不同灭酶处理对青稞粉理化特性的影响

孙若琪，王丽丽，李孟佳，田亚凝，张景俭，曹汝鸽*

1.天津科技大学 食品科学与工程学院，天津 300457

2.中国农业科学院 农产品加工研究所，北京 100193

3.沧州市农林科学院，河北 沧州 061001

青稞是一种耐寒性强、生长期短、高产、早熟的谷类作物，富含营养素和生理活性化合物，如β-葡聚糖、酚酸、类黄酮和花青素等[1-2]。研究表明青稞具有调节血糖、降低胆固醇、提高免疫力等独特的营养保健功能[3]。在我国，青稞具有悠久的食用历史，是藏族人民的主要粮食作物。近年来随着消费者对青稞营养和功能认识的逐渐提高，青稞食品市场不断扩大。然而，青稞籽粒中不饱和脂肪酸含量较高，易引起氧化和水解，从而导致产品酸败变质，生成苦味物质，严重影响青稞产品的保质期[4]。目前，一般采用加工前进行热灭酶处理的方式钝化原料中的脂肪酶活力，延长货架期[5-7]。常见的灭酶方法主要包括炒制、微波和过热蒸汽处理等[8-9]，不同灭酶方法的加热原理不同，因此，达到相同的灭酶效果对原料成分会产生不同的影响。

灭酶处理在钝化酶的同时也会导致谷物的微观结构、理化特性发生变化，对谷物粉的结构与理化性质产生较大的影响，进而影响谷物制品的品质特性。陈远娇等[10]发现湿热处理后糯米粉的谷值黏度、最终黏度和崩解值均增加，糊化温度有所升高，糯米淀粉粒的表面出现部分孔洞、凹陷和黏结等现象。Ma等[11]研究了经过热蒸汽处理的小麦粉的结构和消化特性，发现与天然小麦粉相比，过热蒸汽处理增加了小麦粉样品的糊化度和吸水指数，降低了淀粉的相对结晶度和短程有序结构。王伟玲等[12]发现，干热处理使小麦粉糊化黏度增加，糊化温度降低，且随着干热处理时间的延长，相对结晶度逐渐降低。胡月明[13]发现过热蒸汽处理后小麦粉的结晶度略微降低，处理过程中晶体的破坏以及重排会同时发生，小麦粉的起始温度、峰值温度和最终温度都基本不变或略微增大。同样地，热处理会导致青稞的理化特性发生较大的变化。景孝男等[14]研究发现经热处理后青稞全粉组织形态和晶体结构改变，但未产生新的化学基团，且青稞全粉糊化温度显著增加。Liu等[15]的研究结果显示湿热处理后青稞淀粉的糊化特性发生改变，部分快消化淀粉转化为慢性或抗性淀粉形式，青稞淀粉的黏度和回生值降低。赵波[16]探究了稳定化对青稞籽粒及制粉特性的影响，发现加热稳定化处理明显改变青稞粉的糊化特性，其中炒制和微波处理显著提高青稞粉的糊化温度。卞华伟等[17]发现干热处理降低了青稞淀粉糊的黏度和回生值，但提高了淀粉糊稳定性，这是由淀粉有序化程度和结晶度的增加以及淀粉分子断链后的重排引起的。

上述研究报道多集中体现单一灭酶方法对青稞粉灭酶效果及理化特性的影响，但达到相同灭酶效果时，不同灭酶方式对青稞粉理化及品质的影响报道较少。因此，本研究旨在评估3种不同的热灭酶处理方式对青稞粉及淀粉的微观结构和物理化学性质的影响。采用快速黏度分析(RVA)、差示扫描量热(DSC)等技术评价不同灭酶方法对青稞粉热特性及糊化特性的影响，通过X-射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)测定青稞淀粉分子的短程结构和有序结构等。研究结果可为实际生产过程中选择合适的灭酶方法以及改善青稞粉的品质提供理论支持，为进一步开发高品质和附加值的青稞产品提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

勾芒紫青稞(蛋白质含量10.71%，脂肪含量2.39%，灰分含量1.76%，总淀粉含量53.76%)：西藏农业科学院；溴化钾(光谱纯):美国 PIKE 公司;丙二醛、1%品红染色液、0.5%甲基紫等均为分析纯。

1.2 仪器与设备

CT410旋风磨：福斯赛诺分析仪器(苏州)有限公司；CP214电子天平：奥豪斯(上海)仪器有限公司；美的微波炉：广东美的厨具制造有限公司；咖啡豆机：韩国首尔GENE CAFÉ股份有限公司；过热蒸汽装置：中国农业大学食品科学与营养工程学院；SU8010扫描电子显微镜：日本东京日立有限公司；Q2000差示扫描量热仪、Tech Master RVA快速黏度测定仪：瑞典波通仪器公司；Nexus470 傅里叶变换红外光谱仪：美国NICOLET公司。

1.3 试验方法

1.3.1 样品制备

参照文献[15]对青稞进行水分调质。称取500 g青稞过20目(0.85 mm)标准试验筛以去除杂质、秕粒等，装入自封袋中，加水将水分含量调至25%，袋子密封并在室温(20～25 ℃)下放置8 h，以确保籽粒将水分完全吸收。称取100 g调质好的青稞磨粉并过100目筛，剩余调质好的青稞进行不同的灭酶处理。为更加科学地比较不同灭酶方法对青稞粉理化特性的影响，以过氧化物酶为目标灭酶对象，通过前期预试验确定以下条件可将该酶全部灭活(过氧化物酶失活率100%)。

(1)炒制处理：称取100 g青稞放入炒咖啡豆机，200 ℃炒制20 min。

(2)微波处理：称取100 g青稞于玻璃皿中，放入微波炉，在功率600 W下处理2 min。

(3)过热蒸汽处理：称取100 g青稞均匀铺于进样器的金属网上，传送至处理室，160 ℃过热蒸汽处理6 min，蒸汽速度为15.0 m3/h。

将上述各组处理后的样品部分磨粉并过100目筛，得到青稞粉。青稞籽粒和青稞粉用于后续试验。

1.3.2 青稞胚乳的微观结构观察

未处理和灭酶处理的青稞胚乳形态用扫描电子显微镜(SEM)进行观察。首先将青稞籽粒用刀片切成薄片，然后将其内核部分用双面胶带固定在扫描镜的载物台上，并用离子溅射镀膜仪溅射镀铂，电子枪加速电压为10 kV，放大600倍进行观察。

1.3.3 青稞粉的糊化特性分析

使用快速黏度分析仪(RVA)测定未处理和灭酶处理后的青稞粉的动态黏度。糊化特性的测定方法参照文献[18]，并进行适当修改。称取3.5 g青稞粉于铝筒中，加水后放入RVA中。测定程序：50 ℃保持1 min，以13.6 ℃/min升温至95 ℃，保持2.9 min，再以11.8 ℃/min降温至50 ℃，保持1 min。搅拌器的转速保持960 r/min，持续10 s，随后维持160 r/min。所有测定均进行3次平行试验。

1.3.4 青稞粉的热力学性质分析

用差示扫描量热仪(DSC)测定青稞粉热力学性质。分别准确称取3 mg(干基)未处理和不同灭酶处理青稞粉于坩埚中，按质量比1∶3添加去离子水，密封后在4 ℃过夜平衡。以空白坩埚作为对照样品，将盛有青稞粉的坩埚放入DSC中，以10 ℃/min的速率将温度从35 ℃提高到110 ℃。通过光谱分析，可以得到起始糊化温度(To)、糊化峰值温度(Tp)、糊化最终温度(Tc)、糊化焓(ΔH)。糊化度(DG)计算如下。

式中：ΔH和ΔH*分别为未处理和灭酶处理过的青稞粉的焓变。

1.3.5 青稞粉的X-射线衍射分析

利用X-射线衍射仪并参照文献[19]分析不同灭酶处理后青稞粉的结晶特征。操作电压40 kV，电流100 mA，以Cu作靶，扫描区域2θ=5°～40°，步长0.02°，连续扫描，扫描速度3°/min。相对结晶度(RC)为晶体相与非晶相的比值。

1.3.6 青稞粉的傅里叶变换红外光谱分析

使用FTIR光谱检测未处理和灭酶处理后的青稞粉的短程结构，青稞粉与溴化钾按质量比1∶50细磨混合并压片。以溴化钾为参比背景，扫描速度为0.2 cm-1/s，扫描范围400～4 000 cm-1。分析在800～1 200 cm-1范围的透射率波段。

1.4 数据分析

在本研究中，除电镜分析外，所有指标均独立进行3次及以上重复试验，试验结果以平均值±标准差表示，并使用SPSS 22.0进行统计与方差分析。采用Duncan’s检验(P<0.05)来确定平均值之间的显著差异。使用Origin 18作图。

2 结果与分析

2.1 不同灭酶处理对青稞胚乳微观结构的影响

3种灭酶处理的青稞胚乳微观结构(SEM)如图1所示。未处理的青稞胚乳中淀粉颗粒为圆形，表面光滑(图1a)。它由两类不同结构的淀粉颗粒组成，一种是尺寸较大的扁圆形的A型淀粉颗粒，另一种是尺寸较小的球形的B型淀粉颗粒，这与任欣等[20]的研究结果一致。由图1b、1c可见：炒制处理使A型和B型淀粉颗粒均严重变形，结构被破坏，大部分发生塌陷或破裂，这可能是淀粉分子在加热过程中发生降解开始熔融的结果；而微波处理后，淀粉颗粒结构也部分崩塌，颗粒表面出现一些变形和孔洞，细胞壁消失，与Lei等[21]报道的结果相一致。从图1d可以观察到过热蒸汽处理后，淀粉颗粒也发生了不同程度的变形，其中部分A型淀粉颗粒结构未被破坏，B型淀粉颗粒表面有轻微变形和碎裂。由此可见，3种热灭酶处理均导致淀粉结构发生变化，其中炒制组影响最为严重，而过热蒸汽对胚乳和淀粉结构的影响最小。

注： a为对照组； b为炒制处理； c为微波处理； d为过热蒸汽处理。

2.2 不同灭酶处理对青稞粉糊化特性的影响

从表1可以看出，3种灭酶处理的青稞粉峰值黏度范围为104.33～1 486.00 mPa·s，不同灭酶处理间差异显著(P<0.05)。过热蒸汽处理的青稞粉峰值黏度为1 486.00 mPa·s，显著高于其他2种灭酶处理的，说明其膨胀性能较好。过热蒸汽处理的青稞粉的谷值黏度最高，炒制处理的最低。从表1可以看出，过热蒸汽和微波处理的崩解值显著高于炒制处理的。炒制处理的最终黏度为366.33 mPa·s，显著低于其他3种。炒制处理的回生值最低，回生值降低可能是由于淀粉结构被高温破坏，从而导致青稞粉糊的稳定性降低。

表1 不同灭酶处理对青稞粉糊化特性的影响

炒制处理后青稞粉的糊化黏度(包括峰值、谷值和最终黏度)、崩解值和回生值均显著降低(P<0.05)，说明青稞籽粒和淀粉的结构被高温所破坏，稳定性变差，这与分析SEM(图1)得出的结论一致。微波灭酶后，峰值黏度、崩解值与回生值均显著低于对照组(P<0.05)，谷值黏度显著高于对照组(P<0.05)。而过热蒸汽处理的青稞粉糊化特性与未处理的样品最为接近。当灭酶效果相同时，3种灭酶处理对青稞粉的糊化特性产生不同的影响，其中过热蒸汽处理对青稞粉产生的影响最小，青稞粉稳定性最好。

2.3 不同灭酶处理对青稞粉热特性的影响

3种不同灭酶处理的青稞粉热力学性质见表2。与未处理的样品相比，炒制处理的样品起始温度(To)、峰值温度(Tp)、终止温度(Tc)均显著增加，糊化焓(ΔH)显著降低(P<0.05)，糊化度(DG)可达90.47%。过热蒸汽处理的青稞粉To、Tp、Tc略上升，ΔH显著降低(P<0.05)。与对照组相比，微波处理的样品To、Tp和Tc差异不显著，ΔH显著降低(P<0.05)。过热蒸汽处理的DG为38.29%，显著低于其他2种灭酶处理(P<0.05)。ΔH的降低可能是青稞粉中直链淀粉和支链淀粉分子的分支点降解以及结晶度的降低引起的[22]。未处理青稞粉的糊化焓最高，为2.94 J/g，其次是过热蒸汽处理的，炒制处理的糊化焓最低，为0.28 J/g。炒制处理和过热蒸汽处理样品的To、Tp、Tc都有一定程度的上升。较宽的糊化温度范围(Tc-To)表明青稞粉在灭酶处理过程中形成了较多的非均相微晶，炒制处理的Tc-To最小，过热蒸汽处理的Tc-To最大。上述结果表明过热蒸汽处理对青稞粉的影响较小，与其他2种灭酶方法相比，处理后的青稞粉稳定性最好，这与由SEM和RVA分析得出的结论一致。

表2 不同灭酶处理青稞粉的热力学性质

2.4 不同灭酶处理对青稞粉结晶度的影响

3种灭酶处理的青稞粉X-射线衍射图和结晶度如图2所示。未处理的青稞粉显示出典型A型淀粉晶体结构，在2θ=15°、18°、20°、23°处有衍射峰，其中，20°处的主峰是一种内源性淀粉脂质化合物，15°、23°处显示两个单一的宽峰，18°附近显示双峰，这与Zhou等[23]的报道一致。3种灭酶处理与未处理的青稞粉20°(2θ)附近均出现一个微小的峰，表明存在淀粉的V型结晶结构。但炒制处理在15°处峰消失，且20°附近的衍射峰比其他3种峰值强度强，可能是因为高温灭酶处理使晶体结构被破坏并重排，从而使青稞淀粉晶体构型发生改变。与未处理的青稞粉相比，经过热蒸汽处理的青稞粉在18°处结晶峰变得尖锐，吸收峰增强，结晶度显著下降。可能是因为过热蒸汽处理过程中，水分子吸收热量作用于淀粉结晶区，使螺旋结构改变，结晶结构遭到破坏。当经过热蒸汽的灭酶处理后，青稞粉相对结晶度降低(图2)。其中炒制处理的相对结晶度最低，微波和过热蒸汽处理的相对结晶度较高。这可能是由于炒制组加热时间最长，高温导致晶体高度有序的螺旋结构发生重组。这与SEM分析结果一致。

图2 不同灭酶处理青稞粉的X-射线衍射图

2.5 不同灭酶处理青稞粉的傅里叶红外分析

3种灭酶处理青稞粉的红外光谱图(FTIR)如图3所示。不同灭酶处理青稞粉的FTIR谱图呈现出相同的峰形和曲线趋势。在800～1 200 cm-1区域，该光谱表示C—O、C—C、C—H伸缩振动和C—OH弯曲振动。1 047 cm-1、1 022 cm-1和995 cm-1处的红外吸收对青稞粉分子构象的变化较为敏感，反映了不同灭酶处理青稞粉中淀粉分子的老化程度。1 047 cm-1和1 022 cm-1处的吸收带分别与青稞淀粉颗粒的结晶区和无定形区有关，在1 047 cm-1和1 022 cm-1处的吸收率分别表示晶体结构和无定形区域的数量，因此，可以用1 047 cm-1和1 022 cm-1处的吸收率比表示淀粉颗粒中的分子有序程度[24]。

图3 不同灭酶处理青稞粉的傅里叶变换红外光谱图

3 结论

对比研究了3种常见的热灭酶处理方法对青稞粉结构与理化特性的影响。结果表明，炒制处理对青稞胚乳和淀粉颗粒的微观结构破坏最大，微波处理其次，过热蒸汽处理最小。灭酶处理降低了青稞粉的峰值黏度和最终黏度，其中炒制处理的糊化黏度显著降低，稳定性较差，过热蒸汽处理的崩解值和回生值比另外2种处理的高，尤其回生值接近未处理的青稞粉糊，说明过热蒸汽处理的青稞粉糊稳定性较好。通过分析青稞粉的淀粉分子结构可知，经过灭酶处理，青稞淀粉相对结晶度均下降，其中炒制处理组下降程度最大。红外光谱分析表明，3种灭酶处理可以不同程度地破坏结晶区和非晶区的短程分子结构。综上所述，过热蒸汽处理对青稞粉的微观结构和理化特性影响最小，炒制处理影响最大。本研究结果为深入认识不同灭酶处理方式对青稞粉特性的影响及其作用机制提供了一定的理论参考。