李 旭,王 弘,王 鼎,李 雯,李學(xué)軍

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院,陜西楊凌 712100; 2.陜西省種子工作總站,陜西西安 710018)

淀粉是成熟小麥籽粒的主要組成部分,約占籽粒胚乳的70%～80%[1],依據(jù)其結(jié)構(gòu)特征可分為兩類:直鏈淀粉和支鏈淀粉。常規(guī)小麥品種的直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例約為1∶3;由于品種、農(nóng)藝措施以及生長(zhǎng)環(huán)境等因素的不同,特定品種的直鏈淀粉和支鏈淀粉比例會(huì)發(fā)生變化[2-3]。直鏈淀粉和支鏈淀粉各自形成不同層次的精細(xì)結(jié)構(gòu),二者的比例以及相互作用對(duì)淀粉的水結(jié)合能力、熱特性和酶解特性都有很大影響[4]。淀粉中還存在少量脂類、蛋白質(zhì)等物質(zhì),脂類和蛋白質(zhì)通常與淀粉以復(fù)合物的形式存在,二者的單一或協(xié)同作用造成了淀粉理化性質(zhì)、谷物品質(zhì)和工業(yè)用途的多樣性[5]。

隨著社會(huì)發(fā)展和人民生活水平的日益提高,人們對(duì)小麥營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的要求也越來越高,小麥淀粉品質(zhì)的改良越來越受到研究者重視。提高小麥抗性淀粉含量,降低小麥淀粉在人體腸道的消化速率和消化程度,有助于改善饅頭、面包和其他面制食品對(duì)人體血糖的影響。淀粉消化速率由其微觀結(jié)構(gòu)控制,淀粉的微觀結(jié)構(gòu)包括直鏈和支鏈淀粉的比例、淀粉顆粒的形態(tài)和大小、淀粉顆粒的結(jié)晶特征以及直鏈和支鏈淀粉的精細(xì)結(jié)構(gòu)等,他們共同影響酶對(duì)淀粉的結(jié)合與催化效率,并決定淀粉的消化程度與消化速率[6-7]。隨著直鏈淀粉含量的增加,淀粉消化速度減慢,消化程度降低[8]。Li等[9]研究認(rèn)為,在烹飪過程中高直鏈淀粉含量可以抑制淀粉顆粒的膨脹以及內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)的崩解,從而阻礙酶與淀粉的接觸,降低淀粉的消化速率。與低直鏈淀粉含量相比,高直鏈淀粉含量的淀粉顆粒在膨脹及冷卻過程中,大量浸出的直鏈淀粉易于重新排列,形成重組的有序結(jié)構(gòu),這其中可能會(huì)包含穩(wěn)定的雙螺旋結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)度更高的結(jié)晶[10]。Dhital等[11]研究認(rèn)為,較小的淀粉顆粒比較大的淀粉顆粒更容易被酶水解,這是因?yàn)樗鼈儐挝毁|(zhì)量淀粉粒與酶接觸的表面積更大。也有研究指出,淀粉顆粒的完整性對(duì)淀粉的消化率有重要影響,破壞淀粉顆?？梢栽黾用概c淀粉的接觸面積[12]。

本研究選擇4個(gè)直鏈淀粉含量差異較大的小麥品種,研究不同直鏈淀粉含量的小麥淀粉在淀粉粒度分布、晶體特性、黏度特性、熱特性以及消化特性方面的差異,以期明確小麥淀粉理化性質(zhì)與消化特性的關(guān)系,為高直鏈淀粉小麥的開發(fā)利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

研究選用目前大面積推廣的4個(gè)直鏈淀粉含量不同的小麥品種,分別是陜糯1號(hào)、鄭麥119、中麥895和西農(nóng)836。4個(gè)品種于2020-2021年度種植于西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)作一站(陜西楊凌,108°4′E,34°160′N)。每個(gè)品種種植10行,行長(zhǎng)2 m,行間距0.23 m,設(shè)置3個(gè)重復(fù)。播種前,施用600 kg·hm-2復(fù)合肥(N-P2O5-K2O)作為基肥。其余管理同當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)。于2021年6月中旬小麥完熟期收獲籽粒,經(jīng)充分晾曬后在陰涼干燥處放置4周,然后進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 小麥粉制備

取200 g小麥籽粒,用錘式旋風(fēng)磨(LM 3100, Perten)磨粉;過80目篩后裝入自封袋中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 小麥淀粉提取及純化

取30 g小麥粉,加入60%的蒸餾水,手揉制成面團(tuán),室溫下靜置30 min;用蒸餾水揉洗面團(tuán),得到粗淀粉漿;將淀粉漿過100目篩后5 000 r·m-1離心10 min,去上清液,刮除附著在沉淀上方的雜質(zhì),收集下層淀粉;參照崔亞楠等[13]的方法,用NaOH-堿性蛋白酶混合體系去除淀粉中的蛋白質(zhì);參照周冬冬[14]的方法,使用甲醇和丙酮混合液去除淀粉中的脂類物質(zhì);置于45 ℃ 烘箱烘干即為純淀粉。

1.2.3 直鏈淀粉含量測(cè)定

參照戴 雙等[15]的方法,準(zhǔn)確稱取1.2.2中提取的小麥淀粉0.1000 g,緩緩傾倒在50 mL燒杯底部;加入幾滴無水乙醇潤(rùn)濕并分散淀粉,加入10 mL 0.5 mol·L-1KOH;于80 ℃ 水浴加熱并用玻璃棒持續(xù)攪拌10 min,使淀粉糊化;取出燒杯使其冷卻至室溫,將內(nèi)容物轉(zhuǎn)移到50 mL容量瓶中,用蒸餾水定容,搖勻后靜置。取定容后的上清液2.5 mL加入50 mL燒杯中,加25 mL蒸餾水;用0.1 mol·L-1HCl將pH值調(diào)整到3.5,加0.5 mL碘試劑,攪拌均勻;將溶液轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶并定容,搖勻后在室溫下放置30 min;在測(cè)定波長(zhǎng)和參比波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線換算成直鏈淀粉含量。

1.2.4 淀粉粒度分布測(cè)定

參照銀永安等[16]的方法,用激光衍射粒度分析儀(S3500,Microtrac)測(cè)量其粒度分布。

1.2.5 淀粉晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定

使用X射線衍射儀(D8 ADVANCE A25,Bruker),測(cè)定淀粉樣品的結(jié)晶度。參數(shù)設(shè)定:電流30 mA,電壓40 KV,掃描范圍2θ = 5～40°,步長(zhǎng)0.02°。利用軟件MDI Jade 6.0擬合淀粉的結(jié)晶峰和非結(jié)晶峰,從而獲得淀粉的相對(duì)結(jié)晶度。

1.2.6 淀粉熱力學(xué)性質(zhì)測(cè)定

參照吳桂玲等[17]的方法,準(zhǔn)確稱取5 mg淀粉樣品于鋁制坩堝中,按1∶2(w/w)比例加入蒸餾水,將坩堝密封后放置在4 ℃ 冰箱24 h;使用差示掃描量熱儀(Q2000,TA)進(jìn)行熱特性測(cè)定,溫度范圍為30 ℃至100 ℃ ,升溫速率為10 ℃·min-1,空白對(duì)照為鋁制空坩堝。利用儀器自帶的DSC分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,得到起始溫度、峰值溫度、終止溫度及熱焓值。

1.2.7 淀粉黏度指標(biāo)測(cè)定

使用快速黏度分析儀(RVA 4500,Perten),根據(jù)軟件自帶的程序文件Standard 1進(jìn)行測(cè)定。具體過程如下:取25.0±0.01 mL蒸餾水(預(yù)先應(yīng)測(cè)定淀粉樣品含水量并按12%濕基進(jìn)行水分補(bǔ)償)移入鋁罐中;取3.00 g淀粉到鋁罐中,攪拌均勻,將鋁罐安放在快速黏度分析儀內(nèi)。起始的10 s內(nèi),攪拌速度960 r·min-1;以160 r·min-1的速度直到測(cè)試結(jié)束。起始溫度為50 ℃,維持1 min,以12 ℃·min-1的升溫至95 ℃,保持2.5 min;以12 ℃·min-1的速率降至50 ℃,保持恒溫到測(cè)試完成,得到黏度參數(shù)峰值黏度、低谷黏度、崩解值、最終黏度、回生值、峰值時(shí)間和糊化溫度。

1.2.8 淀粉消化指標(biāo)測(cè)定

根據(jù)Englyst等[18]的方法做適當(dāng)修改。具體如下:預(yù)先配置混合酶體系(豬胰酶20 U·mL-1,糖化酶20 U·mL-1),并將酶液置于37 ℃ 恒溫?fù)u床中孵育。準(zhǔn)確稱取200 mg淀粉,傾倒在50 mL帶蓋離心管的底部,加入5 mL蒸餾水,輕輕震蕩使其分散混勻;震蕩沸水浴30 min使淀粉完全糊化;將其冷卻至37 ℃ 后加入10 mL醋酸鈉緩沖液(0.2 mol·L-1,pH = 5.2);置于37 ℃ 恒溫?fù)u床中30 min;加入5 mL預(yù)先孵育過的混合酶液,形成20 mL的反應(yīng)體系;于37 ℃ 恒溫?fù)u床中持續(xù)反應(yīng),并將加入酶液的時(shí)間記為消化反應(yīng)的起始時(shí)間。在反應(yīng)開始4、8、12、16、20、40、60、80、100、120、140、160、180、200 min后從反應(yīng)體系中取出0.2 mL溶液,置于已加入2 mL無水乙醇的離心管中,劇烈振蕩,終止酶促反應(yīng);10 000 r·min-1離心5 min,取1 mL上清液加入DNS試劑2 mL,沸水浴加熱5 min后取出,冷卻至室溫。各管中加入9 mL蒸餾水稀釋,混勻。用分光光度計(jì)于540 nm處測(cè)吸光值,換算成體系中的葡萄糖含量,得到淀粉樣品的消化程度(Ct)。

淀粉消化程度的計(jì)算公式為:

Ct=Glu×0.9×(V×N)/T×100%

快消化淀粉(RDS,%)=C20

慢消化淀粉(SDS,%)=C120-C20

其中Glu為經(jīng)DNS試劑測(cè)定得到的葡萄糖含量,0.9為葡萄糖與淀粉轉(zhuǎn)換系數(shù),V為整個(gè)消化體系的體積,N為稀釋倍數(shù),T為淀粉樣品的干基質(zhì)量。C20和C120、C200分別代表淀粉經(jīng)酶水解反應(yīng)20 min、120 min和200 min后的消化程度。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用SPSS Statistics 26,所有數(shù)據(jù)至少3次重復(fù)。采用Tukey檢驗(yàn)進(jìn)行方差分析,使用Excel 2013繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同小麥品種的淀粉組分

4個(gè)小麥品種的直鏈淀粉含量為3.66%～35.82%,品種間差異均顯著(表1)。西農(nóng)836的直鏈淀粉含量最高,其次是中麥895和鄭麥119,陜糯1號(hào)的直鏈淀粉含量最低。

淀粉相對(duì)結(jié)晶度反映淀粉顆粒內(nèi)部結(jié)晶區(qū)域和無定型區(qū)的構(gòu)成比例。陜糯1號(hào)具有最高的相對(duì)結(jié)晶度,為37.12%,其次為鄭麥119 (29.78%)、中麥895(27.44%)、西農(nóng)836 (26.55%)。根據(jù)X射線衍射圖譜(圖1),4個(gè)品種淀粉的XRD波譜特征均在2θ為15°和23°附近有較強(qiáng)的衍射峰,在17°和18°附近有一個(gè)相連的衍射雙峰;除陜糯1號(hào)外,其他3個(gè)品種的淀粉在2θ = 20°處有一個(gè)衍射峰,該峰對(duì)應(yīng)V型淀粉結(jié)晶,表示存在直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物[19]。陜糯1號(hào)的XRD圖譜中觀測(cè)不到這個(gè)峰的存在,說明其淀粉中沒有直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物。

圖1 淀粉XRD衍射圖譜

淀粉顆粒根據(jù)直徑被分為A型(>10 μm)、B型(<10 μm)[20]。4個(gè)小麥品種中,陜糯1號(hào)的A型淀粉粒含量最高(44.70%),西農(nóng)836最低 (26.72%)。相應(yīng)地,陜糯1號(hào)具有最低的B型淀粉粒含量(55.30%),而西農(nóng)836的B型淀粉粒含量最高(73.28%)。

2.2 不同小麥品種的淀粉黏度特性

陜糯1號(hào)具有最高的峰值黏度(3 589.3 cP)和最大的崩解值(2 209.0 cP),陜糯1號(hào)的低谷黏度(1 380.3 cP)、最終黏度 (1 687.3 cP)以及回生值(306.0 cP)均最低(表2)。4個(gè)品種的糊化溫度范圍在69.4～90.2 ℃ 之間,從小到大依次為陜糯1號(hào)、鄭麥119、中麥895、西農(nóng)836,4個(gè)品種的回生值也呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)。具有最高直鏈淀粉含量的西農(nóng)836具有最高的糊化溫度,其回生值也顯著高于其他材料。

表2 淀粉黏度特性分析

2.3 不同小麥品種的淀粉熱特性

四個(gè)小麥品種淀粉從30 ℃ 加熱至100 ℃ 的熱量變化情況如表3所示。陜糯1號(hào)具有最高的起始溫度、峰值溫度以及終止溫度,且顯著高于其他品種(鄭麥119的終止溫度除外)。隨著直鏈淀粉含量的增加,上述三個(gè)溫度參數(shù)均呈下降趨勢(shì)。四個(gè)品種的熱焓值沒有明顯的變化規(guī)律,其中,中麥895有最高的ΔH值,為12.20 J·g-1,其后依次為陜糯1號(hào)(11.29 J·g-1)、鄭麥119 (10.68 J·g-1)、西農(nóng)836(10.25 J·g-1)。

表3 淀粉熱特性分析

2.4 不同小麥品種的淀粉消化特征

四個(gè)小麥品種的淀粉體外消化情況如表1所示。陜糯1號(hào)具有最高的RDS含量(56.43%),西農(nóng)836具有最低的RDS含量(49.36%)。在前20 min,除了西農(nóng)836外,另外三個(gè)品種淀粉的消化程度都超過50%。200 min的淀粉消化量C200在72.23% ～ 79.77%之間,由高到底依次為陜糯1號(hào)(79.77%)、鄭麥119(76.34%)、中麥895(74.23%)、西農(nóng)836(72.23%)。從圖2可以看出,在酶解的初始階段,曲線上升很快,而后期的曲線逐漸趨于平緩,陜糯1號(hào)的消化程度始終高于其他3個(gè)品種。

圖2 淀粉體外消化曲線

2.5 淀粉理化性質(zhì)與消化特性的相關(guān)性

15個(gè)淀粉指標(biāo)之間的Pearson相關(guān)系數(shù)如表4所示。直鏈淀粉含量(AM)與B型淀粉粒含量(BC)、最終黏度(FV)、回生值(SV)、糊化溫度(PT)均呈極顯著正相關(guān),與起始溫度(To)、峰值溫度(Tp)、終止溫度(Tc)、快速消化淀粉含量(RDS)、淀粉總消化程度(C200)呈極顯著負(fù)相關(guān),與熱焓值(ΔH)、峰值黏度(PV)、低谷黏度(TV)、崩解值(BV)、慢消化淀粉含量(SDS)相關(guān)不顯著。而淀粉總消化程度(C200)與起始溫度(To)、峰值溫度(Tp)、終止溫度(Tc)、快速消化淀粉含量(RDS)均呈極顯著正相關(guān),與直鏈淀粉含量(AM)、B型淀粉粒含量(BC)、最終黏度(FV)、回生值(SV)、糊化溫度(PT)均呈極顯著負(fù)相關(guān),而與熱焓值(ΔH)、峰值黏度(PV)、低谷黏度(TV)、崩解值(BV)、慢消化淀粉含量(SDS)相關(guān)不顯著。

表4 淀粉各指標(biāo)的皮爾遜相關(guān)性分析

3 討 論

本研究結(jié)果顯示,隨著直鏈淀粉含量的提高,小麥淀粉中B型淀粉粒含量增加,A型淀粉粒含量減少;B型淀粉粒含量與直鏈淀粉含量呈極顯著正相關(guān);4個(gè)小麥品種中,陜糯1號(hào)的直鏈淀粉含量是最低的,其A型大淀粉粒所占的比例最高。前人研究也發(fā)現(xiàn),蠟質(zhì)品種具有更多圓盤狀A(yù)型淀粉粒[21],本研究結(jié)果與其一致。

對(duì)四種淀粉晶體結(jié)構(gòu)的測(cè)定表明,除陜糯1號(hào)外,其他3個(gè)品種的淀粉存在直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物。這種復(fù)合物會(huì)抑制淀粉顆粒膨脹及直鏈淀粉浸出程度,從而提高了糊化溫度[22],這可能是四個(gè)小麥品種淀粉糊化溫度存在差異的原因。有研究發(fā)現(xiàn),糊化溫度越高的淀粉,其糊化過程中的黏度(包括峰值黏度、谷值黏度、最終黏度)越低[23]。在本研究中,盡管西農(nóng)836具有最高的糊化溫度,但其峰值黏度卻僅次于陜糯1號(hào),并且其具有最高的最終黏度。相關(guān)性分析顯示,B型淀粉粒含量與最終黏度呈極顯著正相關(guān),這與Liu等[24]研究結(jié)果一致,推測(cè)西農(nóng)836具有較高比例的B型小淀粉粒可能導(dǎo)致其最終黏度沒有顯著下降。陜糯1號(hào)具有較大比例的A型大淀粉粒,在糊化過程中膨脹的體積更大,導(dǎo)致其峰值黏度最高?；厣悼梢苑从车矸壑匦戮奂约爸亟M氫鍵的能力,具有更高直鏈淀粉含量的淀粉,會(huì)在淀粉糊化后的回生中短時(shí)間內(nèi)發(fā)生分子間的重新排列和聚合。本研究發(fā)現(xiàn),直鏈淀粉含量與回生值極顯著正相關(guān)。這與前人的研究結(jié)果一致[25]。

在淀粉熱特性方面,起始溫度、峰值溫度、終止溫度均與直鏈淀粉含量呈極顯著負(fù)相關(guān)。前人研究表明,高的轉(zhuǎn)變溫度與高的結(jié)晶度有關(guān),淀粉內(nèi)部的結(jié)晶區(qū)域提供了淀粉顆粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[26]。而隨著直鏈淀粉含量的增加,結(jié)晶度降低,從而顯現(xiàn)出直鏈淀粉含量與上述溫度參數(shù)之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

從體外消化的結(jié)果來看,無論是在水解的前期,還是末期,陜糯1號(hào)的消化程度都最高,而且消化速率最快。4個(gè)品種淀粉總消化程度的差異主要是由于RDS含量的不同導(dǎo)致,而它們的SDS含量沒有顯著差異,說明淀粉結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)主要影響淀粉酶解過程的前期。相關(guān)性分析表明,RDS含量與回生值存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,而高的回生值是高直鏈淀粉的典型特征,這也表明具有更高直鏈淀粉含量的淀粉,通過促進(jìn)淀粉的回生過程,來抵抗酶的分解,造成幾種淀粉之間RDS含量以及總消化程度的差異。

本研究發(fā)現(xiàn),具有最高直鏈淀粉含量的西農(nóng)836含有更高比例的B型小顆粒淀粉,但其淀粉總消化程度以及消化速率并未提高,這可能是由于淀粉經(jīng)過糊化之后,淀粉顆粒充分膨脹溶解,直鏈淀粉和支鏈淀粉都釋放出來,游離在整個(gè)混合體系中。淀粉顆粒大小會(huì)影響到淀粉的黏度特性,但是當(dāng)?shù)矸鄢浞趾?粒度的差異并不能帶來淀粉消化特性上的變化。