糜子淀粉结构及理化特性研究进展

李梦琴, 田争争, 田潇凌, 常逍柯, 林顺顺

(河南农业大学食品科学技术学院,河南 郑州 450002)

糜子(PanicummiliaceumL.)是世界上最古老的谷类作物之一,属禾本科黍属[1]。糜子有粳糯之分,根据中国传统的称谓,粳性糜子可称为稷,糯性糜子可称为黍[2]。糜子是一种营养丰富的食物,富含蛋白质和矿物质(如钙和铁),且不含麸质,适合乳糜泻患者食用[3]。此外,糜子的升糖指数较低,有助于控制血糖、血脂等[4];糜子还含有丰富的β-胡萝卜素、叶酸和烟酸等物质[5],具有很大的营养潜力,在健康食品的市场上备受关注。

糜子的主要成分是淀粉,约占籽粒干质量的58.59%～77.87%[6],由线性的直链淀粉和高度支化的支链淀粉组成[7],对糜子制品的品质有决定性影响。粳性糜子的直链淀粉含量为4.5%～12.7%[8],质地较硬且有韧性,适用于煮饭或熬粥[9],糯性糜子的直链淀粉含量小于3.7%,质地较软糯,适用于制作年糕、汤圆、粽子等传统小吃[10]。以往研究表明,淀粉的组成直接影响淀粉的理化特性,随着研究的深入,发现淀粉的多尺度结构对淀粉的理化特性有极大的影响,越来越多的学者开始关注淀粉的多尺度结构与理化特性的关系[11-12]。

淀粉的多尺度结构复杂,包括淀粉的颗粒结构、层状结构、晶体结构、分子结构,在加工过程中淀粉分子分解并重新组装,其多尺度结构的改变对淀粉的理化特性有显著的影响[13]。了解糜子淀粉的多尺度结构有助于理解淀粉的内部组成,以及分子键的相互作用,可以解释淀粉的物理性质和化学性质,如淀粉的糊化特性、热焓特性、流变特性和消化特性等,对于理解淀粉的食品加工特性非常重要,如黏性、流动性、稳定性等[14]。了解糜子淀粉的多尺度结构,有助于探究影响淀粉理化特性的分子结构基础,以及不同品种糜子在食品加工中的适宜性,可以为糜子制品的开发提供重要支撑,促进糜子在食品行业中的创新和发展。

1 糜子淀粉的多尺度结构

1.1 糜子淀粉的颗粒形貌

糜子的淀粉颗粒填充在糜子的胚乳部分[15]。在糜子的角质胚乳中,淀粉颗粒被大量近似球形的蛋白质包围,形成紧密的结构;在糜子的粉质胚乳中,蛋白质的数量减少且更接近于球形,分散在淀粉颗粒之间(图1-A～B)[16]。糜子淀粉颗粒的粒径范围为2.86～12.02 μm,属于小型颗粒,淀粉颗粒大小会对淀粉的糊化特性、流变特性以及对酶的敏感性等产生影响[17]。通过扫描电镜观察粳性糜子和糯性糜子的籽粒,其淀粉颗粒形态无明显差别,且表面黏附了蛋白质等其他成分,然而粳性糜子的淀粉颗粒略大于糯性糜子(图1-C～D)。

A、B:粳性糜子淀粉、糯性糜子淀粉的扫描电子显微镜图片;C、D:糜子角质胚乳和粉质胚乳(碱性品红染色)的激光扫描共聚焦显微镜图片,放大倍数为×40。

用碱提取法提取的糜子淀粉,其淀粉颗粒的表面有凹陷和从外部向淀粉颗粒内部延伸的孔隙[18]。这些凹陷是由于蛋白质或小淀粉颗粒的挤压,或是在提取过程中碱液对糜子淀粉颗粒的侵蚀导致[19];而糜子淀粉颗粒表面孔隙则是淀粉的天然特征,与分离、制备和观察技术无关[20]。这些孔隙能够将淀粉颗粒的中心腔与外部环境连接,并且提高淀粉颗粒对酶的敏感性[21]。张丽珍等[18]观察到粳性糜子淀粉颗粒表面可见的凹陷和孔隙要多于糯性糜子淀粉,然而相较于糯性糜子,粳性糜子的淀粉消化速率更慢,这表明除淀粉的颗粒形貌外,淀粉的消化特性还受到淀粉的组成、分子结构,以及与其他组分的相互作用等因素的影响。糜子淀粉的颗粒形貌主要受到基因型和种植地区环境的影响,如播期、气候、土壤等,且环境的影响大于基因型的影响[22]。

1.2 糜子淀粉的分子结构

淀粉的分子结构常用相对分子质量、链长分布表征[23]。粳性糜子淀粉的相对分子质量为2.4×107,糯性糜子淀粉的相对分子质量为17.0×107,粳性糜子和糯性糜子淀粉分支度分别为2.8%、4.2%[6],相较于粳性糜子淀粉,糯性糜子淀粉的分子较大且分支较多。

淀粉链长分布通常采用聚合度(degree of polymerization,DP)来描述[24]。支链淀粉的分子结构由A链、B链和C链构成,C链在每个支链淀粉分子中只有一条,其一端为非还原端,另一端为还原端,是支链淀粉分子的主链[25]。支链淀粉根据链段的长度以及跨越簇的数量又可以分为A链(DP 6～24)、B1链(DP 13～24)、B2链(DP 25～36)和B3链(DP>36)[26]。粳性糜子和糯性糜子的支链淀粉平均链长分别为20.1%、19.2%,相较于粳性糜子淀粉,糯性糜子淀粉A链和B1链的相对比例较高,B2、B3链的相对比例较低[6]。

研究表明,淀粉可以吸附或包埋食品的风味分子,对食品风味分子释放具有调节作用,直链淀粉含量高的淀粉可以复合更多的风味分子[27],合适的链长有助于提高复合物的稳定性,提高风味物质的保留效果,太长的直链淀粉链(DP>60)在与风味分子相互作用中容易发生错位或交叉连接,使复合物结构紊乱,从而导致晶体结构的缺陷,而直链淀粉链太短(DP<20),则不利于复合物的形成[28]。除此之外,直链淀粉与脂质等大分子物质通过疏水相互作用、氢键等形成复合物,使淀粉内部结构均匀紧密,淀粉颗粒具有韧性和弹性[29],支链淀粉也能与脂质发生一定程度的相互作用,但由于支链淀粉的高分支度及侧链间的空间位阻,其与脂质的相互作用远不如直链淀粉[30],因此用粳性糜子制作的糜子饭质地较硬,更耐咀嚼[31],而支链淀粉间的氢键可以储存更多的水分[32],使淀粉颗粒具有更好的保水性和膨胀力,制品较为软糯[31],因此用糯性糜子制作的粥软烂黏稠,适口性更好[33]。

1.3 糜子淀粉的结晶特性

淀粉的微晶结构常用X-射线衍射(X-ray diffraction,XRD)表征[34]。淀粉的微晶结构由支链淀粉的侧链相互缠结成双螺旋的形式堆叠构成[35],糜子淀粉的X-射线衍射图谱在2θ角为15°、17°、18°、23°左右均出现强衍射峰,微晶结构为A-型[36],糜子淀粉的相对结晶度为42.05%～48.36%,粳性糜子淀粉的相对结晶度略大于糯性糜子淀粉[37]。研究表明,长链支链淀粉比短链支链淀粉更易形成稳定的晶体结构[38],在粳性糜子淀粉中,支链淀粉B2和B3链的相对比例较高,导致粳性糜子淀粉的相对结晶度更高,并且在加热条件下更稳定。

研究表明,向蛋糕中添加75%经湿热处理的糜子粉,可以使蛋糕的气孔体积增大,分布更加均匀,增大蛋糕的体积并降低其硬度[39],糜子淀粉经湿热处理后,相对结晶度会增加,湿热处理会破坏淀粉颗粒中不稳定的结构,重新排列为高度有序的双螺旋结构[36],使淀粉的晶体结构更稳定。在高温焙烤糯米粉的过程中,除了部分支链淀粉的支链重新结合外,淀粉分子还会与蛋白质、脂类等非淀粉成分发生一定程度的结合,形成V型复合物,在X-射线衍射图谱中,观察到2θ角为21°附近会出现强衍射峰[40],增加了淀粉的相对结晶度,使淀粉更难糊化。然而,现阶段对于糜子淀粉在不同加工处理过程中结晶特性变化的研究相对不足,需要进一步探究膨化、发酵、微波等加工方式,对糜子淀粉结晶特性的影响。

2 糜子淀粉的理化特性

2.1 糜子淀粉的糊化特性

淀粉的糊化特性通常采用快速黏度测定仪测定[37]。相对于糯性糜子淀粉,粳性糜子淀粉具有更高的峰值黏度、衰减值、回升值和糊化温度等(图2),粳性糜子淀粉颗粒对吸水膨胀和破裂的抵抗性高,不易糊化,但易回升,可以形成牢固的淀粉三维凝胶网络结构[41],而糯性糜子淀粉则具有黏度大,热稳定性差,抗老化能力强等特点[42],因此粳性糜子淀粉具有更好的持水性和弹性,糯性糜子淀粉具有更强的渗透性和黏性。

图2 粳糯糜子的黏度曲线

研究表明,淀粉的糊化温度与直链淀粉含量和B1链比例呈极显著正相关,与支链淀粉A链比例呈负相关,糜子淀粉的回升值与B2、B3链比例呈极显著负相关[32]。支链淀粉的短分支不能跨越整个结晶片层形成双螺旋结构,使淀粉晶体结构不稳定,降低了淀粉的糊化温度。相反,较长的支链淀粉侧链可在结晶片层内形成双螺旋结构[43],使淀粉不易糊化,并且较长的链之间会相互作用,从而增加淀粉颗粒的韧性和弹性[31],因此粳性糜子煮的饭更耐咀嚼。

糜子淀粉的糊化特性也受淀粉颗粒大小的影响,大颗粒分子键较少,使淀粉颗粒更快地吸水膨胀[17]。糜子粉经高温烘焙后,淀粉颗粒会发生分解,由大分子变为小分子,从而抑制淀粉颗粒的膨胀,直链淀粉也不易浸出,导致淀粉糊化的峰值黏度和最终黏度都明显降低,且糊化稳定性更高[40]。

发酵也会影响糜子淀粉的糊化特性。糜子粉与水充分混合,在室温下自然发酵,经干燥后提取淀粉,比非发酵的糜子淀粉具有更高的衰减值和回升值[44],表明发酵的糜子淀粉具有更高的热糊稳定性和抗崩解能力[45]。但其更高的回升值则表明,糜子淀粉经发酵后容易老化,使糜子制品的口感变硬,风味变差,品质下降,从而影响其储藏质量。因此糜子馒头、糜子面包等容易变硬,储存时间短。而非淀粉组分如蛋白质、脂质、糖等都可以与淀粉的单螺旋结构络合形成复合物,使淀粉难以糊化、膨胀和吸水,在食品加工中可用于控制面团或糊状食品的黏度和流变性质。非淀粉组分还可以抑制淀粉分子链的重排,从而抑制淀粉的回升[46],保持产品的口感、质地和稳定性。TOMIC等[47]研究发现,向糜子粉中添加乳清蛋白,由于乳清蛋白的发泡性能,使面团在形成过程中,具有更多的气泡和较低的黏度,使糜子面包的硬度降低,体积增大,而向糜子粉中添加豌豆蛋白,可以使淀粉结合更多的水,降低面包在储藏期间淀粉的重结晶速率,延缓糜子面包的老化。

2.2 糜子淀粉的热焓特性

淀粉的热焓特性是指,在水中,淀粉在高温下发生不可逆相变的过程,通常采用差示扫描量热仪(differential scanning calorimetry,DSC)测定,反映淀粉在糊化吸热过程中的热力学变化[42]。不同品种糜子淀粉的DSC特征参数不同,糯性糜子淀粉的开始糊化温度(T0)和峰值糊化温度(Tp)高于粳性糜子淀粉,终止糊化温度(Tc)和糊化焓(ΔH)低于粳性糜子淀粉[37]。ΔH表示分子间键断裂所需的热量,反映了淀粉糊化的难度[15],表明粳性糜子淀粉糊化需要更多的热量,因此粳性糜子饭在蒸煮时需要更多的水分与时间。此外,粳性糜子淀粉的熔融温度范围(Tc～T0)更宽,这也表明粳性糜子淀粉的晶体结构更稳定。

研究表明,太短的支链淀粉侧链不利于双螺旋和晶体结构的形成。因此糯性糜子淀粉的Tp和ΔH呈正相关,与支链淀粉A链和B1链的比例呈显著负相关[48],糜子的直链淀粉含量与ΔH呈负相关[49]。然而,粳性糜子淀粉的ΔH高于糯性糜子,CHAO等[50]研究推测,在决定淀粉的DSC性质时,支链淀粉短链含量比直链淀粉含量有更重要的作用。

发酵会影响淀粉的热焓特性,在发酵前12 h,发酵产生的乳酸和β-淀粉酶、微生物(细菌、酵母和霉菌)和有机酸的水解作用,会逐渐破坏淀粉颗粒的无定形区,使糜子淀粉的相对结晶度增加,从而需要更高的温度破坏淀粉分子的结晶区,延缓了糜子淀粉的糊化速率,使糜子淀粉的Tc、ΔH和熔融温度范围升高。随着发酵时间的延长,糜子淀粉的支链淀粉长链降解为短直链淀粉和短支链淀粉,使B2、B3链相对比例下降,而A链和B1链相对比例上升,降低了糜子淀粉的相对结晶度[44]。此外,直链淀粉之间或直链淀粉与支链淀粉之间相互作用的增强、直链淀粉与脂质复合物的形成等,都会提高淀粉的ΔH。

2.3 糜子淀粉的流变特性

淀粉的流变特性与淀粉的糊化、回升过程密切相关,通常采用动态流变仪测定,用储能模量(G′)、损耗模量(G″)和损失因子(tanδ=G″/G′)表征[51]。G′表示淀粉的弹性,通过测定剪切过程中储存在淀粉中的应力获得;G″表示淀粉的黏度,对应于剪切过程中样品消耗和损耗的形变能量(不可逆);损失因子是两个模量的比值,决定了淀粉的物理状态[52]。粳性糜子淀粉的G′和G″高于糯性糜子淀粉,tanδ低于糯性糜子淀粉[53]。在淀粉糊化过程中,支链淀粉氢键的断裂会导致淀粉颗粒结构的不稳定,而直链淀粉在限制淀粉颗粒膨胀、强化淀粉凝胶网络结构等方面起着重要作用[54]。粳性糜子淀粉含有较高的直链淀粉,直链淀粉分子可以相互缠结或与支链淀粉分子交联,形成较为牢固的三维网络凝胶结构,而糯性糜子淀粉的黏性和可流动性更强。

淀粉凝胶在静置或低剪切速率下会对流动产生很强的黏性阻力,在高速剪切力的作用下,直链淀粉会逐渐解开、伸展,最终断裂,使淀粉凝胶的黏度降低,这表现为剪切稀化[55]。粳性糜子淀粉具有牢固的凝胶结构,抗剪切力强,然而一旦其凝胶结构受到剪切力的破坏,就难以恢复到之前的状态。粳性糜子淀粉的剪切稀化程度高于糯性糜子淀粉[53],在酸奶等食品中可用作增稠剂。此外,高直链淀粉在100 ℃下的溶胀能力有限,相对于支链淀粉比例较高的淀粉,凝胶化程度较低[54]。因此,降低糜子在加工中的温度,可以保留更多形态相对完整的淀粉颗粒,降低淀粉的消化率。

2.4 糜子淀粉的消化特性

淀粉消化是一个重要的代谢过程,对淀粉在肠道中的消化程度、最终的血糖水平有关键影响。直链淀粉与支链淀粉相互缠结,可以使淀粉颗粒表面更加光滑且具有刚性,从而阻碍酶的扩散和吸收[56]。因此,与糯性糜子淀粉相比,粳性糜子淀粉的快速消化淀粉(rapidly digestible starch,RDS)(基于20 min内消化的淀粉)和慢速消化淀粉(slowly digestible starch,SDS)(在20和120 min之间消化的淀粉)含量较低,而抗性淀粉(resistant starch,RS)(120 min后未消化的淀粉)含量较高[18]。除淀粉的组成外,直链淀粉和支链淀粉的精细结构、短程有序结构、螺旋结构、结晶特征和层状结构等,都是影响淀粉与酶结合和催化的因素。研究表明,直链淀粉短链含量与RS含量呈正相关[57]。对支链淀粉分子而言,支链淀粉长链间氢键相互作用,可以使淀粉的晶体结构更稳定,从而提高对淀粉酶消化的抵抗力[58]。粳性糜子淀粉具有较高比例的长链(B2和B3链)和较低比例的短A链,因此粳性糜子淀粉更不易消化。

糜子淀粉的消化特性会受到自身组分的影响,脂质、蛋白质可以在淀粉和淀粉酶之间形成物理屏障,延缓淀粉降解的速率,蛋白质还可以与淀粉竞争性结合α-淀粉酶,从而延缓淀粉的消化[59],但脂肪对糜子淀粉消化速率的影响比蛋白质更显著[60]。支链淀粉的长链与蛋白、脂质相互作用形成复合物,抑制了淀粉的膨胀,因此淀粉中SDS含量与支链淀粉长链的含量呈正相关[61]。同时,支链淀粉A/B链比例越小,越能促进RS的形成,进而抑制淀粉的消化速率。然而,较大的支链淀粉A/B链比例也可以通过其固有的高分子密度抑制消化速率,并在老化过程中形成更多的分子间和分子内氢键,从而降低淀粉的消化率[62]。在回升和消化过程中,直链淀粉从淀粉颗粒中浸出,重新组装成有序结构,具有较高直链淀粉含量的粳性糜子淀粉,在回升过程中会形成稳定的双螺旋结构和微晶凝胶网络[63]。因此粳性糜子制品具有更高的抗消化特性,但容易回升。炒米由糜子经浸泡、蒸煮、高温烘烤等加工工艺制成[64]。糜子经过烘烤处理后,部分中长链直链淀粉解聚为短链,短链直链淀粉通过形成新的糖苷键再聚合,使淀粉颗粒紧密堆积,阻断了酶的接近与水解途径,降低消化速率[65]。因此,炒米饱腹感强,是蒙古族草原牧民的传统主食,将糜子开发为低热量、低升糖指数的炒米、饼干等食品,也可满足特定人群(如糖尿病患者)的饮食需求。

3 存在问题及展望

目前,对糜子淀粉的研究主要集中在理化特性方面,对于糜子淀粉多尺度结构的研究起步较晚,没有大量的实验数据支持,使糜子淀粉多尺度结构模型的构架还不完善,糜子淀粉结构和性质之间关系也尚不明确。同时,糜子种植环境和遗传背景等的不同,都可能影响其淀粉的结构和性质,由于影响因素复杂,且目前对糜子淀粉研究投入的人力、物力不足,使不同品种糜子淀粉间多尺度结构和理化特性缺乏系统的比较。此外,相较于玉米、稻米、燕麦等常见谷物,糜子的市场需求较少,使不同品种糜子在食品应用方面的研究也较为有限。糜子淀粉的多尺度结构对其理化特性和最终产品的质量具有决定性影响[66]。未来可通过使用X-射线衍射、红外光谱、核磁共振等技术手段,进一步探索不同基因型糜子淀粉中直链淀粉和支链淀粉分子结构的差异,并深入研究糜子支链淀粉的内部链结构和簇结构,以更好地了解如何通过调整糜子淀粉的结构和性质来改善其应用效果;还需要通过分子动力学模拟等手段揭示糜子中常见内源性物质(如酚类、蛋白质、纤维等)与淀粉分子相互作用的机制,以及对消化特性的影响,建立糜子淀粉的多尺度结构与消化特性之间的联系,并探索糜子淀粉形成SDS和RS的分子结构基础。此外,还要探究化学、物理、酶及组合改性对天然糜子淀粉的影响,从而为糜子食品的研发和生产提供更加科学的依据。这对于开发口感良好、品质优秀的糜子制品,以及促进全谷物产业的发展和提高人们的健康水平具有重要的意义。