高直鏈玉米III型抗性淀粉制備及其結構和特性

曾凱驍，王鵬杰，任發政,，張樹成，張嘉茜，劉思源,*，文鵬程,*

（1.甘肅農業大學食品科學與工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.中國農業大學營養與健康系，北京 100083；3.煙臺雙塔食品股份有限公司，山東 煙臺 265400）

1982年英國生理學家Englyst等[1]發現了一類不能被淀粉酶水解的淀粉，并將這種具有酶抗性的淀粉稱之為抗性淀粉[2]。目前，抗性淀粉可分為5 類[3]：I型（物理包埋淀粉），主要存在于部分研磨的谷物和種子中；II型（抗性淀粉顆粒），主要存在于天然高直鏈玉米、綠香蕉和生馬鈴薯等淀粉中；III型（回生淀粉），指淀粉經過糊化、老化過程而產生的抗消化淀粉；IV型（化學改性淀粉），指通過酯化、醚化作用形成的交聯淀粉；V型（直鏈淀粉-脂類復合物），指淀粉與脂肪酸或脂肪醇等形成的復合物。其中III型抗性淀粉具有熱穩定性高、持水性低、無異味、口感細膩等特性[4]，在食品研究、開發與生產應用中潛力巨大。

近些年，雖然有關III型抗性淀粉的制備研究較多，但以高直鏈玉米淀粉為原料研制III型抗性淀粉，并研究其結構和消化特性卻鮮有報道。相較于普通谷物類、薯類和豆類淀粉，高直鏈玉米淀粉具有直鏈淀粉含量高、淀粉分子鏈線性好、分子質量小、淀粉鏈排列緊密等特性，有研制高得率III型抗性淀粉的優勢。III型抗性淀粉也因其具備綠色標簽、抗性淀粉含量高、具有飽腹感、消化率低、血糖生成指數低等特點，受到人們的廣泛關注[5]。

本研究以高直鏈玉米淀粉G50（直鏈淀粉占比約50%）和G70（直鏈淀粉占比約70%）為原料研制高抗消化性的III型抗性淀粉；采用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）、X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）對抗性淀粉的結構特征進行分析，并采用差示掃描量熱（differential scanning calorimetry，DSC）、快速黏度分析儀（rapid viscosity analyser，RVA）、體外模擬抗性淀粉在人體的消化等方法對抗性淀粉的功能特征進行分析，以探究抗性淀粉結構和功能特征與其抗消化特性之間的關系，有助于進一步了解抗消化性機制，為國產III型抗性淀粉的商業化生產和應用提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

Gelose 50高直鏈玉米淀粉（G50）、Gelose 70高直鏈玉米淀粉（G70） 荃銀祥玉（北京）生物科技有限公司；普魯蘭酶（濃度1 000 NPUN/g）、α-淀粉酶（比活力30 U/mg）、淀粉葡萄糖苷酶（濃度260 U/mL）西格瑪奧德里奇（上海）貿易有限公司；D-葡萄糖檢測試劑盒（GOPOD法） 愛爾蘭Megazyme公司；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

JSM-7610F型SEM 日本電子株式會社；D8 Advance型XRD儀 德國Bruker公司；214 Polyma DSC儀美國TA Instruments公司；4800型RVA 澳大利亞Perten公司；DHG-9140A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司；KA-1000臺式離心機 上海安亭科學儀器廠；ME2002電子天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 高直鏈玉米III型抗性淀粉的制備

參考Li Liying等[6]方法并稍作修改，以G50和G70為原料，采用酸解、糊化、脫支和重結晶制備高直鏈玉米III型抗性淀粉，記為G50-RS3和G70-RS3。

1.3.1.1 酸解

精確稱取一定質量的G50或G70（干基）于錐形瓶中，加入0.8 mol/L HCl溶液配制成質量分數30%的淀粉乳，置于50 ℃恒溫搖床中振蕩水解20 h。用4.0 mol/L NaOH溶液將酸解后的淀粉乳中和至中性，再用無水乙醇和蒸餾水分別清洗3次，置于45 ℃烘箱中隔夜烘干，得到酸解淀粉。按下式計算酸解后得率：

1.3.1.2 糊化

精確稱取一定質量的G50或G70酸解淀粉于燒杯中，加入適量0.01 mol/L pH 4.0乙酸鈉緩沖液配制成質量分數為6.25%的淀粉乳，置于130 ℃恒溫油浴鍋中劇烈攪拌2 h（預糊化），轉移至121 ℃高壓滅菌鍋中糊化1 h，得到糊化淀粉。

1.3.1.3 脫支

將G50或G70糊化淀粉乳冷卻至50 ℃，然后按照酸解淀粉（干基）的質量計算，每克淀粉添加0.13 mL普魯蘭酶，置于50 ℃恒溫搖床中脫支反應24 h，轉移至121 ℃高壓滅菌鍋中滅酶殺菌30 min，得到脫支淀粉。

1.3.1.4 重結晶

將G50或G70脫支淀粉乳置于30 ℃恒溫培養箱中老化24 h，用蒸餾水清洗后置于45 ℃烘箱中隔夜干燥，粉碎通過125 μm篩得到G50-RS3和G70-RS3。按下式計算重結晶后得率：

1.3.2 高直鏈玉米III型抗性淀粉的退火處理

采用Jacobasch等[7]的方法并進行少量修改。精確稱取一定質量的G50-RS3或G70-RS3于錐形瓶中，分別使用蒸餾水配制成含水率為40%、50%、60%、70%（淀粉質量按干基計）的淀粉乳樣品。將不同含水率的樣品分別混合均勻，密封后水合12 h，置于烘箱中90 ℃加熱24 h。加熱結束后在室溫下冷卻3 h停止退火，將樣品于45 ℃隔夜烘干得到退火處理的抗性淀粉樣品，記為G50-RS3-退火40%、G50-RS3-退火50%、G50-RS3-退火60%、G50-RS3-退火70%、G70-RS3-退火40%、G70-RS3-退火50%、G70-RS3-退火60%、G70-RS3-退火70%。

1.3.3 高直鏈玉米III型抗性淀粉的壓熱處理

采用Jacobasch等[7]的方法并進行少量修改。精確稱量一定質量的G50-RS3或G70-RS3于錐形瓶中，分別使用蒸餾水配制成含水率為10%、20%、30%、40%（淀粉質量按干基計）的淀粉乳樣品。將不同含水率的樣品分別混合均勻，密封后水合12 h，置于121 ℃高壓滅菌鍋中壓熱1 h。壓熱結束后在室溫下冷卻2 h停止壓熱，將樣品于45 ℃隔夜烘干得到壓熱處理的抗性淀粉樣品，記為G50-RS3-壓熱10%、G50-RS3-壓熱20%、G50-RS3-壓熱30%、G50-RS3-壓熱40%、G70-RS3-壓熱10%、G70-RS3-壓熱20%、G70-RS3-壓熱30%、G70-RS3-壓熱40%。

1.3.4 高直鏈玉米III型抗性淀粉的形貌測定[8]

將抗性淀粉樣品均勻涂抹在樣品臺上，進行噴金處理，通過SEM觀察淀粉顆粒形貌。掃描條件：電壓100 kV；加速電壓20 kV；放大100、300、1 000 倍。

1.3.5 高直鏈玉米III型抗性淀粉的結晶結構測定[9]

取抗性淀粉樣品在25 ℃和100%相對濕度下平衡24 h，進行XRD檢測。衍射條件：特征射線CuKα；電壓40 kV；電流44 mA；掃描范圍1°～45°；掃描速率2°/min。使用MDI Jade 6軟件計算淀粉的相對結晶度。

1.3.6 高直鏈玉米III型抗性淀粉的溶解度與膨脹度測定

在15 mL離心管中加入0.1 g抗性淀粉樣品，用蒸餾水配制成質量分數為1%的淀粉乳，于80 ℃加熱30 min，每5 min振蕩1次。待其冷卻至室溫后，置于離心機中4 500 r/min離心15 min，稱量沉淀質量（m1）。將上清液置于105 ℃烘箱中烘至質量恒定，稱量被溶解的抗性淀粉質量（m2）。按式（3）、（4）計算抗性淀粉的溶解度和膨脹度[10]。

式（3）、（4）中：m為淀粉干基質量。

1.3.7 高直鏈玉米III型抗性淀粉的熱性能測定[11]

采用DSC儀進行測定，準確稱取10 mg淀粉樣品到不銹鋼盤中，然后使用微量注射器加入3 倍質量的蒸餾水徹底水合。將盤密封后，樣品在室溫下平衡2 h以上，然后以10 ℃/min速率從10 ℃掃描到140 ℃。使用Pyris 13.3.1.0014軟件分析DSC譜圖中吸熱峰的起始糊化溫度（To）、峰值糊化溫度（Tp）和終止糊化溫度（Tc）。每個樣品測試3次[11]。

1.3.8 高直鏈玉米III型抗性淀粉的糊化特性測定

采用RVA標準程序，通過TCW3軟件得到抗性淀粉糊化溫度、峰值時間、峰值黏度、最終黏度、低谷黏度、崩解值和回生值等糊化參數[12]。

1.3.9 高直鏈玉米III型抗性淀粉的體外消化特性測定

采用Englyst等[13]的方法并進行少量修改。實驗使用的高直鏈玉米淀粉G50和G70的總淀粉含量均為97.5%。具體方法如下：精確稱量600 mg抗性淀粉樣品（干基）于50 mL離心管中，加入15 mL蒸餾水在沸水浴中攪拌蒸煮10 min。蒸煮結束后向淀粉樣品中加入5 mL乙酸緩沖液、50 mg瓜爾膠，并在37 ℃水浴中平衡樣品10～15 min。然后加入5 mL新制備的α-淀粉酶（30 U/mg）和淀粉葡萄糖苷酶（260 U/mL）的混合酶，充分渦旋，于37 ℃水浴中水解淀粉。水解至第20、120分鐘時，分別取出250 μL樣品（記為G20、G120樣品），將其轉移至含有10 mL 66%乙醇溶液的離心管中充分渦旋，3 000×g離心10 min。取100 μL上清液，用MegazymeD-葡萄糖檢測試劑盒測定酶解20、120 min后釋放的葡萄糖量。并按下式計算抗性淀粉樣品的快速消化淀粉（20 min內消化）、慢消化淀粉（消化20～120 min）和抗性淀粉（120 min內不消化）含量：

式（5）～（7）中：AG20、AG120和Astd分別為G20、G120樣品和葡萄糖標準液的吸光度；m1為淀粉濕基質量/g；m0為淀粉干基質量/g；10為乙醇體積/mL；0.25為加入離心管的樣品體積/mL；25為淀粉消化液總體積/mL；0.9為葡萄糖含量轉換為淀粉含量的換算系數；97.5為高直鏈玉米淀粉的總淀粉含量/%。

1.4 數據處理

2 結果與分析

2.1 酸解、重結晶對高直鏈玉米III型抗性淀粉得率的影響

淀粉是由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成，其片層結構是由有序的結晶區域和無序的無定形區域構成[14]。無定形區中淀粉分子鏈排列疏松容易被酸和酶水解，分子平均聚合度降低，其中聚合度小于10的短分子鏈容易被洗脫[15]。由表1可知，G70酸解后和重結晶后的得率均大于G50，原因是G70中直鏈淀粉含量大于G50，而支鏈淀粉對酸解和酶解的抵抗性弱，導致G50更容易被酸和酶水解，該結果與閆溢哲等[16]研究結果一致。

表1 G50和G70高直鏈玉米淀粉酸解后和重結晶后的得率Table 1 Yields of type III resistant starch from high-amylose maize starch G50 and G70 after acid hydrolysis and recrystallization

2.2 高直鏈玉米III型抗性淀粉的形貌分析

結合抗性淀粉樣品消化特性的結果，選擇退火和壓熱處理時抗性淀粉含量最高的G50-RS3-退火60%、G70-RS3-退火60%、G50-RS3-壓熱20%、G70-RS3-壓熱20%樣品做形貌分析，探究淀粉顆粒的形貌與高抗消化性之間的關系。

由圖1a和b可知，兩種高直鏈玉米淀粉表面光滑，都出現長條狀復合顆粒結構，其中G70顆粒尺寸更小，大小相對均一。由圖1c和d可知，G50-RS3和G70-RS3與G50和G70相比發生了明顯的變化，兩種III型抗性淀粉均形成了大小不等、顆粒形貌不規則的聚集體。還可明顯地看出G50-RS3原有的淀粉顆粒形貌已被完全破壞，而G70-RS3還存在顆粒狀形貌（黃色箭頭），這可能是因為G70比G50直鏈淀粉含量高，分子排列更緊密，所以G70耐高溫、抗酸解和抗脫支能力更強。此外，G50-RS3和G70-RS3經過退火和壓熱后形成了由更為細小的顆粒組成的聚集體，這可能是由于退火和壓熱處理細化了重結晶淀粉的晶粒，完美了結晶結構，消除了結構缺陷，所以使高直鏈玉米III型抗性淀粉的抗酶解性更強。

圖1 放大1 000 倍下G50、G70高直鏈玉米淀粉及其III型抗性淀粉的SEM圖Fig. 1 SEM images of high-amylose maize starch and type III resistant starch

2.3 高直鏈玉米III型抗性淀粉的結晶結構分析

由圖2可知，原G50和G70的XRD曲線在5.5°、15.0°、17.3°和20.0°附近呈現4個強衍射峰，這是典型的B+V型結晶結構，其中20.0°處的衍射峰說明，高直鏈玉米淀粉中直鏈淀粉與淀粉本身的脂質形成了直鏈淀粉-脂質復合物，顯示出V型的結晶結構[17-18]；改性后淀粉樣品的XRD曲線在17.3°、20.0°、22.5°和24.0°附近呈現4個強衍射峰，并伴隨5.5°處衍射峰的消失，這表明經過改性處理高直鏈淀粉的結晶類型由B+V型向A+V型轉變[19]。原因是G50和G70淀粉經酸解和酶解脫支以后，淀粉結晶結構重新排列，晶胞中的水分減少，因此變為結晶結構更為緊密的A+V型，而退火和壓熱處理修復了G50-RS3和G70-RS3的殘缺結晶結構，使結晶結構更加穩定，所以退火和壓熱處理后淀粉樣品的結晶型保持A+V型。

依據結晶峰面積占總面積的百分比可計算淀粉樣品的結晶度[20]。如圖2所示，G50-RS3和G70-RS3相比于G50和G70衍射峰強度增大，結晶度明顯提升，這主要是淀粉酶解脫支后形成了大量短直鏈，這些短直鏈通過氫鍵相連，重新定向排列形成了大量雙螺旋微晶所致。經退火和壓熱處理后，除G70-RS3-壓熱10%淀粉樣品的結晶度略低于G70-RS3以外，所有淀粉樣品的結晶度均進一步提升，其中以含水率60%的退火和含水率20%的壓熱處理的淀粉樣品最為明顯，說明該處理可以有效增強淀粉微晶的有序性，優化其穩定性[19,21-22]。Martens等[23]報道淀粉較高的結晶度與其較低的消化率有關，說明淀粉結晶度高，晶體結構更為致密、穩定性較好、抗酶解性能更強。

圖2 G50（A）、G70（B）高直鏈玉米淀粉及其III型抗性淀粉的XRD圖譜Fig. 2 XRD patterns of high-amylose maize starch G50 and type III resistant starch (A), and G70 and type III resistant starch (B)

2.4 高直鏈玉米III型抗性淀粉的溶解與膨脹特性分析

由圖3可知，G50在改性前后，其溶解度均高于G70，該結果證明直鏈淀粉具有抑制淀粉顆粒糊化和吸水膨脹的作用。原G50和G70經過酸解、糊化、脫支和重結晶后溶解度顯著升高（P＜0.05），這主要與原淀粉的脫支酶解有關，脫支酶解使原高直鏈玉米淀粉的短直鏈含量增加，支鏈淀粉被部分酶解，溶解度增加。Koo等[24]對類似的結果進行了解釋：普魯蘭酶的脫支作用降低了酶解淀粉的分子質量，提高了其溶解性。經退火和壓熱處理后，除G50-RS3-壓熱10%樣品外，其他淀粉樣品的溶解度均顯著下降（P＜0.05），這是因為G50-RS3和G70-RS3在退火和壓熱處理后，淀粉中不完整的雙螺旋組成的微晶結構被修復，游離的淀粉分子鏈緊密排列，形成了更多微晶結構，因此有效抑制了淀粉鏈的析出。

圖3 G50、G70高直鏈玉米淀粉及其III型抗性淀粉的溶解度Fig. 3 Solubility of high-amylose maize starch and type III resistant starch

淀粉顆粒的膨脹度可以反映淀粉顆粒內氫鍵度，淀粉膨脹度越低，表明淀粉分子鏈之間氫鍵結合更為緊密[25-26]。如圖4所示，由于直鏈淀粉含量較高，原G70膨脹度低于原G50。酸解、糊化、脫支和重結晶后G50的膨脹度沒有發生顯著變化；退火和壓熱處理后，淀粉樣品的結晶度進一步提高，使G50-RS3在退火和壓熱后膨脹度顯著降低（P＜0.05）。原G70淀粉顆粒結構緊密，改性后G70的膨脹度均高于原G70。

圖4 G50、G70高直鏈玉米淀粉及其III型抗性淀粉的膨脹度Fig. 4 Swelling power of high-amylose maize starch and type III resistant starch

2.5 高直鏈玉米III型抗性

采用DSC分析淀粉樣品的熱性質時，由于淀粉顆粒中的無定形區與結晶區連結，隨著溫度的升高，淀粉顆粒在過量水中受熱吸水膨脹，無定形區先被破壞，結晶區在持續的高熱條件下也開始熔融，說明結晶區的耐熱性要高于無定形區[27-28]。因此，結合對淀粉結晶結構和消化特性結果的分析，選擇經退火和壓熱處理后結晶度和抗性淀粉含量最高的G50-RS3-退火60%、G70-RS3-退火60%、G50-RS3-壓熱20%、G70-RS3-壓熱20%的淀粉樣品進行熱性質分析，探究淀粉的糊化溫度和結晶度與消化特征的關系。

由表2可知，G50和G70經過酸解、糊化、脫支和重結晶后，To、Tp和Tc均較原淀粉顯著提高（P＜0.05），退火與壓熱處理使得淀粉糊化溫度進一步升高。結合圖2發現，淀粉結晶度與糊化溫度的變化趨勢一致，可能是由于結晶度增加，淀粉的內部結構更加緊密堅固，熱穩定性越高，糊化越困難。

表2 G50、G70高直鏈玉米淀粉及其III型抗性淀粉的熱特性參數Table 2 Thermal properties of high-amylose maize starch and type III resistant starch

2.6 高直鏈玉米III型抗性淀粉的糊化特性分析

淀粉的糊化特性與其結構特征相關，而穩定且結晶度高的淀粉結構能保證淀粉不被快速消化。因此，結合對淀粉結晶結構和消化特性結果的分析，選擇經退火和壓熱處理后結晶度和抗性淀粉含量最高的G50-RS3-退火60%、G70-RS3-退火60%、G50-RS3-壓熱20%、G70-RS3-壓熱20%的淀粉樣品進行糊化特性分析，探究淀粉的糊化黏度和結晶度與消化特征的關系。

由圖5可知，原G50的峰值黏度遠大于原G70，表明直鏈淀粉有效抑制了淀粉顆粒的膨脹；冷卻過程中直鏈淀粉分子間的相互作用強于支鏈淀粉，導致原G70的最終黏度高于原G50。改性后的淀粉樣品黏度基本為零，且溫度的升高對其黏度幾乎沒有影響，這是由于淀粉顆粒在熱加工中無法吸水膨脹貢獻黏度，表明樣品熱穩定性良好，退火和壓熱處理沒有破壞G50-RS3和G70-RS3淀粉顆粒的熱穩定結構。這與Lee等[29]使用普魯蘭酶處理大米淀粉后黏度的變化結果一致。原G50和G70淀粉因酸解和酶解脫支后，形成的大量由直鏈淀粉通過氫鍵相連的雙螺旋微晶結構，增加了顆粒內淀粉鏈之間的內部結合力，抑制了淀粉顆粒的溶脹和直鏈淀粉的析出，使淀粉顆粒很難發生溶脹，黏度無法增加。此外，退火和壓熱處理優化了G50-RS3和G70-RS3結晶結構，消除了結構缺陷，使高直鏈玉米III型抗性淀粉的熱穩定性更強。

圖5 G50（A）、G70（B）高直鏈玉米淀粉及其III型抗性淀粉的RVA曲線Fig. 5 RVA curves of high-amylose maize starch G50 and type III resistant starch (A), and G70 and type III resistant starch (B)

2.7 高直鏈玉米III型抗性淀粉的體外消化特性分析

如表3、4所示，原G70的抗性淀粉含量顯著大于原G50（P＜0.05），這可能與G70較高的直鏈淀粉含量有關，直鏈淀粉限制了淀粉顆粒膨脹，降低了G70在應用蒸煮條件下的溶解度，進而降低了淀粉消化性。原G50和G70的快速消化淀粉含量經酸解、糊化、脫支和老化制備成G50-RS3和G70-RS3后顯著下降，抗性淀粉含量顯著提高（P＜0.05），這主要是因為脫支處理產生了更多的短直鏈淀粉，這些短直鏈淀粉之間通過氫鍵相連，定向排列形成許多雙螺旋微晶，這種微晶結構使得酶與淀粉的接觸位點減少，增強抗酶解性。Zhang Huanxin等[30]研究了普魯蘭酶對玉米抗性淀粉含量的影響，得出了相似的結果。此外，不同含水率下退火和壓熱處理均能進一步降低G50-RS3和G70-RS3的快速消化淀粉含量并提高抗性淀粉含量，其中含水率60%下的退火處理和含水率20%下的壓熱處理對抗性淀粉含量的提高最顯著：例如，含水率20%下的壓熱處理后，G50-RS3的快速消化淀粉含量從35.0%降至13.5%，抗性淀粉含量從53.6%提高至79.4%；G70-RS3的快速消化淀粉含量從33.4%降至13.0%，抗性淀粉含量從63.6%提高至80.5%。

Jayakody等[31]研究了退火對小麥抗性淀粉性質的影響，發現退火處理時水分子參與淀粉鏈氫鍵的結合，增強淀粉的塑化效果，半結晶結構中不定形薄層區域內的葡聚糖鏈的流動性增加，使淀粉顆粒中已經部分解開的雙螺旋結構重新排列成微晶結構，導致顆粒中更多微晶結構的形成[32]。因此可以推斷，退火和壓熱處理優化了G50-RS3和G70-RS3中的微晶結構，使得淀粉無定形區的剛性增強，熱穩定性升高，水解耐受性增強，因而抗消化能力更強。結合改性前后所有高直鏈玉米III型抗性淀粉的抗性淀粉含量與結晶度和糊化溫度的相關性分析表明（表5），高直鏈玉米III型抗性淀粉中抗性淀粉含量與淀粉的結晶度和糊化溫度呈顯著正相關，說明淀粉樣品的高抗消化性與淀粉的結晶結構和功能特性存在必然聯系。

表3 退火處理的淀粉樣品消化結果Table 3 Digestibility of annealed starch samples %

表4 壓熱處理的淀粉樣品消化結果Table 4 Digestibility of autoclaved starch samples%

表5 高直鏈玉米III型抗性淀粉的抗性淀粉含量與結晶度和糊化溫度的Pearson相關性Table 5 Pearson correlation coefficients of resistant starch content with crystallinity and pasting temperature of high-amylose maize type III resistant starch

3 結 論

以高直鏈玉米淀粉為原料通過酸解、糊化、脫支和重結晶步驟獲得III型抗性淀粉。退火與壓熱處理可進一步提升淀粉的抗性比例，其中在含水率20%下壓熱處理，抗性淀粉含量最高，可達80.5%。酸解協同脫支酶酶解改性可改變淀粉形貌，使得淀粉結晶類型由B+V型轉變為A+V型，所得III型抗性淀粉熱穩定性良好，加熱過程中幾乎不產生黏度；后續退火與壓熱處理優化了淀粉的結晶結構、提高了結晶度、降低了其溶解性與膨脹度。Pearson相關性分析表明，III型抗性淀粉中抗性淀粉含量與結晶度、糊化溫度呈顯著正相關。具有高耐熱性的III型抗性淀粉可作為新型原料應用于部分功能食品。