濕熱處理對油莎豆淀粉理化性質、結構及體外消化特性的影響

曹 旭, 辛明航, 劉婷婷, 張閃閃, 王大為

(吉林農業大學食品科學與工程學院1，長春 130118) (農業農村部食用菌加工技術集成科研基地2，長春 130118) (吉林省糧食精深加工與高效利用工程研究中心3，長春 130118) (吉林省糧食精深加工與副產物高效利用技術創新重點實驗室4，長春 130118)

油莎豆又名油莎草(CyperusesculentusL.)原產于非洲地中海沿岸國家，莎草科莎草屬多年生草本植物[1]。油莎豆的含油量高達20%～35%，國內加工業大多數以提取油莎豆油脂為主[2，3]，對油莎豆提油之后副產物研究較少。油莎豆提油后所剩豆粕含有豐富的淀粉、糖類、蛋白質等，且豆粕中淀粉質量分數為24.63%～36.49%，為豆粕中主要成分[4]，因此對油莎豆豆粕中淀粉的研究具有重大意義。

濕熱處理(heat-moisture treatment，HMT)是指在低含水量(通常≤35%)和一定溫度下(高于玻璃化轉變溫度但低于糊化溫度)加熱處理一段時間，以達到改變淀粉理化性質的目的，屬于物理改性方法[5]，是一種經濟安全的改性方法，僅涉及水和熱，不會引入其他的化學物質[6]。HMT能夠改變淀粉分子的結構和理化性質，如提高糊化溫度和熱穩定性，降低老化度及消化率等[7]。目前淀粉的濕熱處理研究主要集中于玉米淀粉、馬鈴薯淀粉和大米淀粉等常見谷物品種上[8]，然而HMT對油莎豆淀粉理化性質影響的研究鮮有報道。本實驗以油莎豆豆粕為原料制備油莎豆淀粉，研究濕熱改性對油莎豆淀粉理化性質、結構及體外消化特性的影響，以期為油莎豆淀粉的深度開發與應用提供一定的參考。

1 材料和方法

1.1 材料與試劑

油莎豆：產地為吉林省長嶺縣；油莎豆豆粕：實驗室自制；直鏈淀粉標品；支鏈淀粉標品；豬胰腺α-淀粉酶(14 U/mg)；淀粉葡萄糖苷酶(105U/g)；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

Phenom Pro掃描電子顯微鏡，Mastersizer 3000E型激光粒度儀，MiniFlx 600型臺式X射線衍射儀，Nicolet iS20型傅里葉紅外光譜儀，DSC-25型差示掃描量熱儀。

1.3 方法

1.3.1 油莎豆淀粉的提取

參照王璐陽等[9]方法，略加改動。以超臨界CO2萃取油莎豆油的萃余物油莎豆豆粕為原料，脂肪質量分數為(1.24±0.29)%，取25 g油莎豆豆粕于燒杯中，加入150 mL 0.3%的氫氧化鈉溶液，在常溫下攪拌2 h，離心處理(3 800 r/min，20 min)，去上清液，將沉淀上層黃褐色物質層除去，沉淀用去離子水分散并調 pH 至中性，洗滌篩分(200目)，然后將沉淀物的白色淀粉層重新分散于去離子水中并離心，重復該過程直至黃色層不可見。將所得沉淀進行真空冷凍干燥并研磨過200目篩，即為油莎豆淀粉，其脂質(0.44±0.04)%，蛋白質(0.27±0.06)%。

1.3.2 油莎豆淀粉的濕熱處理

準確稱量25 g油莎豆淀粉，調節含水量至20%、25%、30%、35%，攪拌均勻后密封于容器內，置于4 ℃環境下24 h平衡水分。水分平衡結束后轉移至110 ℃烘箱內進行2h的密閉濕熱處理。冷卻到環境溫度后，于40 ℃對流烘箱內干燥至恒重，將樣品研磨過200目篩進行篩選，根據處理含水量不同，將樣品記為HMT-20、HMT-25、HMT-30與HMT-35。

1.3.3 掃描電子顯微鏡觀察

將少量淀粉樣品分散在粘有導電膠的樣品臺上，噴金處理，在5 000倍放大倍數下獲得淀粉顆粒的代表性數字圖像。

1.3.4 粒徑分布測定

將樣品置于燒杯內，加入去離子水制成濃度為1%淀粉乳液進行粒徑分布測定。測定淀粉樣品的折射率設置為1.53，分散劑蒸餾水的折射率設置為1.33。

1.3.5 X射線衍射測定

衍射儀在40 mA和40 kV下工作，使用波長為0.1 542 nm的Cu-Kα輻射作為X射線源。衍射角2θ掃描范圍：5°～40°，掃描速率：4(°)/min，掃描步長：0.02°。使用MDI jade 6.0軟件計算相對結晶度。

1.3.6 傅里葉變換紅外光譜測定

在測定范圍4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描次數32次的條件下繪制淀粉樣品的紅外光譜圖。對所繪制的紅外光譜圖進行自動基線校正，縱坐標歸一化處理。使用Omnic 8.0軟件對紅外光譜在1 200～900 cm-1之間進行去卷積處理，設置增強因子為1.9，半峰寬19 cm-1，計算R1 045 cm-1/1 022 cm-1峰強度比值大小。

1.3.7 熱力學特性測定

將2 mg樣品與4 μL去離子水混合，于鋁制坩堝內密封，室溫平衡24 h。將樣品坩堝以10 ℃/min的升溫速率從20 ℃升溫至120 ℃，并以空坩堝為基準。分析DSC熱流曲線計算淀粉樣品的初始糊化溫度(To)、峰值糊化溫度(Tp)和糊化焓值(ΔH)。

1.3.8 直鏈淀粉含量測定

濕熱處理前后油莎豆淀粉中直鏈淀粉含量的測定，具體操作步驟參照GB/T 15683—2008《大米—直鏈淀粉含量的測定》。

1.3.9 溶解度和膨潤力測定

取0.4 g淀粉樣品，置于50 mL離心管中，加入20 mL蒸餾水，搖勻振蕩后分別置于50、60、70、80、90 ℃恒溫水浴中加熱30 min，每5 min振蕩1次。樣品取出后冷卻，離心分離(3 800 r/min，20 min)，分離沉淀與上清液。上清液倒入鋁皿內，于105 ℃的空氣干燥箱干燥至恒重。按公式計算淀粉樣品的溶解度與膨潤力。

式中：S為溶解度/%；P為膨潤力/g/g；A為上清液恒重/g；W為樣品質量/g；B為沉淀物濕重/g。

1.3.10 體外消化特性測定

參照 Englyst 等[10]的體外模擬酶水解法。準確稱取200 mg淀粉(干基)于錐形瓶中，加入醋酸-醋酸鈉緩沖液(0.2 mol/L、pH5.2)15 mL，沸水浴中振蕩糊化20 min后，冷卻至室溫后加入豬胰腺α-淀粉酶(290 U/mL)和糖化酶(15 U/mL)混合酶溶液10 mL，于37 ℃恒溫水浴中振蕩保溫，在20 min和120 min時，分別取出1 mL水解液，采用DNS法測定體系中還原糖含量。油莎豆淀粉樣品中易消化淀粉(RDS)、緩慢消化淀粉(SDS)與抗性淀粉(RS)的含量用公式計算。

RS=(1-RDS-SDS)×100%

式中：G20為酶解20 min后釋放的葡萄糖質量/mg；G120為酶解120 min后釋放的葡萄糖質量/mg；TS為總淀粉干基質量/mg；FG為游離葡萄糖質量/mg。

1.4 數據分析

均進行3次重復實驗，數據表示為平均值±標準差。采用SPSS 23.0中Duncan檢驗進行方差分析，P<0.05表示差異顯著。采用Origin 2018進行圖像繪制。

2 結果與分析

2.1 淀粉顆粒形貌結構

濕熱處理前后油莎豆淀粉的電鏡圖像如圖1所示。油莎豆淀粉顆粒完整表面光滑輪廓清晰、大顆粒均成卵型，小顆粒為球形，這與Akonor等[11]的研究結果保持一致。由電鏡圖片可知，濕熱處理使油莎豆淀粉顆粒出現了表面凹陷和顆粒聚集的現象，隨著濕熱處理含水量的提高，樣品中出現凹陷的淀粉數量不斷增多，HMT-30和HMT-35中淀粉顆粒并產生黏附聚集現象，且HMT-35中淀粉顆粒的聚集程度大于HMT-30。由圖1可知，濕熱處理對油莎豆淀粉顆粒形貌影響情況與濕熱處理含水量成正相關，濕熱處理導致淀粉鏈間互作，產生致密結構，使顆粒表面更于易形成凹陷；同時它也改變了顆粒凝聚程度，使得淀粉顆粒黏附成團[12]。

圖1 濕熱處理前后油莎豆淀粉掃描電鏡圖像(5 000×)

濕熱處理對油莎豆淀粉顆粒粒徑分布的影響如表1所示，油莎豆淀粉經過濕熱處理，淀粉顆粒粒徑呈現逐漸增大趨勢，并隨著濕熱處理含水量提高，其顆粒粒徑分布范圍不斷擴大。這可能是由于濕熱處理促使水分子進入淀粉結構內部，導致淀粉顆粒表面膨脹或局部糊化，從而使淀粉顆粒粒徑增大[13]。

表1 濕熱處理前后油莎豆淀粉顆粒的粒徑分布

2.2 淀粉結晶結構和相對結晶度

圖2為濕熱處理前后油莎豆淀粉X-射線衍射圖譜。油莎豆淀粉在2θ約為15°、17°、18°以及23°處顯現比較強特征衍射峰，說明油莎豆淀粉為典型的A型結晶結構。經濕熱處理后，油莎豆淀粉的A型特征衍射峰仍清晰可見，仍主要表現為A型結晶結構。所有淀粉樣品的衍射圖譜中20°(2θ)處附近顯現一個小衍射峰，該峰可能是由脂質和直鏈淀粉相互作用形成的無定形峰，該峰在玉米淀粉的濕熱處理過程中也被發現[14]。表2列出了濕熱處理前后油莎豆淀粉相對結晶度的變化情況，可知隨著濕熱處理含水量的提高，油莎豆淀粉樣品的相對結晶度呈現逐漸降低的變化趨勢。濕熱處理中熱能與水分子的運動破壞了淀粉顆粒中原有氫鍵，使淀粉分子鏈雙螺旋結構、有序排列和致密性發生變化，導致淀粉分子結構中雙螺旋結構解旋，致使油莎豆淀粉結晶結構遭到破壞，結晶度下降[15]。

圖2 濕熱處理前后油莎豆淀粉X-射線衍射圖譜

表2 濕熱處理前后油莎豆淀粉相對結晶度與短程有序程度

2.3 淀粉短程有序結構

圖3為濕熱處理前后油莎豆淀粉紅外光譜，3 400 cm-1處吸收峰歸因于O—H的伸縮振動；2 900 cm-1處的吸收峰歸因于C—H的伸縮振動；1 647 cm-1處的吸收峰歸因于H—O—H的彎曲振動；576 cm-1處吸收峰歸因于C—O—C骨架振動，為淀粉特征峰[16]。由圖3可知，濕熱處理前后油莎豆淀粉特征基團吸收峰出現位置幾乎沒有發生改變，表明濕熱處理沒有引起油莎豆淀粉產生新的分子基團或化學鍵。

圖3 濕熱處理前后油莎豆淀粉紅外光譜

圖4為濕熱處理前后油莎豆淀粉紅外光譜去卷積圖譜，紅外光譜中1 045 cm-1與1 022 cm-1處吸收峰強度比值的大小能夠代表淀粉分子結構中短程有序結構的變化情況[17]，結果如表1所示。濕熱處理前后油莎豆淀粉R1 045 cm-1/1 022 cm-1的比值呈現先上升后下降趨勢，即油莎豆淀粉短程有序程度呈現為先上升后下降的變化趨勢。HMT-25前淀粉短程有序化程度呈現上升的原因可能是由于無定形區域的淀粉分子鏈排列雜亂無序，致密性低，在較低含水量的濕熱處理中，淀粉分子鏈受到水和熱協同作用導致原有排列方式被破壞。與此同時，自由運動的分子鏈又重新聚集和取向，形成新的雙螺旋有序結構，從而提高無定形區的短程有序化程度[18]。HMT-25后淀粉短程有序化程度呈現下降的原因可能是高水分的濕熱處理造成了淀粉分子內部原有氫鍵的破壞，致使淀粉分子結構內雙螺旋結構遭到破壞，并且高含水量的濕熱處理，更能夠促使淀粉分子和水分子二者相結合形成新的氫鍵，造成淀粉顆粒結構中結晶結構和無定型區域內螺旋結構的破壞，使其短程有序化程度呈現下降趨勢[19]。

圖4 濕熱處理前后油莎豆淀粉紅外光譜去卷積圖譜

2.4 淀粉熱力學特性

由表3可知，與油莎豆原淀粉相比，濕熱改性后淀粉樣品有較高的T0、Tp和較低的ΔH。T0和Tp較原淀粉均有所提高，表明濕熱處理引起了淀粉分子中部分支鏈淀粉分子發生降解，加強了淀粉內部分子鏈間相互作用，形成了新的雙螺旋結構，使晶體結構變得更為致密，淀粉結構剛性增加，從而需要更多熱量才可以讓淀粉糊化。ΔH能夠表示糊化過程中解開并融化淀粉顆粒中雙螺旋結構的數量[20]。濕熱處理導致油莎豆淀粉ΔH不斷減小，說明濕熱處理造成了淀粉顆粒結晶區域和非晶區域內雙螺旋結構的破壞，從而導致淀粉結晶結構破壞[21]，并且隨著濕熱處理含水量的增加，淀粉的雙螺旋結構破壞程度呈現上升趨勢，這與X射線衍射的實驗結果保持一致。

表3 濕熱處理前后油莎豆淀粉熱力學參數

2.5 淀粉中直鏈淀粉的含量

淀粉中直鏈淀粉的含量是影響其理化性質的重要因素之一，圖5為不同含水量下濕熱處理油莎豆淀粉中直鏈淀粉含量。油莎豆原淀粉的直鏈淀粉質量分數為17.33%，經過濕熱處理過后的油莎豆淀粉直鏈淀粉含量較原油莎豆淀粉均有提高，以HMT-35時直鏈淀粉的質量分數最高，為19.88%。在濕熱處理過程中，油莎豆淀粉分子可能是在水分子和熱能協同作用下，促使部分支鏈淀粉的分支結構斷裂或較長直鏈淀粉形成短鏈直鏈淀粉分子，從而提高了整體的直鏈淀粉質量分數[22]。

圖5 濕熱處理前后油莎豆淀粉中直鏈淀粉含量

2.6 淀粉溶解度與膨潤力

溶解度與膨潤力能夠代表油莎豆淀粉的持水能力與顆粒內部結合能力。圖6為濕熱改性前后油莎豆淀粉在50～90 ℃條件下溶解度和膨潤力的變化情況。由圖可知油莎豆淀粉經濕熱處理其溶解度和膨潤力呈逐漸下降趨勢。濕熱處理使油莎豆淀粉顆粒內部部分支鏈淀粉降解，生成較多直鏈淀粉，并引起淀粉內部結構重新排列，直鏈淀粉與直鏈淀粉、支鏈淀粉間相互作用，從而形成更有序的淀粉簇，使得淀粉分子內部鍵能變強，雙螺旋結構變得更加緊密，使淀粉的致密化程度提高，顆粒內部的淀粉分子不易溶出，降低淀粉顆粒與水結合能力，所以使淀粉得溶解度與膨潤力降低[23]。

圖6 濕熱處理前后油莎豆淀粉溶解度與膨潤力

2.7 淀粉體外消化特性

圖7為濕熱處理前后油莎豆淀粉的體外消化特性。由圖可知油莎豆原淀粉中RDS質量分數為89.55%，SDS質量分數為8.97%，RS質量分數為1.48%。隨著濕熱處理含水量的不斷增加，油莎豆淀粉的體外消化特性呈現先下降后上升的趨勢，在HMT-25時淀粉中RDS的質量分數最低，為74.52%，SDS和RS質量分數最高，分別為18.72%和6.76%。

圖7 濕熱處理對油莎豆淀粉體外消化特性影響

適宜含水量的濕熱處理有利于淀粉分子中原有結構破壞與淀粉分子鏈遷移，增強無定型區域中分子鏈間互作，提高淀粉的抗消化性能[24]。HMT-25之前，淀粉中SDS和RS的含量逐漸增加，RDS逐漸減少，這可能是因為隨著濕熱處理過程中含水量的增加，進入淀粉顆粒中的水分子增多，淀粉顆粒中原有的氫鍵結構受到破壞，使得無定形區域和結晶區域內的淀粉分子鏈自由度增加并進一步相互交織，促使破裂的晶體結構更加完美與RDS向SDS和RS的轉變，使得油莎豆淀粉SDS與RS含量增加[25]。HMT-25時油莎豆淀粉的抗消化能力最強，得益于此時濕熱處理恰當的含水量，使淀粉顆粒內分子鏈排列的更為有序，分子結構更為完美。HMT-25之后，高溫高濕的濕熱處理條件使得油莎豆淀粉顆粒膨脹，淀粉分子鏈破壞程度變大，短程有序化程度降低，導致淀粉酶更容易水解淀粉，從而使得油莎豆淀粉的SDS和RS含量降低[26]。這與上述淀粉短程有序化結構變化趨勢相同。

3 結論

以不同含水量的濕熱處理對油莎豆淀粉進行濕熱改性，研究濕熱處理對油莎豆淀粉理化性質、結構及體外消化特性的影響。結果表明：濕熱處理后油莎豆淀粉顆粒表面的凹陷不斷增多并伴有糊化團聚現象的發生，淀粉的顆粒粒徑和直鏈淀粉含量呈現不斷增大趨勢；濕熱處理并沒有改變油莎豆淀粉原有A型晶體結構，隨著濕熱處理水分質量分數的不斷提高，油莎豆淀粉的相對結晶度、糊化焓值(ΔH)、溶解度和膨潤力呈現逐漸降低的變化趨勢；油莎豆淀粉的體外消化特性呈現先上升后下降趨勢并在HMT-25時油莎豆的易消化淀粉達到最低為74.52%。濕熱處理對油莎豆淀粉理化性質產生一定影響，能夠提高油莎豆淀粉的熱穩定性，降低淀粉的體外消化率。