韌化處理對(duì)3種晶型淀粉消化特性的影響

季寒一 解明昱 李安平,2 陽能靜 張 勖

(中南林業(yè)科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院1，長(zhǎng)沙 410004)

(工程流變學(xué)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，長(zhǎng)沙 410004)

淀粉是人類營(yíng)養(yǎng)和能量的重要來源，但其食用后所引起的血糖快速升高成了消費(fèi)者日益關(guān)注的問題[1，2]。因此，通過改性以提高淀粉中抗性淀粉(RS)和緩慢消化淀粉(SDS)含量，優(yōu)化其消化特性成了當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。韌化處理是在過量水分條件下對(duì)淀粉進(jìn)行高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度但低于糊化溫度的熱處理過程，是一種溫和且安全的物理改性手段[3-4]。國(guó)內(nèi)外已有許多關(guān)于韌化處理對(duì)植物淀粉消化特性影響的研究報(bào)道。趙凱等[5]研究表明韌化處理能調(diào)整玉米的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，促進(jìn)緩慢消化淀粉的形成。王潔[6]采用韌化處理輔助微波制備馬鈴薯淀粉時(shí)發(fā)現(xiàn)其中抗性淀粉含量大幅增加。

根據(jù)X-射線衍射特征的不同，可將天然淀粉結(jié)晶形態(tài)分為A型、B型和C型，其中A型主要是玉米、大米等谷物類淀粉，B型主要是馬鈴薯等塊莖類淀粉，C型一般兼具A型和B型的特點(diǎn)，主要是豆類淀粉[7]。經(jīng)韌化處理后的淀粉仍能保持其顆粒結(jié)構(gòu)的完整性，不損失天然淀粉的原有功能特性[8]，但關(guān)于韌化處理對(duì)不同晶型淀粉消化特性的影響研究鮮見報(bào)道。本研究以玉米淀粉(A型)、馬鈴薯淀粉(B型)和錐栗淀粉(C型)作為研究對(duì)象，探討韌化處理對(duì)此3種晶型淀粉消化特性的影響，以期為淀粉類食物的開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

普通玉米淀粉(A型)、馬鈴薯淀粉(B型)：市售；錐栗淀粉(C型)：自制(油榛產(chǎn)自福建省建甌市川石鄉(xiāng))。

豬胰腺α-淀粉酶(酶活12 U/mg)、黑曲霉葡萄糖淀粉酶(酶活100 U/mg)；醋酸鈉、冰醋酸、葡萄糖、氫氧化鈉、3,5-二硝基水楊酸、酒石酸鉀鈉、苯酚、亞硫酸鈉、氯化鈣、無水乙醇、溴化鉀，分析純。

1.2 主要儀器與設(shè)備

FK-A型組織粉碎勻漿機(jī)；Thermo Sorvall LYNX6000型高速冷凍離心機(jī)；BlueStar B紫外可見分光光度計(jì)；TESCAN MIRA 3掃描電子顯微鏡；IRTracer-100傅里葉紅外光譜儀；X'Pert PRO MPD X-衍射儀；TA Q-2000型差示掃描量熱儀。

1.3 方法

1.3.1 錐栗淀粉的提取

綜合Adebowale[9]和Correia[10]的方法，并作部分改進(jìn)。挑選新鮮成熟的錐栗剝殼去衣并清洗切片，按1∶5的料液比加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的NaOH溶液，并于8 000 r/min條件下勻漿機(jī)中勻漿2 min，然后室溫靜置24 h以使蛋白質(zhì)充分溶解，棄去上層液體。接著水洗剩余物，并依次過100、200、300目篩，得錐栗淀粉乳。淀粉乳以3 000 r/min離心15 min，棄去上清液后將沉淀物表面的褐色層輕輕刮去，加水洗滌，重復(fù)操作，直至沉淀物呈白色。取沉淀物于30 ℃烘箱中鼓風(fēng)干燥48 h，研磨后過100目網(wǎng)篩，得純錐栗淀粉。

1.3.2 韌化淀粉的制備

分別稱取一定質(zhì)量的玉米淀粉(M-N)、馬鈴薯淀粉(P-N)和錐栗淀粉(C-N)于具塞錐形瓶中，接著用蒸餾水將其調(diào)配成含水量為65%(以干基計(jì))的淀粉乳，混勻后于50 ℃水浴中韌化處理24 h。處理完后取出并以3 000 r/min轉(zhuǎn)速離心15 min，淀粉沉淀置于30 ℃烘箱中鼓風(fēng)干燥48 h，干燥后研磨過100目篩，分別得玉米韌化淀粉(M-A)、馬鈴薯韌化淀粉(P-A)、錐栗韌化淀粉(C-A)。

1.3.3 掃描電鏡觀察(SEM)

將淀粉樣品均勻涂布在貼有導(dǎo)電雙面膠的金屬臺(tái)上，真空條件下進(jìn)行2次噴金處理，接著將樣品置于掃描電子顯微鏡中觀察，加速電壓為20 kV，拍攝并選取具有代表性的樣品顆粒形貌圖。

1.3.4 X-射線衍射分析(XRD)

參考Tan等[11]和陳翠蘭等[12]的方法并稍作修改。將淀粉粉末樣品放入樣品槽中，壓緊后置于X-衍射儀樣品臺(tái)中進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試射線為波長(zhǎng)為0.154 2 nm的單色Cu-Kα射線。測(cè)試條件為：管壓40 kV，管流40 mA，掃描速度4(°)/min，連續(xù)掃描，起始角4°，終止角40°，步長(zhǎng)0.02°。用Jade 6.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)作圖，圖譜經(jīng)過平滑后計(jì)算衍射曲線與基線間的面積記為X，描出微晶與非晶區(qū)分割線，衍射曲線與分割線間的面積記為Y，則淀粉樣品的相對(duì)結(jié)晶度RC=Y/X×100%。

1.3.5 紅外光譜分析(FTIR)

參考Wang等[13]和滿建民等[14]的方法。將淀粉樣品與KBr按照1∶100的比例進(jìn)行混合壓片，然后放入紅外光譜儀的樣品槽中掃描。掃描波長(zhǎng)為400～4 000 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描64次。利用軟件Omnic 9.2軟件對(duì)FTIR圖譜進(jìn)行基線矯正及去卷積處理，半峰寬為19，增強(qiáng)因子為1.9，得到去卷積光譜圖，計(jì)算在1 045/1 022 cm-1處的峰強(qiáng)度比值R。

1.3.6 淀粉體外消化特性測(cè)定

參考Englyst等[15]和Jagannadham等[16]的方法。準(zhǔn)確稱取200 mg淀粉樣品置于100 mL具塞錐形瓶中，加入15 mL乙酸鈉緩沖液(0.1 mol/L，pH 5.2)，渦旋混勻后在37 ℃恒溫水浴鍋中平衡15 min，加入5 mL混合酶液(α-淀粉酶290 U/mL，糖化酶15 U/mL)，混勻后于37 ℃的水浴搖床中振蕩。分別在水解20 min和120 min時(shí)取樣1 mL，加入5%的NaOH溶液0.2 mL滅酶，混勻后以5 000 r/min離心15 min后取0.2 mL上清液于玻璃試管中，加入1.8 mL蒸餾水和1.5 mL DNS試劑，沸水浴顯色10 min。流水快速冷卻后定容至25 mL的容量瓶中，室溫靜置30 min后于540 nm處測(cè)定吸光度。以蒸餾水和葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)液為對(duì)照。淀粉樣品中各營(yíng)養(yǎng)片段的具體計(jì)算公式：

抗性淀粉：RS=[100-RDS-SDS]×100%

式中：G20為淀粉酶解20 min后產(chǎn)生的葡萄糖質(zhì)量/mg；G120為淀粉酶解120 min后產(chǎn)生的葡萄糖質(zhì)量/mg；TG為淀粉干基總質(zhì)量/mg。

1.3.7 淀粉消化動(dòng)力學(xué)

參照Goni等[17]的體外消化動(dòng)力學(xué)方法。分別測(cè)定淀粉樣品酶解10、20、30、40、60、90、120、180 min時(shí)的水解率：

式中：HR為水解率/%；G為不同時(shí)間水解后的葡萄糖質(zhì)量/mg；W為樣品的質(zhì)量/mg。

淀粉水解曲線遵循一級(jí)反應(yīng)方程C=C∞(1-e-Kt)，水解曲線下面積(AUC)計(jì)算公式為：

式中：C∞為平衡濃度/%；K為反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)/min-1；tf為反應(yīng)終止時(shí)間(180 min)；to為反應(yīng)初始時(shí)間(0 min)。

以白面包的水解曲線面積為標(biāo)準(zhǔn)，以樣品水解曲線面積(AUC)與白面包水解曲線積分面積比值的百分?jǐn)?shù)作為樣品的水解指數(shù)(HI)，因其與血糖指數(shù)(GI)之間具有良好的相關(guān)性(R2=0.894)。GI計(jì)算公式為：

GI=39.71+0.549×HI

1.3.8 差示掃描量熱分析(DSC)

準(zhǔn)確稱取3.0 mg淀粉樣品裝入鋁盒中，按質(zhì)量比1∶2加入去離子水，壓蓋密封后于4 ℃條件下平衡24 h后備用。測(cè)定時(shí)以空鋁盒作為對(duì)照，掃描溫度為10～110 ℃，升溫速率為10 ℃/min。用TA Universal Analysis 2000軟件計(jì)算起始溫度To，峰值溫度Tp，終值溫度Tc，玻璃化溫度Tg及糊化焓ΔH。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)結(jié)果的差異顯著性(P<0.05)采用SPSS 22軟件分析，X-衍射圖譜采用Jade 6.0軟件處理，紅外光譜圖采用Omnic 9.2軟件處理，繪圖和曲線擬合采用OriginPro 2017軟件處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 韌化處理前后3種晶型淀粉的顆粒形貌

3種晶型淀粉韌化前后的掃描電鏡圖如圖1所示。從韌化前各淀粉電鏡圖可以看出，玉米淀粉顆粒呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，以多角形為主，表面無褶皺和裂痕；馬鈴薯淀粉顆粒形狀規(guī)整，呈卵形或橢圓形，表面光滑；錐栗淀粉顆粒形狀多樣，大小不一，但表面有少量褶皺。

韌化處理前后對(duì)比可發(fā)現(xiàn)處理后的玉米淀粉顆粒表面出現(xiàn)許多細(xì)小的孔洞或凹坑，而馬鈴薯淀粉顆粒表面出現(xiàn)少許裂紋。Thais等[18]采用63 ℃和62 ℃分別韌化處理蠟質(zhì)及普通玉米淀粉24 h后，觀察到兩種淀粉顆粒表面均有孔洞和凹坑的出現(xiàn)，與本結(jié)果一致。Xu等[19]采用55 ℃多次循化韌化處理馬鈴薯淀粉，結(jié)果發(fā)現(xiàn)部分樣品顆粒形態(tài)未有變化，而部分卻出現(xiàn)與本研究相似的裂紋形貌。孔洞、凹坑和裂紋的出現(xiàn)，以及凹坑孔徑的增大，可能是由于這些淀粉顆粒在水和熱的作用下一些內(nèi)源性淀粉酶被激活，攻擊位于顆粒外圍的直鏈淀粉分子，致使其部分水解成還原糖所致[18]。

比較韌化處理前后錐栗淀粉的顆粒變化，發(fā)現(xiàn)處理后的錐栗淀粉顆粒表面少量的褶皺消失，變得更加光滑，且部分顆粒出現(xiàn)一定程度的團(tuán)聚現(xiàn)象。這可能是由于錐栗淀粉顆粒在韌化過程中出現(xiàn)有限溶脹，冷卻后干燥失水，淀粉顆粒變得更為緊湊和致密所致。李光磊等[20]對(duì)同為C型的甘薯淀粉進(jìn)行韌化處理，發(fā)現(xiàn)甘薯淀粉韌化后顆粒邊緣破損，凹坑增加，與錐栗淀粉的變化不盡相同。由此可見，韌化處理對(duì)同一晶型的不同淀粉顆粒形貌的影響也存在差異，韌化處理效果受淀粉來源及處理?xiàng)l件的共同影響[21]。

圖1 韌化處理前后3種晶型淀粉的電鏡圖

2.2 韌化處理前后3種晶型淀粉的X-衍射分析

采用Jade 6.0軟件處理并計(jì)算淀粉的結(jié)晶度，結(jié)果見表1。由表1可知，韌化處理前后3種晶型淀粉的衍射特征峰位置均未發(fā)生明顯改變，說明韌化處理并未改變3種淀粉的晶型。劉暢等[22]在研究韌化處理對(duì)板栗淀粉晶型影響時(shí)也表明韌化處理沒有改變?cè)矸鄣木停c本結(jié)論相同。

韌化處理后玉米、馬鈴薯、錐栗淀粉結(jié)晶度均有顯著提高(P<0.05)。韌化處理后玉米淀粉、馬鈴薯淀粉和錐栗淀粉的衍射峰變得更加尖銳，峰形更加明顯。這是由于韌化處理改變了淀粉顆粒內(nèi)部的堆積狀態(tài)，淀粉晶體進(jìn)行熔融和分子重排，結(jié)晶度增加所致，這與Zavareze等[23]的研究結(jié)果一致。

表1 X-射線衍射結(jié)果分析

注：*表示同一種淀粉韌化處理前后差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，**表示差異達(dá)極顯著水平(P<0.01)，下同。

2.3 韌化處理前后3種晶型淀粉紅外光譜比較

3種晶型淀粉韌化處理前后去卷積紅外光譜(FTIR)見圖2。由圖2可以看出，韌化前后淀粉去卷積紅外光譜圖近似，吸收峰的位置并無改變，但吸收峰的強(qiáng)度因淀粉韌化與否而有所差異。

1 045 cm-1與1 022 cm-1處的吸收峰分別表征了淀粉顆粒內(nèi)部結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)的特性。樣品在1 045 cm-1處與1 022 cm-1處的吸收峰強(qiáng)度比值R可以反映淀粉分子在短程范圍內(nèi)的結(jié)晶程度和晶體有序性，以表明淀粉無定形態(tài)的減少或有序結(jié)構(gòu)的增加[24]。計(jì)算3種晶型淀粉韌化前后的R值，結(jié)果見圖3，3種淀粉比值R從大到小依次為：馬鈴薯淀粉>錐栗淀粉>玉米淀粉。對(duì)比韌化前后R值可看出，玉米和馬鈴薯淀粉經(jīng)韌化處理后R值顯著提高(P<0.05)，說明韌化處理后該兩種淀粉顆粒內(nèi)部結(jié)晶區(qū)域增大，晶體排列更加有序，結(jié)構(gòu)更趨穩(wěn)定，這與表1中結(jié)晶度變化趨勢(shì)相符。Chung等[25]研究表明韌化處理后的玉米、豌豆和扁豆淀粉吸光度比值R較原淀粉也顯著增加，與本結(jié)果一致。錐栗淀粉韌化后其R值變化不顯著(P>0.05)，可能是因?yàn)樵谒蜔岬淖饔孟拢Y(jié)晶區(qū)分子重排后有序性增加，淀粉顆粒內(nèi)部的堆積狀態(tài)得到改善的同時(shí)受無定形區(qū)分子流動(dòng)性增大的影響限制，因而R值變化較為微弱。

圖2 韌化處理前后3種晶型淀粉去卷積紅外光譜圖

圖3 韌化處理前后3種晶型淀粉在1 045cm-1處與1 022cm-1處吸光度的比值R

2.4 韌化處理前后3種晶型淀粉RDS、SDS、RS含量變化

3種晶型淀粉經(jīng)過韌化處理后的RDS、SDS和RS含量變化規(guī)律各不相同，結(jié)果見圖4。如圖所示，韌化處理后3種淀粉的RS含量均顯著增加(P<0.05)，玉米淀粉和馬鈴薯淀粉的SDS含量均極顯著減少(P<0.01)。對(duì)于RDS含量，玉米淀粉韌化后顯著增加(P<0.01)，馬鈴薯淀粉和錐栗淀粉韌化后卻顯著減少(P<0.05)。

圖4 韌化處理前后3種晶型淀粉RS、RDS和SDS含量變化

玉米淀粉顆粒表面不規(guī)則，表面積相對(duì)較大，韌化處理時(shí)更易促進(jìn)其形成凹坑結(jié)構(gòu)，使得水解酶更易進(jìn)入淀粉顆粒內(nèi)部，因此韌化后RDS含量增加，SDS含量減少。這與Chung等[25]與和'Brien等[26]對(duì)玉米淀粉的韌化研究結(jié)果相一致。

經(jīng)過韌化處理后的馬鈴薯淀粉的RS含量增加，RDS和SDS減少，是因?yàn)轫g化過程中，馬鈴薯淀粉顆粒在非結(jié)晶區(qū)域和結(jié)晶區(qū)域內(nèi)均進(jìn)行了分子重排，部分結(jié)構(gòu)較不穩(wěn)定的微晶熔融或轉(zhuǎn)化成為了更為致密的晶體[27]。表1結(jié)果也顯示經(jīng)過韌化處理后馬鈴薯淀粉的相對(duì)結(jié)晶度顯著提高(P<0.05)。這與Rosamillá[28]對(duì)香蕉淀粉(B型)的研究結(jié)果近似，說明韌化處理在一定程度上破壞了淀粉鏈之間的氫鍵，起到“塑化”淀粉分子作用，使得部分“缺陷”晶體向更完美的晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，增強(qiáng)了淀粉的耐消化特性。

錐栗淀粉經(jīng)韌化處理一方面其表面細(xì)微褶皺消失且部分顆粒聚集，與酶的接觸面積減小，因而RDS含量減小；另一方面其內(nèi)部晶體重排，結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，結(jié)晶度顯著提高(P<0.05)，RS含量增加，使得酶解更為艱難，但總體而言其消化性能在韌化前后并未有較大變化。

2.5 韌化處理前后3種晶型淀粉消化動(dòng)力學(xué)分析

3種晶型淀粉韌化前后的體外水解速率曲線如圖5所示。由圖5可知，3種晶型淀粉在0～180 min內(nèi)水解率隨時(shí)間增加先快速上升，之后緩慢增加并逐漸達(dá)到平衡。水解平衡濃度從大到小依次為玉米淀粉、錐栗淀粉和馬鈴薯淀粉。

圖5 韌化處理前后3種晶型淀粉體外水解速率曲線

按照Goni[17]的體外消化動(dòng)力學(xué)方法，采用OriginPro 2017軟件對(duì)圖5中數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到水解動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)和模型，結(jié)果見表2。與韌化前相比，玉米淀粉和馬鈴薯淀粉韌化后的水解平衡濃度顯著降低(P<0.05)，而錐栗淀粉韌化處理前后平衡濃度無顯著差異。此外，3種晶型淀粉經(jīng)韌化處理后水解指數(shù)HI和血糖指數(shù)GI均顯著降低(P<0.05)，表明3種晶型淀粉在韌化后均更難被人體消化，食用后較不易引起血糖的快速上升。與圖4中3種晶型淀粉的RS含量比對(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)韌化處理后淀粉樣品中RS含量增高時(shí)，C∞、GI和HI對(duì)應(yīng)降低，它們之間呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。唐曉婷等[29]在研究壓熱-冷卻循環(huán)工藝對(duì)淀粉消化動(dòng)力學(xué)特性的影響時(shí)也得出了相似結(jié)論。

比較3種晶型淀粉韌化前后K值的變化，發(fā)現(xiàn)韌化處理后玉米淀粉的K值極顯著增大(P<0.01)，錐栗淀粉的K值顯著減少(P<0.05)。K值越大說明淀粉的體外消化達(dá)到水解平衡濃度C∞的速度越快。考察圖4中的RDS含量與表2中的K值變化規(guī)律可知，兩者呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R達(dá)到0.876(P<0.05)[30]，而K值與RS含量相關(guān)性較弱(P>0.05)。

因此，韌化處理有助于降低3種晶型淀粉的血糖指數(shù)GI值，改善其消化特性。

2.6 韌化處理前后3種晶型淀粉的熱特性

3種晶型淀粉韌化處理前后的熱力學(xué)參數(shù)見表3。由表3可知，3種晶型淀粉韌化前后的終止溫度Tc和吸熱焓ΔH差異不顯著(P>0.05)，初始溫度To、峰值溫度Tp及玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度Tg在韌化處理后均有顯著增加(P<0.05)。此外，韌化后3種淀粉的Tc-To顯著減少(P<0.05)，即淀粉經(jīng)韌化處理后糊化溫度范圍變窄且向高溫方向偏移，由此說明韌化后淀粉內(nèi)部晶體更為致密均勻，淀粉熱穩(wěn)定性增強(qiáng)。該結(jié)果與Wang等[13]的研究結(jié)果一致。

表2 韌化處理前后3種晶型淀粉體外模擬水解動(dòng)力學(xué)方程特征參數(shù)

RS代表淀粉分子中穩(wěn)定性最高的結(jié)晶部分，RDS代表有缺陷的結(jié)晶部分[31-32]。從圖4可知，韌化處理后3種晶型淀粉的RS含量均顯著增加，RS與SDS間進(jìn)行了轉(zhuǎn)化，可據(jù)此推測(cè)在韌化過程中淀粉分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)生了重排優(yōu)化，致使韌化后淀粉分子間結(jié)合力增強(qiáng)及雙螺旋數(shù)增加，并形成了更加致密的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度增加，因此韌化后3種晶型淀粉的To、Tp和Tg均增大。

3 結(jié)論

韌化處理后玉米淀粉顆粒表面出現(xiàn)凹坑，馬鈴薯淀粉出現(xiàn)少許裂痕，錐栗淀粉表面細(xì)微褶皺消失，顆粒變得光滑；3種淀粉經(jīng)韌化處理后晶型未有改變，結(jié)晶度均顯著提升，玉米、馬鈴薯、錐栗淀粉增幅分別為0.96%、5.12%、1.14%，說明韌化后淀粉分子排列更加有序，結(jié)構(gòu)更趨穩(wěn)定。

韌化處理顯著增加了玉米淀粉、馬鈴薯淀粉和錐栗淀粉RS含量(P<0.05)，以及玉米淀粉RDS含量(P<0.01)，顯著減少了玉米淀粉和馬鈴薯淀粉的SDS含量(P<0.05)，以及馬鈴薯淀粉和錐栗淀粉的RDS 含量(P<0.05)；同時(shí)，韌化處理顯著降低了玉米淀粉和馬鈴薯淀粉的水解平衡濃度。3種晶型淀粉經(jīng)過韌化處理后抗酶解能力均有所增強(qiáng)，能延緩食用后血糖的快速上升。