不同加工方式对藜麦淀粉结构与功能特性的影响

杜春婷, 党 斌,2, 杨希娟,2, 张 杰,2, 张文刚,2

(青海大学农林科学院，青海省青藏高原农产品加工重点实验室1，西宁 810016)(省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室2，西宁 810016)

藜麦(ChenopodiumquinoaWilld.)又称为南美藜、奎藜，其营养价值极高，是“全营养食品”，具有预防与治疗多种慢性疾病的功效[1]。目前藜麦在我国山西、内蒙古、甘肃、吉林、青海等地区均有较大种植面积[2]，在高原地区其已成为特色经济作物。

藜麦淀粉是藜麦的主要营养成分，占干物质总质量的58.0%～64.2%。藜麦淀粉颗粒为多边形，属于假塑性非牛顿流体结构，吡喃环、—OH、—CH2和—CHO是淀粉分子中的典型官能团，其具有良好的稳定性、乳化性和凝胶性，富含淀粉的藜麦籽粒是加工各种食品，如制作汤羹、饼干、面包、婴儿食品等的理想谷物[3，4]。加工会影响淀粉的结构与功能，而淀粉的特性决定了产品的性状、营养与感官品质。蒸制是最传统的加工方式，何梦[5]发现蒸煮可以提高大米淀粉的黏度，低温过量水蒸使大米淀粉发生退火，双螺旋结构增强；徐建国[6]发现萌发燕麦使其淀粉崩解值和回生值先降低后升高，适度的萌发能够提升淀粉的冷糊稳定性；肖香等[7]指出大麦粉经挤压膨化后吸水指数和水溶指数分别上升了 341%和7.98%，糊化温度由69.5 ℃下降至50.2 ℃，淀粉颗粒明显聚合。

目前，对藜麦淀粉的研究主要在其成分含量、理化性质与消化特性上，关于常用食品加工方式对其淀粉结构与功能特性影响鲜有报道。本研究以青白藜1号藜麦为原料，选用蒸制、萌动、挤压膨化技术加工藜麦并提取淀粉，分析不同加工方法对藜麦淀粉结构、理化和功能特性的影响。

1 材料与方法

1.1 原材料与试剂

原料：青白藜1号由青海大学农林科学院作物所提供。

试剂：氯化钠、氢氧化钠、乙醇(分析纯)；纤维素酶(5.0×104U/g)、中性蛋白酶(6.0×105U/g)；实验用水为去离子水。

1.2 主要仪器与设备

KETSE 20/40D双螺杆挤压膨化机，S-3400N 扫描电子显微镜，Mastersizer2000激光粒度分析仪，X’Pert PRO X-射线衍射仪，N4S 紫外分光光度计。

1.3 方法

1.3.1 原料处理与样品制备

藜麦籽粒经除杂清洗后进行不同处理。未处理组45 ℃烘干，粉碎过筛；煮制组将藜麦颗粒均匀铺于纱布上，常压下水沸腾入笼热蒸5min，冷冻干燥20 h，粉碎过筛；萌发组用去离子水将藜麦冲洗并浸泡6 h，均匀铺在双层滤纸上于25 ℃培养箱暗室发芽，每12 h喷洒1次去离子水，萌发48 h，冷冻干燥，粉碎过筛；挤压膨化组取部分未处理藜麦粉于双螺杆挤压膨化机(六区150 ℃、螺杆转速100 r/min)膨化，粉碎过筛。

藜麦淀粉参考翟娅菲等[8]的方法稍加改动后提取。将过100目筛后的藜麦粉分别与60%乙醇按1∶7比例混合浸提3 h。随后4 000 r/min离心10 min，用适量蒸馏水混合沉淀后同条件离心，取下层沉淀并用质量分数为0.75%的NaCl 溶液浸泡45 min，用蒸馏水清洗4次，离心后将沉淀溶于蒸馏水。加入20 U/g 纤维素酶于25 ℃搅拌样品3 h，酶解后离心。沉淀再次溶于水，调pH到7，加入中性蛋白酶100 U/g，25 ℃下搅拌酶解40 min。酶解后的样品同转速离心20 min，取下层白色物质于培养皿，30 ℃烘箱烘干，得粗淀粉，置于干燥器室温保存。

1.3.2 淀粉的结构特性

按付丽红等[9]和杜双奎等[10]的方法。将藜麦淀粉均匀粘附于导电胶后喷金处理，置于电子显微镜下扫描；准确称取适量淀粉样品与适量KBr充分研磨，压片，在400～4 000 cm-1范围内进行红外光谱扫描；配制5 %淀粉悬浊液，超声波分散后于0.1～500 μm范围内进行激光粒度分析；X射线衍射用石墨单色器滤色片，扫描范围为4°～50°，参考Nara等[11]的方法计算结晶度。

1.3.3 藜麦淀粉的功能特性

溶解度与溶胀度测定：取一定质量(m)藜麦淀粉配成2%的悬浊液，沸水浴均匀加热15 min，快速冷却后4 000 r/min离心15 min，分离上清液，105 ℃烘干称重。烘干的上清液质量即为溶解淀粉质量m1，其余部分为溶胀淀粉质量m2。溶解度(S)和膨胀度(B)如式(1)和式(2)所示。

S=m1/m×100%

(1)

B(g/g)=m2/[m×(100-S)/100]

(2)

透光率测定：将质量分数为1%的淀粉乳置于沸水浴中不断搅拌加热糊化30 min，冷却至室温，以蒸馏水做空白，在波长为 650 nm 处测定其吸光度A，透光率按式(3)计算。

T=10-A×100%

(3)

融冻稳定性测定：配制质量分数为6%的乳液，沸水浴加热糊化30 min，取一定质量(m)装至离心管，经快速冷却后，将样品在-20 ℃条件下冷冻24 h和48 h，取出样品，自然解冻6 h后4 000 r/min离心15 min，弃上清液，称取沉淀物质量m1，利用式(4)分别计算冻融24、48 h后的析水率。

析水率=(m-m1)/m×100%

(4)

老化值测定：配制质量分数为2%乳液，沸水浴均匀加热20 min，取一定量淀粉糊于4 ℃冷藏24 h，4 000 r/min离心15 min，淀粉糊析出水占原淀粉糊的体积分数即淀粉的老化值[12]。

RVA测定：取适量样品配制成的12%淀粉悬浮液于铝盒中，用RVA仪进行扫描测定。

1.4 数据统计分析

实验平行3次，所得数据采用Excel、MID jade 6.0、SPSS20、OMNIC 8等软件进行分析处理；数据的显著性使用方差分析LSD法(α=0.05)进行检验；采用Origin 2018作图。

2 结果与分析

2.1 藜麦淀粉的结构特性

2.1.1 淀粉形貌

由图1可知，经过不同加工处理藜麦提取的淀粉在形貌上存在明显差异。图1a中未处理藜麦淀粉呈现较规则的多面体结构，轮廓清晰，无堆积现象且存在小颗粒淀粉，与Jiang等[13]报道结果一致。经蒸制后，提取的藜麦淀粉颗粒表面凹凸不平，有塌缩现象，黏聚的大颗粒体增加，粒径均一性降低(图1b)。萌发组藜麦淀粉形态变化较小，但淀粉表面粗糙度增大，细微褶皱增加，大颗粒淀粉也略有增加(图1c)。图1d中，挤压膨化组淀粉颗粒出现破损、皱缩和明显棱角，淀粉颗粒之间黏聚加重，形状不规则。总体来说，3种加工方式处理籽粒，挤压膨化对淀粉形貌影响最大，蒸制次之，萌发影响相对较小。

蒸制属于湿热处理，在短时高温蒸汽的作用下，藜麦籽粒中淀粉颗粒发生部分糊化和膨胀，冷却后颗粒结构进一步变化，表现出部分皱缩和黏聚[14]。萌发是种子呼吸代谢的过程，生物酶随机结合在淀粉颗粒表面，从表面开始酶解并逐步通过形成的小孔扩散至淀粉颗粒中心[12]。因此，可以从图1c观察到，萌发藜麦的淀粉表面更粗糙，并出现细小皱纹及坑洞，这与Xing等[15]报道的结果一致。挤压膨化加工中，藜麦粉在双螺杆挤压膨化机腔体内高温、高压和高剪切作用下处于熔融态，其淀粉发生糊化，结构遭到破坏[16]，淀粉颗粒破裂黏结，在高压骤降和冷却后淀粉颗粒进一步皱缩变形，形貌特征显著改变。

2.1.2 淀粉粒径

由图2知，未处理藜麦的淀粉粒径呈现单峰分布，峰值位于1.5 μm，与报道的1～2 μm结果一致[4，13]，远小于小麦、玉米、土豆、木薯等淀粉。由于藜麦淀粉会形成聚集结构，表现出较宽的尺寸分布，这是小颗粒组成淀粉的典型特征。不同加工方式处理藜麦后，藜麦淀粉粒度分布曲线向右偏移，有粒径增大的趋势，其中萌发处理对粒度影响最小，蒸制影响显著，挤压膨化处理影响最大。

图2 藜麦淀粉粒径分布图

萌发藜麦淀粉粒径分布集中，比未处理组仅有微小的增大趋势，与曹龙奎等[17]报道的芸豆淀粉随着萌发时间延长粒径逐渐减小不同，可能是藜麦萌发过程中淀粉粒发生水解，形成了更多的小颗粒变性淀粉，而后其聚集形成大颗粒。蒸制处理使藜麦中淀粉发生部分糊化，结构变得松散，小分子淀粉链发生交联形成更大的结构，并出现黏聚现象。挤压膨化组藜麦淀粉颗粒破损并挤压结团，大颗粒比例显著增加，形状更不规则，与电镜观察结果一致。

2.1.3 X-射线衍射

如图3所示，藜麦淀粉在2θ角15°、17°、18°、23°处有较强的衍射峰，为A型晶体结构，与水稻、燕麦、青稞淀粉类似[5,6,18]。与未处理组相比，蒸制、萌发、挤压膨化后其淀粉衍射峰基本一致，没有改变藜麦淀粉的晶体类型。计算得到未处理组藜麦淀粉的结晶度为31.3%，略高于Jiang等[13]报道的21.0%～29.6%；蒸制组、萌发组淀粉的结晶度提升，分别为35.4%和32.3%；挤压膨化组淀粉结晶度降低至28.6%。

图3 藜麦淀粉X-射线衍射图

淀粉是由直链和支链淀粉分子形成的聚合体，这种聚合体由无定形的非结晶区和有序的结晶区构成。本研究发现藜麦经过短时热蒸处理后，其淀粉结晶度有所提高，可能原因一方面是湿热处理后藜麦淀粉颗粒内部结构变化，淀粉链之间结合增强，发生双螺旋配对重排[19,20]；另一方面，实验对经蒸制后的藜麦进行了冷冻干燥，其淀粉发生重结晶，支链淀粉在氢键作用下形成更紧密有序的结构[21]。谷物萌发会在淀粉颗粒上形成“通道”，并优先分解表面和无定形区的短链淀粉，增强淀粉网络的相互作用，有序性提升[6，12]，使萌发藜麦的淀粉结晶度上升，这与梁雨荷[18]报道的结果较一致。挤压膨化藜麦的淀粉发生糊化、膨胀、崩解，晶体结构受到较大破坏，内部有序性下降，结晶度显著降低。

2.1.4 FTIR光谱

由图4可知，未处理、蒸制、萌发和挤压膨化组藜麦淀粉的光谱属于典型的淀粉红外光谱图，且不同样品的特征基团吸收峰位置无明显差异。在3 395～3 380 cm-1间有单一强吸收峰，对应淀粉分子中O—H的伸缩振动；2 930～2 927 cm-1处对应—CH2的C—H伸缩振动；1 648～1 645 cm-1对应C=O的伸缩振动；928 cm-1处对应D-吡喃环葡萄糖的α-1,4糖苷键的骨架振动；578～577 cm-1的弱吸收峰对应吡喃环骨架振动区[4,15]。

图4 藜麦淀粉的红外光谱图

淀粉红外光谱中波数1 047、1 022、995 cm-1吸光度比值可以用来评估淀粉双螺旋短程结构有序度和结晶度变化，其中1 047 cm-1/1 022 cm-1比值越大则淀粉结晶度越高，1 022 cm-1/995 cm-1比值越小则淀粉中双螺旋的分子有序度越高[22]。未处理、蒸制、萌发和挤压膨化组的淀粉1 047 cm-1/1 022 cm-1处吸光度比值分别为0.827、0.864、0.835和0.813，即蒸制和萌发组淀粉的结晶度升高，而挤压膨化组淀粉结晶度降低；1 022 cm-1/995 cm-1比值分别为1.414、1.381、1.405和1.486，表明蒸制和萌发组藜麦淀粉的双螺旋有序度有所提高，挤压膨化组则显著降低，与XRD分析结果一致。3种加工方式处理藜麦对其淀粉分子表面官能团种类影响较小，但使吸收强度有所改变，其中挤压膨化组减弱最明显，挤压膨化组的部分吸收峰减弱可能是由于分子间连接键断裂，晶体结构被破坏以及含水量不同导致。

2.2 藜麦淀粉的功能特性

2.2.1 藜麦淀粉溶解度与溶胀度

由图5可知，蒸制、萌发、挤压膨化处理可提高藜麦淀粉的溶解度与溶胀度，其中挤压膨化藜麦后其淀粉溶解度和溶胀度分别提升3.70和1.24倍。由于蒸制藜麦的淀粉结晶度有一定提高，有序结构增加，排列紧密的淀粉颗粒不易被水分子渗透，而且从SEM和粒径分布结果可知除淀粉黏聚增加外，淀粉颗粒的分解不明显，因此与原淀粉相比蒸制藜麦的淀粉溶解度和溶胀度变化不显著。萌发过程中藜麦淀粉结构和组成(直/支链淀粉比例、淀粉链长分布、结晶度等)发生变化，导致淀粉水结合能力升高，溶解性增大，但对溶胀度影响较小，与Xing等[15]报道的结果一致。支链淀粉是淀粉溶胀度的来源，而溶解度是直链淀粉浸出的结果[23]。挤压膨化组藜麦淀粉损伤严重，淀粉颗粒结晶度和结构紧密程度显著降低，使淀粉颗粒水合能力和短链淀粉溶出能力提高，从而导致溶解度和溶胀度显著升高，与Yan等[21]的研究结果一致。

注：相同指标不同处理组之间标有不同字母表示在0.05水平差异显著，下同。图5 藜麦淀粉的溶解度和溶胀度

2.2.2 藜麦淀粉透光率

图6表明，藜麦的淀粉透光率较玉米、马铃薯淀粉低[8]。相比于未处理组，蒸制和萌发组的淀粉透光率显著减小，挤压膨化组淀粉透光率显著增大。淀粉的透光率与淀粉品种和性质、溶解度、颗粒大小及结构组成等有关。与未处理藜麦的淀粉相比，萌发和蒸制藜麦的淀粉粒径、结晶度和溶解度不同程度提高，发生改性后的小颗粒淀粉受热糊化后，可能分子排列缔合形成更为紧密的构象[24]，对光线的反射和折射增多，使其透光率显著降低。挤压膨化藜麦的淀粉结构破坏严重、溶解度显著升高，淀粉结晶度降低，粒径显著增大形成更多大颗粒淀粉，其结构较为松散、水和能力强，对光线折射少，使透光率显著升高[25]。

图6 藜麦淀粉的透光度

2.2.3 藜麦淀粉融冻稳定性

由图7可知，24 h冻融后，萌发藜麦的淀粉析水率显著低于未处理组，说明适度萌发有助于提高藜麦淀粉的融冻稳定性；蒸制与挤压膨化组淀粉析水率显著高于未处理组，说明这两种热处理降低了淀粉的融冻稳定性。48 h冻融后，各组藜麦淀粉水分进一步析出，萌发组淀粉持水力优势消失，蒸制和挤压膨化组淀粉析水率接近上限，差异不显著。蒸制与挤压膨化处理均会明显降低藜麦淀粉的持水能力，使其冻融稳定性变差。藜麦萌发后，其淀粉形态保持良好、结晶度提高，但淀粉结构和组成可能发生改变，使水合能力增强，溶解性及冻融稳定性改善。冻融稳定性高的淀粉有利于冷藏、冷冻或罐装食品加工。研究表明，热处理很难提高淀粉的冻融稳定性[26]。蒸制藜麦的淀粉虽然也保持相对完整的形态，但重结晶后形成的高结晶度淀粉颗粒可能吸水受限，导致析水率增加。挤压膨化藜麦的淀粉冻融稳定性相对最差，淀粉凝胶较为稀松，可能与淀粉颗粒结构的严重损伤、结晶度的下降、溶解度上升等有关[27]。

图7 藜麦淀粉的融冻稳定性

2.2.4 藜麦淀粉老化性

由图8可知，相比未处理组，蒸制组淀粉老化值显著提高，而萌发和挤压膨化组淀粉老化值变化不显著。淀粉老化是指淀粉稀溶液糊化后，冷却过程中线性分子重新排列并通过氢键形成不溶性分子微束的现象[12，19]。蒸制加工藜麦时，藜麦内淀粉部分发生糊化，随后在冷冻干燥过程中发生分子重排和重结晶使淀粉结晶度提高，分子间相互作用力增强[21，24]；当蒸制组损伤淀粉被热水糊化后，淀粉可能形成了更多的不溶性分子微束，从而使老化值显著提高。挤压膨化组老化值变化不大，可能是改性淀粉分子链与水分子相互作用延缓了淀粉老化；此外，藜麦原粉含水量较低(8.1%)，淀粉的挤压糊化程度可能小于蒸制加工且未经过冷冻干燥过程，从而造成淀粉老化值与未处理组差异不显著。

图8 藜麦淀粉的老化值

2.2.5 淀粉的糊化特性

未处理、蒸制、萌发和挤压膨化藜麦的淀粉黏度特征值见表1。结构决定淀粉的功能特性，综合来看，蒸制、萌发、挤压膨化都可以通过提高淀粉溶解度、溶胀度、粒径以及改变其颗粒形态来增强淀粉分子间的相互作用，增大了黏度数值，但损失一定热糊稳定性和抗老化性。

表1 藜麦淀粉的糊化特性指标

与未处理组相比，蒸制使藜麦内淀粉发生部分糊化，提高了淀粉黏度，其中峰值、谷值、最终值分别增大了221.2、68.3、74.6 mPa/s；而崩解值和回生值在所有处理中最高，此时淀粉颗粒较易破碎、耐剪切能力下降，热糊稳定性差，最易老化。挤压膨化组淀粉黏度峰值、谷值、最终值分别提高142.5、100.1、104.3 mPa/s；崩解值、回生值有所升高，热糊稳定性降低。萌发组淀粉黏度峰值、谷值、最终值显著高于其他处理，分别提升574.0、449.8、504.8 mPa/s，其凝沉性和凝胶性最强；回生值与崩解值升高，其热糊稳定性和抗老化性也变差[28]。

蒸制、萌发、挤压膨化处理藜麦都使其淀粉的成糊时间提前，萌发组与未处理组较接近，而蒸制组与挤压膨化组淀粉糊化更快，说明3种加工都可以加快淀粉糊的糊化进程。相比未处理组，蒸制和萌发组淀粉结晶度增大，淀粉双螺旋结构更加紧密，新结晶的熔点可能更高且融化速度较慢[27]，从而成糊温度升高，其中萌发组较明显。挤压膨化藜麦的淀粉结晶度显著下降，双螺旋结构无序度增加，结晶区和无定型区分子链间束缚力发生变化，使得淀粉成糊温度显著降低(67.5 ℃)，淀粉更易糊化，与结构表征结果一致。

研究表明，藜麦淀粉的回生值比马铃薯、玉米、芸豆淀粉低[8，10]，具有较好的糊化稳定性，不易老化；蒸制、萌发、挤压膨化处理藜麦会使其淀粉的糊黏度峰值上升，成糊时间提前，耐剪切能力下降，适合用于面食中降低筋度、改善口感。

3 结论

挤压膨化和蒸制处理对藜麦淀粉损伤较大，而萌发处理较为温和，3种处理条件下藜麦淀粉粒径均有增大但其晶型未改变。藜麦蒸制后结晶度的明显增加说明湿热处理条件(温度、时间和方式)对淀粉颗粒非结晶和结晶区域的变化影响较大；与蒸制和萌发不同，挤压膨化使藜麦淀粉结晶度显著降低，透光率显著升高。3种加工方式均能提高藜麦淀粉的溶解和膨胀特性，此外非热萌发加工还表现出改善淀粉冻融稳定性的趋势。蒸制藜麦的淀粉抗老化能力降低，其他加工方式影响较小。藜麦淀粉功能特性与颗粒形态、粒度及结晶度等密切相关。藜麦经3种方式处理后，其淀粉黏度增大、成糊时间提前、耐剪切能力下降，热糊稳定性不同程度降低；蒸制和萌发使藜麦淀粉成糊温度升高，而挤压膨化使之显著降低；这些特性可能对面食改善口感有积极意义。不同的藜麦加工方式对其淀粉结构和功能特性存在显著影响，因此，在藜麦产品加工中可通过评估淀粉特性变化来选择适宜的加工方式。