皮裸燕麦胚乳淀粉形态结构及理化性质的比较

陈 刚，文 婷，张 萍，余徐润，吴云飞，熊 飞

(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/扬州大学教育部农业与农产品安全国际合作联合实验室，江苏扬州 225009)

燕麦(AvenasativaL．)，禾本科燕麦属一年生草本植物，一般分为带稃型(皮燕麦)和裸粒型(裸燕麦)两种[1]。皮燕麦是世界上广泛栽培的作物，多用于家禽的饲料。我国种植燕麦历史悠久，种植面积广泛，且多以裸燕麦为主，主要作为粮食食用[2]。燕麦被认定为仅次于水稻、小麦、玉米、大麦、高粱和谷子的第七大重要经济谷物[3]，以其丰富的营养价值1997年被美国食品药品监督管理局(FDA)认定可以作为保健食品进行宣传。

淀粉作为燕麦的主要储藏物质，其含量约占64.8%，低于其他禾谷物类作物[4]。淀粉的形态和理化性质，如淀粉的颗粒形态、大小、直链淀粉含量、相对结晶度和淀粉膨胀势、溶解度会影响燕麦的加工品质[5]。燕麦淀粉有多种颗粒形态，Zwer 等[6]发现，燕麦淀粉因复粒淀粉形成不规则的颗粒，与水稻淀粉相似，相比小麦、玉米等淀粉颗粒小。Hoover 等[7]研究发现，燕麦淀粉结晶度在28.0%～36.5%之间，低于水稻、小麦和糯玉米。淀粉在食品工业被广泛用于制造酱料、烘焙食品和奶制品等[8]。与其他淀粉相比，燕麦淀粉在食品加工中没有明显的优势，然而其也存在一定的独特性。Aigster 等[9]发现，燕麦抗性淀粉可制成低热量、低脂肪、高纤维的健康食品。与其他传统淀粉相比，燕麦淀粉脂质含量较高(1.36%)，用其生产的淀粉薄膜更具有疏水性，膜的稳定性更高[10]。燕麦淀粉因其颗粒小的特性，可在化妆品工业中作滑石粉替代物，也可作为外科手套的除尘粉[11]。目前燕麦淀粉被广泛用于食品加工，利用其低热量的特点开发出多种健康食品[8]。虽然前人已经对燕麦的颖果发育、淀粉含量和理化性质进行了研究，但有关皮、裸燕麦淀粉的理化性质特别是淀粉有序结构、晶体结构、消化特性等研究还不够深入。因此，本研究以4个不同类型的燕麦为材料，对其淀粉的形态结构和理化特性进行分析，为燕麦淀粉在食品工业和其他方面的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料选用全国推广面积较大的皮燕麦蒙燕1号(P1)、塔娜(P2)，裸燕麦白燕2号(L1)、坝燕18(L2)。于2019年11月上旬种植于扬州大学作物栽培生理重点试验室试验棚内，常规水肥管理。

1.2 试验方法

1.2.1 淀粉的提取

燕麦成熟后，参考余徐润等[12]方法，稍加改进提取燕麦淀粉。燕麦籽粒经浸泡、研磨，经8层纱布过滤；滤液4 000 r·min-1离心5 min，弃上清液，再加入0.2% NaOH充分搅拌后4 000 r·min-1离心5 min，弃上清并刮去表面有色层，重复多次直到上清液澄清，表面无有色层。得到的淀粉沉淀在烘箱中烘干，过100目筛保存备用。

1.2.2 淀粉粒度测定

称取燕麦淀粉10 mg，加入400 μL 甘油充分震荡摇匀分散淀粉粒，取少量淀粉悬浮液于载玻片，盖上盖玻片后在电子显微镜下观察并拍照。用Image-Pro Plus软件随机统计1 000个淀粉粒的粒径，重复3次。

1.2.3 淀粉粒形态观察

燕麦背部胚乳扫描电镜观察：取成熟燕麦籽粒从中间将籽粒掰断，经真空离子溅射镀金后，在扬州大学测试中心S-4 800Ⅱ场发射扫描电子显微镜下观察。另取少量提取的淀粉样品，用无水乙醇分散，吸取分散后的溶液滴入扫描电镜样品台凹槽内，待乙醇挥发后进行真空离子溅射镀金，并在扫描电镜下观察、拍照。

1.2.4 直链淀粉含量测定

参照He[13]的方法稍加改动测定直链淀粉含量。称取10 mg 淀粉悬浮于100 μL 95%酒精，溶于1 mL 1M NaOH溶液中，用蒸馏水稀释10倍；用0.1 M HCl中和为0.25 mg·mL-1的淀粉原液；吸取0.2 mL淀粉原液，加入3.6 mL水和0.2 mL I2- KI溶液，室温下避光反应30 min。最后在波长510、620 nm下测定吸光度值，重复3次。直链淀粉含量按下式计算。

直链淀粉含量=(A620-A510+0.0542)/ 0.3995×100%

1.2.5 淀粉的相对结晶度测定

取适量干燥淀粉压片，于扬州大学测试中心X-射线衍射仪上从2θ角4°到40°扫描(步长0.4 s)，获得淀粉样品的XRD波谱。用Origin 8.0软件绘制淀粉的XRD图谱，用图像分析软件Photoshop CS6和Image-Pro Plus计算淀粉的相对结晶度，重复3次。

相对结晶度 = 结晶峰面积 /(结晶峰面积+无定形峰面积) × 100%

1.2.6 淀粉微结构相关指标测定

取适量烘干的淀粉于AVANCE Ⅲ 400 MHz WB固体核磁共振波谱仪进行分析。利用PeakFit 4.12软件对无定形淀粉(WDX)和燕麦淀粉的13C CP/MAS NMR波谱进行峰拟合，参考Tan等[14]的方法计算淀粉无定形区比例以及单螺旋、双螺旋的相对含量。

1.2.7 淀粉表层有序度测定

取少量燕麦淀粉加超纯水使其形成粘稠状，利用Cary 610/670显微红外光谱仪分析，以超纯水为参照扫描背景，波长计数范围800～4 000 cm-1进行样品扫描得到淀粉的解卷积光谱，计算1 045 cm-1/1 022 cm-1、1 022 cm-1/995 cm-1的比值。重复3次。

1.2.8 膨胀势、溶解度测定

称取干燥燕麦淀粉100 mg(m0)放入10 mL重量记为m1的离心管中，加3 mL蒸馏水，充分振荡混匀后于95℃下振荡水浴 1 h，5 000 r·min-1离心5 min，弃除上清液后称质量(m2)，最后在 50℃烘箱中烘干至恒重(m3)。

溶解度 =[m0-( m3- m1)]/ m0×100%；

膨胀势=(m2-m1)/(m3-m1) 。

1.2.9 支链淀粉链长分布测定

参考Wu[15]的方法制备脱支淀粉。称取0.2 mg淀粉，加入1.5 μL 0.2 M的APTS(8-氨基芘-1，3，6-三磺酸三钠盐)和1.5 μL 1 M的硼氢化钠，对脱支后的支链淀粉进行荧光标记。以荧光标记后的麦芽六糖为标样，通过荧光辅助毛细管电泳法(fluorophore-assisted capillary electrophoresis)测定支链淀粉的链长分布。

1.2.10 淀粉体外消化试验

参考Chung 等[16]的方法进行淀粉酶解。分别取0.01 g淀粉，不做任何处理的为天然淀粉，98℃水浴12 min的为糊化淀粉，采用D-葡萄糖检测法(GOPOD法)，加入2 mL 酶液(按每100 mL 20 mM PBS缓冲液加50 mg α-淀粉酶的比例进行配制，充分混匀10 min以上，5 000 r·min-1离心，转移保留上清酶液，最后加入葡萄糖淀粉酶液1.67 mL)，37℃下酶解20 min和2 h，酶解后的样品4℃ 离心(15 000 r·min-12 min)，离心前在酶液中加入240 μL 0.1 M HCl和2 mL 50% 乙醇，0℃水浴2 min以阻断酶反应，然后测定上清液D-葡萄糖含量，从而算出已分解的淀粉量(淀粉量=糖含量×0.9)。

2 结果与分析

2.1 燕麦淀粉形态结构分析

对4个燕麦品种颖果胚乳扫描电镜观察可看出，皮、裸燕麦淀粉同时以复粒淀粉和单颗粒淀粉形式存在于燕麦胚乳中。2个裸燕麦品种白燕2号、坝燕18背部胚乳中大颗粒复粒淀粉数目较少，且部分大颗粒复粒淀粉裂开，形成小淀粉粒；而2个皮燕麦中依旧含有数目较多的大颗粒复粒淀粉，且较完整(图1)。燕麦复粒淀粉在淀粉提取过程中易破碎形成多面体或形状不规则的小淀粉颗粒，由于燕麦淀粉中还含有单颗粒淀粉，所以提取的燕麦淀粉形态有的呈现较为规则的圆形或椭圆形。对4种燕麦淀粉的粒径统计结果表明，燕麦胚乳淀粉颗粒小，基本呈现单峰的粒度分布，直径主要在5～8 μm(图2)。此外，坝燕18和塔娜胚乳中含有更多的细小颗粒淀粉(1～3 μm)。对比皮裸燕麦品种的淀粉可看出，二者形态结构差异不大，多呈不规则的颗粒状。

图1 4个燕麦品种籽粒淀粉显微结构图

图2 4个燕麦品种籽粒淀粉粒度分布图

2.2 燕麦淀粉结构分析

2.2.1 淀粉晶体结构和螺旋结构分析

淀粉由直链淀粉和支链淀粉组成，直链淀粉和支链淀粉含量的高低会影响燕麦的加工和食味品质[17]。由表1可知，2个裸燕麦的直链淀粉含量高于皮燕麦。4个品种燕麦直链淀粉含量表现为：坝燕18>白燕2号>塔娜>蒙燕1号。

表1 燕麦淀粉直链淀粉含量、相对结晶度、无定形区、双螺旋和单螺旋相对比例及吸光度比值Table 1 Amylose content, relative crystallinity, relative proportion of amorphous area, double helix and single helix as well as ratio of absorbance of starch from the four oat varieties

支链淀粉的双螺旋结构构成淀粉的结晶区。淀粉结晶结构和非结晶结构在 XRD 图谱上的表现特征不同，结晶区呈现尖峰特征。由图3可以看出，4个品种淀粉的XRD图谱大体相似，在2θ角15°、17°、18°和23°附近有较强的衍射峰，其中17°和18°附近的衍射峰为相连的双峰，另外在20°附近有较弱的衍射峰，说明4种的淀粉均为A型晶体。对比4个品种淀粉的相对结晶度发现，其变化趋势与直链淀粉含量变化趋势正好相反。2个皮燕麦品种的相对结晶度明显高于2个裸燕麦品种，其中坝燕18最低，而蒙燕1号最高(表1)。

图3 燕麦淀粉XRD、傅里叶变换远红外光谱、13C固体核磁共振图谱

由图3可知，4个燕麦品种淀粉的NMR波谱相似，在120～50 ppm处都有C1、C4、C2,3,5、C6 4个主要信号区域。天然燕麦淀粉和无定形淀粉图谱差异主要在于C1区，无定形淀粉在C1区只有102.9 ppm处一个峰，而利用差减法得到的燕麦淀粉NMR波谱在C1区有99.4、100.5、101.7和102.9 ppm 4个明显的结晶峰。经拟合峰面积计算出燕麦淀粉无定形区比例，以及单螺旋、双螺旋比例(表1)，从中可以看出，2个裸燕麦品种的无定形区比例大于2个皮燕麦品种，即：坝燕18>白燕2号>塔娜>蒙燕1号，双螺旋比例蒙燕1号最高，坝燕18最低，单螺旋比例坝燕18最高，这与XRD测定淀粉的相对结晶度的结果基本一致。总体而言，裸燕麦的直链淀粉含量较皮燕麦高，相对结晶度低。不同品种间淀粉的晶体结构也有所不同，本研究的4 个燕麦品种中，双螺旋比例以皮燕麦蒙燕1号最高，裸燕麦坝燕18最低，另两个品种则无明显差异。

2.2.2 淀粉表层有序结构分析

由图3傅里叶变换红外光谱图可看出，4 种燕麦淀粉在 800～1 200 cm-1间表现出类似的共振峰，其差别主要体现在 995、1 022 cm-1和 1 045 cm-1处。其中1 045 cm-1/1 022 cm-1峰强度比值被看作是淀粉表层有序程度的指标，比值越大有序度越高[18]，不同种类淀粉间峰的强度存在差异。由表1中1 045 cm-1/1 022 cm-1的比值可知，2个皮燕麦品种表层有序度高于2个裸燕麦品种，其中蒙燕1号最高，坝燕18最低。这表明皮燕麦蒙燕1号淀粉外部区域结构的有序性最高。

2.2.3 皮裸燕麦支链淀粉链长分布

支链淀粉在淀粉颗粒中以复杂的片层结构存在，是淀粉的主要组成成分。支链淀粉的分支链结构影响淀粉的结晶度[19]。从图4和表2可看出，燕麦支链淀粉聚合度(DP)绝大部分在6～25之间，长支链分布较少。裸燕麦淀粉中支链淀粉的短支链分布较高，皮燕麦则含有更多的长支链。不同燕麦品种淀粉的支链淀粉链长分布存在明显差异，坝燕18的支链淀粉含有更多的长链(DP>30)，平均链长明显高于其他3个品种，而皮燕麦塔娜支链淀粉含最短支链(DP 6～12)更多，平均链长也最低。

图4 4个燕麦品种支链淀粉链长分布图

表2 4个燕麦品种支链淀粉聚合度统计Table 2 Statistics of DP of amylopectin from the four oat varieties

2.3 燕麦淀粉品质分析

淀粉的膨胀势和溶解度与淀粉直链淀粉含量和淀粉结构相关；淀粉糊化过程中，支链淀粉吸水膨胀，直链淀粉含量较高时，淀粉颗粒吸水膨胀受到抑制[17]。膨胀势和溶解度可用来衡量淀粉颗粒中的结晶结构和非结晶结构之间分子的相互作用力。在小麦等作物中，膨胀势还与A-型淀粉含量相关，A-型淀粉含量较多其吸水速率越快[20]。研究表明，燕麦淀粉的膨胀势和溶解度随温度的升高而升高，当温度达到95℃时，燕麦淀粉的膨胀势和溶解度均达到最大值[21]。本试验选取95℃下对4个品种燕麦淀粉进行水浴，结果表明，皮燕麦和裸燕麦的淀粉膨胀势和溶解度并无明显差异，但品种间存在差异，坝燕18(L2)淀粉的膨胀势显著高于其他3个品种，其溶解度在4个品种中最低，但未达显著水平(表3)。这表明坝燕18淀粉有较强的持水能力，受热后易形成凝胶。

表3 4个燕麦品种籽粒淀粉的膨胀势和溶解度Table 3 Swelling power and solubility of starch from the four oat varieties

根据淀粉体外消化速率可将淀粉划分为快速消化淀粉(RDS)、慢速消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)3种，其中SDS和RS属于低血糖食品，可用于降糖食品的原料。由图5可看出，未糊化的天然淀粉中，RS含量最高，SDS比例最少。这是由于未糊化的支链淀粉外侧的短链易形成双螺旋结构，氢键相互堆积形成结晶[22]。4个燕麦品种中，白燕2号天然淀粉的RS含量最高，而塔娜的RS含量最低；而SDS的含量则相反，塔娜最高而白燕2号最低。随着淀粉的糊化，RS含量大幅降低，而RDS比例明显上升，同时SDS含量也增高。这是由于淀粉的体外消化速率与淀粉结晶结构相关，淀粉糊化过程中破坏了淀粉的晶体结构[16]，使天然淀粉中的SDS和RS转化成RDS。4个品种中，蒙燕1号的淀粉糊化后RDS含量增加最多，而坝燕18的RDS含量最少。而糊化后SDS的含量则相反，坝燕18最高，蒙燕1号最少。

图5 4个品种燕麦淀粉体外消化结果分析

3 讨 论

3.1 皮裸燕麦淀粉品质差异

麦类作物淀粉如小麦淀粉一般呈规则的椭圆形，含有比较大的A-型淀粉和小颗粒的B-型淀粉，分为粒径成双峰分布，而燕麦淀粉在胚乳中以复粒淀粉和单颗粒淀粉形式存在，淀粉颗粒多为不规则的颗粒状，也有较少部分呈椭圆形，淀粉颗粒小且皮、裸燕麦淀粉形态无太大差异[23]。由于燕麦淀粉颗粒小、形状不规则等特性使燕麦淀粉含有高膨胀势和低溶解度的特点[24]。此外淀粉的膨胀势还与直链淀粉含量相关，一般而言，直链淀粉含量高的淀粉其膨胀势低[25]。本研究中，两个裸燕麦品种的直链淀粉含量较高，相对的结晶度较低，然而与皮燕麦相比其膨胀势和溶解度并无太大差异，这可能受到了支链淀粉的链长分布影响。有研究指出，淀粉的糊化性质和消化性能很大程度受支链淀粉链长分布影响，如淀粉的糊化温度受支链淀粉短链控制[21]。本研究中，2个皮燕麦品种的相对结晶度高于2个裸燕麦品种，蒙燕1号相对结晶度最高，这说明皮燕麦品种的持水性更好，更易形成凝胶，可作为脂肪的代替品。两个皮燕麦品种表层有序度较高，淀粉不易被水解，可作为低糖食品开发[26]。淀粉中的SDS和RS含量作为评价淀粉营养品质的指标，淀粉中的SDS含量受支链淀粉的分支结构影响，支链淀粉FrⅠ(DP>30)和FrⅡ(13

3.2 燕麦在食品加工方面的应用

淀粉广泛应用于生产淀粉膜、凝胶、抗性淀粉、脂肪代替品，也应用于医药、造纸行业等，淀粉的结构性质不同其应用也有所差异。随着人们对健康饮食的追求，燕麦作为健康食品也受到重视，如低热量、高膳食纤维的燕麦棒受到欢迎[9]。燕麦淀粉由于颗粒较小，糊化后易形成稳定的凝胶，是良好的食品添加剂。研究表明，淀粉结晶度高，支链淀粉中的长支链含量高时，其峰值黏度相对较高，淀粉的吸水性、增稠性较好[28]。与裸燕麦相比，皮燕麦的相对结晶度、表层有序度和支链淀粉长支链分布较高，更适合作为提高黏度的食品添加剂，且凝胶良好的稳定性满足了某些食品加工如高温杀菌等要求，也可作为食用肉类的添加剂。与其他杂粮如玉米等相比，燕麦RS和SDS含量相对较高，在食物中添加RS和SDS会增强饱腹感，是理想的减肥食品。本研究中，糊化后的淀粉裸燕麦的SDS含量较皮燕麦更高，其中坝燕18的 SDS含量明显高于其他3个品种，很适合做血糖生成指数较低的食品，也适合用于降糖的食品原料[29]。此外燕麦淀粉还可作为面条的食品添加剂来增强面条硬度[30]。淀粉的回生和消化特性与支链淀粉链长分布相关，因此有研究利用淀粉的改性对支链淀粉链长进行改造使淀粉更适合食品加工需求。