慈姑抗性淀粉的理化特性研究

趙力超，杜 征，劉 欣，游曼潔

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，廣東 廣州 510642)

慈姑抗性淀粉的理化特性研究

趙力超，杜 征，劉 欣，游曼潔

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，廣東 廣州 510642)

采用酸解-微波法制備慈姑抗性淀粉(resistant starch，RS)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)慈姑RS形成了新的連續(xù)的致密結(jié)構(gòu)，結(jié)晶以初級(jí)微晶為主，晶型轉(zhuǎn)變?yōu)镃型，結(jié)晶度為23.62%；RS-碘復(fù)合物的最大吸收波長(zhǎng)為564.40nm；隨著RS含量的增加，慈姑RS的直鏈淀粉含量變化不大，大部分可溶性直鏈淀粉轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗苄灾辨湹矸?，平均聚合度明顯降低，提純RS的平均聚合度為22.94；紅外光譜分析表明，慈姑RS含有伯、仲醇羥基和α-D-吡喃環(huán)結(jié)構(gòu)特征，只較原淀粉形成了更多的氫鍵，說(shuō)明其是物理改性淀粉。慈姑RS的溶解度、透明度大大低于原淀粉，而持水力較原淀粉有明顯的提高。

慈姑；抗性淀粉；理化特性

抗性淀粉(resistant starch，RS)是近年來(lái)國(guó)際上新興的食品研究領(lǐng)域，1993年歐洲抗性淀粉協(xié)會(huì)(EURESTA)將其定義為健康機(jī)體小腸中不被吸收的淀粉及其降解產(chǎn)物[1]。它具有與膳食纖維相似的生理功能，能預(yù)防Ⅱ型糖尿病、結(jié)(直)腸癌和一些飲食相關(guān)的慢性病，可有效克服膳食纖維食品呈不良?xì)馕?、結(jié)構(gòu)粗糙、口感干、缺乏吸引力等弊端，其在中低水分食品中有著優(yōu)越的加工性能，是一種極具生理功能潛力和良好食品加工特征的成分[2]。其中回生淀粉(RS3)對(duì)熱十分穩(wěn)定，在加工過(guò)程中不易損失，是RS中最為重要的一類，具有很高的商業(yè)價(jià)值，國(guó)內(nèi)外對(duì)其研究最多[3]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)RS生理功能和制備方法的研究較多，而對(duì)其形成機(jī)理及理化特性方面還缺乏深入的研究和了解[4]。本研究以南方來(lái)源豐富的慈姑淀粉為原料，采用酸解-微波法制備慈姑RS，對(duì)其顆粒形態(tài)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、紫外-可見(jiàn)光譜、直鏈淀粉含量、平均聚合度變化、紅外光譜、溶解度、透明度及持水力等諸多理化特性進(jìn)行分析，旨在為RS的性質(zhì)研究提供一定的參考，以利于慈姑淀粉資源的深度開(kāi)發(fā)利用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

慈姑淀粉 市售；馬鈴薯RS、玉米R(shí)S 山東金城股份有限公司；耐高溫α-淀粉酶 蘇州宏達(dá)制酶有限

公司；葡萄糖淀粉酶 無(wú)錫市雪梅酶制劑科技有限公司；其他化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

PHS-3C型精密pH計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司；XL-30 ESEM環(huán)境掃描電子顯微鏡 Philips公司；D/MAX-3A型X射線衍射儀 日本理學(xué)公司；U-3010紫外分光光度計(jì) 日本Hitachi公司；VECTOR33型傅里葉變換紅外光譜儀 德國(guó)Bruker公司。

1.3 方法

1.3.1 RS的制備

取適量慈姑淀粉，加入一定量蒸餾水配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的淀粉乳，攪拌均勻，按照體積分?jǐn)?shù)4%加入2mol/L HCl溶液水解1h后，用稀NaOH溶液調(diào)pH值為中性。然后在640W微波功率下加熱30s，室溫下自然冷卻，放入4℃冰箱中回生24h。取出后于室溫下放置2h，80℃烘干，粉碎，得RS成品。

1.3.2 RS的純化

稱取一定質(zhì)量(m0)的RS試樣，溶于pH6.0的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖液中，加入過(guò)量的耐高溫α-淀粉酶，90℃水浴振蕩30min，冷卻至室溫；然后用檸檬酸調(diào)其pH值至4.5，加入過(guò)量的葡萄糖淀粉酶，60℃水浴振蕩30min。冷卻，3000r/min離心15min，除去上清液，沉淀水洗至少4次；80℃干燥，研制成粉末，105℃烘至質(zhì)量恒定，冷卻稱質(zhì)量(m)，得到RS純品，并計(jì)算RS得率[5]。

1.3.3 電子掃描顯微鏡觀察

將烘干的待測(cè)樣品研碎，然后均勻分散于雙面膠上并固定在銅臺(tái)上，噴金后掃描電鏡觀察。

1.3.4 X射線衍射分析

采用X射線衍射儀測(cè)定淀粉的晶體特性[6]。X射線衍射條件：特征射線CuKα，石墨單色器，管電壓40kV，管電流30mA，掃描范圍2θ為4°～70°，掃描速度10°/min。樣品的結(jié)晶度按照Blanshard等[7]提出的方法進(jìn)行計(jì)算。

1.3.5 碘吸收曲線測(cè)定

稱取淀粉樣品20mg加入0.5mL無(wú)水乙醇潤(rùn)濕樣品，加入2mol/mL的KOH溶液1mL，使樣品充分溶解。加入10mL去離子水，用0.1mol/mL的HCl溶液將pH值調(diào)至6.0～7.0，加水定容至50mL。取10mL于100mL容量瓶，加入80mL去離子水和2mL I2-KI溶液(I22mg/mL和KI 20mg/mL)，定容至100mL，立即混勻。用紫外分光光度計(jì)掃描，波長(zhǎng)450～800nm。

1.3.6 直鏈淀粉、可溶性直鏈淀粉含量測(cè)定

按照參考文獻(xiàn)[8]的方法進(jìn)行測(cè)定。

1.3.7 淀粉平均聚合度測(cè)定

采用還原末端法[9-10]。稱取0.500g淀粉樣品，溶解于2mol/L的KOH溶液中，充分溶解，再用HCl溶液調(diào)pH值至中性，定容至50mL。取1mL溶液用3,5-二硝基水楊酸法測(cè)還原末端的數(shù)量，得到數(shù)據(jù)G(以葡萄糖的含量(mg/mL)表示)，根據(jù)下式計(jì)算平均聚合度DP。

式中：m為淀粉樣品的質(zhì)量/mg；1.1為淀粉換算成葡萄糖的系數(shù)。

1.3.8 紅外光譜分析

采用紅外光譜儀，溴化鉀壓片法。

1.3.9 溶解度和透明度的測(cè)定[11]

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的淀粉乳，置于不同溫度的水浴中加熱攪拌30min，在3000r/min離心30min，取上清液在水浴上蒸干，于105℃烘至質(zhì)量恒定，稱質(zhì)量得被溶解淀粉質(zhì)量(m0)，計(jì)算其溶解度S。

式中：m為淀粉樣品質(zhì)量/(mg干基)。

用蒸餾水調(diào)制1%的淀粉乳，置于沸水浴中加熱攪拌20min，并不時(shí)加入沸騰的蒸餾水保持原有體積，然后冷至室溫。以蒸餾水為空白，在620nm波長(zhǎng)處測(cè)定淀粉糊的透光率。

1.3.10 持水力的測(cè)定

分別稱取約50mg原淀粉和RS純品，加入去離子水10mL，搖勻、密封，靜置12h，讓淀粉充分潤(rùn)濕，然后于6000r/min離心15min，稱取離心管和沉淀的總質(zhì)量，計(jì)算出樣品吸收水分的質(zhì)量。持水力以樣品吸收水分的質(zhì)量(m)占樣品質(zhì)量(m0)的百分比表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 慈姑RS的顆粒結(jié)構(gòu)

電鏡圖結(jié)果顯示，經(jīng)酸解-微波處理后，慈姑淀粉顆粒狀消失，形成了連續(xù)的有不規(guī)則凸起的緊密結(jié)構(gòu)；且RS含量高的樣品較含量低的樣品結(jié)構(gòu)整齊、緊密，不規(guī)則凸起不明顯。提純后的RS結(jié)構(gòu)則更為致密，不規(guī)則凸起消失，表面非常平整。這主要是因?yàn)樵赗S的

純化過(guò)程中，淀粉酶將無(wú)定形淀粉及回生的支鏈淀粉水解，僅留下結(jié)構(gòu)致密的直鏈淀粉結(jié)晶區(qū)和摻雜于結(jié)晶區(qū)中的無(wú)定形的淀粉分子[12]。

圖1 慈姑RS的掃描電鏡圖Fig.1 Scanning electron micrographs of arrowhead native starch and its resistant counterparts with different RS contents

2.2 慈姑RS的結(jié)晶結(jié)構(gòu)

慈姑RS及原淀粉的X射線衍射圖譜如圖2所示，其圖譜數(shù)據(jù)分析見(jiàn)表1。

圖2 慈姑原淀粉及RS的X射線衍射圖譜Fig.2 X-ray diffraction patterns of arrowhead native starch and its purified resistant counterpart

表1 慈姑原淀粉及提純RS的X射線衍射圖譜數(shù)據(jù)分析Table 1 X-ray diffraction spectral data of arrowhead native starch and its purified resistant counterpart

從圖2及表1可以看出，經(jīng)酸解-微波處理、低溫回生制備后，提純的慈姑RS的結(jié)晶結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，其峰形主要為微小結(jié)晶峰，以小粒度的初級(jí)微晶(表現(xiàn)為類似于非晶的彌散衍射峰)為主，而高級(jí)微晶(粒度大，表現(xiàn)為尖銳衍射晶峰)的含量極少[13]。原淀粉尖銳的特征峰消失，新的結(jié)晶特征峰形成，2θ轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的16.855°、19.219°、22.341°，同時(shí)峰強(qiáng)度大大減弱，慈姑RS的晶型已由原淀粉的A型轉(zhuǎn)變?yōu)镃型，證明了抗性淀粉是淀粉分子結(jié)構(gòu)被打亂后重新形成的晶體這一推測(cè)的合理性[14]。經(jīng)過(guò)了結(jié)晶結(jié)構(gòu)的重新調(diào)整后，慈姑RS的結(jié)晶度降低，為23.62%。

2.3 慈姑RS的碘吸收曲線

圖3 慈姑原淀粉及RS的碘吸收曲線Fig.3 Iodine absorption curves of arrowhead native starch and its purified resistant counterpart

直鏈淀粉的最大吸收峰在600～640nm，支鏈淀粉的最大吸收峰在520～560nm。由圖3可看出，RS-碘復(fù)合物的最大吸收波長(zhǎng)為564.40nm，位于直鏈淀粉與支鏈淀粉之間，且由直鏈淀粉處向支鏈淀粉處偏移，這表明了RS的平均聚合度較小。該曲線在波長(zhǎng)500～650nm之間呈現(xiàn)一較寬的吸收峰，表明慈姑RS的聚合度不是單一的，而是在一定范圍內(nèi)連續(xù)分布的[15]。另外，RS-碘復(fù)合物的吸收峰比原淀粉的窄，說(shuō)明慈姑RS的分子質(zhì)量分布比較集中[16]。

2.4 慈姑RS粗品的直鏈淀粉、可溶性直鏈淀粉含量

表2 慈姑RS粗品的直鏈淀粉、可溶性直鏈淀粉含量Table 2 Amylose and soluble amylose contents of arrowhead native starch and its resistant counterparts with different RS contents

目前比較一致的觀點(diǎn)，RS主要由直鏈淀粉分子組成。但從表2卻可見(jiàn)，較之原淀粉，制備的慈姑RS粗品其直鏈淀粉含量變化不大，且不同RS含量粗品之間的直鏈淀粉含量差異也很小。出現(xiàn)這種結(jié)果，猜測(cè)可能是因?yàn)榇裙肦S含量主要由直鏈淀粉的聚合度大小決定，受直鏈淀粉含量的影響反而較小。

經(jīng)酸解-微波處理制備的慈姑RS，其可溶性直鏈淀粉含量顯著降低，這主要是因?yàn)镽S形成了穩(wěn)定、牢固的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，或者形成有序的直鏈淀粉聚合體，而表現(xiàn)為不溶性，大部分可溶性直鏈淀粉轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗苄灾辨湹矸踇17]。另外，慈姑RS粗品的可溶性直鏈淀粉含量隨RS含量的升高而呈降低趨勢(shì)，這也在一定程度上說(shuō)明了RS含量越高，其結(jié)構(gòu)越致密、牢固。

2.5 慈姑RS的平均聚合度

表3 慈姑RS的平均聚合度Table 3 Average DP values of arrowhead native starch and its resistant counterparts with different RS contents

由表3可看出，隨著RS含量的增加，慈姑RS的平均聚合度明顯降低，而提純RS的平均聚合度僅為22.94。結(jié)合碘吸收曲線的結(jié)論，可發(fā)現(xiàn)，慈姑RS是由平均聚合度較小的直鏈淀粉所組成的，且分子質(zhì)量分布比較集中。這也說(shuō)明了僅是一定范圍分子質(zhì)量的直鏈淀粉分子之間相互靠近，形成氫鍵，參與了RS的形成[18]。因此，適度降解慈姑淀粉，使得直鏈淀粉分子鏈變短，會(huì)顯著促進(jìn)RS的形成。

2.6 慈姑RS的紅外光譜分析

圖4 慈姑原淀粉及RS的紅外光譜圖Fig.4 Infrared spectra of arrowhead native starch, its purified resistant counterpart and glucoamylase

從圖4可看出，慈姑原淀粉在3331cm-1處出現(xiàn)較強(qiáng)的－OH伸縮振動(dòng)吸收峰，在2931cm-1處為飽和—CH的伸縮振動(dòng)吸收峰，1651cm-1處為醛基的C＝O伸縮振動(dòng)吸收峰，1158、1082、1016cm-1為與伯、仲醇羥基相連的C—O的伸縮振動(dòng)和吡喃糖環(huán)的C－O伸縮振動(dòng)吸收峰，929cm-1為D-吡喃葡萄糖的Ⅰ型吸收帶(吡喃環(huán)的環(huán)非對(duì)稱伸縮振動(dòng))，860cm-1為D-吡喃葡萄糖的α型吸收帶，766cm-1為D-吡喃葡萄糖的Ⅲ型吸收帶(吡喃環(huán)的環(huán)對(duì)稱伸縮振動(dòng))。慈姑RS具有以上的主要特征吸收峰，表明其含有伯、仲醇羥基和α-D-吡喃環(huán)結(jié)構(gòu)特征。

在慈姑RS的紅外光譜圖中，原淀粉的3331cm-1向低波數(shù)移動(dòng)，移至3316cm-1，且峰形變寬，相對(duì)強(qiáng)度增大，說(shuō)明形成了更多的氫鍵[19]，也證明了慈姑RS結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、牢固。與原淀粉相比，慈姑RS在1536cm-1處出現(xiàn)了蛋白質(zhì)酰胺Ⅱ帶的特征吸收峰，這主要是由于在提純過(guò)程中添加的葡萄糖淀粉酶殘留(對(duì)比圖4C)而引起的，除此之外，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)與原淀粉其他明顯的區(qū)別，證明其沒(méi)有形成新的基團(tuán)，即慈姑RS是物理改性淀粉[20]。

2.7 溶解度、透明度對(duì)比

表4 樣品溶解度、透明度的對(duì)比Table 4 Comparisons of solubility and transparency among arrowhead native starch, its purified resistant counterpart and starches from two other plant sources

從表4可以看出，各RS的溶解度、透明度大大低于慈姑原淀粉的；慈姑RS的溶解度稍低于玉米R(shí)S，而透明度則高于玉米R(shí)S，與馬鈴薯RS的幾乎相同。因此，各RS比較適合應(yīng)用于黏稠透明度低的飲料中，以增加飲料的懸浮度和不透明度。

2.8 持水力對(duì)比

表5 樣品持水力的對(duì)比Table 5 Comparison of water-holding capacity among arrowhead native starch, its purified resistant counterpart and starches from two other plant sources

從表5可看出，較之原淀粉，慈姑RS的持水力有了明顯提高，這可能是因?yàn)镽S的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，短直鏈淀粉分子增多，而葡萄糖單元上外側(cè)的親水性羥基也增多，使RS具有更好的吸收水分的能力。常見(jiàn)的膳食纖維玉米麩、燕麥麩、木纖維素、燕麥纖維的持水力分別為3.2、4.0、5.6、7.2g/g[21]，慈姑RS的持水力不僅低于馬鈴薯RS、玉米R(shí)S，并且比這些常見(jiàn)的膳食纖維也要低，使其在低水分食品中有著更優(yōu)越的加工性能。因此，慈姑RS可作為一種良好的新型膳食纖維食品添加劑，應(yīng)用空間廣闊。

3 結(jié) 論

在慈姑RS的制備過(guò)程中，酸解-微波處理破壞了淀粉顆粒原有的結(jié)構(gòu)，形成了新的連續(xù)的致密結(jié)構(gòu)。慈姑RS的結(jié)晶以小粒度的初級(jí)微晶為主，晶型由原來(lái)的A型轉(zhuǎn)變?yōu)镃型，結(jié)晶度為23.62%。RS-碘復(fù)合物的最大吸收波長(zhǎng)為564.40nm，在波長(zhǎng)500～650nm之間呈現(xiàn)一較寬的吸收峰。隨著RS含量的增加，慈姑RS的直鏈淀粉含量變化不大，大部分可溶性直鏈淀粉轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗苄灾辨湹矸?，平均聚合度明顯降低，提純RS的平均聚合度為22.94。紅外光譜分析表明，慈姑RS含有伯、仲醇羥基和α-D-吡喃環(huán)結(jié)構(gòu)特征，只較原淀粉形成了更多的氫鍵，說(shuō)明其是物理改性淀粉。慈姑RS的溶解度、透明度大大低于原淀粉的；持水力較原淀粉有明顯的提高，但比馬鈴薯、玉米R(shí)S的要低，并且比一些常見(jiàn)的膳食纖維也要低，慈姑RS在低水分食品中有著優(yōu)越的加工性能。

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Physico-chemical Properties of Arrowhead Resistant Starch

ZHAO Li-chao，DU Zheng，LIU Xin，YOU Man-jie
(College of Food Science, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

Arrowhead resistant starch (RS) was prepared by acid hydrolysis followed by microwave heating. New continuous compact structure was formed in arrowhead RS. Elementary crystallites were the major components of arrowhead RS crystal. The crystalline pattern of arrowhead RS was changed into C type and the crystallinity was 23.62%. The maximum absorption wavelength of arrowhead RS-iodine complex was 564.40 nm. As more RS was formed, there was a significant decrease in the degree of polymerization (DP) and the DP of purified arrowhead RS was 22.94, and most soluble amylose was converted into insoluble amylase, but less change in amylose content was observed. Infrared spectral analysis showed arrowhead RS contained primary and secondary alcoholic hydroxyl groups and the structure of α-D-pyran ring. Structurally, arrowhead RS presented only more formed hydrogen bonds when compared with its native counterpart. Therefore, the modification for arrowhead starch is physical modification. Moreover, arrowhead RS also exhibited lower solubility and transparency but higher water-holding capacity in comparison with its native counterpart.

arrowhead；resistant starch；physico-chemical properties

TS235.9

A

1002-6630(2010)17-0055-05

2010-01-12

趙力超(1979—)，男，講師，碩士，研究方向?yàn)槭称坊瘜W(xué)和食品工藝學(xué)。E-mail：zlc@scau.edu.cn