不同發(fā)芽階段高粱粉理化及功能特性的變化

張俊，胡玲，張三杉，余夢玲，雷激

(西華大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，四川 成都，610039)

高粱，是世界上產(chǎn)量僅次于稻米、小麥、玉米及大麥的第五大糧食作物[1]。由于高粱具有較強(qiáng)的抗旱能力，隨著人口的不斷上漲和水資源的減少，未來其將成為重要的農(nóng)作物。高粱可為人體提供多種營養(yǎng)成分，包括蛋白質(zhì)、淀粉、纖維素和礦物質(zhì)等；另外，還含有多酚、花青素和植物固醇等功能性成分[2]，可以很好地預(yù)防和改善癌癥與心血管疾病，能更好地滿足人們的營養(yǎng)需求。但由于高粱的淀粉分子質(zhì)量大，口感較差，目前多用作釀酒、制醋和飼料的原料，極少數(shù)用于高粱米飯、窩頭和粥等傳統(tǒng)食品[3]。

高粱不含麩質(zhì)，近年來有不少國外研究者開始用高粱替代小麥粉應(yīng)用在烘焙食品、面制品等食品中，以滿足麩質(zhì)過敏人群的需求。但由于高粱中面筋蛋白的缺乏，導(dǎo)致其在加工過程中網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)難以形成，制成的面團(tuán)缺乏黏彈性和柔韌性，在一定程度上限制了高粱粉在食品加工方面的應(yīng)用。相關(guān)研究表明，發(fā)芽處理可以改善糙米淀粉的持水性和乳化活性[4]、降低淀粉的回生程度[5]、改善薏米粉的營養(yǎng)和理化特性[6]等。目前，國內(nèi)對于發(fā)芽過程中高粱粉流變特性、熱力學(xué)性質(zhì)、糊化性質(zhì)以及功能特性的變化還缺乏研究。本實(shí)驗(yàn)主要探討發(fā)芽處理對高粱粉流變、熱力學(xué)、糊化性質(zhì)以及持水性和持油性、乳化性、起泡性等理化及功能特性的影響，旨在探索高粱發(fā)芽過程中高粱粉性質(zhì)的變化，以期改善高粱粉理化及功能特性，為高粱在食品加工方面的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

白高粱種子，江蘇省沭陽縣新河鎮(zhèn)(市售)；麥芽糖、可溶性淀粉，北京世紀(jì)奧科生物技術(shù)有限公司；H2O2、3，5-二硝基水楊酸、酒石酸鉀鈉等試劑均為分析純，成都科隆化學(xué)品有限公司。

UV-2600型紫外分光光度計(jì)，上海譜元儀器有限公司；MCR 302流變儀，奧地利安東帕(中國)有限公司；DSC 3差示掃描量熱儀，梅特勒-托利多測量設(shè)備(上海)有限公司；Nicolet Is 50傅立葉變換紅外光譜儀，上海力晶科學(xué)儀器有限公司；FSH-2A均質(zhì)機(jī)，河北慧采科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 發(fā)芽高粱的制備

參考易翠平等[7]的高粱發(fā)芽實(shí)驗(yàn)：挑選高粱籽粒，確保沒有破損顆粒和其他雜質(zhì)。將浸泡20 h后的高粱用7.0%(體積分?jǐn)?shù))的H2O2溶液消毒15 min，再用去離子水反復(fù)沖洗。然后將高粱籽粒平鋪于雙層紗布之間，于30 ℃條件下避光發(fā)芽0、12、24、36、48、60、72 h，每隔12 h灑水1次，并清洗紗布和高粱籽粒防止發(fā)霉。將不同發(fā)芽階段的高粱籽粒取出后于40 ℃干燥至水分含量約為13%，粉碎過80目篩，放入4 ℃冰箱冷藏保存、備用。

1.2.2 淀粉酶活力的測定

淀粉酶活力采用李合生等[8]的方法進(jìn)行測定。淀粉酶活力定義為：40 ℃下每分鐘內(nèi)麥芽糖增加的毫克數(shù)為1個(gè)淀粉酶活力單位(U)。

1.2.3 淀粉含量的測定

采用雙波長比色法[9-10]測定直鏈和支鏈淀粉含量，總淀粉含量為兩者之和。

1.2.4 熱力學(xué)性質(zhì)的測定

準(zhǔn)確稱取3 mg高粱粉和6 mg去離子水于DSC鋁制坩堝中，加蓋密封，在4 ℃條件下平衡12 h。測試條件：溫度范圍25 ～150 ℃，升溫速率10 ℃/min，以氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)氣，流速80 mL/min。

1.2.5 糊化特性的測定

測定方法參考董貝貝[11]的方法稍作調(diào)整，用蒸餾水配制10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以干基計(jì))的高粱粉懸濁液17.77 g，置于流變儀測量杯中。具體程序設(shè)定如表1所示。

表1 測試程序Table 1 Test program

1.2.6 動(dòng)態(tài)流變特性的測定

采用MCR 302流變儀，在頻率為1 Hz，應(yīng)變掃描范圍為0.001%～10%的條件下對1.2.4制備的高粱粉糊進(jìn)行振幅掃描檢測其線性黏彈區(qū)。根據(jù)結(jié)果確定應(yīng)變?yōu)?%，固定溫度25 ℃，測定高粱粉糊在0.1～100 rad/s范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)黏彈性變化[6]。

1.2.7 持水性和持油性的測定

參照ELKHALIFA等[12]的方法，取1 g樣品于40 mL離心管中，加入20 mL水(或油)混合均勻，靜置30 min后以4 000 r/min離心30 min，倒掉水(或油)，稱量此時(shí)離心管的重量。持水(油)性計(jì)算如公式(1)所示：

(1)

式中：m0為樣品千質(zhì)量，g；m1為離心管加干樣品質(zhì)量，g；m2為離心管加沉淀質(zhì)量，g。

1.2.8 起泡性和泡沫穩(wěn)定性

參照ELKHALIFA等[12]的方法，在250 mL燒杯中加入2 g高粱粉樣品和100 mL蒸餾水，室溫下攪拌10 min后立即轉(zhuǎn)入250 mL量筒中，記錄泡沫體積。發(fā)泡能力計(jì)算如公式(2)所示：

(2)

通過測定1 h后泡沫的體積變化來確定泡沫的穩(wěn)定性，如公式(3)所示：

(3)

1.2.9 乳化性和乳化穩(wěn)定性

參照ELKHALIFA等[12]的方法：取2.00 g高粱粉樣品于100 mL離心管中，分別加入20 mL去離子水(4 ℃冷卻)和色拉油，用高速均質(zhì)機(jī)以20 000 r/min分散1 min后，以4 000 r/min離心10 min，記錄乳化層高度。乳化性計(jì)算如公式(4)所示：

(4)

乳化穩(wěn)定性：將離心后的乳化液以80 ℃水浴熱30 min，冷卻到室溫后以4 000 r/min離心10 min。乳化穩(wěn)定性計(jì)算如公式(5)所示：

(5)

1.2.10 傅里葉紅外光譜分析

準(zhǔn)確稱取150 mg的粉末樣品倒入壓片模具中，通過壓片機(jī)以8 t的壓力壓制30 s，將壓好的樣品進(jìn)行光譜測定。掃描次數(shù)：16次；分辨率：8 cm-1；掃描范圍：400～4 000 cm-1。

1.2.11 統(tǒng)計(jì)分析

所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2010分析處理，利用Origin 8.5作圖，通過SPSS 19.0進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)，結(jié)果以均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)芽對高粱淀粉酶活力的影響

高粱發(fā)芽過程中淀粉酶活力變化如圖1所示。發(fā)芽0 h即浸泡處理后，高粱淀粉酶活力無明顯(P>0.05)變化。當(dāng)高粱種子完全吸水膨脹后，淀粉酶活力隨著發(fā)芽時(shí)間的延長而顯著(P<0.05)上升，總淀粉酶活力和β-淀粉酶活力在發(fā)芽60 h達(dá)到最大值，分別為165.86和123.98 U/g，之后略微下降但不顯著；α-淀粉酶活力在發(fā)芽48 h達(dá)到最大值，為41.79 U/g，之后無明顯變化。α-淀粉酶與β-淀粉酶的活力有明顯的不同，因?yàn)棣?淀粉酶是在種子萌發(fā)過程中誘導(dǎo)產(chǎn)生的，而β-淀粉酶是在種子發(fā)育過程中合成的，以儲(chǔ)存蛋白的形式存在于成熟種子中[13]，因此未發(fā)芽高粱以及浸泡后α-淀粉酶活力依然很低。總淀粉酶活力的變化趨勢與ELKHALIFA等[12]的研究結(jié)果相似。

圖1 高粱發(fā)芽過程中淀粉酶活性的變化Fig.1 Changes of amylase activity during sorghum germination注：發(fā)芽0 h的是經(jīng)過浸泡處理而未發(fā)芽的高粱；不同字母表示同一曲線數(shù)值之間差異顯著(P<0.05)(下同)

2.2 發(fā)芽對高粱總淀粉、直鏈淀粉和支鏈淀粉含量的影響

如表2所示，與未發(fā)芽高粱相比，浸泡處理(0 h)對淀粉含量無顯著影響。隨著發(fā)芽時(shí)間的延長，高粱總淀粉、直鏈淀粉和支鏈淀粉含量顯著下降(P<0.05)。發(fā)芽72 h后，總淀粉含量從72.74%下降到54.44%，直鏈淀粉含量從15.32%下降到9.58%，支鏈淀粉含量從57.43%下降到44.86%，這與LI等[14]的研究結(jié)果相似。這是因?yàn)殡S著發(fā)芽時(shí)間的延長，高粱中淀粉酶活性增加，這些酶的作用使淀粉降解成還原糖，以滿足種子萌發(fā)和生長的物質(zhì)和能量的需要[15]。

表2 高粱總淀粉、直鏈淀粉和支鏈淀粉含量的變化Table 2 Changes in total starch, amylose and amylopectin content of sorghum

2.3 發(fā)芽對高粱粉熱力學(xué)性質(zhì)的影響

由表3數(shù)據(jù)可知，在發(fā)芽時(shí)間12 h內(nèi)，起始糊化溫度(To)顯著(P<0.05)下降，12 h后不斷上升；峰值(Tp)和終止糊化溫度(Tc)無顯著(P>0.05)變化。發(fā)芽初期糊化溫度略微下降可能與脂質(zhì)-淀粉復(fù)合物的降解有關(guān)[16]。據(jù)報(bào)道，脂肪可與淀粉交互作用形成復(fù)合物，從而使糊化溫度升高，高粱經(jīng)過發(fā)芽處理，這種交互作用可能降低，從而使糊化溫度有所下降[5,14]。12 h后糊化溫度逐漸升高可能是因?yàn)榘l(fā)芽過程中淀粉降解形成還原糖，這些小分子糖與淀粉相互作用可能促使淀粉的糊化溫度提高[17]。焓值(ΔH)通常用于衡量打開分子內(nèi)化學(xué)鍵所需要的能量，ΔH越大穩(wěn)定性越好，結(jié)晶度越大[18]。隨著發(fā)芽時(shí)間的延長，高粱粉糊化焓顯著(P<0.05)增加，60 h達(dá)到最大值。說明發(fā)芽后高粱粉糊化需要消耗更多的能量，淀粉的穩(wěn)定性和結(jié)晶度提高，這可能是由于發(fā)芽過程中主要降解的是淀粉的非結(jié)晶區(qū)；在64 h后開始下降，這可能是由于淀粉過度分解，導(dǎo)致結(jié)晶結(jié)構(gòu)的破壞[4]。

表3 高粱粉熱力學(xué)性質(zhì)的變化Table 3 Changes in thermodynamic properties of sorghum flour

2.4 發(fā)芽對高粱粉糊化特性的影響

表4顯示了不同發(fā)芽階段高粱粉的糊化粘度特性。由表4可知，與未發(fā)芽高粱相比，浸泡(0 h)處理后，高粱粉糊化體系的黏度顯著(P<0.05)提高。這可能是因?yàn)榻葸^程引起水分的遷移和狀態(tài)的變化，從而對糊化性質(zhì)產(chǎn)生影響[19]。在發(fā)芽前36 h，隨著發(fā)芽時(shí)間的延長，峰值黏度、谷值黏度、終值黏度、崩解值和回生值顯著(P<0.05)下降，36 h之后趨于平緩。其他谷物籽粒在發(fā)芽后也存在相似的趨勢[20-21]。這是因?yàn)殡S著發(fā)芽時(shí)間的延長，淀粉酶降解促使淀粉破碎，使其更易崩解，導(dǎo)致高粱糊體系黏度降低[22]；發(fā)芽處理后淀粉分子鏈的斷裂及降解導(dǎo)致其在剪切過程中不容易發(fā)生重排，分子締合度降低，最終使淀粉的回生值下降[23]，冷糊穩(wěn)定性增強(qiáng)。此外，崩解值顯著下降，表明發(fā)芽處理可增強(qiáng)高粱粉糊的抗剪切能力和熱穩(wěn)定性。

表4 高粱粉糊化特性的變化Table 4 Changes in gelatinization characteristics of sorghum flour

2.5 發(fā)芽對高粱粉動(dòng)態(tài)流變特性的影響

圖2為高粱不同發(fā)芽階段高粱粉糊的動(dòng)態(tài)流變特性。其中儲(chǔ)能模量(G′)是指高粱粉糊經(jīng)外力作用后可自我恢復(fù)的彈性性質(zhì)；損耗模量(G″)表示高粱粉糊的黏性性質(zhì)，反映高粱粉糊的流動(dòng)性。由圖2可知，不同發(fā)芽階段的高粱粉糊G′和G″都隨角頻率的增大而增大，并且在相同角頻率下G′始終大于G″。說明高粱粉糊的彈性大于黏性，表現(xiàn)出典型的弱凝膠動(dòng)態(tài)流變特性[5]。隨著發(fā)芽時(shí)間的延長，G′和G″逐漸下降。這與SINGH等[24]研究發(fā)芽對小麥粉動(dòng)態(tài)流變特性的研究結(jié)果相似。淀粉作為高粱粉的主要成分，其含量在發(fā)芽過程中大幅度降低是導(dǎo)致高粱粉糊G′和G″降低的主要原因之一。如前所述，淀粉酶活性的增加可導(dǎo)致高粱粉糊體系黏度下降，從而影響其動(dòng)態(tài)流變特性。損耗角正切值(tanδ)為G″與G′的比值，不同發(fā)芽階段的高粱粉糊tanδ均小于1，即G′>G″，表明其主要表現(xiàn)出彈性特征。

a-儲(chǔ)能模量;b-損耗模量;c-損耗角正切值圖2 高粱粉動(dòng)態(tài)流變特性的變化Fig.2 Changes in dynamic rheological properties of sorghum flour

2.6 發(fā)芽對高粱粉持水性和持油性的影響

由圖3可知，與發(fā)芽高粱粉相比，天然高粱粉具有最高的吸收和保留水分的能力，持水性為143.11%。在發(fā)芽前36 h顯著(P<0.05)下降，36 h后下降幅度變緩。CORNEJO等[25]對糙米粉持水性的研究也有相似的結(jié)果。在發(fā)芽過程中，淀粉酶和纖維降解酶被激活，這導(dǎo)致通過水解淀粉產(chǎn)生高水平的糊精和可發(fā)酵糖。這些釋放的糖可進(jìn)一步與淀粉之間形成交聯(lián)，從而阻礙高粱粉與水的結(jié)合，降低其持水性[25-26]。而隨著發(fā)芽時(shí)間的延長，持油性一直呈顯著(P<0.05)上升趨勢。這可能是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)的溶解和解離導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子內(nèi)部非極性成分的暴露，從而提高氨基酸的利用率[12]，而淀粉與脂質(zhì)的結(jié)合取決于疏水性氨基酸的表面利用率[27]。這一特點(diǎn)表明發(fā)芽后的高粱粉更適于配制高脂肪含量的食品[28]。

圖3 高粱粉持水、持油性的變化Fig.3 Changes in water and oil retention of sorghum flour

2.7 發(fā)芽對高粱粉乳化性和乳化穩(wěn)定性的影響

由圖4可知，與天然高粱粉相比，發(fā)芽的高粱粉具有優(yōu)良的乳化性能。隨著發(fā)芽時(shí)間的延長，高粱粉的乳化性和乳化穩(wěn)定性顯著(P<0.05)上升，這與董貝貝[11]的研究結(jié)果相似。發(fā)芽可能導(dǎo)致多肽的解離和部分展開，從而暴露出氨基酸的疏水位點(diǎn)，這有助于肽鏈與脂質(zhì)液滴的疏水結(jié)合，進(jìn)而提高乳液容量，增強(qiáng)乳化能力[27]。另一方面，也可能是因?yàn)榘l(fā)芽改變了淀粉的疏水基團(tuán)在水油界面上的分布，形成具有較高界面黏彈性的界面膜[29]，使乳膠粒發(fā)生碰撞聚結(jié)的空間位阻加大，有利于乳膠粒的穩(wěn)定[30]。對于蛋糕、甜點(diǎn)等加工食品而言，乳化能力和乳化穩(wěn)定能力至關(guān)重要。

圖4 高粱粉乳化性和乳化穩(wěn)定性的變化Fig.4 Changes in emulsification and emulsification stability of sorghum flour

2.8 發(fā)芽對高粱粉起泡性和泡沫穩(wěn)定性的影響

泡沫的形成和穩(wěn)定性取決于蛋白質(zhì)類型，表面張力，攪拌強(qiáng)度和時(shí)間等[31]。ELTAYEB等[32]報(bào)道面粉中的蛋白質(zhì)具有表面活性，這是面粉能夠產(chǎn)生泡沫的原因。泡沫穩(wěn)定性由不穩(wěn)定泡沫損失的體積來衡量。這種特性對于蛋糕和餅干等烘焙食品中使用的面粉非常重要。在本研究中，未發(fā)芽高粱粉未顯示出任何起泡能力，這與ELKHALIFA等[28]和SINGH等[33]的報(bào)道一致。由圖5可知，浸泡處理(0 h)后高粱粉顯示出一定的起泡能力，隨著發(fā)芽時(shí)間的延長，起泡性顯著(P<0.05)增加；發(fā)芽0 h和12 h的高粱粉泡沫在1 h后完全消失，穩(wěn)定性為0，隨著發(fā)芽時(shí)間繼續(xù)延長，泡沫穩(wěn)定性顯著(P<0.05)增加，這可能是由于發(fā)芽過程中蛋白質(zhì)部分變性引起可溶性蛋白表面積增加，空氣和水界面表面張力下降，導(dǎo)致了更多的可溶性蛋白質(zhì)分子的結(jié)合，允許更多的疏水相互作用，從而導(dǎo)致更高的發(fā)泡能力，泡沫穩(wěn)定性也隨之增加[34]。

2.9 發(fā)芽對高粱粉紅外光譜性質(zhì)的影響

圖5 高粱粉起泡性和泡沫穩(wěn)定性的變化Fig.5 Changes in foamability and foam stability of sorghum flour

3 結(jié)論

本研究探討了發(fā)芽過程中高粱粉理化及功能特性的變化。結(jié)果表明，高粱發(fā)芽過程中，淀粉酶活力增加，總淀粉、直鏈淀粉和支鏈淀粉含量下降。隨著發(fā)芽時(shí)間的延長，高粱粉糊化溫度上升，糊化焓增大，提高了高粱粉的穩(wěn)定性和結(jié)晶度；高粱粉糊體系黏度下降，熱糊穩(wěn)定性及冷糊穩(wěn)定性提高；G′和G″隨發(fā)芽時(shí)間的延長而降低，G″/G′始終小于1，主要表現(xiàn)為彈性特征，高粱粉糊流動(dòng)性增強(qiáng)，凝膠性能減弱；乳化性、起泡性及其穩(wěn)定性都得到改善，持油性增強(qiáng)，持水性降低。綜上所述，發(fā)芽在一定程度上改善了高粱粉的理化及功能特性，為高粱的進(jìn)一步研究和在食品中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。