劉振宇 張 晶 胡錦蓉 沈 群

（植物蛋白與谷物加工北京市重點(diǎn)實(shí)驗室國家果蔬加工工程技術(shù)研究中心 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院 北京100083）

小米（Foxtail millet）是谷子去殼后的穎果，具有很高的營養(yǎng)價值[1]。研究表明小米是糖尿病患者的理想食物之一[2]。小米富含淀粉和其它營養(yǎng)素如蛋白質(zhì)、纖維素和脂質(zhì)等[3]。高靜壓（High Hydrostatic Pressure，HHP） 技術(shù)屬于物理變性手段，具有安全性高、經(jīng)濟(jì)性高和穩(wěn)定性強(qiáng)等獨(dú)特優(yōu)勢。其作用機(jī)理為淀粉分子與水分子在高壓作用下的水合作用使淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并由此導(dǎo)致淀粉的性質(zhì)發(fā)生改變，達(dá)到改性的目的[4]。小米淀粉易回生，導(dǎo)致用小米制作的方便食品在存放過程中口感變差[5-6]。小米全粉中含有的非淀粉成分如蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等，經(jīng)高靜壓處理后也會與小米淀粉絡(luò)合，導(dǎo)致全粉顆粒結(jié)構(gòu)和糊化特性發(fā)生改變。本研究嘗試使用高靜壓對小米淀粉和小米全粉進(jìn)行預(yù)處理，分析小米淀粉與小米全粉顆粒結(jié)構(gòu)的變化差異和理化特性的變化規(guī)律，為開發(fā)不同類型的小米產(chǎn)品提供一種預(yù)處理方式。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小米，山西晉谷21 號；無水乙醇、溴化鉀，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；丙三醇，西隴化工股份有限公司，均為分析純級。

1.2 儀器與設(shè)備

XRD-6000 型X 射線衍射儀，日本島津；Spectrum 400 型傅里葉紅外光譜儀，美國帕金埃爾默公司；ACCULAB ALC-110.4 型電子天平，德國Sartorius 公司；3-D 型快速黏度分析儀，澳大利亞Newport 科學(xué)儀器公司；Q-20 型差式掃描量熱儀，美國TA 公司。SY88-TH 型實(shí)驗礱谷機(jī)，韓國雙龍公司；HHP/15L 型高靜壓設(shè)備，包頭科發(fā)高壓科技有限責(zé)任公司；LGJ-100 型冷凍干燥機(jī)，北京松源華興科技發(fā)展有限公司；雙室真空封口機(jī)，北京日上科技有限公司；FDV 型高速粉碎機(jī)，北京環(huán)亞天元儀器公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 小米全粉及其淀粉的制備 小米全粉制備：晉谷21 號谷子在礱谷機(jī)中谷子完全脫落的最小間距下，旋轉(zhuǎn)540°脫殼3 次，用萬能粉碎機(jī)粉碎，過100 目篩，得到小米全粉，置于干燥皿中備用。（粗蛋白10.5%、粗淀粉62.7%、粗脂肪6.01%、粗纖維1.74%、水分10.24%、灰分1.05%）

小米淀粉的制備：稱取一定量的小米全粉，用去離子水清洗3 遍，再用去離子水磨漿，過100 目篩，濾液于-4 ℃靜置過夜，棄上清液，加入去離子水?dāng)嚢杈鶆?，?4 ℃放置3 h，棄上清液，反復(fù)浸泡小米全粉懸浮液，直至上清液澄清。棄暗色的表層和底層淀粉，收集白色淀粉并多次用蒸餾水清洗，在40 ℃條件下干燥24 h，研磨并過100 目篩，即得小米淀粉，置于干燥皿中備用。

1.3.2 小米淀粉及其全粉的高靜壓處理 準(zhǔn)確稱取30 g 小米淀粉及其全粉若干份，分別加入100 mL 去離子水中，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的懸浮液。將包裝好的懸浮液在室溫（25±2）℃下靜置24 h，充分搖勻后放入高壓設(shè)備的壓力腔內(nèi)，分別在300，450，600 MPa 高壓下處理20 min，加壓處理時高溫腔的溫度保持在25 ℃，高壓設(shè)備以10 MPa/s 的速度升壓。樣品經(jīng)高壓處理后置于-40 ℃冰箱中速凍，冷凍干燥后用多功能粉碎機(jī)粉碎，過100 目篩，置于干燥皿中待測。

1.3.3 小米淀粉及全粉中淀粉顆粒形貌的測定將雙面膠帶貼于掃描電子顯微鏡的載物臺上，用牙簽粘取少量的樣品，在雙面膠上輕輕地涂抹均勻，用吸耳球吹去多余的淀粉樣品，放入表面處理機(jī)中，用離子濺射鍍膜儀噴碳鍍金1 h，將載物臺取出，放入掃描電鏡中觀察并拍照。電子槍15 kV，放大倍數(shù)3 000 倍。

1.3.4 小米淀粉及全粉中淀粉顆粒粒徑的測定將0.4 g 淀粉溶于20 mL 無水乙醇中，超聲震蕩10 min 使顆粒分散均勻，以無水乙醇為分散劑，按照儀器提示加入樣品數(shù)滴進(jìn)行分散，轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，測定淀粉顆粒的粒度分布和顆粒分布的平均粒徑。

1.3.5 小米淀粉及全粉中淀粉顆粒相對結(jié)晶強(qiáng)度的測定 樣品晶體X-射線分析條件：特征射線CuKa，石墨單色器，管壓40 kV，電流30 mA，測量角度2θ 范圍4°～40°，發(fā)射及防反射狹縫1°，接收狹縫為0.3 mm，掃描速度1.5°/min，步寬0.05°。為了避免不同樣品相對水分含量差異對相對結(jié)晶強(qiáng)度的影響，測量前應(yīng)先將淀粉樣品在室溫下置于相對濕度100%的干燥皿中平衡48 h。

1.3.6 小米淀粉及全粉中淀粉黏度的測定 根據(jù)AACC76-21《小麥粉、黑麥粉及淀粉糊化特性測定法-快速黏度儀法》的方法[7]，采用快速黏度分析儀測定小米淀粉的黏度。

1.3.7 小米淀粉及全粉中淀粉熱力學(xué)特性的測定采用差式掃描量熱儀測定小米淀粉的熱力學(xué)特性。稱取2.0 mg 樣品置于鋁制坩堝內(nèi)，加入7 μL去離子水，密封壓蓋后室溫放置24 h 平衡。測定程序為：溫度上升速率10 ℃/min。掃描溫度從20℃到160 ℃，加溫速率為10 ℃/min。所有分析均以空鋁制坩堝為對照。利用Universal 配套軟件（V3.8B，美國TA Inc.）分析處理數(shù)據(jù)，參數(shù)設(shè)置：起始糊化溫度（Onset temperature，To）、最高溫度（Peak temperature，Tp）、終止溫度（Conclusion temperature，Tc）。

1.3.8 數(shù)據(jù)處理及分析 試驗數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2007 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及Origin 8.5 數(shù)據(jù)分析軟件和SPSS 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計處理，并對數(shù)據(jù)作圖，計算標(biāo)準(zhǔn)偏差或進(jìn)行差異顯著性分析，試驗均重復(fù)進(jìn)行3 次。

2 結(jié)果與討論

2.1 高靜壓處理對小米淀粉及其全粉中淀粉偏光十字結(jié)構(gòu)的影響

由圖1可知，小米淀粉顆粒在300 MPa 及450 MPa 的壓力處理下，偏光十字結(jié)構(gòu)無明顯變化，而當(dāng)壓力達(dá)到600 MPa 時，小米淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)完全崩解，偏光十字消失。對于小米全粉來說，經(jīng)600 MPa 壓力處理后顆粒雖已形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但仍可觀察到極少的偏光十字結(jié)構(gòu)，說明小米全粉中的淀粉未完全形成凝膠狀態(tài)，保留了部分顆粒的各向異性。由此推測小米全粉中淀粉外包裹的物質(zhì)（蛋白質(zhì)和脂肪等）對淀粉的高壓變性有一定的保護(hù)作用。脂肪和蛋白質(zhì)在淀粉水化過程中，能與淀粉競爭吸水，影響淀粉的吸水潤脹，阻礙淀粉的水化進(jìn)程[8]。

2.2 高靜壓處理對小米淀粉及其全粉中淀粉顆粒形貌的影響

由圖2可知，300 MPa 處理20 min 后，小米淀粉顆粒形態(tài)變化不顯著。經(jīng)450 MPa 壓力處理后，部分顆粒表面出現(xiàn)小的凹陷，而壓力達(dá)到600 MPa 時，小米淀粉顆粒形態(tài)崩潰，部分淀粉顆粒失去輪廓，形成凝膠狀結(jié)構(gòu)。小米全粉中淀粉顆粒的表面有不規(guī)則形狀碎片，推測是被蛋白質(zhì)和脂肪等物質(zhì)覆蓋或包裹在淀粉顆粒表面，表現(xiàn)為表面凹陷不平。經(jīng)600 MPa 壓力處理后淀粉表面附著的蛋白質(zhì)或脂肪開始與溶出的直鏈淀粉絡(luò)合，這可能與淀粉顆粒與單硬脂酸甘油酯經(jīng)壓力處理相互絡(luò)合的過程一致[9]。當(dāng)壓力達(dá)到600 MPa 時，表面非淀粉成分與淀粉顆粒間粘連結(jié)塊，淀粉顆粒表面出現(xiàn)明顯凹陷變形。

圖1 小米淀粉與小米全粉中淀粉在不同壓力條件處理后的偏光顯微鏡照片F(xiàn)ig.1 Polarized light micrographs of foxtail millet starch and starch of foxtail millet powder after different HHP levels

圖2 小米淀粉與小米全粉中淀粉在不同壓力條件處理后的掃描電子顯微鏡照片F(xiàn)ig.2 Scanning electron micrographs of foxtail millet starch and starch of foxtail millet powder after different HHP levels

2.3 高靜壓處理對小米淀粉及其全粉中淀粉顆粒粒徑分布的影響

由表1可知，與未經(jīng)壓力處理的小米淀粉相比，經(jīng)300 MPa 和450 MPa 壓力處理后，小米淀粉顆粒粒徑主要分布在0～20 μm 范圍，平均粒徑?jīng)]有顯著變化（P<0.05），并且顆粒膨脹度為負(fù)值，顆粒整體縮小，說明300 Pa 和450 MPa 的高靜壓對淀粉顆粒的壓縮力大于淀粉膨脹能力，使得淀粉顆粒向自身體積減小的方向變化。經(jīng)600 MPa 壓力處理20 min 后，小米淀粉顆粒平均粒徑顯著增加，淀粉顆粒分布范圍從0～20 μm 擴(kuò)大到20 μm以外，膨脹率達(dá)68.37%。

小米全粉在較低壓力（300 MPa 和450 MPa）處理下，小顆粒淀粉所占比例隨壓力增加顯著減少，而20～30 μm 范圍的淀粉顆粒顯著增加，顆粒粒徑范圍擴(kuò)大到30 μm 以外，可能是淀粉顆粒與非淀粉成分絡(luò)合造成的。當(dāng)壓力達(dá)到600 MPa 時，0～4 μm 范圍內(nèi)的小顆粒淀粉所占比例增加，10～20 μm 范圍的淀粉顆粒所占比例也顯著增加，推測可能的原因是小米全粉的外殼結(jié)構(gòu)在600 MPa下部分受損破碎，而全粉內(nèi)部吸水溶脹，膨脹效果不如小米淀粉，也再次證明了脂肪和蛋白質(zhì)的包裹可以削弱高壓對淀粉的影響。

2.4 高靜壓處理對小米淀粉及其全粉中淀粉糊化特性的影響

表2為不同高靜壓處理對小米淀粉及其全粉中淀粉糊化特性的影響?？梢钥闯觯?jīng)300 MPa和450 MPa 壓力處理后小米淀粉峰值黏度減小，而經(jīng)600 MPa 壓力處理后峰值黏度小幅度增大。在不同條件高靜壓處理后的小米淀粉的谷值黏度、最終黏度、崩潰值和回生值中也觀察到相同的趨勢。而小米全粉在較低壓300 MPa 和450 MPa處理后，淀粉顆粒的峰值黏度增大，主要?dú)w因于高壓對小米淀粉分子具有擠壓作用，可使分子發(fā)生重排，同時淀粉與非淀粉成分在一定程度重新聚合，導(dǎo)致峰值黏度增大[10]。當(dāng)壓力超過600 MPa后，小米全粉中淀粉的峰值黏度顯著下降，低于未經(jīng)壓力處理的小米全粉中的淀粉峰值黏度，可能與高壓過程中蛋白質(zhì)變性有關(guān)。

由表2可知，小米淀粉在450 MPa 處理后谷值黏度達(dá)到最低，為1 267.00 cP。未經(jīng)過高靜壓處理時，小米全粉中淀粉的谷值黏度為85.66 cP，顯著低于小米淀粉（1 501.00 cP）。這可能與小米全粉中含有蛋白質(zhì)、纖維素等物質(zhì)有關(guān)，對淀粉含量起到“稀釋”作用，使得其谷值黏度較低?？傮w上高壓處理使得小米全粉中淀粉的最終黏度明顯低于小米淀粉，可能是因為全粉中的蛋白質(zhì)和纖維素等非淀粉成分與淀粉競爭吸收水分，阻礙糊化進(jìn)程。Pérez 等[11]發(fā)現(xiàn)將紅薯全粉在600 MPa 處理后，淀粉的黏度參數(shù)均減小，可能與高壓限制淀粉顆粒膨脹有關(guān)，與本文試驗結(jié)果一致。

在食品生產(chǎn)加工中，淀粉常被用作增稠劑和穩(wěn)定劑。崩解值較大的淀粉在加熱糊化過程中黏度急劇下降，不利于食品的加工和產(chǎn)品的質(zhì)量。高靜壓處理后的小米淀粉崩解值降低，在450 MPa下崩解值最低為869.00 MPa。同時，對于小米全粉，較低壓力處理后小米全粉中淀粉崩解值增大，而600 MPa 壓力會使小米全粉中淀粉的崩解值降低，說明較高的壓力使小米淀粉和小米全粉中淀粉對熱效應(yīng)和剪切效應(yīng)的抵抗能力顯著增強(qiáng)，使得小米淀粉和小米全粉中淀粉的穩(wěn)定性增強(qiáng)[12]。

Gunaratne 等[13]發(fā)現(xiàn)淀粉糊化后冷卻會使線性直鏈淀粉分子重新排列形成凝膠。整體來說，隨著處理壓力的增大，小米淀粉的回生值降低，而600 MPa 處理后小米淀粉的回生值增大。壓力處理使小米全粉中淀粉的回生值先增大后減小，經(jīng)600 MPa 壓力處理，小米全粉中淀粉的回生值降為最低?；厣翟叫。矸墼讲灰桌匣?。450 MPa 壓力處理的小米淀粉回生值低，崩解值也低，達(dá)到良好的淀粉改性效果。

由表3可知，高靜壓處理后，小米淀粉的起始糊化溫度TO和終止溫度TC呈降低趨勢，淀粉的糊化溫度與支鏈淀粉分子簇結(jié)構(gòu)的排列、淀粉微晶結(jié)構(gòu)的厚度及淀粉的層狀結(jié)構(gòu)有密切的聯(lián)系[14]。在壓力0.1～450 MPa 范圍，小米全粉中的淀粉與非淀粉成分可能在壓力處理后絡(luò)合，該絡(luò)合物結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，與小米淀粉相比，在較低起始糊化溫度就發(fā)生崩解，這與Chen 等[15]的結(jié)果不一致。Chen 等[15]發(fā)現(xiàn)玉米油與玉米淀粉可以絡(luò)合形成更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，即直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物，其需要更高的溫度來進(jìn)行解體。HHP 誘導(dǎo)直鏈淀粉和脂肪酸形成單螺旋晶體框架并減少非晶區(qū)域，這兩者都導(dǎo)致更高的熱穩(wěn)定性[16]。而經(jīng)600 MPa，20 min高靜壓處理的小米淀粉及小米全粉中淀粉的糊化溫度顯著降低，結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞。

3 結(jié)論

布分徑粒粒顆的后理處下件條力壓同不在粉淀中粉全米小與粉淀米小1表Granule size distribution of foxtail millet starch and starch of foxtail millet powder after different HHP levels treatment Table 1 S.D./μm C.V./μm d90/μm d50/μm d10/μm/μm數(shù)位中/μm值均平＞30 μm 20～30 μm 10～20 μm 4～10 μm 0～4 μm a 0 b c 34.05±0.57 a 13.79±0.31 b 8.72±0.10 5.67±0.05 a 8.72±0.10 b 9.24±0.13 a 0 a 0 c b 24.71±1.36 73.99±1.27 a 1.30±0.09 XD1 b-12.16 a a 29.91±1.57 a 10.93±0.21 a 7.97±0.05 5.32±0.03 a 7.97±0.05 a 8.14±0.13 a 0 a 0 a d 10.77±1.25 86.22±0.98 b 3.01±0.26 XD2-3.23c b b 32.95±0.34 a 11.76±0.06 ab 8.22±0.03 a 5.43±0.00 8.22±0.03 ab 8.56±0.04 a 0 a 0 b c 15.96±0.62 81.47±0.51 b 2.57±0.11 XD3 d 68.37 c d 57.33±0.33 b 33.41±0.15 a 17.45±0.70 c 17.45±0.7b 5.24±0.25 b 18.79±0.80 b 19.40±2.67 d 21.76±1.03 a 29.51±0.96 21.72±0.80 c 7.37±0.50 XD4 a 0 a a 56.34±0.18 a 18.02±0.06 a 8.75±0.02 3.13±0.01 8.75±0.02a a 9.74±0.02 a 0 a ab 2.89±0.09 b 33.33±0.17 b 47.19±11.34 16.59±0.03 X1 b 4.85 b b 59.07±0.92 c 26.56±1.40 b 12.37±0.49 c 12.37±0.49c 4.21±0.11 b 14.13±0.71 b 3.16±1.60 a 20.39±2.33 ab 30.73±2.16 a 35.58±5.77 10.14±0.51 X2 b 4.65 b b 58.96±0.25 c 27.71±0.10 b 13.28±0.17 c 13.28±0.17c 4.22±0.03 b 14.96±0.12 b 4.42±0.10 a 25.01±0.53 a 28.90±0.19 a 31.61±2.36 10.09±0.11 X3 ab 0.82 ab a 56.80±2.03 b 20.78±3.01 a 11.05±1.02 b 11.05±1.02b 3.05±0.18 a 11.59±1.34 a 0.73±0.05 b 9.39±0.94 a 41.22±6.07 b 31.36±1.99 17.30±1.78 X4此于小，即徑粒10%的為布分積累粒（P＜0.05）；d10：顆異差性著顯無間之值數(shù)的母字同相有具列一，同析分素因多式Duncan’s 公據(jù)。根差偏準(zhǔn)±標(biāo)值均平的驗試3 次為值數(shù)的示所中：表注含積體粒顆的徑粒此于小，即徑粒90%的為布分積累粒50%；d90：顆的粒顆部全占量含積體粒顆的徑粒此于小，即徑粒50%的為布分積累粒10%；d50：顆的粒顆部全占量含積體粒顆的徑粒。粉全米小，X 為粉淀米小；XD 為徑粒均平積面；S.D.：表徑粒均平積90%；C.V.：體的粒顆部全占量

性特化糊的后理處件條力壓同不在粉淀中粉全米小與粉淀米小2表Pasting characteristics of foxtail millet starch and the starch of foxtail millet powder after different HHP levels treatment Table 2 /℃TC/℃TO/cP值生回/cP值解崩/cP度黏終最/cP度黏值谷/cP度黏值峰ab 85.03±1.04 d 62.39±0.17 a 1 501.66±55.77 a 1 157.66±15.94 a 3 002.66±51.24 a 1 501.00±11.53 a 2 658.66±25.69 XD1 ab 80.04±1.59 c 60.83±0.17 a 1 547.00±45.90 b 1 072.33±21.00 a 3 055.00±24.26 a 1 508.00±29.59 b 2 580.33±14.04 XD2 b 83.49±1.22 b 61.51±0.35 b 1 429.00±18.52 c 869.00±30.34 b 2 696.00±26.62 b 1 267.00±8.71 c 2 136.00±21.79 XD3 a 72.02±0.88 a 56.70±0.02 c 1 717.00±10.58 d 1 015.33±30.89 c 3 316.66±55.62 c 1 599.66±64.39 ab 2 615.00±36.49 XD4 c 73.15±0.61 b 53.50±1.52 d 71.00±1.73 a 340.33±9.86 a 156.66±2.51 a 85.66±1.15 a 426.00±10.39 X1 bc 72.78±0.57 c 58.05±1.59 b 184.00±3.00 b 388.00±7.54 b 334.66±8.02 b 150.6±5.03 b 538.66±10.21 X2 b 70.12±0.79 ab 50.80±2.33 c 159.00±4.58 b 399.66±17.55 c 289.33±8.38 c 130.33±4.51 b 530.00±10.87 X3 a 61.74±0.86 a 47.78±0.53 c 156.00±3.46 d 227.33±3.21 d 266.00±4.35 d 110.00±1.00 c 337.33±4.16 X4為；XD度溫化糊止：終；TC度溫化糊始：起）；TO（P＜0.05異差性著顯無間之值數(shù)的母字同相有具列一，同析分素因多式公’s Duncan據(jù)。根差偏準(zhǔn)標(biāo)值±均平的驗試次3為值數(shù)的示所中：表注。粉全米小為，X粉淀米小

對小米淀粉及其全粉進(jìn)行高靜壓處理，可以改變淀粉的糊化特性和顆粒結(jié)構(gòu)。高靜壓大大降低了小米淀粉的崩解值和回生值，而小米全粉中淀粉在高靜壓處理后回生值上升，表明非淀粉成分保護(hù)了部分淀粉晶型免受高壓、高溫和高剪切的破壞作用。這些結(jié)果還表明，小米淀粉的高靜壓處理可應(yīng)用于開發(fā)不易老化的小米產(chǎn)品。在分析淀粉特性的過程中，其它組分會對淀粉特性的準(zhǔn)確表達(dá)產(chǎn)生顯著影響。小米全粉中的非淀粉成分，如蛋白質(zhì)、脂類和非淀粉多糖，在高靜壓過程中也可能對小米淀粉的其它性質(zhì)產(chǎn)生影響，未來應(yīng)對此進(jìn)行更多的研究。