楊玥熹 童 姝 顧振宇 申 毅

(浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院1，杭州 310018) (國(guó)家級(jí)食品工程與質(zhì)量安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心2，杭州 310018)

精制大米在蒸煮后淀粉發(fā)生糊化，在消化過(guò)程中生糖速率較快，血糖生成指數(shù)(GI)較高[1]。因此，研究通過(guò)控制加工工藝條件及其他食品成分與淀粉相互作用，從而調(diào)節(jié)淀粉結(jié)構(gòu)，進(jìn)而調(diào)控淀粉類食品的消化生糖特性顯得尤為重要。已有文獻(xiàn)研究表明淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的單螺旋構(gòu)象可降低直鏈淀粉的水解速率[2]及餐后血糖反應(yīng)。

目前，已有的淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物研究主要以脂肪酸作為脂質(zhì)的代表，對(duì)不同鏈長(zhǎng)單甘酯-淀粉復(fù)合物的研究較少。如：Seo 等探究了制備條件對(duì)高直鏈玉米淀粉和不同飽和程度的脂肪酸復(fù)合的影響，發(fā)現(xiàn)硬脂酸最易形成復(fù)合物；Marinopoulou 等[4]發(fā)現(xiàn)淀粉-脂肪酸復(fù)合物晶型和復(fù)合溫度無(wú)關(guān)，但結(jié)晶度隨著溫度升高而增加，同時(shí)晶體尺寸減??；張書(shū)艷等[5]研究發(fā)現(xiàn)碳鏈越長(zhǎng)，淀粉-脂肪酸復(fù)合物復(fù)合指數(shù)(CI值)越大，同時(shí)V型結(jié)構(gòu)更完全。已有的單甘酯與淀粉復(fù)合物的研究多集中在單甘酯對(duì)淀粉老化特性的影響[6]，未對(duì)單甘酯-淀粉復(fù)合物的消化特性有足夠的關(guān)注。另外，對(duì)淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的復(fù)合指數(shù)、黏度特性、結(jié)構(gòu)特征與消化特性之間的相關(guān)性研究較少。本研究采用不同鏈長(zhǎng)的脂肪酸單甘酯和秈米淀粉為原料，研究單甘酯添加量、制備溫度及鏈長(zhǎng)對(duì)淀粉-單甘酯復(fù)合物復(fù)合指數(shù)、糊化特性、特?zé)嵝?、晶體結(jié)構(gòu)及消化特性的影響，并分析復(fù)合指數(shù)與消化特性、晶體結(jié)構(gòu)的相關(guān)性，以期用于指導(dǎo)消化特性可控的米面制品生產(chǎn)工藝，為具有降糖功效的淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的制備提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料

秈米淀粉(Indica-rice starch，IS)，總淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)89.13%(GB 5009.9—2016《酶水解法》)，直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)25.96%(雙波長(zhǎng)法)，抗性淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.69%(酶—重量法)，蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.49%(凱氏定氮法)，脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.08%(索氏抽提法)，含水量9.0%(105 ℃恒重法)。

硬脂酸單甘酯(GMS)、月桂酸單甘酯(GML)、棕櫚酸單甘酯(GMP)、溴化鉀(色譜純)、豬胰α-淀粉酶(50 U/mg)、糖化酶(100 000 U/mL)；其他化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

TechMaster快速黏度分析儀，DSC250差示掃描量熱儀，D2 Phaser X-射線衍射分析儀，NICOLET IS5傅里葉變換紅外光譜儀，F(xiàn)ESEM(SU8010)場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物的制備

制備方法參考Niu等[7]及GB/T 24853—2010，并做一定修改。具體如下：稱取(2.84 ± 0.000 5) g秈米淀粉于樣品筒中，按照一定比例(0%～5%，m/m，以淀粉干基為基準(zhǔn))加入單甘酯，混勻后加入25.2 mL蒸餾水，將攪拌器置于樣品筒中，快速上下攪動(dòng)，使得樣品充分分散，直至無(wú)淀粉團(tuán)塊留在水面上或粘附在攪拌器上。將樣品筒置于快速黏度測(cè)定儀(RVA)中，起始溫度為50 ℃平衡1 min，以12 ℃/min的升溫速率上升到復(fù)合溫度(80 ℃/95 ℃)，恒溫2.5 min后以相同速率下降到50 ℃，再平衡2 min。程序設(shè)定起始轉(zhuǎn)速為960 r/min，維持10 s后降低轉(zhuǎn)速至160 r/min，并保持該轉(zhuǎn)速至程序運(yùn)行結(jié)束。由TCW3軟件得出糊化參數(shù)并繪制黏度變化曲線。

RVA運(yùn)行結(jié)束后迅速取出樣品并置于一次性培養(yǎng)皿內(nèi)，液氮速凍后冷凍干燥24 h，粉碎，過(guò)100目篩備用。樣品標(biāo)記為IS-A-B-C，A為單甘酯簡(jiǎn)稱，B為復(fù)合溫度(℃)，C為單甘酯添加量(%)。例如：IS-GMS-80-1表示該樣品為在80 ℃下，硬脂酸單甘酯添加量為1%時(shí)制備得到的秈米淀粉-硬脂酸單甘酯復(fù)合物。

1.3.2 秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物復(fù)合指數(shù)(CI)值的測(cè)定

參照張書(shū)艷等[5]，以秈米淀粉的吸光度為對(duì)照組，計(jì)算復(fù)合指數(shù)(CI)，見(jiàn)式(1)。

CI=(Abs1-Abs2)/ Abs1×100%

(1)

式中：Abs1為秈米淀粉的吸光度；Abs2為復(fù)合物的吸光度；CI為復(fù)合指數(shù)，%。

1.3.3 秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物紅外光譜掃描

參照Wang等[8]，采用Omnic軟件對(duì)得到的紅外光譜進(jìn)行基線校正、平滑處理。

1.3.4 秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物熱特性測(cè)定

參考Reddy等[9]，準(zhǔn)確稱取1～3 mg(淀粉干基)樣品，與一定質(zhì)量蒸餾水混合均勻(1∶3)于鋁盤中，壓蓋密封。20 ℃下平衡后，以空鋁盤為參照，通入氮?dú)?流速為50 mL/min)，以10 ℃/min的速率從20 ℃升溫至150 ℃，進(jìn)行掃描測(cè)定。通過(guò)DSC配套軟件得到樣品的相轉(zhuǎn)變起始溫度To、峰值溫度Tp、終止溫度Tc及焓變值ΔH。

1.3.5 秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物結(jié)晶結(jié)構(gòu)測(cè)定

參考Wang等[10]，采用波長(zhǎng)為1.542 nm的Cu射線，X射線高壓發(fā)生器管壓為30 kV，管流10 mA，轉(zhuǎn)速15 r/min；衍射角掃描區(qū)域2θ=3°～35°，步長(zhǎng)為0.02°，步數(shù)1 600，掃描速度為2°/min。結(jié)合DIFFRAC及jade6軟件計(jì)算相關(guān)結(jié)晶度(%)。

1.3.6 秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物體外消化特性測(cè)定

參照Chen等[11]，準(zhǔn)確稱取(200 ± 5) mg樣品置于離心管中，加入15 mL醋酸鈉緩沖液(0.2 mol/L，pH 5.2)和磁力攪拌子使之分散均勻。將混合液于95 ℃下糊化30 min，冷卻至37 ℃后加入5 mL混酶溶液(豬胰α-淀粉酶120 U/mL和糖化酶80 U/mL 混合)。將樣品于37 ℃，300 r/min條件下水解。分別于20 min和120 min取出100 μL水解液，沸水浴中處理以使酶失活。隨后，將水解液以 4 000 r/min離心5 min，使用3,5-二硝基水楊酸法測(cè)定上清液中的葡萄糖含量。計(jì)算不同的淀粉組分(RDS、SDS、RS)含量。

1.3.7 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是3次平行實(shí)驗(yàn)的平均值，采用SPSS 21.0軟件中的單因素方差分析(one-way，ANOVA)檢驗(yàn)顯著性水平(檢驗(yàn)水平P選擇為 0.05，即小于0.05認(rèn)為有顯著性差異)和Pearson簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)雙變量相關(guān)性。采用OriginPro 9.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單甘酯添加量對(duì)秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物復(fù)合指數(shù)的影響

如圖1所示，隨著不同脂肪酸單甘酯添加量的增加，秈米淀粉-單甘酯的復(fù)合指數(shù)總體呈現(xiàn)先大幅度增加后略有減小的趨勢(shì)(80 ℃下的IS-GMP除外)，在單甘酯添加量1%～3%范圍內(nèi)復(fù)合指數(shù)變化最大。在95 ℃下，IS-GMS和IS-GMP在對(duì)應(yīng)單甘酯添加量為3%時(shí)達(dá)到CI最大值，兩者無(wú)顯著性差異(P>0.05)且顯著高于(P<0.05)IS-GML的CI最大值；在80 ℃下，單甘酯添加量3～5%范圍內(nèi)，隨著制備溫度的上升，IS-GML的CI值降低而IS-GMS和IS-GMP的CI值有較大幅度增加。對(duì)于IS-GML，可能是因?yàn)闇囟鹊脑黾邮沟玫矸鄣碾p螺旋結(jié)構(gòu)遭受破壞，內(nèi)部的疏水性基團(tuán)外露，導(dǎo)致吸附在淀粉上的脂質(zhì)脫落，CI值減小[5]；相比于CML，GMS和GMP碳鏈長(zhǎng)度更長(zhǎng)，疏水作用受溫度影響較小，溫度導(dǎo)致分子運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，使得脂質(zhì)分子和淀粉分子結(jié)合能力較強(qiáng)。

2.2 單甘酯添加量對(duì)淀粉糊化性質(zhì)的影響

由圖2a、圖2c和圖2e中可見(jiàn)，在保溫溫度為80 ℃(低于秈米淀粉糊化溫度)下，和秈米淀粉相比，單甘酯的添加使得淀粉黏度值減小，且隨著碳鏈長(zhǎng)度的增加，黏度的降低越明顯。不同單甘酯的添加對(duì)秈米淀粉的糊化曲線影響各不相同。

由圖2b、圖2d和圖2f中可見(jiàn)，在保溫溫度95 ℃下，隨著碳鏈長(zhǎng)度的增加，越容易在冷卻過(guò)程中形成完整的黏度峰；且單甘酯添加量越大，形成的黏度峰越尖銳。冷卻峰的形成可能是因?yàn)橹辨湹矸酆椭|(zhì)形成了V型復(fù)合物[12]，降低了雙螺旋聚集的緊密程度，導(dǎo)致了黏度增加；也有可能是因?yàn)橛坞x的脂質(zhì)和膨脹顆粒中的復(fù)合物在該溫度下凝固變硬，使得黏度增加[13]。直鏈淀粉-脂質(zhì)相互作用限制了淀粉顆粒的膨脹，減弱了直鏈淀粉浸出的速率，導(dǎo)致了更長(zhǎng)的峰值時(shí)間和更高的糊化溫度[13,14]。隨著GML添加量的增加，IS-GML衰減值和回生值皆增加，谷值黏度與GML添加量呈線性關(guān)系(y=-131.39x+1 910.7，R2=0.944 2)。

對(duì)3種單甘酯復(fù)合物的糊化參數(shù)和復(fù)合指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表1所示。隨著添加量的改變，IS-GMS復(fù)合程度和糊化性質(zhì)皆顯著相關(guān)(除THR值外)。IS-GMP和IS-GML的復(fù)合程度和糊化性質(zhì)皆無(wú)關(guān)。IS-GMP與IS-GMS的衰減值為負(fù)值，以及IS-GMP的峰值時(shí)間均為7.2 min，因此無(wú)法計(jì)算相關(guān)性。

表1 單甘酯添加量變化時(shí)復(fù)合指數(shù)和糊化性質(zhì)雙變量相關(guān)性

2.3 秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物紅外光譜分析

由于復(fù)合物樣品數(shù)量多，且對(duì)于同一種單甘酯在相同制備溫度下其紅外光譜差異較小，故而選擇復(fù)合指數(shù)最大的樣品作為代表進(jìn)行展示。X-衍射圖譜也依照相同標(biāo)準(zhǔn)選擇代表性樣品。由圖3所示，相比于秈米淀粉，秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物在2 850 cm-1和1 705 cm-1附近出現(xiàn)了新的峰。其中，2 850 cm-1附近處吸收峰被認(rèn)為是脂肪酸的—CH3、—CH2的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)，1 707 cm-1附近的吸收峰為脂肪酸的羰基振動(dòng)，羰基和直鏈淀粉的羥基之間形成氫鍵導(dǎo)致此吸收峰略微左移[10]，此光譜特征也與Chen等[15]和Yang等[16]的報(bào)道相似。

2.4 秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物結(jié)晶結(jié)構(gòu)分析

如圖4所示，秈米淀粉在2θ=15°、22.8°出現(xiàn)單峰，17°、18°出現(xiàn)雙肩峰，為典型的A型淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)[17]，經(jīng)計(jì)算，結(jié)晶度為17.4。淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的X衍射圖譜在2θ=13°、19.8°出現(xiàn)衍射峰，證明了V-type復(fù)合物的形成[18]。

結(jié)合局部圖(圖4a和圖4b)和表2可看出，較長(zhǎng)鏈的單甘酯更易形成V-型結(jié)構(gòu)復(fù)合物。雖然IS-GMS在80 ℃下存在A+V型結(jié)構(gòu)，但在95 ℃下可向V型轉(zhuǎn)變，說(shuō)明溫度的增加可以促進(jìn)A型結(jié)構(gòu)向V型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變；而IS-GML皆為A+V型結(jié)構(gòu)。

秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物的形成降低了秈米淀粉的結(jié)晶度(見(jiàn)表2)。加熱之后，秈米淀粉的雙螺旋結(jié)構(gòu)受到了破壞，并且脂質(zhì)的添加使得淀粉鏈向雙螺旋結(jié)構(gòu)的重排受到了阻礙，使得其結(jié)晶度減小[18]。隨著復(fù)合物制備溫度的升高，形成復(fù)合物的結(jié)晶度上升，可能是因?yàn)楦邷貙?dǎo)致了更高的動(dòng)能，使得螺旋結(jié)構(gòu)更容易移動(dòng)，脂質(zhì)更容易自聚，形成更多核，最終轉(zhuǎn)化為晶體[4,19]。

2.5 秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物熱特性分析

由表3可見(jiàn)，秈米淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物多數(shù)含有兩個(gè)DSC吸熱峰。第一個(gè)吸熱峰為復(fù)合物對(duì)應(yīng)的游離脂質(zhì)的熔融峰(44～54 ℃)，單甘酯添加量較少時(shí)，熔融峰不易被檢測(cè)出，碳鏈長(zhǎng)短對(duì)其影響較小。對(duì)于秈米淀粉(IS)，第一個(gè)吸熱峰為其糊化峰。

第二個(gè)吸熱峰是秈米淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的解離峰。秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物的解離峰值Tp小于100 ℃，為Ⅰ型復(fù)合物，該類復(fù)合物結(jié)構(gòu)相對(duì)無(wú)序，結(jié)晶度較低[20]。制備溫度的提高增加了解離峰值，這可能是由于復(fù)合物結(jié)晶溫度與冷卻的環(huán)境溫度之間的溫度差ΔT增加所致。ΔT越高，傳熱速率越高，因此成核速率越高，形成的晶體越多[4]，導(dǎo)致Tp增加。相對(duì)于其他兩種復(fù)合物，IS-GMP的焓變值(ΔH)最大，X衍射峰強(qiáng)度最大且結(jié)晶度最大，說(shuō)明GMP有更好的與淀粉結(jié)合的能力，形成了更多的復(fù)合物[21,22]。在本研究中，碳鏈較短的單甘酯與直鏈淀粉復(fù)合的強(qiáng)度不夠大；但較長(zhǎng)碳鏈長(zhǎng)度的單甘酯因其較差的溶解度和空間位阻排斥而難以進(jìn)入直鏈淀粉雙螺旋腔內(nèi)。碳鏈長(zhǎng)度適中的GMP與秈米淀粉結(jié)合效果最好。

表2 不同秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物的晶型及結(jié)晶度

表3 單甘酯添加量對(duì)秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物熱特性的影響

2.6 秈米淀粉-單甘酯體外消化特性

由表4所示，制備溫度80 ℃和95 ℃下，GMS和GMP的添加顯著降低了RDS含量，且添加量越大，效果越顯著。80 ℃下，3種復(fù)合物的SDS含量隨添加量的增加先增加后減小；而95 ℃下，不同單甘酯對(duì)SDS含量影響不同。

由復(fù)合指數(shù)和晶型研究的結(jié)果可知，IS-GML的CI值較小，說(shuō)明GML不易于秈米淀粉結(jié)合或結(jié)合量較少，且結(jié)晶度較低，導(dǎo)致其RDS含量和原料淀粉相近。相比于秈米淀粉，脂肪酸單甘酯的添加使得RS含量都顯著增加，說(shuō)明V-型復(fù)合物的結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定、規(guī)整，不易被水解。

表4 單甘酯添加量對(duì)淀粉-脂肪酸復(fù)合物消化特性的影響

對(duì)復(fù)合指數(shù)和消化特性指標(biāo)做相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)CI值和RDS含量顯著負(fù)相關(guān)(見(jiàn)表5)。說(shuō)明秈米淀粉與單甘酯結(jié)合可降低快速消化淀粉含量，此結(jié)果與前人研究結(jié)果一致[23]。

表5 CI值和消化特性相關(guān)性

3 結(jié)論

隨著單甘酯添加量的增加，復(fù)合指數(shù)在出現(xiàn)峰值后趨于平穩(wěn)或下降；秈米淀粉-硬脂酸復(fù)合物和秈米淀粉-棕櫚酸復(fù)合物的CI最大值沒(méi)有顯著性差異(P<0.05)。單甘酯添加量的增加及復(fù)合溫度的升高可促使秈米淀粉結(jié)晶型從典型的A型結(jié)構(gòu)向A+V型及V型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，形成Ⅰ型復(fù)合物。秈米淀粉-硬脂酸復(fù)合物的復(fù)合指數(shù)(CI)和糊化特性顯著相關(guān)(除最低黏度外)。相比于秈米淀粉，脂肪酸單甘酯的添加RS含量顯著增加；秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物的快速消化淀粉含量(RDS)與復(fù)合指數(shù)(CI)顯著負(fù)相關(guān)。單甘酯的鏈長(zhǎng)、添加量、制備溫度對(duì)秈米淀粉-單甘酯復(fù)合物的形成、熱特性和結(jié)晶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響其消化特性。本研究可為淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物消化性調(diào)控及其在膳食干預(yù)方面的應(yīng)用提供參考。