化温度显著提高[16]。前人研究主要是以面粉或淀粉为材料,因其成份及α-淀粉酶活性不同, 研究结论不尽一致,特别是在糯与非糯小麦黏度参数差异上观点不一。因此, 本研究选用糯小麦与非糯小麦, 分析其差异形成的原因, 并试验外源添加剂对面粉黏度特性的影响, 以期为小麦食品品质研究与改良提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用生产上示范推广的糯小麦扬糯麦1号和宁糯麦1号, 非糯小麦扬麦16和典型遗传种质材料中国春, 种子由江苏省里下河地区农业科学研究所和江苏省农业科学院提供。

1.2 面粉的制备方法

采用 Quadrumat Junior小型实验室制粉机(Branbender, 德国)磨制 100目面粉, 用于面粉理化特性分析。

1.3 淀粉的制备方法

参照陆大雷等[17]描述的方法略做改进提取小麦淀粉。称取100 g小麦籽粒, 用去离子水浸泡48 h,豆浆机粉碎过100目筛, 静置2 h, 弃上清液, 1500×g离心10 min, 去除沉淀上层灰色杂质, 重复3次,得到脱蛋白淀粉。当脱蛋白淀粉蛋白质含量高于0.5%时, 再用 Solarbio碱性蛋白酶(北京索莱宝科技有限公司, 货号B8360)脱蛋白。

脱蛋白淀粉加无水乙醇, 充分搅拌, 1500 ×g离心 10 min, 重复 3次; 在沉淀中加入甲醇和丙酮等体积混合液, 充分搅拌, 1500 ×g离心10 min, 重复3次, 通风晾干制得纯淀粉。

1.4 淀粉理化特性参数测定方法

对于参数测定每个品种重复3次。

1.4.1 蛋白质和淀粉组分含量测定方法 称取1.000 g样品, 采用Kjeltec 2300型全自动凯氏定氮仪(Foss, 瑞典)测定蛋白质含量(干基); 采用双波长法测定直、支链淀粉含量[18], 采用淀粉总量检测试剂盒(Megazyme 公司, 货号 K-TSTA-50A)测定糯小麦面粉的总淀粉含量, 减去面粉中直链淀粉含量即为支链淀粉含量。

1.4.2 淀粉粒粒度分布测定方法 采用 Malvern Mastersizer 2000激光衍射粒度仪(Malvern, 英国)分析淀粉粒的粒度分布。根据淀粉粒粒径将淀粉分为A 型(粒径＞10 μm)、B 型(粒径 2～10 μm)和 C 型(粒径＜2 μm), 计算各品种3种淀粉粒的数目百分率。

1.4.3 破损淀粉含量测定方法 采用SD matic型破损淀粉测定仪(Chopin Technologies, 法国)测定破损淀粉含量[3], 用碘吸收率(Ai%)表示破损淀粉含量。

1.4.4 膨胀势、溶解度和透光率 参照陆大雷等[17]描述的方法测定膨胀势、溶解度和透光率。

1.4.5 黏度特性 利用 RVA Super3型快速黏度仪(Newport Scientific, 澳大利亚)测定黏度参数。选用模式标准方法 1和标准分析方法 1[4]。利用 16%(w/v)蔗糖溶液、5% (w/v)氯化钠(NaCl)溶液、5 mmol L-1硝酸银(AgNO3)溶液和 5 mmol L-1二硫苏糖醇(DTT)溶液各1 L, 代替蒸馏水, 测定面粉在有机物、无机盐、氧化剂和还原剂中的黏度特性[15]。

1.4.6 热力学特性 称取5 mg淀粉样品, 按1∶2 (w/w)比例加入蒸馏水配成淀粉乳, 密封后置 4°C冰箱隔夜平衡。平衡后的样品糊化温度范围为20～100°C, 升温速率为 10°C min–1。采用 Q10 差示扫描量热仪(TA Instruments, 美国)测定淀粉热力学特性[19]。

糊化后的样品在4°C下储藏7 d 后进行回生特性测定, 扫描范围为 20～100°C, 升温速率为 10°C min-1。

回生度 DR% = ΔH/ ΔH′ × 100%

式中, ΔH表示热焓值, ΔH′表示回生时的热焓值。

1.5 统计分析

利用Microsoft Excel 2010软件处理数据, DPS 7.05软件进行方差分析, LSD法比较不同小麦品种理化特性参数差异。

2 结果与分析

2.1 蛋白质、淀粉含量及淀粉粒数目分布

糯与非糯小麦面粉蛋白质含量平均为12.63%,宁糯麦1号最高, 为13.65%, 扬麦16最低, 为11.54%,4个小麦品种淀粉中蛋白质含量仅为0.32%, 品种间差异不显著。糯小麦淀粉中直链淀粉含量平均为0.62%, 非糯小麦淀粉中直链淀粉含量为29.23%。4个品种淀粉中支链淀粉含量均表现为糯小麦高于非糯小麦, 淀粉中直链淀粉含量高于相应面粉中的含量(表1)。

4个小麦品种均以C型淀粉粒为主, 数目百分比为96.14%～97.36%, 糯小麦 C型淀粉粒数目百分比显著高于非糯小麦, B型和A型淀粉粒数目百分比显著低于非糯小麦(表1)。

2.2 破损淀粉、溶解度、膨胀势及透光率

2个糯小麦品种面粉的破损淀粉(Ai%)含量平均为 70.76%, 显著低于非糯小麦破损淀粉含量(90.98%)。淀粉中破损淀粉含量低于面粉中破损淀粉的含量, 品种间宁糯麦 1号破损淀粉含量最低,扬麦16破损淀粉含量最高, 与品种相对应面粉变化趋势基本一致。非糯小麦淀粉中破损淀粉含量较面粉中破损淀粉含量下降的幅度小于糯小麦(表 2)。

两种类型小麦均表现出面粉溶解度大于淀粉溶解度, 糯小麦面粉的溶解度高于非糯小麦, 其中宁糯麦 1号面粉的溶解度最大, 达到 14.09%,扬糯麦 1号其次, 中国春最低, 仅为 6.75%。这 3个品种的淀粉溶解度分别为 8.49%、7.41%和3.60% (表 2)。

糯小麦膨胀势显著高于非糯小麦, 淀粉的膨胀势又高于面粉, 品种间表现为宁糯麦1号＞扬糯麦1号＞扬麦 16＞中国春(表 2)。

糯与非糯小麦面粉的透光率变化在 2.70%～4.65%之间, 糯小麦面粉透光率高于非糯小麦, 差异显著, 2个糯小麦淀粉的平均透光率为45.10%, 显著高于相应面粉的透光率; 非糯小麦淀粉的平均透光率为4.10%, 略高于相应面粉的透光率(表2)。

2.3 淀粉与面粉的黏度特性

2.3.1 不同品种淀粉和面粉的黏度特性 糯小麦面粉RVA谱在3.6 min左右达到峰值黏度, 之后迅速下降, 冷却过程中曲线只有小幅度上升, 最终黏度低于峰值黏度。糯小麦淀粉RVA谱变化趋势与面粉基本一致, 品种间有差异, 扬糯麦 1号淀粉与面粉峰值黏度差异不显著, 宁糯麦 1号淀粉峰值黏值显著高于面粉。非糯小麦面粉到达峰值黏度的时间早于淀粉。扬麦16淀粉的低谷黏度和最终黏度高于面粉, 反弹值低于面粉; 中国春淀粉的低谷黏度高于面粉, 反弹值、最终黏度低于面粉(图1)。

2个糯小麦面粉的糊化温度与相应淀粉相似, 而2个非糯小麦的面粉糊化温度均有不同程度的下降(1.95～14.47°C, 数据未列出), 说明非糯小麦淀粉到达峰值黏度所需要的温度高于面粉。

2.3.2 不同处理对籽粒面粉黏度特性的影响 用抑制 α-淀粉酶活性的 AgNO3氧化剂处理后, 4个小麦品种均表现峰值黏度、低谷黏度和最终黏度显著增加(图 2), 糯小麦峰值黏度值增加最显著, 扬糯麦1号增加72.39%, 宁糯麦1号增加63.97%。

用改变蛋白质分子结构的 DTT还原剂处理后,非糯小麦峰值黏度、低谷黏度和最终黏度略低于未处理的面粉, 糯小麦面粉经DTT处理后峰值黏度显著低于未处理的面粉, 扬糯麦1号峰值黏度下降15.70%, 宁糯麦1号峰值黏度下降22.71%, 最终黏度和低谷黏度略高于或接近未处理的面粉。

添加蔗糖和氯化钠处理使 4个品种面粉的峰值黏度、低谷黏度和最终黏度显著增加, 糯小麦峰值黏度增加较非糯小麦更显著。氯化钠促进峰值黏度、低谷黏度和最终黏度增加的效应大于蔗糖。蔗糖和氯化钠处理后均延长了小麦面粉到达峰值黏度的时间, 氯化钠延时的作用更显著。

2.4 淀粉与面粉的热力学特性

小麦淀粉热焓值为宁糯麦1号＞扬糯麦1号＞扬麦16＞中国春; 面粉热焓值显著低于淀粉热焓值, 4个品种面粉热焓值比淀粉平均降低34%, 但面粉的起始温度、峰值温度和最终温度高于相应淀粉。糯小麦面粉和淀粉的热焓值高于非糯小麦, 具有较高的起始温度、峰值温度和最终黏度(表3)。

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图1 小麦籽粒淀粉与面粉RVA图谱Fig. 1 Viscosity curves of grain starch and flour in different wheat cultivars

图2 不同处理对小麦籽粒面粉黏度的影响Fig. 2 Viscosity curves of flour in different wheat cultivars under different treatments

将糊化后的样品置4°C冰箱冷藏7 d后, 回生参数均低于其热力学参数值, 其中起始温度、峰值温度和最终温度均降低10°C左右。糯小麦面粉的平均回生度为 3.30%, 显著低于非糯小麦 12.96%的回生度, 同一品种面粉的回生度显著低于淀粉(表4)。

3 讨论

刘希伟等[20]根据淀粉粒径, 将淀粉粒分为A型(＞10 μm)和 B 型(＜10 μm)。本研究以 2 μm 和 10 μm为界限, 将淀粉粒分为 A型(＞10 μm)、B 型(2～10 μm)

和C型(＜2 μm), 糯小麦中C型淀粉粒百分比高于非糯小麦, 与 Zhang等[21]认为糯小麦中小型淀粉粒偏多的观点一致。破损淀粉含量影响面粉的吸水率,提高对酶的敏感性, 改变面粉的特性[22]。与以往研究结果[3]一致, 本研究也发现非糯小麦破损淀粉含量高于糯小麦, 同一品种面粉的破损淀粉含量略高于淀粉的破损淀粉含量, 这可能是因为面粉是通过机械碾压制取, 淀粉是通过种子浸泡后水磨获得,造成面粉中淀粉粒的破损程度增加, 也可能是引起面粉与淀粉糊化特性差异的原因之一。Tester等[23]认为, 支链淀粉可增加淀粉的吸水膨胀, 加速颗粒糊化, 而直链淀粉和脂肪的作用是抑制或延缓膨胀和糊化; 但也有研究表明, 淀粉糊的透光程度直接受淀粉膨胀程度的影响, 具有较高膨胀势的淀粉透光率也较高[24-25]。本试验结果表明, 4个小麦品种淀粉膨胀势和透光度的变化趋势一致, 均为宁糯麦 1号＞扬糯麦 1号＞扬麦 16＞中国春, 其中糯小麦淀粉透光率高达 45%, 说明糯小麦因直链淀粉与脂肪复合物含量低, 对淀粉膨胀抑制作用小, 淀粉膨胀程度和透光率显著提高。4个品种淀粉的膨胀势、透光度高于面粉, 主要是因为脱蛋白质和脱脂肪后的淀粉粒接触到更多水分子, 有利于淀粉粒的膨胀, 膨胀势增加; 面粉中蛋白质、脂肪等物质的存在, 阻碍了光束的通过, 从而使得面粉的透光率降低。另外,面粉的溶解度高于淀粉, 糯小麦高于非糯小麦。面粉溶解度高于淀粉的原因可能是面粉中存在一些易溶于水的糖类和无机盐类物质, 这些物质的溶解增加了溶质的质量, 糯小麦面粉溶解度也与其籽粒中具有较高的糖类物质有关[26]。

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Schirmer等[27]认为, 糯性淀粉具有较强的蓄水能力和较高的黏度特性, 膨胀的淀粉粒特别容易破裂, 高直链淀粉含量能够阻止大量淀粉粒的膨胀,导致黏度降低。本研究中糯小麦品种面粉的低谷黏度、最终黏度、反弹值、峰值时间和糊化温度均低于非糯小麦, 而稀澥值高于非糯小麦。扬糯麦 1号淀粉与面粉峰值黏度差异不大, 宁糯麦 1号淀粉峰值黏度显著高于面粉峰值黏度, 推测 2个糯小麦品种支链淀粉的精细结构上可能存在差异。

面粉中的α-淀粉酶活性影响淀粉的糊化特性[28]。姚金宝等[15]认为, 无论是糯小麦还是非糯型品系,加氧化剂 AgNO3处理的 RVA峰值黏度和最终黏度明显高于不加AgNO3处理的品系, 对糯小麦品系的影响较大, 这主要是AgNO3抑制α-淀粉酶活性的缘故, 本研究结果与之一致, AgNO3处理对2个糯小麦面粉中 α-淀粉酶活性的抑制作用大于对非糯小麦,说明糯小麦面粉中 α-淀粉酶活性显著高于非糯小麦,是抑制糯小麦面粉峰值黏度升高的主要原因; 此外,扬糯麦1号淀粉峰值粘度显著低于宁糯麦1号峰值粘度, 推测一方面可能与支链淀粉精细结构有关,另一方面可能与扬糯麦1号淀粉中α-淀粉酶活性高有关, 具体原因有待深入研究。在淀粉糊化加热过程中, 支链淀粉粒吸水膨胀形成分散相, 蛋白质吸水变性和部分直链淀粉溶于热水形成黏稠相, 还原剂DTT处理后, 打破了二硫键削弱谷蛋白基质作用,糊液稳定性变差, 淀粉粒容易破裂, 表现为稻米峰值黏度和崩解值下降[14], 本试验结果与前人研究结果基本一致, 因品种类型不同而异, 对糯小麦的影响程度大于非糯小麦, 这与糯小麦蛋白质含量高有关[10]。外源添加蔗糖以及氯化钠均影响了面粉的黏度特性, 添加蔗糖提高糊化温度[16]。本研究明确了氯化钠处理对面粉峰值黏度、低谷黏度、最终黏度影响的效应高于蔗糖处理, 由此说明面粉中 α-淀粉酶活性、糖含量、蛋白结构、以及食品生产过程中添加的有机化合物、盐类等均会影响面粉的黏度特性,这是导致淀粉与面粉黏度特性差异的原因之一。

Yasui等[29]研究表明, 糯小麦淀粉与其非糯亲本相比具有高的糊化温度和热焓值。本研究中糯小麦热焓值高于非糯小麦, 同一品种面粉与淀粉的热力学参数存在差异, 表现为小麦面粉的热焓值低于淀粉。其原因可能是面粉中的蛋白质和戊聚糖能与面粉体系中的淀粉竞争自由水, 导致淀粉吸收的自由水减少, 从而使面粉的糊化热焓值降低[30]。直链淀粉含量是影响淀粉回生特性最主要的因素, 较高的直链淀粉含量具有较强的回生趋势[20,31]。本试验结果表明, 糯小麦面粉以及淀粉的回生度均低于非糯小麦, 与直链淀粉含量表现一致。相同品种面粉糊化的起始温度、峰值温度和最终温度均高于淀粉,而热焓值和回生度则低于淀粉, 主要原因是面粉中的蛋白质妨碍了淀粉分子之间的相互聚拢, 不利于微晶束的形成, 此外, 面粉中直链淀粉–脂质复合物的存在也会降低回生度[13,32-33]。

4 结论

不同类型小麦淀粉与面粉理化特性存在差异,淀粉的破损淀粉含量低于面粉, 淀粉糊化的起始温度、峰值温度和最终温度均低于面粉, 热焓值和回生度高于面粉, 淀粉的膨胀势和透光度显著高于面粉, 溶解度低于面粉。除了直、支链淀粉含量外, 面粉中蛋白质、脂肪、糖类物质以及面粉中 α-淀粉酶活性是造成面粉与淀粉理化特性差异的主要原因。