高粱(Sorghum bicolor L.),又名蜀黍、荻粱、乌禾,禾本科高粱属一年生草本植物[1],是一种源自非洲的古老谷物,主要分布于热带及亚热带半干旱地区[2]。高粱营养物质丰富,除碳水化合物、蛋白质、脂肪和膳食纤维等基础成分外,还有Ca、Fe、Zn等多种矿物质[3],籽粒中含有丰富的淀粉,同时兼具适量的蛋白质、单宁、脂肪、灰分和粗纤维等成分[4],独特的成分配比不仅为微生物生长代谢提供了充足的物质基础,单宁等微量成分还对丁香酸、丁香醛等酚醛类物质形成具有重要作用[5]。因此,高粱不仅被公认为极具开发潜力的天然健康食品,同时在酿酒工业中占据着举足轻重的地位,是白酒的重要原料。
酒是一种深受全世界消费者欢迎的液体饮料。“好粮酿好酒,粮乃酒之本”,原料种类与质量对酒的风味口感起着决定性作用,选用上等粮食作为原料,是从根源上确保酒体品质的关键。在白酒酿造领域,原料种类繁多,常见的有高粱、大米、糯米、玉米和小麦等,以高粱为原料酿造的白酒,不仅出酒率较高,且香气纯正、口感甘冽,因此成为优质白酒生产的重要原料[6]。BIAN等[7]对澳洲高粱与东北高粱发酵过程中酒醅的理化特性、风味成分及微生物群落结构进行了实时监控,并探讨了微生物与小曲白酒风味之间的相关性,发现了澳洲高粱酒醅还原糖含量较低且淀粉含量较高,优势菌属包括乳酸杆菌(Lactobacillus)、芽孢杆菌(Bacillus)、木球菌(Pediococcus)、酵母菌(Saccharomyces)及酵母拟酵母菌(Saccharomycopsis);其菌群结构复杂,真菌微生物与风味物质相关性较弱。章洁琼等[8]在贵州省4个不同生态区域对最新选育的8个酒用高粱新品种(系)开展品种区域试验,结果表明红缨子丰产性最好,台糯9号和红珍珠的稳定性和适应性最优,灰色关联度分析法显示单穗粒质量和干粒质量与酒用高粱产量关联度最高,品质分析结果显示红珍珠的综合品质得分最高。YANG等[9]选择了6个含有不同直链淀粉的高粱品种,发现直链淀粉含量会影响高粱籽粒胚乳的质地,并与高粱淀粉的结构和理化特性密切相关。然而,针对不同酿酒高粱品种的原料及其淀粉特性差异的系统性对比研究仍然不足。
本研究以3种高粱(AGL1、AGL2、DGL)为研究对象,不仅对比了籽粒农艺特征、高粱理化特性,还通过扫描电子显微镜、X-射线衍射仪、差量扫描量热仪和傅里叶红外光谱仪等设备对高粱淀粉的微观结构、X射线衍射图谱、热特性和红外光谱等指标进行了深入研究。研究结果可为酿酒高粱品种选育、工艺参数优化及白酒品质提升提供一定的理论支撑,同时为高粱资源的多元化应用开拓新路径。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
本实验选取了2种澳洲高粱和1种国内高粱,分别是康博澳洲高粱(AGL1)、ANFbuster澳洲高粱(AGL2)、东北粳高粱(DGL)。对这些原料进行了编号,详见表1。
表1 高粱样品
Table 1 Sorghum sample
编号高粱名称来源类型收获时间AGL1武汉港澳洲地区粳高粱2023年AGL2ANFbuster澳洲地区粳高粱2023年DGL东北粳高粱东北地区粳高粱2023年
CuSO4、K2SO4、H2SO4、硼酸、Na2SO4、NaOH、氨水(25%～2%)、无水乙醇、乙酸铅、石油醚、单宁酸、HCl、KBr(均为分析纯)、甲基红、溴甲酚绿、溴百里香酚蓝指示剂,成都市科隆化学品有限公司;D-无水葡萄糖(指示剂,纯度≥98)、柠檬酸铁氨(铁含量17%～20%)、二甲基酰胺(均为分析纯)、葡萄糖(标准品,纯度≥98%),国药集团化学试剂有限公司;碘试剂(分析纯),上海源叶生物技术有限公司;马铃薯直链淀粉标准溶液、马铃薯支链淀粉标准溶液(均为分析纯),海标科技有限公司。
1.2 仪器与设备
DHG-9140A电热恒温鼓风干燥箱,上海一恒科技有限公司;WTB1003电子天平,杭州万特衡器有限公司;HH-2恒温水浴锅,常州普天仪器制造有限公司;RVA 4500快速黏度分析仪,珀金埃尔默仪器(苏州)有限公司;S-3000N扫描电子显微镜,日本日立高科技公司;Bruker D8 Series型X-射线衍射仪,布鲁克公司;Q25型DSC差量扫描量热仪,美国TA仪器;Nicolet iS 50 FTIR傅里叶红外光谱仪,美国 Dionex 公司;UV-5100B紫外可见分光光度计,北京普析通用仪器有限责任公司;TGL-16离心机,四川蜀科仪器有限公司。
1.3 高粱淀粉颗粒的提取
高粱淀粉采用碱法提取[10]。将500 g的高粱籽粒放入粉碎机中粉碎2 min,过60目筛。接着将高粱粉放入含5 000 mL NaOH溶液的容器中,搅拌2 h后再静置2 h并丢弃上清液。随后向沉淀物中加入约3 000 mL蒸馏水,搅拌10 min后多次通过200目筛去除杂质,并用蒸馏水冲洗网筛以确保淀粉完全过筛,静置淀粉溶液2 h后再次弃去上清液。向沉淀物中加水至1 000 mL搅拌5 min后以4 000 r/min离心10 min,弃去上清液并去除上层胶状物。将下层淀粉转移至1 000 mL烧杯中,加入体积分数为90%的乙醇溶液至700 mL搅拌30 min,再次离心弃去上清液,将得到的淀粉沉淀放入40 ℃烘箱中干燥,烘干后装袋存放在-20 ℃冰箱中待用。
1.4 籽粒农艺特征测定
1.4.1 千粒重
按照GB/T 5519—2018《谷物与豆类 千粒重的测定》中的方法测定。
1.4.2 容重
参照郝智勇等[11]的方法。
1.4.3 长、宽及长宽比
随机挑选高粱样本,利用游标卡尺等测量工具,对每个籽粒的长度和宽度进行测定,并记录相关数据,随后计算出籽粒的长宽比。
1.5 高粱理化特性测定
淀粉含量测定参照GB 5009.9—2023《食品安全国家标准 食品中淀粉的测定》中的酸水解法;直链淀粉和支链淀粉含量测定参照NY/T 55—1987《水稻、玉米、谷子籽粒直链淀粉测定法》;水分含量测定参照GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》中的直接干燥法;蛋白质含量测定参照GB 5009.5—2025《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》中凯氏定氮法;脂肪含量测定参照GB 5009.6—2025《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》中的索氏抽提法;单宁含量测定参照GB/T 15686—2008《高粱 单宁含量的测定》中的方法;灰分含量测定按照 GB 5009.4—2016《食品安全国家标准 食品中灰分的测定》中的灼烧法;粗纤维含量的测定按照GB/T 6434—2022 《饲料中粗纤维的含量测定》中H2SO4和NaOH溶液煮沸消化法。
1.6 高粱淀粉特性测定
1.6.1 理化性质的测定(持水力、透光率、溶解度、膨润力)
测量淀粉持水力、透光率、溶解度和膨润力参考高菲等[12]的方法并稍作修改。称取0.6 g淀粉于50 mL离心管中,加入29.4 mL蒸馏水配制质量分数为2%的淀粉乳,分别于50、60、70、80、90 ℃水浴中持续搅拌加热30 min,冷却至室温后,以3 500 r/min离心20 min,分离上清液与沉淀物。将上清液在120 ℃烘干至恒重,称量水溶淀粉质量(m1),下层沉淀物称重得膨胀淀粉质量(m3)。按公式(1)计算溶解度(R),膨润力(P)通过公式(2)计算:
(1)
(2)
式中:m2,淀粉样品质量,0.6 g;R,对应温度下的溶解度值。
另取0.5 g高粱淀粉于50 mL离心管中,加入7.5 mL蒸馏水搅拌1 h,于3 000 r/min离心10 min,弃上清液后称量湿淀粉质量(m0),按公式(3)计算持水力(C)
(3)
式中:m,高粱淀粉初始质量,0.5 g。
此外,称取适量样品配制质量分数为1%的淀粉乳液,封口后于沸水浴中加热搅拌30 min(防止水分蒸发),冷却至室温后以蒸馏水为空白对照,于620 nm波长下测定糊液透光率。
1.6.2 微观结构的测定
淀粉颗粒微观结构测定参照LIN等[13]的方法稍加修改。首先,将均匀涂有淀粉的导电双面碳带安装在样品架上,进行喷金处理。随后,在10 kV的加速电压下,分别在1 000倍和2 000倍的放大倍率下对淀粉的形态特征进行观察,并拍摄图像。
1.6.3 RVA谱特征值的测定
淀粉RVA谱特征值的测定按照 GB/T 24852—2010《大米及米粉糊化特性测定 快速粘度仪法》。
1.6.4 X-射线衍射的测定
根据ZEHRA等[14]的方法对淀粉颗粒进行X-射线衍射的测定。设定电压40 kV,电流40 mA,扫描衍射角范围5°～40°,扫描速率2°/min。
淀粉颗粒的相对结晶度按公式(4)计算:
(4)
式中:x4,相对结晶度,%;A1,结晶区面积;A2,非结晶区面积。
1.6.5 热特性的测定
在20 μL的去离子水中,加入10 mg淀粉样品,并将其放置在铝坩埚中,以空的铝坩埚作为对照。将铝坩埚在室温下静置24 h,然后以10 ℃/min的速度从20 ℃升温到150 ℃,保护N2流速为50 mL/min[15]。
1.6.6 红外光谱的测定
将淀粉粉末与KBr粉末按照质量比=1∶50的比例混合在研钵中,研磨直至混合均匀。之后,将混合物压制成片,并通过红外光谱扫描。波长区间设定为4 000～400 cm-1[16]。
1.7 数据处理与分析
利用Excel 2016软件对试验获取的数据进行整理,随后采用SPSS Statistics 19.0软件中的最小显著性差异法进行多重比较分析,并采用“平均值±标准差”表示。采用SIMCA14.1对最终数据进行主成分分析(principal component analysis,PCA)并构建正交偏最小二乘-判别分析(orthogonal partial least squares-discriminant analysis,OPLS-DA)模型,通过计算变量投影重要性值(variable importance in projection,VIP)。此外,图表的绘制采用Origin 2022软件。
2 结果与分析
2.1 籽粒农艺特征
3种高粱籽粒在外观和农艺参数上呈现出明显的差异。外观特性的差异反映了高粱品种间的遗传多样性,也在一定程度上预示了理化特性上的差异。AGL1、AGL2高粱籽粒颗粒较大、籽粒饱满;而国内高粱DGL籽粒较小。不同品种的高粱在物理特性上存在一定的差异,试验通过对比这3种高粱的籽粒颜色、千粒重、容重、长度、宽度和长宽比等基本物理参数进行分析。由表2可知,AGL1、AGL2和DGL的籽粒颜色各不相同,分别为红棕、淡黄和淡红。千粒重是衡量谷物重量的一个指标,反映了每1 000粒谷物的重量。3种高梁的千粒重在33～35 g,差异并不显著,其中AGL2的千粒重最高,为(34.81±1.51) g。容重是指单位体积内谷物的重量,是衡量谷物品质和加工特性的重要指标。3种高粱中DGL的容重最高,为(813.76±1.08) g/L,AGL2的容重为(796.12±3.55) g/L,显著低于AGL1和DGL。长度和宽度是高粱籽粒的物理尺寸。3种高粱籽粒长度存在显著差异,AGL2最长,为(5.05±0.03) mm,而DGL最短,为(4.44±0.01) mm。在宽度方面,AGL1、AGL2和DGL没有显著差异。长宽比是籽粒长度与宽度的比值,反映了籽粒的形状。AGL2的长宽比最大,为1.28,表明其籽粒相对较长且窄;DGL的长宽比最小,为1.16,表明其籽粒相对较圆。不同品种高粱的形态学特征如图1所示。
a-AGL1;b-AGL2;c-DGL
图1 不同品种高粱的形态学特征图
Fig.1 Morphological characteristics of different varieties of sorghum
表2 不同品种高粱物理参数差异
Table 2 Differences in physical parameters of different varieties of sorghum
编号籽粒颜色千粒重/g容重/(g/L)长度/mm宽度/mm长度/宽度AGL1红棕33.88±1.61a812.13±1.83a4.80±0.05b3.97±0.03a1.21AGL2淡黄34.81±1.51a796.12±3.55b5.05±0.03a3.94±0.01a1.28DGL淡红33.55±1.51a813.76±1.08a4.44±0.01c3.98±0.05a1.16
注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。
2.2 高粱理化特性
表3为AGL1、AGL2和DGL这3种高粱籽粒理化指标检测结果。由表3可知,不同品种高粱的组成成分差异明显。其中,DGL的水分含量最高,为(15.32±0.14)%,其次是AGL2,含量为(14.32±0.43)%,而AGL1的水分含量最低,为(12.03±0.16)%,因此,在存储过程中AGL1不易引起粮食发霉变质的问题。高粱中适量的蛋白质,不仅可以为微生物的生长代谢提供营养,而且还可以通过美拉德反应,生成白酒风味的重要成分[17]。酿酒高粱蛋白质含量一般保持在8%～10%,而AGL1蛋白质含量为(10.14±0.38)%,显著高于其他2种高粱。高粱中适量的脂肪,有利于丰富白酒的风味,减少异味[18]。脂肪含量通常在4%左右,但过高的脂肪含量会导致 “酸败”,给白酒带来异味。AGL1的脂肪含量最高,为(2.88±0.25)%,DGL与AGL2脂肪含量分别为(2.58±0.01)%、(2.47±0.25)%,差异较小。单宁、灰分及粗纤维作为高粱的重要组分,对其酿酒特性具有显著影响。实验数据显示,DGL品种的单宁含量达(1.12±0.04)%,显著高于2种澳洲高粱,高单宁含量可以抑制糖化酶活性和酵母发酵效率,但增加了酒体苦涩风险,需工艺调控。在灰分指标方面,AGL1[(1.67±0.01)%]和AGL2[(1.61±0.01)%]的灰分含量显著高于DGL[(1.51±0.02)%],较高的灰分代表其含有更丰富的矿物质营养,有利于促进酵母活力、维持发酵环境稳定,提升发酵性能。高粱中低粗纤维含量可以通过改善物料透气性,促进微生物代谢和风味物质积累,3种高粱在粗纤维含量上差异显著,其中,DGL的粗纤维含量最低,为(2.01±0.08)%。淀粉是白酒产量的根本保证,淀粉的含量和类型会对白酒的发酵过程产生影响[19]。AGL1与AGL2在淀粉含量和支链淀粉含量上差异不大,而DGL的淀粉含量和支链淀粉含量都是最高,分别为(65.67±1.54)%、(48.46±1.42)%;在直链淀粉含量上DGL是最低的,为(17.21±0.12)%,AGL1和AGL2的直链淀粉含量均在27%以上。直链淀粉和支链淀粉的含量与酒的质量密不可分。支链淀粉因其吸水性强、易糊化、微生物利用率高,在酿酒过程中蒸煮时间较短,出酒率相对较高;直链淀粉结构紧密,直链淀粉含量高的原料蒸煮时间较长,酒的粮香味会更浓[19]。因此,以DGL为原料酿酒,其出酒率较高;用2种澳洲高粱作为酿酒的原料,出酒率相对较低,但酿出来的酒的粮香会更加浓郁。
表3 不同品种高粱理化特性差异 单位:%
Table 3 Differences in physico-chemical characteristics of different varieties of sorghum
理化特性品种DGLAGL1AGL2水分含量15.32±0.14a12.03±0.16c14.32±0.43b蛋白质含量7.96±0.14c10.14±0.38a9.50±0.14b脂肪含量2.58±0.01b2.88±0.25a2.47±0.25b单宁含量1.12±0.04a0.85±0.01c0.94±0.02b灰分含量1.51±0.02c1.67±0.01a1.61±0.01b粗纤维含量2.01±0.08c2.83±0.07b3.02±0.06a淀粉含量65.67±1.54a64.12±1.75b64.08±1.49b直链淀粉含量17.21±0.12c27.47±0.41b28.84±0.37a支链淀粉含量48.46±1.42a36.65±1.34b35.24±1.12b
2.3 高粱淀粉特性
2.3.1 理化性质的差异(持水力、透光率、溶解度、膨润力)
淀粉的持水力反映了羟基与淀粉分子链通过共价键结合所保持的水分量[20]。在本研究中,DGL和AGL1的持水力都超过了110%,显著高于AGL2,其中DGL的持水力达到了(110.75±0.14)%。发酵后期温度升高促使淀粉糊化吸水量增加,但持水过高易致糊体过黏而影响发酵,3种高粱淀粉中AGL2的持水力最低,但也超过了100%,保留的适度持水空间为工艺调控提供了弹性,有利于精准控制蒸煮糊化与发酵过程的动态水分平衡。淀粉糊的透光率反映了淀粉与水的互溶能力以及膨胀溶解能力,透光率越高,意味着淀粉糊的透明度越好[21]。由图2可得,AGL2的透光率表现最优,达到(7.32±0.09)%;其次是DGL,透光率为(6.53±0.07)%;AGL1的透光率最低,为(4.82±0.02)%。
图2 三种高粱淀粉持水力和透光率
Fig.2 Water holding capacity and light transmission of three types sorghum starch
注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。
如表4和表5所示,随着温度的逐渐升高,3种不同高粱淀粉的溶解度和膨润力均呈现上升趋势。在30、50、70 ℃条件下,这一增长趋势相对平缓;然而,温度达到90 ℃时,3种高粱淀粉的溶解度和膨润力显著上升。淀粉的溶解度和膨胀度是反映淀粉与水相互作用的关键特性,直接决定高粱的吸水率与膨胀率等酿造性能。研究指出,随着温度升高,高粱淀粉的溶解度和膨胀力逐渐增大[22]。
表4 三种高粱淀粉溶解度 单位:%
Table 4 Solubility of three sorghum starches
品种温度/℃30507090DGL6.41±0.14a7.32±0.07b8.95±0.13a21.36±0.09bAGL15.33±0.10c6.76±0.02c8.07±0.17b29.52±0.08aAGL25.67±0.09b7.64±0.10a9.13±0.06a14.08±0.11c
表5 三种高粱淀粉膨润力 单位:g/g
Table 5 Bulking power of three sorghum starches
品种温度/℃30507090DGL4.25±0.04b6.38±0.12a8.65±0.09a11.89±0.17bAGL14.97±0.12a5.75±0.03b6.62±0.11b12.43±0.11aAGL22.98±0.14c3.86±0.08c4.92±0.19c9.14±0.16c
2.3.2 微观结构的差异
如图3所示,3种高粱淀粉的颗粒形状都不规则,主要以多面体为主,球体较少,表面特征包括凹痕和孔隙。不同品种之间存在明显的差异,DGL淀粉颗粒的大小处于中等水平,表面有较多的凹痕,整体呈现中心凹陷、周围凸起的形态,其棱角较为平滑。AGL1淀粉颗粒表面分布着众多小凹面,空间间隙较大,球体形状的颗粒较多。而AGL2淀粉颗粒相对较小,表面较为粗糙,空间间隙小,结构更为紧凑。这些形态结构的形成,一方面可能与高粱籽粒中淀粉与蛋白质的紧密结合有关,表面凹陷是由于蛋白质在生长过程中对淀粉的挤压作用所致;另一方面,在淀粉提取过程中,淀粉从蛋白质包裹的环境中释放时,可能会受到破坏,进而形成颗粒表面凹陷[23]。
a-DGL;b-AGL1;c-AGL2
图3 三种高粱淀粉微观结构
Fig.3 Microstructures of sorghum starch
2.3.3 RVA谱特征值的差异
由表6可知,3种不同品种的高粱淀粉在RVA谱特征值上有所差异。其中,AGL1的峰值黏度[(990.70±19.40)cP]和峰值时间[(6.17±0.02)min]是最高的,说明AGL1的水结合能力和膨胀程度均优于DGL和AGL2。将淀粉置于过量水中持续加热并搅拌,颗粒吸水膨胀,晶体结构消失,最终形成糊状溶液,这一晶体-非晶态转变对应的温度称为糊化温度。3种高粱淀粉中AGL2的糊化温度最高为(89.40±0.42)℃,这是由于AGL2具有更紧密的结构。回生值是终值黏度与谷值黏度的差值,反映了淀粉冷糊稳定性和老化趋势,回生值越大,淀粉越容易老化,老化后氢键数量增加,凝胶强度提高[24]。然而,过高的回生值会使发酵后的高粱淀粉极易老化并形成致密的凝胶结构,从而阻碍微生物对淀粉的进一步利用[25]。DGL的谷值黏度[(564.05±20.95)cP]、终值黏度[(551.67±17.33)cP]和回生值[(12.38±3.62)cP]都显著低于AGL1[(828.43±29.43)、(808.17±13.43)、(20.26±16.00)cP]和AGL2[(776.33±12.33)、(589.67±8.33)、(186.66±4.00)cP],推测是在冷却过程中,直链淀粉容易重新排列,导致凝胶强度增加,从而使AGL1和AGL2的终值黏度和回生值偏高。衰减值为峰值黏度与谷值黏度之差,该参数表征淀粉的热糊稳定性特性,其数值越大则热糊稳定性越低[26]。DGL的衰减值[(306.18±21.36)cP]高于AGL1[(163.78±3.78)cP]和AGL2[(56.67±3.67)cP],因此,DGL淀粉的热稳定性是3种高粱最差的,且更易糊化。
表6 三种高粱淀粉RVA谱特征值
Table 6 RVA spectra of three types of sorghum starch
指标品种DGLAGL1AGL2峰值黏度/cP881.47±24.93b990.70±19.40a833.00±16.00c谷值黏度/cP564.05±20.95c828.43±29.43a776.33±12.33b衰减值/cP306.18±21.36a163.78±3.78b56.67±3.67c终值黏度/cP551.67±17.33c808.17±13.43a589.67±8.33b回生值/cP12.38±3.62c20.26±16.00b186.66±4.00a糊化温度/℃82.12±0.30b78.55±0.55c89.40±0.42a峰值时间/min4.53±0.01b6.17±0.02a4.27±0.07c
2.3.4 X-射线衍射的测定差异
由图4可知,3种高粱淀粉在衍射角2θ约为15.1°、23.0°处均存在显著衍射峰,同时在17.1°和18.0°处呈现未分解的相连双峰,这些特征与典型的A型淀粉衍射模式相吻合。根据天然淀粉分类标准,A型淀粉的判定依据为15°和23°强衍射峰的出现,以及17°～18°的双峰特征。实验数据显示,AGL2、DGL、AGL1三组样品的衍射峰位置与强度分布高度一致,表明不同品种高粱淀粉具有相同的A型晶体结构,其紧密堆积的双螺旋构型符合谷物淀粉的典型特征。在结晶度参数方面,AGL2(25.59%)、DGL(20.83%)和AGL1(18.07%)存在梯度差异。最高结晶度的AGL2显示出更致密的晶体排列,AGL2更为紧凑的结构特征与扫描电镜观察结果相互印证。这种差异源于支链淀粉分支链的氢键网络密度差异,以及直链淀粉分子在双螺旋结构中的嵌入程度[27]。
图4 三种高粱X射线衍射图谱
Fig.4 X-ray diffraction patterns of three sorghum species
2.3.5 热特性的测定差异
由表7可知,3种高粱淀粉的糊化相变温度与热焓值存在显著差异。所有样品的相变温度均呈T0<Tp<Tc趋势,符合淀粉糊化特征。AGL2的相变温度(T0=72.38 ℃,Tp=77.81 ℃,Tc=83.61 ℃)和糊化热焓(ΔH=8.65 J/g)均显著高于其他两组,表明其高结晶度赋予更强的热稳定性,需更高能量破坏晶体结构。AGL1的ΔH值最低(5.25 J/g),与其低结晶度一致,但其T0(71.15 ℃)和Tp(77.10 ℃)却显著高于DGL(70.31 ℃;75.11 ℃),推测其直链淀粉含量较高可能是通过分子链缠绕作用增强了热阻,需进一步验证组分差异。DGL的ΔH(8.14 J/g)介于AGL2与AGL1之间,显示其晶体结构完善度中等。在糊化热焓方面,淀粉的结晶度越高,其结晶区域面积也相应越大,因此,淀粉在完全糊化过程中所需的热能也会增多,对应的糊化焓值也会更高[28]。本研究中,DGL和AGL2的糊化热焓较高,AGL1的糊化热焓较低,这一结论也证实了上述观点。
表7 三种高粱淀粉热力学特性
Table 7 Thermodynamic properties of three types of sorghum starch
指标品种DGLAGL1AGL2相变起始温度T0/℃70.31±0.14c71.15±0.12b72.38±0.24a相变峰值温度Tp/℃75.11±0.17c77.10±0.20b77.81±0.19a相变结束温度Tc/℃81.38±0.29b83.37±0.16a83.61±0.15a糊化热焓ΔH/(J/g)8.14±0.05b5.25±0.08c8.65±0.08a
2.3.6 红外光谱的测定差异
红外光谱技术能够揭示分子内部的化学键和官能团信息,通过观察不同波数下的吸收峰,对高粱淀粉样品的结构特点进行解析[29]。由图5可得,在4 000～500 cm-1的光谱范围内,3种高粱淀粉的红外光谱图中吸收峰的数量并无明显区别。AGL1和AGL2的光谱图未出现新的吸收峰,也未观察到吸收峰的减少,这表明澳洲高粱淀粉在化学键方面未发生修饰或共价键的形成,说明不同地区的高粱淀粉在内部结构上并无本质差异。3种高粱淀粉共有的相似光谱峰有8个,分别是3 402.90 cm-1处的吸收峰对应O—H的伸缩振动,2 930 cm-1处为—CH2的伸缩振动,1 653.38 cm-1处的峰代表碳水化合物体系中的(COO—)伸缩振动,1 424 cm-1处为—CH2的弯曲振动,1 160 cm-1处为C—O—C糖苷键的伸缩振动,995 cm-1处的峰与α-1,4糖苷键相关,858 cm-1处为淀粉的特征吸收峰,而575 cm-1附近的光谱峰则归因于吡喃环骨架的振动。在基团强度方面,AGL1的吸收峰强度普遍高于DGL和AGL2,尤其是1 653.38 cm-1处和575 cm-1处,这些强度差异可能与高粱的酿造性能有着密切的联系。
图5 三种高粱淀粉红外光谱图谱
Fig.5 Infrared spectral profiles of three types sorghum starch
2.4 PCA
如图6所示,AGL1和AGL2这2种澳洲高粱都分布在PC1的正半轴上,并且距离较近,表明这2种澳洲高粱在理化特性上相似度较高。另一方面,DGL则位于PC1的负半轴上,与AGL1和AGL2相隔较远,这反映出不同地区的高粱在理化特性上存在显著差异。AGL1和AGL2与灰分含量、蛋白质含量、粗纤维含量、直链淀粉含量的距离较为接近,说明这2个品种与这些理化指标有较强的相关性,而DGL与单宁含量、水分含量、支链淀粉含量的指标更为接近。
图6 主成分分析散点图
Fig.6 Principal component analysis scatterplot
由表8可知,第一主成分的特征值为6.46,方差贡献率达71.81%,在蛋白质含量、灰分含量、直链淀粉含量等指标上有较高载荷,能较好地概括数据中大部分变量的信息,可作为衡量高粱营养成分的一个综合指标。第二主成分的特征值为1.66,方差贡献率为18.50%,在脂肪含量、淀粉含量等指标上载荷较高,与高粱的能量成分相关,与第一主成分联合起来,累计贡献率达到了90.31%,共同反映了高粱多种成分的综合特性,可为酿酒高粱的品种选择、品质评价及酿酒工艺优化等方面提供数据依据和参考维度。
表8 三种高粱特征物质主成分载荷矩阵、特征值、主成分贡献率及累计贡献率
Table 8 Principal component load matrix, eigenvalues, principal component contribution rate, and cumulative contribution rate of characteristic substances in sorghum
指标主成分12水分含量-0.34 -0.17 蛋白质含量0.38 0.18 脂肪含量0.13 0.71 单宁含量-0.39 0.01 灰分含量0.38 0.19 粗纤维含量0.35 -0.08 淀粉含量-0.21 0.56 直链淀粉含量0.36 -0.16 支链淀粉含量-0.37 0.22 特征值6.46 1.66 方差贡献率/%71.81 18.50 累计贡献率/%71.81 90.31
表9为3种高粱特征物质主成分分析值与综合评价指数表。其中,从第一主成分(PC1)得分看,AGL1为2.29,远高于AGL2的1.01和DGL的-3.29,表明AGL1在与PC1关联紧密的指标(如蛋白质含量、灰分含量、直链淀粉含量等)上表现优异;DGL则在PC1上得分较低,说明其在这些指标上相对不足。在第二主成分(PC2)上,AGL1为0.82,高于AGL2的-0.99和DGL的0.17,意味着AGL1在与PC2相关的指标(如脂肪含量、淀粉含量等)上也有良好表现。综合评价指标方面,AGL1同样以3.10的得分位列第一,位列第二的AGL2综合得分0.02远低于AGL1,而DGL的综合得分-3.12排名最后,由此可明显看出三种高粱品种在品质方面的优劣顺序为AGL1>AGL2>DGL,这为酿酒高粱品种的选择提供了清晰的依据,优先推荐选用AGL1品种用于酿酒可更好地综合其优势品质成分。
表9 三种高粱特征物质主成分分析值与综合评价指数
Table 9 Principal component analysis values and comprehensive evaluation index of characteristic substances in sorghum
高粱品种主成分分值PC1PC2综合评价指数排名DGL-3.290.17-3.12 3AGL12.290.823.10 1AGL21.01-0.990.02 2
3 结论与讨论
本研究通过使用紫外分光光度计、快速黏度分析仪、扫描电子显微镜以及X-射线衍射仪等设备,系统比较了2种澳洲高粱(AGL1、AGL2)与1种东北高粱(DGL)的淀粉特性差异,揭示了原料特性对酿造适配性的影响规律。结果表明,3种高粱淀粉均呈现典型A型晶体结构,但微观形貌、理化特性、热稳定性及糊化行为存在显著差异。其中,澳洲高粱AGL2具有较高的直链淀粉含量,能增强粮食香气;其紧密的颗粒结构和高结晶度则赋予其优异的热稳定性;同时,还兼具良好的持水力与透光性,为工艺调控提供了灵活的操作空间,是白酒酿造的优选原料。进一步研究发现,淀粉直链/支链比例及结晶特性与糊化参数间存在显著相关性,为通过原料筛选优化蒸煮工艺提供了理论依据。然而,当前研究仅聚焦于特定品种的区域性差异,尚未涵盖美洲、非洲等更广泛产区的高粱资源。未来需拓展至更多品种,解析地理环境与遗传背景对淀粉特性的调控机制,同时结合发酵过程中微生物群落与风味代谢的动态关联,建立原料-工艺-品质的全程调控模型。这将为高粱资源的全球化应用、白酒风味多元化开发及产业降本增效提供系统性支撑。
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