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(北京农业职业学院食品与生物工程系,北京 102442)

谷子(Setariaitalica)是禾本科狗尾草属,在我国种植已有七千多年的历史,是我国、日本、南亚和中欧一些地区的重要粮食作物[1]。据FAO数据统计,近五年来我国谷子产量逐年上升,2014年总产量为234.47万吨,位居世界第三[2]。谷子脱壳后称为小米,小米营养价值丰富,含有蛋白质、脂肪、糖类、维生素及矿物质等人体所必需的营养物质;同时具有易消化、养胃健脾、助睡眠、催乳补身之功效,深受产妇、婴儿及老人的喜爱[3]。

小米的主要可食部分是淀粉,含量在60%左右,淀粉的结构与性质直接影响小米的食用品质和加工品质[4]。研究表明,直链淀粉及支链淀粉的含量及比例、糊化温度和胶稠度是影响谷物蒸煮品质及食味品质的主要指标[5-6]。我国谷子品种资源丰富,1990年《中国谷子品种资源目录》中已录入20560份。刘成等[6]和杨斌等[7]分别分析了河北省9个谷子品种和陕西省谷子品种的淀粉含量、直链淀粉含量、透明度、糊化特性、颗粒形态及粒径大小、碘蓝值、冻融稳定性、溶解度与膨胀度、凝沉特性等品质特性,发现不同品种谷子淀粉品质特性差异显著。小米淀粉的品质特性众多,各品质在不同品种间差异显著[8],直接影响其在加工中的应用[9]。因此,对不同品种谷子淀粉品质特性进行综合分析,对于选育新品种和合理的食品加工具有重要的意义。

目前,基于主成分分析的综合性评价分析方法在食品质量评价方面成为了热点,王丽[10-11]分别采用主成分分析法对甘薯和马铃薯面条进行分析,并对比了二者的品质评价指标及不同品种品质特性之间的差异。采用主成分分析对谷子淀粉品质评价指标进行筛选、对谷子品种进行分类和综合评价方面的研究还鲜有报道。本文以13个谷子品种为研究对象,分析谷子淀粉基本特性,采用主成分分析确定谷子淀粉的主要评价指标,并对谷子品种进行综合评价,初步了解该谷子品种的蒸煮品质,以期为谷子品质育种及小米制品开发利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1～12号谷子(1号:冀谷31;2号:冀谷35;3号:冀谷36;4号:冀谷37;5号:冀谷38;6号:冀谷39;7号:冀谷40;8号:冀谷41;9号:冀谷42;10号:豫谷18;11号:冀科谷;12号:S67) 收集于北京市农林科学院;13号 为网络购买样品;碘化钾、碘、无水乙醇、盐酸、石油醚、溴百里香酚兰、氢氧化钾等 分析纯,北京北化试剂公司;直链淀粉标准品、支链淀粉标准品 Sigma公司。

DK-S28水浴锅 上海精宏实验设备有限公司;DHG-9053烘箱 上海一恒科学仪器有限公司;UV-2550紫外分光光度计 岛津公司;PHS-3E pH酸度计 上海仪电科学仪器股份有限公司;FW177粉碎机 天津市泰斯仪器有限公司;FA2204B电子天平 上海舜宇恒平科学仪器有限公司;WSC-S色差计 上海精科仪器设备有限公司;CT3质构仪 美国博勒飞。

1.2 实验方法

1.2.1 谷子淀粉的提取 用0.2%的NaHSO3溶液浸泡20 h后(固液比=1∶5),蒸馏水洗三次,控干水分,粉碎过60目筛去除胚和皮层后,向所得小米粉浆中加入质量分数为4% NaOH溶液至NaOH质量分数达到0.2%(加入NaOH去蛋白),搅拌30 min后,室温放置6 h,间歇搅拌,倾去上层NaOH溶液,对下层沉淀物6000 r/min离心10 min。离心弃上清得沉淀,刮去上部的灰色蛋白层、黄泥层、细纤维层、剩下白色淀粉层。水洗、40 ℃干燥至质量不再发生变化,得粗淀粉[12]。

1.2.2 谷子淀粉品质特性的测定

1.2.2.1 淀粉纯度的测定 采用酸水解法测定,称取2～5 g(精确到0.001 g),置于放有慢速滤纸的漏斗中,用50 mL石油醚分五次洗去试样中脂肪,弃去石油醚。再用150 mL乙醇(85%,体积比)分数次洗涤残渣,以充分除去可溶性糖类物质。滤干乙醇溶液,以100 mL水洗涤漏斗中残渣,并转移至250 mL锥形瓶中,加入30 mL盐酸(1+1),接好冷凝管,置沸水浴中回流2 h。回流完毕后,立即冷却。待试样水解液冷却后,加入2滴甲基红指示液,先以氢氧化钠溶液(400 g/L)调至黄色,再以盐酸(1+1)校正至试样水解液pH约为7。然后加20 mL乙酸铅溶液(200 g/L)摇匀,放置10 min。再加20 mL硫酸钠溶液(100 g/L)以除去过多的铅。摇匀后将全部溶液及残渣转入500 mL容量瓶中,用水洗涤锥形瓶,洗液合并入容量瓶中,加水稀释至刻度。过滤,弃去滤液20 mL,滤液供测定用。参考GB 5009.9-2016[13]。

1.2.2.2 水分的测定 采用直接干燥法测定,取洁净铝制称量瓶,置于101～105 ℃干燥箱中,瓶盖斜支于瓶边,加热1.0 h,取出盖好,置干燥器内冷却0.5 h,称量,恒重后。将混合均匀的淀粉迅速磨细至颗粒小于2 mm,称取3 g左右试样(精确至0.0001 g)放入此称量瓶中,加盖,精密称量后,置于101～105 ℃干燥箱中,恒重后计算水分含量。参考GB 5009.3-2016[14]。

1.2.2.3 淀粉色泽的测定 采用色差计测定,参照Fiorda[15]方法。取谷子淀粉放入WSC-S 测色色差计样品杯中,并填满样品杯,测定各样品的L*、a*、b*值。其中L*值越大,说明亮度越大,+a*方向越向圆周,颜色越接近纯红色;-a*方向越向外,颜色越接近纯绿色。+b*方向是黄色增加,-b*方向蓝色增加。匀色空间L*、a*、b*表色系上亮点间的距离,计算两个颜色之间的总色差ΔE,计算公式如下。每个样品测定3组平行。

1.2.2.4 直链淀粉和支链淀粉的测定 采用双波长法测定,具体参考王丽[19]。称取0.5 g样品,用20 mL石油醚分4次洗出脂肪,放入恒重铝盒中在通风橱内进行完全挥发。再用20 mL 85%乙醇分4次洗出可溶性糖,残留物转移至恒重铝盒中,在通风橱内进行完全挥发。随后在105 ℃烘箱中烘干至恒重。恒重的样品0.1 g加入 0.5 mol/L KOH溶液10 mL,在(80±1) ℃水浴溶解10 min后,定容于50 mL容量瓶中,在吸取样品液2.5 mL,加入20 mL双蒸水,用0.1 mol/L HCl将溶液pH调至3.0,加入碘试剂0.5 mL,用双蒸水定容至50 mL容量瓶中,静置 20 min。直链淀粉和支链淀粉的最大吸收波长分别是609 nm(λ1)和546 nm(λ2)。根据等吸收点作图法确定直链淀粉和支链淀粉的参比波长分别为473 nm(λ3)和734 nm(λ4)。

式中:Y为标准曲线中计算出的直链淀粉或支链淀粉浓度(μg/mL);50为两次定容的体积(mL);W1为原有样品中水分含量(%);W2为原有样品脱糖脱脂减少量(%);2.5为吸取测定样品体积数(mL);M为测定用样品重量(g)。

1.2.2.5 淀粉凝胶质构的测定 采用质构仪测定,参照Mudgil[17]。称取一定量谷子淀粉样品放入烧杯中,加入去离子水(固液比1∶5 g/mL)搅拌混匀后,于沸水浴中加热并缓慢搅拌30 min,使淀粉充分糊化,冷却至室温,置于0～4 ℃冰箱中成胶24 h。将凝胶切成直径15 mm、高10 mm 的圆柱体,放在质构仪载物台上,选用TA41探头,选取TPA模式进行试验。质构仪设定参数为:测试速度8 mm/s,触发力4.5 g,压缩时间1 s,压缩距离1.5 mm。测定指标为:硬度(Hardness)、粘着性(Adhesiveness)、弹性(Springiness)、咀嚼性(Chewiness)。每个样品做6次平行试验。

1.2.2.6 胶稠度的测定 参考GB/T 22294-2008[18]。称取0.05 g谷子淀粉于25 mL刻度试管中,加入0.2 mL的0.025%(质量分数)百里香酚蓝溶液,振荡器振荡使淀粉充分润湿分散。然后准确加入0.15 mol/L氢氧化钾溶液2.5 mL,再次用振荡器振荡,混匀后放入沸水浴中,将试管口用棉球塞上,调节水面高度,使沸腾样品高度始终维持在试管长度的2/3左右。加热15 min后取出试管,取下棉球,室温放置5 min后再放入冰水中冷却20 min。在室温下将试管水平放在平台上,静止,记下样品伸延长度。

1.2.2.7 透光率的测定 参考刘成等[6]的方法。称取0.2 g谷子淀粉,在沸水浴中搅拌30 min,冷却至室温,用水调整体积至原浓度,以蒸馏水作空白液,在647 nm波长下测定其透光率。

1.2.2.8 碘蓝值的测定 参考姚亚平等[19]的方法。称取0.1 g左右干基淀粉于25 mL刻度试管中,加1 mL无水乙醇,充分润湿样品,再加入1 mol/L氢氧化钠溶液9 mL,于沸水浴中分散10 min,迅冷,转移至100 mL容量瓶中,定容,取5 mL淀粉分散液于100 mL容量瓶中,加水50 mL,再加入1 mol/l乙酸溶液1 mL及碘试剂1 mL,用水定容至100 mL,显色10 min后,580 nm上机测定吸光度。

1.3 数据分析方法

采用SPSS 18.0对数据进行方差分析和显著性分析,选择Duncan检验在p<0.05水平下,对数据进行统计学处理。

2 结果与分析

2.1 淀粉基本品质特性分析

表1为谷子淀粉提取物的基本品质特性,其中不同样品中各品质特性差异明显,其中淀粉得率的变化范围是48.39%～66.48%,其中冀谷31最低,冀谷42最高。针对谷子淀粉的纯度而言,所有淀粉样品均高于75%,其中淀粉纯度最高的为豫谷18(94.81%),淀粉纯度最低的为冀谷35(75.70%)。各个样品的水分含量均低于12%,符合我国食用淀粉国家标准谷物淀粉水分含量低于14.0%的要求[20]。淀粉的色差变化范围为73.45～82.52,其中色差最大的为S67,最小的为豫谷18。不同样品中各品质特性差异可能与品种、生长环境等不同有关。

表1 谷子淀粉基本品质特性Table 1 The basic quality of millet starch

淀粉颗粒主要由直链淀粉和支链淀粉组成,由于直链淀粉分子呈直链状结构,空间阻碍小,易于回生;支链淀粉分子呈树枝状结构,分支较多,空间阻碍较大,不宜回生[21]。因此,直链淀粉和支链淀粉的含量是影响小米食用品质的重要因素。表1结果显示谷子淀粉中直链淀粉含量的变化范围是10.03%～19.73%,支链淀粉含量的变化范围是80.27%～89.97%,其中直链淀粉含量最高的是冀谷42,含量最低的是S67。本研究中谷子直链淀粉与Ramashia[22]研究者基本相一致。直链淀粉含量分别与小米饭的柔软性、香味、色泽、光泽密切相关。高直链淀粉含量(大于25%)的小米蒸煮后米饭干燥、蓬松、色暗,冷后变硬夹生,但出饭率高;低直链淀粉含量(小于18%)的小米蒸煮后米饭较粘湿,富有光泽,冷却后仍柔软,但过热后光泽很快散裂分解,出饭率低;中等直链淀粉含量(18%～25%)的品种蒸煮的米饭既能保持高含量类型的蓬松性,冷却后又能保持低含量类型的柔软质地[6]。

2.2 淀粉加工特性分析

2.2.1 质构特性 淀粉在一定的水分、温度和压力下糊化后,直链淀粉分子从膨润的淀粉粒中逸出,淀粉分子链通过氢键交联聚合,可溶性直链淀粉形成连续的三维网络凝胶结构,溶胀淀粉颗粒和碎片填充在直链淀粉网络中,形成具有一定黏弹性和强度的凝胶。这种凝胶体可以赋予一些食品特定的结构和外观,且价格便宜,可以代替价格昂贵的食品胶。常采用质构仪测定其质构特性。凝胶的硬度越大,说明分子间的作用力较大,所形成的分子结构较稳定,凝胶本身不易被破损[17],表2结果显示,冀谷38(52.75 g)的凝胶硬度最大,冀谷 42(17.38 g)的凝胶硬度最小,说明冀谷38凝胶产品更加稳定。凝胶弹性反映的是淀粉凝胶受到彻底挤压后,在一段时间内恢复变形的能力。淀粉凝胶的弹性受淀粉分子所形成网状结构的交联点数量和交联点密度的影响,有效交联点数目越多,凝胶弹性越大;淀粉凝胶的黏性表示分子间的内聚力受淀粉分子链长的影响。长链淀粉分子含量越大,凝胶中的分子之间相互作用力也越大[21]。本研究中多数品种谷子淀粉的硬度、弹性、内聚力、咀嚼性和粘性之间差异明显,其中弹性较大的为网购样品(7.28 mm)、冀谷40(7.07 mm),弹性最低的为豫谷18(3.89 mm)。

表2 谷子淀粉质构特性、透光率和碘蓝值Table 2 The TPA,light transmittance and iodine blue value of millet starch

2.2.2 透光率 表2结果显示,谷子淀粉的透光率变化范围是13.14%～30.26%,多数集中在13%～20%,该结果与李玲伊[23]的研究结果类似,即谷子淀粉的透光率范围是4.4%～22.3%。研究表明透光率越大,食品的色泽和质地越好[21],因此分析筛选透光率大的品种,对于谷子新产品的研发具有重要意义。

2.2.3 碘蓝值 表2结果显示,本研究中谷子淀粉的碘蓝值为0.180～0.410,明显高于高金梅[24]研究的糯玉米淀粉的碘蓝值(0.10～0.11)。碘蓝值是评价淀粉与碘发生反应产生蓝色复合物多少的指标。样品中游离淀粉含量越多,直链淀粉含量越高,细胞的破损程度越大,颜色越深[19],碘蓝值越大。因此,可以通过碘蓝值间接判断细胞破损的难易程度。碘蓝值越小,说明在加工过程中细胞抵抗外界机械力的能力越强,破损的细胞少,基本上保持了细胞的完整性,因此更能保持原料的天然风味和营养价值[21]。本研究中的不同样品的碘蓝值均低于0.500,初步说明谷子加工过程中更能保证其原有的风味和营养价值。碘蓝值目前已广泛应用于水稻、玉米、小麦等淀粉类食品品质的评价,而关于碘蓝值在谷子的加工利用中的研究较少。

2.2.4 胶稠度 胶稠度反映了米胶冷却后的胶稠程度,与米饭的柔软性有关,是米饭蒸煮品质的主要评价指标之一。胶稠度高,则米胶长,米饭柔软、适口性好,反之较硬,适口性差。同时胶稠度能反映出直链淀粉含量以及支链淀粉和直链淀粉分子的综合利用[25]。表3结果显示,不同样品胶稠度之间差异较明显,对于同一样品来说,随着静置时间的延长,胶稠度逐渐增加,对于大多数样品来说,放置5 h后,淀粉的胶稠度基本不再增加。

表3 谷子淀粉胶稠度(mm)Table 3 The gel consistency of millet starch(mm)

王润奇等[26]总结了中国北方人民喜食的优质小米应具有的胶稠度标准,据米胶延伸的长短将胶稠度分为米胶长度小于80 mm为硬胶稠度,80～120 mm为中胶稠度,大于120 mm为软胶稠度。本研究中在放置0 h时,不同品种胶稠度的变化范围为64.7～132.3 mm,说明本研究了谷子品种基本涵盖了目前的硬胶稠度、中胶稠度和软胶稠度的谷子品种。本研究结果高于稻米的胶稠度(22～100 mm)[27],这也与小米可作为产妇、术后恢复的主要食用原料有很大关系。

2.3 淀粉品质特性的相关性分析

表4为谷子淀粉品质特性的相关性分析结果表,从表4中可以看出,淀粉的很多指标之间存在显著相关性。淀粉的得率与淀粉的纯度、直链淀粉含量分别呈极显著、显著的正相关(p<0.01,p<0.05)),与淀粉的粘性和碘蓝值分别呈显著、极显著的负相关(p<0.05,p<0.01);淀粉的纯度与粘性和碘蓝值呈极显著的负相关(p<0.01),与胶稠度和透光率呈显著的正相关(p<0.05)。直链淀粉含量与凝胶的硬度和碘蓝值呈显著的负相关(p<0.05),与胶稠度呈显著的正相关(p<0.05)。凝胶的硬度与凝胶的内聚力、咀嚼性、弹性呈极显著的正相关(p<0.01),与碘蓝值及淀粉的透光率呈显著的正相关(p<0.05),与凝胶的粘性呈显著的负相关(p<0.05)。不同指标之间存在一定的相关性,但是不同指标之间的重要程度并不清楚,因此,为了更好地评价不同品种淀粉的综合品质特性,需要进一步进行分析。

表4 谷子淀粉品质相关性Table 4 Quality relevcmce of millet starch

2.4 淀粉品质特性的主成分分析

表4结果显示,谷子淀粉品质特性之间存在显著的相关性,并且各个指标之间难以判别重要性,很难判断不同品种谷子淀粉之间的差异情况。而主成分分析是将多指标线性组合为较少的综合指标,这些综合指标彼此间既不相关,又能反映原来多指标的信息,不同指标在各个综合主成分中的重要性也能反映出来[28]。表5为13个谷子品种淀粉14个指标的特征向量、特征值、各主成分方差累计贡献率及主成分得分情况表。表5显示,前5个主成分的特征值均大于1,方差贡献率分别为30.934%、22.666%、17.252%、11.776%和7.197%,累计贡献率为89.825%,可以很好地解释谷子淀粉品质特性的综合信息。在每个主成分中,载荷值越高,表明贡献性越大[29]。第一主成分中起主要作用的是硬度、内聚力、咀嚼性和弹性,均具有正向的载荷值分别为0.749、0.737、0.827和0.873,命名第一主成分为质构因子;第二主成分中起主要作用的是淀粉得率和纯度,其载荷值分别为0.663和0.699,命名第二主成分为淀粉提取效果因子;第三主成分中起主要作用的是直链淀粉、支链淀粉、胶稠度和透光率,其载荷值分别为0.641、-0.641、0.651和-0.665,由于表4中直链淀粉和支链淀粉呈极显著的负相关(r=-1),胶稠度与透光率呈极显著的负相关(r=-0.437),呈极显著相关性的指标可以用另外一个指标代替,因此,命名第三主成分为直链淀粉和胶稠度因子;第四主成分中水分载荷值为0.660,命名为水分因子;第五主成分中色泽载荷值为-0.671,命名为色泽因子。

表5 主成分的特征向量、特征值及方差贡献率Table 5 The eigenvectors and eigenvalues of principal components and their variance contributions

2.5 谷子淀粉品质特性的综合评价

通过主成分分析得到前5个主成分的累计贡献率为89.825%,反映了14个指标的89.825%的综合信息,因此,用这5个主成分评价13个谷子淀粉品质特性是可行的。即可用Y1质构因子、Y2淀粉提取效果因子、Y3直链淀粉和胶稠度因子、Y4水分因子、Y5色泽因子的5个新的综合值来代替原来的14个指标对不同品种谷子淀粉的品质特性进行分析,构建谷子淀粉的前4个主成分的线性关系式。以每个主成分对应的特征值的方差提取贡献率αi建立不同品种谷子淀粉的综合评价模型Y=0.344Y1+0.252Y2+0.192Y3+0.131Y4+0.080Y5,计算不同品种谷子淀粉的综合评分。结果如表5所示,13个谷子品种中,排在前三位的分别是冀谷40、网购样品、和冀谷35,综合得分分别是0.758、0.588和0.524,说明这3个品种的淀粉整体品质更高。

3 结论

通过对13个谷子品种淀粉品质特性的分析发现,不同品种淀粉的很多品质特性间存在差异,各指标之间存在一定的相关性。其中淀粉的得率与淀粉的纯度、直链淀粉含量分别呈极显著、显著的正相关(p<0.01,p<0.05),与淀粉的粘性和碘蓝值分别呈显著、极显著的负相关(p<0.05,p<0.01);淀粉的纯度与粘性和碘蓝值呈极显著的负相关(p<0.01),与胶稠度和透光率呈显著的正相关(p<0.05)。直链淀粉含量与凝胶的硬度和碘蓝值呈显著的负相关(p<0.05),与胶稠度呈显著的正相关(p<0.05)。凝胶的硬度与凝胶的内聚力、咀嚼性、弹性呈极显著的正相关(p<0.01),与碘蓝值及淀粉的透光率呈显著的正相关(p<0.05),与凝胶的粘性呈显著的负相关(p<0.05)。

主成分分析提取前5个主成分的累积贡献率为89.825%,通过质构特性因子、淀粉提取效果因子、直链淀粉和胶稠度因子、水分因子和色泽因子等5个因子解释了原有14个指标的89.825%的信息,并且各主成分之间没有相关性,更好地体现了各个因子对淀粉品质特性的影响。通过主成分分析建立了主成分与淀粉品质特性的关系模型,计算不同品种谷子淀粉品质特性的综合评分。最终计算得到13个谷子品种淀粉品质特性的优劣顺序为冀谷40、网购样品、冀谷35、冀谷36、S67、冀谷38、冀谷37、冀科谷、冀谷42、冀谷41、冀谷39、冀谷31和豫谷18,通过该综合主成分得分可以有效地将13个品种进行区分。排在前三位的为冀谷40、网购样品、冀谷35，其综合主成分得分分别为0.758、0.588和0.524。