微波處理對白高粱淀粉理化特性的影響

劉佳男，于 雷，王 婷，李帥斐，王偉旭

（吉林農業大學食品科學與工程學院，吉林 長春 130118）

微波處理對白高粱淀粉理化特性的影響

劉佳男，于 雷*，王 婷，李帥斐，王偉旭

（吉林農業大學食品科學與工程學院，吉林 長春 130118）

利用微波對淀粉含量較高的白高粱進行預熟化處理。分別提取天然和微波處理的白高粱淀粉，通過掃描電子顯微鏡、偏光十字法、差示掃描量熱分析、X-射線衍射分析、傅里葉變換紅外光譜等方法比較研究天然和微波處理的白高粱淀粉在理化特性方面的差異。結果發現，微波處理后的白高粱淀粉偏光十字變得模糊，近半數已經消失，淀粉顆粒發生膨脹。同時淀粉中抗性淀粉含量、相對結晶度、相變溫度范圍和相變吸熱焓均減小。但是天然和微波處理的白高粱淀粉紅外光譜具有相同的結構特征。結果表明微波處理有利于白高粱淀粉糊化，但不影響淀粉的化學組成。

微波處理；白高粱；淀粉；理化特性

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高粱（Sorghum bicolor (L.) Moench）屬于禾本科（Gramineae）高粱屬，又名蜀黍、高粱米、蘆粟等[1-2]，自古就有“五谷之精、百谷之長”的盛譽[3]。高粱具有涼血、解毒之功，可入藥，用于防治多種疾病[4]。常吃高粱粥和高粱米飯，可治積食等消化不良癥。中醫認為，高粱“性味甘平微寒，和胃健脾，消積止瀉，可用來治療濕熱、下痢、小便不利”等[5-7]。

淀粉是高粱籽粒中含量最多的碳水化合物[8]，其理化性質的變化直接影響到白高粱的食用品質。但是白高粱顆粒結構致密，淀粉較難糊化[9]，添加到大米中食用時需提前浸泡或預先蒸煮。這給廣大消費者帶來了不便，也不適應現代快節奏的生活方式，限制了白高粱在方便快餐食品中的應用。微波熱效應具有加熱迅速、食品營養成分保留率高等特點，已被廣泛應用于生物醫藥以及食品加工領域[10]。利用微波技術對白高粱進行預熟化處理，不僅可以縮短蒸煮時間，保持外觀形態完好，增加米飯食品的營養和口感；同時，煮后白高粱的糊化度高，易于人體消化吸收。

本研究將微波直接作用于完整的白高粱籽粒，再將淀粉從白高粱籽粒中分離出來，利用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscopy，SEM）、差示掃描量熱分析儀（differential scanning calorimetry，DSC）和X-射線衍射（X-ray diffraction，XRD）分析儀、傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR）等方法觀察淀粉顆粒的形貌、結晶、焓值等變化，研究微波處理白高粱對其淀粉理化特性的影響，以期為白高粱的開發和利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

白高粱 吉林省洮南市遠望雜糧雜豆專業合作社。

溴化鉀（光譜純）、氫氧化鈉、鹽酸、酒石酸鉀鈉、正丁醇、二甲基亞砜等均為分析純；K-RSTAR抗性淀粉試劑盒 愛爾蘭Megazyme公司。

1.2 儀器與設備

EM-L530TB 型微波爐 合肥榮事達三洋電器股份有限公司；RHP-600型高速多功能粉碎機 浙江榮浩工貿有限公司；53655掃描電子顯微鏡 費爾伯恩實業發展（上海）有限公司；TU-1901型雙光束紫外-可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司；DSC-60A差示掃描量熱儀 日本島津公司；KP-201偏光顯微鏡 上海思長約光學儀器有限公司；D8X-射線衍射儀 福州萊博特科學儀器有限公司；470FT-IR 紅外分析儀 美國Nicolet Nexus公司；GL-21LM高速冷凍離心機 成都比朗實驗設備有限公司；小型真空冷凍干燥機 上海比朗儀器制造有限公司。

1.3 方法

1.3.1 淀粉提取

白高粱在25 ℃條件下浸泡100 min，使其充分吸水，在微波功率900 W下間歇作用，最佳時間為80 s。將天然和微波熱處理的白高粱籽粒，分別放到粉碎機中破碎，過100 目篩。篩后的細粉用真空包裝袋封裝，室溫條件下貯存，備用。參照王穎等[11]淀粉堿法提取方法。取10 g過100 目篩的白高粱粉，與0.2% NaOH溶液按1∶5（質量比）的比例混和均勻，于37 ℃恒溫搖床中100 r/min反應48 h，反應過程中，更換1次 NaOH溶液。反應結束后10 000×g離心30 min，并刮去淀粉表層黃色軟物質。用去離子水清洗沉淀5 次，至清洗沉淀后的上清液pH≤7，且表層無黃色物質。沉淀加入體積分數63%的正丁醇

100 mL，攪拌脫脂18 h。再用去離子水清洗3 次，將沉淀冷凍干燥，粉碎機間歇粉碎30 s，粉末置于干燥器中備用。

1.3.2 營養成分的測定

考察微波處理前后白高粱營養成分包括淀粉、蛋白質和粗脂肪等含量的變化。淀粉含量的測定：參考GB/T 5009.9—2008《食品中淀粉的測定》；蛋白質含量的測定：參考GB 5009.5—2010《食品中蛋白質的測定》；脂肪含量的測定：參考GB/T 5512—2008《糧油中粗脂肪含量測定》；水分含量的測定：參考GB/T 5009.3—2003《食品中水分的測定》。

1.3.3 SEM觀察

用SEM觀察天然和微波處理的白高粱淀粉的顆粒形態變化。將導電雙面膠帶貼于SEM的載物臺上，取少量干燥后的淀粉樣品在雙面膠上均勻涂抹，用吸耳球吹去多余淀粉，將載物臺放入鍍金儀器中，鍍金120 s后取出放入SEM中觀察，電子槍加速電壓為3 kV，以減少對淀粉顆粒的破壞。

1.3.4 偏光十字觀測

利用偏光顯微鏡觀察天然和微波熱處理的白高粱淀粉顆粒內部偏光十字的變化。淀粉樣品制成質量分數8%淀粉懸浮液，將淀粉懸浮液倒在載玻璃片上，用偏振顯微鏡在40 倍條件下觀察。

1.3.5 抗性淀粉含量測定

稱取100 mg全粉樣品，加4.0 mL淀粉葡糖苷酶（3 U/mL）和α-胰淀粉酶（30 U/mL）混合液，37 ℃、100 r/min連續振蕩16 h。加4.0 mL無水乙醇混勻，1 500×g離心10 min。棄上清液，加8 mL 50%乙醇混勻，1 500×g離心10 min，重復上述步驟。加2 mL 2 mol/L的KOH溶液，冰水浴中攪拌20 min。加8 mL 1.2 mol/L的醋酸鈉緩沖液（pH 3.8），加0.1 mL淀粉葡糖苷酶溶液（3 300 U/mL），50 ℃水浴30 min。將樣品定容至100 mL，1 500×g離心10 min。取0.1 mL上清液，加3.0 mL D-葡糖氧化酶/過氧化物酶試劑，50 ℃水浴20 min，測此時510 nm波長處相對于空白試劑（0.1 mL D-葡萄糖標準品）的吸光度。按式（1）計算抗性淀粉含量：

式中：ΔE為相對于空白試劑的吸光度；F為標準品對應的D-葡萄糖吸光度除以100（標準品的μg數量）；m為樣品的干質量/mg。

1.3.6 DSC分析

樣品的熱特性分析采用DSC測定，加熱速率為10 ℃/min，測試范圍為30～110 ℃，樣品通過100 目篩，稱取絕干樣品3.0 mg，加水9.0 mg，壓片，25 ℃條件下平衡1 h，高純氮氣保護，并用空白盤作參比。

1.3.7 XRD分析

XRD儀條件：Cu靶，Kα射線，λ=0.15 nm，石墨單色器，管壓40 kV，電流250 mA，掃描范圍6°～40°；步進掃描，步寬：Δ2θ=0.02°；固定時間2 s[12-13]。結晶度（Xc）為結晶區域占衍射區域的百分比，根據XRD圖譜按式（2）計算結晶度：

式中：Ac為結晶區部分面積；Aa為非晶區的面積。

1.3.8 FT-IR掃描

紅外光譜掃描以內置背景為參照，掃描數據以吸光度形式存儲。紅外光譜制樣采用KBr壓片法[14]，稱取樣品（3±0.05） mg，加入預先研磨過的KBr粉末至總質量（300±0.l） mg，進一步研磨混合，以空氣為背景采集紅外光譜圖，掃描波數400～4 000 cm－1，掃描64 次，分辨率為4 cm－1，每個樣品測量3 次，取平均光譜。

1.4 統計分析

2 結果與分析

2.1 微波處理對白高粱淀粉顆粒微觀形貌的影響

圖 1 天然和微波處理淀粉顆粒的SEM圖及偏光十字圖Fig. 1 SEM images and cross polarized micrographs of native and microwave-treated starch

由圖1A1可知，天然白高粱淀粉多為類圓形和不規則形狀，表面內凹，顆粒較大，其中部分顆粒表面有類蜂窩狀結構，少數顆粒小的為球形，表面光滑。由圖1B1可以明顯看出，微波處理后的白高粱淀粉形狀基本不變，但是顆粒表面出現裂紋，甚至破碎。圖1A2可以看見白高粱淀粉大顆粒完整，微波處理后（圖1B2）可以明顯看出白高粱淀粉顆粒破碎，增大了表面積，使其在與大米共同蒸煮過程中更容易吸水膨脹，縮短蒸煮時間。通過測量，天然白高粱淀粉顆粒的直徑范圍在4.54～22.9?μm之間，這與田曉紅等[15]的結果相符；微波處理白高粱淀粉顆粒的直徑范圍在6.04～23.7?μm之間，由此可以得出微波處理使得白高粱淀粉顆粒膨脹。

由圖1C3和圖1B3比較可知，微波處理后的白高粱淀粉顆粒偏光十字模糊，超過半數已經消失，部分淀粉顆粒發生膨脹。經過微波處理后，白高粱淀粉分子內部有序排列的結晶區域結構被破壞，從而導致淀粉偏光十字消失。Donovan[16]的研究也指出偏光十字的消失與淀粉顆粒的膨脹同時發生。這與SEM所得到的結果相互印證，說明微波處理對白高粱淀粉顆粒具有膨脹作用。

2.2 微波處理對白高粱淀粉營養成分的影響如表1所示，淀粉是白高粱的最主要成分，是重要的能量來源[17]。微波處理后的白高粱與天然白高粱相比，總淀粉和蛋白質含量均有所增加，這是由于微波的熱效應破壞了白高粱中原有的淀粉和蛋白質等物質的聚集結構，使淀粉和蛋白質充分釋放。微波處理后的白高粱中粗脂肪有所下降，這可能是由于微波處理過程中的米水體系溫度較高導致脂肪水解所造成的[18]。

表 1 天然和微波處理白高粱的營養成分（n=3）Table 1 Nutrient contents of native and microwave-treated white sorghum (n= 3)

2.3 微波處理對白高粱淀粉熱特性的影響

表 2 天然和微波處理淀粉的DSC特征值和抗性淀粉含量Table 2 DSC characteristic values and resistant starch content of native and microwave-treated starch

用DSC法測定白高粱的熱力學性質特征值如表2所示。在淀粉糊化的過程中，淀粉顆粒在水中因受熱吸水膨脹，使其分子內和分子間的氫鍵破裂，結晶結構被破壞，淀粉顆粒擴散，可溶性淀粉溶出[19]，在此過程中伴隨的能量變化在DSC分析圖譜上表現為吸熱峰。從表2可以看出，在60～90 ℃之間存在一個明顯的吸熱峰。白高粱處理前后的糊化溫度較低，在60 ℃左右，這說明淀粉顆粒中的部分結晶結構在較低的溫度條件下即可被破壞。淀粉的相變吸熱焓代表在相轉變過程中雙螺旋鏈的解開和融化所需要的能量[20]。由表2可知，微波處理后，相變吸熱焓有所下降，說明處理后的白高粱淀粉中雙螺旋鏈減少，淀粉顆粒結晶區相鄰支鏈淀粉雙螺旋的相互作用力減弱，淀粉顆粒中的分子排列變得無序化，使淀粉更容易糊化。

抗性淀粉是指那些不能被健康人體小腸消化吸收的淀粉及其降解產物[21]。由表2可知，微波處理后白高粱的抗性淀粉含量從15.11%降低至8.99%，抗性淀粉含量的降低，使白高粱淀粉更易于水解，提高了白高粱在人體內的的消化吸收率。Montealvo等[22]研究發現抗性淀粉的含量與焓值呈顯著正相關關系。因此，隨著白高粱中抗性淀粉含量的降低，DSC的相變吸熱焓也隨之降低，淀粉吸收較少的熱量就能糊化。另外，李光磊[23]、張淑梅[24]等的研究還表明，隨著抗性淀粉含量升高，淀粉的最高黏度隨之降低，將影響米飯的食味。可見微波處理后白高粱抗性淀粉含量降低，不但有利于淀粉糊化，還有助于提高白高粱與大米共煮同熟時的食用品質。

2.4 微波處理后白高粱淀粉結晶結構分析

圖 2 天然白高粱（A）和微波處理白高粱（B）淀粉的XRD圖譜Fig. 2 XRD spectra of native (A) and microwave-treated (B) white sorghum starch

白高粱處理前后淀粉XRD圖譜如圖2所示，天然白高粱淀粉的特征峰在衍射角2θ為15.1°、17.3°、23.1°處有明顯吸收峰，如圖2B所示，微波處理白高粱淀粉的特征峰在衍射角2θ為15.2°、17.0°、23.0°處有明顯的吸收峰，由此可以確定天然白高粱淀粉的晶體構型為A型晶體，而微波處理后白高粱淀粉晶體構型也沒有改變，仍為A型淀粉。淀粉的結晶性質是在植物生長過程中受基因調控以及所處環境條件所決定的，并且受到結晶區中淀粉分子鏈的長短以及支鏈淀粉的支叉程度的影響[25-26]。從圖2計算得到，天然白高粱淀粉的結晶度為25.88%，微波處理白高粱淀粉的結晶度為18.08%。可見白高粱處理后的結晶度顯著下降，可能是由于微波產生的熱效應使淀粉顆粒結晶區的雙螺旋解離，破壞了淀粉的結晶區域結構，導致部分淀粉顆粒糊化。Gunaratne[26]、王敏妮[27]等研究也認為結晶度下降會使淀粉結晶區域的結構特征變弱，無定形區域的結構特征變強。

2.5 微波處理后白高粱淀粉FT-IR分析

圖 3 天然（A）和微波處理（B）白高粱淀粉的FT-IR圖譜Fig. 3 FT-IR spectra of native (A) and microwave-treated (B) starch

微波處理前后的FT-IR掃描如圖3所示，由FT-IR可以反映白高粱淀粉分子集團的結構特征。對比天然與微波處理白高粱淀粉的紅外光譜圖，可以看出400～4 000 cm－1的整個光譜范圍內，處理前后的白高粱淀粉具有相同的結構特征，吸收峰位置基本一一對應[29]，說明微波加熱不會改變淀粉分子的化學鍵組成，也沒有產生新的化學物質[30]，微波處理的快速加熱效應及非熱效應均不會破壞淀粉分子的化學鍵，處理后的白高粱淀粉仍具有天然淀粉的典型特征。

3 結 論

本實驗研究結果發現，微波處理后的白高粱淀粉的晶型結構未發生變化，但是淀粉顆粒偏光十字比較模糊，近半數已經消失，淀粉顆粒發生膨脹。同時微波處理后淀粉的相對結晶度、相變溫度和相變吸熱焓均降低，雙螺旋鏈減少，抗性淀粉含量降低，表明微波處理可以使白高粱淀粉更容易糊化。這可能是由于淀粉顆粒結晶區相鄰支鏈淀粉雙螺旋的相互作用力減弱，結晶區域結構遭到破壞造成的。微波處理使得白高粱在與大米共煮時更容易熟化，可為白高粱的利用提供參考方法。

[1] 劉禹, 段江蓮, 李為琴, 等. 高粱米不同溶劑提取物的抗氧化活性研究[J]. 中國糧油學報, 2013, 28(6): 36-39. DOI:10.3969/ j.issn.1003-0174.2013.06.008.

[2] 劉明, 劉艷香, 張敏, 等. 雙螺桿擠壓工藝參數對模頭壓力及白高粱粉擠壓產品品質特性的影響[J]. 食品工業科技, 2009, 30(6): 95-101. DOI:10.13386/j.issn1002-0306.2009.09.021.

[3] 吳麗. 加工過程對高粱功效成分與功能活性的影響[D]. 北京: 中國農業科學院, 2012: 1.

[4] KAMATH V G, CHANDRASHEKAR A, RAJINI P S. Antiradical properties of sorghum (Sorghum bicolor?(L.)?Moench)?f l our?extracts[J].?Journal of Cereal Science, 2004, 40: 283-288.

[5] 陳永發, 鐘春梅, 蘇芳, 等. 高粱在人類食品中的應用[J]. 糧食加工, 2013, 38(4): 49-53.

[6] OLAYINKA O O, ADEBOWALE K O, OLU-OWOLABI B I. Effect of heat-moisture treatment on physicochemical properties of white sorghum starch[J]. Food Hydrocolloids, 2008, 22(2): 225-230. DOI:10.1016/j.foodhyd.2006.11.004.

[7] CHUNG O K, BEAN S R, PARK S H. Sorghum foods: new health benefits from an ancient grain[J]. Food Science International Symposium, 2004, 7: 18-19.

[8] 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): 123-127. DOI:10.3969/j.issn.1003-0174.2012.07.027.

[9] 陳靜, 劉宏, 沈群. 12 種雜糧米蒸煮特性研究[J]. 食品科技, 2012, 37(9): 143-146. DOI:10.13684/j.cnki.spkj.2012.09.055.

[10] ZHANG M, TANG J, MUJUMDAR A S, et al. Trends in microwaverelated drying of fruits and vegetables[J]. Trends in Food Science & Technology, 2006, 17(10): 524-534.

[11] 王穎, 晁桂梅, 楊秋歌, 等. 不同提取工藝對糜子淀粉糊化特性的影響[J]. 西北農林科技大學學報(自然科學版), 2013, 41(11): 154-159. DOI:10.13207/j.cnki.jnwafu.2013.11.021.

[12] WANG Shujun, SHARP P, COPELAND L. Structural and functional properties of starches from field peas[J]. Food Chemistry, 2011, 126(4): 1546-1552. DOI:10.1016/j.foodchem.2010.11.154.

[13] FROST K, KAMINSKI D, KIRWAN G, et al. Crystallinity and structure of starch using wide angle X-ray scattering[J]. Carbohydrate Polymers, 2009, 78(3): 543-548. DOI:10.1016/j.carbpol.2009.05.018.

[14] SINGH N, BELTON P S, GEORGET D M R. The effects of iodine on kidney bean starch: films and pasting properties[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2009, 45(2): 116-119. DOI:10.1016/j.ijbiomac.2009.04.006.

[15] 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.

[16] DONOVAN J W. Phase transitions of the starch-water system[J]. Biopolymers, 1979, 18: 263-275.

[17] 陸勇, 郭麗慧, 李學紅, 等. 高粱淀粉的理化特性及其水解率的研究[J].食品工業, 2015, 36(9): 29-32.

[18] 楊文慧, 高昂, 鞏江. 微波加工對食品營養成分影響的研究進展[J].寧夏農林科技, 2011, 52(3): 61-62.

[19] 吳俊, 謝守和. 玉米淀粉的粒度效應對其糊化行為影響研究[J]. 中國糧油學報, 2006, 21(6): 51-53.

[20] 李文浩, 譚斌, 劉宏, 等. 我國9 個品種綠豆淀粉的理化特性研究[J]. 中國食品學報, 2013, 13(4): 58-63. DOI:10.16429/j.1009-7848.2013.04.022.

[21] 嚴梅榮. 抗性淀粉測定方法的研究進展[J]. 食品科學, 2006, 27(4): 251-254.

[22] MONTEALVO M, CARMEN M G D. Thermal properties and resistant starch content of green banana flour (Musa cavendishii) produced at different drying conditions[J]. LWT-Food Science and Technology, 2009, 42(5): 1022-1025.

[23] 李光磊, 李新華, 范媛媛. 抗性淀粉黏度特性的研究[J]. 糧油加工與食品機械, 2006(2): 80-82.

[24] 張淑梅, 張建明, 李丁魯, 等. 高抗性淀粉粳稻新品系稻米淀粉鏈長分布與主要品質特征差異[J]. 中國農業科學, 2009, 42(6): 2237-2243.

[25] KAUR M, OBEROI D P S, SOGI D S, et al. Physicochemical, morphological and pasting properties of acid treated starches from different botanical sources[J]. Journal of Food Science and Technology, 2011, 48: 460-465. DOI:10.1007/s13197-010-0126-x.

[26] GUNARATNE A, HOOVER R. Effect of heat-moisture treatment on the structure and physicochemical properties of tuber and root starches[J]. Carbohydrate Polymers, 2002, 49: 425-437. DOI:10.1016/ S0144-8617(01)00354-X.

[27] 王敏妮, 羅志剛, 涂雅俊, 等. 超聲處理對玉米淀粉顆粒性質的影響[J]. 現代食品科技, 2010, 26(5): 448-450. DOI:10.13982/ j.mfst.1673-9078.2010.05.007.

[28] 朱帆, 徐廣文, 姚歷, 等. 小麥淀粉顆粒的微觀結構研究[J]. 食品科學, 2008, 29(5): 93-96.

[29] MILLANTESTA C E, MENDEZMONTEALVO M G, OTTENHOF M A, et al. Determination of the Molecular and structural characteristics of okenia, mango, and banana starches[J]. Journal of Agricultural & Food Chemistry, 2005, 53(3): 495-501.

[30] 滿建民, 蔡燦輝, 嚴秋香, 等. 紅外光譜技術在淀粉粒有序結構分析中的應用[J]. 作物學報, 2012, 38(3): 505-514.

Effect of Microwave Treatment on Physicochemical Properties of White Sorghum Starch

LIU Jianan, YU Lei*, WANG Ting, LI Shuaifei, WANG Weixu
(College of Food Science and Engineering, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China)

The aim of this study was to determine the differences in the physicochemical properties of starch granules extracted from native and microwave precooked white sorghum by scanning electron microscopy, polarizing microscopy, differential scanning calorimetry, X-ray diffraction and Fourier transform infrared spectroscopy. It was found that the polarized crosses of the microwave-treated starch became more blurred, with nearly half disappearing. In addition, the starch granules became swelled, along with a reduction in resistant starch, relative crystallinity, phase transition temperature range and endothermic enthalpy. But both starches had the same structural characteristics as demonstrated by the infrared spectra of the samples. The results showed that microwave treatment was helpful for starch gelatinization while not changing the chemical composition of white sorghum starch.

microwave treatment; white sorghum; starch; physicochemical properties

10.7506/spkx1002-6630-201705030

TS210.1

A

1002-6630（2017）05-0186-05

劉佳男, 于雷, 王婷, 等. 微波處理對白高粱淀粉理化特性的影響[J]. 食品科學, 2017, 38(5): 186-190. DOI:10.7506/

spkx1002-6630-201705030. http://www.spkx.net.cn

LIU Jianan, YU Lei, WANG Ting, et al. Effect of microwave treatment on physicochemical properties of white sorghum starch[J]. Food Science, 2017, 38(5): 186-190. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201705030.

2016-04-05

吉林省重大科技攻關專項（20130204046NY）

劉佳男（1990—），女，碩士研究生，研究方向為農產品加工及貯藏工程。E-mail：liujianan0814@163.com

*通信作者：于雷（1973—），男，教授，博士，研究方向為食品科學與糧油加工。E-mail：leiyujl@sina.com