不同鏈長單甘酯-秈米淀粉復(fù)合物結(jié)構(gòu)及體外消化特性

楊玥熹 童 姝 顧振宇 申 毅

(浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院1，杭州 310018) (國家級(jí)食品工程與質(zhì)量安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心2，杭州 310018)

精制大米在蒸煮后淀粉發(fā)生糊化，在消化過程中生糖速率較快，血糖生成指數(shù)(GI)較高[1]。因此，研究通過控制加工工藝條件及其他食品成分與淀粉相互作用，從而調(diào)節(jié)淀粉結(jié)構(gòu)，進(jìn)而調(diào)控淀粉類食品的消化生糖特性顯得尤為重要。已有文獻(xiàn)研究表明淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的單螺旋構(gòu)象可降低直鏈淀粉的水解速率[2]及餐后血糖反應(yīng)。

目前，已有的淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物研究主要以脂肪酸作為脂質(zhì)的代表，對(duì)不同鏈長單甘酯-淀粉復(fù)合物的研究較少。如：Seo 等探究了制備條件對(duì)高直鏈玉米淀粉和不同飽和程度的脂肪酸復(fù)合的影響，發(fā)現(xiàn)硬脂酸最易形成復(fù)合物；Marinopoulou 等[4]發(fā)現(xiàn)淀粉-脂肪酸復(fù)合物晶型和復(fù)合溫度無關(guān)，但結(jié)晶度隨著溫度升高而增加，同時(shí)晶體尺寸減??；張書艷等[5]研究發(fā)現(xiàn)碳鏈越長，淀粉-脂肪酸復(fù)合物復(fù)合指數(shù)(CI值)越大，同時(shí)V型結(jié)構(gòu)更完全。已有的單甘酯與淀粉復(fù)合物的研究多集中在單甘酯對(duì)淀粉老化特性的影響[6]，未對(duì)單甘酯-淀粉復(fù)合物的消化特性有足夠的關(guān)注。另外，對(duì)淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的復(fù)合指數(shù)、黏度特性、結(jié)構(gòu)特征與消化特性之間的相關(guān)性研究較少。本研究采用不同鏈長的脂肪酸單甘酯和秈米淀粉為原料，研究單甘酯添加量、制備溫度及鏈長對(duì)淀粉-單甘酯復(fù)合物復(fù)合指數(shù)、糊化特性、特?zé)嵝?、晶體結(jié)構(gòu)及消化特性的影響，并分析復(fù)合指數(shù)與消化特性、晶體結(jié)構(gòu)的相關(guān)性，以期用于指導(dǎo)消化特性可控的米面制品生產(chǎn)工藝，為具有降糖功效的淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的制備提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料

秈米淀粉(Indica-rice starch，IS)，總淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)89.13%(GB 5009.9—2016《酶水解法》)，直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)25.96%(雙波長法)，抗性淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.69%(酶—重量法)，蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.49%(凱氏定氮法)，脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.08%(索氏抽提法)，含水量9.0%(105 ℃恒重法)。

硬脂酸單甘酯(GMS)、月桂酸單甘酯(GML)、棕櫚酸單甘酯(GMP)、溴化鉀(色譜純)、豬胰α-淀粉酶(50 U/mg)、糖化酶(100 000 U/mL)；其他化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

TechMaster快速黏度分析儀，DSC250差示掃描量熱儀，D2 Phaser X-射線衍射分析儀，NICOLET IS5傅里葉變換紅外光譜儀，F(xiàn)ESEM(SU8010)場發(fā)射掃描電鏡。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物的制備

制備方法參考Niu等[7]及GB/T 24853—2010，并做一定修改。具體如下：稱取(2.84 ± 0.000 5) g秈米淀粉于樣品筒中，按照一定比例(0%～5%，m/m，以淀粉干基為基準(zhǔn))加入單甘酯，混勻后加入25.2 mL蒸餾水，將攪拌器置于樣品筒中，快速上下攪動(dòng)，使得樣品充分分散，直至無淀粉團(tuán)塊留在水面上或粘附在攪拌器上。將樣品筒置于快速黏度測定儀(RVA)中，起始溫度為50 ℃平衡1 min，以12 ℃/min的升溫速率上升到復(fù)合溫度(80 ℃/95 ℃)，恒溫2.5 min后以相同速率下降到50 ℃，再平衡2 min。程序設(shè)定起始轉(zhuǎn)速為960 r/min，維持10 s后降低轉(zhuǎn)速至160 r/min，并保持該轉(zhuǎn)速至程序運(yùn)行結(jié)束。由TCW3軟件得出糊化參數(shù)并繪制黏度變化曲線。

RVA運(yùn)行結(jié)束后迅速取出樣品并置于一次性培養(yǎng)皿內(nèi)，液氮速凍后冷凍干燥24 h，粉碎，過100目篩備用。樣品標(biāo)記為IS-A-B-C，A為單甘酯簡稱，B為復(fù)合溫度(℃)，C為單甘酯添加量(%)。例如：IS-GMS-80-1表示該樣品為在80 ℃下，硬脂酸單甘酯添加量為1%時(shí)制備得到的秈米淀粉-硬脂酸單甘酯復(fù)合物。

1.3.2 秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物復(fù)合指數(shù)(CI)值的測定

參照張書艷等[5]，以秈米淀粉的吸光度為對(duì)照組，計(jì)算復(fù)合指數(shù)(CI)，見式(1)。

CI=(Abs1-Abs2)/ Abs1×100%

(1)

式中：Abs1為秈米淀粉的吸光度；Abs2為復(fù)合物的吸光度；CI為復(fù)合指數(shù)，%。

1.3.3 秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物紅外光譜掃描

參照Wang等[8]，采用Omnic軟件對(duì)得到的紅外光譜進(jìn)行基線校正、平滑處理。

1.3.4 秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物熱特性測定

參考Reddy等[9]，準(zhǔn)確稱取1～3 mg(淀粉干基)樣品，與一定質(zhì)量蒸餾水混合均勻(1∶3)于鋁盤中，壓蓋密封。20 ℃下平衡后，以空鋁盤為參照，通入氮?dú)?流速為50 mL/min)，以10 ℃/min的速率從20 ℃升溫至150 ℃，進(jìn)行掃描測定。通過DSC配套軟件得到樣品的相轉(zhuǎn)變起始溫度To、峰值溫度Tp、終止溫度Tc及焓變值ΔH。

1.3.5 秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物結(jié)晶結(jié)構(gòu)測定

參考Wang等[10]，采用波長為1.542 nm的Cu射線，X射線高壓發(fā)生器管壓為30 kV，管流10 mA，轉(zhuǎn)速15 r/min；衍射角掃描區(qū)域2θ=3°～35°，步長為0.02°，步數(shù)1 600，掃描速度為2°/min。結(jié)合DIFFRAC及jade6軟件計(jì)算相關(guān)結(jié)晶度(%)。

1.3.6 秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物體外消化特性測定

參照Chen等[11]，準(zhǔn)確稱取(200 ± 5) mg樣品置于離心管中，加入15 mL醋酸鈉緩沖液(0.2 mol/L，pH 5.2)和磁力攪拌子使之分散均勻。將混合液于95 ℃下糊化30 min，冷卻至37 ℃后加入5 mL混酶溶液(豬胰α-淀粉酶120 U/mL和糖化酶80 U/mL 混合)。將樣品于37 ℃，300 r/min條件下水解。分別于20 min和120 min取出100 μL水解液，沸水浴中處理以使酶失活。隨后，將水解液以 4 000 r/min離心5 min，使用3,5-二硝基水楊酸法測定上清液中的葡萄糖含量。計(jì)算不同的淀粉組分(RDS、SDS、RS)含量。

1.3.7 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是3次平行實(shí)驗(yàn)的平均值，采用SPSS 21.0軟件中的單因素方差分析(one-way，ANOVA)檢驗(yàn)顯著性水平(檢驗(yàn)水平P選擇為 0.05，即小于0.05認(rèn)為有顯著性差異)和Pearson簡單相關(guān)系數(shù)來評(píng)價(jià)雙變量相關(guān)性。采用OriginPro 9.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單甘酯添加量對(duì)秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物復(fù)合指數(shù)的影響

如圖1所示，隨著不同脂肪酸單甘酯添加量的增加，秈米淀粉-單甘酯的復(fù)合指數(shù)總體呈現(xiàn)先大幅度增加后略有減小的趨勢(80 ℃下的IS-GMP除外)，在單甘酯添加量1%～3%范圍內(nèi)復(fù)合指數(shù)變化最大。在95 ℃下，IS-GMS和IS-GMP在對(duì)應(yīng)單甘酯添加量為3%時(shí)達(dá)到CI最大值，兩者無顯著性差異(P>0.05)且顯著高于(P<0.05)IS-GML的CI最大值；在80 ℃下，單甘酯添加量3～5%范圍內(nèi)，隨著制備溫度的上升，IS-GML的CI值降低而IS-GMS和IS-GMP的CI值有較大幅度增加。對(duì)于IS-GML，可能是因?yàn)闇囟鹊脑黾邮沟玫矸鄣碾p螺旋結(jié)構(gòu)遭受破壞，內(nèi)部的疏水性基團(tuán)外露，導(dǎo)致吸附在淀粉上的脂質(zhì)脫落，CI值減小[5]；相比于CML，GMS和GMP碳鏈長度更長，疏水作用受溫度影響較小，溫度導(dǎo)致分子運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，使得脂質(zhì)分子和淀粉分子結(jié)合能力較強(qiáng)。

2.2 單甘酯添加量對(duì)淀粉糊化性質(zhì)的影響

由圖2a、圖2c和圖2e中可見，在保溫溫度為80 ℃(低于秈米淀粉糊化溫度)下，和秈米淀粉相比，單甘酯的添加使得淀粉黏度值減小，且隨著碳鏈長度的增加，黏度的降低越明顯。不同單甘酯的添加對(duì)秈米淀粉的糊化曲線影響各不相同。

由圖2b、圖2d和圖2f中可見，在保溫溫度95 ℃下，隨著碳鏈長度的增加，越容易在冷卻過程中形成完整的黏度峰；且單甘酯添加量越大，形成的黏度峰越尖銳。冷卻峰的形成可能是因?yàn)橹辨湹矸酆椭|(zhì)形成了V型復(fù)合物[12]，降低了雙螺旋聚集的緊密程度，導(dǎo)致了黏度增加；也有可能是因?yàn)橛坞x的脂質(zhì)和膨脹顆粒中的復(fù)合物在該溫度下凝固變硬，使得黏度增加[13]。直鏈淀粉-脂質(zhì)相互作用限制了淀粉顆粒的膨脹，減弱了直鏈淀粉浸出的速率，導(dǎo)致了更長的峰值時(shí)間和更高的糊化溫度[13,14]。隨著GML添加量的增加，IS-GML衰減值和回生值皆增加，谷值黏度與GML添加量呈線性關(guān)系(y=-131.39x+1 910.7，R2=0.944 2)。

對(duì)3種單甘酯復(fù)合物的糊化參數(shù)和復(fù)合指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表1所示。隨著添加量的改變，IS-GMS復(fù)合程度和糊化性質(zhì)皆顯著相關(guān)(除THR值外)。IS-GMP和IS-GML的復(fù)合程度和糊化性質(zhì)皆無關(guān)。IS-GMP與IS-GMS的衰減值為負(fù)值，以及IS-GMP的峰值時(shí)間均為7.2 min，因此無法計(jì)算相關(guān)性。

表1 單甘酯添加量變化時(shí)復(fù)合指數(shù)和糊化性質(zhì)雙變量相關(guān)性

2.3 秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物紅外光譜分析

由于復(fù)合物樣品數(shù)量多，且對(duì)于同一種單甘酯在相同制備溫度下其紅外光譜差異較小，故而選擇復(fù)合指數(shù)最大的樣品作為代表進(jìn)行展示。X-衍射圖譜也依照相同標(biāo)準(zhǔn)選擇代表性樣品。由圖3所示，相比于秈米淀粉，秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物在2 850 cm-1和1 705 cm-1附近出現(xiàn)了新的峰。其中，2 850 cm-1附近處吸收峰被認(rèn)為是脂肪酸的—CH3、—CH2的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)，1 707 cm-1附近的吸收峰為脂肪酸的羰基振動(dòng)，羰基和直鏈淀粉的羥基之間形成氫鍵導(dǎo)致此吸收峰略微左移[10]，此光譜特征也與Chen等[15]和Yang等[16]的報(bào)道相似。

2.4 秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物結(jié)晶結(jié)構(gòu)分析

如圖4所示，秈米淀粉在2θ=15°、22.8°出現(xiàn)單峰，17°、18°出現(xiàn)雙肩峰，為典型的A型淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)[17]，經(jīng)計(jì)算，結(jié)晶度為17.4。淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的X衍射圖譜在2θ=13°、19.8°出現(xiàn)衍射峰，證明了V-type復(fù)合物的形成[18]。

結(jié)合局部圖(圖4a和圖4b)和表2可看出，較長鏈的單甘酯更易形成V-型結(jié)構(gòu)復(fù)合物。雖然IS-GMS在80 ℃下存在A+V型結(jié)構(gòu)，但在95 ℃下可向V型轉(zhuǎn)變，說明溫度的增加可以促進(jìn)A型結(jié)構(gòu)向V型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變；而IS-GML皆為A+V型結(jié)構(gòu)。

秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物的形成降低了秈米淀粉的結(jié)晶度(見表2)。加熱之后，秈米淀粉的雙螺旋結(jié)構(gòu)受到了破壞，并且脂質(zhì)的添加使得淀粉鏈向雙螺旋結(jié)構(gòu)的重排受到了阻礙，使得其結(jié)晶度減小[18]。隨著復(fù)合物制備溫度的升高，形成復(fù)合物的結(jié)晶度上升，可能是因?yàn)楦邷貙?dǎo)致了更高的動(dòng)能，使得螺旋結(jié)構(gòu)更容易移動(dòng)，脂質(zhì)更容易自聚，形成更多核，最終轉(zhuǎn)化為晶體[4,19]。

2.5 秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物熱特性分析

由表3可見，秈米淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物多數(shù)含有兩個(gè)DSC吸熱峰。第一個(gè)吸熱峰為復(fù)合物對(duì)應(yīng)的游離脂質(zhì)的熔融峰(44～54 ℃)，單甘酯添加量較少時(shí)，熔融峰不易被檢測出，碳鏈長短對(duì)其影響較小。對(duì)于秈米淀粉(IS)，第一個(gè)吸熱峰為其糊化峰。

第二個(gè)吸熱峰是秈米淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的解離峰。秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物的解離峰值Tp小于100 ℃，為Ⅰ型復(fù)合物，該類復(fù)合物結(jié)構(gòu)相對(duì)無序，結(jié)晶度較低[20]。制備溫度的提高增加了解離峰值，這可能是由于復(fù)合物結(jié)晶溫度與冷卻的環(huán)境溫度之間的溫度差ΔT增加所致。ΔT越高，傳熱速率越高，因此成核速率越高，形成的晶體越多[4]，導(dǎo)致Tp增加。相對(duì)于其他兩種復(fù)合物，IS-GMP的焓變值(ΔH)最大，X衍射峰強(qiáng)度最大且結(jié)晶度最大，說明GMP有更好的與淀粉結(jié)合的能力，形成了更多的復(fù)合物[21,22]。在本研究中，碳鏈較短的單甘酯與直鏈淀粉復(fù)合的強(qiáng)度不夠大；但較長碳鏈長度的單甘酯因其較差的溶解度和空間位阻排斥而難以進(jìn)入直鏈淀粉雙螺旋腔內(nèi)。碳鏈長度適中的GMP與秈米淀粉結(jié)合效果最好。

表2 不同秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物的晶型及結(jié)晶度

表3 單甘酯添加量對(duì)秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物熱特性的影響

2.6 秈米淀粉-單甘酯體外消化特性

由表4所示，制備溫度80 ℃和95 ℃下，GMS和GMP的添加顯著降低了RDS含量，且添加量越大，效果越顯著。80 ℃下，3種復(fù)合物的SDS含量隨添加量的增加先增加后減??；而95 ℃下，不同單甘酯對(duì)SDS含量影響不同。

由復(fù)合指數(shù)和晶型研究的結(jié)果可知，IS-GML的CI值較小，說明GML不易于秈米淀粉結(jié)合或結(jié)合量較少，且結(jié)晶度較低，導(dǎo)致其RDS含量和原料淀粉相近。相比于秈米淀粉，脂肪酸單甘酯的添加使得RS含量都顯著增加，說明V-型復(fù)合物的結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定、規(guī)整，不易被水解。

表4 單甘酯添加量對(duì)淀粉-脂肪酸復(fù)合物消化特性的影響

對(duì)復(fù)合指數(shù)和消化特性指標(biāo)做相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)CI值和RDS含量顯著負(fù)相關(guān)(見表5)。說明秈米淀粉與單甘酯結(jié)合可降低快速消化淀粉含量，此結(jié)果與前人研究結(jié)果一致[23]。

表5 CI值和消化特性相關(guān)性

3 結(jié)論

隨著單甘酯添加量的增加，復(fù)合指數(shù)在出現(xiàn)峰值后趨于平穩(wěn)或下降；秈米淀粉-硬脂酸復(fù)合物和秈米淀粉-棕櫚酸復(fù)合物的CI最大值沒有顯著性差異(P<0.05)。單甘酯添加量的增加及復(fù)合溫度的升高可促使秈米淀粉結(jié)晶型從典型的A型結(jié)構(gòu)向A+V型及V型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，形成Ⅰ型復(fù)合物。秈米淀粉-硬脂酸復(fù)合物的復(fù)合指數(shù)(CI)和糊化特性顯著相關(guān)(除最低黏度外)。相比于秈米淀粉，脂肪酸單甘酯的添加RS含量顯著增加；秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物的快速消化淀粉含量(RDS)與復(fù)合指數(shù)(CI)顯著負(fù)相關(guān)。單甘酯的鏈長、添加量、制備溫度對(duì)秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物的形成、熱特性和結(jié)晶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響其消化特性。本研究可為淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物消化性調(diào)控及其在膳食干預(yù)方面的應(yīng)用提供參考。