菊糖對馬鈴薯淀粉糊流變特性及體外消化的影響

汪名春 韋冷云 朱培蕾 杜先鋒 周裔彬

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶與食品科技學(xué)院食品科學(xué)與工程系1，合肥 230036)(安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所2，合肥 230031)

菊糖對馬鈴薯淀粉糊流變特性及體外消化的影響

汪名春1韋冷云1朱培蕾2杜先鋒1周裔彬1

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶與食品科技學(xué)院食品科學(xué)與工程系1，合肥 230036)(安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所2，合肥 230031)

為了研究菊糖對馬鈴薯淀粉糊流變特性及體外消化的影響，以馬鈴薯淀粉為原料，通過流變儀測試和體外酶解等方法測定菊糖-馬鈴薯淀粉共混體系的特性變化。流變儀測試結(jié)果表明：在試驗的菊糖添加量范圍內(nèi)，菊糖-馬鈴薯淀粉共混糊的流變學(xué)特性均符合冪率模型，為假塑性流體；菊糖的添加在一定程度上降低了淀粉糊黏度，且隨著添加量的增加，這一趨勢加大。體外酶解結(jié)果表明：菊糖可以在一定程度上抑制馬鈴薯淀粉的水解速度及程度，且隨著菊糖添加量的增加其抑制程度也相應(yīng)增加；水解指數(shù)HI及預(yù)測血糖值eGI均隨著菊糖添加量的增加而逐漸降低；在菊糖最大添加量時(菊糖與淀粉配比為1∶5)，菊糖-淀粉共混體系的水解率、HI和eGI值分別由原淀粉的70%、57.87和71.48降至50%、42.74和63.17。研究結(jié)果提示適量的菊糖不僅可以改善馬鈴薯淀粉糊的流變性能，還可以降低其血糖指數(shù)。

菊糖 馬鈴薯淀粉 流變 體外消化

在食品共混體系中，淀粉和非淀粉性多糖按一定配比共混后，可以起到改善糊化、控制流變從而提高產(chǎn)品加工性能的作用[1]。菊糖是由果糖聚合而成的鏈長不一的非淀粉性多糖，是一種不同于淀粉的水溶性膳食纖維，2009年被原衛(wèi)生部正式批準為新食品原料。由于它獨特的生理功能和加工性能，在食品工業(yè)中是一種重要的天然添加物[2]，可以明顯改善食品的質(zhì)構(gòu)性狀、提高食品的營養(yǎng)價值，并且克服了其他如谷物類、豆類或果蔬類膳食纖維水溶性差、粒徑大及粗糙感強等缺點。

菊糖在影響淀粉基食品質(zhì)構(gòu)的同時對其消化性也有一定的影響。目前，有關(guān)菊糖-淀粉共混體系消化性及作用機制的研究報道還很少，僅有的一些研究大多集中在菊糖對面制品的消化特性的影響方面。Brennan等[3]在研究中發(fā)現(xiàn)，與普通意大利面相比，添加了菊糖的意大利面其預(yù)測血糖值有明顯的下降，且與添加量呈正相關(guān)。Ronda等[4]報道在麩皮面包中添加2%的菊糖可以將其易消化淀粉RDS的含量降低10%，從而降低面包的血糖值。馬鈴薯淀粉作為淀粉基食品加工的一種主要原料，其餐后血糖的快速升高與許多慢性疾病密切相關(guān)[5]，在馬鈴薯淀粉中加入一定量的菊糖可以降低其消化速度和程度，維持血糖穩(wěn)定，預(yù)防多種慢性疾病(如肥胖、糖尿病、心血管疾病等)。本試驗以馬鈴薯淀粉為原料，通過流變儀測試和體外酶解等方法，研究了菊糖對馬鈴薯淀粉糊的流變特性及體外消化特性的影響，旨在為菊糖和馬鈴薯淀粉共混物在食品工業(yè)中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

馬鈴薯淀粉：山東金城股份有限公司；菊糖(平均聚合度20，純度>90%)：南京奧多福尼生物科技有限公司；直、支鏈淀粉標(biāo)準品：美國Sigma公司；豬胰α-淀粉酶(50 U/mg)、糖化酶(80 U/mg)：博美生物制劑公司；3, 5-二硝基水楊酸(DNS)、醋酸鈉、醋酸：分析純。

1.2 主要儀器

V-1600紫外分光光度計：上海美譜達儀器有限公司；RST-Plus Rheo3000流變儀：美國博勒飛有限公司；DF-101S集熱式磁力加熱攪拌器：金壇市金南儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 馬鈴薯淀粉基本化學(xué)組分的測定

馬鈴薯淀粉中淀粉、水分、灰分、蛋白質(zhì)、脂肪含量的測定參照GB/T 5009.9—2008、GB/T 5009.3—2010、GB/T 5009.4—2010、GB/T 5009.5—2010、GB/T 5009.6—2010完成。淀粉中直鏈淀粉含量的測定采用雙波長法[6]，以直鏈淀粉百分含量為橫坐標(biāo)、吸光值為縱坐標(biāo)得到標(biāo)準曲線計算得出。

1.3.2 淀粉糊流變特性的測定

1.3.2.1 樣品的制備

準確稱取總質(zhì)量為5 g的淀粉和菊糖樣品(菊糖與馬鈴薯淀粉配比依次為0，1∶20，1∶10，1∶7，1∶5)放入燒杯，加入100 mL蒸餾水，將燒杯放入集熱式恒溫磁力攪拌器中在95 ℃以500 r/min進行糊化攪拌，加熱過程中，為防止水分蒸發(fā)，以保鮮膜封口。攪拌15 min，使菊糖-淀粉共混體系糊化完全。

1.3.2.2 樣品測定

使用RST-SST型流變儀的圓筒式裝置對樣品進行流變特性的測定。儀器恒溫裝置設(shè)定為50 ℃，剪切速率為0～300 s-1，剪切時間為180 s[7]，將淀粉糊樣品冷卻至50 ℃，裝入CC40樣品筒，加樣量為60 mL。將轉(zhuǎn)子放入樣品筒，5 min后啟動流變儀開始測試。數(shù)據(jù)采集和記錄由計算機自動完成。

1.3.3 淀粉的體外消化酶解法

參考Englyst等[8]和繆銘等[9]提出的體外消化酶解法測定淀粉的體外消化特性，具體步驟：準確稱取200 mg馬鈴薯淀粉樣品和一定質(zhì)量的菊糖(菊糖與馬鈴薯淀粉配比依次設(shè)置為0，1∶20，1∶10，1∶7，1∶5)并置于裝有3～5粒玻璃珠的50 mL離心管中，添加5 mL 0.2 mol/L醋酸鈉緩沖溶液(pH 5.2)振蕩搖勻后在95 ℃的水浴鍋中糊化15 min，取出冷卻至室溫后放入37 ℃恒溫振蕩水浴鍋中，10 min后添加經(jīng)37 ℃預(yù)熱的20 mL豬胰α-淀粉酶和糖化酶的混和酶溶液(用緩沖溶液配置酶溶液，最終在25 mL反應(yīng)體系中豬胰α-淀粉酶和糖化酶用量分別為：2 900 U和150 U)，置于37 ℃恒溫振蕩水浴鍋中水解，水解不同時間(0、10、20、30、40、60、90、120、180 min)后取1 mL反應(yīng)液加入5 mL無水乙醇滅酶終止反應(yīng)。樣品離心處理后，采用DNS比色法測定還原糖含量并計算水解率[10]。

式中：Gt為菊糖-淀粉共混體系酶水解t時間后產(chǎn)生的葡萄糖質(zhì)量/mg。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用SPSS 19.0進行統(tǒng)計分析，用Origin 8.0對流變學(xué)、酶水解動力學(xué)數(shù)據(jù)進行回歸擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬鈴薯淀粉基本化學(xué)組分

馬鈴薯淀粉中主要化學(xué)組分的含量見表1。

表1 馬鈴薯淀粉中主要化學(xué)組分質(zhì)量分數(shù)/%

2.2 菊糖對馬鈴薯淀粉糊流變特性的影響

2.2.1 淀粉糊剪切應(yīng)力和剪切速率的關(guān)系

圖1為50 ℃條件下，不同菊糖添加量淀粉糊的剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系圖。從圖1中可以看出，菊糖-淀粉共混糊在流動過程中隨著剪切速率的增加所需要的剪切應(yīng)力也相應(yīng)增加。在總濃度不變的情況下，用菊糖代替一部分淀粉所制得的菊糖-淀粉共混糊相比于不添加菊糖的淀粉糊所需要的剪切應(yīng)力小，且隨著菊糖含量增加，菊糖-淀粉共混糊流動過程中需要的剪切應(yīng)力相應(yīng)減少。即要達到同樣剪切速率，菊糖-淀粉共混糊所需要施加的應(yīng)力更小。

圖1 不同菊糖添加量淀粉糊剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系

根據(jù)圖1數(shù)據(jù)點的分布進行回歸擬合，結(jié)果表明可以用冪次定律方程來描述菊糖-淀粉共混糊的流變曲線[11]。

τ=k·γn

式中：τ為剪切應(yīng)力/Pa；k為黏度系數(shù)/Pa·s；n為流動性指數(shù)；γ為剪切速率/s-1。

依據(jù)冪次定律方程對圖中數(shù)據(jù)點進行回歸擬合，得到所有樣品的黏度系數(shù)k、流動性指數(shù)n以及相關(guān)系數(shù)R2，具體數(shù)值見表2。由表2可知，黏度系數(shù)k隨著菊糖添加量的增加而增加，流動性指數(shù)n反映了黏-切依賴性的大小，n均小于1且復(fù)相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，說明不同菊糖添加量的淀粉糊在此剪切區(qū)域內(nèi)均為典型的假塑性流體，即剪切變稀流體，隨著菊糖含量的增加，n偏離1的程度越來越小，說明假塑性減弱，流動性得以改善。

表2 不同菊糖添加量淀粉糊的流變特性參數(shù)

2.2.2 淀粉糊黏度與剪切速率的關(guān)系

淀粉糊對抗流動性的能力稱為黏性，其大小以黏度度量，淀粉糊的黏度會因受到機械剪切作用而降低。圖2為50 ℃條件下，不同菊糖添加量淀粉糊的剪切應(yīng)力與黏度的關(guān)系。由圖2可見，在測試初期即剪切速率變化很小范圍內(nèi)，淀粉糊黏度呈躍變式快速下降，添加菊糖后，菊糖-淀粉共混糊的黏度呈下降趨勢，且隨添加量的增加下降越明顯。隨著剪切速率的進一步增加，下降速度逐漸變緩，淀粉糊黏度趨于穩(wěn)定。生產(chǎn)中，在該速率范圍加工原料，既可降低黏度，又可避免因速率的微小變化而引起黏度波動，保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。在低于糊化溫度時加入一定的菊糖，將降低淀粉糊的黏度，這可能是因為菊糖具有良好的親水性，菊糖分子與淀粉分子爭奪水分子，影響淀粉分子與水分子之間的鍵合作用，同時也干擾淀粉分子內(nèi)部氫鍵的形成[12-13]。

圖2 不同菊糖添加量淀粉糊剪切應(yīng)力與黏度的關(guān)系

2.3 菊糖對馬鈴薯淀粉消化特性的影響

菊糖對馬鈴薯淀粉體外水解率的影響見圖3，從圖3可以看出，淀粉水解率曲線可以分為2個階段：0～90 min內(nèi)水解率快速升高；90～180 min內(nèi)隨著時間的推移水解率趨于平緩并達到一個平衡值，基本水解結(jié)束。與原淀粉相比，加入菊糖后的淀粉水解率均有所降低，且隨著添加量的增加，水解率也逐漸降低，在反應(yīng)終止時(第180分鐘)，菊糖與馬鈴薯淀粉配比1∶5時淀粉反應(yīng)體系的水解率由原淀粉的70%下降至50%。由此可見，菊糖可以在一定程度上抑制淀粉的水解程度及速度，且隨著菊糖添加量的增加其抑制程度也相應(yīng)增加。這與Dartois等[11]和Cleary等[14]研究的瓜爾豆膠和大麥葡聚糖降低淀粉或淀粉類食品的體外消化的速度和程度的研究結(jié)果相一致。結(jié)合流變特性測試的結(jié)果分析可見，菊糖對淀粉體外消化的影響主要來自于菊糖和淀粉形成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)間的互相作用。由于菊糖具有良好的親水性，因此菊糖可能會影響水分子和淀粉分子的水合作用、干擾淀粉分子內(nèi)部氫鍵的形成，在淀粉糊化過程中阻礙了淀粉顆粒的溶脹；此外，菊糖在共混體系中形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)起到了物理“屏障”的作用，影響了酶反應(yīng)所需要的水分的流動，限制了酶與淀粉間的相互作用以及水解產(chǎn)物向外的釋放[3, 12]。

圖3 菊糖對馬鈴薯淀粉水解率的影響

Goni等[15]指出：淀粉水解曲線遵循一級反應(yīng)方程式：C=C∞(l-e-kt)(C≤100%)

式中：C為濃度；C∞為平衡濃度/%；k為一級反應(yīng)動力學(xué)速率/h-1；t為時間/min。

食物的血糖指數(shù)GI是指食物被食用后，人體對碳水化合物吸收速度[16]。因此，食物的GI值與該食物的消化速度和程度密切相關(guān)。依據(jù)方程C=C∞(l-e-kt)對淀粉體外水解數(shù)據(jù)進行回歸擬合，再以葡萄糖曲線下面積(葡萄糖水解率為100%)為對照，計算淀粉的水解曲線下面積與葡萄糖曲線下面積之比，乘以100后即為水解指數(shù)HI，根據(jù)公式eGI=39.71+0.549 HI計算預(yù)測血糖指數(shù)eGI[17-19]，得出的方程特征參數(shù)和數(shù)值見表3。

表3 菊糖對淀粉的平衡濃度、動力學(xué)速率、水解指數(shù)及預(yù)測血糖指數(shù)的影響

由表3可以看出，隨著菊糖添加量的逐漸增加，菊糖-淀粉共混體系的水解平衡濃度C∞值呈逐漸下降趨勢，在菊糖的最大添加量時，C∞值由原淀粉的67.85%降至 52.00%，同時，HI值和eGI值也分別由原淀粉的57.87和71.48降至42.74和63.17?？梢钥闯?，添加一定量的菊糖可以有效降低馬鈴薯淀粉的血糖指數(shù)。

3 結(jié)論

3.1 菊糖-淀粉共混糊流變特性測定結(jié)果顯示，不同菊糖添加量淀粉糊的流變模型為冪率模型，均為假塑性流體。在相同的流動方式下，菊糖添加量越大，菊糖-淀粉共混糊黏度越小，且隨著菊糖添加量的增大依次減小。

3.2 淀粉水解試驗表明菊糖可以在一定程度上抑制淀粉的水解速度和程度，且隨著菊糖添加量的增加抑制程度也相應(yīng)增加。在反應(yīng)終止時(180 min)，菊糖-馬鈴薯淀粉反應(yīng)體系的水解消化率由原來的70%降到50%。

3.3 對體外水解數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果表明，淀粉的水解指數(shù)HI和預(yù)測血糖值eGI都有不同程度的降低，分別由原淀粉的57.87和71.48降至42.74和63.17。說明添加一定量的菊糖可以降低淀粉的血糖指數(shù)。

[1]Wang B, Wang L J, Li D, et al. Rheological properties of waxy maize starch and xanthan gum mixtures in the presence of sucrose [J]. Carbohydrate Polymers, 2009, 77(3):472-481

[2]Beir?o-da-Costaa S, Duarte C, Bourbon A I, et al. Inulin potential for encapsulation and controlled delivery of oregano essential oil [J]. Food Hydrocolloids, 2013, 33: 199-206

[3]Brennan C S, Kuri V, Tudorica C M. Inulin-enriched pasta: effects on textural properties and starch degradation [J].Food Chemistry, 2004, 86: 189-193

[4]Ronda F, Rivero P, A, Caballero P. High insoluble fibre content increases in vitro starch digestibility in partially baked breads [J]. International Journal of Food Sciences and Nutrition,2012，63(8): 971-977

[5]Englyst K N, Englyst H N. Carbohydrate bioavailabilty [J]. British Journal of Nutrition, 2005, 94: 1-11

[6]石海信, 郝媛媛, 方懷義, 等. 雙波長法測定木薯淀粉中直鏈和支鏈淀粉的含量 [J]. 食品科學(xué), 2011, 32(21): 123-127

[7]Witczak T, Witczak M, Ziobro R. Effect of inulin and pectin on rheological and thermal properties of potato starch paste and gel [J]. Journal of Food Engineering, 2014, 124:72-79

[8]Englyst H N, Kingman S M, Cummings J H. Classification and measurement of nutritionally important starch fractions [J]. European Journal of Clinical Nutrition, 1992, 46:S33-S50

[9]繆銘, 江波, 張濤. 淀粉的慢消化性能與酶水解速率研究 [J]. 食品與發(fā)酵工業(yè), 2008, 34(8): 25-27

[10]朱海霞, 石瑛, 張慶娜, 等. 3,5-二硝基水楊酸(DNS)比色法測定馬鈴薯還原糖含量的研究 [J]. 中國馬鈴薯, 2005, 19(5): 266-269

[11]Dartois A, Singh J, Kaur L, et al. Influence of guar gum on the in vitro starch digestibility-rheological and microstructural characteristics [J]. Food Biophysics, 2010, 5(3): 149-160

[12]Sasaki T, Kohyama K. Influence of non-starch polysaccharides on the in vitro digestibility and viscosity of starch suspensions [J]. Food Chemistry, 2012, 133: 1420-1426

[13]Funami T, Kataoka Y, Omoto T, et al. Effects of non-ionic polysaccharides on the gelatinisation and retrogradation behavior of wheat starch [J]. Food Chemistry,2005, 19(1): 1-13

[14]Cleary L, Bernnan C. The influence of a (1→3)(1→4)-β-D-glucan rich fraction from barley on the physico-chemical properties and in vitro reducing sugars release of durum wheat pasta [J]. International Journal of Food Science and Technology, 2006, 41: 910-918

[15]Goni I, Garcia-Alonso A, Saura-Calixto F A. Starch hydrolysis procedure to estimate glycemic index [J]. Nutrition Research, 1997, 17(3): 427-437

[16]Jenkins D J, Wolever T M, Taylor R H, et al. Glycemic index of foods: a physiological-basis for carbohydrate exchange [J]. The American Journal of Clinical Nutrition, 1981, 34: 362-366

[17]Gularte M A, Rosell C M. Physicochemical properties and enzymatic hydrolysis of different starches in the presence of hydrocolloids [J]. Carbohydrate Polymers, 2011(85):237-244

[18]Zhou X, Seung-Taik L. Pasting viscosity and in vitro digestibility of retrograded waxy and normal corn starch powders [J]. Carbohydrate Polymers, 2012, 87(1): 235-239

[19]Park E Y, Byung-Kee B, Seung-Taik L. Influences of temperature-cycled storage on retrogradation and in vitro digestibility of waxy maize starch gel [J]. Journal of Cereal Science, 2009, 50(1): 43-48.

Effect of Inulin on Rheological Properties and in vitro Digestion of Potato Starch Paste

Wang Mingchun1Wei Lengyun1Zhu Peilei2Du Xianfeng1Zhou Yibin1

(Department of Food Science and Engineering, College of Tea and Food Technology,Anhui Agricultural University1, Hefei 230036)(Institute of Horticulture, Academy of Anhui Agricultural Science2, Hefei 230031)

The aim of the study was to investigate the effect of inulin on rheological properties andinvitrodigestion of potato starch paste. Using potato starch as material, we measured the changes of the inulin-potato starch blending system by rheological properties analysis andinvitrodigestion. The results of rheological properties analysis showed that the rheological properties of starch paste of inulin-potato starch system were consistent with the power-law model and called as pseudoplastic fluid; the viscosity of starch paste could be reduced by additon of inulin in some degree, and this trend rose with increasing additive amount. The results ofinvitrodigestion showed that the inulin could inhibit the extent and speed of starch hydrolyzation to some extent, and the inhibiton increased with increasing inulin additive amount; The hydrolysis index (HI) and estimated glycemic index(eGI) all dcreased with increasing inulin additive amount; At the maximum inulin additive amount (the ratio of inulin to starch is 1∶5), hydrolysis degree, HI and eGI decreased to 50%, 42.74 and 63.17 respectively compared with 70%,57.87 and 71.48 of starch without inulin. These results demonstrated that inulin with appropriate adding amount could improve the rheological properties of potato starch paste, and reduce its GI.

inulin, potato starch, rheology,invitrodigestion

TS23

A

1003-0174(2016)06-0047-05

國家自然科學(xué)基金(31271960，31471700)，安徽省自然科學(xué)基金(1408085QC58)

2014-10-09

汪名春，男，1982年出生，博士，講師，食品化學(xué)與營養(yǎng)、農(nóng)副產(chǎn)品精深加工

周裔彬，男，1967年出生，博士，教授，食品化學(xué)、農(nóng)副產(chǎn)品精深加工