穇子抗性淀粉理化性質及體外消化研究

陳家麗 劉婧潔 肖攀飛 王 樂 馬麗婭 李赤翎,

(1. 長沙理工大學化學與食品工程學院，湖南 長沙 410007；2. 鹿寨縣市場監(jiān)督管理局，廣西 柳州 545600；3. 內蒙古紅太陽食品有限公司，內蒙古 呼和浩特 010000)

穇子(EleusinecoracanaGaertn)，是一種耐貯藏、耐旱和耐澇的一年生草本植物，是土壤貧瘠的半干旱熱帶地區(qū)重要的糧食作物。《本草綱目》[1]中記載：穇子籽粒體積較小，呈茶褐色，具有補中益氣、厚腸胃的作用。與其他雜糧相比，穇子淀粉含量較高，為79.89%；與傳統(tǒng)主糧相比，穇子營養(yǎng)價值較高，富含膳食纖維(5.54%)、單寧(1.64 mg/g)、鈣(822.4 mg/100 g)和鐵(91 mg/100 g)[2]。據研究，穇子具有抑制癌細胞和腫瘤細胞生長、抗氧化和抗炎等生理功效[3]，還具有良好的降血糖作用[4]。穇子降血糖作用的原因，可能是由于其多酚抑制了淀粉酶活性[5]，或者是因為穇子中富含膳食纖維[6]，但至今未有定論，也未對其抗性淀粉進行分析。抗性淀粉(RS)能夠預防結腸癌，降低血脂水平，緩解餐后血糖上升，預防糖尿病等[7]。其中RS3由于具有較強的抗酶解性，是國內外研究最多的抗性淀粉類型[8]。

目前，國內外對穇子的研究主要集中在其種皮多酚物質上[9-10]，而對其抗性淀粉的研究鮮有報道。試驗擬通過超聲—壓熱法制備穇子RS3，重點研究其理化性質和消化特性，旨在為進一步揭示穇子降血糖的原因和深度開發(fā)穇子功能性產品提供參考和依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

穇子：購于廣西玉林；

普通玉米：市售；

耐高溫α-淀粉酶：酶活30 U/mg，上海麥克林生化科技有限公司；

胃蛋白酶：酶活500 U/mg，西格瑪奧德里奇(上海)貿易有限公司；

胰蛋白酶：酶活2 000 U/g，河南圣斯德實業(yè)有限公司；

葡萄糖淀粉酶：酶活1×105U/mL，上海麥克林生化科技有限公司；

抗性淀粉檢測試劑盒：愛爾蘭Megazyme公司；

氫氧化鈉、氫氧化鉀、馬來酸、磷酸氫二鈉、檸檬酸、冰醋酸、乙醇、液體石蠟等：分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 主要儀器與設備

磨粉機：JYS-M01型，九陽股份有限公司；

超聲波微波組合反應系統(tǒng)：XO-SM200型，南京先歐儀器制造公司；

立式壓力蒸汽滅菌器：BXM-30R型，上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠；

臺式低速離心機：L550型，湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司；

掃描電子顯微鏡：FEI Quanta-200型，美國FEI公司；

差示掃描量熱儀：DSC214 Polym型，德國耐馳公司；

水浴恒溫振蕩器：LKTC-B1-T型，金壇市良友儀器有限公司；

可見光分光光度計：S22pc型，寧波日諾泰科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 RS3的制備流程

原材料→粉碎過篩→原粉→石油醚脫脂→堿法脫蛋白→淀粉→配制淀粉乳(濃度為45%)→超聲處理(300 W，55 min)→壓熱處理(115 ℃，15 min)→冷藏(5 ℃，7 d)→干燥(80 ℃)→粉碎過篩(100 目)→RS3

1.3.2 RS3的純化 根據文獻[11]，修改如下：稱取40 g上述RS3，加入pH為6.0的磷酸氫二鈉—檸檬酸緩沖液，配制成10%的淀粉乳，以5 U/g RS3的量加入耐高溫α-淀粉酶，90 ℃水浴振蕩30 min，取出冷卻至室溫，調pH為4.5，然后以5 U/g RS3的量加入葡萄糖淀粉酶，60 ℃水浴振蕩30 min，取出冷卻至室溫，3 500 r/min離心15 min，棄上清液，沉淀水洗3次后收集，80 ℃干燥，粉碎，過篩，105 ℃干燥樣品粉末至恒重，即得RS3純品。

1.3.3 理化性質的測定

(1) 溶解度和膨脹度：根據文獻[12]。

(2) 析水率和凝沉性：根據文獻[13]。

(3) 掃描電鏡：根據文獻[14-15]并修改。雙面膠帶貼于掃描鏡的圓形載物臺上，蘸取少量的樣品涂于雙面膠上，并使其分布均勻，置于噴金機上，真空條件下進行鍍金處理，然后固定在載物臺上，在20 kV測試電壓下，觀察樣品微觀形態(tài)。

(4) 熱力學性能：根據文獻[16-17]并修改。樣品質量2.5 mg；去離子水體積5 μL；測定溫度范圍25～220 ℃；升溫速率10 ℃/min。加熱結束后用氮氣降溫。

1.3.4 體外消化特性 根據文獻[18]，修改如下：稱取適量樣品，加入蒸餾水和玻璃珠以模擬口腔咀嚼，用渦旋震蕩器使其分散，然后加入α-淀粉酶模擬唾液，37 ℃水浴振蕩消化90 s；接著加入鹽酸和胃蛋白酶模擬胃部消化1 h；1 h后加入Na2CO3調pH 6.8，將胃蛋白酶滅活，再加入KH2PO4—NaOH緩沖溶液、胰蛋白酶和葡萄糖淀粉酶模擬小腸消化，用DNS法測0，20，120 min時的葡萄糖含量，計算消化淀粉，并進一步將消化的淀粉分為20 min內消化的易消化淀粉(RDS)，20～120 min內消化的緩慢消化淀粉(SDS)以及120 min內未消化的抗性淀粉(RS)。

1.4 數(shù)據分析

采用Excel、Origin 8.0和 SPSS Statistics 24.0等軟件進行數(shù)據統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 溶解度、膨脹度、析水率和凝沉性

由表1可知，穇子RS3的溶解度為14.87%，顯著大于原粉和淀粉，與余世鋒等[19]的研究結果類似。在95 ℃的熱水中，直鏈淀粉的溶解度比支鏈淀粉高[19]，RS3由大量直鏈淀粉聚合而成，在加熱溶解過程中，RS3解離并擴散成小分子物質，所以溶解度更大，但比玉米RS3的小。穇子RS3的膨脹度為6.84%，其顆粒內部結構較為緊密，難以吸水導致膨脹度較小，并且小于玉米RS3的。

表1 不同樣品的溶解度、膨脹度、析水率和凝沉性?Table 1 Solubility, swelling degree, water release rate and coagulability of different samples %

穇子RS3的析水率比穇子原粉的大，但比穇子淀粉的小。穇子RS3中基本無蛋白質、脂肪等其他組分，水分較原粉容易析出；在制備穇子RS3的過程中，高溫高壓處理使淀粉重組為結構緊密的晶體，導致析水率降低，從而子RS3的凍融穩(wěn)定性高于穇子淀粉的；而且，子RS3的凍融穩(wěn)定性比玉米RS3的好，更適合添加到冷凍食品中。穇子淀粉制備成RS3后，增加了短小直鏈淀粉含量，分子間較難結合沉淀，導致RS3凝沉值顯著降低；但穇子RS3的凝沉值遠大于玉米RS3的，如果添加到果凍和軟糖中，將有利于快速形成凝膠[20]。

2.2 掃描電鏡

如圖1所示，不同樣品的顆粒大小、形態(tài)等存在明顯差異。穇子原粉經簡單的粉碎過篩，淀粉顆粒結構并未遭到破壞，如圖1(a)所示，眾多的淀粉顆粒經蛋白粘結在一起；脫脂脫蛋白后，顆粒結構被破壞，得到如圖1(b)所示的穇子淀粉，其呈大小不一的小顆粒珍珠狀，表面相對光滑；穇子RS3顆粒粒徑較大，結構較為緊密，呈不規(guī)則碎石片狀，表面粗糙且凹凸不平。超聲和壓熱處理使淀粉顆粒形態(tài)發(fā)生明顯變化，由原來的球狀結晶變?yōu)槠瑺罱Y晶，可歸因于RS3中高含量的直鏈淀粉，其不利于球晶的形成[21]；RS3表面凹凸不平，可能是在冷藏過程中，淀粉分子遇冷，外表面壓力大于分子內部，從而導致顆粒外表面塌陷[22]。電鏡下可看到RS3具有更緊密的結構，更有利于抵抗酶水解。比較圖1(c)和(d)可知，玉米RS3顆粒形貌與穇子RS3存在明顯差異，玉米RS3表面相對較光滑，結構較為疏松。

圖1 不同樣品的電鏡掃描圖Figure 1 Electron microscopy scans of different samples (×1 000)

2.3 熱力學特性

如表2所示，穇子RS3的糊化峰值溫度(Tp)、糊化終止溫度(Tc)和糊化焓(ΔH)均顯著高于原粉和淀粉。在超聲—壓熱—回生過程中，穇子RS3分子重新排列，分子間的相互作用加強，從而糊化需要的溫度升高，熱穩(wěn)定性增加。穇子RS3的熱穩(wěn)定性還顯著高于玉米RS3的，說明穇子RS3較適合添加到油炸、烘焙等食品中。

表2 不同樣品的熱力學特性參數(shù)?Table 2 Thermodynamic characteristics parameters of different samples

2.4 淀粉消化特性

淀粉經過超聲—壓熱處理后，分子重排，形成較為緊密的RS3結構而難以消化，但通過大腸發(fā)酵后，會產生類似膳食纖維的作用。如表3所示，不同來源的淀粉消化特性差異較大，穇子淀粉的SDS和RS遠遠大于玉米淀粉的，表明其具有更強的體外抗消化作用，因此，可以利用穇子開發(fā)出調節(jié)血糖的食品。

表3 不同樣品的淀粉消化特性?Table 3 Starch digestibility of different samples %

超聲—壓熱處理制備得到的RS3，RS含量顯著增加，但仍有部分被水解。其原因可能與RS3的純度及制備方式有關；也可能是消化過程中RS3分子再一次重排，導致部分RS3水解成葡萄糖。

3 結論

研究采用超聲—壓熱處理對穇子淀粉進行改性，制得穇子RS3型抗性淀粉，其溶解度、凍融穩(wěn)定性、抗凝沉性和熱穩(wěn)定性增加，而膨脹度降低，使其更適合添加到冷凍、油炸和烘焙等食品中，進一步改善品質。電鏡掃描發(fā)現(xiàn)，與玉米RS3型抗性淀粉相比，穇子RS3型抗性淀粉表面較粗糙，結構較緊密。通過熱力學分析發(fā)現(xiàn)穇子RS3型抗性淀粉的熱穩(wěn)定性比玉米RS3型抗性淀粉的高，且淀粉顆粒結構較緊密，這可能是導致其溶解度、膨脹度和析水率較小的原因。

無論是穇子RS3型抗性淀粉還是玉米RS3型抗性淀粉，與其各自的淀粉相比，抗性淀粉顯著增加，不過仍然有部分RS3型抗性淀粉被消化成葡萄糖。分析其原因：① RS3型抗性淀粉中可能存在少量未被徹底除去的蛋白質，妨礙淀粉酶的水解作用，在胃蛋白酶的作用下，蛋白質水解，淀粉才能夠與淀粉酶作用水解成葡萄糖；② 在胃酸的強酸性作用下，使部分原來包裹在RS3型抗性淀粉結晶區(qū)內的無定形區(qū)暴露出來，這一部分淀粉被降解成葡萄糖；其具體原因還有待進一步探究。通過比較玉米和穇子的RS3型抗性淀粉的抗消化值，也說明不同來源的RS3型抗性淀粉，體外抗消化特性有所差異。穇子淀粉表現(xiàn)出較高的抗消化性，應該也是穇子具有明顯降低血糖作用的重要原因。