懷山藥抗性淀粉理化性質及體外消化性研究

馬麗蘋MA Li-ping 焦昆鵬 - 羅 磊 向進樂,3 -,3 張曉宇 - 樊金玲 - 朱文學 -

(1. 河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽 471023；2. 河南省食品原料工程技術研究中心，河南 洛陽 471023; 3. 食品加工與安全國家重點實驗室，河南 洛陽 471023)

懷山藥是中國著名的“四大懷藥”之一，也是補中益氣、物美價廉的蔬菜品種，主產于河南溫縣、武陟等地，富含糖蛋白、山藥多糖、薯蕷皂苷元、淀粉、各種游離氨基酸和黃酮等生物活性成分[1-2]。

抗性淀粉是指不被健康個體小腸吸收的膳食淀粉，與其他膳食纖維類似，到達結腸后，被用作結腸微生物的發酵底物，進而對機體健康產生各種有益的影響[3]。研究發現，抗性淀粉具有改善結腸健康[4-6]、控制糖尿病[7-8]、降低血液膽固醇水平[9-10]、減少生物結石的形成[11]和增加礦物質的吸收[12]等潛力。抗性淀粉具有擠壓特性良好、糊化溫度高、口感好、無異味、能增加食物的脆性和減少含油量等功能特性，因此可作為食品添加劑用于食品工業，如將其添加到餅干、面條、面包和酸奶等食品中，從而開發高品質功能性食品[13]。

據報道[14]，懷山藥淀粉含量高達20%～30%，是重要的淀粉來源。雖然關于其他品種山藥淀粉和抗性淀粉的研究已有報道[15-16]，但山藥淀粉的組成和含量受到山藥品種、生長條件和環境因素的影響，同時對由其制備的抗性淀粉也產生一定的影響。目前關于懷山藥的研究大多集中在粗加工[1,17]、化學成分[18-19]和育種[20-21]等方面，而對其抗性淀粉的研究鮮見報道。因此，本研究應用壓熱法制備懷山藥抗性淀粉，分析并闡明其基本理化性質、化學結構、熱特性和體外消化性等，以期為懷山藥抗性淀粉的開發利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料和試劑

懷山藥：購自河南焦作市溫縣；

豬胰α-淀粉酶：10 units/mg，美國Sigma公司；

直鏈淀粉：美國Sigma公司；

耐高溫α-淀粉酶：4萬U/g，江蘇銳陽生物科技有限公司；

糖化酶：10萬U/g，江蘇銳陽生物科技有限公司；

透析袋：截留分子量3 500，合肥博美生物科技有限責任公司；

其他試劑均為國產分析純。

1.2 主要儀器設備

紫外可見分光光度計：UV1800型，日本島津公司；

傅里葉變換紅外光譜：VERTEX70型，德國Bruck公司；

差示掃描量熱儀：DSC1型，瑞士Mettler-Toledo公司；

X-射線衍射儀：D8A型，德國Bruck公司；

多管架自動平衡離心機：TDZ5-WS型，湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司；

電熱恒溫鼓風干燥箱：101型，天津躍進器械廠；

電熱恒溫水浴鍋：HH-4型，北京科偉永興儀器有限公司；

分析天平：FA1004型，上海上平儀器公司。

1.3 方法

1.3.1 懷山藥原淀粉的制備 新鮮的懷山藥經清洗、去皮和切片后浸泡于5%～6%的抗壞血酸溶液中15 min，勻漿后用0.2 mol/L的NaOH溶液調pH值至8.5，攪拌1 h后過60目篩，自來水反復沖洗濾渣至澄清狀后，調節濾液pH值至7.0，靜置2 h，取下層懸濁液于4 500 r/min離心10 min，將沉淀置于55 ℃干燥箱中烘干至恒重，研碎后即可得到懷山藥淀粉。制備的懷山藥淀粉經雙波長法測定直鏈淀粉含量為24.40%。

1.3.2 懷山藥抗性淀粉的制備及純化

(1) 懷山藥抗性淀粉制備：配制25%淀粉懸濁液，置于高壓滅菌鍋中，115 ℃ 壓熱處理100 min，冷卻到室溫后，置于4 ℃冰箱老化6 h，然后80 ℃烘干，粉碎并過60目篩，即得懷山藥粗抗性淀粉。按文獻[22]所述方法測得抗性淀粉得率為13.41%。

(2) 酶解純化懷山藥抗性淀粉：稱取一定質量懷山藥粗抗性淀粉，加蒸餾水，用pH 6.0的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液調節pH值到6.0～7.0，然后加入過量的耐高溫α-淀粉酶，90 ℃酶解2 h，冷卻至室溫后，4 mol/L檸檬酸調pH值到4.0～5.0，加入過量糖化酶，60 ℃水解1 h后，4 000 r/min離心10 min，棄去上清液，然后依次用95%，85%，75%的乙醇沖洗沉淀，4 000 r/min離心10 min，棄上清，50 ℃烘干，粉碎，即可得到純化的懷山藥抗性淀粉。

1.3.3 電鏡掃描 依次稱量已充分干燥的淀粉樣品，然后再用導電膠把樣品固定在銅臺上，噴金后用掃描電鏡觀察并拍攝。

1.3.4 熱力學特性分析 將淀粉樣品與水按照1∶3 (g/mL)的比例配成淀粉乳，取少量加入標準鋁坩堝，稱重壓蓋后，于4 ℃密封平衡1 d。測量同時，用空坩堝做空白參照。測量溫度范圍：20～130 ℃，升溫速率為10 ℃/min。用Thermal analysis 軟件計算得出起始溫度To、峰值溫度Tp、終止溫度Tc和糊化焓ΔH的變化情況。

1.3.5 淀粉的碘吸收特性 稱取20 mg淀粉樣品，置于具塞試管中，用無水乙醇潤濕樣品后，再用1 mL 2 mol/L的氫氧化鉀充分溶解樣品，然后加入10 mL蒸餾水，調節pH值至6.0～7.0，加蒸餾水至50 mL，反復倒置混合均勻后，吸取上述溶液25 mL于100 mL容量瓶中，再加入80 mL蒸餾水和2 mL碘試劑，蒸餾水定容后立刻混合均勻，在波長450～800 nm 內進行掃描。

1.3.6 紅外光譜的分析 將淀粉樣品和溴化鉀置于105 ℃烘干后，樣品和溴化鉀按1∶100的比例加入瑪瑙研缽中研好后置于壓片機中壓片，取出樣品薄片在400～4 000 cm-1波段進行紅外掃描。

1.3.7 X-衍射分析 采用X-射線衍射儀測定淀粉的晶體特性。衍射條件：特征射線CuKα，加速電壓40 kV，管電流30 mA，測量角度2θ為5°～70°，掃描速度4°/min。

1.3.8 淀粉的透明度和持水性

(1) 透明度：用蒸餾水將淀粉樣品配成濃度為1%的淀粉乳，沸水糊化15 min，糊化過程中不斷添加蒸餾水以保持淀粉乳體積不發生變化，冷卻到室溫后，在620 nm波長處分別測定放置0，1，3，6，12 h時淀粉糊的吸光率。用蒸餾水作為空白參比，設其透光率為100%，以淀粉糊的透光率值表示淀粉糊的透明度。

(2) 持水性：將50 mg淀粉樣品分散于10 mL水中，置于45，55，65，75，85 ℃水浴1 h，冷卻至室溫后，6 000 r/min離心15 min，棄掉上清液，擦干離心管內、外壁所附著的水分后，稱沉淀質量，按式(1)計算持水力。

(1)

式中：

WHC——持水力，%；

m1——沉淀質量，g；

m2——樣品質量，g。

1.3.9 體外消化特性分析 采用In-Vitro 模型系統研究懷山藥原淀粉和抗性淀粉的消化特性。

(1) 標準曲線制作：參照史苗苗等[23]的方法制備得到的標準曲線方程為：y=1.456 3x+0.062 7，R2=0.994 4。

(2) 體外消化性能測定：參照史苗苗等[23]的方法略加修改如下：稱取淀粉樣品200 mg，加入20 mL磷酸鹽緩沖液和15 mL豬胰α-淀粉酶(260 U/mL)溶液，混勻后裝入透析袋中，然后將透析袋置于盛有400 mL磷酸鹽緩沖液的燒杯中，再在37 ℃恒溫震蕩水浴中進行消化反應，然后分別于1，2，3，4，5，6 h時取出一定量的消化滲析液，稀釋一定倍數后，測定其中麥芽糖含量。按式(2)～(4)計算整個體系中消化產物量、還原糖釋放量和平均消化速度。

CHO=C×D×(435-S)×0.001，

(2)

(3)

(4)

式中：

C——標準曲線得出的麥芽糖含量，mg；

D——消化液的稀釋倍數；

CHO——體系中產生的水解糖的含量，mg；

435——整個體系的溶液體積，mL；

S——每次取出的消化液體積，mL；

0.001——換算系數；

V——平均消化速度，mg/(g·h)；

W1——樣品的質量，g；

W0——總干物質的量，g；

H——反應時間，h。

2 結果與分析

2.1 淀粉的超微結構

由圖1(a)可知，原淀粉表面光滑，顆粒完整，呈不規則且大小不一的橢球型、球形、三角形等多種形態。通過壓熱法制備的抗性淀粉[圖1(b)]顆粒特征消失，呈現疏松的片層狀結構。出現此現象可能是高溫使淀粉發生糊化，導致其顆粒結構被破壞，而直鏈淀粉則從淀粉顆粒中溶出，待冷卻時，直鏈淀粉會重新排列形成雙螺旋結構而形成非常穩定的結晶結構，進而在耐高溫α-淀粉酶和糖化酶的作用下，粗抗性淀粉中的可溶性淀粉顆粒被酶解，從而使純化抗性淀粉呈現表面疏松的片狀結構[24]。懷山藥抗性淀粉表面疏松的結構可能也是其吸水能力增加的原因之一。

2.2 淀粉的熱力學特性

懷山藥原淀粉及其抗性淀粉的DSC圖譜見圖2，其對應曲線參數見表1。由表1可知，懷山藥原淀粉的糊化溫度為76.41～89.49 ℃，在83.33 ℃處有吸熱峰，糊化焓為74.47 J/g；抗性淀粉的糊化溫度高于原淀粉，為103.77～109.64 ℃，在107.21 ℃處有吸熱峰，糊化焓為141.44 J/g。懷山藥抗性淀粉的糊化溫度高于原淀粉，與玉米、小麥和馬鈴薯淀粉及其抗性淀粉的熱特性相似[25]，但與這些抗性淀粉相比，懷山藥抗性淀粉的吸熱峰溫度較低，可能與其晶體結構不致密、結晶度不高有關。淀粉顆粒經壓熱處理制備抗性淀粉時，淀粉鏈重排形成更致密的結晶結構，因此在糊化時沒有發生吸水膨脹，也就沒有形成糊化吸熱峰。抗性淀粉的晶體結構熱穩定性高，因此需要更多的熱量使其發生非晶化相變，故導致其相變吸熱峰吸熱焓增大[26]。懷山藥抗性淀粉具有較高的熱穩定性，可以經受大多數食品加工過程。

Figure 2 The thermodynamic characteristic curve of raw starch and resistant starch fromDioscoreaoppositeThunb. cv. Huaiqing

2.3 淀粉的碘吸收特性

直鏈淀粉的最大吸收峰在600～640 nm，支鏈淀粉的最大吸收峰在520～560 nm[27]。由圖3可知，抗性淀粉-碘復合物的最大吸收峰在580 nm，位于直鏈淀粉與支鏈淀粉之間，且由直鏈淀粉處向支鏈淀粉處偏移，表明懷山藥淀粉經壓熱處理后改變了直鏈淀粉構象，其絡合碘分子的數目減少，顏色變淺，吸光值減小，最大吸收波長向較短波長方向移動。另外，抗性淀粉-碘復合物的吸收峰比原淀粉窄，說明懷山藥抗性淀粉的分子質量分布比較集中[28]。

Figure 3 Iodine absorption curves of raw starch and its RS fromDioscoreaoppositeThunb. cv. Huaiqing

2.4 淀粉的紅外光譜分析

由圖4可知，原淀粉和抗性淀粉均有以下吸收峰：3 365.87 cm-1和3 433.84 cm-1處為締合—OH的伸縮振動峰；2 933.55 cm-1和2 936.25 cm-1處為飽和—CH的伸縮振動峰；1 653.66 cm-1和1 651.80 cm-1處為醛基C═O的伸縮振動峰；1 161.93 cm-1和1 158.92 cm-1處為與伯醇羥基相連的C—O伸縮振動峰；993.79 cm-1和1 000.82 cm-1處為與仲醇羥基相連的C—O—C伸縮振動峰；861.99 cm-1和857.00 cm-1處為D-吡喃葡萄糖的吸收帶峰。比較原淀粉和抗性淀粉紅外圖譜也可發現，懷山藥淀粉在929.38 cm-1處有D-吡喃葡萄糖的非對稱伸縮振動，在766.68 cm-1處有D-吡喃葡萄糖的對稱性伸縮振動，而懷山藥抗性淀粉在這些波段均沒有吸收峰，說明原淀粉經壓熱處理后D-吡喃結構被破壞。總體而言，壓熱處理前后淀粉的化學結構相似，沒有生成新的基團，說明壓熱法制備懷山藥抗性淀粉主要發生了物理變化。

2.5 淀粉的結晶結構

根據淀粉顆粒X射線衍射圖，可以將淀粉樣品劃分為A、B、C 3 種結晶型，其中C型普遍認為是A型與B型的混合物[15]。 由圖5可知，懷山藥原淀粉的X-衍射圖譜分別在2θ為5.76°，11.40°左右有中強衍射峰，在2θ為15.12°，17.25°，23.03°左右有強衍射峰，證明懷山藥原淀粉屬于C型淀粉，與已報道的淮山藥淀粉和長山藥淀粉晶型一致[15,29]。而懷山藥抗性淀粉僅在16.85°，22.49°有較強衍射峰，而且峰形較為彌散，表明壓熱處理使懷山藥淀粉的分子結構被打亂后重新排列，導致結晶結構發生了改變，具體表現為部分特征峰的消失。

2.6 淀粉的透明度和持水性

淀粉糊的透明度能夠反映淀粉與水互溶能力以及膨脹程度，直接影響淀粉產品的用途、外觀和可接受性。淀粉糊的透明度常用透光率表示，透光率越高，則淀粉糊的透明度越好，所加工的淀粉產品亮度越高[30]。由圖6(a)可知，懷山藥原淀粉糊在各個時間點的透光率均比其抗性淀粉的高，與張麗芬等[29]報道的淮山藥抗性淀粉結果一致。這可能是由于抗性淀粉中直鏈淀粉含量高，而直鏈淀粉分子相互締合使光線散射增強造成的。因此，懷山藥抗性淀粉比較適合應用于黏稠且透明度低的飲料中，以增加飲料的懸浮度和不透明度。

淀粉持水性表示羥基與淀粉分子鏈由共價結合所產生的結合水量的大小。由圖6(b)可知，當水浴溫度低于75 ℃時，懷山藥抗性淀粉的持水性大于原淀粉的持水性，即抗性淀粉具有更大的持水能力，可能是抗性淀粉制備過程中，糊化后淀粉分子在凝沉過程中分子重排形成具有疏松的片層結構[圖1(b)]，短直鏈淀粉分子增多，從而使葡萄糖單元外側的親水羥基增多，因而吸水能力增強。然而當水浴溫度為85 ℃時，原淀粉的持水性明顯增加，顯著高于抗性淀粉的，可能是由于該溫度高于懷山藥淀粉的糊化溫度(83.3 ℃)，原淀粉糊化時大量吸水造成的。

2.7 淀粉的體外消化性

相同時間內，消化產物量越多，表示越容易消化。由圖7(a)可知，原淀粉與抗性淀粉消化產物的量均隨消化時間的延長而增加。但與原淀粉相比，經相同消化時間后，抗性淀粉消化產物的量明顯低于原淀粉的，可能是抗性淀粉形成了較穩定的晶格，胰淀粉酶較難與其發揮作用。表2說明隨著消化時間的延長，原淀粉和抗性淀粉還原糖釋放率增加，但抗性淀粉增加幅度較小，說明抗性淀粉更耐消化。

Figure 7 Digested product amount andaverage digestion rate of raw starch and resistant starch

由圖7(b)可知，隨著消化時間的延長原淀粉與抗性淀粉的消化速率都減小，尤其是前3 h，二者的平均消化速率下降較快，而3 h之后，消化速率呈現緩慢下降趨勢。在相同消化時間時，抗性淀粉的平均消化速率均明顯小于原淀粉的。試驗所用的豬胰α-淀粉酶為內切酶，能夠對淀粉的α-1,4糖苷鍵進行無規則的水解產生更多的還原糖，但是隨著消化時間的延長，大的淀粉分子被水解成小的分子，與酶結合的位點減少，反應速率就減慢，產物的生成速率減慢，但整個體系的產物量是增加的[16]。豬胰α-淀粉酶在水解淀粉時，酶分子首先擴散到淀粉顆粒表面與淀粉鏈的特定區域結合進行分子的固定，然后催化淀粉鏈水解。與原淀粉相比，抗性淀粉因淀粉鏈經過蜷曲折疊形成了堅實的抗酶解的晶體結構，因而更耐消化[23]。

3 結論

本試驗采用堿法制備懷山藥淀粉，繼而采用壓熱法制得其抗性淀粉。與原淀粉相比，懷山藥抗性淀粉顆粒特征消失，表面疏松呈片層結構，在一定溫度范圍內持水性增加，熱穩定性更高且在體外更耐消化。因此，懷山藥淀粉經改性后，淀粉糊性質得到顯著改善，更適用于食品加工，尤其是黏稠食品、低透明度飲料、果凍和乳制品等領域。

后期將進一步研究懷山藥抗性淀粉在機體內的抗消化作用、益生作用及其機制，深入探討其腸道保健潛力，為懷山藥淀粉資源的有效利用提供理論依據。

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