自然发酵对高粱淀粉理化性质的影响

葛云飞 康子悦 沈 蒙 王维浩,2 曹龙奎,2

(黑龙江八一农垦大学食品学院1，大庆 163319) (黑龙江八一农垦大学国家杂粮工程技术研究中心2，大庆 163319)

高粱作为我国第五大粮食作物，因其高产性和高抗逆性及其在制糖、酿酒和饲料等产业方面用途广泛而被大量种植[1]。但由于高粱的适口性较差口感较粗糙不易被消费者所接受，因此主要将其应用于饲料行业中，使高粱价值并没有得到充分利用。自然发酵谷物是我国生产食品的特殊方法，因其改善口感、增加风味、提高营养成分而被大众广泛认同，目前我国发酵领域主要集中在发酵小米[2]、发酵玉米[3]、发酵大米[4]、发酵黄米[5]。研究发现发酵处理可提高谷物的抗老化性能、改善产品的流变性并使淀粉凝胶硬度下降。目前学者研究发酵高粱主要集中在高粱的产品研发、菌种鉴定及其分离纯化[6]，但对自然发酵对高粱理化性质的影响研究较少。淀粉为高粱中主要的碳水化合物，质量分数约为60%～70%，高者可达80%左右，因此淀粉的性质决定了高粱产品的加工性能和食用品质，其中淀粉的糊化、老化性质对其产品的研究开发有较大影响[7]。为开阔高粱淀粉的应用领域，本实验将以高粱为发酵对象，对其进行自然发酵0～15 d，观察不同发酵时期高粱淀粉理化性质的变化，以实现高粱发酵的工业化生产，为高粱淀粉的应用提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验材料

高粱，山东临沂R高粱；盐酸(分析纯)、氧化钠(分析纯)、碘及碘化钾蒸馏水、无水乙醇、乙酸：天津市大茂化学试剂厂；葡聚糖标准品、直链淀粉标准品、支链淀粉标准品：Sigma公司。

1.2 仪器与设备

RVA4500型快速黏度分析仪：瑞典波通仪器公司；DSC1型差示扫描量热仪：瑞士梅特勒-托利多仪器有限公司；TAQ2000国产高压不锈钢坩埚：上海瑾恒仪器有限公司；T6型紫外可见分光光度计：北京普析通用仪器有限公司；HJ25-SCT-02型索氏提取器：上海森信实验仪器有限公司；BUCHI-K370型全自动凯氏定氮仪：瑞士BUCHI公司。

1.3 试验方法

1.3.1 自然发酵高粱

取高粱150 g，经蒸馏水水洗3次，加入一定量的蒸馏水(料液比1∶2 g/mL)、3%葡萄糖，在30 ℃条件下进行自然发酵0～15 d。

1.3.2 自然发酵高粱粉化学成分含量的测定

1.3.2.1 粗脂肪含量的测定

精确称取自然发酵0～15 d的高粱粉2 g，装入滤纸筒,然后放入抽提器内。把抽提器与已知恒重的干燥抽提瓶联接于冷凝器上，由冷凝器上口加入石油醚50 mL，接通冷凝水，将水浴锅的温度调到65 ℃左右开始蒸馏，控制虹吸次数为20次/h左右。蒸馏6 h后，取出滤纸筒，回收石油醚，抽提瓶于105 ℃干燥箱中烘干l h后称重。

1.3.2.2 粗蛋白含量的测定

精确称取自然发酵0～15 d的高粱粉1 g，方法为凯氏定氮法，具体参照GB 5009.5—2010[8]中的蛋白质的测定方法。

1.3.2.3 灰分的测定

精确称取自然发酵0～15 d的高粱粉2 g于已知恒重的坩锅内，将盖稍错开约0.5 cm，置于电炉上灼烧完全碳化至无烟为止，再置于马福炉中，在550 ℃灼烧2～3 h至试样变成白色或灰白色，取出于干燥器内冷却称重。然后再复灼烧0.5 h，取出冷却称重，直至前后两次质量差不超过0.2 mg为恒重。如果最后一次质量增大，则以前一次质量计算，精确至0.000 1 g，结果计算到小数点后第二位，双实验许可误差不超过0.03%，取平均值。

1.3.3 自然发酵高粱淀粉的制备

发酵后的高粱进行水洗，于35 ℃下烘干。将干磨后过80目筛的高粱粉于1/3 g/mL，质量浓度为0.3 g/100 mL的NaOH溶液中浸提3 h，4 000 r/min离心10 min，弃上清液，除去沉淀中上层黄褐色物质，连续水洗四次、离心直至淀粉浆呈白色为止。用1 mol/LHCl调淀粉浆至pH为7.0，4 000 r/min离心10 min、30℃干燥，过80目筛备用[9]。

1.3.4 发酵高粱淀粉保水力和溶解度的测定

准确称取0.5 g样品于50 mL试管中，配成质量分数为2%的淀粉乳，分别在40 ℃和80 ℃下混匀并加热30 min，快速冷却，然后在4 000 r/min的转速下离心15 min分离上清液和沉淀物，测定沉淀质量和上清液干物质质量(105 ℃烘至恒重)。溶解度为上清液干物质质量与样品干基质量百分比，保水力为沉淀质量同样品干基质量减去上清液干物质质量的百分比。

1.3.5 发酵高粱淀粉透明度的测定

确称样品1.000 g，配制质量浓度为1 g/100 mL的淀粉乳，置于沸水浴中糊化30 min后，冷却至室温，在620 nm波长处测定其透明度。以蒸馏水为空白对照。

1.3.6 发酵高粱直链淀粉含量的测定

1.3.6.1 直链淀粉标准曲线的绘制

分别称取0.1 g直链淀粉、支链淀粉标准品于烧杯中，分别加入无水乙醇1 mL，1.0 moL/L NaOH9 mL，摇匀于沸水浴中加热10 min，冷却后定容至100 mL容量瓶中，即得1 mg/mL的直链/支链淀粉标准液。取5个100 mL的容量瓶分别加入上述直链淀粉标准液0、0.25、0.5、1、1.5 mL，再依次加入支链淀粉标准品5、4.75、4.5、4、3.5 mL，另空白样为0.09 moL/LNaOH 5 mL，依次加入1 mL乙酸溶液(1 moL/mL)和1 mL碘试剂(2%碘化钾和0.2%碘)用水定容至25 mL，显色10 min，于620 nm处比色并记录吸光度值。以直链淀粉质量为横坐标，吸光度值为纵坐标，制作直链淀粉标准曲线。

1.3.6.2 发酵样品直链淀粉含量的测定

称取发酵后的淀粉样品0.1 g于烧杯中，方法同上，冷却后定容至100 mL容量瓶中。依次加入乙酸溶液和碘试剂各1 mL用水定容至50 mL，显色10 min，于620nm处比色并记录吸光度值。

1.3.7 发酵高粱淀粉老化性质的测定

称取3.50 0 g(干基)发酵及未发酵高粱淀粉于铝筒中，加蒸馏水25 mL，35 ℃保温3 min，设定转速率6 ℃/min加热到95 ℃，保温5 min，以6 ℃/min的转速率降温到50 ℃，用仪器配套的软件分析得到曲线[10]。

1.3.8 发酵高粱淀粉糊化特性的测定

称取3.0 mg(干基)发酵及未发酵高粱淀粉于坩埚中，加入7 μL蒸馏水，用压片器反复压3～4次至坩埚边缘密封完好。室温下均衡12 h，在N2流量为150 mL/min、压力0.1 MPa、速度升温5 ℃/min[11]的条件下测定不同样品的糊化特性曲线。

1.3.9 数据统计分析

采用Excel、Spss软件对数据统计分析，用Origin软件进行绘图处理，各数据重复测定3次取平均值。

2 结果与分析

2.1 自然发酵高粱粉化学成分含量的测定

随着发酵时间的延长，高粱粉的粗脂肪、蛋白及灰分均呈下降的趋势(图1)：其原因是自然发酵产生的有机酸和酶类物质使与淀粉结合的蛋白质、油脂发生降解，随着发酵时间的延长，蛋白质被降解成小分子的肽或者氨基酸更易溶出；而脂肪降解为游离脂肪酸，游离脂肪酸会进一步降解为小分子的醛、酮物质，因此伴随着发酵的进行，会有不良气味生成；由于油脂和蛋白质的降解，使原来与蛋白质、脂肪和淀粉结合形成的结合物中所包埋的矿物质更易释放出来，从而使发酵后大米粉的灰分含量降低。

图1 自然发酵对高粱粉化学成分含量的影响

2.2 自然发酵对高粱淀粉保水力和溶解度的影响

不同发酵时间下的高粱淀粉的保水力与溶解度变化趋势如图2所示：在80 ℃时发酵高粱淀粉的保水力及溶解度均较高于40 ℃。在较高温度下，淀粉的保水力较高，其原因是在一定的糊化温度下，淀粉的结晶结构被破坏，淀粉吸水能力增强，保水力增加，淀粉的膨胀力较大，因此DSC(差示扫描量热仪)的糊化温度较低、糊化速度较快[12]。在发酵前期淀粉的保水力及溶解度因发酵底物有机酸、酶等对直链淀粉的降解作用而有小幅度的降低，但随着发酵时间的延长支链淀粉被水解成小分子的糖及短直链淀粉，使直链淀粉的比例相对增加，保水力、溶解度也随之增加[13]，在发酵后期淀粉被充分降解成为小分子的糖，所以保水力及溶解度均呈降低趋势。

图2 自然发酵对淀粉保水力和溶解度的影响

2.3 自然发酵对高粱淀粉透明度的影响

透明度与淀粉颗粒结构的紧密程度及糊化特性有一定的关联，其大小直接影响到淀粉基产品的外观及用途，糊化后的淀粉分子重新聚合排列程度对淀粉的透明度影响较大[14]，不同发酵时间对高粱淀粉透明度的影响结果如图3所示。随着发酵时间的延长，淀粉的透明度有降低随后稍有增加，在一定发酵时间下，淀粉糊化使其颗粒结构的缔合程度减弱，直链淀粉分子从颗粒中析出，增加了淀粉分子的重排及相互缔合的机会，使高粱淀粉的透明度下降，由于发酵使淀粉中的支链淀粉的长链部分发生裂解或者脱支，直链淀粉的比例相对增加，因此淀粉的透明度降低。

图3 自然发酵对淀粉透明度影响

2.4 自然发酵对高粱直链淀粉含量的影响

2.4.1 直链淀粉标准曲线的绘制

在波长620 nm条件下测定溶液吸光度值，以直链淀粉质量为横坐标，吸光度值为纵坐标绘制标准曲线，结果如图3，y=0.088 4x+0.657 4，其中相关系数R2=0.999 6，说明直链淀粉含量与吸光光度值有着良好的线性关系。

图4 直链淀粉标准曲线

2.4.2 自然发酵对高粱直链淀粉含量的影响

高粱中直链淀粉的含量是影响淀粉理化性质的主要因素[15]，即直链淀粉有着很强的老化聚合趋势，因此将未发酵和不同发酵时期的高粱淀粉进行直链淀粉含量的测定，经平行3次测定，其结果如图5所示。

淀粉中直链淀粉质量分数为15%～25%[16]，随着发酵时间的延长，发酵样品中直链淀粉的含量先降低后增加，其发生原因可能是发酵初期微生物进行生长繁殖，营养物质大量溶出，直链淀粉发生部分外溶现象，但随着发酵时间的延长使部分支链淀粉发生一定程度的降解、脱支，直链淀粉含量出现明显小幅度的回升趋势，且略高于未发酵样品直链淀粉含量。而袁美兰等[17]对自然发酵玉米直链淀粉含量的变化结果表明发酵使直链淀粉变化趋势不显著，两结果不同的原因可能是原料的不同或随着发酵时间的延长高粱中的脂肪、蛋白质发生一定程度的降解，使直链淀粉含量升高。

图5 自然发酵对高粱直链淀粉含量的影响

2.5 自然发酵对高粱淀粉老化性质的影响

高粱在一定温度、加糖量的条件下进行自然发酵并与未发酵高粱淀粉进行对比，其RVA特征值有明显变化(表1)，其中峰值黏度、衰减值随发酵时间的延长呈现先增加后降低的趋势，最终黏度与回生值均随发酵时间的延长而出现先减小后增加的趋势，此结果与袁美兰[18]等人所研究结果相同。

淀粉是以葡萄糖聚合物的形式存在，高粱中的蛋白质将淀粉包裹起来使淀粉吸水膨胀受到一定程度的抑制，发酵可使蛋白质和脂肪发生一定程度的降解，淀粉吸水膨胀使其体积迅速增大，故峰值黏度增加。衰减值反应了淀粉颗粒在进行加热处理时抗剪切力而维持分子内部结构稳定性能力的大小，衰减值越大代表淀粉颗粒的稳定性越差。通过Camargo等[19]、Chang等[20]、Han等[21]研究可知支链淀粉的长链含量与衰减值呈高程度的正相关，其变化趋势发生原因可能是发酵产生的酶类物质对于蛋白质的降解程度逐渐趋于稳定，使淀粉分子稳定性增强，所以衰减值的变化为上升趋势。最终黏度与回生值均随发酵时间的延长而出现先减小后增加的趋势，最终黏度是对淀粉糊在冷却过程中在低剪切力作用下的稳定程度的衡量，回生值反应淀粉的老化能力，即膨胀前期溶出的直链淀粉分子相互交联结合能力的大小。淀粉的老化性质与直连淀粉的含量及支链链长的分布情况有关[22]，其中回生值降低的原因可能是短期发酵使直链淀粉分子的聚合程度降低，淀粉分子老化能力减小，但随着发酵时间的延长，发酵底物酶及酸的积累使支链淀粉的长链部分水解为短链或直链淀粉，因此发酵后期回生值出现回升的趋势。

2.6 自然发酵对高粱淀粉糊化性质的影响

通过淀粉的热特征参数，能够推断出淀粉分子的结构变化，其中糊化温度是结晶结构的定性指标，糊化焓是有序结构的定量指标，淀粉在发生糊化反应时，其中一些双螺旋堆积的有序结构在高于糊化温度时，发生不可逆膨胀现象，失去结晶结构[23]。表2表示淀粉的热特征值随发酵时间的延长所发生的变化，其中糊化温度随发酵时间的延长呈先降低后增加的趋势，峰值温度变化幅度较小，而热晗值的大小随时间的增加而呈先增加后降低的趋势。

高粱中的蛋白质以蛋白体的形式存在淀粉颗粒中，使淀粉分子不能充分吸水膨胀，而发酵过程能有效的使部分蛋白质分解并析出，降低蛋白质对淀粉的束缚作用，加速淀粉的水化作用、促进糊化反应，提高淀粉分子的糊化速度，降低糊化温度[24]，此外发酵能破坏淀粉的非结晶区域有效的减少脂类物质降低其与直链淀粉分子形成络合物的概率，并由于非结晶区域的破坏，水分子更易渗透进入，使淀粉分子的糊化温度降低。糊化焓的变化趋势与糊化温度呈负相关，其中发酵淀粉的热晗值较未发酵最高降低11.31 J·g-1、增加34.42 J·g-1，其直接原因是发酵破坏了淀粉的非结晶区域，使淀粉分子水解而溶出，造成结晶结构的相对比例增加，糊化焓上升。

表1 自然发酵对淀粉老化性质的影响

表2 自然发酵对淀粉糊化性质的影响

3 结论

通过将高粱进行自然发酵使淀粉的糊化温度降低，有利于高粱淀粉的糊化，而回生值在发酵前期一定程度的降低，较未发酵降低783 mPa·s，使高粱的抗老化性能得到大幅度的提高，使最后淀粉凝胶质地柔软，弹性较小适合生产抗老化产品如馒头、面包等产品，在发酵后期淀粉的回生值高于未发酵样品，此时较适合生产如粉丝等产品。通过将高粱进行发酵处理扩大了高粱的应用范围，充分利用其经济价值，开阔了高粱淀粉的应用领域，该实验为发酵高粱的应用提供了理论基础，也为进一步的工业化设计提供数据支持。