糊化和凝沉玉米淀粉的消化性能*

高群玉 李佳佳 李云云

(華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東廣州510640)

近年來(lái)，隨著社會(huì)結(jié)構(gòu)的變化、飲食習(xí)慣及食物構(gòu)成的改變，慢性疾病，如糖尿病、肥胖癥等胰島素相關(guān)疾病不斷上升.研究發(fā)現(xiàn)，淀粉的消化性能與人體的很多疾病密切相關(guān)，體外消化試驗(yàn)的結(jié)果與血糖指數(shù)有明顯的相關(guān)性，而人體對(duì)食品的血糖反應(yīng)與食物的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很大程度上取決于食品的消化速度［1］.選擇消化速度較低的淀粉類(lèi)食物有利于胰島素和葡萄糖代謝的平穩(wěn)化，對(duì)于控制糖尿病患者的病情十分有利［2-5］，研究淀粉的消化速度進(jìn)而確定其能被人體消化的程度對(duì)于現(xiàn)代人的健康顯得尤為重要.

淀粉的消化速度和程度受很多因素影響，比如植物種類(lèi)、淀粉類(lèi)碳水化合物聚合物組成的本性、酶抑制劑、加工處理和儲(chǔ)藏條件等.Frei等［6］對(duì)幾種大米淀粉顆粒的消化性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)直鏈淀粉含量及處理方式對(duì)淀粉的消化性能有顯著影響;溫其標(biāo)等［7］研究了羥丙基化對(duì)淀粉顆粒及其糊的消化性能的影響，結(jié)果表明羥丙基化能夠提高淀粉顆粒的消化速度，增加消化產(chǎn)物;陳淵等［8］研究了機(jī)械活化木薯淀粉及其乙酰化變性處理產(chǎn)品的消化性能，結(jié)果表明機(jī)械活化及乙?；幚砟茱@著提高淀粉顆粒的消化性能，消化速度增加.此前國(guó)內(nèi)外的報(bào)道多集中在通過(guò)改性來(lái)調(diào)控淀粉的消化性能，而對(duì)保藏處理方式對(duì)淀粉消化性能及消化速度變化規(guī)律的影響鮮見(jiàn)報(bào)道.本研究以4種不同直鏈淀粉含量的玉米淀粉為原料，探討了玉米淀粉糊化及保藏處理后淀粉消化產(chǎn)物及消化速度的變化規(guī)律，考察了保藏處理方式對(duì)食品消化性能的影響，以期為食品工業(yè)中淀粉保藏處理方式的選擇提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

主要材料如下:普通玉米淀粉，吉林天成公司生產(chǎn);蠟質(zhì)玉米淀粉，甘肅雪晶生化有限責(zé)任公司生產(chǎn);高鏈玉米淀粉(高鏈Ⅴ、高鏈Ⅶ)，美國(guó)國(guó)民淀粉(化學(xué))有限公司生產(chǎn);標(biāo)準(zhǔn)馬鈴薯直鏈淀粉(Cat.No.A0512)，美國(guó) Sigma-Aldrich 公司生產(chǎn);豬胰 α-淀粉酶(A3176-1 Mu，酶活為 30 U/mg，美國(guó)Sigma-Aldrich公司生產(chǎn);葡萄糖淀粉酶G A07(酶活為100000U/mL)，廣州裕立寶生物科技有限公司生產(chǎn);滲析袋，上海精科實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn);麥芽糖，上海伯奧生物科技有限公司生產(chǎn);其它試劑和藥品均為分析純.

1.2 儀器與設(shè)備

主要儀器如下:SHA-CA型恒溫振蕩器，常州澳華儀器有限公司生產(chǎn);721型分光光度計(jì)，上海菁華科技儀器有限公司生產(chǎn);DSC-2C型差示掃描量熱儀(DSC)，美國(guó) PERKIN-ELMER公司生產(chǎn);Brabender Viscograph-E型黏度計(jì)，德國(guó)Brabender公司生產(chǎn).

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 直鏈淀粉含量的測(cè)定

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)直鏈淀粉與支鏈淀粉純樣品制作直鏈淀粉的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線(xiàn).稱(chēng)取50mg淀粉樣品，加少量無(wú)水乙醇，再加入10mL 0.5mol/L的NaOH溶液，沸水浴中使之充分溶解，冷卻后用去離子水定容至50mL，搖勻.吸取2.5 mL的樣品溶液于50 mL容量瓶中，加入20mL去離子水，用0.1 mol/L的HCl溶液調(diào)節(jié)pH值，使溶液的pH=3，然后加入0.5 mL 0.2%的碘試劑，定容至50 mL，室溫下放置20 min，在620nm處測(cè)定其吸光度并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn).

1.3.2 Brabender曲線(xiàn)的測(cè)定

測(cè)定條件:測(cè)量盒扭矩為700 cmg，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為250r/min，升降溫速率為3℃/min.

測(cè)定步驟:稱(chēng)取一定質(zhì)量的玉米淀粉，加適量蒸餾水配成100g質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的淀粉乳，攪拌均勻后置于Brabender黏度儀的測(cè)量杯中，從30℃開(kāi)始升溫，以3℃/min的速度加熱至95℃并保溫15min，然后以3℃/min的速度降溫至50℃并保溫15 min，得到Brabender黏度曲線(xiàn)，黏度單位為BU.

1.3.3 熱分析

準(zhǔn)確稱(chēng)取一定量的淀粉樣品置于樣品盤(pán)中，用微量進(jìn)樣器加適量蒸餾水配成淀粉含量為30%的淀粉乳，然后將樣品盤(pán)壓緊密封，室溫下平衡過(guò)夜.將樣品盤(pán)放入儀器的樣品座，以空白樣品盤(pán)作參比物，通氮?dú)?，開(kāi)通儀器進(jìn)行掃描.掃描溫度范圍為30～140℃，掃描速度為5℃/min，通氮?dú)獾乃俣葹?0mL/min.

1.3.4 in-vitro 消化性能分析

(1)淀粉顆粒消化產(chǎn)物和消化速度的測(cè)定

根據(jù)Jenkins等［9］提出的人體消化速度in-vitro測(cè)定模型，準(zhǔn)確稱(chēng)取一定量(m)的原淀粉樣品，轉(zhuǎn)移到滲析袋中，加入15 mL的pH=5.2的磷酸鹽緩沖液溶解，加入4 mL的豬胰 α-淀粉酶(300 U/mL)，1mL(2500U/mL)的葡萄糖淀粉酶，夾緊滲析袋口，上下反轉(zhuǎn)若干次搖勻后將滲析袋放入裝有400 mL緩沖液的燒杯中，連燒杯一起置于37℃、100 r/min的恒溫?fù)u床中水浴保溫反應(yīng)，并不時(shí)攪動(dòng)滲析袋外液體，定時(shí)從燒杯中吸取0.4 mL的消化滲析液，稀釋一定倍數(shù)后測(cè)定含糖量.含糖量的測(cè)定采用苯酚－硫酸法，用麥芽糖標(biāo)準(zhǔn)溶液制作標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)，并在490nm波長(zhǎng)下測(cè)定其吸光度，進(jìn)行比色分析，根據(jù)所測(cè)吸光度分別計(jì)算整個(gè)體系中的水解糖含量和消化速度:

式中:mCHO為消化產(chǎn)物的量，mg;v為平均消化速度，mg/(g·h);mB為從標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)中查出標(biāo)準(zhǔn)麥芽糖量，μg;C為滲析液稀釋倍數(shù);m為以干基計(jì)的樣品質(zhì)量，g;t為反應(yīng)時(shí)間，h;V為每次從體系中取出滲析液的體積，mL;0.001為將 μg換算成 mg的系數(shù);421為in-vitro消化模型中整個(gè)體系的溶液體積，mL;

(2)糊化淀粉消化產(chǎn)物和消化速度的測(cè)定

稱(chēng)取一定量(m)的原淀粉樣品于50 mL帶旋轉(zhuǎn)蓋的離心管中，添加10mL的去離子水，渦旋混勻后在沸水浴中糊化40min.待冷卻至室溫后，添加5mL pH=5.2的磷酸鹽緩沖液，攪拌均勻后轉(zhuǎn)移至滲析袋中，加4mL的豬胰α-淀粉酶、1 mL的葡萄糖淀粉酶，其余步驟同(1).

(3)凝沉淀粉消化產(chǎn)物和消化速度的測(cè)定

將(2)中制備好的淀粉糊冷卻至室溫后，放入4℃冰箱中放置24h，第2天向離心管中添加5mL pH=5.2的磷酸鹽緩沖液，其余步驟同(1).

1.3.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)測(cè)定之后的平均值，并使用Origin 8.0作圖.

2 結(jié)果與討論

2.1 玉米淀粉的糊化性質(zhì)

2.1.1 Brabender數(shù)據(jù)分析

不同直鏈淀粉含量的玉米淀粉的糊化特征參數(shù)見(jiàn)表1.由表1可知，高鏈Ⅴ與高鏈Ⅶ玉米淀粉的糊化溫度較高，均高于90℃;普通玉米淀粉與蠟質(zhì)玉米淀粉的糊化溫度較低，分別為74.7℃與69.2℃;最終黏度由大到小依次排列為:蠟質(zhì)玉米淀粉、普通玉米淀粉、高鏈Ⅴ玉米淀粉、高鏈Ⅶ玉米淀粉.由表1還可以看出，直鏈淀粉含量越高，淀粉的峰值黏度越小，消減值越大.消減值為最終黏度與峰值黏度的差值，表示淀粉糊凝沉性質(zhì)的強(qiáng)弱.當(dāng)消減值為負(fù)值時(shí)，越大則表示凝沉性越弱;為正值時(shí)，越大則表示凝沉性越強(qiáng).由表1可知，蠟質(zhì)玉米淀粉與普通玉米淀粉的凝沉性較弱，高鏈Ⅴ與高鏈Ⅶ玉米淀粉的凝沉性相對(duì)較強(qiáng).這是因?yàn)?，黏度受多種因素的影響，支鏈淀粉引起淀粉顆粒的膨脹和糊化，直鏈淀粉和脂類(lèi)物質(zhì)抑制淀粉的膨脹［10］.

表1 不同直鏈淀粉含量的玉米淀粉糊的黏度特征值Table 1 Paste viscosity characteristics of corn starches with different amylose contents

2.1.2 DSC 數(shù)據(jù)分析

不同直鏈淀粉含量的玉米淀粉的熱力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表2.

表2 不同直鏈淀粉含量玉米淀粉的熱力學(xué)性質(zhì)1)Table 2 Thermaldynamic properties of corn starches with different amylose contents

由表2可知，與黏度曲線(xiàn)參數(shù)一致，蠟質(zhì)玉米淀粉的糊化起始溫度最低，高鏈Ⅶ玉米淀粉的糊化起始溫度最高.高鏈Ⅴ與高鏈Ⅶ玉米淀粉的糊化溫度范圍較寬，蠟質(zhì)玉米淀粉較窄，普通玉米淀粉的溫度范圍最窄.Shi等［11］將糊化后的淀粉重新掃描之后發(fā)現(xiàn)高直鏈玉米淀粉在100℃左右有峰出現(xiàn)，推測(cè)這是直鏈淀粉與脂類(lèi)物質(zhì)復(fù)合物的解體峰.高鏈Ⅴ與高鏈Ⅶ玉米淀粉的糊化溫度范圍較寬，這可能是因?yàn)楦咧辨溣衩椎矸壑兄辨湹矸酆枯^高，能夠與脂類(lèi)形成更多的絡(luò)合物，而這些絡(luò)合物抑制了淀粉的糊化膨脹［12］.由表2可見(jiàn)，蠟質(zhì)玉米淀粉的 ΔH最大，高鏈Ⅶ玉米淀粉最小.DSC的焓值主要受支鏈淀粉結(jié)晶、直鏈淀粉與脂質(zhì)復(fù)合物結(jié)晶以及直鏈淀粉結(jié)晶影響.

2.2 玉米淀粉的in-vitro消化性能

2.2.1 淀粉顆粒的消化產(chǎn)物與消化速度

不同直鏈淀粉含量的玉米淀粉顆粒在不同時(shí)間內(nèi)的消化產(chǎn)物的量見(jiàn)表3，其消化速度見(jiàn)圖1.

表3 不同時(shí)間內(nèi)原淀粉顆粒的消化產(chǎn)物的量Table 3 Amount of digestion products of native starch granules with different digestion time mg

圖1 原淀粉顆粒的in-vitro消化速度Fig.1 In-vitro digestion rate of native starch granules

由表3可知:隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，4種玉米淀粉的消化產(chǎn)物逐漸增多，這是因?yàn)橄a(chǎn)物的量是累積的;消化產(chǎn)物總量由大到小依次排列為:蠟質(zhì)玉米淀粉、普通玉米淀粉、高鏈Ⅴ玉米淀粉、高鏈Ⅶ玉米淀粉;在相同的消化時(shí)間內(nèi)，蠟質(zhì)玉米淀粉與普通玉米淀粉的消化產(chǎn)物的量顯著高于高鏈(高鏈Ⅴ、高鏈Ⅶ)玉米淀粉.由圖1可知，4種玉米淀粉相同時(shí)間內(nèi)的消化速度由大到小依次排列為蠟質(zhì)玉米淀粉、普通玉米淀粉、高鏈Ⅴ玉米淀粉、高鏈Ⅶ玉米淀粉.玉米淀粉的消化速度與原淀粉顆粒的直鏈淀粉含量有關(guān)，4種玉米淀粉中，原淀粉顆粒直鏈淀粉含量越高其消化速度越低.

不同玉米淀粉消化產(chǎn)物的量與消化速度的差異主要是由兩方面原因引起的:首先，低直鏈淀粉含量的淀粉更容易被α-淀粉酶進(jìn)攻，同一類(lèi)型的淀粉中，直鏈淀粉含量越高，抗性淀粉含量越高［12］.其次，淀粉顆粒內(nèi)部及分子間的結(jié)構(gòu)對(duì)抗酶解性能也有顯著影響，高支鏈(普通、蠟質(zhì)玉米淀粉)和高直鏈(高鏈Ⅴ、高鏈Ⅶ玉米淀粉)分別屬于A型和B型結(jié)構(gòu)，A型結(jié)構(gòu)淀粉的抗酶解性能小于B型結(jié)構(gòu)［13］.

由圖1可知，除了高鏈Ⅶ玉米淀粉，其它3種淀粉的反應(yīng)速度均為先上升后下降.這是因?yàn)?酶分子首先從液相擴(kuò)散到淀粉顆粒的表面，隨后酶的活性部位與淀粉顆粒的特定區(qū)域結(jié)合并進(jìn)行催化作用從而使淀粉顆粒發(fā)生降解［14］;in-vitro消化體系中的消化速度主要是由淀粉酶與淀粉顆粒的酶促反應(yīng)速度決定的［14］;初始階段，淀粉與淀粉酶接觸造成淀粉顆粒結(jié)構(gòu)破壞，酶作用的有效比表面積增加，消化速度增加;隨著反應(yīng)的進(jìn)行，結(jié)晶區(qū)逐漸暴露出來(lái)，酶對(duì)淀粉結(jié)晶區(qū)的作用比無(wú)定型區(qū)要困難，故消化速度減小.

2.2.2 糊化淀粉的消化產(chǎn)物與消化速度

不同直鏈淀粉含量的淀粉糊在不同時(shí)間內(nèi)的消化產(chǎn)物的量見(jiàn)表4，其消化速度見(jiàn)圖2.

表4 不同時(shí)間內(nèi)糊化淀粉的消化產(chǎn)物的量Table 4 Amount of digestion products of starch pastes with different digestion time mg

圖2 糊化淀粉的in-vitro消化速度Fig.2 In-vitro digestion rates of starch pastes

由表4可知，4種玉米淀粉糊化后的消化產(chǎn)物的量均隨著消化時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，與原淀粉顆粒保持一致.比較表4與表3、圖2與圖1發(fā)現(xiàn)，在相同時(shí)間內(nèi)糊化淀粉消化產(chǎn)物的量與消化速度均明顯高于原淀粉顆粒.Zhang等［15］認(rèn)為淀粉的消化性能與其半結(jié)晶結(jié)構(gòu)有關(guān).原淀粉顆粒內(nèi)部為無(wú)定型區(qū)，外層為結(jié)晶區(qū)且非常牢固［14］，對(duì)酶及化學(xué)試劑等的抵抗能力強(qiáng).糊化處理破壞其顆粒結(jié)構(gòu)，妨礙淀粉酶作用的淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)不復(fù)存在，并使淀粉中的易消化淀粉比例增大，而慢消化淀粉和抗性淀粉含量降低［16］.因此淀粉糊化后，更容易被α-淀粉酶水解，故消化產(chǎn)物的總量要比原淀粉高，消化速度也顯著提高.

由表4還可以看出，高鏈Ⅴ與高鏈Ⅶ玉米淀粉糊化后的消化產(chǎn)物的量仍顯著低于蠟質(zhì)玉米淀粉.這是因?yàn)?高鏈Ⅴ與高鏈Ⅶ玉米淀粉的直鏈淀粉含量分別為44.10%、69.00%，含量較高且直鏈淀粉大部分分布在淀粉顆粒表面，在糊化過(guò)程中，淀粉顆粒表面的直鏈淀粉可以與支鏈淀粉緊密結(jié)合在一起形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，抗酶解作用強(qiáng)［17］.另一方面，高鏈Ⅴ與高鏈Ⅶ玉米淀粉中含有比較多的脂類(lèi)物質(zhì)，脂類(lèi)物質(zhì)與直鏈淀粉分子結(jié)合形成絡(luò)合物，對(duì)淀粉膨脹、糊化和溶解均有強(qiáng)的抑制作用［12］.從表2中的DSC參數(shù)可知兩種高鏈玉米淀粉的tc均超過(guò)100℃，這也印證了這一點(diǎn).原因可能是絡(luò)合物能明顯降低in-vitro模型中淀粉酶對(duì)淀粉的水解利用率，抗酶解性強(qiáng).

比較圖2和圖1可見(jiàn)，糊化后淀粉的消化速度并沒(méi)有像原淀粉顆粒一樣呈現(xiàn)出先升高后降低的現(xiàn)象，這主要是因?yàn)榈矸鄣陌虢Y(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞，使得淀粉酶的水解變得更加容易.

2.2.3 凝沉淀粉的消化產(chǎn)物與消化速度

不同直鏈淀粉含量的凝沉淀粉在不同時(shí)間內(nèi)的消化產(chǎn)物的量見(jiàn)表5，其消化速度見(jiàn)圖3.

表5 不同時(shí)間內(nèi)凝沉淀粉的消化產(chǎn)物的量Table 5 Amount of digestion products of retrogradated starch with different digestion time mg

圖3 凝沉淀粉的in-vitro消化速度Fig.3 In-vitro digestion rate of retrogradated starch

比較表5與表4、圖3和圖2發(fā)現(xiàn)，與糊化淀粉相比，4℃條件下保藏24 h后凝沉淀粉的消化產(chǎn)物總量與初始消化速度均有不同程度的降低.這可能是因?yàn)榈矸酆２靥幚砗螅矸鄯肿釉诳拷肿渔湹哪┒藚^(qū)域相互纏繞形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，并使得原來(lái)雜亂無(wú)章的淀粉分子鏈進(jìn)一步延伸，發(fā)生折疊卷曲，從而形成緊密的螺旋與螺旋間聚集體，導(dǎo)致結(jié)晶區(qū)的形成［18］.而結(jié)晶區(qū)的出現(xiàn)會(huì)阻止淀粉酶靠近結(jié)晶區(qū)域的D-葡萄糖苷鍵，并阻止淀粉酶活性中心與淀粉分子結(jié)合［19］，因此，凝沉后的淀粉更不容易被淀粉酶作用，從而使消化產(chǎn)物的量降低.

比較表5與表4可知，4℃條件下保藏24h后高鏈Ⅴ和高鏈Ⅶ玉米淀粉消化產(chǎn)物總量明顯降低，普通玉米淀粉變化較小，而蠟質(zhì)玉米淀粉變化最小;同時(shí)由圖3與圖2可知，各玉米淀粉的初始消化速度與糊化淀粉相比均有不同程度的降低.這是由于保藏后，淀粉分子重新排列，淀粉分子之間通過(guò)氫鍵的連接堆積構(gòu)成晶體產(chǎn)生凝沉.直鏈淀粉分子之間相互聚集形成有序結(jié)構(gòu)的速度比較快，一般在3 h內(nèi)完成，而支鏈淀粉分子之間的重結(jié)晶比較緩慢［20］，這從表1中Brabender特征參數(shù)的消減值中也可以體現(xiàn)出來(lái).蠟質(zhì)玉米淀粉支鏈淀粉含量高，短期內(nèi)(24h)淀粉分子有序程度變化不大［21］，因此保藏24h之后，蠟質(zhì)玉米淀粉的消化產(chǎn)物的量并沒(méi)有發(fā)生顯著變化.

3 結(jié)論

(1)直鏈淀粉含量對(duì)淀粉糊的黏度性質(zhì)影響顯著，直鏈淀粉含量越高，糊化溫度越高，峰值黏度越低、消減值越高.

(2)糊化淀粉與4℃保藏24h后凝沉淀粉的消化產(chǎn)物總量以及消化速度均與其直鏈淀粉的含量有關(guān)，直鏈淀粉含量越高，消化產(chǎn)物總量與消化速度越低.

(3)玉米淀粉糊化后，消化產(chǎn)物總量與消化速度均顯著高于原淀粉;與糊化淀粉相比，4℃保藏24h后凝沉淀粉消化產(chǎn)物總量與初始消化速度均低于糊化淀粉;高鏈Ⅶ的消化產(chǎn)物總量降低得最明顯，普通玉米淀粉與高鏈Ⅴ玉米淀粉降低的幅度較小，蠟質(zhì)玉米淀粉變化最小.

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