张俊，胡玲，张三杉，余梦玲，雷激

(西华大学 食品与生物工程学院，四川 成都，610039)

高粱，是世界上产量仅次于稻米、小麦、玉米及大麦的第五大粮食作物[1]。由于高粱具有较强的抗旱能力，随着人口的不断上涨和水资源的减少，未来其将成为重要的农作物。高粱可为人体提供多种营养成分，包括蛋白质、淀粉、纤维素和矿物质等；另外，还含有多酚、花青素和植物固醇等功能性成分[2]，可以很好地预防和改善癌症与心血管疾病，能更好地满足人们的营养需求。但由于高粱的淀粉分子质量大，口感较差，目前多用作酿酒、制醋和饲料的原料，极少数用于高粱米饭、窝头和粥等传统食品[3]。

高粱不含麸质，近年来有不少国外研究者开始用高粱替代小麦粉应用在烘焙食品、面制品等食品中，以满足麸质过敏人群的需求。但由于高粱中面筋蛋白的缺乏，导致其在加工过程中网状结构难以形成，制成的面团缺乏黏弹性和柔韧性，在一定程度上限制了高粱粉在食品加工方面的应用。相关研究表明，发芽处理可以改善糙米淀粉的持水性和乳化活性[4]、降低淀粉的回生程度[5]、改善薏米粉的营养和理化特性[6]等。目前，国内对于发芽过程中高粱粉流变特性、热力学性质、糊化性质以及功能特性的变化还缺乏研究。本实验主要探讨发芽处理对高粱粉流变、热力学、糊化性质以及持水性和持油性、乳化性、起泡性等理化及功能特性的影响，旨在探索高粱发芽过程中高粱粉性质的变化，以期改善高粱粉理化及功能特性，为高粱在食品加工方面的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

白高粱种子，江苏省沭阳县新河镇(市售)；麦芽糖、可溶性淀粉，北京世纪奥科生物技术有限公司；H2O2、3，5-二硝基水杨酸、酒石酸钾钠等试剂均为分析纯，成都科隆化学品有限公司。

UV-2600型紫外分光光度计，上海谱元仪器有限公司；MCR 302流变仪，奥地利安东帕(中国)有限公司；DSC 3差示扫描量热仪，梅特勒-托利多测量设备(上海)有限公司；Nicolet Is 50傅立叶变换红外光谱仪，上海力晶科学仪器有限公司；FSH-2A均质机，河北慧采科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 发芽高粱的制备

参考易翠平等[7]的高粱发芽实验：挑选高粱籽粒，确保没有破损颗粒和其他杂质。将浸泡20 h后的高粱用7.0%(体积分数)的H2O2溶液消毒15 min，再用去离子水反复冲洗。然后将高粱籽粒平铺于双层纱布之间，于30 ℃条件下避光发芽0、12、24、36、48、60、72 h，每隔12 h洒水1次，并清洗纱布和高粱籽粒防止发霉。将不同发芽阶段的高粱籽粒取出后于40 ℃干燥至水分含量约为13%，粉碎过80目筛，放入4 ℃冰箱冷藏保存、备用。

1.2.2 淀粉酶活力的测定

淀粉酶活力采用李合生等[8]的方法进行测定。淀粉酶活力定义为：40 ℃下每分钟内麦芽糖增加的毫克数为1个淀粉酶活力单位(U)。

1.2.3 淀粉含量的测定

采用双波长比色法[9-10]测定直链和支链淀粉含量，总淀粉含量为两者之和。

1.2.4 热力学性质的测定

准确称取3 mg高粱粉和6 mg去离子水于DSC铝制坩埚中，加盖密封，在4 ℃条件下平衡12 h。测试条件：温度范围25 ～150 ℃，升温速率10 ℃/min，以氮气作保护气，流速80 mL/min。

1.2.5 糊化特性的测定

测定方法参考董贝贝[11]的方法稍作调整，用蒸馏水配制10%(质量分数，以干基计)的高粱粉悬浊液17.77 g，置于流变仪测量杯中。具体程序设定如表1所示。

表1 测试程序Table 1 Test program

1.2.6 动态流变特性的测定

采用MCR 302流变仪，在频率为1 Hz，应变扫描范围为0.001%～10%的条件下对1.2.4制备的高粱粉糊进行振幅扫描检测其线性黏弹区。根据结果确定应变为1%，固定温度25 ℃，测定高粱粉糊在0.1～100 rad/s范围内的动态黏弹性变化[6]。

1.2.7 持水性和持油性的测定

参照ELKHALIFA等[12]的方法，取1 g样品于40 mL离心管中，加入20 mL水(或油)混合均匀，静置30 min后以4 000 r/min离心30 min，倒掉水(或油)，称量此时离心管的重量。持水(油)性计算如公式(1)所示：

(1)

式中：m0为样品千质量，g；m1为离心管加干样品质量，g；m2为离心管加沉淀质量，g。

1.2.8 起泡性和泡沫稳定性

参照ELKHALIFA等[12]的方法，在250 mL烧杯中加入2 g高粱粉样品和100 mL蒸馏水，室温下搅拌10 min后立即转入250 mL量筒中，记录泡沫体积。发泡能力计算如公式(2)所示：

(2)

通过测定1 h后泡沫的体积变化来确定泡沫的稳定性，如公式(3)所示：

(3)

1.2.9 乳化性和乳化稳定性

参照ELKHALIFA等[12]的方法：取2.00 g高粱粉样品于100 mL离心管中，分别加入20 mL去离子水(4 ℃冷却)和色拉油，用高速均质机以20 000 r/min分散1 min后，以4 000 r/min离心10 min，记录乳化层高度。乳化性计算如公式(4)所示：

(4)

乳化稳定性：将离心后的乳化液以80 ℃水浴热30 min，冷却到室温后以4 000 r/min离心10 min。乳化稳定性计算如公式(5)所示：

(5)

1.2.10 傅里叶红外光谱分析

准确称取150 mg的粉末样品倒入压片模具中，通过压片机以8 t的压力压制30 s，将压好的样品进行光谱测定。扫描次数：16次；分辨率：8 cm-1；扫描范围：400～4 000 cm-1。

1.2.11 统计分析

所有实验数据用Excel 2010分析处理，利用Origin 8.5作图，通过SPSS 19.0进行显著性检验(P<0.05)，结果以均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 发芽对高粱淀粉酶活力的影响

高粱发芽过程中淀粉酶活力变化如图1所示。发芽0 h即浸泡处理后，高粱淀粉酶活力无明显(P>0.05)变化。当高粱种子完全吸水膨胀后，淀粉酶活力随着发芽时间的延长而显著(P<0.05)上升，总淀粉酶活力和β-淀粉酶活力在发芽60 h达到最大值，分别为165.86和123.98 U/g，之后略微下降但不显著；α-淀粉酶活力在发芽48 h达到最大值，为41.79 U/g，之后无明显变化。α-淀粉酶与β-淀粉酶的活力有明显的不同，因为α-淀粉酶是在种子萌发过程中诱导产生的，而β-淀粉酶是在种子发育过程中合成的，以储存蛋白的形式存在于成熟种子中[13]，因此未发芽高粱以及浸泡后α-淀粉酶活力依然很低。总淀粉酶活力的变化趋势与ELKHALIFA等[12]的研究结果相似。

图1 高粱发芽过程中淀粉酶活性的变化Fig.1 Changes of amylase activity during sorghum germination注：发芽0 h的是经过浸泡处理而未发芽的高粱；不同字母表示同一曲线数值之间差异显著(P<0.05)(下同)

2.2 发芽对高粱总淀粉、直链淀粉和支链淀粉含量的影响

如表2所示，与未发芽高粱相比，浸泡处理(0 h)对淀粉含量无显著影响。随着发芽时间的延长，高粱总淀粉、直链淀粉和支链淀粉含量显著下降(P<0.05)。发芽72 h后，总淀粉含量从72.74%下降到54.44%，直链淀粉含量从15.32%下降到9.58%，支链淀粉含量从57.43%下降到44.86%，这与LI等[14]的研究结果相似。这是因为随着发芽时间的延长，高粱中淀粉酶活性增加，这些酶的作用使淀粉降解成还原糖，以满足种子萌发和生长的物质和能量的需要[15]。

表2 高粱总淀粉、直链淀粉和支链淀粉含量的变化Table 2 Changes in total starch, amylose and amylopectin content of sorghum

2.3 发芽对高粱粉热力学性质的影响

由表3数据可知，在发芽时间12 h内，起始糊化温度(To)显著(P<0.05)下降，12 h后不断上升；峰值(Tp)和终止糊化温度(Tc)无显著(P>0.05)变化。发芽初期糊化温度略微下降可能与脂质-淀粉复合物的降解有关[16]。据报道，脂肪可与淀粉交互作用形成复合物，从而使糊化温度升高，高粱经过发芽处理，这种交互作用可能降低，从而使糊化温度有所下降[5,14]。12 h后糊化温度逐渐升高可能是因为发芽过程中淀粉降解形成还原糖，这些小分子糖与淀粉相互作用可能促使淀粉的糊化温度提高[17]。焓值(ΔH)通常用于衡量打开分子内化学键所需要的能量，ΔH越大稳定性越好，结晶度越大[18]。随着发芽时间的延长，高粱粉糊化焓显著(P<0.05)增加，60 h达到最大值。说明发芽后高粱粉糊化需要消耗更多的能量，淀粉的稳定性和结晶度提高，这可能是由于发芽过程中主要降解的是淀粉的非结晶区；在64 h后开始下降，这可能是由于淀粉过度分解，导致结晶结构的破坏[4]。

表3 高粱粉热力学性质的变化Table 3 Changes in thermodynamic properties of sorghum flour

2.4 发芽对高粱粉糊化特性的影响

表4显示了不同发芽阶段高粱粉的糊化粘度特性。由表4可知，与未发芽高粱相比，浸泡(0 h)处理后，高粱粉糊化体系的黏度显著(P<0.05)提高。这可能是因为浸泡过程引起水分的迁移和状态的变化，从而对糊化性质产生影响[19]。在发芽前36 h，随着发芽时间的延长，峰值黏度、谷值黏度、终值黏度、崩解值和回生值显著(P<0.05)下降，36 h之后趋于平缓。其他谷物籽粒在发芽后也存在相似的趋势[20-21]。这是因为随着发芽时间的延长，淀粉酶降解促使淀粉破碎，使其更易崩解，导致高粱糊体系黏度降低[22]；发芽处理后淀粉分子链的断裂及降解导致其在剪切过程中不容易发生重排，分子缔合度降低，最终使淀粉的回生值下降[23]，冷糊稳定性增强。此外，崩解值显著下降，表明发芽处理可增强高粱粉糊的抗剪切能力和热稳定性。

表4 高粱粉糊化特性的变化Table 4 Changes in gelatinization characteristics of sorghum flour

2.5 发芽对高粱粉动态流变特性的影响

图2为高粱不同发芽阶段高粱粉糊的动态流变特性。其中储能模量(G′)是指高粱粉糊经外力作用后可自我恢复的弹性性质；损耗模量(G″)表示高粱粉糊的黏性性质，反映高粱粉糊的流动性。由图2可知，不同发芽阶段的高粱粉糊G′和G″都随角频率的增大而增大，并且在相同角频率下G′始终大于G″。说明高粱粉糊的弹性大于黏性，表现出典型的弱凝胶动态流变特性[5]。随着发芽时间的延长，G′和G″逐渐下降。这与SINGH等[24]研究发芽对小麦粉动态流变特性的研究结果相似。淀粉作为高粱粉的主要成分，其含量在发芽过程中大幅度降低是导致高粱粉糊G′和G″降低的主要原因之一。如前所述，淀粉酶活性的增加可导致高粱粉糊体系黏度下降，从而影响其动态流变特性。损耗角正切值(tanδ)为G″与G′的比值，不同发芽阶段的高粱粉糊tanδ均小于1，即G′>G″，表明其主要表现出弹性特征。

a-储能模量;b-损耗模量;c-损耗角正切值图2 高粱粉动态流变特性的变化Fig.2 Changes in dynamic rheological properties of sorghum flour

2.6 发芽对高粱粉持水性和持油性的影响

由图3可知，与发芽高粱粉相比，天然高粱粉具有最高的吸收和保留水分的能力，持水性为143.11%。在发芽前36 h显著(P<0.05)下降，36 h后下降幅度变缓。CORNEJO等[25]对糙米粉持水性的研究也有相似的结果。在发芽过程中，淀粉酶和纤维降解酶被激活，这导致通过水解淀粉产生高水平的糊精和可发酵糖。这些释放的糖可进一步与淀粉之间形成交联，从而阻碍高粱粉与水的结合，降低其持水性[25-26]。而随着发芽时间的延长，持油性一直呈显著(P<0.05)上升趋势。这可能是因为蛋白质的溶解和解离导致蛋白质分子内部非极性成分的暴露，从而提高氨基酸的利用率[12]，而淀粉与脂质的结合取决于疏水性氨基酸的表面利用率[27]。这一特点表明发芽后的高粱粉更适于配制高脂肪含量的食品[28]。

图3 高粱粉持水、持油性的变化Fig.3 Changes in water and oil retention of sorghum flour

2.7 发芽对高粱粉乳化性和乳化稳定性的影响

由图4可知，与天然高粱粉相比，发芽的高粱粉具有优良的乳化性能。随着发芽时间的延长，高粱粉的乳化性和乳化稳定性显著(P<0.05)上升，这与董贝贝[11]的研究结果相似。发芽可能导致多肽的解离和部分展开，从而暴露出氨基酸的疏水位点，这有助于肽链与脂质液滴的疏水结合，进而提高乳液容量，增强乳化能力[27]。另一方面，也可能是因为发芽改变了淀粉的疏水基团在水油界面上的分布，形成具有较高界面黏弹性的界面膜[29]，使乳胶粒发生碰撞聚结的空间位阻加大，有利于乳胶粒的稳定[30]。对于蛋糕、甜点等加工食品而言，乳化能力和乳化稳定能力至关重要。

图4 高粱粉乳化性和乳化稳定性的变化Fig.4 Changes in emulsification and emulsification stability of sorghum flour

2.8 发芽对高粱粉起泡性和泡沫稳定性的影响

泡沫的形成和稳定性取决于蛋白质类型，表面张力，搅拌强度和时间等[31]。ELTAYEB等[32]报道面粉中的蛋白质具有表面活性，这是面粉能够产生泡沫的原因。泡沫稳定性由不稳定泡沫损失的体积来衡量。这种特性对于蛋糕和饼干等烘焙食品中使用的面粉非常重要。在本研究中，未发芽高粱粉未显示出任何起泡能力，这与ELKHALIFA等[28]和SINGH等[33]的报道一致。由图5可知，浸泡处理(0 h)后高粱粉显示出一定的起泡能力，随着发芽时间的延长，起泡性显著(P<0.05)增加；发芽0 h和12 h的高粱粉泡沫在1 h后完全消失，稳定性为0，随着发芽时间继续延长，泡沫稳定性显著(P<0.05)增加，这可能是由于发芽过程中蛋白质部分变性引起可溶性蛋白表面积增加，空气和水界面表面张力下降，导致了更多的可溶性蛋白质分子的结合，允许更多的疏水相互作用，从而导致更高的发泡能力，泡沫稳定性也随之增加[34]。

2.9 发芽对高粱粉红外光谱性质的影响

图5 高粱粉起泡性和泡沫稳定性的变化Fig.5 Changes in foamability and foam stability of sorghum flour

3 结论

本研究探讨了发芽过程中高粱粉理化及功能特性的变化。结果表明，高粱发芽过程中，淀粉酶活力增加，总淀粉、直链淀粉和支链淀粉含量下降。随着发芽时间的延长，高粱粉糊化温度上升，糊化焓增大，提高了高粱粉的稳定性和结晶度；高粱粉糊体系黏度下降，热糊稳定性及冷糊稳定性提高；G′和G″随发芽时间的延长而降低，G″/G′始终小于1，主要表现为弹性特征，高粱粉糊流动性增强，凝胶性能减弱；乳化性、起泡性及其稳定性都得到改善，持油性增强，持水性降低。综上所述，发芽在一定程度上改善了高粱粉的理化及功能特性，为高粱的进一步研究和在食品中的应用提供了理论基础。