谷粒湿热处理对薏仁米淀粉形态、结构与热特性的影响

刘 星，范 楷，司文帅，张其才，饶钦雄，杨俊花，宋卫国*

（上海市农业科学院农产品质量标准与检测技术研究所，上海农产品质量安全工程技术研究中心，上海市农产品质量安全评价技术服务平台，上海 201403）

薏仁米为一年或多年生禾本科植物薏苡的成熟种仁，主产于亚洲国家，广泛种植于我国贵州、福建、云南、辽宁、江苏等省[1]。因富含薏仁油、氨基酸、薏苡素等多种营养功能成分，薏仁米具有抗肿瘤[2]、免疫调节[3]、祛湿[4]等药理作用，被誉为“世界禾本科植物之王”和“生命健康之友”[5]。

为了得到高营养价值和/或更适合生产加工需要的淀粉，通常会对谷物淀粉进行改性。湿热处理作为一种安全、环保的生产绿色食品的手段，已被广泛地应用于淀粉的改性[6]。但是谷物在实际的加工过程中多以整个谷粒的形态出现，谷物的其他营养成分对淀粉具有保护作用，因此对整个谷粒进行湿热处理会使淀粉呈现不同的形态结构、热特性等[7]。目前已有研究主要集中在薏仁米功效成分的提取、鉴定及临床应用上[8-9]，对于薏仁米的营养成分，尤其是其主要组分淀粉（平均质量分数61.39%）的研究较少，且主要集中在某一种薏仁米淀粉提取条件的优化[10]、性质研究[11-12]及对所得淀粉的化学改性[13]方面。

市场上常见的薏仁米根据尺寸和透明度可以分为3 种：大粒薏仁米（big Coix seed，BCS）、小粒薏仁米（small Coix seed，SCS）和半透明薏仁米（translucence Coix seed，TCS）（图1），本课题组前期研究发现3 种薏仁米的淀粉结构、理化性质等存在差异[14-15]。因此，本研究将湿热处理作用于3 种薏仁米整个谷粒，分析对比湿热处理后分离得到的淀粉形态、结构及热特性的变化，以期为薏仁米淀粉的深度开发与应用提供理论依据。

图 1 3 种薏仁米的外观和尺寸Fig. 1 Appearance and size of three kinds of Coix seeds

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

BCS购于辽宁省朝阳市，SCS购于安徽省安庆市，TCS购于贵州省六盘水市。

凯氏定氮催化剂 丹麦FOSS公司；浓硫酸、石油醚、甘油（分析纯） 国药集团化学试剂有限公司；直链淀粉（A0512，来源于马铃薯）、支链淀粉（S4126，来源于玉米） 美国Sigma公司。

1.2 仪器与设备

Soxtec 2050脂肪分析仪、Kjeltec 8200自动凯氏定氮仪 丹麦FOSS公司；MPA傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR）仪、D8 Advance X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）仪德国Bruker公司；JYL-G11打浆机 山东九阳股份有限公司；204 F1差示扫描量热（differential scan calorimeter，DSC）仪 德国Netzsch公司；Eclipse 200显微镜 日本Nikon公司；Sirion 200扫描电子显微镜美国FEI公司；Mastersizer 2000激光衍射颗粒分析仪英国Malvern公司；FD-1A-50冷冻干燥机 北京博医康实验仪器有限公司；CM-230摩尔超纯水机 上海摩勒科学仪器有限公司；AL204、PL2002分析天平梅特勒-托利多仪器有限公司；HG-12-4B马弗炉 上海禾工科学仪器有限公司；DHG-9140A电热恒温鼓风干燥箱 上海精宏实验设备有限公司。

1.3 方法

1.3.1 薏仁米HMT及其淀粉提取

分别将3 种薏仁米（各1 000 g）倒入3 个烧杯中，用适量的去离子水浸泡，使其水分质量分数达到30%；将容器密封，置于120 ℃烘箱中2 h，冷却至室温，用于制作谷粒湿热处理（heat moisture treatment，HMT）淀粉[16]。

将湿热处理后的薏仁米和未进行处理的薏仁米在室温下浸没于适量的去离子水中6 h，加入同体积的去离子水打浆，浆液过200 目筛，剩余固形物用去离子水冲洗3 次。淀粉浆混合液于3 500 r/min离心10 min，倒掉上层液体，去除上层黄色蛋白，下层白色粗淀粉再次悬浮于去离子水中，3 500 r/min离心10 min，重复此过程至不再有可见的黄色物质[17]。收集白色淀粉于-54 ℃至少冷冻干燥12 h，备用。

1.3.2 薏仁米HMT淀粉成分的测定

水分和灰分质量分数的测定按照AOAC 945.15《谷物中水分的测定》、AOAC 923.03《面粉中灰分的测定》；蛋白质质量分数的测定按照GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》；粗脂肪质量分数按照GB 5512—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》用脂肪分析仪测定；直链淀粉质量分数的测定按NY/T 55—1987《水稻、玉米、谷子籽粒直链淀粉测定法》。

1.3.3 薏仁米HMT淀粉的粒度测定及形态观察

取适量的淀粉样品在蒸馏水中超声5 min后，于粒度分析仪中进行淀粉粒度测定。仪器参数为：水和淀粉的折射率分别为1.33和1.52，淀粉的吸光度设为0.10。粒度分布是通过将颗粒的体积等同于球体来表示的。d（0.1）、d（0.5）和d（0.9）表示粒径小于等于某一值的百分比分别为10%、50%和90%；d3,2值为表面积平均直径，d4,3值为体积平均直径；比表面积（speci fic surface area，SSA）为6/d3,2[18]。

将淀粉用甘油稀释到合适质量浓度，用普通显微镜观察淀粉颗粒的偏光十字形态，放大倍数为20 倍。将适量的淀粉均匀地分布在圆形铝桩的碳涂膜胶带上并进行喷金处理，于5 kV加速电压下使用扫描电子显微镜观察淀粉颗粒的形态，放大倍数分别为5 000 倍和20 000 倍。

1.3.4 薏仁米HMT淀粉结构特征的测定

将淀粉样品放置于铝片孔（15 mm×20 mm，厚为1.5 mm）中，压紧，使用XRD仪进行测试。实验条件为：波长为1.540 6 Å的单色Cu-Kα，管压40 kV，管流40 mA，衍射角2θ为10°～40°，扫描速率4（°）/min，步长为0.02°。相对结晶度根据XRD峰，通过非线性峰拟合来进行计算[20]。

FT-IR也被用来表征HMT淀粉的结构性质。实验采用衰减全反射检测系统，氘化硫酸三甘肽晶体检测器，光谱扫描波数范围为4 000～6 500 cm-1，扫描次数16 次，光谱分辨率4 cm-1，扫描数据以吸光度形式保存。将淀粉样品直接散落在晶体探头处进行测定，每个样品平行实验3 次，扣除大气和背景干扰，取其平均光谱作为最终光谱。结果用Omnic 8.2软件进行归一化、扣除基线和去卷积。去卷积参数为：带宽为30 cm-1，分辨率增强因子为1.5，1 047 cm-1/1 022 cm-1从去卷积光谱中得到[21-22]。

1.3.5 薏仁米HMT淀粉热特性的测定

将3 g左右的淀粉样品放入DSC仪的铝盘内，加入11 μL蒸馏水，密封后于室温放置1 h。样品加热程序为：以5 ℃/min的速率从20 ℃升到100 ℃，铟金属熔融为基准校正，空铝盘作为对照，使用仪器自带软件计算初始温度（To）、峰值温度（Tp）、结束温度（Tc）和凝胶热焓（△H）[19]。

1.4 数据统计分析

数据是至少2 次平行实验的平均值，并用Matlab R2009a软件进行单尾方差分析，P＜0.05表明差异显著。

2 结果与分析

2.1 薏仁米HMT淀粉的成分分析

表 1 薏仁米HMT淀粉和原淀粉的组成成分Table 1 Chemical composition of native and HMT Coix seed starch%

由表1可知，BCS、TCS和SCS原淀粉中的直链淀粉质量分数分别为0.63%、24.12%和0.96%，表明不同品种薏仁米的直链淀粉质量分数存在差异，从而影响薏仁米淀粉的结构、热特性及与其他组分的关系。与原淀粉相比，HMT淀粉均含有更多的蛋白质，这可能与HMT使得蛋白质通过二硫键和/或疏水键与淀粉形成复合物有关[23]；HMT淀粉中的水分质量分数均低于原淀粉，且BCS原淀粉和HMT淀粉中的水分质量分数均最高，分别为14.20%和10.87%，说明BCS淀粉有更强的水结合力，这种结合力使得淀粉结构在升温过程中不容易被破坏，从而在一定程度上影响了淀粉的热特性[24]；SCS原淀粉和HMT淀粉中灰分质量分数均最高，但具有最低的脂肪质量分数，推测不同种薏仁米淀粉所含组分的不同能够影响其颗粒粒度、结构和热特性。

2.2 薏仁米HMT淀粉颗粒特征

图 2 薏仁米HMT淀粉及原淀粉的形态及偏光十字特征Fig. 2 Morphology and birefringence of native and HMT Coix seed starch

由图2可见，薏仁米淀粉表面有许多谷物所特有的气孔，为水、酶等进入淀粉颗粒内部提供通道；淀粉颗粒多呈卵形、不规则形、多边形等。TCS和SCS原淀粉（图2C1、E1）表面有轻微的破损。HMT后，薏仁米淀粉颗粒（图2B1、D1、F1）均有破碎颗粒和附着物出现，这些附着物可能是淀粉碎片、脂类和/或淀粉蛋白复合物。由偏光十字形态观察结果可见，HMT后的淀粉（图2B3、D3、F3）偏光十字减弱，有些淀粉颗粒的偏光十字已经很难辨清，这可能是HMT过程中热能使淀粉双螺旋结构的移动性增加，从而导致双螺旋结构的径向序列损失[25]。HMT使BCS部分淀粉内部破坏（图2B2），BCS-HMT淀粉颗粒内部呈现层状结构；TCS-HMT、SCS-HMT淀粉中，表面未见到气孔的颗粒外表破损更严重（图2 D2、F2），有些颗粒表面呈现凹陷（图2D1、F1），有气孔的淀粉出现破裂且表面孔道更大（图2F2），这样可能使淀粉有更好的吸附性能[26]。由此可见，HMT使淀粉颗粒的形态发生了改变，这些改变可能影响淀粉的结构和其他特性。

表 2 薏仁米HMT淀粉及原淀粉的颗粒粒度特征Table 2 Particle size characteristics of native and HMT Coix seed starch

由表2可知，BCS、TCS和SCS的HMT淀粉较其原淀粉有更小的d4,3值、d（0.9）和SSA，更大的d（0.1）和d3,2值，这与HMT的形态结构是一致的，即HMT淀粉经过湿热处理后有很多破损颗粒，但同时，湿热处理使得淀粉与蛋白质、脂类等的相互作用更紧密，因此HMT淀粉在扫描电子显微镜中显示出更多的附着物[27]。TCS-HMT淀粉较BCS-HMT和SCS-HMT淀粉有更小的d4,3值、d（0.1）、d（0.5）、d（0.9）和SSA；HMT使BCS淀粉粒径变化最小，其中d（0.5）处理前后变化不显著，说明HMT对BCS淀粉颗粒粒度的影响最小，对TCS淀粉影响最大，这也与TCS-HMT淀粉所显示的偏光十字形态被破坏最严重相对应。

2.3 薏仁米HMT淀粉的结构特征分析

图 3 薏仁米HMT淀粉及原淀粉的XRD衍射图Fig. 3 XRD patterns of native and HMT Coix seed starch

由图3可见，HMT前后3 种淀粉都在2θ 17°和18°附近处有一个强的双峰，其他主要的峰在15°和23°附近，说明HMT没有改变薏仁米淀粉的晶型，仍均为谷物的A型淀粉[21]，这一结果与薏仁米淀粉直接湿热处理的结果一致[14]。衍射图中的峰强度和相对结晶度分别反映了淀粉双螺旋结构的强度和支链淀粉中微晶体所占的比例[28]。由图3可知，原淀粉中SCS的淀粉双螺旋结构强度最大，TCS淀粉次之，且均大于其的HMT淀粉；而HMT后，BCS-HMT淀粉有最强的双螺旋结构，且BCS-HMT淀粉的峰强度高于BCS原淀粉，这可能是由于水分和热能使其相邻双螺旋结构的相互作用加强、氢键数量增多[29]；而TCS-HMT和SCS-HMT淀粉峰强度下降，可能是HMT作用削弱了淀粉的双螺旋结构。

表 3 薏仁米HMT淀粉及原淀粉的晶体特征Table 3 Crystallographic characteristics of native and HMT Coix seed starch

由表3可知，薏仁米HMT淀粉的相对结晶度均低于原淀粉，BCS-HMT、TCS-HMT和SCS-HMT淀粉的相对结晶度分别下降了3.76%、3.72%和3.92%，说明HMT使支链淀粉微晶体受到破坏，但是破坏程度均低于薏仁米淀粉直接进行湿热处理[14]；HMT后BCS-HMT淀粉有最高的相对结晶度（42.51%）。这一结构的改变会影响薏仁米淀粉的热特性。

由于淀粉的FT-IR光谱主要对淀粉分子结构的短程序列（即淀粉的链构象）敏感[30]，淀粉样品在861 cm-1处有指示C—O—C伸缩和C—H变形的峰存在；在1 077、1 047、1 022、994、928 cm-1附近的峰能反映C—O和C—C键的伸缩和C—O—H键的变化[31]；1 047 cm-1处的峰高随结晶度的增加而升高，1 022 cm-1处峰表示无定形区内分子的振动模式，它的峰高随结晶度的增加而降低，所以1 047 cm-1和1 022 cm-1处的峰对于淀粉中结晶结构和无定形结构敏感，它们的比值可用于反映淀粉分子有序的结晶区与无定形区的相对大小[32]。由图4可见，薏仁米HMT淀粉和原淀粉的峰位置相似，峰强度存在差异，TCS-HMT淀粉在1 022 cm-1处有最高峰，BCS-HMT淀粉在此处最低；BCS淀粉在1 047 cm-1处有最高峰，TCS淀粉在此处最低，这一现象与表3中各淀粉的相对结晶度大小相对应。由表3可知，只有TCS-HMT淀粉的1 047 cm-1/1 022 cm-1比较原淀粉有轻微的下降，这可能是由于淀粉结晶区的双螺旋结构重新定位和/或一些连接相邻双螺旋的氢键被破坏[33]，而BCS-HMT和SCS-HMT淀粉的1 047 cm-1/1 022 cm-1较原淀粉有所上升，可能是由于淀粉无定形区受破坏程度大于结晶区。这一结果与淀粉直接湿热处理的结果有些不同，湿热处理使得3 种淀粉的结晶区破坏更严重。结合XRD结果，说明FT-IR光谱可为HMT淀粉的结构改变研究提供依据，也为淀粉的理化修饰提供更多信息。

图 4 薏仁米HMT淀粉和原淀粉去卷积后的FT-IR图谱Fig. 4 Deconvoluted FT-IR spectra of native and HMT Coix seed starch

2.4 薏仁米HMT淀粉的热特性

表 4 薏仁米HMT淀粉和原淀粉的热特性Table 4 Thermal properties of native and HMT Coix seed starch samples

由表4可知，HMT后，薏仁米淀粉的To、Tp和Tc值均高于原淀粉，这可能是由于HMT使直链淀粉-直链淀粉、直链淀粉-支链淀粉和/或支链淀粉-支链淀粉间相互作用加强，进而使淀粉受破坏的无定形区和微晶体区重新排列得更有序。Tp值能反映淀粉结构的稳定性和抗凝胶化能力[12]，HMT后，BCS-HMT淀粉有最好的结构稳定性，TCS-HMT淀粉的结构稳定性和抗凝胶能力较差，这与TCS淀粉含有的高直链淀粉质量分数有关。（Tc-To）值反映了淀粉颗粒内微晶体的不均匀性，HMT淀粉较原淀粉有更小的（Tc-To）值，表明HMT作用减弱了淀粉内微晶体的异质性，且异质性程度排序为：BCS-HMT＞SCS-HMT＞TCS-HMT，这可能与BCS-HMT淀粉有最高的相对结晶度有关。△H值反映解淀粉双螺旋结构所需的能量[33]，HMT后，BCS-HMT、TCS-HMT和SCS-HMT淀粉△H值分别下降了3.16%、9.90%和2.57%，较淀粉直接湿热处理后的△H值降低的少，说明HMT较湿热处理温和，这可能与谷物内皮及其他营养成分对其的保护作用有关；HMT淀粉的△H值下降，说明HMT削弱了淀粉的双螺旋结构，解螺旋所需的能量下降，其更高的Tp也说明了HMT淀粉中可能有更高比例的短链结构，这些短链很难形成稳定的双螺旋结构，但使HMT淀粉有相对更稳定的分子结构[33]，这一现象与XRD和FT-IR图谱所反映的结果一致。

3 结 论

3 种薏仁米经过HMT后，部分淀粉颗粒破损、凹陷，表面气孔增大，利于水分、酶等进入，有更强的吸附能力，且可以发现BCS淀粉内部的层状结构；由于晶体结构的破坏，偏光十字减弱，与蛋白质、脂类等作用加强，TCS-HMT淀粉破损最严重；淀粉颗粒的d4,3值减小，d3,2值增大，与淀粉的破损程度一致。由于HMT破坏结晶区和无定形区，淀粉的相对结晶度较原淀粉减小，但晶型仍为A型；同时，由于水分和热能可使淀粉相邻双螺旋结构重新定位、氢键数量增多或减少，FT-IR图谱显示SCS-HMT和BCS-HMT淀粉的无定形区较结晶区破坏更严重，而TCS-HMT淀粉的结晶区破坏相对更严重。HMT作用使得淀粉分子有更高比例的短链结构，淀粉Tp值升高，但是短链很难再形成稳定的双螺旋结构，使得淀粉△H值降低，且含高直链淀粉质量分数的TCS降低幅度最大，这与其晶体破坏最严重的结果一致。由于HMT过程中有蛋白质、脂类等天然屏障，薏仁米淀粉的形态、大小、结构、热特性的改变与淀粉直接湿热处理相比较变化更小。本研究结果可为薏仁米在加工过程中的食用品质、营养品质变化的评价提供依据，也为寻找合适的薏仁米加工方式提供参考。