不同品種蕓豆淀粉及其抗性淀粉結構和物化特性比較

劉淑婷 王 穎，2，3* 王志輝，2 王 迪 張艷莉 佐兆杭

（1 黑龍江八一農墾大學食品學院 黑龍江大慶 163319 2 國家雜糧工程技術研究中心 黑龍江大慶 163319 3 黑龍江省農產品加工與質量安全重點實驗室 黑龍江大慶 163319）

蕓豆俗稱四季豆，豆科菜豆屬（Phaseolus vulgaris L.），其作為我國生產量和出口量位居世界前茅的小宗糧豆作物，品種豐富且營養(yǎng)價值極高[1-2]。淀粉是蕓豆中主要碳水化合物來源，其中直支鏈淀粉比例較高，是制備抗性淀粉的優(yōu)質原料?？剐缘矸郏≧esistant starch，RS），又稱抗酶解淀粉，指在健康小腸內不能被消化，在大腸中能部分或完全發(fā)酵的淀粉或淀粉降解產物[3-4]。RS 作為一種具有類似膳食纖維生理功能的新興營養(yǎng)物質，具有調節(jié)血糖、血脂，調節(jié)腸道微生物菌群，防止脂肪堆積等作用[5-6]，備受研究學者關注。

RS3 型抗性淀粉是淀粉經糊化后老化回生產生的一種具有抗酶解結構的淀粉[7]，對比研究抗性淀粉分子結構及物化特性，有利于深入了解其內部結構與抗酶解特性之間的關系。目前，國內外學者對于谷物類、薯類、香蕉抗性淀粉結構性質研究較多[8-10]，對于雜豆類抗性淀粉研究報道較少，尤其罕見不同品種豆類抗性淀粉的結構性質差異。本研究以東北地區(qū)主產蕓豆為原料，在試驗前期平行篩選奶白花蕓豆、黑蕓豆、紅蕓豆等10 余種蕓豆，根據基本營養(yǎng)成分含量和淀粉中直、支鏈淀粉比，篩選淀粉含量高、脂肪和蛋白質含量較低的品種作為原料[11]，即紫圓蕓豆、奶白花蕓豆和紅蕓豆，分析比較不同品種蕓豆淀粉及抗性淀粉的結構特性和物化性質，旨在拓寬蕓豆應用領域并為蕓豆抗性淀粉的深入研究提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫圓蕓豆、奶白花蕓豆、紅蕓豆，市售；普魯蘭酶（1 000 ASPU/g）、耐高溫α-淀粉酶（20 000 U/mL）、葡萄糖淀粉酶（100 000 U/mL），上海源葉生物科技有限公司；溴化鉀、碘化鉀、乙醚、氫氧化鈉等試劑（分析純），遼寧泉瑞試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

RVA 4500 型快速黏度分析儀，瑞典波通儀器公司；Nicolet 6700 傅里葉變換紅外光譜儀，美國Thermo Fisher 公司；JSM-5610LV 掃描電子顯微鏡，日本電子株式會社；X-射線粉末衍射儀，荷蘭帕納科公司；TU1810 紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器責任有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 堿法制備蕓豆淀粉 挑選不同品種蕓豆清水浸泡去皮，40 ℃烘干后打磨成粉。取適量蕓豆粉均勻分散于2%的氫氧化鈉溶液中（料液比1∶7），3 h 后反復離心收集底層乳白色沉淀（4 000 r/min，10 min）。取少量蒸餾水溶解沉淀，1 mol/L 鹽酸調節(jié)溶液pH 為中性，離心棄上清液，沉淀于45 ℃干燥24 h，粉碎過篩即得蕓豆淀粉。

1.3.2 壓熱-酶解法制備蕓豆抗性淀粉 分別稱取10 g 不同品種淀粉，加適量蒸餾水配成質量分數10%的淀粉乳溶液，95 ℃恒溫加熱攪拌預糊化15 min，121 ℃壓熱30 min，取出冷卻至室溫。1 mol/L HCl 調節(jié)溶液pH 5.0，普魯蘭酶（10 ASPU/g干基淀粉）55 ℃恒溫酶解12 h，沸水浴滅酶后4℃冰箱老化24 h。老化淀粉45 ℃烘干水分，粉碎過80 目篩，即得蕓豆抗性淀粉。參照宋洪波等[12]的方法純化抗性淀粉。

1.3.3 抗性淀粉結構特性測定

1.3.3.1 顆粒形貌 取干燥的不同品種蕓豆淀粉及抗性淀粉，參照任欣等[13]的方法進行顆粒形態(tài)掃描。

1.3.3.2 結晶特性測定 采用粉末衍射法。X-衍射操作條件：靶：Cu；管壓為40 kV；電流為40 mA；測量角度為2θ=5°～60°，掃描速度為4°/min；數據采集步寬為0.02°。

1.3.3.3 紅外光譜掃描測定 取2.0 mg 樣品與200 mg 干燥KBr 于瑪瑙研缽中充分研磨均勻，粉末壓片機壓片，于傅里葉紅外光譜儀中紅外光源全波段掃描，波長4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，得到不同樣品的紅外光譜圖。

1.3.4 抗性淀粉物化特性測定

1.3.4.1 老化特性測定 取3.5 g 樣品于鋁盒中，加入25 mL 蒸餾水攪拌均勻，35 ℃保溫3 min，以6 ℃/min 速率加熱至95 ℃，保溫5 min，以相同速率降溫至50 ℃，儀器配套軟件分析結果[14]。

1.3.4.2 溶解度和膨脹度測定 取0.5 g 樣品加蒸餾水40 mL，分別于50，60，70，80，90 ℃水浴加熱30 min，每隔5 min 振蕩一次，取出冷卻至室溫，置于45 mL 己知質量的帶蓋離心管中，3 500 r/min離心20 min[15]。上清液于120 ℃干燥至恒重后分別稱取溶出物質量和管中沉淀物質量。

式中，m1——上清液溶出物質量，g；m2——離心管中沉淀物質量，g；SA——溶解度；SP——膨脹度。

1.3.4.3 凍融穩(wěn)定性分析 取1.5 g 樣品置于帶蓋離心管中，配制成6%淀粉乳溶液，95 ℃恒溫水浴30 min，取出冷卻至室溫，于4 ℃下冷藏24 h，然后-18 ℃下冷凍12 h 取出，室溫溶解，3 500 r/min 離心20 min，根據沉淀物質量計算析水率[16]。

式中，I——析水率，%；m1——淀粉糊質量，g；m2——沉淀質量，g。

1.4 數據處理與統(tǒng)計分析

平行試驗3 次，SPSS 20 統(tǒng)計學軟件分析數據差異分析（P＜0.05），Excel、Origin 軟件繪制相關圖表。

2 結果與分析

2.1 抗性淀粉結構特性分析

2.1.1 顆粒形貌分析 不同品種蕓豆淀粉及抗性淀粉顆粒形貌如圖1 所示，3 種蕓豆天然淀粉顆粒形貌接近，淀粉顆粒表面光滑飽滿，未見凹陷損傷痕跡，顆粒大小不一，均呈腎形或橢球形，部分小顆粒呈圓形，推測不同植物來源淀粉顆粒結構存在差異，然而相同來源不同品種的淀粉內部顆粒形貌相似；而抗性淀粉顆粒形貌顯著改變，均呈不規(guī)則且棱角分明的無定形團塊狀結構，質地緊密，表面粗糙，橫斷面呈片層狀結構[17]，其中紅蕓豆抗性淀粉顆粒表面溝壑狀尤其明顯，推斷蕓豆品種間差異導致淀粉內部分子鏈長及直、支鏈淀粉比例不同，高壓加熱使淀粉顆粒溶脹成無定形海綿狀結構，此外酶作用于支鏈淀粉α-1，6-糖苷鍵，在紅蕓豆淀粉內部產生更多適宜結合成雙螺旋結構的短直鏈淀粉分子[18]，在老化階段憑借氫鍵及范德華力形成有序的無規(guī)則穩(wěn)定晶體結構。

圖1 不同品種蕓豆淀粉及抗性淀粉顆粒形貌掃描圖Fig.1 The particle morphology scan of different varieties of kidney bean starch and resistant starch

2.1.2 結晶特性分析 不同晶型的淀粉抗酶解性不同：A 型＜B 型＜C 型＜V 型[19-20]。不同品種蕓豆淀粉及其抗性淀粉的X-射線衍射圖譜如圖2 所示。紫圓蕓豆、奶白花蕓豆及紅蕓豆淀粉均在15°，17°，23°附近出現(xiàn)較強的衍射峰，表明不同品種蕓豆淀粉的晶型結構相同，均為A 型；3 種蕓豆抗性淀粉特征衍射峰，說明同一植物來源且同種處理方式的不同品種蕓豆抗性淀粉的晶型結構相似，與Evangélica 等[21]的研究相符。與淀粉相比，抗性淀粉在原有晶型基礎上，于6°，22°，24°出現(xiàn)了新的衍射峰，均為B 型晶體的特征衍射峰，表明抗性淀粉的晶型由A 型轉變?yōu)镃 型，推測糊化及酶解作用破壞淀粉結晶區(qū)雙螺旋結構，利于分子骨架重新定向結合成C 型結構，也說明蕓豆抗性淀粉比淀粉具有更強的抗酶解性。

圖2 不同品種蕓豆淀粉及抗性淀粉X-射線衍射圖譜Fig.2 X-ray diffraction spectra of different varieties of kidney bean starch and resistant starch

2.1.3 紅外光譜分析 不同品種蕓豆淀粉及抗性淀粉紅外光譜掃描圖如圖3 所示。3 種蕓豆淀粉的特征吸收峰相似而不完全相同，分別在2 929.98，2 928.92，2 928.10 cm-1處出現(xiàn)特征吸收峰，對應C-H 伸縮振動峰，1 648.30，1 648.87，1 650.75 cm-1處對應為C=O 振動吸收峰，指紋區(qū)在979，859，573 cm-1處出現(xiàn)吸收峰，分別對應CO，C-C 伸縮振動峰和C-H 面外彎曲振動吸收峰[22]；與淀粉相比，抗性淀粉在3 100～3 700 cm-1處吸收峰均變窄，推測糊化使直鏈淀粉分子溢出，在外力作用下與水分子結合替換先前的分子間氫鍵，連接方式更致密[23]?？剐缘矸厶卣魑辗迮c原淀粉相同，說明蕓豆抗性淀粉壓熱酶解過程中，未產生新的官能團和化學鍵，推測抗性淀粉是原淀粉分子鏈在特定條件下有序重排的產物。

圖3 不同品種蕓豆淀粉及抗性淀粉紅外光譜掃描圖Fig.3 Infrared spectra scan of different varieties of kidney bean starch and resistant starch

2.2 抗性淀粉物化特性分析

2.2.1 老化特性分析 淀粉是天然大分子葡萄糖聚合物，其內部的糖苷鍵可在適當溫度下與水分子作用發(fā)生糊化反應，改變淀粉乳黏度，間接反映淀粉的老化性質[24]。如表1 所示，3 種蕓豆淀粉的糊化溫度及老化參數差異顯著，紫圓蕓豆淀粉的峰值黏度顯著低于其它淀粉，說明紫圓蕓豆淀粉與水的結合能力最弱；奶白花蕓豆淀粉衰減值最大，這表明其在3 種蕓豆淀粉中熱穩(wěn)定性最差；紅蕓豆淀粉的糊化溫度最低、最終黏度和回生值相對較大，說明紅蕓豆淀粉易糊化，吸水膨脹且回生能力最強，推測與紅蕓豆直鏈淀粉的聚合度及支鏈淀粉側鏈長度相關。

與淀粉相比，蕓豆抗性淀粉的糊化溫度、峰值黏度、谷值黏度、衰減值、最終黏度及回生值均變化顯著?？剐缘矸鄣暮瘻囟壬?，說明抗性淀粉不易吸水膨脹，推測抗性淀粉在老化過程中凝集成較穩(wěn)定的雙螺旋結構，阻礙淀粉吸水糊化；峰值黏度、谷值黏度、衰減值、最終黏度及回生值顯著降低，表明抗性淀粉與水分子的結合能力減小，熱穩(wěn)定性增強，老化能力減弱，具有較強的抗剪切和抗氧化能力。推測壓熱處理增強淀粉無定形區(qū)分子間作用力，故不易與水分子結合；酶解脫支改變抗性淀粉中直鏈淀粉含量、支鏈淀粉鏈長及分子平均聚合度，從而影響抗性淀粉的熱穩(wěn)定性和回生能力[25]。

表1 不同品種蕓豆淀粉及抗性淀粉糊老化特征參數Table 1 Characteristics of aging of kidney beans starch and resistant starch paste in different varieties

2.2.2 溶解度和膨脹度分析 淀粉的溶解和膨脹與其顆粒形態(tài)，直鏈和支鏈的比例以及支鏈淀粉中、長、短鏈的比例有關，直接反映淀粉結晶區(qū)和無定形區(qū)結構比例以及分子間氫鍵的結合程度[26]，間接反映淀粉制品的蒸煮特性。不同品種蕓豆淀粉及抗性淀粉的溶解度和膨脹度如圖4a～4c 所示，3 種蕓豆淀粉及其抗性淀粉的溶解度變化趨勢相同，均隨溫度升高逐漸增大，推測淀粉高溫糊化，直鏈淀粉分子在氫鍵作用下與水結合增加溶解度；相同溫度下蕓豆抗性淀粉的溶解度高于蕓豆淀粉，推測抗性淀粉內部短直鏈淀粉含量高，與水結合作用增強，此外高溫瓦解穩(wěn)定的雙螺旋結構，分子間氫鍵被取代導致結構松散，故溶解度升高。90 ℃時奶白花蕓豆抗性淀粉溶解度最大，推測奶白花蕓豆抗性淀粉內部直、支鏈淀粉交互作用較弱，利于羥基鍵結合水分子，故溶解度最高。

由圖4d～4f 可知，不同品種蕓豆淀粉及其抗性淀粉的膨脹度均隨溫度升高逐漸增大，推測高溫破壞淀粉結晶結構，淀粉顆粒無定形區(qū)分子崩解游離，與氫鍵結合程度增強，吸水量增加從而導致顆粒體積膨脹[27]；當溫度低于70 ℃時，抗性淀粉的膨脹度大于原淀粉，當溫度高于70 ℃時，其膨脹度低于原淀粉，推測低溫時抗性淀粉顆粒內部直鏈淀粉及短支鏈淀粉含量多于原淀粉，無定形區(qū)結構相對疏松，更易吸水膨脹；高溫時抗性淀粉因糊化脫支分子鏈長度和直、支鏈淀粉比例改變，顆粒內鍵結合度強于原淀粉，形成的雙螺旋結構更加穩(wěn)定，故不易膨脹[28-29]。

圖4 不同品種蕓豆淀粉及抗性淀粉溶解度和膨脹度變化曲線Fig.4 Variation curves of the solubility and expansion degree of starch and resistant starch in different varieties of kidney beans

2.2.3 凍融穩(wěn)定性分析 凍融穩(wěn)定性是指糊化的淀粉乳溶液經老化后，在反復冷凍、解凍過程中承受物理變化的程度。不同品種蕓豆淀粉及抗性淀粉的析水率如表2 所示。蕓豆淀粉及抗性淀粉的析水率均隨凍融循環(huán)次數的增加逐漸增大；3 種蕓豆淀粉及其抗性淀粉的析水率差異顯著，且蕓豆抗性淀粉的析水率均顯著高于原淀粉。反復凍融將老化淀粉凝膠結構破壞成海綿狀疏松結構，對其產生脫水收縮作用。奶白花蕓豆淀粉及抗性淀粉凍融穩(wěn)定性較好，推測其析水率的大小與直鏈淀粉分子的結晶作用強弱有關，且凍融穩(wěn)定性與直鏈淀粉含量呈正相關，直鏈淀粉含量越少，淀粉越難老化，析水率越小[30]。與淀粉相比，抗性淀粉析水率增加，凍融穩(wěn)定差，推測淀粉經高溫、高壓糊化和酶解作用，將部分支鏈淀粉側鏈切割斷裂成短直鏈淀粉分子，降低分子的持水能力，導致抗性淀粉凝膠具有較差的凍融穩(wěn)定性，說明蕓豆抗性淀粉不適合應用于冷凍食品[31]。

表2 不同品種蕓豆淀粉及抗性淀粉的析水率Table 2 Water analysis rate of starch and resistant starch of different varieties of kidney beans

3 結論

通過比較東北地區(qū)3 種蕓豆淀粉及抗性淀粉分子結構及物化特性，得出以下結論：

1）不同品種蕓豆淀粉顆粒形貌、晶型結構及官能團和化學鍵組成相同。

2）3 種蕓豆抗性淀粉分子結構相同，然而與淀粉相比抗性淀粉顆粒形貌改變，結構更加質密緊實，紅蕓豆抗性淀粉的抗酶解性較強；抗性淀粉晶型結構均由A 型轉為抗酶解性更強的C 型，內部官能團未改變。

3）奶白花蕓豆淀粉衰減值最大，熱穩(wěn)定性較差；紅蕓豆淀粉最易糊化；抗性淀粉的糊化溫度高于原淀粉，具有更好的熱穩(wěn)定性和抗老化性；然而，抗性淀粉黏度顯著低于原淀粉，不適宜食品增稠劑方面的應用。

4）不同品種蕓豆淀粉及其抗性淀粉的溶解度和膨脹度均隨溫度升高逐漸增加；淀粉的凍融穩(wěn)定性優(yōu)于抗性淀粉，奶白蕓豆抗性淀粉的凍融穩(wěn)定性相對較好。

對比不同品種蕓豆淀粉及其抗性淀粉的理化性質，為深入研究蕓豆抗性淀粉提供數據支持，同時進一步提高蕓豆產品應用價值及綜合利用率。