木薯淀粉與膠原蛋白作用物理化及其體外消化性質研究

琚長霄，黃立新,*，李 源，趙璧秋

（1.華南理工大學輕工與食品學院，廣東廣州510640；2.廣州精制糖與淀粉衍生物工程技術研究開發(fā)中心，廣東廣州510615）

木薯淀粉與膠原蛋白作用物理化及其體外消化性質研究

琚長霄1，黃立新1,*，李 源1，趙璧秋2

（1.華南理工大學輕工與食品學院，廣東廣州510640；2.廣州精制糖與淀粉衍生物工程技術研究開發(fā)中心，廣東廣州510615）

研究了蛋白-淀粉作用物的粘度曲線特征,溶脹能力等理化性質，采用改進的In-Vitro體外消化模型模擬人體消化道環(huán)境，對不同蛋白質含量的蛋白-淀粉作用物樣品的消化性能進行了研究。研究表明，該作用物不易糊化，其糊的粘度顯著低于原淀粉，溶脹能力降低；由于膠原蛋白與木薯淀粉的相互作用，底物結構發(fā)生改變，使得作用物的消化性能隨著蛋白質含量的增加而降低。

木薯淀粉，膠原蛋白，理化性質，消化性能

筆者已研究了木薯淀粉與蛋白質作用物的顆粒表觀形貌、淀粉基團、晶體結構以及熱力學性質等微觀性質[1]。研究結果表明，作用物表現(xiàn)出了新的結構性質，如出現(xiàn)酯羰基基團，高蛋白質含量的作用物難于糊化等?；诖?，本文又進一步研究了利用膠原蛋白對木薯淀粉進行改性后的變性淀粉產品（在本文中稱為蛋白-淀粉）的糊粘度特性、溶脹能力及體外消化性能等性質，對其消化速率進行了動力學研究，以期更全面深入地了解該作用物的性質。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

木薯淀粉 廣西武鳴縣文育淀粉廠橋羊分廠；膠原蛋白 實驗室自制；蛋白-淀粉作用物 實驗室干法制備；豬胰α-淀粉酶 美國Sigma公司；糖化酶天津諾維信酶制劑公司；3，5-二硝基水楊酸、氫氧化鈉、丙三醇、葡萄糖 均為分析純。

DZKW電熱恒溫水浴鍋 北京市永光明醫(yī)療儀器廠；OLYMPUS-BH2型多功能光學顯微鏡 日本OLYMPUS公司；27/44型滲析袋 上海源聚生物科技有限公司；T6新世紀紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司；“E”Brabender粘度儀 德國Brabender公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 蛋白—淀粉作用物的制備 將從羅非魚皮中提取的膠原蛋白按一定比例與淀粉混合，升溫反應2.5～3.0h，冷卻、洗滌精制，約45℃下干燥，粉碎過篩，最后制得不同蛋白質含量的蛋白-淀粉作用物樣品。

1.2.2 淀粉糊的粘度曲線[2]GT：起糊溫度；PV：峰值粘度；PT：升溫過程的峰值溫度；A：升溫至95℃時的糊粘度；B：95℃保溫30min后的糊粘度；C：降溫至50℃時的糊粘度；D：50℃保溫30min后糊粘度。

1.2.3 溶脹能力測定[3-4]

1.2.4 蛋白-淀粉的消化性能分析 參考Englyst等人[5]和張二娟[6]的方法，將Jenkin模型進行改進，利用滲析袋模擬人體腸道，在37℃下用胰α-淀粉酶和糖化酶的混合酶系水解木薯原淀粉和蛋白-淀粉作用物。在水解不同時間后，從燒杯中取一定體積的滲析液，采用3，5-二硝基水楊酸法（DNS）測定其中的葡萄糖含量，計算平均消化速率[7]，考察作用物的消化性能。

1.2.5 消化性能的動力學分析 方法同1.2.4，在水解不同時間取一定體積消化液，然后測定還原糖含量并計算水解率。

水解率DH=G（t）×0.9/400，其中，G（t）為水解t時間后產生的葡萄糖質量（mg）。

1.2.6 蛋白-淀粉的營養(yǎng)片段分析 方法同1.2.4，淀粉根據其生物可利用性被分為三類[5]：RDS是指在20min內能在小腸內被迅速消化吸收的淀粉；SDS指在20～120min內能在小腸被完全吸收但吸收速度比較慢的淀粉；RS是指120min內未被人體小腸消化吸收的淀粉。具體公式如下：

其中，G20—酶解20min后測得的葡萄糖量（mg）；FG—酶解前所含的游離葡萄糖量（mg）；G120—酶解120min后測得的葡萄糖量（mg）；TS—樣品中總淀粉干基重（mg）。

2 結果與分析

2.1 淀粉糊的粘度曲線分析

不同淀粉樣品的布拉班德粘度曲線特征值如表1所示。由表1中可以看出，與原淀粉相比，隨著淀粉中結合的蛋白質含量的提高，表現(xiàn)為糊的起糊溫度提前，這點與DSC的結果相一致，粘度曲線上整體粘度下降，粘度峰也逐漸降低直至消失，尤其當?shù)鞍踪|含量（pro）達到3.14%時，粘度曲線幾乎與X軸平行，沒有明顯的峰值變化。

產生蛋白淀粉的這種低粘度特性的原因有兩個：第一，膠原蛋白分子和淀粉分子的羥基反應產生新的基團，在1732cm-1處出現(xiàn)新的紅外光譜峰，隨著反應程度的深入，兩者間的交互作用增加，產生了多位置的交聯(lián)作用，蛋白質對淀粉的吸附包埋也增加了水分子靠近淀粉的空間位阻，因此導致了蛋白淀粉的分散糊化困難，當交互作用達到一定程度時，產物就表現(xiàn)出了低粘度特性，其粘度值較低，粘度峰消失；第二，淀粉在酸性條件下進行高溫處理時發(fā)生糊精化反應，原淀粉分子分解為較小分子，使得淀粉糊的粘度降低。這兩個因素中，第一個因素的影響是主要過程，第二個因素是次要過程。如果糊精化反應是主要的影響因素，那么蛋白淀粉的溶解度會得到顯著的提高，且經過布拉邦德粘度實驗后最終的淀粉糊應該是一個均相的糊態(tài)，但實際上，蛋白淀粉的淀粉糊在經過短時間的靜置后就會發(fā)生明顯的分層現(xiàn)象；第二，將木薯蛋白淀粉的淀粉糊抽濾后收集下層沉淀進行顯微鏡觀察拍照，如圖1所示。由顯微鏡照片可看出，蛋白淀粉的在經過高溫加熱后，大多數(shù)的淀粉顆粒并沒有完全破裂，僅發(fā)生了一定程度上的膨脹。這說明，制得的蛋白-淀粉中，由于膠原蛋白對淀粉的包埋作用，淀粉顆粒的糊化過程受到交聯(lián)鍵的限制，從而使其受熱難膨脹、糊化，甚至不糊化，只產生了溶脹現(xiàn)象。這在布拉邦德粘度曲線圖中就表現(xiàn)為糊的粘度曲線的粘度峰逐漸降低直至消失，粘度值逐漸下降至無粘度峰。

表1 各種淀粉樣品的粘度曲線的特征值

圖1 木薯蛋白淀粉煮糊后的光學顯微鏡照片（10×20）

2.2 溶脹能力的測定結果

不同淀粉樣品的溶脹能力測定結果見表2。原淀粉在過量的水中受熱，由于熱作用會使得淀粉的氫鍵斷裂，晶體結構被破壞，水分子可通過氫鍵與淀粉中外露的羥基結合，使淀粉粒膨脹和增溶。由表2可以看出，木薯原淀粉的溶解度和膨脹度均是隨著溫度的提高而增大；而蛋白-淀粉的溶脹度均低于相同溫度下原淀粉的溶脹度。這可能是因為蛋白質對淀粉的多位置交聯(lián)作用，使得蛋白質與淀粉分子之間、淀粉與淀粉分子之間的作用力增強，淀粉分子受到束縛，從而使得溶解度降低，顆粒膨脹被抑制。

表2 淀粉的溶脹度（%）

2.3 蛋白-淀粉的消化性能

2.3.1 蛋白-淀粉顆粒的消化性能 在酸性環(huán)境下，調節(jié)不同pH、蛋白用量可制得不同蛋白質含量的作用物。利用改進的In-vitro模型對原淀粉及不同蛋白質含量的作用物進行消化性能的測定。由圖2可以看出，在0.5～5h這些作用物的平均消化速率在蛋白質含量較低時與原淀粉的相差較小。隨著蛋白質含量的增加，其平均消化速率明顯低于原淀粉；這是因為在膠原蛋白與淀粉的反應過程中，由于蛋白分子比較大，主要結合在淀粉顆粒表面，淀粉顆粒表面的蛋白質分子會在一定程度上影響酶與淀粉分子的結合位點。蛋白質含量較低時，有足夠的空間讓酶和淀粉分子結合，從而水解淀粉；但是隨著蛋白質含量的增加，淀粉顆粒可以與足夠多的蛋白質分子結合，顆粒表面被蛋白質包裹，淀粉與蛋白質相互作用形成的空間網絡結構而變得密集，酶與淀粉結合的空間位阻增大，淀粉酶難于接近淀粉的分子鏈，從而使得酶解速度減慢。另外，這些樣品的平均消化速率皆隨著時間的延長而降低，這是因為隨著酶促反應的進行，底物濃度的降低，適合與酶作用的淀粉分子鏈逐漸減少，從而使得平均消化速率降低。

圖2 木薯原淀粉和蛋白-淀粉顆粒的平均消化速率

2.3.2 蛋白-淀粉糊化后的消化性能 由圖3可以看出，經過30min沸水浴糊化后，蛋白-淀粉與原淀粉的消化性能與糊化前的相比均有顯著增加，這是因為經過糊化后淀粉顆粒吸水膨脹并破壞，分子鏈膨脹伸展，使得淀粉酶更易深入分子內部與結合位點結合，利于酶解作用。但其中蛋白質含量高的作用物，其平均消化速率增幅較小。同糊化前一樣，蛋白-淀粉的平均消化速率依然低于原淀粉的平均消化速率，而且隨著蛋白質含量的增加，平均消化速率逐漸降低。原因在于糊化過程雖然能夠破壞部分蛋白-淀粉顆粒，但是膠原蛋白與淀粉的結合強度很大，特別是隨著蛋白質含量的增加，淀粉顆粒表面的蛋白質分子越來越多，蛋白質對淀粉的束縛使其在糊化過程中被破壞的難度也越來越大，同時也阻礙了后面酶與淀粉分子結合位點相互作用，從而使得平均消化速率降低。

圖3 木薯原淀粉和蛋白-淀粉糊的平均消化速率

2.4 消化性能的動力學分析

觀察淀粉的水解曲線，應該遵循一級反應方程式：DH=a（1-e-bt）[7]，則瞬時消化速率V=dDH/dt=abe-bt，將V取對數(shù)然后對時間t作圖，可得到一條直線，即lnV=-Kt+C；其中K為速率變化常數(shù)，其值等于b；C為初始速率常數(shù)，其值等于lnab。采用Origin8.0對水解度與時間的關系曲線進行擬合，得出a和b進而推導出C和K，結果見表3。由表3可以看出，顆粒和糊化后的初始速率常數(shù)C隨著蛋白質含量的增加而減小，即初始消化速率隨著蛋白質含量的增加而降低；速率變化常數(shù)K在蛋白質含量低時和原淀粉基本相同，在當?shù)鞍踪|含量達到4.65%時，C值降低尤為明顯，且K明顯增加，即此時初始消化速率低、消化速率減小快。糊化后的C值與顆粒的C值相比均明顯增加，即初始消化速率增加；K則變化不明顯或者說略有增加。在溫度、pH、酶濃度相同的情況下，消化速率受有效底物濃度和酶水解底物難易程度的影響[8-9]。隨著蛋白質含量的增加，C值減小和K值增大原因在于，蛋白質含量高時，由于蛋白質與淀粉的相互作用使得底物結構變化大，有效底物濃度小，故酶與底物親和力小，初始消化速率小，在少量有效底物被水解后，其消化速率迅速降低。糊化后C值明顯增加，原因在于淀粉分子鏈的舒展，有效底物濃度增加，酶與底物親和力增加而使酶解反應變得容易，故初始消化速率變大。

2.5 不同淀粉樣品的營養(yǎng)片段分析

表3 瞬時消化速率的動力學方程特征參數(shù)值

由表4可知，在糊化前的淀粉樣品中，當?shù)鞍踪|含量較低時，前三種蛋白-淀粉營養(yǎng)片段的含量相差不大，當?shù)鞍踪|含量增高時，RDS和SDS含量均顯著降低而RS含量顯著增加，且RS含量均高于其他兩種片段。糊化后，前三種蛋白質含量較低的蛋白-淀粉中RDS和SDS的含量都有了明顯提高，RS含量則明顯降低，即原本在糊化前不易被酶解消化的淀粉，經過糊化后變得容易消化。而蛋白質含量較高的兩種蛋白-淀粉RDS和SDS片段雖然也有增加，但增幅較小，尤其蛋白質含量在4.65%的蛋白-淀粉最為明顯，其RS含量依然達90%以上。這是因為經過糊化后，淀粉顆粒被破壞，淀粉酶更容易與淀粉分子結合，發(fā)生酶解反應，因此，糊化后淀粉的消化性變高，RS含量降低。但是在蛋白-淀粉中，由于膠原蛋白和淀粉之間的作用力較強，蛋白質又主要處于淀粉顆粒表面，使淀粉顆粒在糊化過程中不易破壞，而且對淀粉酶與淀粉的結合有位阻作用，所以隨著蛋白質含量增大，即使糊化后，蛋白-淀粉中RS含量依然比較高。

表4 淀粉樣品體外模擬消化的營養(yǎng)片段分類（%）

3 結論

3.1 蛋白-淀粉在水中非常容易沉降，糊化后大部分淀粉仍保持顆粒態(tài)，沒有被破壞；隨著蛋白含量的增加，蛋白-淀粉的粘度比原淀粉顯著降低，起糊早；改性后的淀粉，其溶脹能力在各溫度下均低于原淀粉。

3.2 通過將Jenkin提出的In-Vitro模型進行改進，測定淀粉樣品的消化性能。木薯淀粉經過蛋白的改性改變了淀粉的結構和組成，從而對淀粉的消化性能也產生了影響。顆粒態(tài)的淀粉樣品在蛋白質含量低時比原淀粉的消化速率略低或者說相差不大，但隨著蛋白質含量的增加，樣品的消化速率顯著降低。經過糊化后淀粉樣品的消化速率均有所增加，但是仍隨著蛋白質含量的增加而逐漸降低并低于原淀粉的。淀粉的酶解符合一級反應動力學方程，瞬時消化速率的對數(shù)lnV=-Kt+C，通過對其分析，進一步說明蛋白質對淀粉的改性使其消化性能降低。

3.3 通過對不同淀粉樣品的顆粒態(tài)和糊化后的RDS、SDS和RS營養(yǎng)片段的分析，糊化后的RDS和SDS均有所增加，RS均減少。

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Study on physicochemical and digestibility properties of the product of cassava starch interacted with collagen in vitro

JU Chang-xiao1,HUANG Li-xin1，*,LI Yuan1,ZHAO Bi-qiu2
（1.College of Light Industry and Food Science,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China；2.The Engineering Research and Development Center of Refined Sugar and Starch Derivatives in Guangzhou, Guangzhou 510615,China）

The physicochemical properties of pro-starch,such as viscosity curve characteristics，solubility and swelling ability were studied.A modified In-Vitro digestion model,simulating human gastrointestinal environment was used to study the digestibility of pro-starch with different protein content.The results showed that pro-starch was not easy to gelatinize，its paste viscosity was significantly lower than native starch，and the ability of solubility and swelling reduced.The digestibility of products decreased with the protein content increasing as the result of interaction between collagen and cassava starch and the change of substrate structure.

cassava starch；collagen；physicochemical property；digestibility

TS235.2

A

1002-0306（2011）10-0103-04

2011－08－11 *通訊聯(lián)系人

琚長霄（1986-），女，碩士研究生，研究方向：碳水化合物與蛋白質改性研究。