高粱淀粉的研究與發(fā)展

劉慶芳，祁瑜婷，杜方嶺

（1.燕京啤酒有限公司，山東萊州　261400；2.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品研究所，山東省農(nóng)產(chǎn)品精深加工技術(shù)重點實驗室，山東濟南　250100；3.山東大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東濟南　250100）

高粱淀粉的研究與發(fā)展

劉慶芳1，祁瑜婷2，3，*杜方嶺2

（1.燕京啤酒有限公司，山東萊州261400；2.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品研究所，山東省農(nóng)產(chǎn)品精深加工技術(shù)重點實驗室，山東濟南250100；3.山東大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東濟南250100）

高粱是一種廣泛分布在世界各地的耐旱雜糧作物，在非洲更有“救命之谷”的美譽。因其高產(chǎn)性和營養(yǎng)豐富的特性，使得高粱在食品、釀酒和飼料等產(chǎn)業(yè)方面用途廣泛。淀粉是高粱最主要的組成成分，國外對高粱淀粉的研究發(fā)展很快，但國內(nèi)對其研究相對較少。通過綜述高粱淀粉的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、提取方法、含量測定以及目前的研究狀況，展望高粱淀粉的發(fā)展前景，以期促進我國高粱淀粉的研究與發(fā)展。

高粱淀粉；結(jié)構(gòu)；提?。缓繙y定；現(xiàn)狀；展望

0　引言

高粱屬于禾本科高粱屬植物，因具有高產(chǎn)和高抗逆性（抗旱、抗?jié)?、耐鹽堿、耐貧瘠等）的特點而被廣泛種植，其種植面積和總產(chǎn)量僅次于小麥、玉米、水稻和大麥，成為世界上第五大糧食作物。高粱在我國已有5 000余年的栽培歷史，是我國重要的旱糧作物，在國民經(jīng)濟中占有極其重要的地位[1]。高粱根據(jù)用途可分為粒用高粱、甜高粱、掃帚用高粱與飼草高粱等[2]。近年來，隨著高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種的培育以及人們對高粱營養(yǎng)保健價值的深入了解，高粱的應(yīng)用價值得到逐步提高，其在食品配料、工業(yè)加工等方面的應(yīng)用范圍也越來越廣。高粱籽粒中最主要的營養(yǎng)成分是淀粉，其淀粉質(zhì)量分數(shù)為65.3%~ 81.0%，平均值為79.5%[3]。但是，目前國內(nèi)高粱淀粉還沒有得到廣泛的關(guān)注，其利用價值遠遠低于玉米淀粉、大米淀粉和馬鈴薯淀粉，這主要是由于高粱淀粉理化性質(zhì)差異較大，加工品質(zhì)差異也較大[4]。所以，深入地了解高粱淀粉的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，對進一步擴大國內(nèi)高粱淀粉的應(yīng)用意義深遠。

1　高粱淀粉的微觀結(jié)構(gòu)

利用掃描電子顯微鏡觀察高粱淀粉顆粒，研究其微觀結(jié)構(gòu)，將對淀粉的深加工和淀粉的品種來源有重要意義。

就淀粉顆粒形狀而言，高粱淀粉顆粒大部分為類圓形和不規(guī)則形，表面內(nèi)凹明顯，其中部分顆粒表面呈現(xiàn)類蜂窩狀結(jié)構(gòu)，分布著無數(shù)凹凸的小孔，個別顆粒還具有棱角，其原因是淀粉顆粒相互擠壓而形成；少數(shù)為卵圓狀和球狀，表面光滑[5]。高粱淀粉顆粒形狀的差異與高粱品種和來源的不同存在著較大關(guān)系。蔣蘭[6]發(fā)現(xiàn)南方高粱淀粉顆粒的棱角較為光滑，細孔較之與北方高粱淀粉顆粒更多；田曉紅等人[7]研究了20種高粱淀粉的特性，發(fā)現(xiàn)有些糯高粱（如吉林白城鐵單19高粱、山西晉中405高粱和貴州懷仁高粱）淀粉顆粒表面開裂，有明顯的膜結(jié)構(gòu)，其原因為糯高粱中淀粉顆粒和蛋白結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合，二者不易分離。

就淀粉顆粒粒徑而言，高粱淀粉顆粒粒徑為5~20 μm[5]，其粒徑與小麥淀粉（小麥A型淀粉粒徑為20~30 μm，B型淀粉粒徑為2~10 μm）[8]、扁豆淀粉（8~22 μm）[9]相當(dāng)，小于馬鈴薯淀粉顆粒粒徑（5~100 μm），而略大于稻米淀粉（3~8 μm）粒徑。有研究表明，高粱淀粉顆粒粒徑與其淀粉品種來源有關(guān)，南方高粱淀粉粒徑較?。?0~22 μm），而北方高粱淀粉粒徑較大（15~23 μm）[6]。

2　高粱淀粉的化學(xué)組成

淀粉是由葡萄糖脫水縮合而成，其按照葡萄糖單位的連接方式可分為直鏈淀粉和支鏈淀粉2種。直鏈淀粉是由α-D-葡萄糖基以α-D-1,4糖苷鍵連接的線性多聚物，空間結(jié)構(gòu)為螺旋形；支鏈淀粉是一種高度分支狀的大分子，是自然界中僅次于纖維素的第二大分子，其主鏈由葡萄糖基以α-1,4的糖苷鍵構(gòu)成，支鏈再通過α-1,6糖苷鍵與主鏈相連，呈現(xiàn)簇狀結(jié)構(gòu)，其中支鏈占總分子的4%~5%，因此支鏈淀粉的結(jié)構(gòu)比直鏈淀粉更為復(fù)雜。

完整規(guī)則胚乳的高粱淀粉中，直鏈淀粉占子粒胚乳總淀粉的2.7%~66.2%，支鏈淀粉占33.8%~ 97.3%[10]。不同高粱品種的直、支鏈淀粉含量存在較大差異，粳型高粱品種中直鏈淀粉的質(zhì)量分數(shù)為12.0%~25.0%，平均質(zhì)量分數(shù)為18.71%，而高直鏈淀粉品種的質(zhì)量分數(shù)一般為40%~70%；糯型高粱品種中直鏈淀粉含量較低，幾乎檢測不到，但支鏈淀粉的質(zhì)量分數(shù)接近100%[11]。直鏈淀粉、支鏈淀粉所占的比例對高粱淀粉的特性具有重要影響。

研究表明，淀粉中直鏈淀粉含量越高，淀粉的消化性能越差，這可以從2個方面來解釋。一是直鏈淀粉、支鏈淀粉的鏈長不同，直鏈淀粉鏈較短，連接葡萄糖的氫鍵也較強；而支鏈淀粉鏈較長，分子間結(jié)合力弱[12]。二是直鏈淀粉、支鏈淀粉的結(jié)構(gòu)不同，直鏈淀粉是以緊密的雙螺旋結(jié)構(gòu)存在；而支鏈淀粉是通過微晶束形成晶體的骨架結(jié)構(gòu)，易被淀粉酶水解成單糖[6]。

3　高粱淀粉的提取方法

目前，提取高粱淀粉常用的方法是濕磨法，這種方法破壞淀粉顆粒的程度最小，能保持高粱淀粉的理化特性基本不變。鄒劍秋等人[13]利用濕磨法提取高粱淀粉，發(fā)現(xiàn)對高粱籽粒浸泡12 h以上，精細粉碎時間在3~4 min，淀粉槽傾斜度為0.010 4~0.015 6時，可使淀粉的提取率達到64.7%，且回收率達到75%以上，蛋白質(zhì)殘留量為0.5%以下，此法已成為實驗室內(nèi)提取高粱淀粉最常用的方法之一。Xie Xueju采用5次濕磨法循環(huán)分離提取高粱淀粉，淀粉產(chǎn)率提高到69.4%，蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)≤0.3%，其淀粉回收率也高達92%~95%。近年來，隨著科技的發(fā)展和研究的深入，一些研究學(xué)者在不斷嘗試提取高粱淀粉的新方法。如采用超聲波萃取結(jié)合堿液浸泡高粱籽粒的方法來提取高粱淀粉，得到的淀粉品質(zhì)和產(chǎn)量都很高[14]；也有人利用表面活性劑提取法[15]來提取高粱淀粉，這種方法的原理是表面活性劑與蛋白質(zhì)和類脂物相結(jié)合，從而使淀粉得到分離，此法的效果也不錯。

4　高粱淀粉的含量測定

目前，測定淀粉含量的方法有很多，常用的方法有比色法、酶解法、酸解法和旋光法等。

國標(biāo)法中測定糧食、油料中淀粉含量采用的方法是酶解法，利用淀粉酶將淀粉水解成雙糖，雙糖再通過鹽酸水解成具有還原性的單糖，最后按照還原糖測定，并折算成淀粉含量（葡萄糖與淀粉的換算系數(shù)為0.9）。酶解法專一性高、準確性好，但操作難度大，測定速度慢。酸解法除準確性比酶解法稍差外，精確性、測定速度等方面均優(yōu)于酶解法，因此成為目前人們測定淀粉含量的常用方法。此外，近幾年科研人員研究了新的測定淀粉含量方法，如雙波長法。蔣蘭[6]通過測定直鏈淀粉、支鏈淀粉以及二者混合物與碘反應(yīng)在400~800 nm波長處的吸光度，發(fā)現(xiàn)2種高粱淀粉的紫外吸收不會相互干擾。直鏈淀粉的波峰在640 nm處，支鏈淀粉的波峰在540 nm處，因此可根據(jù)單組分的方法計算得到各自的含量。該法能夠同時測定直鏈淀粉、支鏈淀粉和總淀粉的含量，操作簡單方便，且回收率試驗結(jié)果均在95%~105%，表明該方法具有較高的準確度。

5　高粱淀粉的研究現(xiàn)狀

淀粉是食品工業(yè)以及其他工業(yè)產(chǎn)品的一種重要原料，與人類的生產(chǎn)生活息息相關(guān)，因此專家學(xué)者們對于淀粉的研究也非?；钴S。國外研究高粱淀粉起步較早，對其理化性質(zhì)、功能特性及其加工利用已有較深入的研究，目前已將高粱淀粉應(yīng)用于多方面的生產(chǎn)中，大大拓展了高粱淀粉的實際應(yīng)用范圍和領(lǐng)域。例如，把高粱淀粉作為制糖原料應(yīng)用于制糖工業(yè)[16]；將高粱淀粉和面粉混合，可用于制備可食用膜；此外還可用作膠黏劑、伸展劑、填充劑、吸收劑等。國內(nèi)對于高粱淀粉的研究起步較晚，且相對于玉米淀粉來說，對高粱淀粉的研究也較少，但目前國內(nèi)的高粱淀粉品質(zhì)和產(chǎn)量都高于玉米淀粉，而且成本比玉米淀粉低，其無味、色淺，還具有與大米相似的功能特性，因此高粱淀粉可能比玉米淀粉將擁有更寬廣的應(yīng)用領(lǐng)域。

6　展望

淀粉行業(yè)在我國的工業(yè)發(fā)展中占有極其重要的地位，全國各個領(lǐng)域?qū)Φ矸鄣男枨罅恳膊粩嗉哟?，所以高粱淀粉將會有廣闊的發(fā)展前景。研究表明，高粱淀粉中含有數(shù)量可觀的抗性淀粉，抗性淀粉不僅能夠降低血液中的葡萄糖濃度水平，還可以減少胰島素的分泌，達到降低進食后血糖指數(shù)的作用，對于糖尿病人來說，可以有效地控制、緩解糖尿病病情。近年來，隨著人民健康意識的增強，高粱淀粉的營養(yǎng)、保健價值和生產(chǎn)應(yīng)用價值受到了越來越多的關(guān)注，因此高粱淀粉在今后的功能性食品開發(fā)方面將具有廣闊的市場前景。同時，開拓高粱淀粉其他應(yīng)用領(lǐng)域也將會成為高粱淀粉研究的新熱點。

[1]董玉琛，曹永生．糧食作物種質(zhì)資源的品質(zhì)特性及其利用 [J]．中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2003，36（1）：111-114．

[2]Rooney L W，Awika J M.Overview of products and health benefits of speciality sorghums[J]．Cereal Foods World，2005，50：109-115.

[3]劉艷香．高粱擠壓加工特性及高粱－蠶豆復(fù)配營養(yǎng)早餐粉的研究 [D]．哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009．

[4]田曉紅，譚斌，譚洪卓，等．我國主產(chǎn)區(qū)高粱的理化性質(zhì)分析 [J].糧食與飼料工業(yè)，2009（4）：10-13．

[5]張若辰.高粱中抗性淀粉的研究 [D]．濟南：齊魯工業(yè)大學(xué)，2014.

[6]蔣蘭.釀酒高粱淀粉含量測定及性質(zhì)研究 [D]．重慶：重慶大學(xué)，2013.

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

[8]張國權(quán).蕎麥淀粉理化性質(zhì)及改性研究 [D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2007.

[9]杜雙奎，于修燭，楊雯雯，等.扁豆淀粉理化特性分析 [J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2007，38（9）：82-86.

[10]宋高友，張純慎，蘇益民，等．高粱穎果發(fā)育過程中蛋白質(zhì)、氨基酸、淀粉單寧含量變化的研究 [J]．中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，1988，21（3）：51-57.

[11]王麗.濕熱處理和糖醇對高粱淀粉性質(zhì)的影響 [D].青島：青島農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

[12]陸勇，郭麗慧，李學(xué)紅，等.高粱淀粉的理化特性及其水解率的研究 [J]．食品工業(yè)，2015，36（9）：29-33.

[13]鄒劍秋，P A.Seib，Doreen Liang，等.濕法提取高粱淀粉的實驗室方法 [J]．國外農(nóng)學(xué)（雜糧作物），1998，18（1）：37-41.

[14]Park S H，Bean S R，Wilson J D，et al．Rapid isohtion of sorghum and other cereal starches using sonieation[J]．Cereal Chemstry，2006，83（6）：611-616.

[15]惠斯特勒R L，貝密勒J N，帕斯卡爾E F．淀粉的化學(xué)與工藝學(xué) [M]．王雒文，閔大銓，譯．北京：中國食品出版社，1988：76-81．

[16]Aggarwal N K，Nigam P，Singh D．Process optimization for the production of sugar for the bioethanol industry from sorghum．a(chǎn) non-conventional source of starch[J]．World Journal of Microbiology&Biotechnology，2001，17（4）：411-415．◇

Research and Development of Sorghum Starch

LIU Qingfang1，QI Yuting2，3，*DU Fangling2
（1.Yanjing Beer Co.，Ltd，Laizhou，Shandong 261400，China；2.Institute of Agro-food Science and Technology，Shandong Academy of Agricultural Sciences，Ji'nan，Shandong 250100，China；3.College of Life Science，Shandong University，Ji'nan，Shandong 250100，China）

Sorghum is a drought-tolerant crop which widely exists around the world.In Africa，it has been hailed as the‘life-saving’.Due to its high yield and nutrient rich characteristics，it is widely used in the food，wine and feed industries. Starch is the main component of sorghum and study of sorghum starch abroad is developed rapidly.But there is few domestic researches on them.Sorghum starch's microstructure，chemical composition，methods of extraction，content determination and the present research situation are reviewed in this paper，and the prospect for the development of sorghum starch is outlooked，to promote the research and development of sorghum starch in china.

sorghum starch；structure；extraction；content determination；current situation；outlook

TS231

Adoi：10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.09.045

2016-07-13

山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新重點項目“果蔬質(zhì)量安全快速檢測與深加工關(guān)鍵技術(shù)研究”（2014CXZ03）；山東省科技重大專項項目“小麥精深加工及特殊醫(yī)用食品研究與產(chǎn)業(yè)化”（2015ZDZX05005）；山東省良種工程項目子課題“水稻產(chǎn)量與品質(zhì)特異性種質(zhì)材料的創(chuàng)新與利用”（魯財農(nóng)指[2014]40號）。

劉慶芳（1970— ），女，?？疲こ處?，研究方向為生物應(yīng)用技術(shù)。

杜方嶺（1972— ），男，碩士，研究員，研究方向為特殊醫(yī)學(xué)用途配方食品。