4種抗性淀粉的主要理化特性

謝 濤 曾紅華, 汪 婕, 易翠平

(湖南工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院1，湘潭 411104)(長沙理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院2，長沙 410015)

早在20世紀(jì)80年代初，國外就開始對抗性淀粉展開了研究，并認(rèn)為這是一種與膳食纖維功能相似，但口感更優(yōu)的一種食品配料，其生理功能及加工特征均優(yōu)良，具有廣泛的應(yīng)用前景[1-3]?？剐缘矸塾山Y(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)2部分組成，結(jié)晶區(qū)主要是由直鏈淀粉雙螺旋相互疊加而成，無定形區(qū)則是由無序的淀粉構(gòu)成，抗性淀粉的抗酶解能力主要源于直鏈淀粉晶體[4-5]。目前，4種抗性淀粉中，老化或回生淀粉(RS3)研究最多，應(yīng)用也最廣，多通過壓熱法制備[6-9]。國內(nèi)外對來源于大米、玉米和小麥等糧食作物的RS3進(jìn)行了廣泛研究，近些年來許多學(xué)者將研究的視角轉(zhuǎn)向了非糧淀粉資源。趙力超等[10]采用酸解-微波法制備了慈姑抗性淀粉并測定了它的理化性質(zhì)，結(jié)果表明：抗性淀粉的晶型轉(zhuǎn)變?yōu)镃型，結(jié)晶度為23.63%，溶解度和透明度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原淀粉。Lehmann等[11]研究了香蕉抗性淀粉的聚合度、熱特性、發(fā)酵特性及益生作用。

本研究采用二次循環(huán)壓熱法制備并純化得到了綠豆、馬鈴薯、錐栗、板栗的抗性淀粉，重點(diǎn)研究了4種抗性淀粉的平均聚合度、晶體結(jié)構(gòu)、溶解性、酶解性和熱特性等理化性質(zhì)，為綠豆、馬鈴薯、錐栗和板栗抗性淀粉的深度開發(fā)及廣泛應(yīng)用打下理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

綠豆、馬鈴薯淀粉：四川友嘉食品有限公司；錐栗、板栗淀粉實(shí)驗(yàn)室自制；直鏈淀粉、支鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)品：Fluka公司；耐熱α-淀粉酶、人唾液 α-淀粉酶、糖化酶：Sigma公司；其余試劑均為分析純。

UV-1800型紫外可見分光光度計(jì)：日本島津公司；S-570型掃描電子顯微鏡：日本日立公司；D/max2500全自動(dòng)X射線衍射儀：日本理學(xué)株式會社；DSC200型差示掃描量熱分析儀：德國NETZSCH公司。

1.2 抗性淀粉制備

制備[12]：用蒸餾水配制30%的淀粉乳液，調(diào)節(jié)pH為6.0，沸水浴30 min后，121 ℃高溫高壓處理40 min。冷卻，4 ℃放置24 h。重復(fù)高溫高壓和冷卻步驟，80 ℃烘干，粉碎過100目篩得粗抗性淀粉。

純化[13]：取粗抗性淀粉用耐熱α-淀粉酶在70 ℃水解1 h，加入過量糖化酶，55 ℃水解2 h，離心(3 000 r/min，30 min)，水洗離心多次，最后用95%乙醇清洗，干燥，粉碎，過200目篩，得純抗性淀粉，供試驗(yàn)用。

1.3 檢測方法

平均聚合度測定采用碘吸收法[14]；掃描電子顯微分析和酶解率按參考文獻(xiàn)[15]的方法測定；X-射線衍射分析與差示掃描量熱分析采用參考文獻(xiàn)[16]的方法；溶解度按參考文獻(xiàn)[10]的方法進(jìn)行。

所有數(shù)據(jù)為3個(gè)平行試驗(yàn)的平均值，且采用SPSS 20.0 for windows進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 幾種抗性淀粉的平均聚合度

直鏈淀粉-碘絡(luò)合物在600 nm左右出現(xiàn)最大光吸收λmax，且與直鏈淀粉分子質(zhì)量密切相關(guān)，因而可以在一定程度上反應(yīng)淀粉的分子特征[17]。表1為4種原淀粉及其抗性淀粉的最大吸收波長λmax、平均聚合度DP及其直鏈淀粉含量。由表1可以看出，每種抗性淀粉中直鏈淀粉含量比其原淀粉中直鏈淀粉含量都增加了1倍以上，相反它們的λmax和DP值都比其原淀粉的小，特別是DP值發(fā)生了顯著變化。這是由于在制備過程中，高溫、高壓使部分直鏈淀粉分子斷裂，支鏈淀粉的部分支鏈斷裂轉(zhuǎn)化為直鏈淀粉，故而抗性淀粉的分子聚合度要比其原淀粉的??；同時(shí)直鏈淀粉分子越大，越容易斷裂，這就是綠豆原淀粉DP明顯較大而其抗性淀粉DP顯著變小的原因。

表1 幾種原淀粉和抗性淀粉的平均聚合度

注：*表示影響顯著，0.01

2.2 幾種抗性淀粉的超微結(jié)構(gòu)

綠豆、馬鈴薯、錐栗和板栗原淀粉及其抗性淀粉的微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1可看出，4種原淀粉顆粒完整，呈不規(guī)則球形或橢球形，表面光滑，長直徑主要分布范圍為5～40 μm之間；經(jīng)壓熱制備的4種抗性淀粉結(jié)構(gòu)相似，但它們的結(jié)構(gòu)較之原淀粉發(fā)生了顯著改變，顆粒狀結(jié)構(gòu)消失，取而代之為不規(guī)則呈片層狀堆積的晶體結(jié)構(gòu)，表面有少許坑洼。造成這種變化可由制備過程解釋，在糊化過程中，直鏈淀粉先從原淀粉顆粒中溶出，進(jìn)入水中，冷卻時(shí)，直鏈淀粉分子相互靠近依靠氫鍵及范德華力形成雙螺旋并沉降，形成非常穩(wěn)定的晶體[18]；在純化過程中，粗抗性淀粉中的無定形部分被酶解，剩下高度結(jié)晶的直鏈淀粉。

圖1 幾種原淀粉及其抗性淀粉的超微結(jié)構(gòu)(放大3 000倍)

2.3 幾種抗性淀粉的結(jié)晶特性

根據(jù)X射線衍射圖譜，將淀粉分為A、B、C和V幾種類型：A型在衍射角15°、17°、18°和23°有較強(qiáng)的衍射峰；B型在衍射角5.6°、17°、22°和24°有較強(qiáng)的衍射峰；C型在衍射角5.7°、15°、17°和23°有較強(qiáng)的衍射峰，是A型晶體和B型晶體的混合；V型在衍射角7.4°、13°和20°有較強(qiáng)的衍射峰[4,14]。圖2為4種原淀粉及其抗性淀粉的廣角X-射線衍射圖譜，其結(jié)晶度及各型晶體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算列于表2中。由圖2和表2可看出，綠豆、馬鈴薯、錐栗和板栗原淀粉的晶型均為A型。4種抗性淀粉都發(fā)生了晶型變化，綠豆、馬鈴薯抗性淀粉的晶型由A型轉(zhuǎn)變?yōu)锽型晶體，結(jié)晶度升高；錐栗、板栗抗性淀粉的晶型由A型轉(zhuǎn)變?yōu)閂型，結(jié)晶度降低。從表2還可看出，盡管綠豆、馬鈴薯抗性淀粉中A型晶體仍占有較大比例，且較之相應(yīng)的原淀粉稍有減少，但B型晶體所占比例顯著增加；錐栗、板栗抗性淀粉中A型晶體所占比例較之原淀粉明顯減少，B型晶體也有一定減少，而V型晶體則出現(xiàn)極顯著的增加。由此可以說明，這4種原淀粉在制備抗性淀粉的過程中，其分子鏈通過斷裂、重組，形成了更為穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)[5]，且B型晶體相對比V型晶體更為穩(wěn)定[19]，也即綠豆與馬鈴薯抗性淀粉的晶體結(jié)構(gòu)比錐栗和板栗抗性淀粉的牢固，這在溶解性、酶解性和熱特性等方面都得到了很好的體現(xiàn)。

圖2 幾種原淀粉及其抗性淀粉的X-射線衍射圖譜

晶體類型綠豆馬鈴薯錐栗板栗原淀粉抗性淀粉原淀粉抗性淀粉原淀粉抗性淀粉原淀粉抗性淀粉A14．9512．7915．0612．0217．083．19??17．224．85??B7．9915．10??8．1015．97??12．519．51?12．637．88?V2．782．492．861．151．5415．63??1．9215．45??結(jié)晶度25．7330．38?26．5229．14?31．1328．3431．7728．19

2.4 幾種抗性淀粉的溶解度與酶解率

圖3a反映了綠豆、馬鈴薯、錐栗和板栗的原淀粉及其抗性淀粉在水中的溶解度。從圖3a可知，綠豆、馬鈴薯、錐栗和板栗原淀粉的溶解度相差不大，但后2種抗性淀粉的溶解度達(dá)到前2種抗性淀粉的2倍多，說明前2種抗性淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)固，這與2.3中的結(jié)論一致。另外，4種抗性淀粉的溶解度明顯要小于相應(yīng)原淀粉的溶解度。這是由于在壓熱-冷卻循環(huán)法制備RS3過程中，直鏈淀粉先從淀粉顆粒中游離出來，同時(shí)因高溫作用，部分支鏈淀粉發(fā)生降解，增加了淀粉乳液中直鏈淀粉的含量，在冷卻階段，直鏈淀粉分子又重新取向、排列，形成致密的結(jié)晶結(jié)構(gòu)[4-5]。

圖3b為人唾液α-淀粉酶對抗性淀粉的酶解作用。由圖3b可看出，經(jīng)α-淀粉酶消化6 h后，4種原淀粉的酶解率都大于90%，說明淀粉中可消化成分已基本消耗掉，繼續(xù)延長消化時(shí)間酶解率也不會有大的增幅；4種抗性淀粉的消化率均未達(dá)到10%，遠(yuǎn)低于相應(yīng)的原淀粉。因此，4種抗性淀粉對人唾液α-淀粉酶具有較強(qiáng)抗性。從圖3b還可看出，4種原淀粉的酶解率相差無幾，但錐栗和板栗抗性淀粉的酶解率則為綠豆與馬鈴薯抗性淀粉的2倍多，這進(jìn)一步說明綠豆與馬鈴薯抗性淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)比錐栗和板栗抗性淀粉的更為穩(wěn)固。

注：A1-綠豆原淀粉，A2-綠豆抗性淀粉，B1-馬鈴薯原淀粉，B2-馬鈴薯抗性淀粉,C1-錐栗原淀粉，C2-錐栗抗性淀粉，D1-板栗原淀粉，D2-板栗抗性淀粉。

圖3 幾種原淀粉及其抗性淀粉的溶解度和酶解率

2.5 幾種抗性淀粉的熱特性

圖4為綠豆、馬鈴薯、錐栗和板栗的原淀粉及其抗性淀粉的差示掃描量熱圖，其糊化參數(shù)見表3。從圖4及表3可以看出，綠豆、馬鈴薯、錐栗和板栗4種原淀粉的TP、Tc相差無幾，盡管前2種原淀粉的TO比后2種原淀粉的略高，但后2種原淀粉的ΔH則明顯高于前2種原淀粉的ΔH，這是由于錐栗和板栗原淀粉的結(jié)晶度比綠豆與馬鈴薯原淀粉的高，且其中結(jié)合最為牢固的B型晶體所占的比例更大。另外，綠豆與馬鈴薯抗性淀粉的TO、TP、Tc值均高于錐栗和板栗抗性淀粉的TO、TP、Tc值，但4種抗性淀粉的ΔH值差別不大，這可能是綠豆與馬鈴薯抗性淀粉中A型晶體仍然占有更大比例的緣故。由圖4還可看出，綠豆與馬鈴薯抗性淀粉的TO、TP、Tc、ΔH值比其原淀粉的TO、TP、Tc、ΔH值高得多，這是由其晶體結(jié)構(gòu)中結(jié)合更為緊密的B型晶體比例顯著增加所致；錐栗與板栗抗性淀粉的TO、TP、Tc值較之原淀粉的TO、TP、Tc值有明顯增高，但ΔH值幾無變化。4種抗性淀粉的糊化溫度之所以增高，是因?yàn)榭剐缘矸墼谥苽溥^程中直鏈淀粉形成更為致密的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致破壞該晶體結(jié)構(gòu)需要的溫度更高[9,19]。

圖4 幾種原淀粉及其抗性淀粉的差示掃描量熱圖譜

表3 幾種原淀粉及其抗性淀粉的融化參數(shù)

3 結(jié)論

3.1 4種抗性淀粉的λmax和DP值都比其原淀粉的小，特別是DP值發(fā)生了顯著變化。4種抗性淀粉的結(jié)構(gòu)相似，為不規(guī)則片層狀堆積結(jié)構(gòu)，且表面有少許坑洼。

3.2 4種抗性淀粉均發(fā)生了晶型轉(zhuǎn)變。綠豆、馬鈴薯抗性淀粉顆粒為B型晶體，結(jié)晶度升高，特別是B型晶體所占比例顯著增加；錐栗、板栗抗性淀粉顆粒為V型晶體，其中V型晶體顯著增加。

3.3 4種抗性淀粉的溶解率/溶解度較之原淀粉的顯著降低，且綠豆、馬鈴薯抗性淀粉的溶解率/溶解度比錐栗和板栗抗性淀粉的低。4種抗性淀粉對人唾液α-淀粉酶具有較強(qiáng)的抗性，且綠豆與馬鈴薯抗性淀粉具有更好的酶抗性。

3.4 4種抗性淀粉的ΔH值差別不大，但綠豆與馬鈴薯抗性淀粉的TO、TP、Tc值均要高于錐栗和板栗抗性淀粉的TO、TP、Tc值。綠豆與馬鈴薯抗性淀粉的TO、TP、Tc、ΔH值比其原淀粉的TO、TP、Tc、ΔH值要高得多，而錐栗與板栗抗性淀粉的TO、TP、Tc值較之原淀粉的TO、TP、Tc值稍有增高，但ΔH值幾無變化。

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Main Physicochemical Properties of 4 Resistant Starches Xie Tao1Zeng Honghua1,2

Wang Jie1,2Yi Cuiping2

(College of Chemical Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104) (College of Chemistry and Biology Science, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410015)