瓜爾豆膠對馬鈴薯淀粉消化性和糊化特性的影響

李 遠,辛士剛,趙秀紅,*,朱旻鵬,馬天文

(1.沈陽師范大學糧食學院,遼寧沈陽 110034;2.沈陽師范大學實驗教學中心,遼寧沈陽 110034;3.沈陽南方谷物有限公司,遼寧沈陽 110000)

瓜爾豆膠(Guar gum,GG)是天然的半乳甘露聚糖,是水溶性膳食纖維之一,瓜爾豆膠與其他食品組分可以在人體的消化道內(nèi)纏結(jié)形成網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),并且膠體吸收水分而膨脹形成凝膠,可增強人的飽腹感,減緩人體內(nèi)食物的消化速度,與淀粉作用可以改變淀粉的消化性能[1]。

馬鈴薯作為人類日常生活中必不可缺的食物,其產(chǎn)品具有多樣性。我國啟動馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略,推進把馬鈴薯淀粉加工成饅頭、面條、米粉等主食,預(yù)計2020年50%以上的馬鈴薯將作為主糧消費。這也使得馬鈴薯將成稻米、小麥、玉米外,中國人民的第四大主食。食用淀粉是人們攝取能量的主要途徑,其消化程度及速度與人體餐后的血糖水平有密切聯(lián)系。Englyst等[2]將淀粉分為三類:快速消化淀粉(Rapidly digestible starch,RDS)、慢消化淀粉(Slowly digestible starch,SDS)、抗性淀粉(Resistant starch,RS)。不同種類的淀粉對血糖指數(shù)(Glycemic index,GI)[3]的影響不同,食用含有SDS與RS比率較高的食物,餐后血糖指數(shù)較低,對于預(yù)防糖尿病、心血管疾病、肥胖癥等有重要的意義[4]。一些學者使用膳食纖維與淀粉進行復(fù)配的方式來改善淀粉的特性[5]。但研究發(fā)現(xiàn),將親水可食用膠體加入到淀粉中,也可適當?shù)匦揎椀矸鄣男阅?提高淀粉糊化的黏度,改善消化性[6],從而影響加工過程中的工藝及產(chǎn)品品質(zhì)[7-9]。研究瓜爾豆膠與馬鈴薯淀粉(Potato starch,PS)相互作用所形成體系的消化性,有益于了解并擴大馬鈴薯淀粉的產(chǎn)品范圍,促進其功能食品的發(fā)展。

目前,國內(nèi)外已有許多學者對膠體與淀粉所形成復(fù)配體系的特性進行研究,如Fatemeh等[10]研究了羅勒籽膠和瓜爾豆膠對淀粉糊化特性的影響,發(fā)現(xiàn)膠體的加入延長了復(fù)配體系的糊化過程。蔡旭冉等[11]研究了瓜爾豆膠與黃原膠對馬鈴薯淀粉糊化特性的影響,發(fā)現(xiàn)不同比例的瓜爾豆膠和黃原膠與馬鈴薯淀粉間存在靜電作用,加入瓜爾豆膠和黃原膠可以提高淀粉糊的熱穩(wěn)定性。王穎等[12]研究瓜爾膠對木薯淀粉復(fù)配體系流變特性的影響,結(jié)果表明加入瓜爾膠的凝膠趨于固體性質(zhì)。但對親水膠體與淀粉復(fù)配改變淀粉消化性的研究還有待深入,本文研究不同比例的瓜爾豆膠對馬鈴薯淀粉復(fù)配體系的消化性及糊化特性的影響,為研發(fā)低血糖指數(shù)、高營養(yǎng)價值的功能食品提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬鈴薯淀粉 天津什福來食品科技有限公司;瓜爾豆膠 河南萬邦實業(yè)有限公司;α-淀粉酶(2×104U/g) 邢臺萬達生物工程有限公司;葡萄糖淀粉酶(2×104U/g) 河北貝達生物科技有限公司;醋酸、醋酸鈉、酒石酸鉀鈉、氫氧化銅等試劑 均為分析純,天津市北科化學品有限責任公司。

HH-6型數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州國華電器有限公司;AL104-IC電子分析天平 梅特勒-托利多儀器上海有限公司;DHG-9146A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏實驗設(shè)備有限公司;TechMaster RVA快速黏度分析儀 波通瑞華科學儀器北京有限公司;Nicolet 380型傅立葉紅外光譜儀 Termo公司;UL61010-1差示熱量掃描儀DSC 美國TA儀器公司;Ultima IV型X衍射儀器日本理學 廣州市萬里河科技儀器有限公司;日立Hitachi su8010型掃描電子顯微鏡 日立(中國)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 復(fù)配體系樣品的制備 稱量四份瓜爾豆膠于醋酸鈉緩沖溶液中,置于磁力攪拌器上攪拌2 h,使瓜爾豆膠充分混合,準備四份馬鈴薯淀粉加入攪拌好的瓜爾豆膠醋酸鈉溶液中,置于磁力攪拌器上攪拌30 min使混合均勻,形成四份瓜爾豆膠-馬鈴薯復(fù)配體系,復(fù)配體系中瓜爾豆膠與馬鈴薯淀粉總質(zhì)量分數(shù)為50 g/L,兩者質(zhì)量比例是瓜爾豆膠:馬鈴薯(0∶100(對照組)、1∶80、1∶40、1∶20)。將復(fù)配體系放入沸水浴中糊化30 min,再放入恒溫水浴搖床震蕩20 min(37 ℃、160 r/min),得到四份不同比例的瓜爾豆膠與馬鈴薯淀粉的待測樣品。

1.2.2 體外消化性的測定 在四份復(fù)配體系中分別取1 mL加入49 mL去離子水中,在剩余的復(fù)配體系中分別加入5 mL混酶液(α-淀粉酶3800 U/mL、葡萄糖淀粉酶13 U/mL),放入恒溫水浴搖床繼續(xù)震蕩(37 ℃、160 r/min),分別在反應(yīng)的20 min、120 min取1 mL消化液,加入49 mL去離子水中,并放入沸水浴滅活20 min。采用直接滴定法測定葡萄糖的含量,根據(jù)Englyst的方法[2]計算RDS、SDS、RS含量。

葡萄糖含量計算:

葡萄糖含量(g/mL)=(V0-V)×0.002×1/10×n

式中:V0為菲林試劑的標定值(mL);V為樣品糖液測定值(mL);0.002為標準葡萄糖溶液濃度(g/mL);10為用于測定的樣品糖液體積(mL);n為樣品稀釋倍數(shù)。

RDS(%)=(G20-G0)×0.9/PS×100

SDS(%)=(G120-G20)×0.9/PS×100

RS(%)=[PS-(RDS+SDS)]/PS×100

式中:G0為淀粉沒被水解時的葡萄糖量(mg);G20為淀粉被酶水解20 min后產(chǎn)生的葡萄糖量(mg);G120為淀粉被酶水解120 min后產(chǎn)生的葡萄糖量(mg);PS為每組復(fù)配體系中淀粉的質(zhì)量(g)。

1.2.3 糊化特性的測定 瓜爾豆膠與馬鈴薯淀粉總質(zhì)量分數(shù)為12%,按上述比例(0∶100、1∶80、1∶40、1∶20)取四份瓜爾豆膠加入25 mL去離子水中于磁力攪拌器上攪拌3 h,使瓜爾豆膠充分混合,再加入對應(yīng)比例的馬鈴薯淀粉,用玻璃棒攪拌均勻,參考唐敏敏等[13]的方法,按照美國谷物化學協(xié)會(AACC)規(guī)定的標準1進行糊化特性的測定[14],測試程序為:50 ℃下保溫1 min,然后用3.7 min升溫至95 ℃,保溫2.5 min,再用3 min降溫至50 ℃,保溫2 min,起始10 s內(nèi)攪拌器轉(zhuǎn)速為960 r/min,之后保持為160 r/min的速率進行黏度測試。

1.2.4 紅外光譜分析 取1.2.1中得到的四種復(fù)配體系樣品,放入105 ℃烘箱中,干燥至水分蒸發(fā)完全[15]。采用壓片法制備待測樣品,將壓制成的薄片放入樣品池中,以空氣作為背景,使用紅外光譜儀進行測定,測定參數(shù):分辨率為4 cm-1,掃描次數(shù)為32次，選取0～4500 cm-1進行分析。

1.2.5 熱力學特性的測定 參考Rosell等[16]的方法,通過TA差示熱量掃描量熱儀對復(fù)配體系的熱力學性質(zhì)進行分析。稱取1.2.1中得到的四種復(fù)配體系樣品各2 mg放入鋁盒中,并加入10 μL蒸餾水,用壓片機進行密封,在室溫下平衡1 h,再取一個空盒作為所有測量的參考,掃描溫度的范圍為30～120 ℃,加熱頻率為5 ℃/min。對測定得到的參數(shù):初始糊化溫度(T0)、峰值溫度(TP)、終止溫度(TC)及糊化焓(ΔH)進行分析。

1.2.6 X射線衍射分析 取1.2.1中得到的四種復(fù)配體系樣品,依照1.2.4的操作步驟對樣品進行干燥,并用研缽將樣品研磨成粉末進行X-射線衍射(X-ray diffraction,XRD)測定。測定的工作參數(shù)為:銅靶Cu Kα(λ=0.15406 nm),電壓設(shè)定為40 kV,電流設(shè)定為40 mA,測定的2θ衍射圖譜的掃描范圍在5～40 °之間,設(shè)定掃描速率為4 deg/min,從而獲得X-射線衍射圖譜,并對衍射峰強度進行分析。

1.2.7 微觀結(jié)構(gòu)觀察 取1.2.1中得到的四種復(fù)配體系樣品,將樣品放入50 ℃烘箱中,干燥至樣品恒重[17],用研缽將干燥后的樣品磨成粉末,參照張雅媛等[18]的方法,采用Hitachi su8010型掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscope,SEM)觀察復(fù)配體系的微觀結(jié)構(gòu)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 8.0繪圖軟件進行圖形處理,采用SPSS 18.0數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,顯著性分析采用Duncan多重檢驗(p<0.05),數(shù)值以均值±標準差表示。實驗中所涉及數(shù)據(jù)均進行平行測定至少三次。

2 結(jié)果與分析

2.1 GG/PS復(fù)配體系的消化性

由圖1可知,隨著復(fù)配體系內(nèi)膠體添加比例的增加,RDS含量呈現(xiàn)下降趨勢,其中對照組(0∶100)的RDS含量最高,為56.88%,體系(1∶20)的RDS含量最低,為45.00%。而SDS含量也隨膠體添加比例的增加而增加,其中對照組的SDS含量最低,為19.44%,體系(1∶20)的SDS含量最高,為37.44%。隨著膠體添加比例的增加,RS含量整體呈現(xiàn)降低的趨勢，對照組的RS含量最高,為23.68%,體系(1∶20)的RS含量最低,為17.56%。

圖1 瓜爾豆膠對馬鈴薯淀粉體外模擬消化性的影響

RDS及SDS的變化趨勢與其他研究結(jié)果[1]相吻合,膠體的加入,一方面是充當了增稠劑,復(fù)配體系黏度的增加使酶解進程受到影響,使得RDS含量降低、SDS含量升高;另一方面瓜爾豆膠與淀粉相互作用,形成空間位阻,阻礙酶與底物的接觸,降低酶解效率。對于RS的含量變化,由圖可看出體系(1∶20)酶解程度低,RS含量與對照組相比含量較低。

2.2 GG/PS體系的糊化特性

圖2為不同比例復(fù)配體系的RVA糊化曲線。經(jīng)過比較可以發(fā)現(xiàn)隨著瓜爾豆膠添比例的增大,復(fù)配體系黏度的峰值和終值有明顯的增大。這是由于瓜爾豆膠分子可與馬鈴薯淀粉在糊化過程中產(chǎn)生一定的協(xié)同作用,引起黏度增大[19]。此分析結(jié)果同林鴛緣等[20]的研究結(jié)論。

圖2 GG/PS體系的RVA糊化曲線

圖2記錄了在溫度變化過程中,黏度的變化情況。隨著溫度及時間的變化復(fù)配體系黏度變化的擬合直線斜率見表1,在70～89 ℃的溫度區(qū)間復(fù)配體系黏度迅速上升,不同的復(fù)配體系斜率不同,斜率隨著瓜爾豆膠添加量的增多而增加。在此溫度區(qū)間,馬鈴薯淀粉的顆粒吸水膨脹,淀粉顆粒破裂,直鏈淀粉從中析出,分散在膠體溶液中,黏度增大。其次,瓜爾豆膠具有長直鏈分子,延展性隨溫度升高而降低,導(dǎo)致淀粉與瓜爾豆膠間進一步纏繞,黏度增長迅速。

表1 GG/PS體系在不同溫度范圍內(nèi)RVA黏度曲線線性擬合Table 1 The linear fitting of RVA viscosity curve of GG/PS system in different temperature ranges

在95 ℃保溫階段,復(fù)配體系的斜率隨瓜爾豆膠添加量的增多而下降,即復(fù)配體系的黏度下降,表明馬鈴薯淀粉在瓜爾豆膠溶液中的熱穩(wěn)定性較差,并且隨著瓜爾豆膠的比例增加而復(fù)配體系穩(wěn)定性變差。復(fù)配體系在機械剪切壓力的作用下,溶脹的顆粒破裂,使得馬鈴薯淀粉與瓜爾豆膠相互纏繞形成的復(fù)配體遭到破壞,黏度下降。

在復(fù)配體系冷卻至50 ℃后,淀粉糊進行回生,可以根據(jù)回生值判斷淀粉糊的穩(wěn)定性及老化趨勢[21]。瓜爾豆膠與淀粉作用,抑制了可溶性淀粉的重排,形成氫鍵,降低了淀粉糊的回生速率,淀粉分子的聚集程度增加[22]。體系(1∶20)的回生速率與其他復(fù)配體系差異值較大,是因為瓜爾豆膠膠體濃度高時,瓜爾豆膠在分散介質(zhì)中運動,導(dǎo)致與淀粉相互纏繞的機率降低,并且阻礙淀粉鏈間的聚集,使得復(fù)配體系黏度降低。

淀粉與瓜爾豆膠的復(fù)配體系經(jīng)歷了由糊化到回生的過程,此過程可以解釋復(fù)配體系在進行消化實驗時體系(1∶20)所體現(xiàn)的差異,體系(1∶20)中瓜爾豆膠較大程度地與淀粉作用,形成空間位阻,使酶與底物接觸率降低,消化性下降。

2.3 GG/PS體系的結(jié)構(gòu)分析

如圖3所示,與對照組相比較,復(fù)配體系的紅外光譜圖并沒有出現(xiàn)新的特征峰,即表明沒有產(chǎn)生新的基團[23],從圖中可以觀察到,體系(1∶20)的峰值高于其他比例的復(fù)配體系,可能是由于瓜爾豆膠添加量達到一定比例時,與馬鈴薯淀粉相作用產(chǎn)生較強的偶極矩變化,偶極矩變化越大,譜帶峰值越大[22]。在波數(shù)915 cm-1左右出現(xiàn)明顯的吸收峰,這是由于兩分子締合體O-H的非平面搖擺振動所產(chǎn)生的[24]。所以瓜爾豆膠與馬鈴薯淀粉間作用并沒有新的基團產(chǎn)生,為單純的物理變性,僅形成空間位阻,驗證了上述猜想。

圖3 GG/PS體系的紅外光譜圖

2.4 GG/PS體系的熱力學特性

由表2可知,馬鈴薯的糊化起始溫度(T0)為61.94 ℃,隨著瓜爾豆膠添加比例的增加,復(fù)配體系的起始糊化溫度逐漸升高,并且峰值溫度(TP)與終止溫度(TC)也逐漸升高,說明瓜爾豆膠對馬鈴薯淀粉的糊化有延遲進行的作用。同時,隨著瓜爾豆膠的添加比例增大,馬鈴薯淀粉的糊化焓值(ΔH)也隨之提高,導(dǎo)致糊化過程中體系吸熱增加。結(jié)合紅外光譜圖結(jié)果分析,可能是復(fù)配體系作用產(chǎn)生氫鍵所導(dǎo)致。與周玉杰等[24]在研究瓜爾豆膠對錐薯栗淀粉糊化和流變學特性的影響所得結(jié)論相似。

表2 GG/PS體系的糊化溫度及焓值Table 2 The pasteurization temperature and enthalpy of GG/PS system

對比表1可以發(fā)現(xiàn),由DSC實驗測得的T0明顯低于RVA實驗測得的復(fù)配體系開始糊化溫度,說明不同比例的復(fù)配體系的熔融進程早于黏度增加的開始進程。并且由DSC所測得的TP也明顯低于RVA實驗所測得的糊化峰值溫度,說明不同比例的復(fù)配體系黏度的快速增加發(fā)生在淀粉結(jié)晶區(qū)全部熔融之后[25]。

2.5 GG/PS體系的結(jié)晶形態(tài)

使用X射線衍射技術(shù)對瓜爾豆膠與馬鈴薯淀粉在不同比例的結(jié)晶形態(tài)和結(jié)晶程度進行觀察,如圖4,由圖4可以看出,復(fù)配體系均在衍射角2θ為7、18、22與24 °處出現(xiàn)較強的B型結(jié)晶結(jié)構(gòu)衍射峰,是典型的馬鈴薯淀粉XRD圖譜。由此可知,膠體的加入并沒有引起體系晶型發(fā)生變化,印證猜想,即膠體與淀粉間形成空間位阻,是單純的物理作用,沒有新基團產(chǎn)生。

圖4 GG/PS體系的XRD圖譜

2.6 GG/PS體系的微觀結(jié)構(gòu)分析

由圖5可以看出,各復(fù)配體系的微觀結(jié)構(gòu)有顯著不同。對照組(圖5A)中淀粉糊化冷卻后表面形成不規(guī)則突起,呈褶皺狀。而在其他比例的復(fù)配體系(圖5B、C、D)中表面較為致密且粗糙。

圖5 GG/PS體系的SEM圖

如圖5B在體系(1∶80)中淀粉與瓜爾豆膠作用,因此表面更為粗糙有少量突起,體系有孔洞稍疏松,此結(jié)構(gòu)特征結(jié)合上述結(jié)論,可推測出在體系(1∶80)中淀粉與膠體之間相互聚集,混合體系孔洞減少,使得酶解反應(yīng)程度降低,導(dǎo)致體系(1∶80)的消化性程度低于對照組。如圖5C、5D當瓜爾豆膠添加量增加時,體系(1∶40、1∶20)中凝膠表面光滑,縫隙孔洞隨著瓜爾豆膠添加量的增加而減少,結(jié)構(gòu)也隨著瓜爾豆膠添加量的增加而越致密。即淀粉與含量較高的瓜爾豆膠作用形成空間位阻,位阻的形成不利于酶解反應(yīng)發(fā)生,所以酶解程度降低[26]。綜上,不同比例的瓜爾豆膠與馬鈴薯淀粉復(fù)配體系所形成的結(jié)構(gòu)致密程度不同,與酶的反應(yīng)程度也不相同,導(dǎo)致消化性實驗結(jié)果不同。

3 結(jié)論

瓜爾豆膠的加入會影響馬鈴薯淀粉的消化性及糊化特性,不同比例瓜爾豆膠的添加導(dǎo)致復(fù)配體系中RDS、SDS、RS含量有差異。隨著瓜爾豆膠添加量的增加,膠體與淀粉顆粒纏繞越劇烈,形成空間位阻越多,導(dǎo)致復(fù)配體系酶解程度降低,即隨著瓜爾豆膠添加酶解程度下降。并且根據(jù)消化結(jié)果分析可發(fā)現(xiàn)瓜爾豆膠的添加使得SDS含量增加,RDS含量明顯降低,低GI淀粉總含量提高。

向馬鈴薯淀粉中加入瓜爾豆膠后,復(fù)配體系的起始糊化溫度、黏度峰值、焓值等均有提升,說明瓜爾豆膠的加入可以使糊化過程更持久,吸熱更多。觀察添加瓜爾豆膠后的結(jié)晶結(jié)構(gòu)可分析出瓜爾豆膠與馬鈴薯淀粉之間的作用僅為物理作用,形成空間結(jié)構(gòu)位阻,沒有新基團產(chǎn)生。與馬鈴薯淀粉相比,添加膠體后復(fù)配體系孔隙減少,呈現(xiàn)出更加均一穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。