淀粉粒徑對(duì)大麥淀粉物化特性的影響

肖璐婷，李秀紅，劉栗君，葉發(fā)銀,2,3*，趙國(guó)華,2,3

淀粉粒徑對(duì)大麥淀粉物化特性的影響

肖璐婷1，李秀紅1，劉栗君1，葉發(fā)銀1,2,3*，趙國(guó)華1,2,3

1西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715；2川渝共建特色食品重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715；3重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶 400715

【目的】大麥籽粒是一類重要的谷物原料，在啤酒釀造、禽畜喂飼、藥食保健等領(lǐng)域的用途十分廣泛。研究表明，籽粒中的淀粉顆粒大小及淀粉組成結(jié)構(gòu)決定其用途。通過研究不同品種大麥不同粒徑淀粉顆粒的組成結(jié)構(gòu)及物化性質(zhì)，為大麥淀粉加工利用提供參考?！痉椒ā恳晕饕?號(hào)（Xiyin-2）、京辛1號(hào)（Jingxin-1）、蘇啤6號(hào)（Supi-6）3種不同用途的大麥品種籽粒為原料，采用沉降分離法得到大、中、小3個(gè)粒徑的淀粉顆粒，研究顆粒顯微形態(tài)、淀粉晶體結(jié)構(gòu)、直鏈淀粉含量、支鏈淀粉側(cè)鏈分布以及淀粉顆粒熱特性、水合性質(zhì)、糊化特性和消化特性與粒徑的關(guān)系?！窘Y(jié)果】大顆粒大麥淀粉多呈盤狀，中顆粒淀粉呈扁圓形或橢球形，小顆粒淀粉呈球形或多角形。在偏振光顯微鏡下，所有大麥淀粉顆粒具有典型的偏光十字，且偏振光亮斑隨粒徑增加而增強(qiáng)。大麥淀粉的大顆粒占比最高（87.62%—89.48%），其次為中顆粒（8.97%—9.42%）和小顆粒（1.55%—3.29%）。大麥淀粉的表觀直鏈淀粉含量為19.12—30.63 g/100 g，粒徑對(duì)其含量的影響缺乏規(guī)律性。所有樣品均為A型結(jié)晶，相對(duì)結(jié)晶度隨著粒徑增大而增加。大麥支鏈淀粉的側(cè)鏈分布呈現(xiàn)雙峰模式，主峰在DP12處，次峰在DP38處，大麥支鏈淀粉以B1鏈含量最高（34.34%—44.76%），其次是A鏈（25.12%—34.52%），大麥支鏈淀粉的平均鏈長(zhǎng)為DP 22.86—25.00。熱特性分析結(jié)果表明，小顆粒大麥淀粉的糊化溫度區(qū)間（?）最大，糊化焓（?）則隨著粒徑增加而增大。大麥淀粉的膨脹力表現(xiàn)出品種差異，京辛1號(hào)大麥淀粉所有粒徑顆粒均具有較高的膨脹力。糊化特性分析結(jié)果表明，大顆粒淀粉的峰值黏度、崩解值、終值黏度比中顆粒和小顆粒淀粉更高。消化特性分析結(jié)果表明，大麥淀粉顆粒快消化淀粉（RDS）含量隨著粒徑減小而增加，而粒徑對(duì)其慢消化淀粉（SDS）和抗性淀粉（RS）含量的影響缺乏規(guī)律?！窘Y(jié)論】粒徑對(duì)大麥淀粉的直鏈淀粉含量、支鏈淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)、相對(duì)結(jié)晶度等結(jié)構(gòu)特征有較大影響，從而影響大麥淀粉的熱特性、糊化特性及消化特性等性能。

淀粉粒徑；大麥淀粉；分子結(jié)構(gòu)；加工特性；消化特性

0 引言

【研究意義】在麥類、薯類、豆類等作物組織中，其富含的淀粉顆粒通常大小不一，并以特定的粒徑分布和數(shù)量比例存在。通過分級(jí)分離得到同一原料中的不同粒徑淀粉，通常具有不同的組成和結(jié)構(gòu)，由此表現(xiàn)出不同的加工性能[1-2]。大麥（L.）的全球種植面積在禾谷類糧食作物中排第四位，僅次于小麥、水稻和玉米[3]。大麥目前主要用于釀造和飼料，有些大麥品種則作為雜糧供人食用。鑒于其豐富的營(yíng)養(yǎng)成分和生物活性成分健康促進(jìn)效應(yīng)的不斷發(fā)現(xiàn)，以及加工手段的革新，大麥在營(yíng)養(yǎng)與健康、食品及功能性配料加工等方面的研究日漸受到重視。淀粉是大麥胚乳的主要碳水化合物成分，占其干重的66%—75%[4]。大麥淀粉顆粒同樣呈現(xiàn)粒徑多樣性[5]。有關(guān)釀造大麥的研究結(jié)果表明，大麥淀粉的含量、組分及粒徑對(duì)啤酒和威士忌的品質(zhì)和產(chǎn)量具有顯著影響。開展不同品種大麥來源的不同粒徑淀粉的結(jié)構(gòu)組成及功能性的比較研究，對(duì)大麥淀粉加工利用及相關(guān)制品的開發(fā)具有理論指導(dǎo)和實(shí)際意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】不同品種的大麥淀粉均存在粒徑、組成和加工特性上的差異。JAISWAL等[6]將大麥淀粉劃分為A型（＞15μm）、B型（5—15μm）和C型（＜5μm）3種類型。TAKEDA等[7]研究表明大麥籽粒中大、中、小淀粉顆粒的支鏈淀粉平均鏈長(zhǎng)及側(cè)鏈分布無明顯差異，但大、中顆粒的直鏈淀粉含量更高且其平均聚合度較小。MYLLRINEN等[8]研究發(fā)現(xiàn)大麥大顆粒淀粉中內(nèi)源性脂質(zhì)含量低于小顆粒。NAGULESWARAN等[9]研究表明大麥大顆粒淀粉的直鏈淀粉含量及相對(duì)結(jié)晶度高于小顆粒淀粉，而小顆粒淀粉具有更高的糊化溫度、更低的糊化焓，更易被淀粉酶水解。AHMED等[10]研究發(fā)現(xiàn)抗性淀粉的含量與粒徑＜15μm淀粉顆粒的比例呈正相關(guān)，而與粒徑在15—45 μm的淀粉顆粒比例呈負(fù)相關(guān)。有學(xué)者注意到不同粒徑的大麥淀粉在釀造品質(zhì)上的差異[11]。在大麥淀粉糖化過程中，小顆粒淀粉維持結(jié)構(gòu)完整的時(shí)間更長(zhǎng)，甚至當(dāng)大顆粒淀粉完全糊化后，還能觀測(cè)到小顆粒淀粉[12]。實(shí)際上，制麥芽含有相當(dāng)比例的小顆粒大麥淀粉，由于它們比大顆粒的糊化溫度高，這會(huì)影響到糖化的效率和質(zhì)量[13]。【本研究切入點(diǎn)】由于啤酒工業(yè)是大麥主要的消費(fèi)領(lǐng)域，因此，國(guó)外開展了大麥淀粉粒徑與制麥芽加工特性的相關(guān)研究。國(guó)內(nèi)有學(xué)者初步研究了釀造及飼料用大麥的籽粒結(jié)構(gòu)和淀粉粒的特性[11]。但目前有關(guān)大麥淀粉顆粒的粒徑特異性對(duì)其加工特性及營(yíng)養(yǎng)特性的影響研究偏少，不同用途（釀造、食用、飼料用）大麥籽粒中粒徑對(duì)大麥淀粉特性的研究值得深入，這對(duì)于專用型大麥淀粉的開發(fā)具有重要意義?！緮M解決的關(guān)鍵問題】粒徑與大麥淀粉理化性質(zhì)及加工特性之間具有重要關(guān)聯(lián)性。本研究以不同用途（釀造、食用、飼料用）大麥籽粒為材料，通過提取淀粉、反復(fù)沉降分級(jí)分離出大、中、小顆粒淀粉。通過研究粒徑對(duì)大麥淀粉化學(xué)組成、分子結(jié)構(gòu)、結(jié)晶特性、熱特性、水合特性、糊化特性、體外消化特性等理化性質(zhì)的影響，并對(duì)粒徑與大麥淀粉加工性能之間關(guān)系進(jìn)行分析，為大麥淀粉的修飾改性、相關(guān)功能性配料開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

試驗(yàn)于2017—2020年在西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院食品科學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

1.1 試驗(yàn)材料與試劑

大麥（L.）：西引2號(hào)（Xiyin-2），產(chǎn)地山東；京辛1號(hào)（Jingxin-1），產(chǎn)地江蘇；蘇啤6號(hào)（Supi-6），產(chǎn)地江蘇。

無水乙醇、乙酸鈉，成都科龍化工試劑廠；人工唾液（科達(dá)AR-8802），東莞市科鴻化工有限公司；胰蛋白酶、胃蛋白酶（400 U?mg-1）、淀粉葡萄糖苷酶（3 300 U?mL-1）、-淀粉酶（12 U?mL-1），美國(guó)Sigma-Aldrich有限公司；葡萄糖氧化酶/過氧化物酶(GOPOD)試劑盒，愛爾蘭Megazyme公司。

1.2 儀器與設(shè)備

分析天平（JA3003B）：上海精天電子儀器有限公司，恒溫水浴鍋（HH-W420）：金壇市大地自動(dòng)化儀器廠，漩渦振蕩器（HQ60）：北方同正生物技術(shù)發(fā)展公司，普通粉碎機(jī)（JIASOUND）：永康市紅太陽機(jī)電有限公司，定時(shí)電腦泵（BT-100-4）：上海青浦滬西儀器廠，數(shù)顯酸度計(jì)（JA3003B）：杭州雷磁分析儀器廠，電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9070A）：上海齊欣科學(xué)儀器有限公司，超聲波清洗器（KQ-500E）：昆山市超聲儀器有限公司，可見分光光度計(jì)（L6）：上海精科科學(xué)儀器廠，掃描電子顯微鏡（Quanta 200）：荷蘭FEI公司，熒光正置顯微鏡（BX53）：日本OLYMPUS公司，激光粒度散射儀（Mastersvzer2000）：英國(guó)馬爾文儀器有限公司，離子色譜儀（ICS-3000）：美國(guó)DIONEX公司，X-射線衍射儀（D2）：德國(guó)Bruker AXS有限公司，差示掃描量熱儀（DSC200F3）：德國(guó)NETZSCH公司，快速黏度分析儀（TecMaster RVA）：北京長(zhǎng)流科學(xué)儀器公司，電子調(diào)溫萬用電爐（DK-98-11）：天津市泰斯特儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 大麥淀粉的制取與分級(jí)分離[14-15]稱取500g大麥籽粒，用普通粉碎機(jī)粉碎3 min，過100目篩，按料液比1﹕10將篩下物加入到質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的氫氧化鈉水溶液中，混合均勻后，靜置4h，采用1﹕1鹽酸調(diào)節(jié)體系pH至中性，離心（4 528×，20min），得到的沉淀加入蒸餾水，混合均勻后離心，重復(fù)以上操作直至沉淀中無肉眼可見的雜質(zhì)。將沉淀置于40℃烘箱中干燥16h，得到西引2號(hào)、京辛1號(hào)和蘇啤6號(hào)的淀粉。進(jìn)一步參照DHITAL等[16]研究方法對(duì)大、中、小顆粒的大麥淀粉進(jìn)行分級(jí)分離。稱取原淀粉40g，放入2L量筒中，加蒸餾水至2L刻度線，用玻璃棒攪拌均勻。大麥淀粉因粒徑等差異呈現(xiàn)不同的沉降速度。不同粒徑淀粉采集的時(shí)間可由斯托克斯方程（式（1））得到：

式中，：水的黏度（1.003×10-3Pa·s-1，20℃）；：沉降高度（m）；：重力加速度（9.8m·s-2）；ρ：淀粉的密度（1 500kg·m-3）；ρ：水的密度（998.23kg·m-3）；：顆粒直徑（m）。

前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，小淀粉（＜4.37 μm）可在靜置沉淀6h后，用定時(shí)電腦泵抽取中層300—1 400mL處的混合液，混合液經(jīng)離心（4 528×，15min）得到，重復(fù)以上操作直至上清液澄清透明無明顯可見淀粉（至少重復(fù)7次）；對(duì)量筒中剩余的淀粉懸液靜置沉淀3h后，用定時(shí)電腦泵抽取中層300—1 400mL處的混合液，混合液經(jīng)離心（3 578×，10min）得到中等顆粒的大麥淀粉（6.61—10.00 μm）；余下的即為大顆粒大麥淀粉（10.00—34.67 μm）。西引2號(hào)、京辛1號(hào)及蘇啤6號(hào)的大、中、小顆粒的淀粉分別標(biāo)記為XLS、XMS、XSS、JLS、JMS、JSS、SLS、SMS和SSS。

1.3.2 大麥淀粉化學(xué)組成測(cè)定 水分含量按GB 5009.3—2016直接干燥法測(cè)定；灰分含量按GB 5009.4—2016灼燒法測(cè)定；粗蛋白含量按GB 5009.5—2016凱氏定氮法測(cè)定；直鏈淀粉含量測(cè)定參照GB/T 15683；總淀粉含量測(cè)定參照GB/T 5009.9— 2008。

1.3.3 顯微形貌及偏光十字觀測(cè) 將淀粉均勻鋪在鍍有雙面膠帶的鋁制短管上，置于離子濺射儀中，對(duì)樣品噴金處理，鍍上一層10 nm的薄膜后，在15 kV加速電壓下測(cè)定，并在不同放大倍數(shù)下采集電鏡圖片[16]。

稱取一定量的淀粉樣品，加入甘油﹕蒸餾水（1﹕1，v/v），攪拌得到6%的淀粉懸液，滴加于載玻片上，蓋上蓋玻片后，采用熒光正置顯微鏡分別在普通光及偏光下進(jìn)行基本形貌和偏光十字觀測(cè)[17]。

1.3.4 淀粉相對(duì)結(jié)晶度測(cè)定 取0.5g淀粉樣品置于X-射線衍射儀的樣品盒中，采用步進(jìn)掃描法。測(cè)試條件如下：靶及波長(zhǎng)：Cu、Kα，1.5406?；Ni片濾波；狹縫系統(tǒng)：DS/RS/SS=1.0/0.1/1.0mm；探測(cè)器：閃爍計(jì)數(shù)器；電壓：40kV；電流：40mA；掃描速度：2°/min；掃描范圍：3—60°（2）；步寬：0.02°；掃描方式：連續(xù)。采用MDI jade6計(jì)算淀粉的相對(duì)結(jié)晶度[18]。

1.3.5 粒徑分布測(cè)定 稱取1.0g淀粉，置于激光粒度分析儀的樣品池中，加入蒸餾水，用超聲波振蕩2min，使淀粉顆粒均勻分布，當(dāng)遮光率達(dá)到15%—20%時(shí)，測(cè)定粒徑范圍及分布[19]。測(cè)試條件：顆粒折射率：1.530；分析模式：通用；分散劑：蒸餾水。

1.3.6 支鏈淀粉鏈長(zhǎng)分布測(cè)定 支鏈淀粉鏈長(zhǎng)分布使用配備有脈沖安培檢測(cè)器的高效陰離子交換色譜儀測(cè)定，方法參照文獻(xiàn)[20]。色譜柱：CarboPac PA20（3 mm×150 mm）分析柱和CarboPac PA20（3 mm×30 mm）保護(hù)柱；流動(dòng)相：NaOH（0.1 mol?L-1）、NaOH（0.1 mol?L-1）+NaAc（1 mol?L-1）、水；固定相：陰離子交換樹脂；流速：0.4 mL·min-1；柱溫：30℃。

1.3.7 水合性質(zhì)測(cè)定 0.1g干淀粉（105℃預(yù)處理2h）置于試管中，加入10mL蒸餾水，室溫下磁力攪拌30min；接著將樣品分別置于65℃、75℃、85℃、95℃水浴中保溫1h。然后迅速將其冷卻至室溫，并轉(zhuǎn)移到離心管中離心（1 006×，15min）。淀粉的溶解性（）和膨脹力（）分別由（2）和（3）方程計(jì)算得到[21]：

式中：0為淀粉干基重量（g）；1為上清液烘干至恒重后的質(zhì)量（g）；2為沉淀物的初始重量（g）；3為沉淀物烘干至恒重后的質(zhì)量（g）。

1.3.8 熱特性測(cè)定 采用差示掃描量熱儀進(jìn)行熱特性的測(cè)定[11]。稱取2.5mg淀粉試樣，加水量與淀粉試樣質(zhì)量比為2.5﹕1，封于坩堝中，在4℃平衡24h后測(cè)定。掃描條件：掃描范圍：20℃—100℃；掃描速率：10 ℃·min-1。

1.3.9 糊化特性測(cè)定 采用快速黏度分析儀進(jìn)行糊化特性的測(cè)定[22]。準(zhǔn)確稱取3.0g淀粉，制取成6%的淀粉懸液倒入專用鋁盒中，混合均勻，測(cè)定糊化參數(shù)。測(cè)定條件：10s內(nèi)離心力由960r/min降到160r/min并保持穩(wěn)定。50℃維持1min，以10℃·min-1升溫至95℃，在95℃保持5min，然后以10℃·min-1的速度冷卻到50℃，在50℃保持2min。

1.3.10 淀粉顆粒的體外消化特性測(cè)定 準(zhǔn)確稱量約0.5 g淀粉，用含-淀粉酶（1 mL，290U?mL-1）的人工唾液處理15—20s，然后加入胃蛋白酶（5 mL，1 mg·mL-1）、稀鹽酸（5mL，0.02mol·L-1），在37℃下于振蕩水浴中水解30min。加入氫氧化鈉溶液（5mL，0.02mol·L-1），然后加入乙酸鈉緩沖液（10 mL，0.2mol·L-1）、胰蛋白酶（2mg·mL-1）和淀粉葡萄糖苷酶（28μL·mL-1）的混合物。反應(yīng)體系在37℃分別酶解0、20和120min。在每個(gè)指定的水解時(shí)間結(jié)束后，置于冰水混合物中10min終止反應(yīng)，離心。將上清液與GOPOD試劑混合，反應(yīng)液于510nm波長(zhǎng)下比色。葡萄糖釋放量根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算。大麥淀粉的快消化淀粉（rapidly digestible starch，RDS）、慢消化淀粉（slowly digestible starch，SDS）和抗性淀粉（resistant starch，RS）含量可以分別由式（4）、（5）和（6）得到[16,23]：

(%)=[(20-)×0.9/]×100（4）

(%)=[(120-20)×0.9/]×100（5）

(%)=1-(+) （6）

式中，20為酶水解20min 后的總葡萄糖含量（mg）；為樣品中總淀粉含量（mg）；為酶水解處理前樣品中葡萄糖含量（mg）；120為酶水解120min后的總葡萄糖含量（mg）。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

所有測(cè)定至少重復(fù)3次，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。繪圖采用Origin18.0進(jìn)行。采用SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Duncan’s法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(＜0.05）。

2 結(jié)果

2.1 大麥淀粉顆粒的化學(xué)組成

各品種大麥淀粉的水分含量在10.93—15.90 g/100 g。3種大麥淀粉的含量在98.13—98.95 g/100 g。各品種大麥淀粉的總淀粉含量無顯著性差異，表觀直鏈淀粉含量有顯著性差異（＜0.05），其中京辛1號(hào)總淀粉含量最高（98.95 g/100 g），西引2號(hào)直鏈淀粉含量為27.60%，比京辛1號(hào)和蘇啤6號(hào)分別高5.23%和2.9%（表1）。大麥淀粉根據(jù)在水中的不同沉降時(shí)間，可以分為大、中、小顆粒淀粉，不同粒徑級(jí)的D[3,2]、D[4,3]和d(0.5)值如表1所示。各品種大麥淀粉的D[3,2]在7.53—8.31μm，D[4,3]在16.20—17.13μm，D[3,2]和D[4,3]之間差異較大，說明3種大麥淀粉粒徑分布較為分散。除京辛1號(hào)淀粉外，西引2號(hào)與蘇啤6號(hào)淀粉D[3,2]、D[4,3]、d(0.5)均無顯著性差異。

表1 大麥淀粉的基本特性*

*：除水分外，其余含量均為干基。同行不同小寫字母表示差異顯著（＜0.05)

The other contents are presented as dry basis except moisture.Different letters in the same row indicate significant differences (＜0.05)

2.2 不同粒徑大麥淀粉的顯微形貌及偏光十字特征

3個(gè)品種大麥淀粉經(jīng)過分級(jí)分離后得到大、中、小顆粒的淀粉，采用光學(xué)顯微鏡按照白光及偏振光模式對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果如圖1所示。對(duì)大、中淀粉顆粒而言，白光模式下淀粉顆粒內(nèi)部呈現(xiàn)一些陰影區(qū)域，這說明淀粉顆粒不同區(qū)域具有不同透光性。在偏振光模式下，各粒徑淀粉顆粒具有典型的偏光十字，其交叉點(diǎn)（臍點(diǎn)）基本處于淀粉粒的幾何中心。偏振光模式下亮斑的亮度在大顆粒中最強(qiáng)，中等顆粒次之，而小顆粒的最暗。

在光學(xué)顯微觀測(cè)的基礎(chǔ)上，為觀測(cè)不同粒徑大麥淀粉顆粒的顯微結(jié)構(gòu)，采取掃描電子顯微鏡分析。圖2顯示，大、中顆粒的尺寸差異較小，而小顆粒淀粉的尺寸遠(yuǎn)小于大、中顆粒。大顆粒大麥淀粉呈盤狀，中顆粒淀粉呈扁圓形或橢球形，小顆粒淀粉呈球形或多角形。

2.3 不同粒徑大麥淀粉的組成及直鏈淀粉含量

表2所示，大淀粉顆粒體積百分比最大（87.62%—89.48%），其次是中顆粒（8.97%—9.42%），小顆粒淀粉的體積百分比最?。?.55%—3.29%）。3個(gè)品種大麥淀粉的直鏈淀粉含量存在粒徑差異性。對(duì)于西引2號(hào)，中等顆粒的直鏈淀粉含量最高，而京辛1號(hào)和蘇啤6號(hào)則是大顆粒淀粉直鏈淀粉含量最高，兩個(gè)品種的直鏈淀粉含量反而是中等顆粒的最小。

2.4 不同粒徑大麥淀粉的支鏈淀粉鏈長(zhǎng)分布特征

采用高效陰離子交換色譜得到不同粒徑大麥淀粉的支鏈淀粉鏈長(zhǎng)分布曲線，結(jié)果如圖3所示。經(jīng)過分級(jí)分離后得到大、中、小顆粒的淀粉，其支鏈淀粉鏈長(zhǎng)分布曲線均呈現(xiàn)出兩個(gè)明顯的峰值，第一個(gè)峰值出現(xiàn)在DP 12，另一個(gè)峰值出現(xiàn)在DP 38附近。根據(jù)HANASHIRO等[24]的研究，通常將支鏈淀粉側(cè)鏈分布按照聚合度（DP）分為4部分：A鏈（DP 6—12）、B1鏈（DP 13—24）、B2鏈（DP 25—36）和B3鏈（DP＞36）。由表2可見，直鏈淀粉的平均鏈長(zhǎng)在DP 22.86—25.00。3個(gè)品種的大麥支鏈淀粉側(cè)鏈分布均以B1鏈的百分比最大，A鏈次之，然后是B2鏈和B3鏈。對(duì)于A鏈，西引2號(hào)小顆粒淀粉以及京辛1號(hào)和蘇啤6號(hào)大顆粒淀粉的A鏈比例最高；B1鏈及B2鏈的百分比最高值也出現(xiàn)在不同粒徑的淀粉中；僅B3鏈的百分比在所有中等顆粒的淀粉中出現(xiàn)最大值。

圖1 大麥淀粉的常規(guī)光學(xué)顯微鏡圖和偏光十字圖

A、B、C：西引2號(hào)大麥淀粉,分別放大500倍、1000倍、5000倍；D、E、F：京辛1號(hào)大麥淀粉,分別放大500倍、1000倍、5000倍；G、H、I：蘇啤6號(hào)大麥淀粉,分別放大500倍、1000倍、5000倍

表2 大麥大、中、小淀粉顆粒的性質(zhì)

XLS、XMS、XSS：西引2號(hào)大麥大、中、小淀粉顆粒；JLS、JMS、JSS：京辛1號(hào)大麥大、中、小淀粉顆粒；SLS、SMS、SSS：蘇啤6號(hào)大麥大、中、小淀粉顆粒。下同

2.5 不同粒徑大麥淀粉的結(jié)晶特性

由圖4可知，3種大麥淀粉的大、中、小顆粒淀粉均呈現(xiàn)出典型的A型淀粉衍射特征，在15°和23°有強(qiáng)特征峰，在17°和18°出現(xiàn)雙峰[25]。所有粒徑的大麥淀粉在=20°的位置上有V型直鏈淀粉-脂類包合物的特征峰。西引2號(hào)淀粉的中、小顆粒還在=13°呈現(xiàn)V型特征峰。結(jié)合表2，3個(gè)品種大麥淀粉的相對(duì)結(jié)晶度呈現(xiàn)粒徑差異性，大顆粒的相對(duì)結(jié)晶度最大，中等顆粒的次之，小顆粒的最小。其中，京辛1號(hào)淀粉的大、小顆粒的相對(duì)結(jié)晶度差值最大（相差18%），而蘇啤6號(hào)淀粉的大、小顆粒的相對(duì)結(jié)晶度差值最?。ㄏ嗖?.1%）。

圖4 不同粒徑的大麥淀粉X-射線衍射圖

2.6 不同粒徑大麥淀粉的熱特性

對(duì)于3個(gè)品種的大麥淀粉，起始糊化溫度（o）隨著淀粉粒徑的減小而降低，而峰值糊化溫度（p）和終值糊化溫度（c）隨著淀粉粒徑的減小而增大。這使小顆粒淀粉具有最大的糊化溫度區(qū)間（?）。結(jié)果表明，京辛1號(hào)的小顆粒淀粉o（60.1℃）最小，而p（67.0℃）和c（72.9℃）具有最高值。另外，糊化焓（?）隨著淀粉粒徑的增加而增大。其中，西引2號(hào)大顆粒淀粉的?最大（7.55 J·g-1）（表3）。

2.7 不同粒徑大麥淀粉的水合特性

大、中顆粒大麥淀粉的溶解性和膨脹力如圖5所示。隨著溫度上升，大、中、小顆粒淀粉的溶解性和膨脹力均隨之增加。就膨脹力而言，京辛1號(hào)大、中顆粒淀粉在65℃—95℃區(qū)間的膨脹力高于其他大麥淀粉樣品（圖5-B）。

表3 大、中、小大麥淀粉的熱特性和糊化特性

圖5 不同粒徑的大麥淀粉的溶解性和膨脹力曲線

2.8 不同粒徑大麥淀粉的糊化特性

如圖6所示，粒徑對(duì)大麥淀粉糊化特性的影響呈現(xiàn)品種特異性。對(duì)于西引2號(hào)淀粉，中顆粒的峰值黏度和最終黏度低于大顆粒的，但谷值黏度未受到粒徑影響；對(duì)于京辛1號(hào)大麥淀粉，峰值黏度、谷值黏度和最終黏度均是大顆粒的大于中等顆粒；而對(duì)于蘇啤6號(hào)大麥淀粉，大、中顆粒淀粉之間糊化特性差異主要在峰值黏度上?？傮w而言，京辛1號(hào)大顆粒淀粉具有最大的峰值黏度和最終黏度，而西引2號(hào)中顆粒淀粉具有最小的峰值黏度和最終黏度。中等顆粒淀粉比大顆粒淀粉具有更高的糊化溫度（表3）。其中，西引2號(hào)中顆粒淀粉的糊化溫度最高（83.9℃）。但是，西引2號(hào)中顆粒淀粉的峰值黏度最低（1 789cP），其膨脹力較差[26]，從圖5的結(jié)果也可以得到驗(yàn)證。

圖6 大麥淀粉糊化特性曲線

2.9 不同粒徑大麥淀粉的快消化淀粉、慢消化淀粉與抗性淀粉含量

由表4可知，不同粒徑大麥淀粉的RDS、SDS和RS含量呈現(xiàn)顯著性差異（＜0.05）。3種大麥淀粉中，小顆粒淀粉的RDS含量最高，其次是中顆粒，最后是大顆粒。對(duì)于西引2號(hào)和京辛1號(hào)，大、中顆粒的SDS含量高于小顆粒淀粉，蘇啤6號(hào)則是中、小顆粒淀粉的SDS含量高于大顆粒淀粉?？傮w而言，3種大麥淀粉的RS含量低于RDS和SDS。淀粉顆粒尺寸對(duì)于RS含量影響并無規(guī)律性。其中，西引2號(hào)大顆粒淀粉的RS含量最高（26.81%），蘇啤6號(hào)小顆粒淀粉的RS含量最低（6.90%）。

表4 大麥籽粒中大中小淀粉顆粒的快消化淀粉、慢消化淀粉與抗性淀粉的含量

同列不同字母表示差異顯著（＜0.05）

Different letters in the same column indicate significant differences (＜0.05)

3 討論

3.1 粒徑對(duì)大麥淀粉化學(xué)組成的影響

在本研究中，3個(gè)品種大麥淀粉的蛋白質(zhì)含量為1.02—1.54 g/100 g，高于GAO等[27]測(cè)得6種大麥淀粉的蛋白質(zhì)含量（0.04—0.30 g/100 g），也高于NAGULESWARAN等[9]測(cè)得的蠟質(zhì)、普通及高直鏈大麥淀粉的蛋白質(zhì)含量（0.20%—0.42%）。造成這種差異的原因可能在于淀粉提取過程，不同方法對(duì)蛋白質(zhì)脫除程度的差異。此外，3個(gè)品種大麥淀粉的直鏈淀粉含量為22.37—27.60 g/100 g。這與TAKEDA等[7]報(bào)道日本大麥中直鏈淀粉含量（25.0 g/100 g）以及NAGULESWARAN等[9]報(bào)道加拿大大麥淀粉中（23.6 g/100 g）的結(jié)果相近。3個(gè)品種大麥淀粉經(jīng)分級(jí)分離后，得到大、中、小顆粒，分級(jí)處理對(duì)總淀粉含量影響不大，這與NAGULESWARAN等[9]的結(jié)果一致。不同粒徑淀粉顆粒中直鏈淀粉含量存在差異。DHITAL等[28]研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于玉米及馬鈴薯淀粉，直鏈淀粉含量均隨著淀粉顆粒尺寸的增加而增加，KASEMWONG等[26]對(duì)芭蕉芋（）淀粉分級(jí)分離后，發(fā)現(xiàn)大顆粒淀粉的直鏈淀粉含量為38.7 g/100 g，而小顆粒為29.2 g/100 g。本研究中粒徑對(duì)大麥淀粉直鏈淀粉含量的影響缺乏一定規(guī)律。這可能是因?yàn)橹辨湹矸酆渴芷贩N、生長(zhǎng)環(huán)境、測(cè)定方法的影響[7,9,12,29]。

3.2 粒徑對(duì)大麥淀粉結(jié)構(gòu)特性的影響

禾本科作物葉片通過光合作用產(chǎn)生蔗糖，并通過韌皮部運(yùn)輸?shù)阶蚜．?dāng)中，經(jīng)過淀粉合成酶的作用形成淀粉[30]。由于淀粉合成與積累關(guān)鍵酶的調(diào)控原因，在胚乳發(fā)育前期形成的淀粉粒最終成為大顆粒淀粉，在胚乳發(fā)育中期形成的則成為中等顆粒淀粉，小顆粒淀粉主要在胚乳發(fā)育后期形成[31-32]。本研究中，3個(gè)品種的大麥淀粉均以大顆粒為主，這與JAISWAL等[6]關(guān)于大麥淀粉的研究結(jié)果一致。WEI等[33]也發(fā)現(xiàn)Yangsimai-3大麥淀粉的大顆粒占絕對(duì)比例。

大麥淀粉不同粒徑的顆粒具有不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)[7,9,15,34]。韋存虛等[4]報(bào)道啤酒大麥與飼用大麥都具有大、中、小3類淀粉粒，其中大顆粒淀粉多為盤狀，而中、小淀粉顆粒為球形。WEI等[33]研究發(fā)現(xiàn)Yangsimai-3大麥淀粉的大、中顆粒呈球型或橢球型，而小顆粒呈球型、多角型或不規(guī)則型，有些中、小顆粒大麥淀粉甚至呈圓盤狀。NAGULESWARAN等[9]則報(bào)道大顆粒大麥淀粉呈球形、盤狀或似透鏡鏡片形狀，而小顆粒淀粉呈現(xiàn)不規(guī)則型或球形。麥類作物淀粉在偏振光顯微鏡下會(huì)呈現(xiàn)偏光十字，偏光十字的交叉點(diǎn)即為淀粉顆粒的生長(zhǎng)點(diǎn)。研究表明，偏光十字圖的視覺強(qiáng)度大小與淀粉顆粒的有序性或結(jié)晶度密切相關(guān)[17]。本研究中，亮斑的強(qiáng)度隨淀粉粒徑的減小而減弱，這反映出大麥淀粉顆粒中的有序性隨粒徑減小而逐漸降低[1]。ZHANG等[1]在研究小麥A、B淀粉時(shí)發(fā)現(xiàn)，A淀粉的雙折射強(qiáng)度大于B淀粉，這與A淀粉相對(duì)結(jié)晶度（31.95%）高于B淀粉（相對(duì)結(jié)晶度29.38%）及A淀粉的近程有序度高于B淀粉等結(jié)果一致。LI等[35]研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于普通及蠟質(zhì)小麥淀粉，A淀粉偏光十字的清晰程度高于B淀粉。本研究結(jié)果與上述報(bào)道一致。

大麥支鏈淀粉側(cè)鏈分布的多樣性與其基因、種植條件有關(guān)。前期研究發(fā)現(xiàn)，大麥支鏈淀粉的鏈長(zhǎng)分布呈現(xiàn)雙峰分布特征，其中主峰在DP 12，次峰在DP 48或DP 50，有些品種的大麥支鏈淀粉中還存在超長(zhǎng)側(cè)鏈（DP＞67）[36]。K?LLMAN等[37]發(fā)現(xiàn)6個(gè)品種的大麥支鏈淀粉以DP 9—17側(cè)鏈為主，其次是DP 22—37側(cè)鏈。ZHAO等[38]發(fā)現(xiàn)10個(gè)品種的大麥支鏈淀粉以DP 8—14側(cè)鏈為主，其次是DP 15—27側(cè)鏈。TAKEDA[7]等研究發(fā)現(xiàn)大麥淀粉大、中、小顆粒的支鏈淀粉鏈長(zhǎng)分布的主峰均在DP 12附近且峰形相似，但不同粒徑之間各DP的相對(duì)含量有所不同。例如，大、小顆粒相比較，小顆粒淀粉具有更多的A及B1側(cè)鏈（DP 6—9和DP 16—19），而大顆粒淀粉具有更豐富的長(zhǎng)側(cè)鏈（B2及B3側(cè)鏈）。本研究的大麥淀粉中，DP＞24的側(cè)鏈比例高于ZHAO等[38]研究的大麥淀粉材料，但與K?LLMAN等[37]研究材料的這一側(cè)鏈比例相當(dāng)。有研究表明，支鏈淀粉的長(zhǎng)側(cè)鏈對(duì)淀粉的工藝學(xué)特性有顯著影響。李春燕等[39]研究發(fā)現(xiàn)小麥淀粉中支鏈淀粉長(zhǎng)側(cè)鏈比例越高，小麥淀粉的冷糊黏度越大。LI等[40]研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于糊化大米淀粉，其支鏈淀粉的中長(zhǎng)側(cè)鏈比例越高，越容易被淀粉葡萄糖苷酶水解，并認(rèn)為增加支鏈淀粉短側(cè)鏈比例有利于制備得到低升糖指數(shù)的大米淀粉基制品。

研究表明，大麥淀粉主要呈現(xiàn)A型結(jié)晶[9]，在=17°和18°處出現(xiàn)雙峰，在=15°、20°、23°為單峰。本研究的3種大麥淀粉也為A型結(jié)晶。一般認(rèn)為，在為13°和20°處為V型峰，反映淀粉顆粒中存在直鏈淀粉-脂類包合物結(jié)構(gòu)。V型結(jié)晶大約貢獻(xiàn)了3%的相對(duì)結(jié)晶度[41]。但也有報(bào)道指出一些高直鏈大麥品種的淀粉為B型或B+V型結(jié)晶[42]。TANG等[15]將蠟質(zhì)大麥籽粒從外層向內(nèi)逐層剝離得到不同部位的級(jí)分，對(duì)每一級(jí)分進(jìn)一步分級(jí)分離大、中、小顆粒的淀粉，發(fā)現(xiàn)蠟質(zhì)大麥淀粉的相對(duì)結(jié)晶度呈現(xiàn)粒徑差異，籽粒外層是中顆粒的相對(duì)結(jié)晶度最高，而籽粒內(nèi)部淀粉的相對(duì)結(jié)晶度則隨著粒徑增加而增大。麥類作物淀粉的相對(duì)結(jié)晶度與支鏈淀粉結(jié)構(gòu)、側(cè)鏈平均鏈長(zhǎng)和直鏈淀粉含量有關(guān)。研究表明，長(zhǎng)側(cè)鏈更容易形成雙螺旋，從而賦予淀粉更高的結(jié)晶度[25]。

3.3 粒徑對(duì)大麥淀粉理化特性的影響

淀粉顆粒的熱特性反映淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性。多項(xiàng)研究表明[15,29,43]，對(duì)于同一品種的大麥淀粉，大顆粒比小顆粒的糊化焓（）更高。本研究結(jié)果與上述結(jié)論一致。大顆粒比小顆粒淀粉具有更大的原因可能是大顆粒淀粉的結(jié)晶度較大，其在糊化過程中破壞微晶束需要更多能量[43]。本研究中，大麥淀粉的糊化溫度范圍（）最大值見于小顆粒淀粉，且隨著粒徑增加而減小。TANG等[15]報(bào)道無論是從大麥籽粒外層或內(nèi)部分離得到的大麥淀粉，均是小顆粒淀粉的值最大，中等顆粒的次之，大顆粒的最小。這可能是因?yàn)樾☆w粒中的內(nèi)源性脂質(zhì)與淀粉互作使其難以糊化[21,43]。

淀粉顆粒的水合性質(zhì)主要與淀粉的化學(xué)組成和顆粒特性有關(guān)。膨脹力反映淀粉顆粒中無定型區(qū)與結(jié)晶區(qū)淀粉鏈段相互作用的程度[36]，這受直鏈淀粉含量、分子量分布、支鏈淀粉分支度及側(cè)鏈分布等因素的影響。研究表明，較低的直鏈淀粉含量及較高比例的A淀粉（大顆粒）使軟質(zhì)小麥淀粉膨脹力高于硬質(zhì)小麥淀粉；B淀粉（小顆粒）則水合性質(zhì)較差[2]。本研究中，較大顆粒的大麥淀粉具有較高的膨脹力。淀粉的溶解力和膨脹力隨溫度的升高而增加，表明升高溫度加快了直鏈淀粉組分的溶出，促進(jìn)了水分子進(jìn)入淀粉顆粒內(nèi)部使其膨脹[21]。SHANG等[2]研究發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)小麥B淀粉比A淀粉的溶解性更大，這主要與前者含有較多蛋白質(zhì)和可溶性碳水化合物有關(guān)。LI等[25]研究認(rèn)為溶解性主要取決于直鏈淀粉的溶出，直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物結(jié)構(gòu)存在或淀粉顆粒膨脹力弱都會(huì)造成淀粉顆粒的溶解性差。

淀粉的糊化曲線反映淀粉懸液在加熱升溫、熱保溫、降溫及冷保溫過程的黏度變化。本研究中，3個(gè)品種的大麥淀粉均是大顆粒級(jí)分具有較高的峰值黏度。KASEMWONG等[26]研究發(fā)現(xiàn)芭蕉芋淀粉中的大顆粒級(jí)分比小顆粒級(jí)分的峰值黏度大。Li等[35]研究發(fā)現(xiàn)無論是蠟質(zhì)還是普通小麥，A淀粉的糊化曲線在B淀粉之上，即A淀粉的峰值黏度、谷值黏度、冷糊黏度均高于B淀粉。本研究結(jié)果顯示所有不同粒徑的大麥淀粉越過峰值黏度后呈現(xiàn)剪切變稀特性，較大顆粒淀粉具有更大的崩解值。DHITAL等[28]研究表明馬鈴薯淀粉的大顆粒比小顆粒的熱糊穩(wěn)定性差。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)蘇啤6號(hào)大麥淀粉達(dá)到峰值所需時(shí)間隨著顆粒尺寸的減小而提前（圖6）。MEI等[18]研究顯示桄榔淀粉中的小顆粒組分比大顆粒組分達(dá)到峰值所需時(shí)間提前了近1 min。同時(shí)，3個(gè)品種大麥淀粉的大顆粒表現(xiàn)出較高的冷糊黏度，這一結(jié)果與前人報(bào)道的規(guī)律一致[44]。

淀粉顆粒的消化特性與多種因素有關(guān)。本研究中，3個(gè)品種大麥淀粉的RDS含量隨著粒徑減小而增加，即小顆粒淀粉更容易酶水解。DHITAL等[28]研究發(fā)現(xiàn)玉米和馬鈴薯淀粉顆粒的酶水解速率與其粒徑呈負(fù)相關(guān)，即最小粒徑顆粒的酶水解速率最大。與大顆粒淀粉相比，由于小淀粉顆粒的比表面積相對(duì)較大，更有利于酶的吸附，因此消化更快[13]。DE SCHEPPER等[11]研究發(fā)現(xiàn)在制麥芽過程中，所考察的3個(gè)品種釀造的大麥均表現(xiàn)出小顆粒淀粉比大顆粒淀粉的水解速度更快。但是，粒徑對(duì)大麥淀粉顆粒SDS和RS含量的影響缺乏規(guī)律。對(duì)于蘇啤6號(hào)大麥淀粉，RS含量隨著粒徑減小而下降，而西引2號(hào)和京辛1號(hào)淀粉的RS含量在中顆粒上出現(xiàn)最低值。LIN等[45]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于高直鏈玉米淀粉，顆粒中RS含量隨著粒徑減小而增加，而對(duì)于普通玉米淀粉，粒徑對(duì)RS含量的影響無顯著性差異。這表明淀粉顆粒的酶解消化性不僅與粒徑有關(guān)，而且與淀粉顆粒本身的性質(zhì)或來源有關(guān)[46]。

4 結(jié)論

本研究選取3種大麥淀粉，采取沉降分離法得到大、中、小3個(gè)粒徑的大麥淀粉顆粒。從體積百分比看，大顆粒淀粉占87.62%—89.48%，中顆粒淀粉占8.97%—9.42%，小顆粒淀粉占1.55%—3.29%。所有淀粉的結(jié)晶型均為A型，相對(duì)結(jié)晶度隨著粒徑增大而增加。大麥淀粉的表觀直鏈淀粉含量在19.12—30.63 g/100 g，粒徑對(duì)其含量的影響缺乏規(guī)律性。大麥支鏈淀粉的側(cè)鏈分布呈現(xiàn)雙峰模式，主峰在DP 12處，次峰在DP 38處。大麥支鏈淀粉平均鏈長(zhǎng)為DP 22.86—25.00，以B1鏈比例最高，其次是A鏈。就熱特性而言，小顆粒大麥淀粉的糊化溫度區(qū)間（?）最大，而糊化焓（?）隨粒徑增加而增大。大麥淀粉的膨脹力存在品種間差異，京辛1號(hào)大麥淀粉具有較高的膨脹力。就糊化特性而言，大顆粒淀粉比小顆粒淀粉的峰值黏度、崩解值、冷糊黏度更高。大麥淀粉顆?？煜矸酆侩S粒徑減小而增加，而粒徑對(duì)其慢消化淀粉和抗性淀粉含量的影響缺乏規(guī)律。不同粒徑大麥淀粉的應(yīng)用特性值得深入研究。

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Effects of Starch Granule Size on the Physical and Chemical Properties of Barley Starches

XIAO LuTing1, LI XiuHong1, LIU LiJun1, YE FaYin1,2,3*, ZHAO GuoHua1,2,3

1College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715;2Chongqing Key Laboratory of Speciality Food Co-Built by Sichuan and Chongqing, Chongqing 400715;3Chongqing Engineering Research Center for Regional Foods, Chongqing 400715

【Objective】Barley, an important source of cereal raw material, is widely used in beer brewing, livestock feeding, and medicine and food healthcare, etc.Empirical evidences have showed that the granule size, composition and structure of starch in barley grain mainly determine its use.The present research was carried out to analyze the composition, structure and physicochemical properties of starch granules with different sizes from different barley varieties, which could help enhancing the utilization of barley starch from barley processing industries.【Method】The starch from selected barley varieties, Xiyin-2, Jingxin-1 and Supi-6, was extracted and fractionated into large, medium and small-sized fractions by using differential sedimentation methods.The effects of granular size on micromorphology, crystal structure, apparent amylose content, amylopectin side chain distribution, thermal properties, hydration properties, gelatinization properties, and digestibility properties of barley starch was investigated.【Result】The large-sized granules were mostly discal shape, while the medium-sized granules were oblate or oval spherical shape, and the small-sized granules were spherical or polygonal shape.All barley starch granules had a typical polarized cross under a polarized light microscope, and the polarized light spots enhanced as the granule size increased.The large-sized fraction had the highest percentages (87.62%-89.48%) in barley starch, followed by medium-sized fraction (8.97%-9.42%) and small-sized fraction (1.55%-3.29%).The apparent amylose content of barley starch ranged from 19.12 to 30.63 g/100 g.The effect of granule size on its content was not regular.All the samples were A-type crystals, and the relative crystallinity augmented with the increase of granule size.The side chain distribution of barley amylopectin presented a bimodal pattern, with the main peak at DP 12 and the secondary peak at DP 38.The highest content of amylopectin in barley starch was B1chain (34.34%-44.76%), followed by A chain (25.12%-34.52%).The average chain length of barley amylopectin was DP 22.86-25.00.The thermal characteristics of starch from barley varieties demonstrated that the gelatinization temperature range (?) of small-sized granules was the largest, and the gelatinization enthalpy (?) increased as the granule size increased.The swelling power of barley starch showed differences in varieties.All granule fractions of Jingxin-1 barley starch had higher swelling power.The results of pasting properties suggested that the small-sized granules had higher peak viscosity, breakdown and final viscosity of than the medium and small-sized granules.The results of digestibility characteristics showed that the rapidly digestible starch content of barley starch increased with the decrease of granule size, but the influence of granule size on its slowly digestible starch and resistant starch contents was not regular.【Conclusion】The granule size had a great influence on the structural characteristics of barley starch, such as the amylose content, the fine structure of amylopectin, and the relative crystallinity, thereby affecting the thermal properties, pasting properties, and digestibility characteristics of barley starch.The application characteristics of barley starch with different granule sizes were worthy of in-depth study.

starch granule size; barley starch; molecular structure; processing characteristics; digestibility characteristics

2021-06-17；

2021-09-08

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31871837）、國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金（31601401）、2019年重慶市留學(xué)人員回國(guó)創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新支持計(jì)劃（cx2019071）、重慶市技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用發(fā)展專項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目（cstc2019jscx-dxtwBX0029）

肖璐婷，E-mail：xlt123456789@email.swu.edu.cn。通信作者葉發(fā)銀，E-mail：fye@swu.edu.cn.

（責(zé)任編輯 趙伶俐）