扬麦29 和苏裸麦2 号的淀粉特性比较

石 吕，石晓旭，薛亚光，韩 笑，魏亚凤，刘 建

（江苏沿江地区农业科学研究所/南通市循环农业重点实验室，江苏 如皋 226541）

稻麦两熟是长江中下游稻区主体熟制，基于稻麦种植模式中制约“丰产、高效、绿色”3 者协调的瓶颈，研究与关注的重点全部围绕“小麦- 水稻”模式来展开，农时季节相对固定，管理模式较为固化。元麦（又称裸大麦或青稞）在长三角地区与小麦、大麦并称为“三麦”，曾是江苏、上海等地的主要夏粮作物。元麦比小麦耐迟播且成熟早，一方面有效地避开抽穗扬花期多雨气候，生长中后期病虫害发生少，可显著减少农药施用；另一方面可实现水稻大田栽插（或播种）期前伸10 d 以上、收获期后延5 d以上，极大地丰富元麦茬水稻品种类型、种植方式，更好地挖掘水稻产量、稻米品质和种植效益3 者潜力，实现稻田资源高效利用和持续增效。因此，将元麦纳入稻田系统，构建“元麦- 水稻”模式，合理利用元麦、水稻生物学特性，实现茬口高效融合，能够规模化推进优质元麦生产，同时有利于优良食味水稻的有效产出[1]。

淀粉作为小麦和元麦籽粒的主要组成部分，分别占籽粒干质量的57%～67%[2]和60%～75%[3]。淀粉的含量及组成、粒度分布、热力学特性等与营养品质、加工品质和食用品质有着密切联系[4-6]，淀粉特性受基因、环境及两者互作效应的共同影响[7]。与小麦淀粉相比，青稞淀粉的透光率较大，凝沉作用强，冻融稳定性和溶解度较好，膨胀度较差，热稳定性和冷稳定性都较好[8]。青稞的总多酚（TPC）、总黄酮（TFC）和β- 葡聚糖含量较高，可通过添加青稞来改善面制食品的营养、品质和淀粉水解特性，显示出青稞作为健康补充剂的巨大潜力[9-10]。同时，青稞全麦馒头不仅具有独特的口感和香味，而且比小麦馒头具有更高的营养价值，尤其是其血糖生成指数（GI）低，可缓解餐后血糖指数的升高[11]。研究发现，青稞的适度替代（20%）可提高面团的不可提取蛋白百分比，优化面筋的微观结构，并通过增加面团的黏弹性改善其流变学特性[9]。

因此，本研究选用目前在江苏省大面积推广的丰产稳产性好、综合抗性较好、籽粒商品性好的元麦品种苏裸麦2 号[12]和长江中下游地区示范推广的春性红皮强筋小麦新品种扬麦29[13]为研究对象，从其淀粉理化性质、结构特性和表征形态入手开展相关基础研究，为沿江地区稻麦周年优质水稻茬口衔接下的麦类作物生产布局与淀粉品质开发利用提供新的思路与科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料与试验方法

扬麦29（小麦），2021 年11 月13 日播种，播种量15 kg/667 m2，秸秆旋耕还田等行距（22.5 cm）条播，小区面积2.9 m×9.9 m，2022 年5 月27 日收获。全生育期总纯氮用量为16 kg/667 m2，基肥、苗肥、拔节孕穗肥的质量比为5∶1∶4，N、P2O5、K2O 的质量比为1∶0.5∶0.5，磷、钾肥均作基肥一次性施用。苏裸麦2 号（元麦），2021 年11 月13 日播种，播种量8 kg/667 m2，宽窄行（30 cm+15 cm）洁茬条播，小区面积2.9 m×9.9 m，2022 年5 月14 日收获。全生育期总纯氮用量为12 kg/667 m2，基肥、苗肥、拔节孕穗肥的质量比为5∶3∶2，N、P2O5、K2O 的质量比为1∶0.5∶0.5，磷、钾肥均作基肥一次性施用。

1.2 取样与测定

1.2.1 取样。于扬麦29 和苏裸麦2 号成熟期称取适量籽粒用于淀粉特性分析（由三黍生物科技有限公司提供技术支持）。

1.2.2 淀粉含量测定。将称完质量的籽粒分别磨成粉末用于淀粉含量的测定和淀粉粒的提取。将籽粒粉末过100 目筛，采用双波长比色法测定直链淀粉和支链淀粉含量，淀粉含量为直链淀粉和支链淀粉含量之和。

1.2.3 淀粉提取。1）取约50 g 的籽粒，加入适量0.5%氢氧化钠，于4 ℃冰箱中放置24 h。2）打浆过100 目筛，清洗和收集滤液。3）3 500 g 离心5 min，弃上清液，加入无水乙醇，震荡10 min，离心，弃上清液。4）去离子水清洗2 次。5）加适量10%氯化钠溶液，于摇床震荡10 min，3 500 g 离心5 min，弃上清液。如有较多黄色沉淀需刮除。重复一次。6）将上述沉淀加入十二烷基硫酸钠- 洗涤液[62.5 mmol/L三羟甲基氨基甲烷盐酸盐，pH 值6.8；10 mmol/L 乙二胺四乙酸钠；4%十二烷基硫酸钠]15 mL，涡旋震荡分散悬浮后，放入摇床振荡10 min，之后离心，弃上清液，如有较多黄色沉淀需刮除，重复一次。7）去离子水清洗3 次，40 ℃烘干。8）将烘干后的淀粉研磨，过200 目筛。过筛后的淀粉（残渣也保存）存于恒温恒湿柜中，待用。

1.2.4 淀粉扫描电镜观察。取已提取好的淀粉，研磨分散，过100 目筛。称取样品100 mg 左右于2 mL旋口管中，加入1 mL 4%十二烷基硫酸钠- 洗涤液，涡旋混匀，10 000 r/min 离心1 min，弃上清液，重复2 次。加1 mL 去离子水，涡旋混匀，10 000 r/min 离心1 min，弃上清液，重复5 次。最终加入1 mL 无水乙醇，涡旋混匀。用200 μL 移液枪吸取少量制备好的淀粉悬浮液，滴在铜台的导电胶上，尽量铺匀，37 ℃放置过夜。以离子溅射仪（108Auto，Cresstington，UK）喷金后入镜（Merlin Compact，Zeiss，GER）观察淀粉颗粒。

1.2.5 淀粉粒度分析。采用马尔文激光粒度仪（Matersizer 3000，Malvern Panalytical，UK）进行湿法检测，配备Hydro LV 湿法分散器，采用无规则结构模型，以水为溶剂，遮光系数为1.33，淀粉遮光系数为1.5，遮光度范围为5%～8%。淀粉粒按粒径大小分为3 种类型：A 型淀粉粒，＞10 μm；B 型淀粉粒，3～10 μm；C 型淀粉粒，＜3 μm。

1.2.6 糊化特性（RVA）测定。将水分平衡后的样品取出，研钵研磨分散，过100 目样品筛。称取2～3 g样品，加入水分测定仪中，检测样品水分含量并记录。根据水分含量计算出黏度测定所需样本质量，准确称取样品（误差＜0.05 g），转移至铝筒中，加入25 g 去离子水，充分混匀，于快速黏度分析仪（RVA Super 4，Newport Scientific，AUS）中检测黏度。

1.2.7 淀粉热力学特性（DSC）测定。取已提取好的淀粉，研磨分散，过100 目样品筛，称取适量样品（2.5～3.1 mg）于样品盘中，加入适量的去离子水，4 ℃平衡24 h，用差示热值扫描仪（Q2000，TA Instruments，USA）分析，以10 ℃/min 的速度，由30 ℃升温至105 ℃，扫描热量变化，并使用Universal Analysis 软件进行数据分析。

1.2.8 淀粉X 射线衍射图谱。采用X 射线衍射仪（X'Pert Pro，Panalytical，NLD）从2θ角4°到60°扫描（步长0.02°，速度4°/min），获得样品的XRD 波谱数据，并使用MDI Jade 5.0 软件分析计算样品的结晶度、结晶形态、2θ衍射角特征参数。

1.2.9 支链淀粉链长（ICS） 分析。采用Thermo ICS5000 离子色谱系统（ICS5000+，Thermo Fisher Scientific，USA）和电化学检测器对支链淀粉链长进行分析检测。

1.3 统计分析

采用Excel 2003 和SPSS 16.0 统计软件分析数据，用Origin 2019b 作图。用最小显著差法（LSD 0.05）检验平均数。

2 结果与分析

2.1 淀粉含量

从表1 可以看出，苏裸麦2 号总淀粉和支链淀粉含量均显著低于扬麦29，2 者分别相差3.10、3.27百分点，其直支比却显著高于扬麦29，而直链淀粉含量两者间差异无统计学意义。

表1 扬麦29 和苏裸麦2 号的淀粉含量比较

2.2 淀粉粒形态特征

从图1 可以看出，两者B 型等淀粉粒（包括C 型淀粉粒）在数量上均明显多于A 型。A 型淀粉粒表面光滑，多呈圆球形、椭圆形和扁球形，且直径越大，形状越圆、越扁，其中扬麦29 的A 型淀粉粒表面有明显的“赤道槽”。B 型淀粉粒形状多样化，其边缘破损程度、不完整程度均较A 型高，其中苏裸麦2 号B 型淀粉粒的团聚现象更为明显。

图1 扬麦29 和苏裸麦2 号的淀粉扫描电镜图（SEM）

2.3 淀粉粒度分布特征及淀粉粒数量分布

由图2 可以看出，扬麦29 和苏裸麦2 号淀粉粒的数量和体积均呈微弱的双峰分布，两者淀粉粒数量主峰值对应粒径分别在1.65、1.45 μm 左右，双峰分界对应的粒径分别在6.72、5.21 μm 左右；两者淀粉粒体积主峰值对应粒径分别在18.7、16.4 μm 左右，峰分界对应的粒径均在5.21 μm 左右。两者表面积则均为明显的双峰分布，扬麦29 对应的峰值粒径分别在2.42、16.40 μm 左右，苏裸麦2 号对应的峰值粒径分别在1.88、14.50 μm 左右，两者双峰分界对应的粒径均在5.21 μm 左右。

图2 扬麦29 和苏裸麦2 号的淀粉粒数量（A）、体积（B）和表面积分布（C）

由表2 可知，2 份材料A型、B型和C型淀粉粒的数量、体积和表面积占比差异均具有统计学意义。扬麦29 和苏裸麦2 号的C 型淀粉粒数量占比分别为81.92%、93.16%，两者B 型淀粉粒数量占比相对较少，A 型淀粉粒数量占比最低，仅有2%～3%，这表明扬麦29 和苏裸麦2 号胚乳淀粉基本由C型淀粉粒组成。此外还可以看出，扬麦29 和苏裸麦2 号淀粉粒的总体积主要决定于A 型淀粉粒，2 份材料A 型淀粉粒表面积占比均超过50%；且2 份材料间C 型淀粉粒数量、体积和表面积占比大小趋势一致，均表现为苏裸麦2号＞扬麦29，而A型和B型淀粉粒趋势则与之相反。

表2 扬麦29 和苏裸麦2 号的淀粉粒数量、体积和表面积分布比例

2.4 扬麦29 和苏裸麦2 号的淀粉黏度（RVA）比较

从表3 和图3 中可以看出，苏裸麦2 号的峰值黏度、最低黏度、崩解值、峰值时间均显著高于扬麦29，最终黏度与回生值则表现相反趋势，并在回生值达到显著水平。与扬麦29 相比，苏裸麦2 号峰值黏度、最低黏度、崩解值、峰值时间分别高出55.41%、61.81%、37.00%、12.07%，最终黏度和回生值分别降低6.19%和63.45%。

图3 扬麦29（A）和苏裸麦2 号（B）的淀粉黏度峰图

表3 扬麦29 和苏裸麦2 号的淀粉RVA 谱特征值比较

2.5 扬麦29 和苏裸麦2 号的淀粉热力学特性（DSC）比较

从表4 中可以看出，两份材料的热力学参数之间的差异均无统计学意义，但总体呈现扬麦29 高于苏裸麦2 号的趋势，其中扬麦29 的ΔH、To、Tp 和Tc分别比苏裸麦2 号高出3.36%、1.23%、1.00%和0.76%，而糊化温度起止范围则表现为苏裸麦2 号较大。

表4 扬麦29 和苏裸麦2 号淀粉热力学参数比较

2.6 扬麦29 和苏裸麦2 号的淀粉晶体结构（XRO）比较

从图4 和表5 中可以看出，2 份材料淀粉在2θ角15°、17°、18°和23.5°处均有较强的衍射峰，在2θ角20°处有一弱峰，其中17°和18°为相连的双峰，为典型的A- 型晶体结构。其中苏裸麦2 号在2θ角15°、17°和23.5°的峰面积要高于扬麦29，且其结晶度比扬麦29 高出0.96 百分点。

图4 扬麦29 和苏裸麦2 号的淀粉X 射线衍射波谱

表5 扬麦29 和苏裸麦2 号的淀粉XRD 主要特征参数比较

2.7 扬麦29 和苏裸麦2 号的淀粉链长分布

利用聚合度（degree of polymerization）DP6-DP76 峰面积求得不同链长长度占比，再将2 份材料的相对峰面积占比作差，链长分布曲线如图5所示。结合图5 和表6 可以看出，扬麦29 的支链淀粉短链部分，即聚合度为6～12 所占的相对比率要高于苏裸麦2 号，聚合度为9 左右时这种差异达到最大；而长链部分即聚合度为13 以上所占的相对比率则要低于苏裸麦2 号。与扬麦29 相比，苏裸麦2 号的支链淀粉短链聚合度降低8.71%，中长链、长链、超长链和平均链长聚合度分别增加2.50%、8.65%、6.73%和2.82%。同时从图5可以看出，2 份材料支链淀粉链长ICS 受短链的影响程度相对较大。

图5 扬麦29 和苏裸麦2 号的支链淀粉链长分布差异

表6 扬麦29 和苏裸麦2 号的支链淀粉链长分布（ICS）

3 讨论与结论

粒径分布是不同粒径范围内的颗粒的个数占总颗粒数的比例，该指标影响淀粉的功能、用途以及产品性状。小麦淀粉颗粒按其直径大小一般分为A 型（＞10～40 μm）、B 型（1～10 μm）和C 型（＜1 μm），是一个三模型结构，通常将C 型归入B 型[14]。本研究按照赵佳蓉等方法[7]，根据不同粒径范围将小麦和元麦淀粉粒划分为A 型淀粉粒（粒径＞10 μm）、B 型淀粉粒（粒径3～10 μm）和C 型淀粉粒（粒径＜3 μm）。电镜扫描和粒度分布结果（将C 型归入B 型）表明，2 份材料的淀粉粒数量、体积呈微弱的双峰分布，表面积呈双峰分布，各自对应的双峰分界值分别在6.32、5.21、5.21 μm 左右。这与银永安等认为小麦胚乳淀粉粒的体积和表面积分布呈典型的双峰分布，数目分布呈单峰分布，而且体积与表面积都是以10 μm 为界限成双峰分布[15]存在一定的不同，可能与选用品种和淀粉提取分析方法等不同有关。同时，2 份材料淀粉粒度分布规律相似度较高，但不同粒径范围内的数量、体积或表面积均存在或多或少的差异，越小的颗粒占据越少的体积百分比和越大的数量百分比。胚乳淀粉基本均由C 型淀粉粒组成，其中苏裸麦2 号C 型淀粉粒数量占比较扬麦29高出11.24 百分点，而A 型和B 型淀粉粒数量占比表现为扬麦29 更高；淀粉粒总体积则主要决定于A型淀粉粒，A 型淀粉粒表面积占比超过50%。可见，苏裸麦2 号的淀粉粒大小及形状分布相比扬麦29要稍微均匀，这与郑学玲等研究结果[16]基本一致，且苏裸麦2 号B 型淀粉的团聚[17]现象也更为明显。此外，本研究中A 型淀粉粒数目、体积、表面积分布大小与支链淀粉、总淀粉含量趋势一致，呈正相关关系[18]，均表现为扬麦29 高于苏裸麦2 号。

淀粉RVA 谱特征参数可以反映淀粉的糊化特性，是评价小麦面条加工品质的重要指标[19]。一般而言，直链淀粉含量高的淀粉峰值黏度低；衰减值大，淀粉的热糊稳定性差；回生值大，淀粉的冷糊稳定性差，易老化[20]。ΔH是表征晶体结构被破坏（糊化）所需的热焓值，ΔH低，说明糊化相同质量的淀粉，需要的热量少，淀粉越易糊化[17,21]。有研究发现，与小麦淀粉相比，青稞淀粉成糊温度和峰值黏度低，衰减值和回生值大[16]。本研究表明，苏裸麦2 号的糊化起始温度、峰值温度、终止温度和ΔH均低于扬麦29（未达显著水平），而峰值黏度和崩解值显著高于扬麦29，回生值则显著低于扬麦29，说明苏裸麦2号淀粉相对更易糊化，但淀粉的热糊稳定性差，而淀粉的冷糊稳定性好、不易老化。这与前人研究结果[16,20]并不完全一致，可能与试验区域（纬度、海拔、气象因子等）、栽培措施等因素有关[22]。淀粉粒的晶体结构差异主要表现在X 射线衍射图谱不同峰位的相对强度上，淀粉结晶区的晶胞结构或微晶排列在品种间有差别。本研究中，苏裸麦2 号支链淀粉和总淀粉含量显著低于扬麦29，结晶度却明显高于扬麦29，再次证实了前人部分研究结果[23-24]，结晶度与支链淀粉和总淀粉含量呈负相关。不同之处可能是直链/支链淀粉比例、淀粉链长分布、双螺旋方向、螺旋结构内部淀粉分子间的交互作用等差异造成[25]，这还需做进一步研究。

Jane 等进一步研究表明，直链淀粉含量和支链淀粉分支链长分配是影响淀粉糊化特征的主要因子[26-27]。张淑梅等研究发现，支链淀粉含长链的比率和直链淀粉含量越高，淀粉粒不易充分糊化，最高黏度和崩解值将降低，影响米饭的食味；相反，支链淀粉中短链部分含量高，利于淀粉粒的糊化，从而形成高的最高黏度和崩解值，使米饭的食味性好[28]。本研究发现，苏裸麦2 号的支链淀粉短链部分，即聚合度为6～12 所占的相对比率要低于扬麦29，聚合度为9 左右时这种差异达到最大；而长链部分即聚合度为13 以上所占的相对比率则要高于苏裸麦2 号，支链淀粉链长ICS 受短链的影响程度相对较大。

小麦淀粉糊化特性可影响面食的组织结构和爽滑性[29]，直接决定面条、馒头等加工品质[30]。研究认为，小麦淀粉的蒸煮食用品质及面条的评价值和滑爽性等主要与高峰黏度与崩解值有关，相互间呈极显著正相关关系[31-32]。前人众多研究是将A、B 型淀粉粒单独分离提取之后，再进行淀粉理化性质、面团流变学特性、面条感官品质、质构特性和蒸煮品质等的研究[15,33-36]。同时前人针对青稞全粉与小麦粉复配体系品质特性开展了初步研究，建立了快速筛选青稞小麦粉混合体系相关品质的方法，为提高青稞面条的物理特性及相关健康营养面条的研制提供理论依据和参考[37-38]。可见，淀粉的理化特性不仅与颗粒大小有关，也与淀粉的来源，即与不同作物品种所提取的淀粉样品有关。相关研究结果的适用范围和一些淀粉品质参数的确定还需进一步反复验证，接下来将对2 种材料A 型和B 型淀粉颗粒的分子量、直链淀粉的精细结构及淀粉复配等方面进行深入研究，以进一步认清不同类型淀粉颗粒的理化特性、面团流变学特性和面条品质变化，为元麦及元麦淀粉的开发利用提供理论基础。

综上表明，本试验籽粒的淀粉粒形态大小在小麦和元麦2 份材料间存在一定差异。2 份材料的B型淀粉在数量上均明显多于A 型，粉粒的数量和体积呈微弱的双峰分布，表面积为双峰分布，胚乳淀粉基本由C 型淀粉粒组成，总体积主要决定于A 型淀粉粒。其中苏裸麦2 号C 型淀粉粒数量、体积、表面积占比以及峰值黏度、最低黏度、崩解值、峰值时间和结晶度均大于或高于扬麦29，而热力学参数、热焓值和总淀粉、支链淀粉含量总体呈现低于扬麦29 的趋势。同时，苏裸麦2 号的支链淀粉短链部分，即聚合度为6～12 所占的相对比率要低于扬麦29，且聚合度为9 左右时这种差异达到最大。