濕熱處理對不同直鏈淀粉含量大米淀粉多尺度結構和消化性能的影響

卞華偉，劉譽繁，鄭波，朱惠蓮，陳玲,3

（1.中山大學公共衛生學院，廣東廣州 510275）（2.華南理工大學食品科學與工程學院，廣東廣州 510640）（3.廣東省天然產物綠色加工與產品安全重點實驗室，廣東廣州 510640）

淀粉是人類的主要能源物質，主要由直鏈和支鏈淀粉構成。直鏈和支鏈淀粉通過不同的排列組合方式構成淀粉的多尺度結構[1]。其中，直鏈淀粉對淀粉的結構和性質有著至關重要的影響。直鏈淀粉是淀粉結構組成之一，它是淀粉顆粒中無定型區的主要組成部分，同時隨機分布在支鏈淀粉簇狀結構周圍，破壞支鏈淀粉結晶的完美度。許多研究者發現直鏈淀粉含量越高，淀粉的糊化溫度越高、崩解值越小、峰值粘度較低以及剪切稀化現象不明顯[2～4]。有研究者發現直鏈淀粉含量越高，淀粉的消化速率越低[5,6]。

為了改善大米淀粉的功能性質特別是消化性能，許多研究者對其進行改性處理，其中濕熱處理（Heat-moisture treatment，HMT）作為一種物理改性方式，由于其具有綠色環保和低成本的優點備受廣大研究者的關注。濕熱處理包括三個主要的條件：一是較低的水分條件（一般為10%～35%），二是較高的溫度條件（一般為90～120 ℃），三是一定的處理時間[2]。研究表明，不同直鏈含量的淀粉受濕熱處理后的影響程度各不相同，Elessandra等人[7]研究了濕熱處理對不同直鏈含量的大米淀粉的影響，發現直鏈淀粉含量更高的大米淀粉其糊化溫度提高的更加明顯，且其峰值粘度、崩解值以及回生值降低的程度更大。Wittawat等[8]人研究了濕熱處理對普通和蠟質淀粉性質的影響發現濕熱處理對普通淀粉的粘度影響更大。由此可見，直鏈淀粉含量對濕熱處理后淀粉結構以及性質的變化具有重要的影響。

因此，本文以直鏈淀粉含量不同的兩種大米淀粉為研究對象，采用現代化分析技術研究濕熱處理對兩種大米淀粉消化性能及多尺度結構的影響，探討直鏈淀粉含量對其消化性能的影響規律，并分析濕熱處理對淀粉多尺度結構轉變繼而影響其消化性能之間的內在關系，為濕熱處理加工調控淀粉消化性能提供理論數據。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

大米淀粉（直鏈淀粉含量為28.9%的大米淀粉命名為 YF；直鏈淀粉含量為 17.5%的大米淀粉命名為YJ），來自廣東省農科院；豬胰酶和葡萄糖苷酶：購自美國Sigma-Aldrich公司；葡萄糖氧化酶-過氧化物酶試劑盒：購自愛爾蘭Megazyme公司；氫氧化鈉：分析純，購自天津市百世化工有限公司；無水乙醇：分析純，購自天津化學試劑廠。

1.2 主要儀器設備

濕熱處理系統，深圳信宜特公司；X射線衍射儀（Xpert PRO型XRD），荷蘭Panalytial公司；小角X射線散射儀（SAXS），奧地利Anton Paar公司；固體核磁共振儀（HD400型），德國Bruker公司；多角度光散射儀，美國WATTY公司

1.3 濕熱淀粉樣品制備

1.3.1 濕熱處理

分別稱取兩種大米淀粉各50 g，將水分含量調至20%（將淀粉與水充分混合后，在4 ℃低溫條件下平衡水分 24 h）。然后將淀粉置于濕熱處理系統中，在100 ℃條件下反應2 h。反應結束后取出產物，在45 ℃烘箱干燥12 h后粉碎，過160目篩，即獲得濕熱處理后的大米樣品，分別命名為YF20、YJ20。

1.3.2 直鏈淀粉含量

向100 mg的干基淀粉中加入1 mL的無水乙醇和9 mL的1 mol/L的氫氧化鈉溶液，在100 ℃條件下加熱10 min讓其完全溶解。冷卻至室溫后，將淀粉溶液稀釋至100 mL。向其中取2.5 mL與25 mL的去離子水混合，然后加入0.5 mL的1 mol/L醋酸溶液和0.5 mL的0.2%的碘液，最后用去離子水定容到50 mL。使用UV-3802型分光光度計在620 nm波長下檢測。根據直鏈淀粉與支鏈淀粉純品制作的標準曲線計算樣品中直鏈淀粉的含量。每個樣品測三次。

1.4 濕熱處理樣品結構及性質的測定

1.4.1 凝膠滲透色譜-多角度光散射(GPSMALS）

稱取4 mg的淀粉樣品分散于含有LiBr的DMSO中，在75 ℃震蕩水浴中溶解6 h，冷卻至室溫后用5 μm的濾膜進行過濾。流動相為含有LiBr（50 mM）的DMSO溶液，用0.22 μm過濾膜在PTFE抽濾器上進行抽濾備用。測試條件為：流速0.3 mL/min、進樣量為0.1 mL、激光波長為658 nm、采集時間為70 min。數據采集完用Astra5軟件進行分析。

1.4.213C CP/MAS核磁共振

將200～300 mg的淀粉樣品置于一個直徑為4 mm的旋轉圓筒中。掃描次數為3000，循環間隔時間為2 s。利用Tan[9]等人的方法對所得到的光譜扣除無定型，得到有序結構部分的光譜，最后對螺旋含量進行計算。

1.4.3 同步輻射小角X射線散射（SAXS）

配制濃度為60%的淀粉乳放置在多槽臺上，波長為λ=1.47 ?，采集時間為1 s。以水的衍射圖作為背景，對背景進行歸一化和扣除。得到范圍為 0.0015 ?-1＜q＜0.15 ?-1的衍射圖樣。q=4πsinθ/λ，2θ為衍射角，λ為X射線波長。SAXS圖線得到的是相對峰強度I關于衍射矢量q的函數。而q與片層周期厚度dBragg的關系為：dBragg=2π/q。片層結構的相關參數可利用公式（1）[26]進行計算：

式中：r為兩個散射元之間的距離，d為片層結構中周期厚度，為f(r)的峰值。

如圖3-1所示，片層結構中的無定型厚度da可以通過線性區和 f(r)最低值的所在的平線的交點得到。片層結構中的結晶層厚度dc=d-da。

1.4.4 X射線衍射（XRD）

操作條件為：采用波長為0.1542 nm的單色Cu-Kα射線，管壓為40 kV，管流為40 mA。衍射角的范圍從4°到40°，步長為0.033°，掃描速度為10°/min。每個樣品測試三次。

1.4.5 消化性能測試

將Englyst[10]的方法優化后用于測定淀粉中RDS、SDS以及RS含量。測定前提前配好酶液備用。取1 g（干基）淀粉樣品與錐形瓶中，加入20 mL 0.1 mol/L的醋酸鈉緩沖液（pH為5.2），沸水浴30 min。然后冷卻至37 ℃左右，加入5 mL的酶液，置于水浴振蕩器中（37 ℃，170 stoke/min）。20 min后取0.5 mL的混合液于 20 mL 70%的乙醇中，離心 5 min（4000 r/min）。取0.1 mL上清液于3 mL的GOPOD溶液中，在45 ℃水浴鍋中保溫20 min，最后于510 nm處測定吸光值。120 min后，與上述處理方式相同測定樣品的吸光度值。

1.5 數據分析處理

采用Excel 2013軟件建立數據庫，通過SPSS19.0統計軟件進行數據處理，檢驗水準取p=0.05，所有數據均以±sd表示。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)，方差齊時組間比較采用Duncan法，方差不齊時組間比較采用DunnettsT3法。p＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果與討論

2.1 平均分子質量及分子量分布

采用 GPC-MALS技術對濕熱處理前后兩種大米淀粉的分子量Mw和分子量分布情況進行分析，結果如表1所示。由表可知，兩種大米淀粉經濕熱處理后，直鏈淀粉均有明顯增加，說明濕熱處理可能導致大米淀粉支鏈分子鏈斷裂，形成短直鏈淀粉。且由表可知，兩種大米淀粉的 Mw分別為 6.856×106g/mol和1.529×107g/mol。經濕熱處理后，兩種大米淀粉的Mw均降低，其中YF 的分子量在5×106＜Mw＜2×107g/mol范圍的比例明顯降低，在1×106＜Mw＜3×106g/mol范圍的比例明顯增加；同時，YJ的分子量在 Mw＞2×107g/mol范圍的比例由 25.37%降至 0，在 3×106＜Mw＜5×106g/mol范圍的比例由0.12%增加至14.76%。表明濕熱處理可能導致大米淀粉分子鏈斷裂，從而使得小分子量范圍的比例增加，大分子量范圍比例降低。從平均分子量的降低程度上，YJ比YF降低更為顯著。

表1 濕熱處理前后兩種大米淀粉的平均分子質量、直鏈淀粉含量以及分子量分布Table 1 Weight average molar mass, amylose content and molecular weight distribution of two kinds of native and HMT-treated rice starches

表2 濕熱處理前后兩種大米淀粉分子螺旋結構含量及NMR圖譜出峰位置Table 2 Spiral structure content and peak position of NMR atlas of two kinds of native and HMT-treated rice starches

2.2 螺旋結構

兩種大米淀粉濕熱處理前后的核磁共振碳譜圖譜出峰位置及其相應的螺旋結構含量如表2所示。其中C1所在的化學位移中102×10-6和103×10-6所對應的區域表示單螺旋的存在，而 101.5×10-6、100.5×10-6和99.4×10-6對應的區域表示有雙螺旋的存在[11]。

從表2中可以看出，經濕熱處理后，YF和YJ的雙螺旋含量均有明顯降低，且 YJ降低的程度更為顯著，表明濕熱處理破壞了淀粉顆粒內雙螺旋分子間的氫鍵，從而降低了大米淀粉顆粒內部雙螺旋結構的含量，且直鏈淀粉含量越低，破壞作用更顯著。而由單螺旋結構含量的變化可知，濕熱處理有利于促進單螺旋結構的形成。

2.3 層狀結構

表3 濕熱處理前后兩種大米淀粉顆粒的層狀厚度Table 3 Lamellar structural parameters of two kinds of native and HMT-treated rice starches

利用小角X射線散射技術考察濕熱處理對大米淀粉顆粒半結晶層狀結構的影響。兩種大米淀粉濕熱處理前后的小角 X射線散射曲線和特征參數分別如圖1a和表3所示。由圖可見，YF和YJ分別在q=0.06542 ?-1和q=0.06807 ?-1處有明顯的散射峰，根據布拉格公式[9]：dBragg=2π/q，可以計算淀粉顆粒半結晶層厚度（dBragg），也叫Bragg層間距。由表3可知，經濕熱處理后，YF和YJ的半結晶層狀厚度dBragg均增加，且YJ增加的程度更為顯著。

為了進一步了解層狀結構的變化，利用公式（1）可計算半結晶層的平均厚度d以及半結晶層中結晶層的厚度dc和無定型層的厚度da。由表3可知，YF和YJ的半結晶層厚度分別為9.047 nm和9.033 nm，其中無定型層厚度分別為3.422 nm和3.373 nm，結晶層厚度分別為5.625 nm和5.660 nm。經濕熱處理后，兩種淀粉片厚度 d和無定形層厚度 da均有所增加，且YJ增加的程度更為顯著，表明YJ抵抗濕熱破壞作用的能力更弱，使其層狀結構變得更為松散。而YF的結晶層厚度增加，YJ的結晶層厚度降低，表明濕熱處理促進了YF淀粉顆粒內分子鏈的重排反應，可能是由于YF淀粉顆粒內分子鏈自由運動能力更強，更容易發生重新排列和聚集，支鏈淀粉中未形成螺旋結構的側鏈部分相互作用增強而形成螺旋，使得濕熱處理后YF淀粉結晶層厚度增加。

2.4 結晶結構

兩種大米淀粉的X射線衍射圖如圖1b所示。由圖可見，兩種大米原淀粉在2θ約為15.1°、17.1°、18.0°以及23.0°處呈現比較強的衍射特征峰，表明兩種大米淀粉均為A型結晶結構。經濕熱處理后，兩種大米淀粉顆粒的A型特征衍射峰仍清晰可見，仍主要表現為A型結晶結構。通過計算濕熱處理前后兩種大米淀粉相對結晶度的變化情況（表2）可知，YF和YJ的相對結晶度分別為28.6%和34.0%，經濕熱處理后，YF和YJ的相對結晶度均有明顯降低，且YJ降低的程度更為顯著。這與前面螺旋結構和顆粒表面短程有序結構的結果變化一致。在濕熱處理過程中，由于水分子的遷移作用，可導致淀粉分子間氫鍵斷裂，雙螺旋解旋，部分結晶結構被破壞，進而相對結晶度降低[7]。

圖1 濕熱處理前后兩種大米淀粉的SAXS和XRD曲線Fig.1 SAXS and XRD patterns of two kinds of native and HMT-treated rice starches

2.5 消化性能

表4 濕熱處理前后兩種大米淀粉的RDS、SDS、RS含量Table 4 Paste RDS, SDS and RS content of two kinds of native and HMT-treated rice starches

兩種大米淀粉濕熱處理前后的 RDS、SDS、RS含量如表4所示。從結果中可以看到，經濕熱處理后二者的RS和SDS含量均增加，RDS含量均降低，且YF變化的程度更為顯著。研究表明，淀粉糊的消化性能主要與淀粉鏈結構有關，且發現直鏈含量越高，淀粉消化率越低[5,6]。如前所述，濕熱處理增加了二者的直鏈淀粉含量，這可能有消化速率降低有關。另一方面，淀粉的的糊化程度也會影響淀粉的消化性能，完整顆粒存在的越多，淀粉消化性能越低[15]。濕熱處理促進了淀粉分子的重排，加強了淀粉顆粒的穩定性，可能有更多完整顆粒存在，且YF被加強的效果更為明顯，故YF的RS和SDS含量增加的程度更大。

3 結論

本文探討了濕熱處理對不同直鏈淀粉含量大米淀粉消化性能及鏈結構、層狀結構、結晶結構、螺旋結構等多尺度結構變化的影響。研究發現濕熱處理對淀粉結構有一定的破壞作用，使得分子鏈發生斷裂，淀粉的雙螺旋含量減少，結晶度降低，且直鏈淀粉含量越低的淀粉抵抗濕熱處理破壞作用的能力越弱。同時，濕熱處理可促進分子間的取向重排，形成新的單螺旋結構，提高了淀粉顆粒的穩定性，從而增強大米淀粉淀粉的慢消化和抗消化性能。本研究的結果為加工獲得不同消化性能的新型淀粉基食品提供理論指導。