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   广西酿酒协会
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刊期:月刊

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两种菠萝蜜籽抗性淀粉特性研究

2019年第7期
方桂红,邓小宝,陶宇,周静海南医学院公共卫生学院,海南 海口 571199
 



摘  要:本文通过SEM、XRD、DSC和抗酶解性实验对菠萝蜜籽原淀粉和压热处理的菠萝蜜籽抗性淀粉、压热酶解处理的菠萝蜜籽抗性淀粉的特性进行分析。结果表明两种处理过的淀粉样品均失去原淀粉的颗粒外形,压热酶解法处理过的淀粉呈现出大量微孔通道。菠萝蜜籽原淀粉为A型结晶,经过处理后的两种淀粉均为B型结晶。处理过的淀粉与原淀粉相比的T0、TP及∆H都有所降低;压热处理后的淀粉Tc降低;而经过压热酶解的淀粉Tc值上升。在In-Vitro消化体系中,在同一消化时间长度内,原淀粉的消化产物比两种抗性淀粉的消化产物多,压热酶解抗性淀粉的酶解产物最少,抗性最强。压热和压热酶解让淀粉分子重新组合,改变了淀粉微观结构,提高了淀粉的抗消化性。

关键词: 菠萝蜜;抗性淀粉;酶法

  

菠萝蜜为海南常见的热带水果之一,随着海南菠萝蜜的深加工行业的发展,菠萝蜜籽作为副产品的出现造成的资源浪费日趋严重,菠萝蜜籽富含淀粉,且菠萝蜜籽淀粉相比普通的马铃薯淀粉和玉米淀粉,直链淀粉含量[1]。直链淀粉回生过程决定晶核形成,直接影响着食品的消化性[2]。故目前很多学者采用回生的方式制备抗消化淀粉,高直链淀粉无疑是一种好的原材料。菠萝蜜籽淀粉作为一种稀有淀粉,研究者并不多,目前只有部分学者对于菠萝蜜籽淀粉的提取和分离及特性有少量研究,如J. M. Juarez-Barrientos等人对糊化后的淀粉特性进行详细研究,发现其具有较强的吸水性和吸油性,且糊化温度较高[3]

抗性淀粉(resistant starch)即难消化淀粉,在小肠中不能被分解吸收,但在人体结肠中可以与挥发性脂肪酸一起发酵产生大量短链脂肪酸,改善肠道环境,具有一定的生理功能[4]。抗性淀粉含热量极低,添加到食品中可起到与膳食纤维相似的生理功能;抗性淀粉的慢消化特性使之成为糖尿病病人食品添加中的新宠,相比较粗粮的加入来说,抗性淀粉加入糖尿病病人的食品中不会带来不良的口感,又有更好的加工性能。RS3作为通过物理或者化学方法变性获得的具有可溶性膳食纤维类似特性的淀粉,使其在传统食品的加工中具有更加广泛的应用价值。相比膳食纤维,抗性淀粉有着良好的口感和接受度;更为重要的是,抗性淀粉一方面可以预防结肠直肠癌、调节血糖,另一方面还可以起到预防心脑血管疾病的作用,相比膳食纤维有着更为广泛的保健意义[5]。目前报道较多以玉米淀粉、马铃薯淀粉、木薯淀粉为原料制备抗性淀粉,还未见有以菠萝蜜籽淀粉为原料加工的抗性淀粉的报道。本文以菠萝蜜籽原淀粉、压热法处理的菠萝蜜籽抗性淀粉、压热酶法处理的菠萝蜜籽抗性淀粉,通过电镜、XRD-衍射、DSC和胰α-淀粉酶法来了解淀粉的结构特性和其消化特性,对菠萝蜜籽抗性淀粉的后期应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

猪胰α-淀粉酶,美国sigma公司;磷酸二氢钠,国药集团化学试剂有限公司;麦芽糖,上海博奥生物科技有限公司;磷酸氢二钠,国药集团化学试剂有限公司;苯酚,广州化学试剂厂;浓硫酸,广州化学试剂厂。

1.2 仪器与设备

多功能光学显微镜,日本OLYMPUS公司;扫描电子显微镜TM3000,日本HITACHI公司;差示扫描仪DSC8000(DSC),美国PE公司;X-射线衍射仪D/MAX2200VPC,日本理学公司;透析袋D=32mm,上海博奥生物科技有限公司;电子分析天平BS201S,德国Startorius公司;恒温摇床SHA-CA,  常州奥华仪器有限公司;涡旋混合器XW-80A, 上海精科实业有限公司。

1.3 方法

1.3.1 淀粉的扫描电镜分析

在红外灯下用双面胶将菠萝蜜籽原淀粉(以下简称为JS)、压热处理的抗性淀粉(以下简称AJS)以及压热酶解处理的抗性淀粉(ADJS)分别用导电胶固定在样品检测台上,喷金处理后置于电镜中观察,选取有代表性的淀粉颗粒形貌拍照记录。

1.3.2 淀粉的X-射线衍射分析

利用X射线衍射仪,采用步进扫描法,得到样品的 X-光衍射图谱。操作条件如下:起始角:2θ=4°;终止角:2θ=35°;步长:0.05°;扫描速度:4°/min;积分时间:2S;靶型:Cu;管流:30mA;管压:40KV。

1.3.3 淀粉的DSC分析

按照30%淀粉乳浓度计算淀粉和水的重量,称取一定量淀粉加入样品池中,再用注射器加入适量的水分,压紧密封样品池后放入样品座平衡12h。用空白做参照测定样品。

1.3.4 抗性淀粉的消化性分析

分别准确称量质量为 0.400g的JS、AJS和ADJS加入适量缓冲液配成淀粉乳后移入渗析管中,将加缓冲液总体积加到 20mL。加 猪胰α-淀粉酶4mL开始酶解,夹紧渗析管口,放入装有400mL缓冲液的烧杯中,置于 37℃水浴中消化4h,每隔半小时后取 2mL 消化渗析液,稀释适当倍数,490nm 波长下测定含糖量,以麦芽糖溶液制作标准曲线,根据产生的水解糖含量计算消化速度。

称取 1g 麦芽糖于 1000mL 容量甁中制得 1mg/ml 母液。分别吸取 1ml、2ml、3ml、4ml、6ml、10ml于容量瓶中配制成标准浓度(10、20、30、40、60和 100μg/ml)溶液。分别取 2ml于具塞试管中(以蒸馏水2ml做空白对照),加 5%苯酚溶液 1ml,摇匀,再快速加入浓硫酸 5ml,摇匀,置 25-30℃水浴保温 20min,室温下波长 490nm 处测吸光度。以标准麦芽糖浓度(μg/ml)为纵坐标,吸光值为横坐标,绘制标准曲线。

            

图1 麦芽糖标准曲线

消化产物:CHIO=C×D×(424-S)×0.001(mg)

平均消化速度:V=CHO/W/H(mg/g/h)

其中,C:从标准曲线中算出标准麦芽糖量(g) ;D:渗析液稀释倍数 CHO在 In Vitro模型整个体系中所产生的水解糖量(mg);424:整个消化体系的溶液体积;S:从消化体系中取出的溶液体积;0.001:将微克换算成毫克的系数;W:以干基计的样品质量(g);H:反应时间(h)。      

 

2 实验结果分析

2.1 淀粉扫描电镜分析

  (A)  (B)

 

   (C)  (D)

   (E)   (F) 

    (A)JS(*1000);(B)JS(*1500);(C)AJS(*500);(D)AJS(*1000); (E)ADJS(*500);(F)ADJS(*1000)

                  图2 淀粉样品的扫描电镜分析照片

扫描电镜因拥有高分辨率和高放大率,使淀粉颗粒表面特征在扫描电镜下更加清晰明显。因此常用于对淀粉颗粒特性的表征。从图2看出,菠萝蜜籽淀粉颗粒较小,颗粒直径约3-10μm,颗粒呈钟型或球形,颗粒表面光滑。同时也观察到一些类似钟形颗粒的破碎小颗粒,这和LUCIANO CG[6]研究结果一致,认为这种破碎颗粒并非提取过程中产生,而是淀粉形成过程中的结果。经过压热法处理后的淀粉颗粒充分糊化,颗粒的大小和形状发生了明显的改变。淀粉颗粒在含水量高的状况下在压热过程中受热糊化膨胀,直链淀粉溶出,打破颗粒原有形态,因此经过压热处理的淀粉失去规则外形,形成片状不规则物,切表面不光滑。淀粉在冷却重结晶过程中淀粉分子链通过氢键相互靠近及重排,形成有序的双螺旋结构[7]。而经过压热-酶解的菠萝蜜籽抗性淀粉由于压热淀粉充分糊化,再经过普鲁兰酶作用支链淀粉,部分的短链小分子溶出,淀粉呈现出微孔通道。提示菠萝蜜籽抗性淀粉可用做药物赋形剂,因其具有一定的抗消化性,可以考虑未来作为糖尿病人降糖药物的赋性剂[8]

2.2 淀粉的结晶性质分析

图3 三种淀粉的X-衍射图谱

淀粉颗粒具有有序的结晶区和无序的非结晶区两种结构。结晶部分可以用小角衍射来测定。酶法制备抗性淀粉主要是淀粉酶来改变淀粉分子的原有结构,在重结晶过程中淀粉糊中链淀粉重新聚合形成新的晶体,因此,研究不同抗性淀粉含量的结晶性质是弄清抗性淀粉的结构特性和规律的关键。

由图3可以看出,菠萝蜜籽原淀粉的XRD在15°、 17° 17.9°和 23°出现了主要的衍射峰,四个峰的强度均高,是典型的A型图谱,这和Rengsutthi[9]和Phisut[10]研究结果一致,和谷类的图谱相似。经过压热处理之后抗性淀粉和原淀粉相比,图谱位置出现了变化,在5.8°左右出现了小的衍射峰,为B型图谱。而在15°和 23°处的衍射峰强度降低。17. 9°处的衍射峰消失。说明经过压热处理,淀粉糊化,淀粉的结晶结构被破坏。经过压热酶解后的淀粉同样在5.8°出现了衍射峰,且峰的强度高于压热的菠萝蜜籽抗性淀粉的强度。而且在14°开始出现新的衍射峰,这说明压热酶解过程中有部分水分参与了淀粉结晶结构的形成过程。相比压热菠萝蜜籽抗性淀粉,各个衍射峰的峰形更高。淀粉酶解出更多支链淀粉,这些分支在冷藏过程中老化回生,重新形成致密的结晶,从而淀粉的抗性得到提高。相比原淀粉,高级微晶区的面积降低,但初级微晶区的面积增大。抗性淀粉主要是由淀粉糊中直链分子已经支链的分支片段经过重组凝沉而来,这种晶体结构较为致密,稳定性较好。高群玉研究发现高级微晶与初级微晶仅根据晶体粒度大小来划分,并非高级微晶的牢固紧密程度一定大于初级微晶。高级微晶大,不一定结构都紧密,初级微晶的粒度虽小,但也含有一些不易被破坏的牢固结构[11]。因此,尽管原淀粉中高级微晶的含量高,结晶度也不低,但RS含量却远低于处理过的样品。

2.3 淀粉的热特性分析

菠萝蜜籽原淀粉、菠萝蜜籽压热处理后的抗性淀粉和菠萝蜜籽压热酶解后的抗性淀粉的相转变温度和焓值如表1所示。

表1中可以看出,与原淀粉相比,淀粉经过处理后,压热过的淀粉的T0、TP以及焓值都有所降低。淀粉经过压热后出现糊化,这与DE OLIVEIRA CS[12]研究的压热甘薯淀粉的性质变化趋势粉一致,其表明由淀粉颗粒内由直链淀粉 - 直链淀粉,直链淀粉 - 支链淀粉和/或直链淀粉 - 脂质相互作用引起的结构变化引起的淀粉链在无定形区内的流动性降低,淀粉由熔融温度较高的A型结晶转变成熔融温度较低的B型结晶,这点从淀粉的XRD结果已得到验证。经过压热酶解的淀粉相比原淀粉确有更高的Tc值。酶解过程中造成淀粉分子的降解,形成大量支链淀粉分支的片段,片段之间在重结晶过程中分子间通过氢键连接形成紧密的结构,从而吸水膨胀能力降低,淀粉糊化困难。压热处理后的淀粉的焓值相比原淀粉有所降低,造成这种现象的原因在于,淀粉压热处理后形成的结晶结构大致分为两种:一种为直链晶体,是淀粉糊中直链淀粉凝沉所形成,这种晶体颗粒大,紧密而且牢固,是淀粉产生抗性的主要原因;另一种为支链晶体,这种晶体粒度小,而且远没有直链晶体牢固,甚至比不上原淀粉晶体,所以极容易破坏。由于这种两种不同晶体的存在,导致压热处理后淀粉的焓值降低[13]

表1 三种淀粉的热特性参数

样品

T0

TP

TC

∆H

原淀粉

87.71±2.39a

92.69±1.66a

100.69±1.82a

19.97±4.23a

压热

58.41±1.01b

69.23±0.79b

76.22±0.20b

5.28±1.16b

压热酶解

84.03±0.96c

89.99±1.24c

103.47±0.51c

8.70±0.61b

2.4 淀粉的消化性分析

原淀粉、菠萝蜜籽压热抗性淀粉和菠萝蜜籽压热酶解抗性淀粉的不同时间的消化产物如图4,其消化速率见图5。

从图中可以看出,在In-Vitro消化体系中,随着反应时间的延长,所有淀粉样品消化产物均增加。消化酶作用时间越长,产物就随着时间累积越多。在同一消化时间长度内,原淀粉的消化产物比两种抗性淀粉的消化产物多,压热酶解抗性淀粉的酶解产物最少,抗性最强。淀粉按照其消化性能可以分为快消化淀粉、慢消化淀粉和抗消化淀粉。研究发现抗性淀粉位于淀粉的内部结构,是排列紧密的双螺旋结构,快消化淀粉位于淀粉重结晶的外部区域,为无定形结构; 慢消化淀粉介于两者之间。淀粉经过压热酶解后冷藏重结晶处理过后,重新形成紧密的双螺旋结构。人们普遍认为淀粉酶首先作用于无定形区域,而结构紧密的区域则很难接近[14]。故表现出在2h后淀粉消化产物增加速率变缓,消化速率降低。

图4 三种淀粉的消化产物的量

图5 三种淀粉的平均消化速率

3 结论与展望

SEM显示淀粉颗粒形貌变化较大,淀粉颗粒从钟形或球形变为不规则片状,淀粉颗粒形貌破坏,酶解后淀粉片状物表明呈现出多孔状的海绵结构。XRD分析发现原淀粉是典型的A型淀粉,经过压热和压热酶解两种变性后淀粉变为B型结晶,高级结晶区减少,低级结晶区域增大。进一步证实,淀粉的抗性不仅仅与淀粉的结晶度有关,还可能与淀粉的结晶形式有关。DSC研究发现原淀粉的糊化温度相比其他淀粉的糊化温度高,糊化焓高,提示该淀粉的热稳定性较好。压热和压热酶解淀粉因为淀粉预糊化的作用,双螺旋结构被破坏,淀粉重结晶过程分子重排,故出现淀粉的糊化温度呈现不同程度的改变。因酶解淀粉解离出来更多的直链淀粉,分子重排变得更容易,所以淀粉的糊化温度范围变宽。在体外消化系统中,压热和压热酶解淀粉都呈现出较好的抗消化性。淀粉消化性的改变归结于淀粉分子结构的变化,故未来可以在淀粉的分子结构和淀粉消化性之间的关系做进一步的深入研究,以找到淀粉高抗消化淀粉的制备的机制,从而指导实际生产。

 

参考文献

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[13]黄继红.抗性淀粉生产技术及其应用[M].郑州:中原出版传媒集团,2017:150-160.

[14]SANG ICK SHIN, HEA JIN CHOI, KOO MIN CHUNG, et al. Slowly digestible starch from debranched waxy sorghum starch_ preparation and properties[J]. CEREAL CHEMISTRY, 2004,81(3):404-408.


第一作者:方桂红(1980-),河南信阳人,副教授,硕士,研究方向:功能性碳水化合物。

基金项目:海南省自然科学面上基金(8170142);海南省大学生创新创业项目(20140114)。

 


   
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