濕熱和韌化處理對蕎麥淀粉結構及消化特性的影響

王嘉俊, 鄭瑜雪, 劉慧燕, 葉興乾, 田金虎, 方海田

(寧夏大學食品與葡萄酒學院;寧夏食品微生物應用技術與安全控制重點實驗室1,銀川 750021)(浙江大學食物與健康研究中心2,杭州 310058)

蕎麥為一年生雙子葉作物,隸屬于蓼科[1],中國是蕎麥生產大國,蕎麥出口量位居世界第一[2]。蕎麥中最主要的成分是淀粉,占干基質量分數70%～91%,此外還有脂質、蛋白質等營養物質和有機酸、黃酮等生物活性成分,具有良好的保健作用[3]。淀粉是日常飲食中主要的碳水化合物之一[4],淀粉根據消化速率和程度分為3類,其中包括快速消化淀粉(RDS)和緩慢消化淀粉(SDS)以及抗性淀粉(RS)[5]。有研究表明,淀粉的消化速率對機體血糖穩定和胰島素分泌有較大影響[6],RDS進入人體后經消化水解為葡萄糖,容易引起餐后血糖的快速升高,增加糖尿病等慢性疾病發生的風險。SDS則可緩慢消化,延緩血糖的上升,RS不能在小腸中被消化,但可以促進有益結腸菌群的生長,從而預防結腸癌的發生[7]。不同消化速率淀粉的組成比例則受到淀粉結構變化的影響[8]。研究人員正在嘗試運用物理、化學和生物酶法等多種方法來改變淀粉的理化和結構特性,以改變其消化速率。王偉良等[9]研究發現經過濕熱處理后,芋頭淀粉中的慢消化淀粉和抗性淀粉含量增加,寧雨奇等[10]則發現木薯淀粉經過檸檬酸酯化后,抗性淀粉的含量升高。其中物理改性因其涉及化學物質少、操作簡單、成本較低等優點受到人們的關注。

淀粉物理改性主要方法有濕熱和韌化處理,濕熱處理是一種將淀粉體系中的質量分數維持在一定的范圍內(10%～30%),且在一定的溫度(80～130 ℃)和時間下(15 min～16 h)處理淀粉的一種物理改性方法。其原理是通過熱能影響淀粉分子鏈內部或淀粉分子鏈之間氫鍵的運動,改變淀粉顆粒內初始的氫鍵組成以及雙螺旋結構,從而導致淀粉微觀結構上不同尺度變化的發生[11]。因其操作簡單、清潔綠色等特點,被研究者們視為創制健康淀粉食品原料的重要手段之一[12]。濕熱處理過程中不同的體系水分含量和溫度會導致淀粉的糊化焓、膨脹力和直鏈淀粉浸出率發生不同程度的降低[13],在使峰值黏度和崩解值降低的同時改善淀粉的熱穩定性和剪切穩定性,從而改變淀粉組成成分的比例,抗性淀粉和慢消化淀粉的含量會增加[14]。韌化處理是在體系水分充足,溫度保持在淀粉的玻璃化轉變溫度和糊化溫度之間的條件下對淀粉樣品進行處理[15]。在通常情況下,韌化處理不會使天然淀粉的分子鏈發生斷裂,但可能會導致最不穩定的結構受到破壞,從而使淀粉分子雙螺旋結構發生重排[16]。劉慧慧等[17]對大米淀粉在55～70 ℃的條件下進行韌化處理后的結果表明,韌化處理會降低淀粉的溶解度、膨潤力和峰值黏度,回生值以及崩解值、而糊化溫度和消化性則出現提高。

研究表明,濕熱和韌化處理可以改變淀粉結構從而影響其消化速率,蕎麥本身作為健康谷物而受到人們的關注,為了使實際生產者進一步了解蕎麥淀粉的理化和結構特性以及消化機制,通過探索濕熱和韌化這兩種加工方式對蕎麥淀粉的形態、晶體結構、熱穩定性以及消化率等性質的影響,系統地闡述濕熱和韌化處理通過改變淀粉結構進而調節蕎麥淀粉消化率的機制,為蕎麥淀粉的高值化應用拓寬思路,也為后續開發淀粉類健康食品提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蕎麥淀粉,豬胰腺α-淀粉酶(來自豬胰腺,CAS:9000-90-2,≥5 U/mg 固體)、糖化酶(來自黑曲霉,CAS:9032-08-0,100 000 U/mL)、轉化酶(來自面包酵母,CAS:9001-57-4,≥300 U/mg 固體)。葡萄糖測定試劑盒,其他分析純試劑。

1.2 儀器與設備

X’Pert3 Powder X-射線衍射儀,Nicolet tar 370紅外光譜儀,Mettler差示掃描量熱儀,Zeiss 300掃描電鏡。

1.3 方法

1.3.1 濕熱處理

參考Ai等[18]的方法對蕎麥淀粉進行濕熱處理。先測定淀粉的含水量,然后加入適量的蒸餾水,將蕎麥淀粉樣品分別調節至質量分數15%、20%、25%、30%。樣品密封后,在室溫下放置24 h以平衡水分。樣品水分平衡后,進行高溫處理,加熱2 h至100 ℃,然后冷卻至室溫。對濕熱處理后的雜糧淀粉進行12 h的烘干,烘箱溫度為40 ℃。烘干后將樣品研磨并通過100目的篩子,得到的樣品裝入密封袋,以備后續檢測。根據含水量不同,濕熱處理后的樣品被命名為HMT-15、HMT-20、HMT-25和HMT-30。

1.3.2 韌化處理

參考Wang等[19]的方法對蕎麥淀粉進行韌化處理。在容器中準確稱量12 g蕎麥淀粉樣品,隨后加入60 mL蒸餾水并使用轉子磁力攪拌混勻。接下來,密封容器并在不同的溫度條件下(30、40、50、60 ℃)進行水浴加熱24 h。隨后,將韌化處理后的淀粉放入40 ℃的干燥箱中進行12 h的干燥,研磨后過100目篩,然后將淀粉樣品密封于聚乙烯保鮮袋中以備后續檢測使用。根據韌化處理體系溫度的不同,樣品被命名為ANN-30、ANN-40、ANN-50和 ANN-60。

1.3.3 長程分子有序結構分析

用X-射線衍射儀測定蕎麥淀粉的晶型和相對結晶度[20]。Cu-Ka靶射線波長λ=0.154 06 nm,管壓40 kV,管流100 mA,步長為0.04°,測量角度范圍2θ=4°～40°。用JADE 6.0軟件對濕熱和韌化處理前后的蕎麥淀粉樣品的衍射曲線進行擬合,以計算其相對結晶度,即結晶峰的面積與衍射圖總面積的比值。

1.3.4 短程分子有序結構分析

采用FT-IR光譜分析了處理前后蕎麥淀粉的結構變化。根據 He等[21]在室溫下使用 Nicolet tar 370光譜儀測量樣品的FT-IR光譜。測定前,樣品在45 ℃ 烘箱中平衡24 h,采用KBr壓片法,將淀粉與KBr以質量比1∶100比例混合,研磨,壓片后用于檢測。采用傅里葉紅外變換光譜測定樣品,掃描范圍為4 000～400 cm-1,分辨率為4 cm-1,以光譜級KBr為空白參照,掃描32次后取平均得到紅外光譜。用OMNIC軟件6.2 版來進行數據分析。

1.3.5 淀粉熱特性分析

采用差示掃描量熱儀測定蕎麥原淀粉和處理后蕎麥淀粉的熱性能。根據Tian等[22]方法修改,首先,在鋁坩堝中準確稱量3 mg的淀粉樣品(干基),然后使用針管向其中注入9 μL的蒸餾水(料液比為1∶3)。接著,使用壓盤機進行密封,將其放置在室溫下12小時,以使淀粉和水充分平衡。在加熱程序中,使用空白鋁坩堝作為對照,并以10 ℃/min的速率加熱樣品,從25 ℃加熱到110 ℃,然后冷卻降溫到30 ℃。記錄淀粉樣品糊化的起始溫度(To)、峰值溫度(Tp)、終止溫度(Tc)和焓值(ΔH)。

1.3.6 淀粉表面微觀結構表征

采用Zeiss 300掃描電鏡觀察濕熱韌化處理前后蕎麥淀粉的表面結構。在圓形托盤上貼上導電膠,將淀粉樣品均勻地平鋪在導電膠上在離子濺射儀中噴金處理后,將樣品置于SEM(即環境掃描電鏡)中,在低壓條件,5 000倍放大模式下觀察淀粉形貌[23]。

1.3.7 體外酶解實驗

對濕熱和韌化處理前后的蕎麥淀粉進行酶解實驗中,采用王嘉俊等[24]的方法。在消化過程中的特定時間點,使用過氧化物酶(peroxidase,GOPOD)試劑盒進行測定。快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)的含量按公式計算:

RDS=0.9×(G20-G0)

SDS=0.9×(G120-G20)

RS=TS-RDS-SDS

式中:G0、G20和G120為在0、20、120 min時水解產生的葡萄糖含量;TS為總淀粉含量;0.9為換算系數。

1.3.8 統計分析

采用SPSS 20.0軟件中單因素ANOVA檢驗對實驗數據進行統計分析(P<0.05),判斷是否存在顯著差異。圖表采用Origin 2018軟件繪制。為了確保實驗的準確性和可信度,每個測試至少重復3次。

2 結果與分析

2.1 淀粉長程有序結構分析

用XRD研究了不同水分的濕熱處理(HMT-15%、20%、25%、30%)和不同溫度下的韌化處理(ANN-30、40、50、60 ℃)前后蕎麥淀粉的結晶類型和結晶度的變化,結果如圖1所示。蕎麥原淀粉在約15°、17°、18°和23°(2θ°)的衍射角上有明顯的特征峰,表明其具有典型的A型結晶結構[25]。蕎麥淀粉顆粒的特征衍射峰在濕熱和韌化處理之后沒有明顯變化,說明這2種處理沒有影響蕎麥淀粉的結晶類型。當韌化溫度為60 ℃時,蕎麥淀粉在18°處的特征峰出現一定弱化,可能是較高的韌化溫度破壞了蕎麥淀粉的長程有序化結構,糊化程度增加。如表1所示,蕎麥原淀粉的相對結晶度為(36.86±0.47)%,濕熱和韌化后相對結晶度有不同程度的下降,但由于濕熱處理中含水量的限制和韌化處理中熱能的限制,導致含水量較低(HMT-15、HMT-20)和溫度較低(ANN-30、ANN-40)的蕎麥淀粉樣品的結晶度變化幅度較小[26]。隨著含水量的增加和溫度的上升,熱能和體系水分含量影響了蕎麥淀粉顆粒中螺旋結構的排列有序程度,形成取向以及結合緊密程度,并使淀粉分子鏈上的氫鍵斷裂。進而導致蕎麥淀粉的相對結晶度降低[27]。

表1 濕熱和韌化處理前后蕎麥淀粉的相對結晶度和R1 047/1 022

圖1 不同條件濕熱和韌化處理蕎麥淀粉前后的X-射線衍射圖

2.2 短程有序結構分析

利用傅里葉紅外光譜儀(FTIR)分析了不同水分的濕熱處理( HMT-15%、20%、25%、30%)和不同溫度的韌化處理(ANN-30%、40%、50%、60 ℃)對蕎麥淀粉的短程有序結構的影響。未經處理的和濕熱、韌化處理的蕎麥淀粉FT-IR光譜如圖2所示。在濕熱和韌化處理后,蕎麥淀粉紅外光譜圖中沒有化學鍵出現或消失,表明在濕熱和韌化處理過程中,蕎麥淀粉沒有產生新的共價鍵。1 047 cm-1和1 022 cm-1的透射強度分別與淀粉的有序結晶結構和無定形結構有關[28]。1 047 cm-1和1 022 cm-1的吸光度比值表征了短程結構的有序程度[24]。由表1可知,經過濕熱和韌化處理后的蕎麥淀粉的R1 047/1 022值低于蕎麥原淀粉,表明蕎麥淀粉的短程有序結構受到了一定程度的破壞,由于濕熱和韌化過程中熱能和水分子的協同作用破壞了螺旋結構排列和由氫鍵組成的分子鏈的順序,分子間和分子內氫鍵的斷裂和其晶體結構受到破壞,這導致更多暴露的羥基與水分子形成氫鍵,隨著濕熱處理含水量和韌化處理溫度的上升,特征峰出現逐漸弱化的趨勢,蕎麥淀粉的短程有序結構的破壞程度也逐漸增加,與前人的研究相一致[29]。

圖2 濕熱和韌化處理蕎麥淀粉前后的傅里葉紅外光譜

2.3 淀粉熱特性分析

蕎麥淀粉經過不同水分(HMT-15%、20%、25%、30%)的濕熱處理和不同溫度的韌化處理(ANN-30、40、50、60 ℃)后的熱力學參數(包括To,Tp,Tc和ΔH)見表2。與未處理的蕎麥淀粉相比,處理后的蕎麥淀粉顯示出更高的To值和更低的ΔH。淀粉顆粒的結晶結構發生變化和無定形區域中的雙螺旋結構受到破壞可能導致了ΔH降低[30],特別是韌化溫度為60 ℃的時候,破壞程度達到最高,ΔH從(7.96±0.17)J/g (原淀粉)下降到(2.77±0.21)J/g(ANN-60)。而且不同的處理溫度導致的結晶有序化程度以及蕎麥淀粉顆粒中的淀粉鏈和無定形區之間的變化也是導致ΔH下降的因素[31]。原淀粉的To值為(63.61±0.05)℃,HMT-30和ANN-60的To值分別為(66.96±0.10)℃和(77.36±0.13)℃,Tp和Tc也出現同樣的變化趨勢。To值的增加可能是由于物理改性破壞了淀粉中較弱的晶體結構,包括無定形區域的減少和淀粉的浸出,導致殘存較強晶體結構的改性淀粉發生凝膠化時表現出較低的焓值和較高的糊化溫度,濕熱和韌化處理也使蕎麥淀粉分子鏈活躍性增強,淀粉分子的排列方式發生變化,使淀粉分子發生聚集的可能性增加,從而導致其熱穩定性提高,這與前人的研究相一致[30]。

表2 不同條件濕熱和韌化處理蕎麥淀粉前后的熱特性參數

2.4 微觀結構形態表征

圖3為蕎麥原淀粉和通過濕熱處理(HMT-15%、20%、25%、30%)和韌化處理(ANN-30、40、50、60 ℃)樣品的掃描電子顯微鏡圖片,蕎麥淀粉顆粒多為不規則多邊形和圓形,表面較為光滑、平整,粒徑在6.5 μm左右。HMT-20、HMT20、ANN-30和ANN-40的蕎麥淀粉顆粒表面出現少許裂紋,外觀與原淀粉沒有明顯差異。隨著濕熱處理體系含水量和韌化處理溫度的上升,蕎麥淀粉顆粒表面發生了局部糊化、規整性變差、裂紋加劇的變化,在濕熱處理的體系水質量分數為30%的時候(HMT-30),蕎麥淀粉顆粒還出現了聚集現象,顆粒間相互連接,形成團聚體,雖然韌化處理60 ℃時蕎麥淀粉(ANN-60)也出現了輕微的聚集現象,但可以表明濕熱處理淀粉顆粒比韌化處理淀粉顆粒更容易發生聚集[32],可能與濕熱處理中熱能較為充足有關,這與Liu等[33]對玉米淀粉進行濕熱和韌化處理的比較研究相一致。

圖3 不同條件濕熱和韌化處理蕎麥淀粉前后的顆粒形態(5 000×)

2.5 淀粉組分變化分析

表3顯示了在濕熱和韌化處理前后蕎麥淀粉的RDS、SDS和RS的比例。隨著濕熱處理過程中體系水分含量的增加,RDS的含量呈先下降后上升的趨勢,SDS的含量則出現不同程度的增加,當體系水質量分數為15%時,SDS的質量分數達到最高值(33±1.64)%,RS含量則出現降低,可能是由于體系中水分含量的增加,水合淀粉發生凝膠化反應,直鏈淀粉從淀粉顆粒中溢出,進而冷卻階段的淀粉出現回生[34],部分直鏈淀粉分子的螺旋結構發生重組,用氫鍵連接,進而導致淀粉酶的作用位點被阻斷。但體系水分含量的增加,使得RDS的含量出現升高,尤其是HMT-30,RDS含量最高,同時SDS和RS的含量顯著下降(P<0.05),可能是較高的體系水分含量下,較高的熱能導致蕎麥淀粉顆粒體積發生膨脹,并且分子鏈斷裂程度增加,導致淀粉更易于被淀粉酶水解。因此,含水量越高,越能促進蕎麥淀粉的水解,具體表現為在較低含水量下(15%,質量比),濕熱處理可顯著降低蕎麥淀粉中RDS的含量,增加SDS的含量,而含水量增加則會提高蕎麥淀粉中RDS的含量。在韌化處理中,相比于原淀粉,ANN-30,ANN-40和ANN-60的RDS含量有所增加(P<0.05)。ANN-30的SDS略有增加,而ANN-40的SDS和RS的含量都有了一定程度的降低,在韌化溫度為50 ℃時,RDS的含量顯著降低,同時SDS和RS的含量達到最高,可能是因為隨著溫度的上升,水分子進入淀粉顆粒內部,促使淀粉分子鏈的運動能力增強,使雙螺旋結構斷裂并發生重排,形成新的有序結構,導致蕎麥淀粉的消化性能下降。。結合XRD和FT-IR圖譜可知,ANN-60部分特征峰逐漸消失,可能因為發生部分糊化,導致螺旋結構受到破壞,消化酶位點暴露,導致消化速率上升。這與前人的研究結果相一致[35]。

表3 不同條件濕熱和韌化處理前后蕎麥淀粉中各組分質量分數

3 結論

本研究分析了不同含水量濕熱處理和不同溫度韌化處理對蕎麥淀粉物理特征和淀粉組成的影響。濕熱和韌化處理沒有改變蕎麥淀粉的A型結晶結構。然而,這2種加工方式都導致了蕎麥淀粉顆粒表面出現褶皺和裂痕,相對結晶度降低。在濕熱處理過程中,蕎麥淀粉的物理化學性質受到了不同水分含量的影響,表現為熱穩定性的提高和糊化焓的降低,在韌化處理蕎麥淀粉過程中也觀察到類似結果。與原淀粉樣品相比,經過濕熱或韌化處理的蕎麥淀粉表現出更高的SDS和RS含量,表明這2種處理方式是制備低消化率的健康淀粉食品的可選方法。