微波处理对白高粱淀粉理化特性的影响

摘要：利用微波对淀粉含量较高的白高粱进行预熟化处理。分别提取天然和微波处理的白高粱淀粉，通过扫描电子显微镜、偏光十字法、差示扫描量热分析、X-射线衍射分析、傅里叶变换红外光谱等方法比较研究天然和微波处理的白高粱淀粉在理化特性方面的差异。结果发现，微波处理后的白高粱淀粉偏光十字变得模糊，近半数已经消失，淀粉颗粒发生膨胀。同时淀粉中抗性淀粉含量、相对结晶度、相变温度范围和相变吸热焓均减小。但是天然和微波处理的白高粱淀粉红外光谱具有相同的结构特征。结果表明微波处理有利于白高粱淀粉糊化，但不影响淀粉的化学组成。

高粱（Sorghum bicolor (L.) Moench）属于禾本科（Gramineae）高粱属，又名蜀黍、高粱米、芦粟等 [1-2]，自古就有“五谷之精、百谷之长”的盛誉 [3]。高粱具有凉血、解毒之功，可入药，用于防治多种疾病 [4]。常吃高粱粥和高粱米饭，可治积食等消化不良症。中医认为，高粱“性味甘平微寒，和胃健脾，消积止泻，可用来治疗湿热、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]，其理化性质的变化直接影响到白高粱的食用品质。但是白高粱颗粒结构致密，淀粉较难糊化 [9]，添加到大米中食用时需提前浸泡或预先蒸煮。这给广大消费者带来了不便，也不适应现代快节奏的生活方式，限制了白高粱在方便快餐食品中的应用。微波热效应具有加热迅速、食品营养成分保留率高等特点，已被广泛应用于生物医药以及食品加工领域 [10]。利用微波技术对白高粱进行预熟化处理，不仅可以缩短蒸煮时间，保持外观形态完好，增加米饭食品的营养和口感；同时，煮后白高粱的糊化度高，易于人体消化吸收。

本研究将微波直接作用于完整的白高粱籽粒，再将淀粉从白高粱籽粒中分离出来，利用扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM）、差示扫描量热分析仪（differential scanning calorimetry，DSC）和X-射线衍射（X-ray diffraction，XRD）分析仪、傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR）等方法观察淀粉颗粒的形貌、结晶、焓值等变化，研究微波处理白高粱对其淀粉理化特性的影响，以期为白高粱的开发和利用提供理论依据。

1 材料与方法

溴化钾（光谱纯）、氢氧化钠、盐酸、酒石酸钾钠、正丁醇、二甲基亚砜等均为分析纯；K-RSTAR抗性淀粉试剂盒爱尔兰Megazyme公司。

EM-L530TB 型微波炉合肥荣事达三洋电器股份有限公司；RHP-600型高速多功能粉碎机浙江荣浩工贸有限公司；53655扫描电子显微镜费尔伯恩实业发展（上海）有限公司；TU-1901型双光束紫外-可见分光光度计北京普析通用仪器有限责任公司；DSC-60A差示扫描量热仪日本岛津公司；KP-201偏光显微镜上海思长约光学仪器有限公司；D8X-射线衍射仪福州莱博特科学仪器有限公司；470FT-IR 红外分析仪美国Nicolet Nexus公司；GL-21LM高速冷冻离心机成都比朗实验设备有限公司；小型真空冷冻干燥机上海比朗仪器制造有限公司。

白高粱在25 ℃条件下浸泡100 min，使其充分吸水，在微波功率900 W下间歇作用，最佳时间为80 s。将天然和微波热处理的白高粱籽粒，分别放到粉碎机中破碎，过100 目筛。筛后的细粉用真空包装袋封装，室温条件下贮存，备用。参照王颖等 [11]淀粉碱法提取方法。取10 g过100 目筛的白高粱粉，与0.2% NaOH溶液按1∶5（质量比）的比例混和均匀，于37 ℃恒温摇床中100 r/min反应48 h，反应过程中，更换1次 NaOH溶液。反应结束后10 000×g离心30 min，并刮去淀粉表层黄色软物质。用去离子水清洗沉淀5 次，至清洗沉淀后的上清液pH≤7，且表层无黄色物质。沉淀加入体积分数63%的正丁醇

100 mL，搅拌脱脂18 h。再用去离子水清洗3 次，将沉淀冷冻干燥，粉碎机间歇粉碎30 s，粉末置于干燥器中备用。

考察微波处理前后白高粱营养成分包括淀粉、蛋白质和粗脂肪等含量的变化。淀粉含量的测定：参考GB/T 5009.9—2008《食品中淀粉的测定》；蛋白质含量的测定：参考GB 5009.5—2010《食品中蛋白质的测定》；脂肪含量的测定：参考GB/T 5512—2008《粮油中粗脂肪含量测定》；水分含量的测定：参考GB/T 5009.3—2003《食品中水分的测定》。

用SEM观察天然和微波处理的白高粱淀粉的颗粒形态变化。将导电双面胶带贴于SEM的载物台上，取少量干燥后的淀粉样品在双面胶上均匀涂抹，用吸耳球吹去多余淀粉，将载物台放入镀金仪器中，镀金120 s后取出放入SEM中观察，电子枪加速电压为3 kV，以减少对淀粉颗粒的破坏。

利用偏光显微镜观察天然和微波热处理的白高粱淀粉颗粒内部偏光十字的变化。淀粉样品制成质量分数8%淀粉悬浮液，将淀粉悬浮液倒在载玻璃片上，用偏振显微镜在40 倍条件下观察。

称取100 mg全粉样品，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连续振荡16 h。加4.0 mL无水乙醇混匀，1 500×g离心10 min。弃上清液，加8 mL 50%乙醇混匀，1 500×g离心10 min，重复上述步骤。加2 mL 2 mol/L的KOH溶液，冰水浴中搅拌20 min。加8 mL 1.2 mol/L的醋酸钠缓冲液（pH 3.8），加0.1 mL淀粉葡糖苷酶溶液（3 300 U/mL），50 ℃水浴30 min。将样品定容至100 mL，1 500×g离心10 min。取0.1 mL上清液，加3.0 mL D-葡糖氧化酶/过氧化物酶试剂，50 ℃水浴20 min，测此时510 nm波长处相对于空白试剂（0.1 mL D-葡萄糖标准品）的吸光度。按式（1）计算抗性淀粉含量：

式中：ΔE为相对于空白试剂的吸光度；F为标准品对应的D-葡萄糖吸光度除以100（标准品的μg数量）；m为样品的干质量/mg。

样品的热特性分析采用DSC测定，加热速率为10 ℃/min，测试范围为30～110 ℃，样品通过100 目筛，称取绝干样品3.0 mg，加水9.0 mg，压片，25 ℃条件下平衡1 h，高纯氮气保护，并用空白盘作参比。

XRD仪条件：Cu靶，Kα射线，λ=0.15 nm，石墨单色器，管压40 kV，电流250 mA，扫描范围6°～40°；步进扫描，步宽：Δ2θ=0.02°；固定时间2 s [12-13]。结晶度（X c）为结晶区域占衍射区域的百分比，根据XRD图谱按式（2）计算结晶度：

红外光谱扫描以内置背景为参照，扫描数据以吸光度形式存储。红外光谱制样采用KBr压片法 [14]，称取样品（3±0.05） mg，加入预先研磨过的KBr粉末至总质量（300±0.l） mg，进一步研磨混合，以空气为背景采集红外光谱图，扫描波数400～4 000 cm －1，扫描64 次，分辨率为4 cm －1，每个样品测量3 次，取平均光谱。

实验用数据均以

表示。统计学方法均采用SPSS 17.0和Origin 8.0软件进行分析，各组间数据比较采用单因素方差分析，t检验法检验组间差异显著性，P＜0.05有统计学意义。

2 结果与分析

图 1 天然和微波处理淀粉颗粒的SEM图及偏光十字图
Fig. 1 SEM images and cross polarized micrographs of native and microwave-treated starch

由图1A 1可知，天然白高粱淀粉多为类圆形和不规则形状，表面内凹，颗粒较大，其中部分颗粒表面有类蜂窝状结构，少数颗粒小的为球形，表面光滑。由图1B 1可以明显看出，微波处理后的白高粱淀粉形状基本不变，但是颗粒表面出现裂纹，甚至破碎。图1A 2可以看见白高粱淀粉大颗粒完整，微波处理后（图1B 2）可以明显看出白高粱淀粉颗粒破碎，增大了表面积，使其在与大米共同蒸煮过程中更容易吸水膨胀，缩短蒸煮时间。通过测量，天然白高粱淀粉颗粒的直径范围在4.54～22.9 μm之间，这与田晓红等 [15]的结果相符；微波处理白高粱淀粉颗粒的直径范围在6.04～23.7 μm之间，由此可以得出微波处理使得白高粱淀粉颗粒膨胀。

由图1C 3和图1B 3比较可知，微波处理后的白高粱淀粉颗粒偏光十字模糊，超过半数已经消失，部分淀粉颗粒发生膨胀。经过微波处理后，白高粱淀粉分子内部有序排列的结晶区域结构被破坏，从而导致淀粉偏光十字消失。Donovan [16]的研究也指出偏光十字的消失与淀粉颗粒的膨胀同时发生。这与SEM所得到的结果相互印证，说明微波处理对白高粱淀粉颗粒具有膨胀作用。

2.2 微波处理对白高粱淀粉营养成分的影响如表1所示，淀粉是白高粱的最主要成分，是重要的能量来源 [17]。微波处理后的白高粱与天然白高粱相比，总淀粉和蛋白质含量均有所增加，这是由于微波的热效应破坏了白高粱中原有的淀粉和蛋白质等物质的聚集结构，使淀粉和蛋白质充分释放。微波处理后的白高粱中粗脂肪有所下降，这可能是由于微波处理过程中的米水体系温度较高导致脂肪水解所造成的 [18]。

表 1 天然和微波处理白高粱的营养成分（n=3）
Table 1 Nutrient contents of native and microwave-treated white sorghum (n= 3)

注：同列肩标不同字母表示有显著性差异（P＜0.05）。下同。

样品水分含量总淀粉含量蛋白质含量粗脂肪含量原白高粱10.81±0.05 a75.47±0.09 b9.60±0.11 b1.87±0.13 a处理白高粱8.64±0.01 b80.20±0.04 a10.20±0.08 a1.20±0.09 b

表 2 天然和微波处理淀粉的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

注：T o.相变起始温度；T p.相变峰温度；T c.相变终止温度；T c－T o.相变温度范围；ΔH.相变吸热焓。

样品相变温度/℃（T c－T o）/℃ΔH/（J/g）抗性淀粉含量/% T oT pT c天然白高粱60.54±0.06 a67.83±0.08 a83.23±0.03 b22.69±0.05 b2.385±0.01 b15.11±0.05 a处理白高粱60.55±0.10 a70.33±0.07 b79.71±0.01 a19.16±0.08 a1.224±0.02 a8.99±0.01 b

用DSC法测定白高粱的热力学性质特征值如表2所示。在淀粉糊化的过程中，淀粉颗粒在水中因受热吸水膨胀，使其分子内和分子间的氢键破裂，结晶结构被破坏，淀粉颗粒扩散，可溶性淀粉溶出 [19]，在此过程中伴随的能量变化在DSC分析图谱上表现为吸热峰。从表2可以看出，在60～90 ℃之间存在一个明显的吸热峰。白高粱处理前后的糊化温度较低，在60 ℃左右，这说明淀粉颗粒中的部分结晶结构在较低的温度条件下即可被破坏。淀粉的相变吸热焓代表在相转变过程中双螺旋链的解开和融化所需要的能量 [20]。由表2可知，微波处理后，相变吸热焓有所下降，说明处理后的白高粱淀粉中双螺旋链减少，淀粉颗粒结晶区相邻支链淀粉双螺旋的相互作用力减弱，淀粉颗粒中的分子排列变得无序化，使淀粉更容易糊化。

抗性淀粉是指那些不能被健康人体小肠消化吸收的淀粉及其降解产物 [21]。由表2可知，微波处理后白高粱的抗性淀粉含量从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，提高了白高粱在人体内的的消化吸收率。Montealvo等 [22]研究发现抗性淀粉的含量与焓值呈显著正相关关系。因此，随着白高粱中抗性淀粉含量的降低，DSC的相变吸热焓也随之降低，淀粉吸收较少的热量就能糊化。另外，李光磊 [23]、张淑梅 [24]等的研究还表明，随着抗性淀粉含量升高，淀粉的最高黏度随之降低，将影响米饭的食味。可见微波处理后白高粱抗性淀粉含量降低，不但有利于淀粉糊化，还有助于提高白高粱与大米共煮同熟时的食用品质。

图 2 天然白高粱（A）和微波处理白高粱（B）淀粉的XRD图谱
Fig. 2 XRD spectra of native (A) and microwave-treated (B) white sorghum starch

白高粱处理前后淀粉XRD图谱如图2所示，天然白高粱淀粉的特征峰在衍射角2θ为15.1°、17.3°、23.1°处有明显吸收峰，如图2B所示，微波处理白高粱淀粉的特征峰在衍射角2θ为15.2°、17.0°、23.0°处有明显的吸收峰，由此可以确定天然白高粱淀粉的晶体构型为A型晶体，而微波处理后白高粱淀粉晶体构型也没有改变，仍为A型淀粉。淀粉的结晶性质是在植物生长过程中受基因调控以及所处环境条件所决定的，并且受到结晶区中淀粉分子链的长短以及支链淀粉的支叉程度的影响 [25-26]。从图2计算得到，天然白高粱淀粉的结晶度为25.88%，微波处理白高粱淀粉的结晶度为18.08%。可见白高粱处理后的结晶度显著下降，可能是由于微波产生的热效应使淀粉颗粒结晶区的双螺旋解离，破坏了淀粉的结晶区域结构，导致部分淀粉颗粒糊化。Gunaratne [26]、王敏妮 [27]等研究也认为结晶度下降会使淀粉结晶区域的结构特征变弱，无定形区域的结构特征变强。

图 3 天然（A）和微波处理（B）白高粱淀粉的FT-IR图谱
Fig. 3 FT-IR spectra of native (A) and microwave-treated (B) starch

微波处理前后的FT-IR扫描如图3所示，由FT-IR可以反映白高粱淀粉分子集团的结构特征。对比天然与微波处理白高粱淀粉的红外光谱图，可以看出400～4 000 cm －1的整个光谱范围内，处理前后的白高粱淀粉具有相同的结构特征，吸收峰位置基本一一对应 [29]，说明微波加热不会改变淀粉分子的化学键组成，也没有产生新的化学物质 [30]，微波处理的快速加热效应及非热效应均不会破坏淀粉分子的化学键，处理后的白高粱淀粉仍具有天然淀粉的典型特征。

3 结论

本实验研究结果发现，微波处理后的白高粱淀粉的晶型结构未发生变化，但是淀粉颗粒偏光十字比较模糊，近半数已经消失，淀粉颗粒发生膨胀。同时微波处理后淀粉的相对结晶度、相变温度和相变吸热焓均降低，双螺旋链减少，抗性淀粉含量降低，表明微波处理可以使白高粱淀粉更容易糊化。这可能是由于淀粉颗粒结晶区相邻支链淀粉双螺旋的相互作用力减弱，结晶区域结构遭到破坏造成的。微波处理使得白高粱在与大米共煮时更容易熟化，可为白高粱的利用提供参考方法。

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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)

Abstract：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.

Key words：microwave treatment; white sorghum; starch; physicochemical properties

刘佳男, 于雷, 王婷, 等. 微波处理对白高粱淀粉理化特性的影响[J]. 食品科学, 2017, 38(5): 186-190. DOI:10.7506/

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.

作者简介：刘佳男（1990—），女，硕士研究生，研究方向为农产品加工及贮藏工程。E-mail：liujianan0814@163.com

*通信作者：于雷（1973—），男，教授，博士，研究方向为食品科学与粮油加工。E-mail：leiyujl@sina.com

微波处理对白高粱淀粉理化特性的影响

1 材料与方法

2 结果与分析

3 结 论

3 结论