瓜爾膠對木薯淀粉消化性、糊化特性、水分運動性的影響

周姍姍,劉國棟,2,3,顧正彪,2,3,洪 雁,2,3,*

(1.食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室,江南大學(xué) 江蘇無錫 214122;2.江南大學(xué)食品學(xué)院,江蘇無錫 214122;3. 食品安全與營養(yǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心,江南大學(xué) 江蘇無錫 214122)

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瓜爾膠對木薯淀粉消化性、糊化特性、水分運動性的影響

周姍姍1,劉國棟1,2,3,顧正彪1,2,3,洪 雁1,2,3,*

(1.食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室,江南大學(xué) 江蘇無錫 214122;2.江南大學(xué)食品學(xué)院,江蘇無錫 214122;3. 食品安全與營養(yǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心,江南大學(xué) 江蘇無錫 214122)

研究瓜爾膠對木薯淀粉消化性的影響,采用Englyst法測定淀粉的消化性,比較與分析了瓜爾膠/木薯淀粉體系的糊化特性、水分運動性、微觀結(jié)構(gòu)的差異,從而探究瓜爾膠對木薯淀粉消化性的影響機理。結(jié)果表明:瓜爾膠添加量較低時,糊化后冷卻至37℃的體系結(jié)構(gòu)疏松、具有較高的水分運動性,瓜爾膠促進淀粉的酶解,抗消化淀粉含量較低;繼續(xù)提高瓜爾膠添加量時,糊化后冷卻至37℃的體系結(jié)構(gòu)越加緊密、水分運動性降低,瓜爾膠形成空間位阻,降低酶與底物的可及性,瓜爾膠反而抑制淀粉的酶解,抗消化淀粉含量較高。

木薯淀粉,瓜爾膠,消化性,水分運動性,微觀結(jié)構(gòu)

淀粉是構(gòu)成人類膳食主要的碳水化合物組成,作為人體能量的主要來源,其消化的速度和程度影響人體餐后血糖應(yīng)答水平,與人體健康密切相關(guān)。Englyst等[1]提出將淀粉分為三類:快消化淀粉(Rapidly digestible starch,RDS)、慢消化淀粉(Slowly digestible starch,SDS)、抗性淀粉(Resistant starch,RS)。RS和SDS含量高的食物有著較低的血糖指數(shù)(Glycemic index,GI)[2],對預(yù)防糖尿病、減少心腦血管疾病和便秘等有著重要意義[3]。國內(nèi)外對RS和SDS已有不少研究,物理改性、化學(xué)改性、酶法改性及復(fù)合改性均可以改變淀粉的消化性[4],但是有關(guān)親水膠體改變淀粉消化性的研究甚少。瓜爾膠(Guar gum,GG)是一種天然的半乳甘露聚糖,作為水溶性膳食纖維之一,在人體消化道內(nèi),GG能夠與其他食品組分纏結(jié)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),膠體因為吸收水分形成凝膠會增強飽腹感,同時會減緩消化進程即延緩胃排空和營養(yǎng)物質(zhì)的吸收,表明GG具有改善淀粉消化性能的潛能[5-6]。

木薯耐旱、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)且木薯淀粉(tapioca starch,TS)價格低廉,木薯淀粉作為膠凝劑和增稠劑已經(jīng)有一定的歷史,已成為食品工業(yè)中不可或缺的淀粉。研究GG對TS的消化性影響,這將有益于擴大TS的功能特性并促進其在食品工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。本文研究不同配比的GG對TS消化性的影響,比較底物糊化特性、體系的水分運動性和各體系不同酶解狀況的微觀結(jié)構(gòu)差異性,在此基礎(chǔ)上初步探索不同含量GG對TS消化性影響的機制,為高膳食纖維食品改善食品營養(yǎng)及其在食品中的應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

木薯淀粉 蘇州高峰淀粉科技有限公司;瓜爾膠 蘇州丹尼斯克(中國)有限公司;P-7545胰酶(EC 232-468-9,8×USP)和A7095糖化酶(EC 3.2.1.3,≥300U/mL) 美國Sigma公司;GLU-HK法葡萄糖測定試劑盒 北京利德曼生化股份有限公司。

UNIC-2000分光光度計 尤尼柯(上海)儀器有限公司;快速黏度分析儀(RVA) 澳大利亞Newport Scientific公司;NMI20核磁分析儀 蘇州紐邁電子科技有限公司;Quanta-200 掃描電子顯微鏡 荷蘭FEI公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品制備 選取四個不同配比GG/TS復(fù)配體系(GG/TS比例分別為:0∶100、1∶80、1∶40、1∶20,w/w)。將一定質(zhì)量的GG分散于20mL醋酸鈉緩沖溶液中(0.1mol/L,pH5.2),置于磁力攪拌器上攪拌使GG分散均勻。然后,將一定質(zhì)量的TS加入到緩沖溶液或配制好的膠體溶液中,漩渦震蕩后于磁力攪拌器上攪拌30min,使兩者混合均勻,不同配比復(fù)配體系中GG與TS總質(zhì)量分數(shù)保持不變(5%),沸水浴糊化30min后轉(zhuǎn)移至恒溫水浴振蕩器(37℃,160r/min)保溫20min。

1.2.2 體外消化性測定 參照Englyst等建立的體外模擬酶水解法[1]。分別酶解10、20、30、45、90、120min后取一定體積消化液,沸水滅酶后測定葡萄糖含量并計算水解率和RDS、SDS、RS含量。采用1stOpt軟件對水解度與時間的關(guān)系曲線進行非線性方程(C=C∞(1-e-kt))擬合得到樣品消化過程中的平衡濃度(C∞),一級反應(yīng)動力學(xué)速率(k),并計算得到初始反應(yīng)速率(U=ln(C∞×k))[7]。

1.2.3 糊化特性測定 選取1.2.1中的四個配比樣品,準確稱取質(zhì)量,與蒸餾水混合于RVA專用鋁盒內(nèi),分散均勻調(diào)成固形物含量為6%的懸浮液。按照美國谷物化學(xué)協(xié)會(AACC)規(guī)定方法standand2 進行測定。

1.2.4 糊化后水分子運動性分析 將1.2.1方法制成的樣品轉(zhuǎn)移至核磁管內(nèi)進行測定。以Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)分析法進行質(zhì)子訊號檢測,主要實驗參數(shù)如下:等待時間8000ms,半回波時間0.418ms,回波個數(shù)18000,累加次數(shù)4。利用核磁共振分析應(yīng)用軟件(蘇州紐邁電子科技有限公司)解析得到自旋-自旋弛豫時間T2和自由水、結(jié)合水含量。

1.2.5 微觀結(jié)構(gòu)觀察 1.2.1方法制成的樣品按照體外模擬消化方法添加滅活和未滅活的消化酶,將酶解1min后的樣品冷凍干燥,實驗條件參考朱玲所采用的方法[8]。采用Quanta-200掃描電子顯微鏡觀察不同配比體系酶解前后的微觀結(jié)構(gòu)變化。

1.2.6 數(shù)據(jù)分析 采用Origin8.0和SPSS18.0數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進行分析,并用Duncan氏進行顯著性分析(p<0.05)。采用1stOpt軟件對淀粉消化曲線進行擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 GG/TS體系的消化性

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)體外模擬消化實驗中瓜爾膠可以顯著抑制淀粉被消化酶水解[4-5],然而由圖1可以發(fā)現(xiàn),不同GG/TS配比體系的體外模擬消化性趨勢與相關(guān)報道并不完全一致。與未添加膠體的體系(0∶100)相比,膠體添加比例越高的體系,RDS含量降低幅度越大;各個體系的SDS含量顯著提高,添加膠體的體系中,體系(1∶20)的SDS含量最多,為17.11%;RS得率因膠體添加比例的不同而不同,體系(1∶20)RS含量最高,體系(1∶80)RS得率最低,RS含量僅有6.63%。結(jié)合表1中動力學(xué)參數(shù)分析發(fā)現(xiàn),體系(1∶40,1∶20)的U、k、C∞較低,這與文獻報道一致,即親水膠體的存在可以抑制淀粉被酶解的速度和程度[9-10]。膠體的引入,一方面可能是因為膠體充當了增稠劑,體系黏度的增加影響了酶解進程[9];另一方面GG與淀粉作用,形成空間位阻阻礙酶與底物的接觸,降低酶解效率[11-12]。然而,體系(1∶80)的C∞比對照組高6.6%,與報道相似[13],表現(xiàn)出促進酶解反應(yīng)的趨勢。體系(1∶80)的k、U均比體系(0∶100)的k、U小,但是C∞卻比體系(0∶100)的C∞大,由此可知k起主要作用。從體系(1∶80)與體系(1∶40,1∶20)消化性差異可推測:低配比和高配比體系的消化性有不同的主要影響因素。

表1 不同配比體系的體外消化性動力學(xué)方程的特征參數(shù)Table1 In vitro starch hydrolysis kinetics parameters of combinations

注:R2為水解率與時間關(guān)系擬合曲線的相關(guān)系數(shù)。

圖1 瓜爾膠對木薯淀粉體外模擬消化性的影響Fig.1 Effect of guar gum on the in vitro tapioca starch digestibility注:同一營養(yǎng)片段上所帶不同字母表示差異顯著p<0.05。

2.2 GG/TS體系的糊化特性

淀粉或者淀粉與膠體經(jīng)歷糊化后冷卻至37℃,再采用Englyst體外模擬消化方法測定淀粉的消化性。不同底物糊化特性的差異性可能與淀粉消化差異性存在一定的聯(lián)系。TS在不同配比膠體溶液中的RVA糊化曲線見圖2。比較發(fā)現(xiàn),GG添加比例越大,TS的峰值黏度和終值黏度增加幅度越明顯,RVA糊化特性彼此之間差異明顯。連續(xù)相中的GG分子可與糊化過程中滲漏出的直鏈淀粉及低聚合度支鏈淀粉產(chǎn)生一定的相互作用,使得分子的流體力學(xué)體積增大,引起黏度增加,表現(xiàn)出更高的協(xié)效性[14-15]。

表2 GG/TS體系在不同溫度范圍內(nèi)RVA黏度曲線線性擬合Table2 The linear fitting of combinations RVA viscosity curve in different temperature ranges

圖2 GG/TS體系的RVA糊化曲線Fig.2 RVA pasting curves of combinations with different mixing ratios

RVA記錄了溫度變化過程中的黏度變化情況,有必要對代表性的溫度段的黏度變化情況統(tǒng)計分析。不同溫度范圍內(nèi)TS黏度曲線隨時間變化的擬合直線斜率值見表2,70.45～80.05℃為淀粉黏度迅速上升的溫度區(qū)間,斜率隨著添加比例的提高而增大。在這溫度范圍內(nèi)淀粉顆粒持續(xù)吸水膨脹,直鏈淀粉從小部分破裂的淀粉顆粒中滲漏出來。淀粉在較高濃度的親水膠體的分散相中時,黏度較大,淀粉顆粒受到更大的剪切力作用,使得顆粒更易變形甚至破裂,從而導(dǎo)致與GG作用的可溶性淀粉更易滲漏[16]。此外,GG具有較長的直鏈型分子鏈及許多分支,其空間結(jié)構(gòu)隨著溫度的升高不如低溫時伸展[17],因此GG與TS分子之間進一步相互纏繞,最終膠體添加含量越大的體系,其黏度增長速度越大。當處于95℃保溫階段時,線性擬合的斜率隨著膠體添加比例的增加而迅速降低,GG的存在使得TS的熱穩(wěn)定性變差。體系在機械剪切壓力下,導(dǎo)致溶脹的顆粒深度破裂,同時剪切應(yīng)力使得GG與TS纏結(jié)的復(fù)合體遭到破壞,表觀黏度因分子逐步向平行于流動方向排列而下降[18]。樣品冷卻至50℃后,瓜爾膠降低了淀粉糊低溫凝凍的速率,體系(1∶40,1∶20)凝凍速率相當,GG與滲漏淀粉充分作用,較大程度的抑制了直鏈淀粉的重排及短鏈支鏈淀粉的凝沉[19]。然而體系(1∶80)低溫凝凍的速率與體系(1∶40,1∶20)相差較大,膠體濃度較低時,GG在分散介質(zhì)中劇烈運動,不但導(dǎo)致其與可溶性淀粉相互纏結(jié)的可能性降低[20],而且也阻礙了淀粉鏈段之間的相互聚集。

在這一系列膠體濃度下,淀粉經(jīng)歷糊化至回生過程中所體現(xiàn)的差異性很好的解釋了體系(1∶40,1∶20)與體系(1∶80)的消化性差異。體系(1∶40,1∶20)中GG較大程度的與滲漏淀粉作用,形成物理阻礙,酶與底物可及性降低,表現(xiàn)為較低的C∞;體系(1∶80)中GG與滲漏淀粉之間的作用和淀粉與淀粉之間的相互作用均受到阻礙,所以酶與底物的可及性提高,表現(xiàn)為較高的C∞。

2.3 GG/TS體系的水分運動性

復(fù)雜體系中水分子的運動性可用脈沖式核磁共振來檢測,自旋-自旋弛豫時間(橫向弛豫時間,T2)代表了相互作用原子核間的移動性。較大的T2說明水分子具有較高的自由度。當水和底物(淀粉或者淀粉/瓜爾膠)緊密結(jié)合時,受大分子束縛,T2會降低[8]。

分析酶解前不同配比復(fù)配體系的水分運動性(圖3),與單純的淀粉體系相比,發(fā)現(xiàn)體系(1∶40,1∶20)的T2大幅度降低。可能原因是,淀粉與膠體之間大量的氫鍵作用使得淀粉大分子的可運動性較低,在外界核磁作用下,體系(1∶40,1∶20)中水分子重新取向較慢,水的質(zhì)子和淀粉羥基質(zhì)子之間的交叉弛豫和化學(xué)交換得到增強,導(dǎo)致更快的弛豫過程[21]。此外,GG與淀粉間競爭性地吸收水分,親水性膠體限制了水的可利用性及運動性,減少了淀粉可利用水的數(shù)量。相比于不加膠體的體系,體系(1∶40,1∶20)的自由水與結(jié)合水比值(R(自由水/結(jié)合水))隨膠體添加比例增加而降低,進一步說明其體系中較低含量的自由水限制了底物的流動性,沒有充足的自由水作為溶劑,不利于底物和酶分子快速的結(jié)合與解離,表現(xiàn)為較低的C∞。

圖3 GG/TS體系的水分運動性Fig.3 Water mobility of combinations with different mixing ratios

體系(1∶80)具有最大的T2和R(自由水/結(jié)合水),說明體系中受大分子束縛的水較少,該體系比單純的淀粉體系具有更多的可流動水。低濃度時,GG因為有充沛的可流動水而在連續(xù)相中自由運動,這不利于GG與可溶性淀粉相互纏結(jié),導(dǎo)致較弱的凝膠結(jié)構(gòu),另一方面這也限制淀粉鏈段之間(尤其是直鏈淀粉)的相互聚集。底物分散、流動性較高,較豐富的自由水作為溶劑,更有利于酶與底物的結(jié)合與解離,表現(xiàn)為更高的C∞,后續(xù)的微觀結(jié)構(gòu)差異分析將進一步證實該理論。

2.4 GG/TS體系的微觀結(jié)構(gòu)分析

在淀粉的研究中,掃描電子顯微鏡(SEM)主要被用于形態(tài)學(xué)來分析測定淀粉顆粒的變化和淀粉凝膠的顯微結(jié)構(gòu)等。在冷凍干燥時,淀粉凝膠內(nèi)凍結(jié)的水蒸發(fā)形成空腔,凝膠內(nèi)部形成一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由圖4可見,與原淀粉相比(圖4A),復(fù)配體系的微觀結(jié)構(gòu)中片層分布及其均勻性和結(jié)構(gòu)致密性均發(fā)生顯著變化(圖4B～圖4D)。糊化后的木薯淀粉凝膠體系(圖4A)中大部分淀粉糊化成片狀,同時含有較多的淀粉碎片,滲漏淀粉量最大,表現(xiàn)為褶皺狀[8],使得淀粉片層的表面結(jié)構(gòu)較為粗糙。淀粉片段隨機分布且相互穿插,沒有明顯的“孔洞”或者“突起”,結(jié)構(gòu)較致密。

圖4 GG/TS體系酶解前的SEM圖(×100)Fig.4 SEM images of combinations with different mixing ratios before digestion(×100)注:A：GG/TS=0∶100;B:GG/TS=1∶80;C:GG/TS=1∶40;D:GG/TS=1∶20。

不同添加配比體系顯示迥然不同的微觀形態(tài)(圖4B～圖4D)。體系(1∶80)中淀粉分散于膠體溶液中,因為瓜爾膠與滲漏出的直鏈淀粉及部分聚合度低的支鏈淀粉作用,使得延展成的片狀結(jié)構(gòu)較為光滑。糊化后復(fù)配體系靜置至室溫時,GG空間構(gòu)像變得伸展,在局部淀粉片段上可見少許光滑的棒狀“突起”。最為顯著的是該體系的結(jié)構(gòu)比淀粉凝膠體系(圖4A)的疏松。形成這一形態(tài)的原因可能是:濃度低時,GG充分水合,其劇烈運動既降低了其與可溶性淀粉相互纏結(jié)的可能性[18],又阻礙了淀粉鏈段之間相互聚集。正是這疏松的空間結(jié)構(gòu),為淀粉酶與淀粉作用創(chuàng)造了有益條件。當體系里加入消化酶時,酶在充分的可運動水牽引下,酶與底物的可及性提高,從而導(dǎo)致體系(1∶80)具有最高的C∞。

當膠體含量增加時,其與滲漏的淀粉相互作用越明顯,這使得體系(1∶40,1∶20)延展成的片狀結(jié)構(gòu)更為光滑[18]。原先淀粉片層表面上的“突起”因為膠體濃度增加,相互粘連,達到“包裹”部分淀粉的作用,即GG與滲漏淀粉相互纏繞,當添加量更高時,GG更易形成空間位阻。這一空間布局將不利于淀粉酶對淀粉的酶解。淀粉片層之間的間隙隨著膠體含量增加而減小,結(jié)構(gòu)越加致密。這兩個因素都不利于酶對淀粉的侵蝕。

當體系中引入消化酶時,不同底物被酶解0min和1min的微觀形態(tài)見圖5。與圖5A0相比較,在酶解1min時,圖5A1中的淀粉片層間的淀粉碎片已不可觀察到,淀粉片段表面光滑且有一定的層次,說明消化酶優(yōu)先侵蝕淀粉片層之間的滲漏淀粉及其較小的淀粉片段。同時,淀粉片段內(nèi)因為消化酶作用而呈現(xiàn)大小不一、深度不一的孔洞。正如木薯淀粉體系的初始酶解速率常數(shù)最大(表1),僅酶解1min,較多的淀粉大分子被酶解為可溶于水的多糖。添加膠體的體系(1∶80)因為酶解程度高,糖含量高,吸濕性強,不適合進行掃描電鏡觀察。添加膠體的體系(1∶20),同樣是淀粉片層之間的淀粉碎片優(yōu)先被水解掉,所以淀粉片層間的空隙較酶解前的大,同時剩余淀粉表面更加光滑且有一定的層次。從酶解后淀粉表面孔洞大小及深度可發(fā)現(xiàn),膠體的存在明顯抑制了酶對淀粉的作用,酶解的孔洞直徑明顯小于木薯淀粉體系,同時孔洞較淺,酶解1min后,甚少的淀粉被酶解為可溶于水的多糖,即膠體添加比例較大時,瓜爾膠表現(xiàn)出抑制酶解的趨勢。由此可知,添加膠體的體系的初始水解速率常數(shù)隨著添加膠含量的增加而降低,這一現(xiàn)象正好符合消化動力學(xué)參數(shù)(表1)。

圖5 GG/TS體系加入滅活和未滅活消化酶的SEM圖(×200)Fig.5 SEM images of combinations with different mixing ratios adding inactivated or activated enzymes(×200)注:A:GG/TS=0∶100;D:GG/TS=1∶20;0:加入滅活的酶;1:酶解后1min。

3 結(jié)論

瓜爾膠可影響木薯淀粉的消化性,不同比例復(fù)配體系的RDS、SDS、RS分布迥異。相比于單純的木薯淀粉,復(fù)配體系(1∶80)中瓜爾膠與滲漏淀粉相互作用減弱及淀粉鏈段之間的相互聚集受到抑制,空間結(jié)構(gòu)較疏松;可流動水含量高。這使得該體系具有較高的酶解程度,RDS含量與單純的木薯淀粉組相當,SDS含量顯著增加。體系(1∶40,1∶20)中瓜爾膠與滲漏淀粉相互作用,在淀粉外圍形成空間位阻;膠體含量越高時,可流動水越低。這導(dǎo)致淀粉的酶解程度和初始酶解速率隨著膠體添加比例的增加而降低,RS含量越來越多,SDS含量基本相當。添加較少含量的膠體不益于提高淀粉的功能性,較高含量的膠體添加比例更有益于提高低血糖指數(shù)淀粉總含量的提高。

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Effect of guar gum on the digestibility,pasting properties and water mobility of tapioca starch

ZHOU Shan-shan1,LIU Guo-dong1,2,3,GU Zheng-biao1,2,3,HONG Yan1,2,3,*

(1. The State Key Laboratory of Food Science and Technology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China;2. School of Food Science and Technology,Wuxi 214122,China;3. Synergetic Innovation Center of Food Safety and Nutrition,Wuxi 214122,China)

The objective of this study was to evaluate the effect of guar gum on the digestibility of tapioca starch using Englyst method. Pasting properties,an spin-spin relaxation time(T2)of dynamic water molecule and microstructure were examined. Additionally,the microstructure change of combinations with inactivated or activated enzymes was studied to investigate blend digestion mechanism. The results showed that guar gum made combination with a loose network structure and owned bigger T2at lower guar gum/starch ratio,which led to a higher starch hydrolysis. Resistant starch was reduced. However,the combinations at higher ratio possessed denser network structure and smaller T2. And these combinations could significantly inhibit the enzymatic hydrolysis of starch,attributed to the strong interaction between starch and gum performed as a barrier. The value added of resistant starch content was increased.

tapioca starch;guar gum;digestibility;water mobility;microstructure

2014-07-08

周姍姍(1989-)，女，在讀碩士研究生，研究方向：食品科學(xué)與工程。

*通訊作者:洪雁(1974-)，女，博士，副教授，主要從事碳水化合物資源的開發(fā)和利用。

國家十二五科技支撐計劃(2012BAD37B01)。

TS231

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:1002-0306(2015)09-0111-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.09.015