汽蒸處理對苦蕎麥粉物化和結構特征的影響

李芮，李云龍，侯麗冉，劉曉慶，湯尚文，豁銀強*

1(湖北文理學院，湖北 襄陽，441053) 2(山西省農業科學院，山西 太原，030031)

蕎麥(Fagopyrum)是一種假谷物，分為甜蕎麥(Fagopyrumesculentum)和苦蕎麥(Fagopyrumtataricum)2類栽培種，此外還有一些野生蕎麥品種[1]。甜蕎麥起源于中國云南省西北部[2]，苦蕎麥起源于中國四川省西北部[3]。蕎麥以其獨特的營養和保健功能被譽為“五谷之王”，是一種“食藥兩用”的糧食珍品[4]。中國是蕎麥生產大國，其中苦蕎麥主要分布在四川、貴州、云南、山西、陜西、甘肅等省及江西、湖南和湖北等一些區域[5]。相對于甜蕎麥來說，苦蕎麥含有更為全面均衡的氨基酸，豐富的油酸、亞油酸、膳食纖維、多種維生素及微量元素等營養組分，還含有生物黃酮、高活性蛋白、抗性淀粉等豐富的生物活性成分[6]，特別是含有其他谷類作物所不具有的黃酮類化合物，苦蕎麥具有降血糖、降血脂、抗氧化、抗癌、抗高血壓和降膽固醇等多種功能[7]。隨著人們對健康及營養狀況關注度增加，越來越重視苦蕎的營養與藥用價值，苦蕎已成為一種重要的保健食品原料。

盡管苦蕎含有較高的蘆丁等促健康組分，但苦蕎粉或苦蕎產品通常因具有較強的苦味而限制了其在食品領域中的應用。在含有一定水分的情況下，苦蕎麥籽粒內的蘆丁水解酶被激活，將蘆丁水解為具有苦味的槲皮素[5]。汽蒸、沸水煮及高溫擠壓處理均能有效抑制苦蕎麥中槲皮素的形成，從而有效地保留苦蕎麥中的蘆丁[5,8]。相對于高溫擠壓及沸水煮，汽蒸處理操作簡單且不會產生大量的廢水，因而在苦蕎脫苦處理方面具有一定的優勢。但目前有關汽蒸處理對苦蕎特性影響的研究還鮮有報道。本文主要研究汽蒸脫苦處理對苦蕎麥粉特性和結構的影響，以便為汽蒸處理苦蕎麥的開發與應用提供指導。

1 材料與設備

1.1 材料與試劑

苦蕎麥產于2017年，由山西省農業科學院提供；淀粉總量檢測試劑盒，愛爾蘭Megazyme公司；光譜純溴化鉀，阿拉丁試劑公司；其他常規試劑均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

SZ24S1不銹鋼蒸鍋，浙江蘇泊爾股份有限公司； JYC-21ES55C 電磁爐，杭州九陽生活電器有限公司；JA12002 電子精密天平，瑞士梅特勒公司；UltraSan PRO色度儀，美國HunterLab公司；TechMaster快速黏度儀，瑞典Perten公司；Mastersizer 3000激光粒度儀，英國馬爾文公司；DM2700P偏光顯微鏡，德國萊卡公司；Nexus 470傅里葉變換紅外光譜儀，美國Thermo Nicolet公司；D8 Advance X-射線衍射儀，德國Bruker公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 蕎麥汽蒸處理

當蒸鍋產生蒸汽后，將適量蕎麥置入蒸鍋鋪有紗布的蒸格上，經汽蒸處理10 min，然后室溫下冷卻，40 ℃烘箱干燥12 h。樣品經除雜、脫殼和粉碎后過60目篩，于干燥器中室溫保存備用。

1.3.2 常規成分分析

水分含量的測定參照GB/T 5009.3—2016；灰分含量的測定參照GB 5009.4—2010；粗蛋白含量測定參照GB 5009.5—2016，氮轉換系數取6.25；粗脂肪含量的測定參照GB/T 5512—2008；總淀粉含量分析根據試劑盒說明書進行。

1.3.3 色度的分析

采用UltraScan PRO色度儀進行色度分析，L*表示白/黑比值(100=白色；0=黑色)，b*表示黃/藍比值(正值=黃色；負值=藍色)，a*表示紅/綠比值(正值=紅色；負值=綠色)。測試前用白色標準板校正色差儀，每組3個重復，結果取平均值±標準差。白度值(W)按公式(1)計算：

(1)

1.3.4 糊化特性

采用快速黏度儀(RVA)測定樣品的糊化特性。分別稱取2.5 g苦蕎粉和25 g純水。將樣品測量罐置于RVA測試儀中，放入攪拌器。利用攪拌器上下混合均勻，使淀粉完全浸入水中后進行測試。測試程序如下：50 ℃保持90 s，0.2 ℃/s勻速升溫，在95 ℃保持150 s，然后以0.2 ℃/s勻速降溫，50 ℃保持90 s。測試前10 s，轉速為960 r/min，然后維持為160 r/min。

1.3.5 粒徑和表觀形貌分析

采用激光粒度儀分析樣品的粒徑分布，獲得大米粉樣品的Dv10、Dv50、Dv90和分布跨度(Span)值，如式(2)所示。

Span=(Dv90-Dv10)/Dv50

(2)

Dv10和Dv90分別代表樣品中小于該值的粒徑體積占樣品總體積的10%和90%；Dv50為中位徑,即有50%的顆粒粒徑低于此值。

采用偏光顯微鏡分析樣品的顆粒形貌。樣品用適量蒸餾水分散后涂布于載玻片上，蓋上蓋玻片后進行顯微觀察。

1.3.6 結晶特性

利用X-射線衍射儀(XRD)分析樣品的結晶特征。操作電壓40 kV，電流30 mA，以Cu作為靶。將樣品置于樣品架上，掃描速率8 °/min，收集衍射角2θ在4～50°的衍射數據。

1.3.7 傅里葉紅外光譜(FTIR)

采用配備有Omnic操作軟件的傅里葉變換紅外光譜儀獲得樣品全波段掃描(400～4 000 cm-1)的FTIR譜圖。將KBr晶體放入遠紅外快速干燥器中充分干燥，取2 mg待檢測樣品與200 mg KBr于研缽中，混合研磨，壓片，將壓片放入載片槽中。以空氣為參比背景，背景掃描64次，分辨率2 cm-1，樣品掃描64次。

1.3.8 數據處理

每個處理至少做3個獨立的重復實驗。利用SAS 8.0軟件的t檢驗分析2組樣品的差異性。用Origin 9.0進行圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 汽蒸對蕎麥粉常規成分的影響

汽蒸處理對苦蕎粉常規成分的影響結果如表1所示。蕎麥粉的主要營養組分是淀粉，占總干物質質量的66%左右，第二大營養組分是蛋白質，占干物質質量的7%左右。汽蒸處理對苦蕎麥的水分、粗脂肪及總淀粉含量影響不顯著。汽蒸處理使苦蕎麥粉的粗灰分含量和粗蛋白含量分別由對照的0.63%和7.05%增加到0.91%和7.42%，原因可能是處理過程中蕎麥籽殼中的部分礦物質及含氮物質擴散到穎果內，進而使苦蕎麥粉的粗灰分和粗蛋白含量增加。

表1 汽蒸和未處理苦蕎麥常規成分含量 單位：%干基

注：字母不同表示兩者有顯著差異(P<0.05)。下同。

2.2 汽蒸對蕎麥粉色度的影響

汽蒸處理對苦蕎粉顏色特征的影響如表2所示。汽蒸處理引起苦蕎粉的亮度值(L*)和紅色色調值(a*)降低，而白度值(W)和黃度值(b*)顯著升高。一方面可能是汽蒸處理引起淀粉顆粒周圍的蛋白質變性及脂質體熔融而分布在淀粉顆粒表面，進而使樣品的亮度值降低；另一方面，汽蒸處理引起苦蕎麥殼中的礦物質及色素類物質進入穎果內，進而使粉碎所得蕎麥粉的黃度值升高。此外，導致多酚類化合物氧化的過氧化物酶失活能夠改善粉狀樣品的色澤[9]。這可能是汽蒸處理引起苦蕎麥粉的白度顯著增加的原因。

表2 汽蒸處理對苦蕎麥粉色度的影響Table 2 Effects of streaming on color values of buckwheat flour

2.3 汽蒸對苦蕎麥粉糊化特性的影響

圖1是汽蒸和對照苦蕎麥粉的RVA曲線圖。汽蒸和對照苦蕎粉RVA曲線的總體變化趨勢相似。升溫初期，苦蕎粉的黏度非常低且變化較小，當溫度達到70 ℃左右時，淀粉顆粒無定型區受熱開始膨脹及蛋白質水化，引起苦蕎粉糊的黏度增加。隨著加熱溫度進一步升高，淀粉顆粒結晶區開始熔融并發生膠凝化，直鏈淀粉從淀粉顆粒擴散到水中形成膠體溶液。直鏈淀粉與脂質復合體熔融及蛋白質變性伸展均會引起樣品黏度迅速增加。當淀粉顆粒膨脹與剪切達到平衡時黏度達到峰值。在最高溫度保持一段時間，淀粉顆粒崩解，黏度又降低。隨溫度下降，淀粉分子熱運動減弱，淀粉顆粒和膠體網絡收縮，流動阻力增大，導致黏度上升[10]。

圖1 蕎麥粉RVA曲線圖Fig.1 RVA curve of buckwheat flour

汽蒸和對照苦蕎粉的糊化特征參數如表3所示。汽蒸處理顯著降低了苦蕎粉的峰值黏度、回生值、崩解值和最終黏度，這可能與淀粉發生部分糊化有關，部分糊化的淀粉受熱膨脹的幅度減小，進而引起糊化相關特征黏度參數減小。汽蒸處理使苦蕎粉的糊化溫度顯著提高，可能是由于淀粉顆粒中無定型區淀粉分子在汽蒸過程中發生了交聯，進而需要更多的熱量使淀粉結構破壞形成凝膠糊[11]。樣品糊化特征參數改變也可能與苦蕎粉中蛋白、黃酮及脂質等組分發生變化有關[12]。回生值是冷卻過程中淀粉分子重新定向和互作，其常用于表征淀粉糊的回生傾向性[13]，回生值降低表明汽蒸處理提高了苦蕎麥粉糊的穩定性。

表3 汽蒸和未處理苦蕎麥粉的糊化特征參數Table 3 Pasting properties of streamed and untreated buckwheat flour

2.4 汽蒸對苦蕎粉粒徑和表觀形貌的影響

汽蒸處理及對照苦蕎粉的粒徑分布如圖2所示。由圖2可知，汽蒸處理和對照苦蕎粉的粒徑均表現為雙峰分布，粒徑在10 μm附近出現1個小峰，而在粒徑100 μm附近出現1個大峰。汽蒸處理并未引起新峰出現，僅表現出大顆粒組分的比例略有增加。

圖2 汽蒸和對照苦蕎粉的粒徑分布圖Fig.2 Particle size distribution of streamed and untreated buckwheat flour

Dv10、Dv50、Dv90和Span等表征苦蕎粉粒徑大小分布特征的參數如表4所示。相對于未處理苦蕎粉，汽蒸處理引起苦蕎粉的粒徑顯著增加， Dv10、Dv50和Dv90分別增加15%、8%及9%左右，而汽蒸處理對苦蕎粉的Span沒有產生明顯的影響。造成苦蕎粉粒徑增大的主要原因可能是汽蒸引起部分淀粉顆粒受熱發生輕微的膨脹，進而使苦蕎粉的表觀粒徑增大。此外，汽蒸處理導致部分淀粉顆粒發生黏連也可能是造成苦蕎粉粒徑增加的潛在因素。

表4 汽蒸處理對苦蕎麥粉粒徑參數的影響Table 4 Effects of streaming on size characteristics of buckwheat flour

汽蒸和對照苦蕎粉中淀粉的偏光顯微鏡觀察結果如圖3所示。苦蕎淀粉表現出典型的正偏光十字特征。苦蕎淀粉的粒徑大小并不均一，主要存在兩類不同大小的淀粉顆粒，小粒徑淀粉顆粒的含量相對較低，該結果與激光粒度分析的結果相一致。汽蒸脫苦處理使淀粉顆粒的粒徑略有增加，但未對苦蕎淀粉晶體結構產生明顯的破壞作用，該結果進一步證實汽蒸處理僅引起部分淀粉顆粒發生輕微的糊化。

圖3 汽蒸和對照苦蕎粉中淀粉的偏光顯微鏡圖Fig.3 Polarized light microscopy of in the starches of streamed and untreated buckwheat flour

2.5 汽蒸處理對苦蕎粉結晶結構的影響

淀粉是苦蕎粉的主要成分，占樣品干物質的60%以上。苦蕎粉中的淀粉主要以淀粉顆粒的形式存在，淀粉顆粒是由結晶區和無定型區組成的一種半結晶體系。結晶結構和非結晶結構在XRD譜圖上表現為不同的衍射特征，非結晶區表現出彌散特征，結晶區呈現尖峰特征[14]。根據支鏈淀粉側鏈組成雙螺旋結構的不同，淀粉的晶體類型可以分為A、B和C三種類型[15]。A晶型的衍射角(2θ)在15.3°、17.0°、18.0°、19.7°、22.2°和23.4°附近出現特征衍射峰，B晶型2θ在5.5°、15.0°、17.0°、19.7°、22.2°和24.0°附近有特征衍射峰，C晶型是A晶型和B晶型的混合體，同時表現出A晶型和B晶型特征[16-17]。

由圖4可知，汽蒸處理和對照苦蕎粉中的淀粉均表現出典型的A型結晶特征，2θ在15°和23°附近出現明顯的衍射峰，在17°和18°附近出現連在一起的雙峰。2θ在20°附近有弱峰，表明樣品中存在少量的V型結晶結構。樣品的最強峰均出現在18°附近，汽蒸處理并未改變苦蕎粉中淀粉的結晶類型。對照苦蕎粉中淀粉的結晶度為34.55%，汽蒸脫苦處理苦蕎粉中淀粉的結晶度為33.61%，汽蒸處理使淀粉結晶度略有降低，但t檢驗結果表明兩者差異不顯著。汽蒸處理對苦蕎麥粉中淀粉的結晶結構影響較小，由于原料的水分含量較低(13.7%)，短時間(10 min)高溫處理并未引起淀粉發生凝膠化。有報道稱，熱處理淀粉發生凝膠化的程度與樣品的含水量及溫度有關，熱處理并不能引起低水分含量淀粉發生凝膠化[18]，汽蒸處理不會改變低水分含量大米等樣品淀粉的結晶類型[19]。

圖4 汽蒸處理和對照苦蕎粉的X射線衍射圖Fig.4 X-ray diffraction patterns of streamed and untreated buckwheat flour

2.6 汽蒸處理對苦蕎粉FTIR的影響

圖5 汽蒸處理和對照苦蕎粉的FTIR圖Fig.5 FTIR patterns of streamed and untreated buckwheat flour

表5 汽蒸處理和對照苦蕎粉中蛋白質二級結構及淀粉紅外指數Table 5 Secondary structures of protein (%) and ratio of A1047/A1022 of starch in streamed and untreated buckwheat flour

3 結論

汽蒸處理能夠有效使蘆丁糖苷水解酶失活，進而抑制蘆丁水解為具有苦味的槲皮素且對苦蕎粉的脂肪、淀粉等營養組分含量的影響不顯著，由于種皮中的礦物質及含氮物質成分向穎果中擴散而顯著增加了汽蒸苦蕎粉的粗灰分和粗蛋白的含量。汽蒸處理改變了苦蕎粉中淀粉無定型區分子鏈間的相互作用方式及引起蛋白質分子構象變得松散，進而導致苦蕎粉糊化時的特征黏度參數均降低，而糊化溫度升高。可能由于使引起多酚類化合物氧化的過氧化物酶失活，汽蒸處理苦蕎粉的白度值升高。由于樣品含水量較低及處理時間相對較短，汽蒸處理對苦蕎粉中淀粉的結晶類型及結晶度的影響不顯著，而無定型區淀粉分子螺旋結構受到一定程度的破壞，表現為淀粉的短程有序結構含量略有降低。紅外光譜圖譜中并未出現新的吸收峰，表明汽蒸處理未引起苦蕎粉發生明顯的化學變化。