自然发酵对高粱淀粉理化性质的影响.DOC

1、自然发酵对高粱淀粉理化性质的影响 葛云飞 1 康子悦 1 沈蒙 1 王维浩 1,2 曹龙奎 1,2* （黑龙江八一农垦大学食品学院 1，大庆 163319） （黑龙江八一农垦大学国家杂粮工程技术研究中心 2，大庆 163319） 摘 要 ： 以高粱为原料，探讨不同发酵时间对高粱淀粉 理化 性质的影响。将高粱进行自然发酵 015 d， 探讨不同发酵时间对高粱的保水力、溶解度、透明度、直链淀粉含量以及淀粉的糊化、老化回生趋势 的影响 。结果表明：随发酵时间的延长，淀粉的保水力、溶解度小幅度的增加，而透明度呈降低趋势；自然发酵 使高粱的 直链淀粉含量 增加 ；在不同发酵时间条件下，发酵淀粉的糊化温度

2、较未发酵淀粉最高降低了 0.64 ，而糊化焓最高 增加 34.42 J.g-1；淀粉的回生值与最终黏度均随发酵时间的延长而呈先减小后增加的趋势，其中发酵 第 6 天 淀粉的回生值较未发酵淀粉的回生值降低了 783 mPas。 自然发酵后高粱淀粉的 理化 性质发生变化，淀粉的老化特性 改善 ，更适宜生产利用淀粉老化特性制得的产品。 关键词 高粱 自然发酵 理化性质 中图分类号： TS231 文献标示码 A Effect of natural fermentation on physical and chemical properties of sorghum starch Ge Yunfei1

3、Kang Ziyue1 Sheng Meng1 Wang Weihao1,2 Cao Longkui1,2* (College of Food Science in Heilongjiang Bayi Agricultural University1, Daqing 163319） （ College of Food Science in Heilongjiang Bayi Agricultural University; Heilongjiang Farm Produce Processing Development Center2, Daqing 163319) Abstract With

4、 sorghum as raw materials to investigate the effects of different fermentation time on physical and chemical properties of sorghum starch. The natural fermentation of sorghum were 015 days, and compared with unfermented sorghum to investigate the trend of different fermentation time on water retenti

5、on, solubility, transparency, amylose content and starch gelatinization, retrogradation. The results show that: with the prolonging of fermentation time, water starch and the solubility increased in a small amplitude, but the tends of transparency is decreased; Natural fermentation increased amylose

6、 content in sorghum; Under the condition of different fermentation time, the gelatinization temperature of the fermented starch was 0.64 lower than unfermented sorghum, and the gelatinization enthalpy increased by 34.51 J.g-1; The regenerated and final viscosities of starch decreased first and then

7、increased with the prolongation of fermentation time. The regenerated value of starch on the 6th day of fermentation decreased by 783 mPas compared with that of the unfermented starch. After natural fermentation, the physical and chemical properties of sorghum starch changed, the aging characteristi

8、cs of starch improved, and more suitable for the production of starch aging products Key words sorghum, natural fermentation, physical and chemical properties 高粱 作为我国第五大粮食作物 ，因其高产性和高抗逆性及其在制糖、酿酒和饲料等产业方面用途广泛 而被大量种植 1。但由于高粱的适口性较差口感较粗糙不易被消费者所接受，因此主要将其应用于饲料行业中，使高粱价值并没有得到充分利用。自然发酵谷物是我国生产食品的特殊方法，因其改善口感、增加风

9、味、提高营养成分而被大众广泛认同，目前我国发酵领域主要集中在发酵小米 2、发酵玉米 3、发酵大米 4、发酵黄米 5。 研究发现发酵处理可提高谷物的抗老化性能、改善产品的流变性并使淀粉凝胶硬度下降。目前学者研究发酵高粱主要集中在高粱的产品研发、菌种鉴定及其分离纯化 6，但 对 自然发酵对 高粱 理化性质的影响 研究较少 。 淀粉 为高粱中主要 的 碳水化合物， 质量分数 约为 60%70%，高者可达 80%左右，因此淀粉的性质决定了高粱产品的加工性能和食用品质，其中淀粉的糊化、老化性质对其产品的研究开发有较大影响 7。为开基金项目：国家重点研发计划（ 2017YFD0401203） 收稿日期：

10、2017-10-21 作者简介：葛云飞 ， 女 ， 1993 年出生 ，硕士研究生，农产品加工及储藏工程 通讯作者：曹龙奎 ， 男 ， 1965 年出生 ， 教授，博士生导师 ，农产品加工 阔高粱淀粉的应用领域，本实验将以高粱为发酵对象，对其进行自然发酵 015 d，观察不同发 酵时期高粱淀粉理化性质的变化，以实现高粱发酵的工业化生产， 为高粱淀粉的应用提供借鉴。 1 材料与方法 1.1 试验材料 高粱，山东临沂 R 高粱 ； 盐酸（分析纯 ） ，天津市大茂化学试剂厂； 氧化钠 （ 分析纯 ） ，天津市大茂化学试剂厂；碘及碘化钾 蒸 馏水，天津市大茂化学试剂厂；无水乙醇，天津市大茂化学试剂厂；

11、乙酸，天津市大茂化学试剂厂 ； 葡聚糖标准品，购置于 sigma 公司 ； 直链淀粉标准品、支链淀粉标准品，购置于 sigma 公司。 1.2 仪器与设备 RVA4500 型快速黏度分析仪 瑞典波通仪器公司； DSC1 型差示扫描量热仪 瑞士梅特勒 -托利多仪器有限公司； TAQ2000 国产高压不锈钢坩埚 上海瑾恒仪器有限公司； T6 型紫外可见分光光度计 北京普析通用仪器有限公司； HJ25-SCT-02 型索氏提取器 上海森信实验仪器有限公司； BUCHI-K370 型 全自动凯氏定氮仪 瑞士 BUCHI 公司 。 1.3 试验方法 1.3.1 自然发酵高粱 取高粱 150 g，经蒸馏水

12、水洗三次， 加入 一定 量的蒸馏水 （ 料液比 1:2 g/mL） 、 3%葡萄糖，在 30 条件 下进行自然发酵 015 d。 1.3.2 自然 发酵高粱粉化学成分含量的测定 1.3.2.1 粗脂肪含量的测定 精确称取自然发酵 015 d 的高粱粉 2 g，装入滤纸筒 ,然后放入抽提器内。把抽提器与已知恒重的干燥抽提瓶联接于冷凝器上 ， 由冷凝器上口加入石油醚 50 mL， 接通冷凝水 ， 将水浴锅的温度调到 65 左右开始蒸馏 ， 控制虹吸次数为 20次 /小时左右。蒸馏 6 h 后，取出滤纸筒 ， 回收石油醚 ， 抽提瓶于 105 干燥箱中烘干 l h 后称重。 1.3.2.2 粗蛋白含

13、量的测定 精确称取自然发酵 015 d 的高粱粉 1 g， 方法为凯氏定氮法 ，具体 参照 GB 5009.5-20108中的蛋白质的测定方法 。 1.3.2.3 灰分的测定 精确称取自然发酵 015 d 的高粱粉 2 g 于已知恒重的坩锅内 ， 将盖稍错开约 0.5 cm， 置于电炉上灼烧完全碳化至无烟为止 ， 再置于马福炉中 ， 在 550 灼烧 23 h 至试样变成白色或灰白色 ，取出于干燥器内冷 却称重 。 然后再复灼烧 0.5 h， 取出冷却称重 ， 直至前后两次质量差不超过 0.2 mg 为恒重。如果最后一次质量增大 ， 则以前一次质量计算 ， 精确至 0.00 01 g， 结果计

14、算到小数点后第二位 ， 双实验许可误差不超过 0.03%， 取平均值。 1.3.3 自然发酵 高粱淀粉的制备 发酵后的高粱进行水洗，于 35 下烘干。将干磨后过 80目筛的高粱粉 于 1/3 g/mL， 质量 浓度为 0.3 g/100mL 的 NaOH 溶液中 浸提 3 h， 400 0 r/min 离心 10 min，弃上清液，除去沉淀中上层黄褐色物质，连续水洗四次 、 离心直至淀粉 浆呈白色为止。用 1 mol/LHCl 调淀粉浆至 pH为7.0， 400 0 r/min 离心 10 min、 30 干燥 ， 过 80 目筛 备用 9。 1.3.4 发酵高粱淀粉保水力和溶解度的测定 准确

15、称取 0.5 g 样品于 50 mL 试管中 ，配成质量分数为 2%的淀粉乳，分别在 40 和 80 下混匀并加热 30 min，快速冷却， 然后在 400 0 r/min 的转速下 离心 15 min 分离上清液和沉淀物，测定沉淀质量和 上清液干物质质量 （ 105 烘至恒重）。 溶解度为上清液干物质质量与样品干基质量百分比，保水力为沉淀质量同样品干基质量减 去 上清液干物质质量的 百分比。 1.3.5 发酵高粱淀粉透明度的测定 确称取样品 1.00 0 g，配制 质量 浓度为 1 g/100 mL 的淀粉乳，置于沸水浴中糊化 30 min 后，冷却至室温，在 620 nm波长处测定其透明度

16、。以蒸馏水为空白对照。 1.3.6 发酵高粱直链淀粉含量的测定 1.3.6.1 直链淀粉标准曲线的绘制 分别称取 0.1 g 直链淀粉、支链淀粉标准品于烧杯中，分别加入无水乙醇 1 mL， 1.0 moL/L NaOH 9 mL，摇匀于沸水浴中加热 10 min，冷却后定容至 100 mL 容量瓶中，即 得 1 mg/mL 的直链 /支链淀粉标准液。取 5 个 100 mL 的容量瓶分别加入上述直链淀粉标准液 0、 0.25、 0.5、 1、1.5 mL，再依次加入支链淀粉标准品 5、 4.75、 4.5、 4、 3.5 mL，另空白样为 0.09 moL/LNaOH 5 mL，依次加入 1

17、mL 乙酸溶液（ 1 moL/mL）和 1 mL 碘试剂（ 2%碘化钾和 0.2%碘， m/v）用水定容至25 mL， 显色 10 min，于 620 nm 处比色并记录吸光度值。以直链淀粉 质量 为横坐标，吸光度值为纵坐标，制作直链淀粉标准曲线。 1.3.6.2 发酵样品直链 淀粉含量的测定 称取发酵后的淀粉样品 0.1 g 于烧杯中，方法同上，冷却后定容至 100 mL 容量瓶中。依次加入乙酸溶液和碘试剂各 1 mL 用水定容至 50 mL，显色 10 min，于 620nm处比色并记录吸光度值。 1.3.7 发酵高粱 淀粉老化性质的测定 称取 3.50 0 g（ 干基 ）发酵及未发酵 高

18、粱淀粉于铝筒中，加蒸馏水 25 mL， 35 保温 3 min，设定转速率 6 /min 加热到 95 ，保温 5 min，以 6 /min 的转速率降温到 50 ，用仪器配套的软件分析得到曲线 10。 1.3.8 发酵 高粱 淀粉糊化特 性的测定 称取 3.0 mg（ 干基 ） 发酵及未发酵高粱淀粉于坩埚中，加入 7 L蒸馏水，用压片器反复压34 次至坩埚边缘密封完好。室温下均衡 12 h，在 N2 流量为 150 mL/min、压力 0.1 MPa、速度升温 5 /min11的条件下测定不同样品的糊化特性曲线。 1.3.9 数据统计分析 采用 Excel、 Spss 软件对数据统计分析，用

19、 Origin 软件进行绘图处理 ，各数据重复测定三次取平均值。 2 结果与分析 2.1 自然 发酵高粱粉化学成分含量的测定 随着发酵时间的延长，高粱粉的粗脂肪、蛋白及灰分均呈下降的 趋势（图 1）：其原因是自然发酵产生的有机酸和酶类物质使与淀粉结合的蛋白质、油脂发生降解，随着发酵时间的延长，蛋白质被降解成小分子的肽或者氨基酸更易溶出；而 脂肪降解 为游离脂肪酸，游离脂肪酸会进一步降解为小分子的醛、酮物质，因此伴随着发酵的进行，会有不良气味生成；由于油脂和蛋白质的降解，使原来与蛋白质、脂肪和淀粉结合形成的结合物中所包埋的矿物质更易释放出来，从而使发酵后大米粉的灰分含量降低。 图 1 自然发酵对

20、高粱粉化学成分含量的影响 2.2 自然发酵对高粱淀粉保水力和溶解度的影响 不同发酵 时间下的高粱淀粉的保水力与溶解度变化趋势如图 2 所示： 在 80 时 发酵高粱淀粉的 保水力及溶解度均较高于 40 。在较高温度下，淀粉的保水力较高，其原因是在一定的糊化温度下 ， 淀粉的结晶结构被破坏，淀粉吸水能力增强，保水力增加，淀粉的膨胀力较大，因此DSC(差示扫描量热仪 )的糊化温度较低、糊化速度较快 12。 在发酵前期淀粉的保水力及溶解度因发酵底物有机酸、酶等对直链淀粉的降解作用而有小幅度的降低，但随着发酵时间的延长支链淀粉被水解成小分子的糖及短直链淀粉，使直链淀粉的比例相对增加，保水力、溶解度也随

21、之增加13， 在发酵后期淀粉被充分降解成为小分子的糖，所以保水力及溶解度均呈降低趋势。 图 2 自然发酵对淀粉保水力和溶解度的影响 2.3 自然发酵对高粱淀粉透明度的影响 透明度与淀粉颗粒结构的紧密程度及糊化特性有一定的关联，其大小直接影响到淀粉基产品的外观及用途，糊化后的淀粉分子重新聚合排列程度对淀粉的透明度影响较大 14，不同发酵时间对高粱淀粉透明度的影响结果如图 3 所示。随着发酵时间的延长，淀粉的透明度有降低随后稍有增加，在 一定 发酵 时间下 ，淀粉糊化使其颗粒结构的缔合程度减弱，直链淀粉分子从颗 粒中 析出，增加了淀粉分子的重排及相互缔合的机会，使高粱淀粉的透明度下降，由于发酵使淀

22、粉中的支链淀粉的长链部分发生裂解或者脱支，直链淀粉的比例相对增加，因此淀粉的透明度降低 。 图 3 自然 发酵对淀粉透明度影响 2.4 自然发酵 对高粱直链淀粉含量的影响 2.4.1 直链淀粉标准曲线的绘制 在波长 620 nm条件下测定溶液吸光度值， 以直链淀粉 质量 为横坐标，吸光度值为纵坐标绘制标准曲线，结果如图 3： y = 0.08 84x + 0.657 4，其中相关系数 R2 = 0.99 96，说明直链淀粉含量与吸光光 度值有着良好的线性关系。 图 4 直链淀粉标准曲线 2.4.2 自然发酵对高粱 直链淀粉含量的 影响 高粱中直链淀粉的含量是影响淀粉理化性质的主要因素 15，即

23、直链淀粉有着很强的老化聚合趋势，因此将未发酵和不同发酵时期的高粱淀粉进行直链淀粉含量的测定，经平行三次测定，其结果如 图 5： 淀粉中直链淀粉 质量分数 为 15%25%16，随着发酵时间的延长，发酵样品 中 直链淀粉的含量 先降低后增加， 其发生原因可能是发酵初期微生物进行生长繁殖，营养物质大量溶出，直链淀粉发生部分外 溶 现象， 但 随着发酵时间的延长使部分支 链淀粉发生一定程度的降解、脱支，直链淀粉含量出现明显小幅度的回升趋势，且略高于未发酵样品直链淀粉含量。而 袁美兰等 17对自然发酵玉米直链淀粉含量的变化结果表明发酵使直链淀粉变化趋势不显著，两结果不同的原因可能是原料的不同或随着发酵

24、时间的延长高粱中的脂肪、蛋白质发生一定程度的降解，使直链淀粉含量升高。 图 5 自然发酵对高粱直链淀粉含量的影响 2.5 自然发酵对 高粱淀粉老化性质的 影响 高粱在一定温度、加糖量的条件下进行自然发酵 并 与未发酵高粱淀粉 进行对 比，其 RVA 特征值有明显变化 （表 1） ，其中峰值黏度 、衰减值随发酵时间的延长呈现先增加后降低的趋势，最终黏度与回生值均随发酵时间的延长而出现先减小后增加的趋势，此结果与袁美兰 18等人所研究结果相同。 淀粉是以葡萄糖聚合物的形式存在，高粱中的蛋白质将淀粉包裹起来使淀粉吸水膨胀受到一定程度的抑制，发酵可使蛋白质和脂肪发生一定程度的降解，淀粉吸水膨胀使其体积

25、迅速增大，故峰值黏度增加。衰减值反应了淀粉颗粒在进行加热处理时抗剪切力而维持分子内部结构稳定性能力的大小，衰减值越大代表淀粉颗粒的稳定性越差。通过 Camargo19、 Chang20、 Han21等 人研究可知支链淀粉的长链含量与衰减值呈高程度的正相关 ，其 变化趋势发生原因可能是发酵产生的酶类物质对于蛋白质的降解程度逐渐趋于稳定，使淀粉分子稳定性增强，所以衰减值的变化为上升趋势。最终黏度与回生值均随发酵时间的延长而出现先减小后增加的趋势，最终黏度是对淀粉糊在冷却过程中在低剪切力作用下的稳定程度的衡量 ， 回生值反应淀粉的老化能力，即膨胀前期溶出的直 链 淀粉分子相互交联结合能力的大小 。

26、淀粉的老化性质 与 直连淀粉的含量及支链链长的分布情况有关 22， 其中 回生值降低的原因可能是短期发酵使直链淀粉分子的聚合程度降低，淀 粉分子老化能力减小，但随着发酵时间的延长 ， 发酵底物酶及酸的积累使支链淀粉的长链部分水解为短链或直链淀粉，因此发酵后期回生值出现回升的趋势。 表 1 自然发酵对 淀粉老化性质的影响 发酵时间 /天 峰值黏度/mPas 谷值黏度/mPas 衰减值 /mPas 最终黏度/mPas 回生值 /mPas 0 618 31.2 a 258 63.6 a 359 75.5 a 470 92.3 a 212 31.3 a 1 601 74.2 a 225 22.4 a

27、376 52.2 b 476 01.4 b 250 81.0 a 2 610 31.3 b 238 30.7 b 372 02.4 c 463 50.6 c 225 20.1 b 3 626 21.3 bc 253 00.4 bcd 373 20.8 d 495 41.1 d 242 40.7 c 4 644 20.7 bcd 251 11.1 cde 393 12.2 e 468 41.5 e 217 30.4 d 5 695 72.1 cde 272 51.5 de 423 20.7 f 423 50.4 f 151 01.1 de 6 686 91.1 de 286 50.9 de 40

28、0 41.0 g 420 51.4 g 134 00.5 ef 7 733 10.8 de 266 91.2 de 466 21.4 h 471 00.6 h 204 10.6 fg 8 767 41.3 de 274 90.8 de 492 52.1 i 510 71.4 i 235 80.6 fgh 9 676 71.2 de 330 10.7 e 346 62.3 j 603 31.0 j 273 20.3 h 10 633 30.6 e 318 02.1 e 315 31.4 k 594 30.6 k 276 31.5 h 11 630 91.3 e 325 71.7 e 305 20

29、.8 l 615 62.1 k 289 90.4 h 12 628 70.6 e 334 41.2 e 294 30.7 m 621 11.4 l 286 70.2 h 13 624 40.6 e 301 61.4 e 322 82.2 n 578 61.6 m 277 00.2 h 14 618 70.4 e 336 21.2 e 282 50.4 o 595 11.6 n 258 90.4 h 15 603 00.8 e 332 52.4 e 379 51.5 p 599 21.2 o 266 71.2 h 2.6 自然发酵对 高粱淀粉糊化性质的 影响 通过淀粉的热特征参数，能够推断出淀粉

30、分子的结构变化，其中糊化温度是结晶结构的定性指标，糊化焓是有序结构的定量指标，淀粉在发生糊化反应时， 其中一些双螺旋堆积的有序结构在高于糊化温度时，发生不可逆膨胀现象，失去结晶结构 23。表 2 表示 淀粉的热特征值随发酵时间的延长所发生的变化，其中糊化温度随发酵时间的延长呈先降低后增加的趋势，峰值温度变化幅度较小，而热晗值的大小随时间的增加而呈先增加后降低的趋势。 高粱中的蛋白质以蛋白体的形式存在淀粉颗粒中，使淀粉分子不能充分吸水膨胀，而发酵过程能有效的使部分蛋白质分解并析出，降低蛋白质对淀粉的束缚作用，加速淀粉的水化作用、促进糊化反应，提高淀粉分子的糊化速度，降低糊化温度 24，此外发酵能

31、破坏淀粉的非结晶 区域有效的减少脂类物质降低其与直链淀粉分子形成络合物的概率，并由于非结晶区域的破坏，水分子更易渗透进入，使淀粉分子的糊化温度降低。糊化焓的变化趋势与糊化温度呈负相关，其中发酵淀粉的热晗值较未发酵最高降低 11.3 1 J.g-1、增加 34.4 2 J.g-1，其直接原因是发酵破坏了淀粉的非结晶区域，使淀粉分子水解而溶出，造成结晶结构的相对比例增加，糊化焓上升。 表 2 自然 发酵 对 淀粉 糊化性质的影响 发酵时间 /天 糊化温度 / 峰值温度 / 终止温度 / 热焓值 /J.g-1 糊化范围 / 0 20.6 50.02 a 47.1 70.04 a 70.6 20.06

32、 a 21.3 20.21 a 49.9 70.04 a 1 20.2 50.05 a 43.4 10.18 a 99.2 20.24 a 16.2 10.09 b 78.9 70.19 a 2 20.0 10.21 b 47.1 70.09 ab 74.5 20.12 a 22.6 30.16 c 54.5 10.09 b 3 20.0 10.32 bc 47.1 70.07 bc 68.5 40.11 b 20.4 10.14 d 48.5 30.21 c 4 20.3 20.22 bcd 41.6 20.04 bcd 99.2 70.12 c 23.8 20.08 e 78.9 50.1

33、0 d 5 20.8 50.17 cd 47.5 20.05 bcd 74.2 00.07 cd 55.7 40.06 f 53.3 50.10 e 6 20.5 30.11 cde 47.2 10.05 de 71.0 40.12 d 33.0 30.25 g 50.6 70.01 f 7 20.5 90.22 de 47.1 60.08 e 69.2 10.13 e 22.9 20.27 h 48.6 20.09 g 8 20.7 90.32 def 47.3 30.21 e 74.4 30.14 f 17.6 80.09 i 53.6 40.18 h 9 20.7 40.16 fg 47

34、.6 70.04 e 70.1 10.12 g 13.0 50.07 i 49.3 70.04 i 10 20.7 30.24 fgh 47.6 50.16 e 73.2 10.08 h 17.1 30.22 j 52.4 80.16 j 11 21.2 80.14 i 46.7 50.18 e 86.7 40.25 i 16.5 00.04 k 65.4 60.11 k 12 22.2 30.04 j 45.6 10.13 f 99.4 00.12 j 10.0 10.06 l 77.1 70.08 l 13 21.8 00.12 k 47.3 30.04 g 73.5 90.02 k 18

35、.7 80.07 m 51.7 90.10 m 14 20.6 40.23 l 47.1 40.12 h 69.4 80.16 l 26.2 90.22 n 48.8 40.07 m 15 21.7 50.14 m 47.4 00.08 i 70.3 20.21 m 19.0 10.14 o 48.5 70.07 m 3 结论 通过将高粱进行自然发酵 使淀粉的糊化温度降低，有利于高粱淀粉的糊化，而 回生值 在发酵前期 一定程度的降低， 较未发酵降低 783 mPas， 使高粱的抗老化性能得到大幅度的提高，使最后淀粉 凝胶质地柔软，弹性较小适合生产抗老化产品如馒头、面包等 产品，在发酵后期淀粉的

36、回生值高于未发酵样品，此时较适合生产如粉丝等产品 。通过将高粱进行发酵处理 扩大 了高粱的应用范围，充分利用其经济价值，开阔了高粱淀粉的应用领域，该实验为发酵高粱的应用提供了理论基础，也为进一步的工业化设计提供数据支持。 参考文献 : 1李丽 .自然发酵对黄米理化性质的影响研究 D.大庆： 黑龙江八一农垦大学 ,2010 LI L. The influence of natural fermentation on the physicochemical charaeteristies of proso milletD. Daqing: Hei Long Jiang Ba Yi Agricult

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