《食品科学》：黑龙江八一农垦大学曹龙奎教授等：微波间歇干燥对北方粳高粱蛋白质及淀粉品质的影响

高粱作为我国古老的旱地粮食作物之一，在我国已有几千年的栽培历史，曾被人们称为“生命之谷”。高粱虽然已经作为杂粮作物，但其依然有着广泛的用途。在北方地区，高粱收获季的温差变化较大，且高粱含水量较高，未及时干燥的高粱容易受到霜冻及温差的影响，进而影响高粱中蛋白质和淀粉的内在品质。因此，采用先进的干燥技术对收获高粱进行及时干燥处理，能更好保证高粱的内在品质。

目前，利用微波技术对包括高粱在内的农产品加工方面的研究，主要集中在微波辐射作用、微波预处理、微波改性等对农产品品质的影响方面；而从粮食干燥角度出发，研究微波干燥对高粱降水及蛋白质、淀粉品质的影响鲜见公开报道，高粱微波干燥过程中，微波作用时间是影响干燥效率和干燥品质的核心因素，因此黑龙江八一农垦大学工程学院的张吉军和食品学院的曹龙奎*等针对北方粳高粱进行了微波间歇干燥实验，探寻主要干燥参数——单循环微波作用时间对高粱降水及蛋白质、淀粉品质的影响。为高粱微波干燥产业化应用提供理论和数据支持。

1、单循环微波作用时间对粳高粱含水率及籽粒温度的影响

如图1所示，随着单循环微波作用时间的延长，高粱积累的热能增大，含水率下降幅度增加，达到安全水分时的总干燥时间明显缩短，与于洁、唐小闲等的结论一致。这些含水率下降幅度的差异将对高粱干燥后品质产生影响。

如图2所示，随着单循环微波作用时间的延长，高粱籽粒温度升速明显。总体来看，高粱籽粒温度变化包括快速上升和趋于稳定两个阶段，与于洁、郑先哲等的结论一致。尤其是当时间为1.02 min时，高粱籽粒温度变化在两个阶段表现更明显。原因为干燥前期高粱总体含水量较高，吸收微波能力强，因此籽粒温度上升较快；干燥中后期高粱水分含量偏低，其吸收微波产热与水分蒸发吸热大致相当，因此籽粒温度趋于稳定。高粱籽粒的这些温度变化规律将对干燥后品质产生较大影响。

2、不同单循环微波作用时间对粳高粱总蛋白质量分数的影响

如表1所示，随着单循环作用时间在1.02～5.00 min范围内逐渐延长，高粱的总蛋白质量分数在8.8%～9.1%之间变化。相比于天然粳高粱（未进行微波作用），总蛋白质量分数最大变化量为0.4%，变化不明显。表明改变单循环微波作用时间（1.02～5.00 min）对高粱总蛋白质量分数影响不显著。

3、微波干燥对粳高粱差异蛋白表达、功能分类及代谢通路的影响

01

差异表达蛋白的聚类分析

筛选出天然高粱样品、微波干燥高粱样品共有的差异表达蛋白共85个。采用层次聚类算法对比较组的差异表达蛋白质分别进行聚类分析，并以热图形式表达如图3所示（点击下方阅读原文即可查看图3）。

图3中横坐标分别表示天然高粱样品和微波干燥高粱样品的3次重复实验结果。在天然高粱样品含有的85个差异表达蛋白中，51个蛋白含量较低，34个蛋白含量较高；经微波干燥后，天然高粱样品中含量较低的51个蛋白表达均上调，使蛋白含量增加；天然高粱样品中含量较高的34个蛋白表达均下调，使蛋白含量降低。结果表明，微波干燥处理使天然高粱中的差异蛋白表达发生了显著的变化。85个差异表达蛋白中，有26个差异蛋白属于未表征蛋白，其余59个差异蛋白均得到表征。

02

差异表达蛋白的GO功能分类

基于生物学过程、细胞组分和分子功能三大方面进行功能分类。图4表示了将以上三大功能富集分析结果按照显著性从左向右排序，并选取前7～10个分类信息进行汇总。从以上3个方面的次级分类水平上可以看出，在生物学过程功能分类中，参与细胞生物学过程的蛋白最多，其次为参与单组织生物过程蛋白，再次为参与应激反应、细胞成分的组织或生物合成的蛋白；在细胞组分功能分类中，与细胞、细胞部位相关的蛋白最多，然后依次为细胞器、细胞器部位和生物大分子复合体相关蛋白；而在分子功能分类中，与催化活性、结合作用相关的蛋白最多，然后为结构分子活性、转运功能、抗氧化活性相关蛋白。

03

差异表达蛋白的KEGG通路分析

如图5所示，将排名前10的代谢通路根据显著性从左向右（显著性P值依次为0.000 000 73、0.000 002 04、0.000 369、0.002 87、0.007 74、0.008 71、0.011 7、0.013 5、0.025 5和0.026 2）排序分布。可知，差异蛋白质极显著参与碳代谢、糖酵解/糖异生、光合生物碳固定、氨基酸的生物合成、氨基糖和核苷酸糖代谢、三羧酸循环等代谢途径；而参与淀粉和蔗糖代谢、RNA降解、内质网中的蛋白质加工、次级代谢物生物合成等代谢途径达到显著水平。

4、不同单循环微波作用时间对粳高粱总淀粉和直链淀粉质量分数的影响

如表2所示，相比于天然高粱（未进行微波处理，下同）淀粉，随着单循环微波作用时间在1.02～5.00 min延长，总淀粉质量分数、直链淀粉质量分数总体上有增加趋势，与刘佳男等的结论一致。与天然高粱淀粉相比，在1.02、2.08、3.13 min时直链淀粉变化不显著，在4.17、5.00 min时直链淀粉质量分数有一定增加，5.0 min时增加量达到1.06%。相对于天然高粱淀粉，在1.02、4.17 min时总淀粉质量分数变化不显著，在2.08、3.13、5.00 min时总淀粉质量分数有一定增加，2.08 min时增加量达到2.55%。

5、不同单循环微波作用时间处理后粳高粱FTIR分析

如图6所示，各组在995 cm－1处吸收峰基本无差异；在1 022、1 047 cm－1时，时间由3.13 min延长到5.00 min时，曲线逐渐升高，时间为1.02、2.08 min时，与天然高粱的曲线相比变化不明显；3 650～3 200 cm－1区域为强而宽的吸收峰，时间为1.02、2.08 min时，峰高与天然高粱差别不大，当时间延长到3.13、4.17、5.00 min时，吸收峰相比于天然高粱显著变窄变高；1 750～2 750 cm－1区域时，峰型位置有明显的变化，相对于天然高粱，时间为1.02、2.08 min时的峰型位置明显变窄变低，时间为3.13、4.17、5.00 min时峰型位置显著变宽变高，总体上，随着单循环微波作用时间的延长，吸收峰逐渐变宽变高。

6、不同单循环微波作用时间对粳高粱淀粉老化性质的影响

如表3所示，相对于天然高粱淀粉，单循环微波作用时间在1.02～5.00 min范围变化时，微波干燥高粱淀粉的峰值黏度总体低于天然高粱淀粉，呈降低趋势；谷值黏度和最终黏度总体高于天然高粱淀粉，呈增加趋势。其中，时间为4.17 min时峰值黏度略有增加可能为实验误差引起，当时间达到5.00 min时，峰值黏度降低最显著，从4 945 mPa·s降低到4 150 mPa·s。微波作用时间为2.08 min时谷值黏度略有下降可能为实验误差引起。

相对于天然高粱淀粉，单循环微波作用时间在1.02～5.00 min范围时，微波干燥高粱淀粉的衰减值均低于天然高粱淀粉，衰减值总体呈降低趋势，微波作用时间为5.00 min时，衰减值最低，最大减少量达到990 mPa·s；随着单循环作用时间的延长，淀粉回生值逐渐增大，与天然高粱淀粉相比最大增加量达到267 mPa·s。可见，相对于天然高粱淀粉，随着单循环微波作用时间在1.02～5.00 min范围延长，高粱淀粉颗粒热稳定性增加，淀粉更易老化。时间达到5.00 min时，淀粉颗粒热稳定性最高，老化也最严重。

7、不同单循环微波作用时间对粳高粱淀粉颗粒微观形貌的影响

如图7A所示，天然粳高粱淀粉颗粒多为类圆形和不规则形状，表面内凹，颗粒较大，部分颗粒表面有类蜂窝状结构，少部分较小颗粒为球形或椭球形，表面光滑。在不同单循环微波作用时间条件下，淀粉颗粒如图7B～F所示，淀粉颗粒总体形状基本不变。但部分淀粉颗粒表面产生较明显的裂纹、表层脱落、甚至开裂及破碎现象，部分淀粉颗粒的表层凹陷程度加剧。可能原因为高粱在微波干燥过程中，籽粒内部极性水分子吸收微波能，并不断转化为自身的热能形成蒸汽压，当此压力达到或超过淀粉颗粒分子链组织结构所能承受的强度时，颗粒表面的束缚被打破，颗粒外观及内部发生一定程度的改变。

8、不同单循环微波作用时间对粳高粱淀粉糊化特性的影响

如表4所示，高粱淀粉糊化过程中，在64～74 ℃之间存在一个明显的吸热峰。天然高粱和微波干燥高粱淀粉的相变起始温度都较低，约为64 ℃左右。与天然高粱相比，单循环微波作用时间在1.02～5.00 min范围变化时，高粱淀粉的相变起始温度、相变峰值温度、相变终止温度和相变温度差异不显著。由图2可知，当时间在1.02～5.00 min变化时，干燥过程中高粱籽粒的平均温度约在59～64 ℃之间变化，可见微波干燥高粱过程中籽粒未产生较明显的糊化过程。

在实施的实验条件下，天然高粱经微波干燥后，总蛋白质量分数变化不显著，变化量不超过0.4%；85个变化显著的差异蛋白中有51个表达上调，34个表达下调；差异蛋白质极显著参与碳代谢、糖酵解/糖异生、光合生物碳固定、氨基酸的生物合成、氨基糖和核苷酸糖代谢、三羧酸循环等代谢途径（P＜0.01）；随单循环微波作用时间延长，总淀粉、直链淀粉质量分数呈增加趋势，与天然高粱相比，最大增加量分别为2.55%和1.06%；淀粉未产生新的官能团；部分淀粉颗粒形貌产生一定变化；回生值最大增加量达到267 mPa·s，淀粉更易老化；淀粉相变温度变化不明显，糊化焓值下降显著。研究结果将为高粱微波干燥产业化应用及高粱深加工提供理论和数据支持。

通信作者介绍

曹龙奎 教授

曹龙奎，国家杂粮工程技术研究中心PI（principal investigator），黑龙江八一农垦大学食品学院二级教授，博士生导师。1992-2004年先后任吉林省农科院农产品加工中心副主任、主任。2004年开始任黑龙江八一农垦大学食品学院副院长。黑龙江省“粮食、油脂及植物蛋白”领军人才梯队带头人。黑龙江省食品学会常务理事。在国内学术刊物上发表论文200余篇，出版科研专著4部，发明专利7项。主持和参加完成了国家重点研发项目、科技支撑项目、国家科技部农业成果转化项目、国家星火计划等多个国家级项目；获黑龙江省科技进步二等奖3项。研究方向主要围绕玉米、稻米等大宗作物和小米、芸豆、红小豆等杂粮杂豆深加工和副产物综合利用技术及其相关基础理论，开展新产品研发、传统食品品质调控与现代加工技术融合与提升、功能成分的活性与应用技术、副产物增值技术、糖与淀粉深加工技术等的研究工作。

第一作者介绍

张吉军 副教授

张吉军，副教授，机械制造专业工学硕士，农业工程在读博士，黑龙江省杂粮学会会员。2001年至今，任职黑龙江八一农垦大学教师工作。先后发表研究论文20余篇，其中SCI及EI检索论文6篇。参与国家科技重大专项项目“大型铸锻焊件的加工工艺和质量控制技术”、国家863计划项目“高强度钢、淬硬钢大型零件高效切削技术及应用”等国家级项目2项；作为主要参加人，参与黑龙江省科技厅重大项目“粮食水份快速检测与智能化烘干装备的研究”的研究；作为主要参加人，参与黑龙江省教育厅项目“蔬菜移栽机分插机构的研究”、“基于图像处理的高精度光学显微检测仪”的研究；主持参与其他厅局级及以下项目4项。获得实用新型专利2项。作为参加人，获得厅局级科研奖励3项。目前研究方向为粮食干燥与农产品加工。

本文《微波间歇干燥对北方粳高粱蛋白质及淀粉品质的影响》来源于《食品科学》2022年43卷7期52-60页，作者：张吉军，曹龙奎，衣淑娟，王立东，张东杰，刘德志，全志刚，车刚，王娟，赵姝婷，王维浩，魏春红，苏有韬。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20201225-293。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

修改/编辑：袁艺；责任编辑：张睿梅

作者介绍由本文作者提供；图片来源于文章原文及摄图网。