張斌，羅發(fā)興，黃強，黃旭日，關(guān)基香

(華南理工大學輕工與食品學院，廣東廣州，510640)

不同直鏈含量玉米淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)及其消化性研究*

張斌，羅發(fā)興，黃強，黃旭日，關(guān)基香

(華南理工大學輕工與食品學院，廣東廣州，510640)

對4種不同直鏈/支鏈淀粉含量玉米淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和形態(tài)學進行研究，并采用Englyst法對4種淀粉進行體外消化模擬試驗，探索了淀粉結(jié)構(gòu)與消化性質(zhì)的關(guān)系。高支(蠟質(zhì)和普通)和高鏈(HylonⅤ和HylonⅦ)玉米淀粉分別屬于A型和B型結(jié)晶結(jié)構(gòu)，其消化機理對應(yīng)為“由內(nèi)向外(inside-out)”和“由外向內(nèi)(exo-pitting)”消化類型。高支玉米的慢消化淀粉(SDS)含量較高，而高鏈玉米淀粉的抗性淀粉(RS)含量遠高于高支淀粉。

玉米淀粉，直鏈淀粉，體外消化，結(jié)晶結(jié)構(gòu)

淀粉在自然界分布廣泛，是碳水化合物的主要貯藏形式。通常以顆粒的形式貯藏在大多數(shù)高等植物的器官及某些原生動物、藻類、以及細菌中。Katz和Italli根據(jù)X衍射圖譜表征淀粉顆粒的結(jié)晶結(jié)構(gòu)并可分為A型、B型、C型3種。谷物淀粉大多數(shù)屬A型，根莖類的淀粉大多數(shù)屬B型，而豆類淀粉則以C型居多［1］。

英國生理學家 Englyst［2－3］根據(jù)淀粉在人體內(nèi)消化速度把淀粉分成易消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)。近年來臨床研究發(fā)現(xiàn)，淀粉的消化性與人體的許多疾病密切相關(guān)。餐后血糖應(yīng)答很大程度上取決于易消化淀粉的含量?？剐缘矸酆吐矸酆扛叩氖澄锿瑢俚脱巧芍笖?shù)(GI)食品，可維持餐后血糖穩(wěn)定，有效改善餐后血糖負荷，提高機體對胰島素的敏感性［4］。這對控制糖尿病患者的病情十分有利，并可以作為肥胖人群的減肥產(chǎn)品［5－6］。因此，這兩類淀粉的研究已引起國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注，其制備、性質(zhì)和結(jié)構(gòu)研究已成為碳水化合物營養(yǎng)學領(lǐng)域的研究熱點。本文利用X-射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、熱臺偏光顯微鏡等現(xiàn)代分析手段，探索4種不同玉米淀粉顆粒結(jié)構(gòu)對消化特性的影響以及結(jié)構(gòu)與消化性質(zhì)的關(guān)系，為慢消化淀粉及抗性淀粉的生產(chǎn)和應(yīng)用提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蠟質(zhì)玉米淀粉，河北驪驊公司。普通玉米淀粉，吉林天成公司。高鏈玉米淀粉(HylonⅤ，HylonⅦ)，美國 National Starch公司。豬胰酶(Cat.No.P7545，活力8×USP/mg)和淀粉葡萄糖苷酶(Cat.No.A7095，活力300 U/mL):美國 Sigma-Aldrich公司。標準馬鈴薯直鏈淀粉(Cat.No.A0512):美國Sigma-Aldrich公司。其他化學試劑均為分析純。

721型分光光度計，上海菁華科技公司;電子分析天平(d=0.1 mg)，德國Startorius公司;BX51型熱臺偏光顯微鏡，日本Olympus公司;S3700N型掃描電子顯微鏡，日本Hichi公司;D/Max2200型X-射線衍射分析儀，日本Rigaku公司。

1.2 直鏈淀粉含量測定

標準樣品的配制:準確稱取100 mg標準馬鈴薯直鏈淀粉，加幾滴無水乙醇潤濕，再加入1 mol/L NaOH溶液10 mL，在沸水浴中加熱溶解，用0.1mol/L的HCl調(diào)制中性后定容至100 mL。準確吸取直鏈淀粉標準溶液 2 mL，加去離子水50 mL，再加入0.2%碘試劑2 mL，定容至100 mL后放置20 min，在630 nm波長處測得吸光度為a。

直鏈淀粉含量的測定:準確稱取100 mg淀粉樣品，加無水乙醇潤濕，再加入1 mol/L NaOH溶液10 mL，在沸水浴中加熱溶解后定容至100 mL。吸取此液20 mL，用正己烷脫脂。吸取脫脂液5 mL，加去離子水50 mL，用0.1mol/L的HCl調(diào)制中性后再加入0.2%碘試劑2 mL，定容至100 mL后放置20 min，在630 nm波長處測得吸光度為b。

1.3 X-射線衍射分析

樣品在100%相對濕度下平衡24 h后進行X-射線衍射分析。實驗采用Rigaku公司D/Max2200型X-射線衍射分析儀，衍射條件為銅靶，電壓44 kV，電流27mA，CuKα 輻射。測量角度 2θ=5～35°，步長0.05°，掃描速度5°/min。

1.4 淀粉的顆粒形態(tài)

(1)熱臺偏光顯微鏡:將樣品放入熱臺偏光顯微鏡載物臺。選擇的目鏡和物鏡放大倍數(shù)分別為10×和50×，拍攝淀粉顆粒在偏振光下的形態(tài)結(jié)構(gòu)，并使用Olympus附帶軟件對不同直鏈淀粉含量玉米淀粉的平均粒徑進行分析。

(2)掃描電子顯微鏡:用導電雙面膠將絕干后的淀粉固定在樣品臺上，在真空下噴金后，置于SEM中放大3 000倍拍攝有代表性的淀粉顆粒形貌照片。

1.5 淀粉體外消化性測定

1.5.1 天然淀粉

淀粉消化性測定參照Englyst［2］提出的體外模擬酶水解法，并有所改進。準確稱取600 mg淀粉樣品于50 mL帶旋轉(zhuǎn)蓋的離心管中，添加20 mL pH值5.2的0.1mol/L乙酸鈉緩沖液和5粒玻璃珠，渦旋混勻后加入含有豬胰酶(3×103USP)和淀粉葡萄糖苷酶(40 U)的混酶5 mL，置于37℃恒溫水浴下振蕩并準確計時。水解20和120 min后分別取出1.00 mL水解液用3，5-二硝基水楊酸(DNS)法測定葡萄糖含量。具體計算如下:

RDS/%=［(G20－ FG)×0.9］/TS SDS/%=［(G120－ G20)×0.9］/TS RS/%=［TS － (RDS+SDS)］/TS

式中:G20，淀粉酶水解20 min后產(chǎn)生的葡萄糖含量(mg);FG，酶水解處理前淀粉中游離葡萄糖含量(mg);G120，淀粉酶水解120 min后產(chǎn)生的葡萄糖含量(mg);TS，樣品中總淀粉含量(mg)。

1.5.2 蒸煮淀粉

準確稱取600 mg淀粉樣品于50 mL帶旋轉(zhuǎn)蓋的離心管中，加10 mL去離子水，渦旋混勻后在沸水浴中保持30 min。冷卻至室溫后，添加10 mL pH值5.2的0.1 mol/L乙酸鈉緩沖液和5粒玻璃珠，混勻后置于在37℃恒溫水浴下振蕩，其余步驟同1.5.1。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

各組實驗數(shù)據(jù)均重復2次，用SPSS 13.0進行統(tǒng)計分析，用Origin 7.0進行作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 支鏈淀粉含量對玉米淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)和相對結(jié)晶度的影響

淀粉顆粒是由結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)交替構(gòu)成的多晶體系，并能呈現(xiàn)一定的X射線衍射圖樣。結(jié)晶區(qū)呈現(xiàn)出尖峰特征，而非晶區(qū)呈現(xiàn)出彌散特征。不同直鏈淀粉含量玉米淀粉的X-射線衍射圖見圖1。從圖1中可以看出，蠟質(zhì)和普通玉米淀粉淀粉在15°、17°、18°和23.5°處有強衍射峰，這是典型的 A 型淀粉特征。而高鏈玉米(HylonⅤ和HylonⅦ)淀粉在5.6°、17°、22°和24°有較強的衍射峰出現(xiàn)，屬于 B 型淀粉結(jié)構(gòu)。

非結(jié)晶區(qū)大部分由直鏈淀粉構(gòu)成，結(jié)晶區(qū)多數(shù)是由支鏈淀粉形成的，支鏈淀粉決定了淀粉顆粒的晶體結(jié)構(gòu)。Wong等［7］用配備有在線酶反應(yīng)器和脈沖電流檢測器的高效陰離子交換色譜(HPAEC-ENZPAD)測得A型支鏈淀粉有較多的短側(cè)鏈(A鏈和B1鏈);B型支鏈淀粉則有較多的長側(cè)鏈(B2鏈和更長鏈)，這些長側(cè)鏈可貫穿2～3個或更多“簇”結(jié)構(gòu)［8］。C型淀粉是A和B型淀粉的混合物，因此C型支鏈淀粉既有長側(cè)鏈也有短側(cè)鏈。從X射線衍射圖樣可以看出4種玉米淀粉的相對結(jié)晶度按照支鏈淀粉的含量依次降低:蠟質(zhì)玉米淀粉＞普通玉米淀粉＞HylonⅤ＞HylonⅦ。

圖1 不同直鏈/支鏈淀粉含量的玉米淀粉的X衍射圖譜

2.2 不同直鏈淀粉含量的玉米淀粉顆粒形態(tài)

淀粉顆粒在偏振光場下觀察，可以觀察到偏光十字，在結(jié)晶區(qū)淀粉分子鏈是有序排列的，而在非結(jié)晶區(qū)淀粉分子鏈是無序排列的，由此產(chǎn)生各向異性現(xiàn)象，從而在偏振光通過淀粉顆粒時形成了偏光十字。淀粉顆粒的這種雙折射是由于球晶的存在而產(chǎn)生的。表明顆粒結(jié)晶部分呈有序排列，這種雙折射現(xiàn)象的強度取決于顆粒的大小以及結(jié)晶度和微晶取向［9］?？梢詮谋?和圖2中看出，由于淀粉顆粒的平均粒徑和結(jié)晶度從高支到高鏈逐漸減小，雙折射現(xiàn)象的強度逐漸減弱。

表1 四種不同玉米淀粉的直鏈淀粉含量、平均粒徑和結(jié)晶度表

高支玉米淀粉的顆粒外形為多角形，顆粒表面具有多個平面和棱角，顆粒較大而均勻，中間有臍眼。高鏈玉米淀粉顆粒外形為圓形和橢圓形。顆粒較小，臍眼不明顯，偏光十字較小并且發(fā)暗。高鏈玉米淀粉有些還呈長條形，這是它的特征形態(tài)，是由兩個或多個淀粉顆粒相接而成(elongation)，如圖2中C2和D2所示。

圖2 蠟質(zhì)(A1、A2)，普通(B1、B2)，高鏈 Hylon Ⅴ(C1、C2)和 Hylon Ⅶ(D1、D2)玉米淀粉顆粒的偏光顯微和掃描電鏡圖

2.3 不同直鏈淀粉含量玉米淀粉的消化性

不同直鏈含量玉米淀粉的消化性質(zhì)見表2。從表2中可看出，不管是天然淀粉還是蒸煮后的淀粉，SDS含量最高的是普通玉米，其次是蠟質(zhì)玉米，最后是2種高鏈玉米淀粉。原淀粉的RS含量隨著直鏈淀粉含量的增高而增大，HylonⅦ生淀粉RS高達69.7%，蒸煮后RS含量也有20.7%。

顆粒內(nèi)部的直鏈淀粉分子嵌入支鏈淀粉晶粒的緊密程度決定了顆粒內(nèi)核的結(jié)構(gòu)。一般而言，B型馬鈴薯淀粉顆粒的內(nèi)核呈現(xiàn)堅實的結(jié)構(gòu)，而A型普通玉米淀粉顆粒核心結(jié)構(gòu)松散［8］。Zhang［10］報道 A 型淀粉顆粒表面有一些小孔，且在顆粒內(nèi)部有大量通道，所以酶可以沿著孔道進入顆粒中心向外水解淀粉，屬于“由內(nèi)向外(inside-out)”消化類型;但B型淀粉顆粒卻沒有這些特征，酶只能作用淀粉表面，屬于“由外向內(nèi)(exo-pitting)”消化類型。所以A型淀粉顆粒比B型淀粉顆粒更易水解。Hellman等發(fā)現(xiàn)，A型玉米淀粉顆粒的總表面積比淀粉顆粒的表面積大，而馬鈴薯淀粉顆粒的總表面積與淀粉顆粒的表面積大致相同 ，同樣證明了A型淀粉表面有小孔結(jié)構(gòu)。由于A型的谷物淀粉顆粒表面天然存在孔洞或通道，酶可以沿著孔道進入中心水解，因此從淀粉原料上看，A型天然淀粉是理想的SDS材料，而高鏈淀粉屬于RS2(抗性淀粉顆粒)，這與Zhang等［10］人報道的結(jié)論相一致。

淀粉顆粒表面的直鏈淀粉含量比內(nèi)部要多［12］。顆粒外部的直鏈淀粉可以加強與支鏈淀粉的結(jié)合作用。在糊化過程中，淀粉顆粒表面的直鏈淀粉與支鏈淀粉緊密締合成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能抵抗酶解。所以蠟質(zhì)玉米淀粉比普通玉米淀粉等更易消化。而在糊化過程中，高鏈淀粉顆粒表面直鏈淀粉和支鏈淀粉形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加緊密，使得它們的糊化溫度升高，更不易消化。

表2 四種不同玉米淀粉的體外消化性結(jié)果 %

3 結(jié)論

利用X-射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、熱臺偏光顯微鏡等現(xiàn)代分析手段，對4種不同直鏈淀粉含量玉米淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)和形態(tài)學進行研究，并采用Englyst法對不同直鏈淀粉含量玉米淀粉進行體外消化性模擬，探索了對淀粉結(jié)構(gòu)與消化性質(zhì)的關(guān)系。高支(蠟質(zhì)和普通)和高鏈(HylonⅤ和HylonⅦ)玉米淀粉分別屬于A型和B型結(jié)構(gòu)。普通玉米和蠟質(zhì)玉米的SDS含量較高，而高鏈玉米淀粉的RS含量大大高于高支淀粉。從淀粉原料上看，A型天然淀粉是制備SDS的理想材料，而高鏈淀粉屬于RS2(抗性淀粉顆粒)。

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Crystalline Structures and Digestibility of Cornstarches with Different Amylose/Amylopectin Content

Zhang Bin，Luo Fa-xing，Huang Qiang，Huang Xu-ri，Guan Ji-xiang
(College of Light Industry and Food Sciences，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)

Crystalline structures and morphology of four different cornstarches with different amylose/amylopectin content were investigated.The vitro digestibility of four cornstarches was tested according to Englyst method.The relationship between starch structure and digestion mechanism was discussed.High-amylopectin(waxy and normal)and high-amylose(HylonⅤ and HylonⅦ)cornstarches belong to A-and B-type structures，respectively.A-type starches are“inside-out”digestion mechanism，while the B-type starches produce a different hydrolysis pattern observed as“exo-pitting”.The level of slow digestion in high amylopectin cornstarch was higher than high-amylose cornstarch，while the Resistant Starch(RS)content of high-amylose cornstarches is much higher than high amylopection conrstarch.

cornstarch，amylose，in vitro digestibility，crystalline structure

碩士研究生(黃強副教授為通訊作者，E-mail:fechoh@scut.edu.cn)。

*廣東省高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃項目資助(x2qsN9100250);華南理工大學中央高校基本科研業(yè)務(wù)費資助項目(2009ZM0058)

2010－03－25，改回日期:2010－07－08