淀粉的分子、超分子结构和糊化特性如何影响高粱品种的发酵行为

《Food Chemistry: X》：How molecular, supramolecular structure and gelatinization properties of starch influence fermentation behavior of sorghum cultivars

　　

高梁的发酵行为影响蒸馏酒品质，但不同品种间的差异无法仅用支链淀粉含量解释。研究人员选取6个品种，探究淀粉结构如何影响发酵。发酵稳定性与超分子结构相关，且与单螺旋含量（r = 0.81, p < 0.001）、晶体异质性（r = 0.62, p < 0.01）和回生晶体稳定性（r = 0.64, p < 0.01）呈正相关，这些特性支持底物的持续释放。平均发酵速率与糊化特性相关，并与直链淀粉（r = 0.58, p < 0.05）、支链淀粉短链（r = 0.74, p < 0.001）和支链淀粉长链（r = ?0.74, p < 0.001）呈显著相关。主成分分析显示，糊化特性主导PC1（60.2%），超分子结构主导PC2（23.2%），可将快速、慢速和中速发酵类型分开。本研究将淀粉结构与发酵行为联系起来，为酿酒用高粱品种的选择提供了依据。

**淀粉多尺度结构调控高粱品种发酵行为的机制研究——论文解读**

**研究背景与问题**

高粱（*Sorghum bicolor* (L.) Moench）是全球第五大谷类作物，以其优异的耐旱性、对贫瘠土壤的适应性和高营养价值著称。除食用和饲用外，高粱在酿造工业中占据核心地位，既是传统非洲啤酒的主要原料，也是中国白酒等蒸馏酒不可或缺的原料。在酿造过程中，淀粉是高粱籽粒的主要组分，也是微生物发酵的核心碳源。传统观点认为，发酵性能主要取决于直链淀粉和支链淀粉的相对含量。然而，已有研究发现，直链淀粉含量相近（20.01%–23.76%）的不同高粱品种，其发酵完成时间差异可达36至60小时；另有报道显示高支链淀粉品种的淀粉利用率更高，但也有研究得出矛盾结论。这表明仅凭直链淀粉或支链淀粉含量无法充分解释高粱发酵行为的差异。淀粉具有复杂的多尺度结构，涵盖分子结构、螺旋排列、结晶域、层状组织及颗粒形貌等层次。在白酒生产中，高粱需经蒸煮糊化、冷却回生，再由大曲中的微生物和酶转化为乙醇及风味物质。尽管稻米和小麦等谷物的淀粉多尺度结构—糊化—消化性关系已被广泛研究，但这些关系未必能直接适用于高粱实际酿造体系，因为高粱淀粉在籽粒中形态复杂，且酿造涉及多种酶和微生物的协同作用。既往研究多关注超分子结构和糊化特性对高粱蒸煮性质的影响，而关于淀粉结构如何影响高粱品种发酵行为的研究仍十分有限，尤其是粳型（非糯）与糯型（糯性）高粱之间的比较。为此，研究人员提出假说：淀粉的超分子结构和糊化特性影响高粱的发酵行为，并系统开展验证。

**研究设计与主要技术方法**

研究人员选用4个糯性高粱品种（HYZ、LNH、GJH、QKY）和2个粳性高粱品种（JZ、FZ），每个品种收获3个生长季的独立批次，共18个批次作为独立生物学重复。采用碘比色法测定总淀粉和表观支链淀粉含量；自籽粒提取淀粉后，综合运用场发射扫描电镜（FE-SEM）观察颗粒形态、激光粒度分析（LPS）测定粒径分布、X射线衍射（XRD）解析晶体结构、傅里叶变换红外光谱（FTIR）评估短程有序度与双螺旋度、¹³C CP/MAS NMR定量单螺旋和双螺旋含量、尺寸排阻色谱（SEC）分析支链淀粉链长分布、差示扫描量热法（DSC）测定糊化与回生热特性。发酵行为采用液体单培养体系，以活性干酵母接种高粱液化糖化液，单向密封监测CO₂失重，并划分初期（0–1天，V_i）、减速期（2–4天，V_d）和总平均速率（V_ave）。以总淀粉含量为控制变量进行偏Spearman相关分析，并采用主成分分析（PCA）对品种分类。

**研究结果**

**总淀粉与表观支链淀粉含量**
6个品种的总淀粉含量为46.90%（LNH）至83.12%（JZ）。粳性品种表观支链淀粉含量为73.85%（JZ）至78.53%（FZ），糯性品种为90.74%（HYZ）至98.02%（QKY）。糯性品种表观支链淀粉含量显著高于粳性品种，且直链淀粉含量可忽略。但碘结合法受链长影响，所测含量应视为表观值。

**颗粒形态与粒径分布**
电镜观察显示，各品种淀粉颗粒均为多面体形，小颗粒附着于大颗粒表面，品种间无明显形态差异。糯性高粱淀粉粒径总体大于粳性品种。小颗粒具有更大比表面积，有利于完全糊化和高效酶解。

**晶体结构**
XRD图谱显示所有样品具典型A型晶体特征峰（2θ = 15°、17°、18°、23°），并在2θ = 20°处检测到弱信号，指示V型晶体（单螺旋有序排列）。HYZ和QKY的总相对结晶度（RC）最高，粳性品种JZ和FZ最低。JZ和FZ的V型结晶度（RC_V）及RC_V/RC最高。直链淀粉含量与RC负相关（r = ?0.64, p < 0.01），与RC_V正相关（r = 0.80, p < 0.001），说明V型晶体主要由直链淀粉-脂质复合物形成。

**螺旋结构与短程有序**
FTIR测定的有序度（DO）为0.840（JZ）至1.110（LNH），双螺旋度（DD）为1.105（JZ）至1.360（GJH），糯性品种总体较高。¹³C CP/MAS NMR显示，HYZ的单螺旋含量最高（6.79%），支持其高RC与相对低DD的差异归因于单螺旋贡献V型结晶。单螺旋外表面亲水、内腔疏水，可与脂质形成复合物，在水表面形成物理屏障，抑制水分渗透。单螺旋含量与表观支链淀粉含量负相关（r = ?0.57, p < 0.05），与直链淀粉含量正相关（r = 0.70, p < 0.01），表明单螺旋主要由直链淀粉形成。

**分子结构**
去分支链长分布（CLD）可分为支链淀粉短链（AP1, DP约2–50）、支链淀粉长链（AP2, DP约50–2000或300）和直链淀粉（AM, DP>2000或300）。糯性品种AM含量极低，仅HYZ检出3.21%；糯性品种AP2含量和链长均高于粳性品种。AP1/AP2比值反映支链淀粉精细结构，糯性品种该比值较高。研究发现，部分高DP组分（DP>100）并非直链淀粉，而是连接双螺旋的支链淀粉内部链（B2/B3），因空间位阻难以与碘结合。

**糊化与回生特性**
DSC测定显示，回生淀粉的起始、峰值、结束温度及焓值较天然淀粉降低，而温度范围（Tc - To）增大，表明回生晶体热稳定性降低且异质性增强。GJH和QKY的糊化焓（ΔH）最高且Tc-To较低，表明糊化困难且晶体异质性低；HYZ和LNH糊化相对困难且异质性最高；FZ和JZ最容易糊化。

**发酵行为**
模拟发酵中，JZ和FZ第一天产CO₂最高（1.94 g和1.84 g），GJH和QKY居中（1.57 g和1.48 g），HYZ和LNH最低（1.34 g和1.31 g）。第二天所有品种产气下降，但HYZ和LNH降幅极小（0.09 g和0.02 g），表现出更稳定的发酵曲线。根据发酵速率将品种分为快速发酵型（JZ、FZ）、慢速发酵型（HYZ、LNH）和中速发酵型（GJH、QKY）。

**相关性与主成分分析**
以总淀粉含量为控制变量的偏相关分析显示，V_i与Tc-To负相关（r = ?0.64, p < 0.01），V_d与Tc-To正相关（r = 0.62, p < 0.01），表明晶体异质性促进平稳持续发酵。V_d与单螺旋含量正相关（r = 0.81, p < 0.001），与回生起始温度T_or正相关（r = 0.64, p < 0.01），说明这些超分子结构保障后期发酵底物持续供应。V_ave与直链淀粉（r = 0.58）、AP1（r = 0.74）正相关，与AP2（r = ?0.74）、D50（r = ?0.80）负相关。PCA显示PC1（60.2%）主要反映糊化特性对V_ave的影响，PC2（23.2%）主要代表单螺旋含量、晶体异质性、回生晶体稳定性对V_d的作用，三种发酵类型品种清晰分离。

**讨论与结论总结**

研究人员提出层级机制模型：分子结构通过塑造超分子结构间接调控发酵行为。支链淀粉外部链增强回生晶体热稳定性（T_or），长直链淀粉促进单螺旋形成，支链淀粉内部链增加晶体异质性（Tc-To）。这三种超分子结构特征调节减速期淀粉释放速率和底物可用性，从而影响发酵稳定性。直链淀粉和过多短支链抑制结晶，长支链促进结晶有序化，形成的结晶度差异进一步调节糊化抗性（ΔH、T_o），糊化特性影响酶解效率进而决定平均发酵速率。该机制框架将淀粉多尺度结构与发酵性能联系起来，为酿酒专用高粱品种选育提供了理论依据。研究结论指出：高粱发酵行为由淀粉分子和超分子结构共同控制，而非仅由直链/支链淀粉含量决定。根据结构决定因素，高粱品种可分为快速发酵型（易糊化）、慢速发酵型（高回生晶体稳定性、高单螺旋含量、高晶体异质性）和中速发酵型（这些结构特征值低但糊化抗性高）。研究局限性包括品种数量有限、每品种3批可能存在伪重复风险，以及液体单培养体系与工业固态白酒发酵的差异。未来需用更大规模品种群验证结构-发酵关系，并在真实发酵条件下研究淀粉与其他籽粒组分的互作。该论文发表在《Food Chemistry: X》。