田新惠，唐玉明，任道群，姚萬春，劉茂柯，張星宇，劉穎，鐘葵

1(四川省農業(yè)科學院 水稻高粱研究所,生物中心，四川 德陽，6180002(瀘州市釀酒科學研究所，四川 瀘州，646100) 3(中國農業(yè)科學院 農產品加工研究所，北京，100089)

南北方釀酒高粱淀粉理化特性比較

田新惠1，2*，唐玉明1，2，任道群1，2，姚萬春1，2，劉茂柯1，2，張星宇1，2，劉穎1，2，鐘葵3*

1(四川省農業(yè)科學院 水稻高粱研究所,生物中心，四川 德陽，6180002(瀘州市釀酒科學研究所，四川 瀘州，646100) 3(中國農業(yè)科學院 農產品加工研究所，北京，100089)

為明確釀酒高粱淀粉理化特性，以6種釀酒高粱為研究對象，比較其淀粉溶解度、膨脹率、凍融穩(wěn)定性，用環(huán)境掃描電鏡分析高粱籽粒內部胚乳粉質區(qū)結構，布拉本德黏度儀測定淀粉的糊化特性，差示量熱掃描儀測定熱力學特性。結果表明：高粱籽粒內部淀粉顆粒為橢圓球形，不同高粱淀粉顆粒間致密結構差異顯著。淀粉溶解度為0.45%～3.5%，膨脹率2.1%～14.5 g/g，凍融穩(wěn)定性2.5%～24.5%；同北方高粱相比，南方高粱峰值黏度高、崩解值高、回生老化程度低，品種間差異顯著(P<0.05)，糊化溫度低、起始溫度低、凝膠形成能力強。

釀酒高粱；淀粉；理化性質

高粱是一種重要的雜糧作物，是世界五大作物之一[1]。主要用于釀酒、釀醋、制糖及飼料。此外，高粱還是食品配料、淀粉生產、工業(yè)酒精與生物物質產品的重要原料[2]。

高粱是白酒的主要釀造原料，俗話說“好酒離不開紅糧”，說明原料對釀酒品質的重要性。白酒發(fā)酵與谷物淀粉特性有很大關系。淀粉是高粱籽粒中最主要的碳水化合物，含量在63.5%～81.0%之間。在發(fā)酵工業(yè)中，淀粉是酒類發(fā)酵糖原的重要來源，淀粉的理化特性與發(fā)酵產物的品質直接相關。

目前，以淀粉為原料的大型工業(yè)多集中在玉米、大米、馬鈴薯，對于高粱淀粉應用還未得到充分的關注與利用，在發(fā)酵領域的研究更加稀少。目前還未明確，關于不同種類的高粱理化特性的指標，研究高粱淀粉的理化特性的報道不是很多。對于釀酒高粱的研究，也僅限于優(yōu)良品種的培育，對于釀造原料的高粱特性研究很少。

因此，本研究以我國生產上常用的6種釀酒高粱為研究對象，對釀酒高粱淀粉的理化性質進行分析。通過對高粱淀粉特性的研究，對高粱品質進行深入理解，為篩選優(yōu)質專用釀造品種提供理論依據，并可對遺傳育種提供指導作用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 實驗材料

選取生產上大面積推廣應用的釀酒高粱品種6種，南方高粱：青殼洋、瀘糯8號、國窖紅；北方高梁：遼寧高粱、山西高粱、內蒙古高粱，均為2015年收獲的新高粱(見表1)。

表1 試驗用釀酒高粱品種

采用超聲波結合濕磨法[3-4]提取高粱淀粉，稍作改動。稱取50 g顆粒飽滿的高粱籽粒，浸泡500 mL水中，超聲波10 min后，55°水浴 4 h，之后用研缽研磨，3層紗布過濾，將濾液自然靜置2 h，得到的淀粉沉淀用石油醚進行脫脂，1% NaCl水洗3次，0.025 mol/L NaOH洗脫3次，然后用蒸餾水沖洗3次，至pH為中性，最后沉淀于40 ℃下烘干過100目篩即得高粱淀粉。

1.1.2 試劑與設備

集熱式恒溫加熱器(DF-101S),鞏義予華儀器公司；布拉本德黏度儀(Brabender), Micro Visco-amylo-graph, Germany；差示掃描量熱儀(DSC-Q200)，美國TA儀器公司；電子環(huán)境掃描分析儀(Planta FEI Q450)，乙醇等試劑均采用國產試劑。

1.2 高粱籽粒微觀形態(tài)

利用掃描電鏡對高粱籽粒進行觀察，將顆粒飽滿的高粱籽粒從臍縫中一切為二，用鑷子將顆粒固定在載物臺上，進行觀測。放大3 000倍，觀察高粱籽粒內部顆粒微觀形態(tài)。

1.3 高粱淀粉溶解度和膨脹率分析

分別準確稱取淀粉樣品0.2 g，加入已知質量的的試管中，加5 mL純凈水，25 ℃平衡10 min，分別放置30、50、70、90 ℃水浴中，攪拌30 min取出，至常溫，5 000 r/min 離心10 min；分別將上清液倒入鋁盒，105 ℃烘干稱重：上清液烘干至恒重，沉淀物質質量，分別計算出不同溫度時的溶解度和膨脹率值。

1.4 淀粉糊凍融穩(wěn)定性分析

將濃度3%的淀粉乳置于沸水浴中加熱糊化并保溫15 min，保持淀粉糊的體積不變，冷卻至室溫，置于冰箱中冷凍，24 h后取出，自然解凍，4 000 r/min離心20 min稱取沉淀物質量，計算析水率。

1.5 高粱籽粒淀粉黏度分析

利用布拉本德快速黏度分析儀對淀粉進行黏度分析，按照儀器的參數設定，配置質量分數為8%淀粉乳，在設定參數下進行分析。結果由配套軟件分析起始溫度、峰值黏度、谷值黏度、破損值、最終黏度、回生值和峰值時間。

1.6 高粱籽粒淀粉的熱特性

采用差式量熱掃描儀(differential scanning calorimeter, DSC)進行測定，套用軟件進行數據分析。稱取3 mg高粱淀粉，加10 μL超純水，放置4 h進行平衡，放入DSC中進行測定，掃描溫度范圍為30～100 ℃，掃描速率為10 ℃/min，以密封空鋁盒為參照。對高粱淀粉糊化的起始溫度(T0) ，糊化完全時的相變峰值溫度(Tp) ，糊化完全時的相變終止溫度(Tc)，糊化過程吸收的熱量(ΔH)參數進行測定比較。

1.7 數據統(tǒng)計與分析

各組試驗數據均為3次重復的平行樣品值，數據采用Excel2007, origin16.0進行統(tǒng)計分析作圖，顯著性差異檢驗采用最小顯著差異(P<0.05)

2 結果與分析

2.1 高粱籽粒微觀形態(tài)

淀粉顆粒的狀態(tài)決定淀粉的性質，籽粒內部結構對淀粉的性質及其應用有很大影響[5]。圖1顯示：北方高粱內部淀粉顆粒以橢圓形為主，顆粒間緊湊，其中山西高粱內部淀粉顆粒較大，表面有白色凹槽，淀粉顆粒間有凝膠物質存在。遼寧高粱與內蒙高粱籽粒內部淀粉顆粒表面光滑，大小相對一致。圖2顯示：南方高粱籽粒內部淀粉顆粒表面圓滑，淀粉顆粒間松散，孔隙明顯，大小不一，與蛋白、單寧類物質結合緊密。

圖1 北方高粱籽粒微觀形態(tài)(內部粉質淀粉胚乳結構)Fig.1 The microstructure of north sorghum grain(The internal structure of endosperm starch powder)

圖2 南方高梁籽粒微觀形態(tài)(內部粉質淀粉胚乳結構)Fig.2 The microstructure of south sorghum grain(The internal structure of endosperm starch powder)

2.2 高粱淀粉的溶解度與膨脹率

不同溫度下高粱淀粉的溶解度如圖3所示。6種高粱淀粉的溶解度具相似的變化趨勢，隨著溫度的升高而增加。在低溫下(30、50 ℃)，6種高粱溶解度變化不大，均小于0.6%；溫度達到70 ℃時，溶解度顯著升高；在90 ℃時，均達到最高溶解度，南方高粱的溶解度約為0.8%～2.5%，低于北方高粱的溶解度2.5%～3.5 %。

圖3 釀酒高粱淀粉糊溶解度Fig.3 Brewing sorghum starch solubility

不同溫度下高粱淀粉的膨脹率如圖4所示，高粱淀粉的膨脹率隨著溫度的升高而增加，增長趨勢差異顯著，淀粉膨脹率在0～50 ℃之間無差異，約為2.0 g/g左右；高粱淀粉的膨脹率在70～90 ℃迅速增加，90 ℃最高，品種間淀粉膨脹率達10.0～15.5 g/g。

圖4 釀酒高粱淀粉膨脹率Fig.4 Brewing sorghum starch expansion rate

2.3 高粱淀粉的凍融穩(wěn)定性

淀粉凍融穩(wěn)定性可以用析水率來反映，析水率低則凍融穩(wěn)定性好，反之則差。這與淀粉持水能力抗冷凍能力相關。由圖5可知，凍融次數越少，淀粉析水率則越低，反之，隨著凍融循環(huán)周期的增加，淀粉糊的析水率以近直線的趨勢升高。在5個周期內青殼洋高粱淀粉糊的析水率一直為最低。在前3次循環(huán)中，山西高粱析水率均高于其他品種，在第4次，第5次循環(huán)中內蒙與遼寧高粱析水率增加顯著達到最高值，析水率分別達到22.2%和23.9% 。南方高粱析水率均低于北方高梁。

圖5 釀酒高粱淀粉析水率Fig.5 Brewing sorghum starch separated water rate

2.4 高粱淀粉的黏度分析

淀粉糊化性質受基因型與環(huán)境的影響，與直鏈淀粉的含量相關，含量越高，淀粉衰減值較小，糊化溫度相對較高，回生值不明顯[6]。從表2中可知, 釀酒高粱的糊化溫度在75.5～84.10 ℃，品種間差異顯著。南方高粱峰值黏度(217.17、243.39、263.63 BU)高于北方高梁峰值黏度(92.63、109.73、144.92 BU)；崩解值反應淀粉糊在高溫時抗剪切能力，衰減值越小，淀粉糊熱穩(wěn)定性越強[7]，北方粳高梁崩解值遠低于南方高粱。 回生值反應淀粉糊的穩(wěn)定性及老化能力，回生值越大，在一定程度上說明淀粉越易老化[8]。山西高粱淀粉回生值最大為148.91 BU，其次為內蒙高粱淀粉77.81 BU，南方高粱淀粉回生值均較小。分別為65.98、68.97、58.00 BU，表明南方高粱淀粉糊穩(wěn)定性好，冷卻形成的凝膠性最低，不易老化。山西粳高粱具有高回生值，表明其淀粉糊穩(wěn)定性差，冷卻形成的凝膠性最高，容易老化。

表2 釀酒高粱淀粉黏度值

注：P<0.05。

2.5 高粱淀粉的熱特性

淀粉糊化為吸熱反應，吸收的熱能用于淀粉晶體的熔解、顆粒的膨脹和直鏈淀粉分子從淀粉顆粒中釋放，不同來源的淀粉的膨脹速度和直鏈淀粉熔解速度、糊化能力存在差異[9-10]。 由表3可知，北方高粱起始糊化溫度在76.61～88.43 ℃，終止糊化溫度為78.25～85.44 ℃，熱焓值為 3.22～5.53 J/g；南方高粱的起始糊化溫度70.83～73.14 ℃，終止糊化溫度為79.34～82.83 ℃，熱焓值為 6.5～7.55 J/g；南方高粱的起始溫度與終止溫度均低于北方高粱；熱焓值則南方高粱高于北方高粱, 且品種間的熱焓值差異顯著。表明南方高粱比北方高粱易糊化，所需熱量高。

表3 釀酒高粱淀粉的熱力學特性

(P<0.05)

3 結論

高粱籽粒中淀粉是胚乳的主要成分，籽粒內部的結構、淀粉的出粉率、溶解性、膨脹率、糊化性能以及熱特性與白酒的發(fā)酵有直接關系。

田曉紅等[11]研究表明，高粱淀粉顆粒為不規(guī)則形狀，少數為球形，表面光滑，淀粉顆粒粒徑在5～20 μm之間波動。本研究采用環(huán)境掃描電鏡分析表明，高粱籽粒內部的淀粉顆粒多為橢圓形，不同類型的高粱籽粒內部的粉質區(qū)域結構有致密與疏松之別。北方高梁的內部結構相較于南方高粱更加緊密，顆粒間的連接物質較少，可能同籽粒中蛋白，單寧等物質含量有關。

BOUDRIES等[12]分析紅白高粱淀粉的溶解度和膨脹性，發(fā)現高于大米和玉米淀粉。陳秉彥研究[13]發(fā)現，微波處理可促使蓮子淀粉在糊化過程中，對淀粉顆粒膨脹具有一定抑制作用。這與淀粉內的直鏈與支鏈淀粉的比率及結構相關[13]。本研究表明，隨著溫度的升高，高粱淀粉的溶解度與膨脹性會逐漸增大，且南方高粱的溶解度與膨脹性低于北方高粱。不同品種間差異顯著。

淀粉中直鏈淀粉含量高于較小的支鏈淀粉會使淀粉糊在冷卻的過程中回生的速度更快，凍融穩(wěn)定性更差[14]。淀粉的凍融穩(wěn)定性與支鏈淀粉和膨脹率正相關，與直鏈淀粉含量負相關[15]。本研究結果表明，北方高粱的凍融性要比南方高粱的凍融穩(wěn)定性要低。

淀粉糊化過程實質是晶體溶融過程，糊化后淀粉―水體系行為直接表現為黏度增加[16]。淀粉黏度與淀粉的來源、顆粒特征、相對分子質量、支鏈淀粉與直鏈淀粉的比例等因素有關[17]。布拉本德結果顯示，遼寧高粱淀粉的回升值最高，表明其淀粉糊穩(wěn)定性差、冷卻形成的凝膠性最高，容易老化; 瀘糯8號與青殼洋回升值最小，其淀粉穩(wěn)定性最佳，不易老化。

不同產地、不同類型高粱的熱特性差異明顯。BOUDRIES利用DSC分析紅、白高粱淀粉熱特性，與其他谷物相比有較高糊化溫度(72.28和70.60 ℃)和較低的熱焓值(8.270和9.087 J/g)。TAYLOR[18]等研究發(fā)現，不同產地高粱糊化的溫度差異較大。印度高梁淀粉的糊化溫度為71～81 ℃、南非67～73 ℃、韓國則為73.2 ℃[19-20]。本研究表明，釀酒高粱具有較高的糊化溫度，較低的熱晗值。 南方釀酒高粱的淀粉的糊化溫度( 70.83～73.14 ℃)，熱晗值為(6.50～7.64 J/g)、北方釀酒高粱淀粉的糊化溫度范圍( 76.61～88.43 ℃)，熱晗值為(3.22～5.53 J/g)。適合釀酒的高粱品種需糊化溫度低、釀造時可節(jié)水、節(jié)約能源[21-22]。

[1] 王紅育,李穎.高粱營養(yǎng)價值及資源的開發(fā)利用[J].食品研究與開發(fā),2006,27(2): 91-93.

[2] 譚斌.粒用高粱的特性及其在食品工業(yè)中開發(fā)利用前景[J].糧食與飼料工業(yè),2007(7): 16-18.

[3] Park S H,Bean S R,Wilson J D,et al.Rapid isolation of sorghum and other cereal starches using sonication[J].Cereal Chemistry, 2006, 83(6): 611-3616.

[4] SUN Q J, HAN ZH H, WANG L, et al. Physicochemical differences between sorghum starch and sorghum flour modified by heat-moisture treatment[J].Food Chemistry,2014,145(4):756-764.

[5] 申瑞玲,陳明,任貴興.高粱淀粉的研究進展[J].中國糧油學報,2012,27(7):123-128.

[6] 葉為標.淀粉糊化及其檢測方法[J].糧食與油脂,2009(1):7-10.

[7] 楊秋歌,王穎,崔雯雯,等.小利馬豆淀粉理化性質的研究[J].中國糧油學報, 2012, 27(12): 28-32.

[8] 程科,陳季旺,許永亮,等.大米淀粉物化特性與糊化曲線的相關性研究[J]．中國糧油學報2006, 21(6): 4-8.

[9] 鄭鐵松, 李起弘, 陶錦鴻,等. DSC法研究6種蓮子淀粉糊化和老化特性[J]．食品科學, 2011,32(7):151-155.

[10] 劉瑞, 馮佰利, 李翠等. 苦蕎淀粉顆粒及淀粉糊性質研究[J]．中國糧油學報, 2014, 29 (12): 31-36.

[11] 田曉紅, 譚斌, 譚洪卓等. 20 種高粱淀粉特性[J].食品科學, 2010, 31(15):13-20.

[12] BOUDRIES N, BELLHANECHE N, NADJEMI B, et al. Physicochemical and functional properties of starches from sorghum cultivated in the Sahara of Algeria[J]. Carbohydrate Polymers, 2009, 78(3): 475-480.

[13] 陳秉彥, 郭澤鑌, 許麗賓等. 微波處理對蓮子淀粉理化性質的影響[J]．現代食品科技, 2015,31(3): 213-21.

[14] WOO K S, KO J Y, JEONG H S. Effect of milling time on antioxidant compounds and activities of methanol extracts of sorghum [Sorghumbicolor(L.) Moench] [J]. Food science & Biotechnology, 2014, 23(6): 1 741-1 746.

[15] 李玲依, 韓立宏, 王曉慧,等. 不同品種小米淀粉理化性質的比較研究[J]．中國食物與營養(yǎng), 2013, 19(3): 31-35.

[16] 周福平,柳青山, 張曉娟,等. 不同高粱品系的淀粉糊化特征[J]．植物學報, 2014, 49 (3): 306-312.

[17] 黃峻榕,許亞倫, 淀粉黏度性質研究最新進展[J]．食品與機械, 2011, 27( 6) :7-11.

[18] TAYLAOR J R N, SCHOBER T T, BEAN S R. Novel and non-food uses for sorghum and millets[J]. Journal of Cereal Science, 2006, 44(3): 252-271.

[19] CHOI H, KIM W, SHIN M. Properties of Korean Amaranth starch compared to waxy millet and waxy sorghum starches[J]. Starch-Starke, 2004, 56(10): 469-477.

[20] QLAYUNKA O, ADEBOWALE O, OWOLABI. Physicochemical properties, morphological and X-ray pattern of chemically modified white sorghum starch[J]. Journal of Food Science and Technology, 2013, 50(1):70-77.

[21] 丁國祥, 戴清炳, 曾慶曦,等. 不同淀粉結構高粱籽粒的釀酒工藝參數研究[J]．綿陽農專學報 1996, 13(4): 4-5.

[22] 張曉, 高德榮, 呂國鋒,等. 糯小麥與其他作物淀粉特性的比較研究[J]．中國農業(yè)科學，2013, 46 (11): 2 183-2 190.

The physicochemical properties of brewing sorghum starch from different area

TIAN Xin-hui1,2*, TANG Yu-ming1,2, REN Dao-qun1,2, YAO Wan-chun1,2,LIU Mao-ke1,2, ZHANG Xin-yu1,2, LIU Ying1,2, ZHONG Kui3*

1 (Biotechnology Centre, Rice & Sorghum Research Institute, SAAS, Deyang 618000, China 2(Luzhou Liquor-Making Science Research Institute, Luzhou 646100, China) 3(Institute of Food Science and Technology, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100089, China)

In order to test the physicochemical characters of brewing sorghum starch, the internal structure of opaque granules, solubility, expansibility, freeze thaw stability, paste properties and thermodynamic properties of six test varieties starch were investigated in the study. The results showed that the starch granules of the test varieties were oval shapes, and the granules with compact structure had significant difference between different sorghum grain. The starch solubility of sorghum varieties was 0.45%-3.5%, expansion rate was 2.1-14.5 g/g, freeze-thaw stability was 2.5%-24.5%. Compared with north sorghum varieties, south sorghum varieties had lower gelatinization temperature, higher peak viscosity, higher breakdown viscosity, and lower ageing ability(P<0.05).

brewing sorghum； starch；physicochemical properties

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201701016

博士(田新惠，鐘葵為通訊作者,E-mail:xytxh126@sina.com; nancy2012@163.com)。

四川省財政基金高新技術研究應用專項(2013GXJS-015)；四川省財政基金特色產業(yè)專項(2016-TSCY-008)

2016-07-28，改回日期：2016-09-01