全麥酒釀關鍵加工工藝對淀粉的理化性質及體外消化性的影響

邵淋淋，曾詩雨，李秀娟，潘思軼

(華中農業大學 食品科技學院，湖北 武漢，430070)

酒釀作為我國特有的傳統酒種，凝聚了中華飲食數千年的精華，有著鮮明的民族文化特色與地域性風味特色。酒釀大多由蒸熟的糯米拌上酒曲發酵而成，其營養豐富、酒度低、酸甜可口，深受廣大群眾的喜愛，并具有保健效果[1]。麥仁酒釀(麥酒)是河南、安徽一帶等小麥產區的民間特產，湖北十堰也很常見，食用方法與米酒無異。目前，關于米酒的研究較多，而麥酒卻未有研究報道。由于技術落后、文化滯后、宣傳推廣不夠等原因，許多特色風味食品面臨失傳，麥酒及麥酒文化也在悄悄退出歷史的舞臺。采用現代高新技術對特色風味食品加工業進行改造、提升和工業化，將是傳統食品發展的必然趨勢。

在廣泛調研麥仁酒釀及類似產品民間制作及食用方法的基礎上，對麥仁酒釀(部分脫皮小麥發酵)和全麥酒釀(未脫皮小麥發酵)的加工工藝、營養和風味特性、小麥品種與酒釀品質的相關性等進行研究[2-4]。全麥酒釀是以整粒小麥為原料，經浸泡、煮制、拌曲發酵而成的一種全麥產品，其顏色淡黃有光澤，氣味香甜怡人，滋味清甜，口感彈糯，營養豐富，含有大量還原糖、游離氨基酸、蛋白質、戊聚糖、礦物質、阿魏酸和膳食纖維等營養物質[2]，具有廣闊的市場前景。全麥酒釀既可作為食品直接食用，又可作為其他食品的原料或輔料進一步加工。

全麥主要由淀粉組成，其含量占干物質的60%～70%。合適的淀粉消化率以及良好的加工性能是改善淀粉營養功能的關鍵[5]。淀粉的理化特性通常包括淀粉的顆粒特性、糊化特性、熱特性、老化特性和流變特性等，這些性質與全麥深加工產品品質的關系最為密切。同時，淀粉的顆粒形態、直鏈與支鏈淀粉的比例、加工處理方式等，又影響淀粉的消化速率[6]。依據淀粉在人體內的消化特點，ENGLYST等[7]將淀粉劃分為快消化淀粉(rapidly digestible starch, RDS)、慢消化淀粉(slowly digestible starch, SDS)和抗性淀粉(resistant starch, RS)，以3種淀粉含量衡量食物中淀粉的體外消化性[8]。攝入含有SDS和RS的淀粉類食品對降低患心血管及其他慢性疾病的風險具有潛在的有益作用[9]。研究全麥酒釀制作過程中小麥淀粉的變化，對提高全麥食品加工特性和功能特性具有重要作用，但該方面的報道甚少。

本文探討了煮制與發酵處理對全麥中淀粉的微觀結構、理化性質以及淀粉體外消化特性的影響，對全麥的開發、利用及全麥的精深加工具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料

小麥，產自湖北武漢新洲；甜酒曲，安琪酵母股份有限公司。

1.2 主要試劑與儀器

胰液素(EC 3.4.23.1)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；淀粉轉葡糖苷酶(EC 3.2.1.3)，上海源葉生物科技股份有限公司；葡萄糖試劑盒(GOPOD)，上海名典生物工程股份有限公司；818型pH計，美國奧利龍的公司；JYZ-C0021料理機，九陽股份有限公司；DHG-9123A恒溫烘箱，上海精宏實驗儀器有限公司；755B紫外可見分光光度計，上海精密科學儀器有限公司；JSM-6390/LV掃描電鏡，日本電子光學儀器有限公司；D8-Advance X-射線衍射儀，德國布魯克有限公司；204F示差量熱掃描儀(DSC)，德國耐馳公司；RVA-4快速黏度測定儀，澳大利亞紐波特科學儀器有限公司。HCl、KH2PO4、Na2HPO4、NaOH，國藥集團化學試劑有限公司，均為分析純。

1.3 試驗方法

1.3.1 全麥酒釀的制作

將小麥淘洗干凈，在25 ℃恒溫浸泡18 h，沸水煮30 min，攤涼后拌曲，拌曲量為小麥干重的0.5%，30 ℃發酵48 h。

1.3.2 淀粉樣品的提取

淀粉的提取參考LIU等[10]的方法稍加修改。將樣品浸泡于蒸餾水中(樣品質量濃度為0.33 g/mL)，轉移至料理機粉碎10 min，懸浮液過100目篩，濾液以3 500 r/min的速度離心5 min，沉淀在40 ℃下恒溫干燥。風干的沉淀中加入0.3% NaOH(樣品在溶液中的質量濃度為0.125 g/mL)，攪拌15 min，室溫下放置過夜。倒掉上清液，用蒸餾水反復洗滌沉淀物，直至上清液呈無色透明狀態。再次浸泡沉淀后將懸浮液過200目篩，濾液于40 ℃下恒溫干燥12 h即可得到淀粉樣品。

1.3.3 掃描電鏡

將淀粉樣品放入真空冷凍干燥機，冷凍干燥24 h。將冷凍干燥后的淀粉樣品固定在金屬樣品平臺上，吹去多余的粉末，在真空下噴涂鉑金，然后用掃描電子顯微鏡(SEM)以10 kV電子束觀察拍攝淀粉的表面狀態。

1.3.4 X-射線衍射

采用X-射線衍射儀進行物相分析，測試條件：管壓40 kV，管流40 mA，掃描速度2.0 °/min，掃描范圍5～30° (2θ)。相對結晶度的計算方法參考NARA等[11]，計算軟件使用MDI-Jade 6.0 software。

1.3.5 表觀直鏈淀粉含量

表觀直鏈淀粉含量參考WILLIAMS等[12]建立的方法進行測定。

1.3.6 熱力學特性研究

采用DSC進行淀粉樣品的熱力學特性測試。稱取2.5 mg干燥淀粉樣品，按m(樣品)∶m(水)=1∶4的比例加入去離子水并混合均勻，壓蓋密封后在室溫下平衡24 h，以空皿為參比，掃描溫度20～80 ℃，掃描速率5 ℃/min。

1.3.7 溶解度與溶脹度

準確稱取4份樣品，淀粉懸浮液的濃度均為1%，分別放入65、75、85、95 ℃水浴30 min。冷卻至室溫，以4 000 r/min的速度離心30 min。取上清液在105 ℃下烘干，稱重，即為水溶性淀粉的質量，計算溶解度。下層為溶脹淀粉部分，由溶脹淀粉質量計算溶脹度，計算公式(1)、(2)為：

(1)

溶脹度B=D/W(1-S)

(2)

式中：C，水溶性淀粉干重；W，淀粉樣品干重；D，溶脹淀粉濕重。

1.3.8 糊化性質

采用RVA快速黏度分析儀測定淀粉糊化特性[13]。在鋁杯中加入3.0 g(干重)淀粉樣品和25 mL去離子水，攪拌使淀粉分散后置于快速黏度分析儀中進行測試。測定程序為標準方法：50 ℃保持1 min，在1～3.75 min以12 ℃/min速度升溫至95 ℃，保持2.5 min，在4.75～8.5 min以12 ℃/min降溫至50 ℃，保持2 min。起始轉速為960 r/min，保持10 s，之后保持160 r/min的速度。測定指標包括峰值黏度、最小黏度、最終黏度、衰減值、回生值和成糊溫度。

1.3.9 淀粉的體外消化性

淀粉體外消化性的測定參照ENGLYST等[7]建立的方法，稍作修改。

酶液配制：由α-淀粉酶液(54 mL)、淀粉轉葡糖苷酶液(4 mL)和蒸餾水(4 mL)混合制得。α-淀粉酶液：準確稱取3.0 g胰液素溶解至80 mL蒸餾水，在35 ℃下以150 r/min恒溫水浴振蕩20 min，以1 500 r/min離心15 min，取上清液備用。淀粉轉葡糖苷酶液：準確稱取2.25 g轉葡糖苷酶溶解至50 mL蒸餾水，然后用α-淀粉酶液同樣的方法配制。

準確稱取200 mg樣品于錐形瓶中，加入15 mL pH 5.2的磷酸緩沖溶液和7顆玻璃珠，將樣品放入37 ℃水浴5 min。加入5 mL混合酶液，于37 ℃水浴中以150 r/min的速度加熱振蕩。分別在0、20和120 min時取出0.5 mL水解液放入4 mL 80%的乙醇中進行滅酶處理，然后5 000 r/min離心10 min以去除雜質。水解液中葡萄糖含量采用葡萄糖試劑盒測定，然后計算RDS、SDS和RS的含量。

1.3.10 統計分析

采用SPSS 17.0分析軟件進行整理與分析，統計分析方法為Duncan檢驗(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 關鍵加工工藝對淀粉微觀結構的影響

2.1.1 淀粉顆粒的微觀形態

如圖1所示，天然的淀粉顆粒主要分為2類：大型的圓盤狀顆粒(A型)和小型的球形顆粒(B型)。大型顆粒表面光滑，少許顆粒表面有凹槽或缺口，這種結構能夠減少底物與酶接觸的機會[14-15]。經煮制后淀粉表面變得粗糙且沒有規則，顆粒緊密堆積形成較大的顆粒。表面結構上的變化表明，淀粉的完全凝膠化使其完全失去了顆粒的原有形態。發酵過程也是淀粉老化的過程，伴隨著老化的發生，發酵后淀粉顆粒的形態部分修復，呈不規則、球形或多邊形的形態，并在表面產生了明顯的裂紋。裂紋的產生可能是由于淀粉的內部結構在水分子和微生物的作用下斷裂所導致。這些結果表明，煮制和發酵處理，對全麥淀粉顆粒破壞明顯，有利于酶與淀粉顆粒接觸，促進淀粉的利用。

圖1 NS、CS和FS樣品的掃描電鏡圖

Fig.1 SEM photographs of the NS, CS and FS samples

2.1.2 淀粉晶體結構和相對結晶度的變化

如圖2所示，天然淀粉表現出典型的A-型圖譜(主峰為 2θ=15.12°、17.17°、18.05°和23.01°)，煮制和發酵處理并沒有改變晶體類型。NS、CS、FS的相對結晶度分別為33.68%、13.02%和26.19%。淀粉顆粒的結晶度經煮制后明顯降低，可能是由于熱水處理破壞了淀粉的結晶區，導致RDS增加和RS損失[16]。有研究認為，在煮制過程中，淀粉顆粒吸水，淀粉分子之間的氫鍵被水與淀粉之間的氫鍵所取代，導致新形成的晶體結構相對結晶度較低，容易被破壞。煮制淀粉經發酵后，淀粉相對結晶度增加，可能是由于老化作用發生，淀粉顆粒中形成了半晶狀片層結構與無定形區相互交疊的微晶束，使得發酵后淀粉的相對結晶度增加[17]。研究表明，淀粉的酶解速度與淀粉的相對結晶度相關，淀粉結晶度越高，淀粉顆粒結構越穩定，酶越難分解，越難被消化[18]。因此與煮制淀粉相比，發酵淀粉不易被淀粉水解酶分解。

圖2 NS、CS和FS的X-衍射譜圖

Fig.2 X-ray diffraction patterns of the NS, CS and FS samples

2.2 關鍵加工工藝對淀粉理化性質的影響

2.2.1 表觀直鏈淀粉含量

經測定，天然淀粉、煮制淀粉和發酵淀粉的表觀直鏈淀粉含量分別為(49.83±1.26)%、(45.17±0.76)%、(46.33±1.26)%。煮制后的直鏈淀粉含量降低了4.66%，這是由于在煮制過程中直鏈淀粉從淀粉顆粒中析出造成的[19]。發酵淀粉中表觀直鏈淀粉含量由于發酵過程中支鏈淀粉分支結構被酶水解成短直鏈造成輕微增加的現象。有研究表明，直鏈淀粉含量與淀粉中的RDS呈負相關性，但與RS呈正相關關系[20-21]。由此看出，煮制淀粉比發酵淀粉容易被分解。

2.2.2 淀粉熱力學性質

采用DSC研究了3種淀粉樣品的熱力學特性，表1和圖3分別為樣品的熱流變化參數及曲線。經煮制和發酵后淀粉樣品的To、Tp、Tc值均呈上升趨勢。在凝膠化過程中，淀粉結晶區的雙螺旋結構被溶解，無定形區溶脹后對結晶區產生壓力，聚合物鏈從淀粉晶體表面分離下來，導致了To、Tp、Tc的增加。煮制工藝會誘導淀粉顆粒的無定形區在發酵過程中更快速地被根霉和酵母所分泌的酶降解，致使To、Tp、Tc值變得更高。

糊化焓指雙螺旋結構分離所需能量,與雙螺旋短程結構有序性密切相關[22]。研究發現，煮制淀粉和發酵淀粉的焓值顯著降低。煮制淀粉的吸熱峰幾乎完全消失，這主要是由于煮制淀粉中原始的雙螺旋鏈被瓦解[23]，而伴隨凝沉的發酵過程形成了更加規則的晶體結構，使發酵淀粉在74.30 ℃有較大的吸熱峰。研究顯示，具有較高焓值的淀粉樣品中含有較高含量的RS[24]。

表1 NS、CS和FS樣品的熱力學性質

注：To-起始溫度；Tp-峰值溫度；Tc-終止溫度；Tc～To為凝膠化溫度范圍；ΔH-凝膠化焓值。小寫字母不同表示顯著性差異(n=3，P<0.05)。

圖3 NS、CS和FS樣品的熱力學性質

Fig.3 Thermal properties of the NS, CS and FS samples

2.2.3 淀粉的溶解度與溶脹度

溶脹度和溶解度主要反映淀粉顆粒內部的結晶區與無定形區相互作用的程度[25]。淀粉的溶脹度主要與支鏈淀粉分子的性質有關，與此同時，直鏈淀粉對淀粉的溶脹起抑制作用。由圖4、圖5可以看出，溶脹度和溶解度均隨溫度的升高而升高。與天然淀粉相比，煮制后淀粉的溶脹度增加，而發酵后淀粉的溶脹度減少。研究發現，淀粉的溶脹度值與其直鏈淀粉含量呈負相關關系[26]，具有最低直鏈淀粉含量的煮制淀粉在3種淀粉中顯示出最高的溶脹度。

圖4 NS、CS和FS樣品的溶脹度

Fig.4 Swelling power of the NS, CS and FS samples

圖5 NS、CS和FS樣品的溶解度

Fig.5 Solubility of the NS, CS and FS samples

煮制淀粉溶脹度的增加和溶解度的減少歸因于結晶度的降低、水合作用的增強、直鏈淀粉與支鏈淀粉相互作用的降低以及分子內氫鍵的減少[27]。而發酵淀粉溶脹度的降低和溶解度的增加可能是由于淀粉結晶區重排而形成更加有序的側鏈相互結合成簇的支鏈結構。淀粉顆粒的溶脹可以促進消化性酶進入淀粉內部從而破壞其內部結構致使RDS含量增加[28]。煮制淀粉經發酵后溶脹度降低是由于相對完美晶體結構的形成，可限制淀粉顆粒的溶脹[29]且減少與消化性酶的接觸。

2.2.4 淀粉的糊化性質

表2給出了樣品黏度性質的結果。煮制和發酵過程對全麥淀粉的糊化性質有顯著影響，其糊化溫度、峰值黏度、衰減值和最終黏度均下降。較低的糊化溫度表明直鏈淀粉-直鏈淀粉和直鏈淀粉-支鏈淀粉鏈之間的相互作用增強，淀粉樣品只需在較低的加熱條件下就可以使其結構瓦解形成糊狀物[30]。在3種淀粉樣品中，天然淀粉顆粒具有較高的峰值黏度，這表明天然淀粉顆粒中溶解的直鏈淀粉含量最高。支鏈淀粉中的長鏈所占比例較高會降低淀粉顆粒的衰減值[31]，因此，具有最低衰減值的煮制淀粉可能是由于其在3種淀粉中含有的長鏈支鏈淀粉最多。回生值表示直鏈淀粉與直鏈淀粉間的聚合度和在直鏈淀粉中能被浸出的碎片顆粒[32]，直鏈淀粉含量與回生值呈極顯著的正相關[33]，3種淀粉中，煮制淀粉由于直鏈淀粉含量最低具而有最低的回生值。

BLAZEK等[34]提出最終黏度隨著直鏈淀粉含量的增加而增加。因此，煮制淀粉的最終黏度最低。糊化性質的所有指標均顯示出天然淀粉的存在形式最為穩定，而煮制的淀粉經發酵后其穩定性增強。

表2 NS、CS和FS樣品的糊化性質

注：不同小寫字母表示顯著性差異(n=3，P<0.05)。下同。

2.3 關鍵加工工藝對淀粉體外消化特性的影響

小麥經煮制、發酵后體外消化性測定結果見表3。煮制后的淀粉中RDS和SDS含量分別增加到30.71%、16.06%，RS含量下降較明顯，這是因為高度的凝膠化增加了淀粉顆粒對淀粉水解酶和葡萄糖苷酶的敏感性[35]。同時，淀粉顆粒的溶脹促進了消化性酶進入淀粉分子內部，因而增加了RDS和SDS的含量。圖1中淀粉的掃描電鏡圖、圖2中相對結晶度的降低、表觀直鏈淀粉含量以及表1中的凝膠化焓值變化證實了這一結果。

表3 NS、CS和FS樣品的體外消化性質

煮制淀粉在發酵處理后，部分淀粉易被酶水解成單糖，形成發酵產物，導致剩余淀粉RS的含量相對增加。與天然淀粉相比，發酵淀粉顯示出更加規則和統一的微觀形態，更高的直鏈淀粉含量，更高的相對結晶度和較高的凝膠化焓值，這些都有效降低了淀粉與酶接觸的機會，從而導致了RS的增加。糊化溫度、峰值黏度和最終黏度都與RDS的含量呈負相關性，而與RS的含量呈正相關性，與CHUNG等[36]的研究結果一致。在伴隨老化作用的發酵過程中，由于RDS和SDS淀粉分子的重排形成更加規整的晶體，因而限制了部分水解酶對淀粉鏈的水解作用。

3 結論

全麥酒釀的關鍵加工工藝(煮制和發酵處理)通過影響淀粉的微觀結構和理化性質改變了淀粉的消化率。結果表明，煮制淀粉在全麥的發酵過程中迅速老化，使得淀粉的形態呈現出不規則的橢圓形、球形或多邊形的形態，且淀粉表面出現了裂縫，但是晶體結構仍維持A-型不變，而發酵淀粉的相對結晶度高于煮制淀粉。與天然淀粉相比，煮制淀粉和發酵淀粉的轉型溫度、凝膠化焓值均顯著降低，而凝膠化溫度顯著提高。煮制淀粉和發酵淀粉峰值黏度、回生值和最終黏度均降低。3種淀粉中，煮制淀粉RDS含量最高，RS含量最低，最容易被消化。煮制淀粉經發酵后，RDS含量降低，RS含量增高，因此其消化性降低。因此，全麥酒釀通過發酵不僅可以賦予全麥獨特的風味和口感，還能增加抗性淀粉的含量，降低淀粉的消化性，有利于身體健康。