酶脫支處理對顆粒態(tài)緩慢消化淀粉形成的影響

趙 凱，陳 威，宮玉晶，劉 寧，陳鳳蓮，楊春華

(哈爾濱商業(yè)大學 食品科學與工程省級重點實驗室， 黑龍江 哈爾濱 150076)

淀粉按消化性不同可以分為快速消化、緩慢消化及抗消化3種類型。其中緩慢消化淀粉(slowly digestible starch, SDS)一般定義為可在小腸中完全消化吸收但速度較慢的淀粉[1]。SDS因其消化吸收速度較慢，從而具有較好的功能特性，如調(diào)節(jié)血糖、血脂、控制體重、預(yù)防結(jié)腸癌及能量逐步釋放等[2-3]，可應(yīng)用于低熱量食品及耐力食品的開發(fā)。

緩慢消化淀粉的制備方法主要有4種，分別為物理改性、酶脫支改性、化學改性以及復合改性；其中多以物理方法和酶方法為首選。物理方法主要包括韌化處理、濕熱處理、壓熱處理等；酶方法主要包括α-淀粉酶處理和普魯蘭酶處理[4]。在以上4種制備方法中，目前國內(nèi)外主要集中于對淀粉進行單一的物理或酶法改性制備SDS，除了熱處理(韌化及濕熱處理)等物理方法制備的SDS屬于顆粒態(tài)外[5-6]，其他過量水分條件下的壓熱處理、糊化后酶脫支處理制備的SDS均為非顆粒態(tài)[4,7-8]。而顆粒態(tài)的SDS容易對其進行分離、純化、脫水、干燥及粉碎等后處理，便于食品、制藥等行業(yè)的進一步應(yīng)用。

文章以玉米淀粉為主要原料，研究低于糊化溫度下的酶脫支處理對淀粉性質(zhì)的影響，在對處理過程中典型條件產(chǎn)物進行結(jié)晶結(jié)構(gòu)、熱焓特性、顆粒特性分析的基礎(chǔ)上，揭示在低于糊化溫度條件下酶脫支處理對直鏈淀粉溶出及SDS形成的影響。通過對上述過程的控制，調(diào)控SDS的制備過程，為其進一步應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米淀粉，黑龍江龍鳳玉米開發(fā)有限公司；豬胰α-淀粉酶(12U/g)，美國Sigma公司；葡萄糖、3,5-二硝基水楊酸、氫氧化鈉、酒石酸鉀鈉、苯酚、亞硫酸鈉、鹽酸、碘、碘化鉀、氫氧化鉀等，均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

DSC4000型差示掃描量熱儀，美國Perkin Elmer公司； DF- 101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鄭州市亞榮儀器有限公司；TDL- 5- A型離心機，上海安亭科學儀器廠；DHG- 9420A型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司；FW80- I型高速萬能粉碎機，天津市泰斯特儀器有限公司；722E型可見分光光度計，上海光譜儀器有限公司；S- 3400N型掃描電子顯微鏡，日本Hitachi公司。

1.3 實驗方法

1.3.1直鏈淀粉含量的測定

直鏈淀粉含量測定參照GB/T 15683—2008[9]。

1.3.2酶脫支處理淀粉的制備

將玉米淀粉配制成質(zhì)量濃度為0.05～0.06 g/mL(干基)的淀粉乳，密封，在溫度為35～50 ℃時水浴加熱，調(diào)節(jié)pH值到4.6，加入普魯蘭酶10～60 ASPU/g，恒溫振蕩6～14 h，離心，得到上清液和沉淀，制備不同直鏈淀粉溶出量的酶脫支處理淀粉，相應(yīng)的直鏈淀粉溶出量分別為10.15、28.89、36.51、44.83、55.57、61.67、72.99、82.93、140.85 mg。

1.3.3緩慢消化淀粉含量的測定

以Guraya法為參考，優(yōu)化改進[10-11]。

1.3.4淀粉顆粒形貌觀察

使用掃描電子顯微鏡SEM，用雙面膠將干燥的待測樣品固定在鋁制的樣品臺上，然后采用離子濺射法在樣品表面鍍上一層均勻的金箔，將其保存在干燥器中。將樣品置于掃描電子顯微鏡中進行測試觀察。具體測試條件如下：工作電壓5 kV，放大倍數(shù)2 000倍和5 000倍[12]。

1.3.5淀粉顆粒結(jié)晶特性分析

將實驗樣品前處理去除其中的快速消化淀粉，然后充分研磨，過篩。測試前將樣品在室溫、相對濕度為100% 的條件下靜置平衡24 h，然后采用X-射線衍射儀測試樣品的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。起始角度5°，終止角度40°，特征射線Cu，電壓40 kV，電流30 mA，掃描速度3°/min，時間常數(shù)1 s[13]。

1.3.6淀粉顆粒熱焓特性分析

稱取樣品(2.5±0.5)mg置于鋁坩堝中，樣品與去離子水的質(zhì)量比為1∶2并混勻，室溫下平衡2 h，以空皿為參比，從30 ℃加熱到100 ℃，加熱速率10 ℃/min，用差示掃描量熱法(DSC)分別測定起始溫度To、峰值溫度Tp、終止溫度Tc及焓值ΔH的變化情況[13]。

1.3.7溶出直鏈淀粉含量與SDS含量相關(guān)性分析

實驗數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0軟件處理，并采用Origin 8.5軟件繪圖。

1.3.8數(shù)據(jù)分析

實驗數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0和JADE 6.0軟件處理，并采用Origin 8.5軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 酶脫支處理淀粉的顆粒形貌

酶脫支前后淀粉顆粒形貌見圖1。按直鏈淀粉溶出量依次增加的順序(1～4號，其直鏈淀粉溶出量分別為28.89、36.51、61.67、140.85 mg)從酶脫支處理后的淀粉中分別選取不同的淀粉樣品。由圖1(a)和圖1(b)可以看出，玉米淀粉顆粒呈現(xiàn)圓形和多角形，表面光滑，棱角分明，顆粒表面沒有腐蝕和損傷的現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)完整。由圖1(c)～圖1(j)可以看出，與原淀粉相比，經(jīng)過低于糊化溫度的酶脫支處理后，淀粉顆粒大小變化不大，但顆粒表面發(fā)生了非常明顯的變化，部分淀粉顆粒的表面變得粗糙，出現(xiàn)不同程度的凹陷與侵蝕，說明酶脫支處理對淀粉的破壞是從淀粉顆粒表面向內(nèi)部進行的。隨著直鏈淀粉溶出量的增加，淀粉顆粒被破壞的程度也顯著增大，淀粉顆粒表面變化更為明顯，顆粒表面有孔洞出現(xiàn)?？傮w看，酶脫支處理淀粉后，淀粉顆粒形態(tài)仍保持原來的多角形，與原淀粉基本一致；但是由于在酶脫支過程中水分及普魯蘭酶向淀粉顆粒內(nèi)部滲透，酶切斷α-1,6-糖苷鍵，對支鏈淀粉，尤其是表層的支鏈淀粉進行局部脫支，淀粉顆粒出現(xiàn)一定程度的損傷。顆粒表面的粗糙、裂痕、孔洞是由于酶脫支處理后分子內(nèi)部斷裂的分子鏈隨水溶物流失造成的。由此表明，低于糊化溫度條件下的酶脫支處理提高了淀粉顆粒表面的疏松度。

圖1 酶脫支前后淀粉顆粒形貌Fig.1 Granule morphology of starches

2.2 酶脫支處理后直鏈淀粉溶出量對緩慢消化淀粉含量的影響

酶脫支處理后淀粉樣品的SDS含量不同，見圖2。玉米淀粉原淀粉的SDS含量最低；經(jīng)過普魯蘭酶脫支處理的淀粉的SDS含量較原淀粉均有所增加。SDS增多的原因主要是酶脫支處理時淀粉顆粒同時與水和普魯蘭酶接觸，酶首先作用于淀粉顆粒的無定形區(qū)，提高了無定形區(qū)的流動性，然后與結(jié)晶區(qū)接觸，普魯蘭酶切斷支鏈淀粉的α-1,6-糖苷鍵，使支鏈大分子變小，加大了淀粉分子鏈間的距離，使淀粉部分結(jié)晶區(qū)間的締合減弱，直鏈淀粉溶出。后期冷卻過程中，淀粉分子鏈間的雙螺旋結(jié)構(gòu)重新形成堆積，導致消化速率減慢，SDS含量增加；而過量直鏈淀粉溶出，使結(jié)晶結(jié)構(gòu)更為致密，可能會提高抗性淀粉含量，降低SDS含量。由圖2可知，在較低直鏈淀粉溶出量(10.15 mg)時，SDS的含量稍高于中等溶出量(25～45 mg)，但是低于較高溶出量(50～80 mg)。原因可能是直鏈淀粉在剛開始從顆粒內(nèi)溶出時，由于溶出量較小，部分脫支后的直鏈淀粉保留在顆粒內(nèi)，在熱處理的條件下，顆粒膨脹，內(nèi)部空間增大，直鏈淀粉與支鏈淀粉相互纏繞，后續(xù)冷卻過程中參與結(jié)晶調(diào)整，形成不完全結(jié)晶，導致消化速率降低，SDS含量提高[10]；Hoover等[14]在研究馬鈴薯淀粉脂質(zhì)復合物時發(fā)現(xiàn)，對淀粉進行熱處理時，溶出的直鏈淀粉會纏繞在顆粒表面，抑制膨脹，提高顆粒的剛性，這也可能是低直鏈淀粉溶出量時SDS含量提高的一個原因。該過程與充分糊化后脫支處理的SDS形成過程及機制不同，大米淀粉、蠟質(zhì)玉米淀粉、高粱淀粉等谷物淀粉糊化后進行酶脫支處理也會形成SDS，但在該過程中上述淀粉的結(jié)晶類型會由A型轉(zhuǎn)化為B型，可能是由于后續(xù)冷藏過程形成了不完善的B型結(jié)晶結(jié)構(gòu)，其堆積緊密度較低，從而增強對酶的抵抗作用，促進SDS的形成[10-12]。

圖2 直鏈淀粉溶出量對緩慢消化淀粉含量的影響Fig.2 Effect of amylose leaching on content of slowly digestion starch

2.3 酶脫支處理后直鏈淀粉溶出量與緩慢消化淀粉形成的相關(guān)性分析

酶脫支處理后直鏈淀粉溶出量與緩慢消化淀粉形成量具有一定的關(guān)系，且隨著溶出的直鏈淀粉增加，緩慢消化淀粉出現(xiàn)先增加后減少的趨勢，見圖3。由圖3分析可知其符合方程Y=-0.005 1X2+0.855 4X-5.451 2，R2=0.933 4；相關(guān)系數(shù)|R|=0.966 1，且0.75<0.966 1<1，所以變量間的相關(guān)性很強，擬合較好。出現(xiàn)上述結(jié)果，可能是由于淀粉顆粒中直鏈淀粉溶出，且經(jīng)過普魯蘭酶脫支處理使淀粉樣品含有更多的短鏈，通過氫鍵和疏水作用，使雙螺旋結(jié)構(gòu)改變，原有的晶體生長方向和晶體間的相互作用發(fā)生變化，提高結(jié)晶完善度以抵抗酶解作用；另外冷卻后顆粒內(nèi)剩余的直鏈淀粉纏繞結(jié)合，阻礙胰淀粉酶的作用；由DSC結(jié)果可知，相變的起始溫度、峰值溫度、終止溫度均有所增加，糊化變得不易，也說明分子的穩(wěn)定性增強，相應(yīng)的緩慢消化淀粉的量也有所增加；而隨著直鏈淀粉溶出量的增加，淀粉顆粒的破壞程度變大，顆粒的結(jié)晶結(jié)構(gòu)更加緊密，對淀粉酶抵抗作用增強，導致緩慢消化淀粉的量有所下降。

圖3 直鏈淀粉溶出量與緩慢消化淀粉形成量的關(guān)系Fig.3 Correlation between amylose leaching and slowly digestion starch formation

2.4 酶脫支處理淀粉的結(jié)晶特性

玉米原淀粉和不同酶脫支處理淀粉的X-射線衍射圖見圖4，可以看出淀粉經(jīng)過酶脫支改性后，X-射線衍射圖譜并沒有發(fā)生明顯的變化。玉米原淀粉及去除快速消化淀粉的酶脫支處理淀粉仍然屬于A型結(jié)構(gòu)[15]。從結(jié)晶度看，原淀粉的結(jié)晶度為37.15%，1～4號酶脫支處理淀粉結(jié)晶度分別為32.02%、31.91%、29.40%、27.61%。相對結(jié)晶度降低，并且隨著直鏈淀粉溶出量的增大而顯著降低。結(jié)晶度降低，可能是由于淀粉在低于糊化溫度條件下進行酶脫支處理，淀粉依然保持顆粒狀態(tài)，適度溶脹，使直鏈淀粉及部分小分子的支鏈淀粉溶出；同時酶處理使部分支鏈淀粉側(cè)鏈斷裂，導致直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例有所改變，部分淀粉鏈分子重新排列，從而帶來結(jié)晶度的變化。相對于結(jié)晶的數(shù)量，結(jié)晶的質(zhì)量對淀粉消化性影響更大。

0號為原淀粉，1～4號為酶脫支處理淀粉，其直鏈淀粉溶出量分別為：28.89、36.51、61.67、140.85 mg。圖4 淀粉酶脫支前后的X-射線衍射結(jié)果Fig.4 X-ray diffraction pattern of starches before and after debranching

2.5 酶脫支處理淀粉的熱焓特性

0號為原淀粉，1～4號為酶脫支處理淀粉，其直鏈淀粉溶出量分別為：28.89、36.51、61.67、140.85 mg。圖5 淀粉改性前后DSC分析Fig.5 DSC spectrum parameters of starch

原淀粉和酶脫支處理后的淀粉樣品的DSC分析如圖5及表1，酶脫支處理后淀粉的糊化起始溫度和峰值溫度均有顯著差異，但糊化終止溫度和糊化焓變化不大。玉米原淀粉的相變起始溫度為62.52 ℃，與玉米原淀粉相比，淀粉經(jīng)過未糊化的酶脫支處理后的相變起始溫度明顯增加，且隨著直鏈淀粉溶出量的提高，起始溫度有增加趨勢，主要是由于酶脫支處理后，支鏈淀粉的側(cè)鏈被破壞，淀粉的雙螺旋結(jié)構(gòu)重新形成，使其分子的穩(wěn)定性增強，相變的起始溫度升高；另外酶脫支處理是在低于糊化溫度條件下進行的，兼具對淀粉的韌化處理作用，Hoover和Vasanthan推測韌化處理過程中相變峰向高溫推移，是由于直鏈淀粉與支鏈淀粉外鏈作用的結(jié)果[16]，脫支處理后形成較多短直鏈淀粉，一部分溶出，另一部分會與剩余的支鏈淀粉側(cè)鏈交纏，從而導致相變溫度提高。Tc-To減小，糊化峰變窄可能是由結(jié)晶結(jié)構(gòu)更緊密造成的，Chung等[17]對玉米及豌豆淀粉進行韌化處理時，也得到類似結(jié)果。根據(jù)X-射線衍射結(jié)果可知，結(jié)晶度降低，這也充分說明結(jié)晶質(zhì)量對消化性影響較大。糊化焓有所下降，表示糊化過程中解開雙螺旋結(jié)構(gòu)的能量減少。

表1 酶脫支淀粉的DSC圖譜參數(shù)

0號為原淀粉，1～4號為酶脫支處理淀粉，其鏈淀粉溶出量分別為： 28.89、36.51、61.67、140.85 mg。Tc-To表示淀粉的相轉(zhuǎn)溫程；ΔH表示糊化焓。數(shù)據(jù)表示為平均值±標準偏差(n=3)，同列肩注小寫字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

3 結(jié) 論

低于糊化溫度酶脫支處理淀粉的掃描電鏡分析結(jié)果表明，經(jīng)過酶脫支處理后，淀粉顆粒大小變化不大，但顆粒表面發(fā)生了非常明顯的變化，部分淀粉顆粒的表面變得粗糙，棱角明顯，出現(xiàn)不同程度的凹陷。由此表明，在低于糊化溫度下通過酶脫支制備緩慢消化淀粉能提高淀粉顆粒表面的疏松度。

X-射線衍射結(jié)果表明：玉米原淀粉在15.274°、17.203°、18.108°和23.186°處有明顯的特征峰出現(xiàn)，屬于典型的A型結(jié)構(gòu)。淀粉經(jīng)過低于糊化溫度酶脫支處理后，結(jié)晶類型仍然為A型，但結(jié)晶度下降。說明酶脫支處理淀粉對其消化速率的影響主要是其結(jié)晶結(jié)構(gòu)的調(diào)整，相對于結(jié)晶的數(shù)量，結(jié)晶的質(zhì)量對淀粉消化性影響更大。

DSC分析結(jié)果表明，淀粉經(jīng)酶脫支處理后，淀粉糊化的起始溫度、峰值溫度、終止溫度均有所增加，相轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間變小，但糊化焓變化不大。說明淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)變得緊密，導致其消化速率減慢。