https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jf400943h
摘要：研究了从硬红冬小麦和软红冬小麦籽粒中分离出来的大 A 淀粉颗粒和小 B 淀粉颗粒的形态、结构和理化特性。根据SEM，A颗粒呈圆盘状或透镜状，B颗粒呈球形或多边形。XRD分析表明A-和B-颗粒均具有A型结晶度。与 B 颗粒相比，A 颗粒含有较高量的直链淀粉和较低的蛋白质含量以及支链淀粉/直链淀粉比率。A型颗粒比B型颗粒表现出更高的水解程度和溶胀力以及更低的碘亲和力。A 颗粒比 B 颗粒表现出更高的峰、谷、击穿和最终粘度以及糊化焓，而 B 颗粒表现出更高的糊化温度。
引言
小麦(Triticum aestivum L.)是世界上最重要的谷类作物之一，是人类消费的主食之一。淀粉是小麦胚乳中含量最多的成分，占成熟小麦籽粒干重的60 ~ 65%，对最终产品的质量起着重要作用它是人类饮食中卡路里的主要来源之一，在许多食品工业中可用作增稠剂、胶凝剂、稳定剂和脂肪替代品。淀粉主要由两种类型的葡萄糖聚合物组成:直链淀粉和支链淀粉。直链淀粉是一种几乎线性的α-1,4-葡聚糖分子，含有约25 - 30%的小麦淀粉;支链淀粉是一种高度分支的分子，含有70 - 75%的小麦淀粉[1,2]。具体来说，人们普遍认为小麦淀粉具有双峰型粒度分布，根据其形状和大小可分为a型和b型。a型淀粉颗粒呈圆盘状或透镜状，平均直径为10 ~ 48 μm; b型淀粉颗粒粒径小于10 μm，呈球形或多角形[3,4]。据报道，小麦a型和b型淀粉颗粒在化学成分(如直链淀粉、支链淀粉、脂质和蛋白质含量)以及功能特性(如糊化和糊化特性、溶胀性、结晶性、酶敏感性和烘焙特性)方面存在差异[2，5]。早期研究表明，b -颗粒的脂质含量高于a -颗粒，而a -颗粒的直链淀粉含量高于b -颗粒A粒和b粒是在籽粒发育的不同时期在胚乳中形成的[6]。a粒在花后约4 ~ 5天开始合成，颗粒的生长发育一直持续到胚乳细胞分裂期结束，而b粒在花后10 ~ 14天形成，并持续扩大到花期后21天[1，6]。大小和形状的不同也导致了两种淀粉颗粒在食品和非食品应用中使用的类型不同。在小麦中，b型淀粉对面粉加工和面包制作质量有负面影响，但对面食制作有积极影响小麦a粒淀粉可用于无碳复写纸，小麦b粒淀粉是塑料薄膜填料的良好材料[6]。支链淀粉的颗粒大小和形状与支链淀粉的分子结构及其在颗粒内的分子排列有关[2]。长支链与短支链的比例影响支链淀粉分子的形状，从而影响支链淀粉分子的堆积，进而影响淀粉颗粒的形态和大小研究表明，小麦淀粉颗粒的理化性质和大小分布受遗传和环境的双重控制品种是影响小麦植株发育和淀粉积累的关键决定因素[8]。小麦品种按籽粒硬度可分为硬小麦和软小麦。小麦的籽粒硬度反映了胚乳的质地特征，是决定小麦制粉、烘烤和最终品质的重要因素之一。软质小麦品种比硬质小麦蛋白质含量低，更易磨粉，软质小麦面粉是饼干、法式面包、早餐食品等的首选，而硬质小麦面粉是制作面包的高品质面粉。对A-颗粒和b -颗粒的理化功能差异进行了一些研究。研究了硬红冬小麦和软红冬小麦品种淀粉和分离的A-和b -颗粒在形态、结构、理化、热、热等方面的特性。以小麦品种西农9718(硬红冬小麦)和山农138(软红冬小麦)为研究对象。它们是由中国杨凌西北农林科技大学农学院从2010年的收获中作为谷物提供的。使用实验室磨(磨型Perten 3100，瑞典Perten公司，瑞典)研磨小麦颗粒以获得全麦粉。所用的化学药品和试剂均为分析级。淀粉的分离
按照Singh等人(2010)描述的方法从面粉中分离出小麦淀粉颗粒A-和b -颗粒淀粉的分离。采用Zeng et al.(2011)的方法分离A颗粒和b颗粒。
粒径分布的测定
采用激光光散射粒度分析仪(mastersize -2000, Malvern Instruments Ltd, Malvern, UK)分析淀粉粒度分布。将~ 0.1 g淀粉样品溶解于100 mL蒸馏水中，在室温下用磁力搅拌器搅拌30分钟后进行测量。在分析仪上测量时，保持焦距为100 mm，遮光水平为20%。
淀粉成分的测定
总淀粉、直链淀粉和支链淀粉含量采用Jarvis和Walker(1993)报道的比色法测定根据AACC方法46−30 (AACC 2000)测定淀粉中的蛋白质含量结果是在干燥的基础上报告的。光学显微镜。将淀粉样品悬浮在甘油溶液(甘油/H2O2, v/v)中，使用40倍物镜的偏光显微镜(DMBA400, Motic中国集团有限公司，中国广州)进行观察。
扫描电镜(SEM)
淀粉样品用双面胶带固定在SEM存根上，并涂上一层金。扫描电镜(JSM-6360LV, JEOL, Japan)。
酶法水解
根据Englyst等人(1992)修改的程序，分析了淀粉的水解特性，以确定其对猪胰腺α-淀粉酶水解的抗性将120 mg的样品与30 mL的水混合，用磁力搅拌器连续搅拌，分离成5 mL的等份。每个淀粉悬浮液中加入4 mL醋酸钠缓冲液(0.1 M, pH 5.2)和4 mL α-淀粉酶(Sigma)。将悬浮液在37°C和120 rpm的水浴摇床中孵育。采用Maache-Rezzoug等人(2009)描述的3,5-二硝基水杨酸法，在0.5、1.0、1.5、2.0、2.5和3.0 h的水解后提取样品进行还原糖分析淀粉样品的水解性能用可水解淀粉的百分比表示。样品分三份进行研究，不加酶的对照组进行相同的实验条件。
膨胀力和蓝值的测定
淀粉样品的膨胀力是根据Leach, McCowen, and Schoch(1959)的改进方法测定的淀粉悬浮液在90°C下搅拌30分钟，冷却，并3000g离心15min，膨胀力以克/克计算，溶解度指数以百分数计算，温度为90℃。淀粉的蓝值是按照Morrison和Laignelet(1983)15的方法测定的，稍作修改。将淀粉(40mg)分散于10ml含10%尿素的二甲亚砜溶液中。将混合物在室温下保存10分钟，然后在沸水浴中加热20分钟，并摇晃使所有淀粉颗粒完全溶解。冷却至室温后，等分物(1ml)分散体称重到100ml容量瓶中。加入约95毫升蒸馏水和2毫升0.2%碘溶液，然后填满100毫升，立即混合。室温静置20 min，用分光光度计(UV-1700, Shimadzu, Japan)测定样品在640 nm处的吸光度。
糊化粘度特性的测定
使用快速粘度分析仪(RVA) Master (Newport Scientific, Pty Ltd, Australia)来测定淀粉的糊化特性。将去离子水(25.0 g)加入到RVA罐中淀粉(2.0 g, db)中，得到总样品质量为27.0 g。然后，在RVA运行之前，使用塑料桨对泥浆进行手动均质，以避免结块形成。将淀粉浆料从50°C加热至95°C，加热速率为12°C/min，在95°C下保持2.5 min，然后以相同的速率冷却至50°C。
热性能的测定
热性能由差示扫描量热计(DSC-Q2000, TA, New Castle, DE, USA)测量。将淀粉(3mg)直接放入铝制DSC锅中，用微量移液器加入蒸馏水(12 μL)，以空锅为基准进行所有测量。扫描温度为30 ~ 120℃，加热速率为10℃/min。
统计分析
所有实验均至少进行三次重复，实验数据也采用方差分析(ANOVA)进行分析，并用平均值±标准差表示。采用Duncan’s多量程检验评估实验均值之间的显著性差异(p＜0.05)。所有统计计算和分析均使用SPSS 13.0 for Windows进行。
结果与讨论
小麦淀粉的粒度分布及分离的A-和b -颗粒。未分馏小麦淀粉、A粒和b粒的体积和表面积的平均粒径见表1。两种未分选小麦淀粉颗粒的粒径分布均表现为双峰分布(图1A和B)，平均粒径分别为16.81μm和18.39 μm(表1)。本实验中总淀粉组分的粒径分布结果显示(p ＜0.05)小麦淀粉中小b颗粒的比例高于a颗粒(表1)。a型颗粒的平均直径范围为18.39至19.08 μm，而b型颗粒的平均直径为7.60至8.58 μm(表1)。这些值与Kim和Huber(2010) 报道的结果一致，蜡质和普通软质小麦淀粉A型和b型的平均粒径分别为20.9 ~ 21.9 μm和6.2 ~ 6.3 μm。硬红和软红冬小麦淀粉分离得到的A型和b型颗粒分离纯度分别为91.0 ~ 92.32%和86.71 ~ 87.46%，表明A型和b型淀粉分离颗粒之间存在污染。扫描电子显微镜照片和显微镜观察。从两个淀粉品种中分离出的未分馏小麦淀粉和A-和b颗粒的扫描电子显微图如图2A−F所示。两种未分选小麦淀粉颗粒的扫描电镜也显示出明显的双峰模式，大淀粉颗粒被许多小淀粉颗粒包围(图2A和D)。大淀粉颗粒表面光滑，呈圆盘状或透镜状，直径在10 ~ 40 μm之间(图2B和E)，分离的淀粉颗粒呈不规则、球形或多边形，直径约为2 ~ 5 μm。此外，通过扫描电镜观察，a型淀粉颗粒被b型淀粉颗粒污染的程度非常小，b型淀粉颗粒也被一些圆盘状的a型淀粉颗粒污染，这与粒径分布分析相吻合。A型淀粉颗粒在开花后第4天形成，并可在整个灌浆期继续生长，而b型淀粉颗粒在开花后第12 ~ 14天形成，颗粒大小可增大至10 μm，这导致A型和b型淀粉颗粒的大小和形状不同的区别。颗粒的大小和形状可能影响这些小麦淀粉的物理化学和功能特性。图2a−f显示了从两个小麦品种中分离出的未分馏淀粉颗粒和A-淀粉颗粒和b -淀粉颗粒的双折射显微照片。所有淀粉颗粒在偏振光下表现出典型的“马尔济斯交叉”。可以看出，未分选的小麦淀粉颗粒(图2a和d)没有明显的差异。然而，与a -淀粉颗粒(图2b和e)相比，b -淀粉颗粒(图2c和f)表现出相对较弱和模糊的“马耳他十字”(Maltese cross)。由于晶体的径向取向，已知偏振光下的双折射现象，这揭示了颗粒的结晶组织因此，b -淀粉颗粒的弱“马耳他十字”可能是由于它们在颗粒内的结晶组织较低。小麦淀粉的组成及分离的A-和b颗粒。对未分馏小麦淀粉及其A-和b颗粒的组成，包括总淀粉、直链淀粉、支链淀粉和蛋白质含量，以及支链淀粉/直链淀粉的比例进行了分析，结果见表2。由于植物组织中含有蛋白质、脂质、纤维、矿物质等其他成分，从植物组织中获得纯淀粉相当困难。所有样品的淀粉纯度(以干基表示)均大于97.0%，纯度较高。其中，所有样品的淀粉纯度(以干基表示)均大于97.0%，说明其纯度较高。两个小麦品种的蛋白质含量均以b粒最高，a粒最低。直链淀粉含量在未分级淀粉中差异不显著(p＜0.05)(表2)。a -颗粒中直链淀粉含量分别为25.26%和25.30%。西农9718和山农138)极显著(p ＜0.05)，高于未分馏淀粉(分别为22.25%和23.79%)和b粒(分别为19.19%和21.58%)。这些结果与以前关于小麦、小黑麦和大麦淀粉以及普通和部分糯小麦淀粉的报道一致直链淀粉构成淀粉颗粒中的无定形部分，淀粉颗粒中直链淀粉含量越高，淀粉的结晶度越低因此，b粒淀粉的结晶度可能比a粒淀粉低。而a粒的支链淀粉含量和支链淀粉/直链淀粉比值则相反。两个品种a粒的支链淀粉含量和支链/直链淀粉比值均显著(p＜0.05)低于未分馏淀粉和b粒，而b粒的支链淀粉含量和支链/直链淀粉比值最高(表2)。淀粉粒的支链淀粉含量和支链/直链淀粉比值与淀粉结晶结构有关。在本研究中，未分馏淀粉和A型或b型颗粒的化学成分约98%以上是直链淀粉和支链淀粉，其中70%以上是支链淀粉。支链淀粉的含量和结构对淀粉颗粒的理化特性和功能特性起着至关重要的作用。在未分级淀粉中差异不显著(p ＜0.05)(表2)。a -颗粒中直链淀粉含量分别为25.26%和25.30%。西农9718和山农138)极显著(p＜0.05)，高于未分馏淀粉(分别为22.25%和23.79%)和b粒(分别为19.19%和21.58%)。这些结果与以前关于小麦、小黑麦和大麦淀粉以及普通和部分糯小麦淀粉的报道一致。直链淀粉构成淀粉颗粒中的无定形部分，淀粉颗粒中直链淀粉含量越高，淀粉的结晶度越低因此，b粒淀粉的结晶度可能比a粒淀粉低。而a粒的支链淀粉含量和支链淀粉/直链淀粉比值则相反。两个品种a粒的支链淀粉含量和支链/直链淀粉比值均显著(p ＜0.05)低于未分馏淀粉和b粒，而b粒的支链淀粉含量和支链/直链淀粉比值最高(表2)。淀粉粒的支链淀粉含量和支链/直链淀粉比值与淀粉结晶结构有关。在本研究中，未分馏淀粉和A型或b型颗粒的化学成分约98%以上是直链淀粉和支链淀粉，其中70%以上是支链淀粉。支链淀粉的含量和结构对淀粉颗粒的理化特性和功能特性起着至关重要的作用。x射线衍射分析。未分馏淀粉和A、b颗粒的x射线衍射图如图3所示。表3给出了两种小麦淀粉品种的x射线衍射图对应的主峰强度和未分选颗粒、A粒和b粒的相对结晶度。未分馏淀粉A和B淀粉，各小麦品种的b粒均表现出相似的x射线衍射图，衍射峰在15°、17°、18°、20°和23°附近最强(图3A和b)，属于典型的a型结晶度。淀粉在峰强度值和相对结晶度上存在差异。西农9718的a粒峰值强度高于其未分选淀粉和b粒，而山农138的a粒峰值强度最低(表3)。这可能是由于两种淀粉品种在蛋白质、直链淀粉和支链淀粉含量上的差异。结晶度是根据x射线衍射图的总面积和无定形面积，以及A-淀粉粒，两个小麦品种的籽粒相对结晶度最高，与双折射模式分析结果一致。显著正相关(r = 0.951, p ＜0.05;直链淀粉含量与相对结晶度呈显著负相关(r = - 0.863, p ＜0.05)。我们的结果与Chiotelli和LeMeste(2002) 的结果一致，而与Xie等人(2009)17报道的小麦淀粉结晶度与直链淀粉含量呈正相关(r = 0.981)的结果相反。这可能是由于小麦淀粉品种的差异。一般来说，淀粉颗粒中的直链淀粉是无定形的。直链淀粉含量高可能导致淀粉结晶度弱。因此，小麦淀粉颗粒结晶度与直链淀粉之间的关系有待进一步研究。膨胀力和碘亲和力。未分级淀粉和A-和b颗粒的膨胀力和碘亲和力如图4所示。不同淀粉样品的溶胀力和碘亲和力差异显著(p ＜0.05)。两种小麦品种的a -淀粉颗粒均表现出最低的膨胀力和最高的碘亲和力，而两种小麦品种的B-淀粉颗粒均表现出最高的膨胀力，未分馏的淀粉颗粒具有最低的碘亲和力(图4A和B)。淀粉颗粒在过量的水中加热时，分子结构被破坏，水分子通过氢键与直链淀粉和支链淀粉的游离羟基结合。这会导致颗粒肿胀。据报道，谷物淀粉的膨胀力与支链淀粉、直链淀粉和脂质含量有关膨胀力可以用来评价淀粉链之间相互作用的程度。在淀粉颗粒的非晶和结晶区域内，结晶度越高的淀粉膨胀力越低。这个结论与我们的结果一致;小麦淀粉的膨胀性随结晶度的降低而增大。此外，b型小麦颗粒膨胀力值较高也可能与其直链淀粉含量较低有关。a粒小麦淀粉的直链淀粉含量高于b粒小麦淀粉的蓝值。A-和b -颗粒小麦淀粉的水解特性。未分级和大A-和小b -小麦淀粉颗粒在不同时间的酶解结果如图5所示。在0.5 ~ 1.5 h，两个小麦淀粉品种的b粒均表现出比a粒更大的水解程度，但在0.5、1.0和1.5 h后，a粒比a粒被更广泛地消化。对应的B型颗粒(图5A和B)。a型颗粒的水解程度高于B型颗粒。淀粉颗粒酶解的速度和程度受到许多因素的影响，这些因素可以影响酶对底物的接近和反应产物的释放这些因素包括颗粒大小、颗粒完整性、相对表面积、结晶度、颗粒孔隙度以及直链淀粉与支链淀粉的比率。b型淀粉颗粒在初始阶段较高的水解率可能是由于其比a型淀粉颗粒具有更高的表面体积比;较大的a颗粒比较小的b颗粒更不易被α-淀粉酶水解，因为它们的表面积较小。两个小麦品种的a粒直链淀粉含量均高于b粒直链淀粉含量(表2)，直链淀粉含量高导致淀粉颗粒中形成相对较大的无定形区，这使得α-淀粉酶更容易接近糖苷键。此外，b -颗粒中较高的蛋白质含量可能会影响其水解速率(表2)，因为b -颗粒中的蛋白质可以抑制α-淀粉酶对淀粉的作用。A-和b -颗粒小麦淀粉的糊化特性。小麦a粒淀粉、b粒淀粉和未分馏淀粉的糊化情况如图6所示，糊化参数如表4所示。两种小麦品种的未分馏淀粉的峰值粘度、破碎粘度和挫折粘度均最高。颗粒的谷粘度和终粘度最高，而b颗粒的膏体温度和峰值时间最高(表4)显著(p＜0.05)，峰值、低谷、破碎、终粘度和挫折粘度均高于b粒淀粉，而b粒淀粉显著高于b粒淀粉(p＜0.05)，糊化温度高于a粒淀粉。然而，西农9718的b颗粒的挫折粘度显著(p＜0.05)高于A-颗粒，A-颗粒与b -颗粒的峰值时间差异不显著(p＜0.05)(表4)。这些结果与Sahlström et al.(2003)5和Ao and Jane(2007)的报告一致硬红和软红冬小麦淀粉糊化特性的变化可能是由于它们的蛋白质和直链淀粉含量不同，如表2所示。
在RVA糊化试验中，淀粉颗粒在过量的水中加热，随着温度的升高，淀粉颗粒开始吸水。糊化温度是指在加热过程中粘度开始升高的温度。淀粉的高糊化温度表明其具有较高的抗膨胀和抗破裂性同时，淀粉分子开始浸出到溶液中，悬浮液的粘度增加。在加热过程中达到的最大粘度为峰值粘度，这表明淀粉在膨胀颗粒的抗剪切能力和颗粒的膨胀性能方面的持水能力。未分馏淀粉颗粒的峰值粘度较高，可能是由于颗粒的粒径分布范围较宽，导致不同的膨胀模式此外，与b颗粒相比，颗粒的峰值粘度更高可能是由于它们的颗粒尺寸更大，在相同浓度下，与b颗粒相比，颗粒具有松散的堆积能力，占据相对更大的体积。在约95°C的恒定高温下保温期间，粘度会分解为保温强度或槽(图6A和B)。粘度的分解是由膨胀颗粒破裂引起的。破碎粘度是峰值粘度和低谷粘度之间的差值，用于检测颗粒在高温剪切过程中的脆性和淀粉糊的稳定性。因此，a淀粉颗粒较高的击穿粘度值表明其比b淀粉颗粒具有更高的稳定性。终粘度表征了低剪切作用下冷熟浆料的稳定性。崩解粘度(峰值粘度与最终粘度之差)是由于冷却过程中从膨胀的淀粉中浸出的直链淀粉分子重排而导致的粘度增加，通常用来衡量淀粉的胶凝能力或退化倾向A-淀粉和b -淀粉颗粒的回收量不同可能与它们的直链淀粉含量不同有关。A粒和b粒小麦淀粉的热性质。用差示扫描量热法测定了未分馏小麦淀粉和从两种淀粉中分离出的A-和b -颗粒的糊化性能，结果见表5。b型淀粉颗粒的起始糊化温度(To)、峰值温度(Tp)和终点温度(Tc)均高于未分级和颗粒，未分馏淀粉和a粒淀粉的To、Tp和Tc之间无显著差异。研究结果与Ao and Jane(2007)和Zeng et al.(2011)的研究结果一致糊化温度反映了晶体结构的热稳定性，这取决于颗粒大小分布，其中小颗粒通常比大颗粒具有更低的糊化温度值然而，目前的结果并不符合这一理论。与未分馏淀粉和b淀粉颗粒相比，a淀粉颗粒的糊化焓最高(ΔH)。研究结果与Zeng et al.(2011)的研究一致然而，Xie et . (2008)， Chiotelli and LeMeste (2002)，and Wong and Lelievre(1982)报道了完全相反的结果。糊化焓(ΔH)与结晶度有关。因此，这与两个小麦品种的a -淀粉颗粒的相对结晶度和糊化所需能量均高于未分馏和b -淀粉颗粒的观察结果一致。硬红和软红冬小麦籽粒淀粉均表现出明显的双峰型大小分布。大圆盘状或透镜状的a型淀粉和小球形的b型淀粉在总淀粉、直链淀粉、支链淀粉、蛋白质含量和支链淀粉/直链淀粉比值等化学成分上存在显著差异。a型小麦淀粉颗粒的理化性质与b型小麦淀粉颗粒的理化性质也有显著差异。与b型颗粒相比，a型颗粒具有更高的碘亲和值、酶解程度、转变焓和更低的糊化温度。a颗粒的谷粘度和终粘度最高，b颗粒的糊化温度和峰值时间最高。A型和b型颗粒均表现出典型的A型结晶度，其中A型颗粒结晶度高于b型颗粒。A型和b型颗粒的理化性质差异可能是由于蛋白质、直链淀粉和支链淀粉含量的差异及其排列方式的不同。本研究分别展示了A型和b型淀粉颗粒的组成、理化性质和结构，以便更好地了解淀粉的性质、结构和功能之间的关系。
