超高壓處理對淀粉-脂質復合物結構及體外消化性影響

秦仁炳，王書軍，項豐娟，王津，王碩*

（1.天津科技大學食品營養與安全國家重點實驗室，天津 300457；2.天津科技大學食品科學與工程學院，天津 300457；3.南開大學醫學院天津市食品科學與健康重點實驗室，天津 300071）

淀粉和脂類是食品的宏量營養元素，對食品的風味、質地和營養起著重要作用。淀粉和脂質在加工過程中可形成淀粉-脂質復合物[1]。淀粉-脂質復合物具有較強的抗淀粉水解酶能力[2-4]，因此最新研究把淀粉-脂質復合物列為一種新型抗性淀粉（resistant starch，RS），即RS5[5-6]。抗性淀粉可以被腸道菌群發酵產生多種有益代謝產物如：短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）和乳酸等[7-9]，降低腸道 pH 值，促進有益菌生長，減少有害菌的滋生，在調節腸道平衡和改善機體健康方面發揮重要作用[10-12]。由于抗性淀粉對人體健康有諸多益處，因此提高食物中的RS含量是近年來食品科學領域的研究熱點。前期的研究主要集中在熱加工方法制備RS的條件優化或加工對RS的結構和消化性影響等[13-16]。但是熱加工處理往往會誘導食品中熱不穩定物質發生若干化學和物理變化，從而破壞食品的顏色、風味、口味、質地，降低某些有效成分的含量及生物可利用性[17]，因此在高級食品加工方面受到一定限制。與熱加工技術相比，非熱加工技術相對溫和，可以最大限度地降低食品加工過程中由熱引起的不利變化[18]。近年來，隨著消費者對高品質食品的訴求越來越高，非熱加工技術逐漸成為食品加工技術領域研究的熱點。而關于食品的非熱加工在食品中淀粉-脂質復合物的形成、性質以及對食品的質地和營養價值的影響報道很少[19-23]。在眾多的非熱加工技術中，由于超高壓是目前一種研究最廣泛，商業化程度最高的非熱加工技術方法，可瞬時、均勻地作用于樣品。超高壓只對較弱的非共價鍵造成一定程度的破壞，因而，一些熱不穩定物質不會受到超高壓處理的影響，故對食品天然的感官品質影響很小[24]。因此超高壓在食品加工技術領域越來越受到人們關注。

淀粉-脂質復合物作為一種重要的抗性淀粉形式（RS5），與其它類型抗性淀粉相比，具有自己獨特結構和功能，可在實驗室可控條件下制備，為研究超高壓對RS5的結構和功能變化提供了一個良好的模型系統。因此，本研究的目的是探討不同壓力處理對RS5結構和體外酶消化性影響。研究結果對進一步了解食品非熱加工處理過程中RS5的結構和功能變化，更好地控制食品加工過程中淀粉的消化具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料

高直鏈玉米淀粉VII（HA7，直鏈淀粉含量為68.70%）：宜瑞安（Westchester，IL，USA）公司；普魯蘭酶（1498NPUN/mL）、月桂酸（C12：0，LA）、α-淀粉酶（13 U/mg）：美國 Sigma公司；GOPOD 試劑盒、淀粉轉葡糖苷酶（3260單位/mL）：愛爾蘭Megazyme國際公司。所有試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

HVE-50高壓滅菌鍋：日本hirayama公司；HPP.L2-600/0.6超高壓儀：華泰森淼生物工程技術股份有限公司；DSC200 F3差示掃描量熱儀：德國NETZCH公司；UV-180紫外分光光度計：日本Shimadzu（島津）公司；D8Advance廣角X射線衍射儀：德國布魯克公司；inVia Reflex激光共聚焦拉曼光譜儀：英國雷尼紹公司；SHJ-A磁力攪拌水浴鍋：上海璽袁科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 淀粉-脂質復合物制備

淀粉-脂質復合物的制備方法是參考QIN等[16]的方法。用0.2 mol/L醋酸鈉緩沖液（pH 5.0）把HA7配成10%淀粉懸浮液然后于高壓鍋中130℃下加熱60 min，使HA7充分凝膠化。將凝膠化的淀粉糊冷卻至60℃，加入普魯蘭酶（80 NPUN/g淀粉）攪拌12 h使其充分脫支。將脫分支之后的淀粉懸浮液于130℃下再一次加熱30 min，然后加入月桂酸，其添加量為淀粉干基10%，在90℃水浴鍋中攪拌復合1 h，將復合物攪拌冷卻至25℃。淀粉-脂質復合物懸浮液2 000 g離心20 min，用50%乙醇洗滌3次。制備得到淀粉-脂質復合物命名為DHA7-LA，冷凍干燥，研磨過100 μm篩，放在密閉容器中于4℃條件下儲存備用。

1.3.2 淀粉-脂質復合物超高壓處理

準確稱取2 g DHA7-LA放入聚丙烯袋中加6 mL蒸餾水使DHA7-LA與蒸餾水充分混合。然后用真空封口機密封，放在25℃下平衡2 h后將樣品放入超高壓設備中，分別在200、300、400、500 MPa的壓力條件下25℃處理10 min。處理后樣品立即用液氮速凍（命名為 200-LA、300-LA、400-LA 和 500-LA），隨后在真空冷凍干燥機里冷凍干燥，并研磨后過100 μm篩于4℃條件下儲存備用。

1.3.3 差示掃描量熱法（differential scanning calorimetry，DSC）

利用差示掃描量熱儀和熱分析數據站對樣品的熱性能進行測量。準確稱取復合物樣品3 mg放入鋁盤坩堝中，向鋁盤坩堝內添加去離子水使水∶復合物的質量比例達到3∶1。在DSC測量之前，將制備好的樣品于25℃下平衡過夜，然后樣品以10℃/min的升溫速率從20℃加熱至135℃。用空DSC鋁盤坩堝作為空白參比，用儀器自帶的熱分析軟件分析復合物的熱轉變溫度（起始凝膠化溫度To，峰值溫度Tp，終止溫度Tc）和凝膠化焓值變化（ΔH）。每個樣品至少重復3次[25]。

1.3.4 激光共聚焦顯微拉曼光譜

首先硅片校正儀器，然后將少量樣品用載玻片壓至緊實平整，在顯微鏡視野中選擇清晰界面進行測試，激光光源為波長785 nm。具體測試參數：掃描范圍為 100 cm-1～3 200 cm-1，激光功率為 50%，分辨率為7 cm-1，每個樣品至少采集6個不同的點，使用儀器自帶軟件WIRE 2.0處理樣品圖譜，并記錄半峰寬（full width at half-maximum，FWHM）數據[3]。

1.3.5 廣角X-射線衍射（X-ray diffraction，XRD）

復合物的相對結晶度是由X-射線衍射儀在40 kV和40 mA Cu-Kα輻射（λ=0.154 06 nm）條件下進行檢測得到。首先樣品在含有飽和NaCl溶液的密閉容器中于25℃下平衡7 d后進行分析。X-射線衍射光譜的掃描范圍從 4°～35°（2θ），掃描速率為 2°/min，步長0.02°。用TOPAS 5.0軟件計算樣品的相對結晶度。

1.3.6 淀粉-脂質復合物的體外酶消化測定

參考Wang等[26]的淀粉體外消化方法對樣品進行了消化分析。具體操作方法如下：準確稱取樣品（100mg，干基）放入4.0 mL含有0.1 mmol/L乙酸鈉緩沖液（pH 5.2）中，然后加入1.0 mL新制備的含有1 645個單位的α-淀粉酶和41個單位的淀粉轉葡萄糖苷酶消化酶液，復合物/酶混合物放置于37℃磁力攪拌水浴鍋中260 r/min孵育2 h。每隔20 min取0.05 mL的水解產物，加入0.95 mL的95%乙醇混合，使消化酶失活，然后在13 000 r/min轉速下離心3 min。采用GOPOD試劑盒測定葡萄糖釋放量。水解指數（HI）用超高壓前后樣品的水解曲線下面積（0～120 min）與同一時期白面包對應面積比值的百分比表示。然后采用Granfeldt等[27]提出的經驗計算公式估算復合物的血糖指數（eGI）值。

1.4 數據分析

所有的分析都至少做了3個平行處理。數據結果的表示方法為平均值±標準偏差，對于XRD只做1次，采用SPSS 19.0統計分析軟件對結果進行單因素方差分析然后用 post-hoc Duncan’s多重比較分析（p＜0.05）測定平均值之間的顯著差異。

2 結果與分析

2.1 超高壓處理前后淀粉-脂質復合物長程有序性分析

超高壓處理前后的DHA7-LA的XRD衍射圖譜和結晶度見圖1和表1所示。

圖1 淀粉-脂質復合物經超高壓處理前后的X-射線衍射圖譜Fig.1 XRD patterns of starch-lipid complexes before and after HPP-treated

表1 拉曼和XRD檢測的淀粉-脂質復合物的結構特征Table 1 Structural characteristics of starch-lipid complexes determined by LCM-Raman and XRD

從圖1可以看出，DHA7-LA樣品在2θ為5.6°、7.5°、12.9°、16.9°、19.8°、22.6°具有明顯 XRD 衍射峰。DHA7和LA形成的復合物為典型V型晶體結構在7.5°、12.9°、19.8°（2θ）處具有明顯 XRD 衍射峰，而5.6°、16.9°、22.6°（2θ） 處的 XRD 衍射峰表明存在淀粉回生的B型淀粉晶體結構。

上述結果表明，所制備的復合物由B型和V型兩種晶體類型組成。從圖1可以看出超高壓處理沒有改變X-射線衍射類型，但是隨著壓力的逐漸增大，DHA7-LA的XRD衍射峰強度逐漸降低，結晶度從（33.8±0.5）%（DHA7-LA） 逐漸降低到（22.9±0.5）%（500-LA），衍射峰寬度逐漸增大，說明超高壓處理能破壞其淀粉-脂質復合物完美的晶體結構（圖1和表1）。主要因為超高壓處理影響復合物的單螺旋結晶結構，使水分子進入淀粉顆粒內部，使淀粉結晶區的螺旋結構打開，導致結晶度降低[28]。

2.2 超高壓處理前后復合物短程有序性分析

拉曼圖譜是表征淀粉-復合物短程有序性的重要手段，拉曼光譜中位于 480、865、940、1 264 cm-1的譜帶是與淀粉相關的典型譜帶，這些峰分別與淀粉的吡喃環的骨架振動、CH2振動、C-O-C的骨架振動和CH2OH（側鏈）振動有關[29-31]。淀粉-脂質復合物經超高壓處理后的拉曼圖譜見圖2。

由圖 2 可知，DHA7-LA 在 480、865、940、1 264 cm-1處有明顯峰出現。拉曼圖譜的480 cm-1處的半峰寬對淀粉短程有序性（即螺旋簇的排列）的變化敏感，FWHM值越小，表明淀粉短程分子有序結構越高[32-33]。由圖2和表1可以看出，淀粉-脂質復合物經超高壓處理后半峰寬呈現變寬趨勢并且480 cm-1強度也在逐漸減弱，其中 480 cm-1半峰寬從（14.18±0.43）cm-1增加到（14.85±0.24）cm-1。說明超高壓破壞了淀粉的短程有序結構且隨著壓力的增加破壞程度逐漸增大，與前面的XRD結果相一致。

圖2 淀粉-脂質復合物經超高壓處理后的拉曼圖譜Fig.2 Raman spectra of starch-lipid complexes before and after HPP-treated

2.3 淀粉-脂質復合物熱力學性質分析

超高壓處理前后淀粉-脂質復合物的DSC熱分析圖和相應的熱轉變溫度（To、Tp和 Tc）及焓變化（ΔH）如表2所示。

DHA7-LA復合物有兩個吸熱轉變溫度，Tp1和Tp2分別為I型復合物和II型復合物的峰值溫度，分別為（95.5±0.3）℃和（113.4±0.3）℃。超高壓處理后Tp1和Tp2峰呈現增加的變化趨勢，而總ΔH呈現先增加后減少的趨勢，表明超高壓能夠顯著影響復合物組成和含量，從表2可以看出處理壓力為200 MPa就能使II型的淀粉-脂質復合物向I型復合物轉變，到300 MPa時II型復合物焓值顯著減少從（7.2±0.1）J/g降低到（2.6±0.8）J/g，I型復合物焓值由（0.6±0.1）J/g增加到（5.1±0.8）J/g，但是200 MPa～300 MPa處理時復合物總焓值并沒有減少，說明復合物類型遭到改變，但是復合物總量并沒有減少，隨著壓力進一步升高復合物總焓值逐漸降低，其中在400 MPa處理后復合物總焓值為5.6 J/g，在500 MPa未檢測到II型復合物熔融峰，復合物總量也最低為（3.4±0.6）J/g，表明超高壓能有效破壞淀粉-脂質復合物結構且隨著壓力的升高破壞能力逐漸增強。隨壓力升高，I型復合物和II型復合物相轉變溫度逐漸升高，其中凝膠化峰值溫度Tp1由（95.5±0.3）℃升高到（97.9±0.5）℃，Tp2由（113.4±0.3）℃升高到（120.2±0.4）℃。另外凝膠化起始溫度和凝膠化終止溫度也都有一定提高。凝膠化轉變溫度升高可能是：（1）由于超高壓處理后DHA7-LA樣品中較不穩定的復合物晶體結構熔融，留下更穩定的殘余晶體，從而導致更高的熔融溫度[34-35]；（2）超高壓處理壓力或退火過程中能使一部分IIa型復合物向結構更穩定，熔融溫度更高的IIb型晶體結構轉變；（3）超高壓作用下，淀粉晶體結構的破壞導致無定形區域的增加可能阻礙了水的吸收和淀粉溶脹，從而減緩了淀粉-脂質復合物粉晶體的熔融[36]。

表2 超高壓處理前后淀粉-脂質復合物的熱力學參數表Table 2 Thermal properties of starch-lipid complexes before and after HPP-treated

2.4 淀粉-脂質復合物樣品的體外消化性

淀粉-脂質復合物樣品的體外酶消化圖譜如圖3所示。所有樣品均表現出初始階段消化速度快，約60 min后消化速度就趨于平穩。對超高壓處理前后淀粉-脂質復合物的快消化淀粉、慢消化淀粉、抗性淀粉和評估血糖指數進行計算結果見表3。

圖3 淀粉-脂質復合物經超高壓處理前后的體外消化圖譜Fig.3 In vitro starch digestograms of starch-lipid complexes before and after HPP-treated

表3 超高壓處理前后淀粉-脂質復合物體外消化性和評估血糖指數Table 3 In vitro digestibility and estimated glycemic index of starch-lipid complexes before and after HPP-treated

從表3可以看出DHA7-LA復合物的最終消化率為 54.0%，評估血糖值數（eGI）為 56.4±0.6，淀粉-脂質復合物為中eGI食物[37]。超高壓提高DHA7-LA的消化性，主要因為超高壓處理影響了DHA7-LA復合物的結晶結構類型，破壞復合物的長程-短程有序性，導致DHA7-LA復合物結構變得疏松，更易于與淀粉酶接觸發生水解，另外淀粉-脂質復合物含量降低，所以RDS含量呈現上升趨勢，RS含量呈下降趨勢。

3 結論

本文研究了一種重要的非熱加工方式——超高壓對DHA7-LA處理后結構和體外消化性的影響。研究結果顯示，DHA7-LA為V型晶體和B型晶體混合物，超高壓處理后的DHA7-LA晶體類型未發生明顯變化，但是結晶度顯著減少，XRD衍射峰明顯變寬完美晶體結構遭到破壞，短程分子有序性變差，復合物類型由II型轉變成I型直至消失。同時超高壓處理后RDS升高，RS含量下降，eGI升高。結果表明超高壓處理能對新型抗性淀粉（RS5）結構和體外消化性造成顯著影響，研究結果對于深入理解抗性淀粉在超高壓加工過程中的變化具有重要的理論和實踐意義。