基于小米淀粉颗粒结构评价小米粥适口性

张佳佳，沈 群，杨 钰，王显瑞，张 凡,3，王 超,*

（1.中国农业大学食品科学与营养工程学院，国家粮食产业（青稞深加工）技术创新中心，植物蛋白与谷物加工北京市重点实验室，国家果蔬加工工程技术研究中心，北京 100083；2.赤峰市农牧科学研究院谷子研究所，内蒙古 赤峰 024031；3.北京一轻研究院有限公司，北京 101111）

小米属禾本科，是谷子（Setaria itaticaBeauv）脱壳后的产物。我国是小米的主产区，小米产量占全世界产量的80%[1]。小米中不仅含有丰富的营养成分如优质蛋白[2]、脂肪酸[3]、碳水化合物、维生素[4]、无机盐[5]等，还含有各种生物活性物质如膳食纤维[6]、硒[7]、肌醇[8]、谷维素[9]等，且营养素之间比例适宜、消化率高[10]，是非常优质的食物源。随着消费水平的提升，大众的消费观已从“吃得饱”转变为“吃得好”，对小米的食味品质有了更高的要求。小米的食味品质一般通过小米蒸煮后所形成米饭或米粥的感官评价判断，主要包括外观、气味、滋味、适口性等，其中适口性权重最大（40%）[11]，是影响小米食味品质的关键因素。调查显示，小米粥是小米最普遍的食用方式[12]，因此小米粥适口性评价对小米食用品质的提升具有重要意义。

适口性一般是指被测对象的黏性、弹性、软硬度等[13]。研究表明，小米淀粉的特性会对小米蒸煮后的适口性产生一定的影响[14]。小米淀粉是小米最主要的组分（占56.0%～61.0%）[15]，小米粥熟化的过程主要就是淀粉糊化的过程[16]。张卓敏[17]研究发现小米粥的黏性和弹性与小米淀粉的溶解度、膨胀度和透明度呈正相关。穆秋霞等[18]的研究结果表明小米粥的适口性与小米淀粉凝胶的黏着性、弹性、黏聚性、硬度、咀嚼性、黏附性、胶黏性均呈负相关，其中弹性、硬度、咀嚼性、胶黏性与小米粥适口性呈显著负相关。此外，小米淀粉的热特性能够反映淀粉的糊化性质，其通过影响淀粉糊化进一步影响小米蒸煮品质[19]。然而，现有的研究主要集中在小米淀粉的理化性质，有关结构特点影响小米粥适口性的研究较少。小米淀粉颗粒多呈现多角形，粒径在6.14～11.9 μm之间，其直链淀粉含量约占20.0%～27.1%[20]。已有研究证明淀粉的颗粒结构会影响大米饭的适口性，淀粉颗粒的孔隙小，则吸水速度慢、吸水量少，淀粉蒸煮过程中不能充分糊化，蒸煮后米饭黏度低，较为松散[21]。大量前期的研究已经发现小米淀粉颗粒的直链淀粉/支链淀粉含量比对小米蒸煮后的适口性有极大的影响[22-26]。因此，本实验在此基础上，首先分析各品种小米粥之间的淀粉颗粒结构差异；其次评价小米淀粉颗粒结构与其理化特性及小米粥适口性的相关性；最后基于小米淀粉理化及颗粒结构特性指标建立小米粥适口性预测模型，探究小米淀粉颗粒结构对于小米粥适口性的影响，以期为我国适宜蒸煮加工小米的优选提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

‘中谷’‘豫谷18号’小米由中国农业科学院作物科学研究所提供，‘黄金谷’‘峰红谷’‘张杂谷’‘昭农’‘赤谷6 号’‘赤谷8 号’‘赤谷17号’‘红苗压破车’小米由赤峰市农牧科学研究院提供。

BC4265链淀粉含量试剂盒、盐酸、氢氧化钠、乙酸铅、硫酸钠、石油醚、乙醚、无水乙醇、甲基红 北京索莱宝科技有限公司。

1.2 仪器与设备

L10-L191料理机 九阳股份有限公司；BD-E2型热风循环箱 德国Binder公司；TA.XT plus质构仪英国Stable Micro Systems公司；差示扫描量热仪 美国TA公司；LGJ-10G标准型真空冷冻干燥机 北京四环起航科技有限公司；LS Particle Size Analyzer 13320激光衍射粒度分析仪 美国Beckman Coulter公司；AuTosorb iQ物理吸附微孔孔径分析仪 美国Quantachrome Instruments公司。

1.3 方法

1.3.1 小米淀粉的提取

通过改良李星[22]的方法进行小米淀粉的提取。取1 kg的去皮小米，淘洗4 次后加蒸馏水至5 L，浸泡12 h。使用小型搅拌机进行破碎，每次打浆时小米与水的质量体积比约为1∶2，打浆30 s后过200 目筛。对第一道滤出的米渣再次打浆30 s后过筛，用蒸馏水反复洗米渣，滤出约5 L米浆。将米浆搅匀，用保鲜膜封口后在4 ℃下静置。12 h后，倒掉上层黄色液体，加蒸馏水搅匀沉降物，再次4 ℃静置，重复水洗沉降物直至上层液体澄清（约4～5 次），最后一次静置24 h。倒掉上清液后，将桶放入40 ℃烘箱，12 h后取出沉降物并去除黄色部分，将白色部分置于干燥的纸盘中，继续40 ℃烘干24 h。将所得白色固体粉碎后过60 目筛，即得小米淀粉。

1.3.2 小米淀粉的组成测定

总淀粉含量按GB 5009.9—2016《食品安全国家标准 食品中淀粉的测定》的方法测定；直链淀粉含量使用BC4265链淀粉含量试剂盒进行测定；支链淀粉含量由总淀粉含量减去直链淀粉含量而得。

1.3.3 小米淀粉凝胶的质构特性测定

根据张凡[27]的实验方法进行修改，使用质构仪测定小米淀粉凝胶的质构特性。采用质构测定模式，设置形变率55%、挤压时间5 s、挤压力5 g、测试速率1.00 mm/s。使用系统自带软件分析导出数据。

1.3.4 小米淀粉的热特性测定

根据Wang Chao等[28]的方法进行修改，使用差示扫描量热仪测定小米淀粉的热特性。制样时，在液体坩埚中准确称取3 mg淀粉并加入12 μL超纯水，用压片机压片后放入干燥器中平衡12 h。将样品放入仪器中，在标准模式下以10 ℃/min的升温速率从30 ℃升温至100 ℃，以空坩埚为对照进行测定。使用TA Universal Analysis 5.5.22软件进行分析。

1.3.5 小米淀粉的溶解度与膨润力测定

根据Hu Wenxuan等[29]的方法进行修改，测定小米淀粉的溶解度与膨润力。称取0.60 g（m）淀粉于离心管中，加入30 mL蒸馏水配制成20 mg/mL的淀粉悬浊液。在95 ℃下加热30 min，5 000 r/min离心15 min，将上清液倒入已称质量（m0/g）铝盒中，放入105 ℃烘箱烘干24 h，取出再次称质量（m1/g）；同时将沉淀物称质量（m2/g）。按照式（1）、（2）分别计算溶解度和膨润力。

1.3.6 小米淀粉颗粒的粒径测定

使用激光衍射粒度分析仪进行测定。将4 g冻干的小米淀粉装入专用样品管中，使用旋风干粉系统进行测定，设置分析暗淡值为4%，样品密度为1.6 g/mL，使用Beckman Coulter LS 5.01软件分析导出粒径数据。

1.3.7 小米淀粉颗粒孔隙的比表面积与孔径分布测定

使用物理吸附微孔孔径分析仪进行测定。取用1～2 g冻干的淀粉放入样品管中，在50 ℃下真空脱气6 h后浸入液氮中，使用仪器进行氮气吸附脱附实验，使用ASiQwin 2.0软件分析导出数据，根据Brunauer-Emmett-Teller（BET）理论计算比表面积，根据Barrett-Joiner-Halenda（BJH）理论计算孔径分布。

1.4 数据处理与分析

各项实验重复测定3 次及以上，除特殊说明外，结果用平均值±标准差表示。使用SPSS 24软件进行统计分析，不同品种间的差异用Duncan法进行显著性分析，使用Pearson相关系数进行相关性分析，使用逐步回归分析建立小米粥品质预测模型。

2 结果与分析

2.1 不同品种小米的主要组分及小米粥适口性评价结果

根据前期研究结果[27]，不同品种小米理化特性和适口性评价结果分别如表1、2所示。从表2可以看出，‘中谷’‘黄金谷’‘峰红谷’的适口性最好，‘张杂谷’‘豫谷18号’‘昭农’的适口性一般，‘赤谷8号’‘赤谷6号’‘赤谷17号’‘红苗压破车’的适口性最差。

表1 不同品种小米的主要组分Table 1 Major composition of different varieties of foxtail millet

表2 不同品种小米粥的适口性得分Table 2 Sensory scores for palatability of foxtail millet congee from different varieties

2.2 小米淀粉的组成分析结果

10 个品种小米淀粉的直、支链淀粉组成如表3所示。不同品种间淀粉的组成存在差异。其中，直链淀粉含量在18.82（‘峰红谷’）～24.56 g/100 g（‘赤谷17号’）之间，平均含量为22.18 g/100 g；支链淀粉含量在75.44（‘赤谷17号’）～81.18 g/100 g（‘峰红谷’）之间，平均含量为77.82 g/100 g。可以看出，综合评分较高的小米品种其直链淀粉含量较少，支链淀粉含量较高。由此可知，直链淀粉含量越高，小米粥适口性越差。

表3 不同品种小米淀粉的组成Table 3 Starch composition of ten varieties of foxtail millet

2.3 小米淀粉凝胶的质构特性

10 种小米淀粉凝胶的质构特性如表4所示，各品种间质构指标存在显著差异。硬度是影响感官品质的重要因素之一[30]。10 种小米淀粉凝胶中，硬度最高的是适口性排名后3 位的‘赤谷6号’‘赤谷17号’和‘红苗压破车’，硬度均为690 g左右，排名第6的‘昭农’凝胶硬度最低，为378.30 g。

表4 不同品种小米淀粉凝胶的质构特性Table 4 Textural properties of foxtail millet starch gels from ten varieties

从其他指标来看，适口性排名后4 位（不好吃）的品种黏性（最高为－18.12 g·s）远小于排名前6（好吃和一般）的品种，弹性、黏聚性和胶黏性也显著偏低，不好吃的品种淀粉凝胶表现出黏性和弹性较小，黏聚性、胶黏性较小的特点。好吃的品种（适口性排名前3 位）弹性平均值约为0.93，黏聚性平均值约为0.67，胶黏性平均值约为322，咀嚼性平均值约为301，回复性平均值约为0.52。总体来说，小米淀粉凝胶硬度随适口性下降而升高，黏性、弹性、黏聚性等其他指标均随适口性下降而减小。好吃的3 个小米品种呈现出淀粉凝胶硬度小（约450 g）、黏聚性（约0.67）等其他质构指标大的特点。

2.4 小米淀粉的热特性

10 种小米淀粉的热特性如表5所示，其中起始糊化温度（To）最高的是‘张杂谷’（66.17 ℃），最低的是‘赤谷8号’（61.65 ℃）；峰值温度（Tp）最高的是‘昭农’（71.62 ℃），最低的是‘赤谷6号’（67.70 ℃）；糊化终止温度（Tc）间差异不大，但是糊化温度范围（R）的差异较大，最高为‘赤谷17号’（28.74 ℃），最低为‘豫谷18号’（22.84 ℃）。可以观察到，排名前6 位的品种To、Tp都高于平均值，R都低于平均值，说明淀粉糊化起始温度较高且峰值温度较高但糊化速度快的品种口感更好，其中好吃的3 个品种平均To约为64.87 ℃、平均Tp约为70.12 ℃、平均R约为24.13 ℃。

表5 不同品种小米淀粉的热特性Table 5 Thermal characteristics of foxtail millet starch from different varieties

2.5 小米淀粉与水分结合能力分析结果

溶解度和膨润力常用于反映淀粉整体表现出的溶解能力和持水能力[29]。小米淀粉在95 ℃下的溶解度和膨润力最大[22]，表6列出了该温度下10 种小米淀粉的溶解度和膨润力，溶解度显著高于其他品种的是‘张杂谷’（7.04%）和‘赤谷17号’（6.91%），溶解度最低的是‘峰红谷’（1.79%）。10 种淀粉的膨润力中，末位的‘红苗压破车’膨润力（13.12%）显著低于其他9 个品种（15.06%～18.58%），而适口性好的品种膨润力总体较高（平均约16.85%），说明适口性较好的品种淀粉与水结合的能力较强。

表6 不同品种小米淀粉的溶解度和膨润力Table 6 Solubility and swelling power of foxtail millet starch from different varieties

2.6 小米淀粉的粒径及其分布

小米淀粉的粒径会影响小米蒸煮后的食用品质[31]。淀粉颗粒可分为极小粒（＜4 μm）、小粒（4～10 μm）、中粒（10～20 μm）和大粒（＞20 μm）[32]，10 种小米中各类淀粉颗粒所占的比例如表7所示，小米淀粉平均97.53%的颗粒是中粒和小粒。排名第1、5名的品种粒径分布十分相近，排名第2、3、8名的品种粒径分布相近，几乎全是中、小粒，粒径集中于4～20 μm。排名第4、6名的‘张杂谷’和‘昭农’有少量大粒淀粉；排名第7、9名的‘赤谷8号’和‘赤谷17号’大粒比例最多（4.77%、4.43%），分布最零散。排名第10名的‘红苗压破车’极小粒比例最多（4.81%）。总体来看，好吃的品种呈现出粒径分布集中，小粒比例较高（约55.67%）、中粒比例较低（约43.64%）、极小粒和大粒比例极低（约0.50%和0.17%）的特点。宋佳宁[33]的研究也发现，不同粒径小米淀粉的添加会给小米馒头带来不同的口感，随着添加的小米淀粉粒径的减小，小米馒头的硬度、咀嚼性增加，弹性、内聚性、感官评价得分减小，表明小米馒头品质下降且越来越耐咀嚼。

表7 不同品种小米淀粉中不同粒径颗粒所占比例Table 7 Proportions of granules of different sizes in foxtail millet starch

2.7 小米淀粉颗粒的比表面积与孔径分布分析结果

图1A列出了10 种小米淀粉的孔径分布图，dV(d)表示单位孔径下的孔容，峰宽越窄则孔径分布越集中，峰值越高则该孔径的孔洞越多。根据国际化学联合会（International Union of Pure and Applied Chemistry，IUPAC）定义，孔洞按照孔径大小可分为微孔（＜2 nm）、介孔（2～50 nm）和大孔（＞50 nm），由图1可知，‘中谷’‘黄金谷’‘昭农’‘赤谷8号’4 个品种含有少量微孔。

10 种小米淀粉的吸附脱附等温线如图1B所示。根据IUPAC对于吸附滞后现象的解释[34]，所有品种均出现不同形状大小的滞留回环，这是介孔在吸附脱附时发生毛细孔凝聚所致。滞留回环的形状没有出现典型的陡峭变化，可能由于淀粉内部孔洞并不贯通整个颗粒，而是一端封闭的交联孔、盲孔或闭孔。‘中谷’‘黄金谷’两品种吸附体积随压力增大而均匀升高，滞留回环面积小，说明其孔径分布较为均匀，大孔极少，孔道较为规则。‘峰红谷’‘张杂谷’‘昭农’‘赤谷8号’和‘赤谷17号’5 个品种的等温线总体向横轴凸出，且吸附体积在相对压力接近1时出现不同程度的跃变，这主要是大孔吸附造成，其中‘张杂谷’‘昭农’‘赤谷8号’3 个品种的大孔较多。‘豫谷18号’‘赤谷6号’和‘红苗压破车’的等温线没有明显凸起，但滞留回环比‘中谷’‘黄金谷’大，吸附体积总体较小，说明大孔很少，但孔径分布较大，孔道形状不规则。

图1 不同品种小米淀粉的孔径分布（A）与等温吸附脱附曲线（B）Fig.1 Pore size distribution (A) and isothermal adsorption desorption curves (B) of foxtail millet starch from different varieties

再结合表8中部分孔隙结构定量指标来分析，可以进一步概括不同品种小米淀粉的孔隙特征。表中SBET为多点BET比表面积，表示每克淀粉外部和内部孔隙（含大孔）的表面积之和；DPO为平均孔径，用总孔容和SBET计算，为所有孔洞的平均值；DBJH是BJH吸附孔径，表征介孔的平均孔径；SBJH为累积吸附表面积，表征介孔的孔内吸附表面积；VBJH为累积吸附孔体积，表征介孔的总孔容。适口性好的‘中谷’‘黄金谷’和‘峰红谷’SBET及SBJH平均值高于总体平均值，DPO平均值低于总体平均值且偏小，DBJH平均值及VBJH平均值低于总体平均值，适口性好的小米粥的小米淀粉孔隙特征总体趋向于孔洞较小、数量较多、孔道适中。适口性中等的‘张杂谷’‘豫谷18号’和‘昭农’DPO平均值及VBJH平均值高于总体平均值，其余指标平均值都略小于总体平均值，该组小米粥的小米淀粉孔隙特征总体趋向于大孔数量较多，介孔的孔洞偏大、数量适中、孔道较浅。适口性差的‘赤谷8号’‘赤谷6号’‘赤谷17号’和‘红苗压破车’DBJH平均值高于总体平均值，其余指标平均值均小于总体平均值，该组小米粥的小米淀粉孔隙特征总体趋向于孔洞较大、数量较少、孔道较浅。

表8 不同品种小米淀粉的孔隙结构特征Table 8 Pore structure characteristics of foxtail millet starch from different varieties

总体来看，孔数量多、孔隙分布均匀且孔道规则的小米淀粉其小米粥适口性较好。

2.8 小米淀粉组成及理化特性与感官评分的相关性

表9列出了小米淀粉组成和理化特性与小米粥综合评分及适口性相关评分的相关性，每种理化特性中都有指标与小米粥口感显著相关。本实验结果充分佐证了小米淀粉的组成及理化特性会对小米粥适口性起到决定性的作用。小米淀粉中直链淀粉含量、淀粉凝胶硬度以及R均与小米粥的各项适口性得分呈显著或极显著负相关（P＜0.05、P＜0.01），而淀粉凝胶的黏性、弹性、黏聚性、胶黏性、咀嚼性、回复性以及To、膨润力与小米粥的各项适口性指标均呈显著或极显著正相关（P＜0.05、P＜0.01）。

表9 小米淀粉组成及理化指标与小米粥适口性评分的相关性Table 9 Correlation between starch composition and physicochemical indexes of foxtail millet and sensory score for palatability of foxtail millet congee

2.9 小米淀粉颗粒结构与理化性质的相关性

小米淀粉颗粒结构特性与各项适口性评分均无显著相关性，小米淀粉颗粒结构与淀粉理化特性的相关性如表10所示。小米淀粉粒径分布与淀粉的热特性和水分结合能力有关。小米淀粉的小粒比例与Tc呈极显著负相关，与R呈负相关；中粒比例与Tc呈极显著正相关；大粒比例与小米淀粉的溶解度呈极显著正相关。而根据2.8节中小米淀粉理化特性与适口性评分的相关性，小米淀粉的热特性（Tc、R）及水分结合能力与小米粥的适口性显著相关，说明小米淀粉颗粒结构主要通过影响关键理化性质间接影响小米粥的适口性。结合表9可知，小米淀粉中粒比例越高，米粥黏性和弹性越差；而小粒比例越高，则米粥总体适口性评价越好。从水分结合能力来看，大颗粒淀粉占比越高，米粥的持水能力越好。

表10 小米淀粉颗粒结构与理化指标的相关性Table 10 Correlation between starch granule structure and physical and chemical indexes

2.10 小米粥适口性预测模型

为量化小米粥适口性与小米淀粉颗粒结构及理化特性之间的关系，将小米粥的综合评分作为因变量，将前述表中包含的25 个指标作为自变量进行逐步回归分析，逐步引入最显著自变量的同时剔除不显著的自变量[35]。经SPSS软件分析得到的线性回归方程，如式（3）所示。

表11 小米粥适口性的预测得分Table 11 Predicted scores for palatability of millet congee

3 结论

本实验初步探索了不同品种小米粥的适口性与小米淀粉组成、理化及颗粒结构特性的关系。结果表明，小米淀粉的直链淀粉含量与小米粥的适口性呈显著或极显著负相关；淀粉小粒比例多、极小粒比例少、介孔累积孔容大，则糊化终止温度更低、糊化更快，小米粥适口性好。小米淀粉的颗粒结构是通过影响小米淀粉理化特性间接影响小米蒸煮后的品质。另外，本研究构建了由小米淀粉的凝胶黏聚性、直链淀粉含量、极小粒比例、R以及SBJH组成的小米粥适口性预测模型（R2＝0.996）。预测得分与总分的相关系数达到0.998（P＜0.01），可为优化谷子加工品种的优选提供判断依据。