粒徑和面筋蛋白含量對面條中淀粉體外消化性的影響

謝 芳 ，丁 麗 ，黃 強(qiáng) ，3，張 斌 ，3，王桂丹 ?

（1. 華南理工大學(xué)，食品科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2. 湖南未來健康科技集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410000；3. 中新國際聯(lián)合研究院，廣東 廣州 511363）

目前，我國已成為全球糖尿病患者人數(shù)最多的國家，患者人數(shù)高達(dá) 1.164億。研究表明，現(xiàn)代社會Ⅱ型糖尿病和肥胖癥患者的急劇增加與食品中淀粉的快速消化吸收密切相關(guān)[1-2]。不同食品體系下，淀粉粒徑及非淀粉成分如蛋白和油脂含量等也有所不同，這可能會造成淀粉消化速率和消化程度的差異，從而對人體餐后血糖應(yīng)答有非常重要的影響。Al-Rabadi等[3]研究了粒徑尺寸對大麥和高粱中淀粉消化性的影響，發(fā)現(xiàn)大麥或高粱的顆粒越大，淀粉的消化速率越緩慢，并且同一粒徑下，大麥和高梁的淀粉消化速率之間也存在顯著差異。Nguyen等[4]也通過研究證實(shí)，經(jīng)不同研磨方式制備的不同粒徑的豌豆中，淀粉的消化性也符合顆粒越大消化越慢的規(guī)律；同時(shí)豌豆中蛋白質(zhì)的存在可以降低淀粉顆粒在研磨過程中的結(jié)構(gòu)破壞，從而進(jìn)一步抑制淀粉的消化性。另一方面，Zou等[5]以小麥的不同品種 Jandaroi、Caparoi和Yawa為材料制作意大利面，通過除去或保留蛋白成分來研究蛋白質(zhì)對淀粉消化性的影響，結(jié)果顯示除去蛋白后，樣品的消化性提高，這表明面筋蛋白對淀粉的物理性包裹作用可以有效降低淀粉的消化速率及消化程度。同時(shí)，Bhattarai等[6]也發(fā)現(xiàn)小麥淀粉中的面筋蛋白被水解后，淀粉的水解率也隨之上升，一方面是由于淀粉-蛋白復(fù)合物的形成可減少淀粉與 α-淀粉酶接觸面積，另一方面在于面筋蛋白可以與淀粉競爭性吸附α-淀粉酶從而抑制了部分淀粉酶的活性。

面條是我國的傳統(tǒng)主食，一般以小麥面粉為原料，經(jīng)和面、揉面、醒面和壓制成條等工藝制成[7]。本研究以不同粒徑小麥面粉為原料，添加0%～10%面筋蛋白制備出中式面條，研究了面條的粒徑分布、形貌特征、熱力學(xué)特性以及淀粉體外消化動(dòng)力學(xué)，以期揭示面條中面粉及成品粒徑和面筋蛋白含量對淀粉消化的影響規(guī)律。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

豬胰α-淀粉酶、4-羥基苯甲酰肼（PAHBAH）、面筋蛋白和磷酸鹽緩沖鹽溶液（PBS）：美國Sigma-Aldrich公司；小麥面粉：澳洲 Manildra Group公司；淀粉總量檢測試劑盒：愛爾蘭Megazyme公司。

MR Silver恒溫磁力攪拌器：德國 Heidolph公司；DSC-8000型差式掃描量熱儀：美國Perkin-Elmer）；MS2000粒度儀：英國 Malvern儀器有限公司；EVO 18掃描電子顯微鏡：德國Carl Zeiss公司；HMJ-D3826攪面機(jī)：廣東小熊電器有限公司。

1.2 面粉成分測定

總淀粉含量：淀粉總量檢測試劑盒進(jìn)行測定；

蛋白質(zhì)和含量：參照GB/T 5009.5—2003凱氏定氮法；

粗脂肪含量：參照GB 5009.6—2016索氏抽提法。

1.3 面條制備

將面粉依次通過100和200目篩，收集未通過200目（大顆粒面粉，LF）以及通過200目（小顆粒面粉，SF）的部分。然后在大和小顆粒面粉中分別添加 0%(w/w)，5%(w/w)和10%(w/w)的面筋蛋白（干基），按 m（面粉和面筋蛋白的混合物）∶m（水）=2∶1的質(zhì)量比進(jìn)行面條的制作。面條制備工藝為：揉面20 min，醒面30 min，最終制作為寬0.8 cm，厚0.2 cm的中式面條。將面條置于40 ℃烘箱干燥12 h后粉碎，依次過40、60和 100目篩[4]，收集未通過 60目（大顆粒面條，LN）以及未通過100目的部分（小顆粒面條，SN）。樣品編號、過篩及添加面筋蛋白計(jì)量如表1所示。

1.4 粒徑測定

面粉或面條的顆粒粒徑采用粒徑分析儀測定。參數(shù)設(shè)定：分散劑水的折射率為 1.33，顆粒的折射率和吸收率分別設(shè)定為 1.52和 0.1。將樣品配制成1% (w/w)的懸浮液，滴加到粒度儀測定裝置中，于轉(zhuǎn)速2 500 r/min下使樣品攪拌分散均勻，測定顆粒的平均粒徑及粒徑分布情況[8]。

1.5 顯微結(jié)構(gòu)觀察

1.5.1 掃描電子顯微鏡觀察

采用掃描電子顯微鏡對大顆粒面條（帶有“LN”字符的樣品）進(jìn)行顆粒形貌的觀察[9]。用導(dǎo)電雙面膠將處理好的樣品固定在樣品臺上，置于離子濺射儀中噴金，選擇具有代表性的樣品，在掃描電鏡下放大一定倍數(shù)觀察面條樣品，掃描電壓為10 kV。

1.5.2 激光共聚焦觀察

將大顆粒面條樣品置于100 ℃蒸煮10 min，冷卻至室溫，加入羅丹明B (0.05% w/w) 1 mL作用30 min，用0.01 M PBS清洗3遍。取少量樣品于載玻片上，用蓋玻片緊壓制備。采用40×/1.25 oil物鏡觀察區(qū)域與層面，選擇488 nm的Ar離子激發(fā)波長與543 nm He/Ne離子激發(fā)波長掃描，掃描密度為1 024×1 024，采集并保存熒光圖像[10]。

1.6 熱力學(xué)性質(zhì)分析

準(zhǔn)確稱量面條樣品（淀粉干基 3 mg），加入去離子水7 mg，于室溫密閉條件下平衡12 h。以空皿為參比對照，然后以10 ℃/min的速率升溫，溫度掃描范圍為30～120 ℃[11]。用Pyris軟件分別計(jì)算出起始溫度（To），峰值溫度（Tp），終止溫度（Tc）及焓值（ΔH）的變化。

1.7 淀粉體外消化動(dòng)力學(xué)

準(zhǔn)確稱量面條樣品（淀粉干基50 mg），加入15 mL 0.01 M PBS。將所有樣品放置于100 ℃水浴下蒸煮10 min。冷卻至37 ℃后，加入豬胰α-淀粉酶（3 U/50 mg干基淀粉），在0、5、10、15、20、30、40、60、80、100和120 min時(shí)，分別取出300 μL反應(yīng)液，10 000×g離心5 min。上清液中的麥芽糖當(dāng)量用對羥基苯甲酸酰肼法測定，于410 nm波長下測得吸光值。用下式計(jì)算麥芽糖當(dāng)量釋放量并作為樣品中淀粉消化率[12]。

對消化速率曲線采用斜率對數(shù)（LOS）擬合以得到消化速率系數(shù)（k， min?1）。公式如下：

式中：t，反應(yīng)時(shí)間（min）；C，在反應(yīng)時(shí)間t時(shí)反應(yīng)物濃度；C∞，反應(yīng)結(jié)束時(shí)反應(yīng)物濃度；k，速率常數(shù)（min?1）。

1.8 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均重復(fù)3次，用SPSS 18.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用EXCEL 2019進(jìn)行圖表制作。

2 結(jié)果與討論

2.1 粒徑分布

經(jīng)測定，面粉的總淀粉、蛋白質(zhì)和脂肪含量分別為（76.7 ± 0.5）%、（9.0 ± 0.2）%和（1.3 ± 0.1）%（濕基）。蛋白含量顯示本實(shí)驗(yàn)所用面粉為中筋面粉。制作面條一般選用高筋面粉，但為探究面筋蛋白含量對面條中淀粉消化性的影響，將分別添加0%、5%和10%的面筋蛋白于面粉中進(jìn)行面條制作，因此選用中筋面粉作為實(shí)驗(yàn)原料。

對大顆粒和小顆粒面粉以及大顆粒和小顆粒面條這 4個(gè)樣品進(jìn)行粒徑分布測定，結(jié)果如圖 1所示。所有樣品均呈現(xiàn)單峰分布，且大顆粒面粉、小顆粒面粉、大顆粒面條和小顆粒面條的平均粒徑(D[4，3])分別為（146.6±1.8） μm、（55.0±0.9） μm、（577.3±2.1） μm和（340.6±1.5） μm。這4 個(gè)樣品的粒度分布有明顯差異，可進(jìn)一步探究不同粒徑分布對淀粉結(jié)構(gòu)特性及體外消化動(dòng)力學(xué)的影響。

2.2 顆粒形貌

圖1 面粉與面條的粒徑分布Fig.1 The particle size distribution of wheat flour and noodles

為探究不同面筋蛋白含量及面粉粒徑對面條樣品表觀形貌的影響，選擇具有代表性且易觀察的大顆粒面條（LN）樣品進(jìn)行掃描電子顯微鏡觀測。不同面筋蛋白添加量及不同粒徑面粉下制備的大顆粒面條樣品的掃描電子顯微圖如圖 2所示。在大顆粒面粉制備的面條中，淀粉顆粒凸起呈球形或者圓盤形，且面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包裹著淀粉顆粒。同時(shí)可明顯觀察到，隨著面筋蛋白含量的增多，面條樣品中凸起的淀粉顆粒數(shù)量逐漸減少，表面的平滑度增大（A2，B2和C2）。這可能是由于隨著面條樣品中面筋蛋白含量的增加，面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)面積增大，淀粉顆粒被面筋網(wǎng)絡(luò)包裹得也就越緊實(shí)，因而面條表面也越平整光滑。同一面筋蛋白添加量下，與大顆粒面粉相比，小顆粒面粉制備的面條樣品凸起的淀粉數(shù)量較少，表面更平整光滑，這可能是由于小顆粒面粉粒徑小，比表面積更大[13]，與面筋蛋白相互作用時(shí)接觸面積更多，因而被面筋蛋白包裹的效果更好。同樣，隨著樣品中面筋蛋白含量的增多，小顆粒面粉制備的面條表面光滑度增大（D2，E2和 F2）。陳旭[9]將淀粉、脂質(zhì)和蛋白進(jìn)行低溫復(fù)合后用掃描電子顯微鏡觀測，也發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)與蛋白的加入使淀粉顆粒粘連在一起，并形成了一種類似微膠囊的表觀形態(tài)。

為觀測面條糊化后面筋網(wǎng)絡(luò)的變化，用羅丹明B對蒸煮后不同面筋蛋白添加量及不同粒徑面粉下制備的大顆粒面條（LN）樣品的面筋蛋白染色后進(jìn)行激光共聚焦觀測，如圖3所示。所有樣品中均無淀粉顆粒的存在，這可能是由于面條中的淀粉經(jīng)100 ℃蒸煮10 min后，已完全糊化。然而，Zou等[14]利用FITC與羅丹明B對蒸煮后的意大利面進(jìn)行染色觀測，發(fā)現(xiàn)意大利面蒸煮10 min后仍存在較多的淀粉顆粒。這可能是由于意大利面由硬質(zhì)小麥所制，品質(zhì)較硬，本就難于蒸煮透徹，而本實(shí)驗(yàn)中所制的面條為中式面條，易于蒸煮，所以兩者在原料與工藝上有很多不同之處導(dǎo)致不同的觀測結(jié)果。另外，在大顆粒和小顆粒面粉制備的面條中，隨著面筋蛋白含量的增加，其所形成的面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)面積均呈現(xiàn)擴(kuò)大的趨勢，與掃描電子顯微鏡圖片結(jié)果（圖2）一致。

2.3 熱力學(xué)特性

面條樣品的熱力學(xué)特性如表2所示。糊化溫度（To，Tp，Tc）反映淀粉結(jié)晶的熱穩(wěn)定性，而糊化焓值（ΔH）與淀粉熔融的雙螺旋數(shù)目有關(guān)[15]。大顆粒或小顆粒面粉制備的面條樣品中，隨著面筋蛋白添加量的增大，To、Tp和Tc均呈現(xiàn)升高的趨勢，而 ΔH顯著降低，表明面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)可抑制淀粉顆粒的糊化膨脹。由掃描電子顯微鏡及激光共聚焦圖片結(jié)果可知，面筋蛋白含量越高，面筋蛋白形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)面積越大，淀粉顆粒被包裹的緊實(shí)程度越高，因而需要較高溫度才能將淀粉糊化。同時(shí)，ΔH的降低主要?dú)w因于面筋蛋白的吸水性。隨著面筋蛋白的增多，體系中被面筋蛋白消耗的水分增多，淀粉所吸取的水分隨之減少，致使DSC測試過程中淀粉無法完全糊化膨脹，且面筋蛋白含量越多則此現(xiàn)象越顯著，致使淀粉顆粒糊化不完全[9]。然而，面粉或面條的粒徑大小對其熱力學(xué)特性影響不顯著，這與Mahasukhonthachat等[16]的研究結(jié)果一致。這可能是由于大顆粒與小顆粒面粉或面條之間粒徑差別較小，故沒有導(dǎo)致顯著的熱力學(xué)性質(zhì)差異。

表2 面條樣品的熱力學(xué)特性Table 2 Thermal properties of noodle samples

2.4 淀粉體外消化性

圖4 大顆粒（A）或小顆粒（B）面粉制備的面條蒸煮后淀粉的消化速率曲線圖Fig.4 Digestion kinetic profiles of the cooked noodle samples prepared from flour with large (A) or small (B) particle size

采用豬胰 α-淀粉酶在 3 U/50mg的酶濃度下研究蒸煮后面條樣品中淀粉的體外消化動(dòng)力學(xué)（圖 4）[17]。斜率對數(shù)（LOS）模型能很好地?cái)M合淀粉基食品材料的消化動(dòng)力學(xué)曲線，并因其對消化速率常數(shù)變化的高敏感性和對最終產(chǎn)品濃度的準(zhǔn)確預(yù)測性而被廣泛應(yīng)用[18]。采用LOS模型得出的消化速率（k， min-1）和120 min時(shí)的消化程度（C120， %）見表 3。所有面條樣品均呈現(xiàn)兩相消化動(dòng)力學(xué)：快相（k1）和慢相（k2）。面條消化前期速率比后期快，這是由于蒸煮過程中，面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對內(nèi)部淀粉顆粒包裹的較緊實(shí)，保護(hù)作用較大，而外部淀粉顆粒受到的破壞作用大，且α-淀粉酶是從外部開始接觸樣品的，所以面條消化的第一階段速率快，而第二階段速率慢[19]。

表3 面條中淀粉的消化速率（k, min-1）與消化程度（C120, %）Table 3 The digestion rate (k, min-1) and extent C120, %) of starch in noodles

2.4.1 面粉顆粒大小的影響

在相同面條顆粒大小及面筋蛋白添加量下，大顆粒面粉（LF）制備面條的消化速率（k1）低于小顆粒面粉（SF），與Al-Rabadi等[3]報(bào)道的大顆粒比小顆粒消化緩慢結(jié)果一致。這是由于與α-淀粉酶作用時(shí)，小顆粒面粉的比表面積更大，受到酶的作用面積會較大，因而水解的速率較快[4，20]。然而，大顆粒面粉的k2值高于小顆粒面粉，這歸因于在面條蒸煮過程中，由于小顆粒面粉的比表面積大，面筋蛋白對面條內(nèi)部小顆粒面粉包裹的致密程度比大顆粒面粉的高，致使大顆粒面粉的k2值比小顆粒面粉的大[21]。最后，大顆粒面粉的最終消化程度顯著高于小顆粒面粉。

2.4.2 面條顆粒大小的影響

在相同面粉顆粒大小及面筋蛋白添加量下，面條顆粒大小對樣品中淀粉消化速率與消化程度無顯著性影響，與樣品熱力學(xué)性質(zhì)結(jié)果（表 2）相符。然而，Zou等[5]發(fā)現(xiàn)相比于意大利面塊狀物，意大利面粉的淀粉消化速率更快。這可能是由于本實(shí)驗(yàn)中樣品的制備為不同面條顆粒大小的粉末，顆粒大小的差異小于粉末與塊狀物，因而不能導(dǎo)致顯著的消化性差異。

2.4.3 面筋蛋白添加量的影響

在相同顆粒條件下，隨著面筋蛋白含量的增加，樣品的消化速率與消化程度都呈現(xiàn)降低的趨勢。這是由于隨著面筋蛋白的增加，面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)對淀粉顆粒的物理包裹作用增強(qiáng)（如圖2），限制了淀粉酶對淀粉底物的可及度。Jenkins等[22]發(fā)現(xiàn)淀粉與蛋白之間可以形成復(fù)合物，減少淀粉與 α-淀粉酶的接觸面積。同時(shí)，López-Barón 等[23]指出蛋白在高溫處理后和淀粉的作用效果優(yōu)于未蒸煮的作用效果，表明隨著面筋蛋白含量的增多，蒸煮后淀粉-面筋蛋白復(fù)合物相互作用效果越強(qiáng)。陳旭[9]也證實(shí)面筋蛋白是可以有效吸附 α-淀粉酶，即面筋蛋白可以限制部分α-淀粉酶的活動(dòng)，從而減少酶與淀粉的作用。綜上所述，面筋蛋白包裹淀粉顆粒的物理性“保護(hù)作用”、淀粉-面筋蛋白的復(fù)合物作用以及蛋白對于α-淀粉酶的吸附作用，導(dǎo)致淀粉的消化性隨著面筋蛋白含量的增多而降低。

3 結(jié)論

本文通過構(gòu)建面條成品體系，研究了顆粒大小和面筋蛋白含量對面條中淀粉體外消化性的影響。結(jié)果表明，隨著面筋蛋白含量的增加，面條顆粒表面平滑度提高，蒸煮后面筋網(wǎng)絡(luò)面積增大。熱力學(xué)性質(zhì)表明，隨著面筋蛋白的增加，面條的糊化溫度升高，焓值降低，而面粉粒徑對面條熱力學(xué)性質(zhì)無顯著影響。消化過程中，面條前期的消化速率比后期的快，且隨著面筋蛋白含量的增多，淀粉的消化性呈現(xiàn)下降的趨勢，而面條顆粒大小對淀粉的消化速率和程度無顯著性影響。