雙螺桿擠壓對菠蘿蜜種子淀粉消化特性及血糖指數(shù)的影響

左慧玉,徐 飛,張彥軍,*,譚樂和,*,朱科學(xué)

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院,湖北武漢 430000;2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所,海南萬寧 571500)

菠蘿蜜(ArtocarpusheterophyllusLam.)是原產(chǎn)于印度的一種可食用樹生熱帶水果,為?？颇静ぬ}屬植物[1]。1000年前傳入中國,在熱帶和亞熱帶地區(qū)廣泛種植,如云南、廣東、廣西、海南等地。一個菠蘿蜜果實中含有100～120粒,有的多達500粒種子,占總質(zhì)量的8%～15%[2]。種子是由1 mm厚的外表皮包裹而成,呈咖啡色、橢圓形。其營養(yǎng)物質(zhì)的占比分別為,蛋白質(zhì)(18.41%)、淀粉(63.07%)、脂肪(3.30%)、灰分(3.78%)、膳食纖維(5.19%)。菠蘿蜜種子中含有大量淀粉,被認(rèn)為是一種豐富而廉價的淀粉資源。

近幾年,菠蘿蜜產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,產(chǎn)生了大量種子副產(chǎn)物,由于菠蘿蜜種子易腐爛,在加工過程中通常被丟棄,造成資源的浪費。課題組前期對菠蘿蜜種子淀粉的提取、糊老化特性、結(jié)晶結(jié)構(gòu)和消化性等進行了研究[3-4],發(fā)現(xiàn)菠蘿蜜種子淀粉(JFSS)顆粒呈圓形或鐘形,具有高直鏈淀粉含量、高糊化溫度、高結(jié)晶度以及高抗性淀粉含量,不利于人體消化吸收。而擠壓作為一種高溫短時連續(xù)的物理改性技術(shù),有著生產(chǎn)效率高、成本低、原料適用性廣、營養(yǎng)損失小等優(yōu)點[5]。在擠壓過程中,淀粉顆粒經(jīng)螺桿輸送,在短時間內(nèi)處于低水分、高剪切、高溫狀態(tài),之后到達模頭處,壓力和溫度瞬間降低導(dǎo)致水分閃蒸,從而使物料膨化,產(chǎn)生膨脹產(chǎn)品。擠壓處理涉及熱剪切和機械剪切,可以制造出新的食品,如制備谷物即食早餐、零食、改性淀粉、動物飼料等[6-7],還可用于提高其的消化率。此外,物理改性淀粉也被認(rèn)為是低安全風(fēng)險的材料[8]。

本研究采用雙螺桿擠壓技術(shù),對菠蘿蜜種子淀粉進行處理,利用掃描電鏡觀察擠壓前后顆粒表面形貌變化,通過體外消化測定快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)以及抗性淀粉(RS)含量,通過淀粉酶解動力學(xué)來評價體外淀粉水解反應(yīng)的平衡濃度(C∞)、酶水解速率(k)、水解指數(shù)(HI)和血糖指數(shù)(GI)等指標(biāo),對螺桿擠壓對菠蘿蜜種子淀粉消化性及血糖指數(shù)的影響進行分析,為菠蘿蜜種子淀粉的加工與利用提供一定的理論依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

菠蘿蜜種子 由中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所提供;胰α-淀粉酶(酶活100000 U/g)、抗性淀粉試劑盒 愛爾蘭Megazyme公司;中性蛋白酶Alphalase NP(酶活160000 U/g) 丹尼斯克有限公司;其他試劑 均為國產(chǎn)分析純。

UV-2800紫外可見分光度計 上海奧普勒儀器有限公司;DS32-VII試驗雙螺桿擠壓機 濟南賽信機械有限公司;LXJ-IIB離心機 上海安亭科學(xué)儀器廠;Scientz-18ND冷凍干燥機 寧波新芝生物科技股份有限公司;SHZ-C水浴恒溫振蕩器 上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;SY-100C脫殼機 臺州市鯊魚食品機械有限公司;MB45快速水分含量測定儀 瑞士OHAUS公司;80膠體磨 上?？苿跈C械廠;HZ-2010K恒溫?fù)u床 金壇市盛籃儀器制造有限公司;HX-PB908多功能磨漿機 佛山市海迅電器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 菠蘿蜜種子淀粉提取 根據(jù)胡美杰等[9]的方法進行修改,將新鮮的菠蘿蜜種子置于電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干1.5 h,外皮略干內(nèi)皮濕潤時,放入脫殼機快速去皮。之后,置于多功能磨漿機粗粉碎,按料液比1∶4加入蒸餾水混合,膠體磨研磨2 min,再加入0.015%(w/w)中性蛋白酶溶液,調(diào)pH至中性,置于搖床上(60 ℃)反應(yīng)8 h,再次離心15 min(3000 r/min),刮去沉淀物上層褐色皮,沉淀經(jīng)多次水洗,再用無水乙醇抽濾洗滌3次以上,真空干燥,得到菠蘿蜜種子淀粉。

1.2.2 雙螺桿擠壓實驗 采用雙螺桿擠壓機,螺桿直徑為30 mm,擠出機筒長820 mm,長徑比(L/D)為19.5∶1。擠出機分為4個區(qū),設(shè)置擠出機運行所需的套桶溫度Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)分別為:60、70、90 ℃。設(shè)置Ⅳ區(qū)溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、物料水分含量為操作變量,參照Zhang等[10]進行修改,設(shè)計正交實驗設(shè)計如表1、表2所示。設(shè)定水分含量為20%、30%。在擠出機內(nèi),待系統(tǒng)穩(wěn)定后,開始采集樣品,切出的擠出物約長12 cm,冷卻到室溫。然后將擠出物冷凍干燥12 h,用粉碎機研磨10 min,制成細粉,室溫保存,直到進一步使用[11]。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of the orthogonal experiment

表2 正交試驗設(shè)計Table 2 Design of the orthogonal experiment

1.2.3 體外消化測定 根據(jù)Wang等[12]進行修改。取3.2 g胰α-淀粉酶溶解于20 mL去離子水中,用磁力攪拌器攪拌10 min,3000 r/min離心15 min,將上清液轉(zhuǎn)移到燒杯中,0.6 mL淀粉糖苷酶(酶溶液現(xiàn)用現(xiàn)配)和加入1 mL去離子水,每個淀粉樣品稱重1 g(干基),溶于0.2 mol/L醋酸鈉緩沖液20 mL(pH=5.2)中,為穩(wěn)定并激活酶(每升緩沖液加入4 mL 1.0 mol/L的CaCl2溶液),在渦流混合器中劇烈振蕩后,取上述混合酶溶液5 mL,玻璃球7個加入此溶液,將溶液放在水浴鍋中37 ℃,180 r/min下振蕩水浴。每隔20和120 min分別取0.5 mL的水解液,加入4 mL無水乙醇使酶失活。將混合樣品離心4000 r/min下離心10 min。取0.1 mL上清液,加入3 mL葡萄糖氧化酶-過氧化物酶(GOPOD),在50 ℃下水浴20 min,以蒸餾水為空白對照,抗性淀粉試劑盒中的葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)樣品,在510 nm處測定樣品中葡萄糖含量,公式如下:

RDS(%)=(G20-GF)×0.9/TS

SDS(%)=(G120-G20)×0.9/TS

RS(%)=[TS-(RDS+SDS)]/TS

式中,GF:淀粉中游離的葡萄糖的含量(mg),G20:酶解20 min產(chǎn)生葡萄糖的含量(mg),G120:酶解120 min產(chǎn)生葡萄糖的含量(mg),TS:樣品中總淀粉含量(mg)。

1.2.4 酶解動力學(xué)測定 根據(jù)Connolly等[13]的方法稍作修改,取淀粉樣品200 mg于試管中,然后加入15 mL醋酸鈉緩沖溶液(0.2 mol/L,pH5.2),于37 ℃水浴鍋中預(yù)熱5 min,并加入同時于37 ℃水浴預(yù)熱5 min的豬胰α-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶的混酶液5 mL,然后立即置于37 ℃水浴中振蕩(200 r/min)并準(zhǔn)確計時,分別在0、20、40、60、80、120和180 min時,取樣0.5 mL于離心管中,迅速加入4 mL的無水乙醇搖勻,在4000 r/min離心10 min。取0.1 mL上清液,加入3 mL葡萄糖氧化酶-過氧化物酶(GOPOD),在50 ℃下水浴20 min,以蒸餾水為空白對照,抗性淀粉試劑盒中的葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)樣品,在510 nm處測定樣品中葡萄糖含量并計算酶解率。其水解淀粉的百分比是用0.9倍的葡萄糖含量來計算的。

酶解率(%)=(Gt×25×0.9)/200×100

淀粉消化曲線遵循一階方程[14]:

Ct=C∞(1-e-kt)

式中,Ct為任意t(min)時刻淀粉消化率,C∞為反應(yīng)結(jié)束時淀粉消化的百分比估計值,k為淀粉消化速率系數(shù)。所得曲線運用Origin 8.5進行擬合。

1.2.5 餐后血糖應(yīng)答 餐后血糖應(yīng)答用血糖指數(shù)來估算。根據(jù)進食后對餐后血糖的時間綜合影響,食物的GI分為低、中、高。高GI值(>70)的碳水化合物被腸道快速消化吸收,導(dǎo)致血糖水平升高,而低GI值(<55)和中GI值(56～69)的食物吸收較慢,對血糖水平的升高有較低和中等的作用[15]。利用方程計算水解曲線下的面積:

AUC=C∞(tf-t0)-(C∞/k)[1-exp[-k(tf-t0)]]

式中,C∞為180 min后水解淀粉的平衡百分比,tf為最終水解時間(180 min),t0為初始水解時間,k為動力學(xué)常數(shù)。

水解指數(shù)(HI)由每個樣品水解曲線下的面積除以參考樣品(新鮮白面包)的相應(yīng)面積得到,結(jié)果表明,該水解指數(shù)能較好地預(yù)測血糖反應(yīng)。因此,使用該模型估計預(yù)期GI。

GI=39.71+(0.549×HI)

1.2.6 微觀形態(tài)觀察 在樣品架上粘一層導(dǎo)電膠,再將樣品粘在導(dǎo)電膠上,噴金10 s,用10 kV的加速電壓在掃描電鏡下觀察擠壓前后的菠蘿蜜種子淀粉[16]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用單因素方差分析(ANOVA)檢驗各指標(biāo)的差異性統(tǒng)計學(xué)意義,方差分析后進行鄧肯多重范圍檢驗,顯著性水平為P<0.05;采用Origin 8.5軟件繪制曲線。所有數(shù)據(jù)為3次試驗的均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 擠壓菠蘿蜜種子淀粉體外消化分析

在Englyst分類系統(tǒng)中,淀粉通常分為RDS、SDS、RS,即在20 min內(nèi)能夠快速消化吸收的淀粉、在20～120 min內(nèi)能被人體緩慢吸收且完全消失在小腸內(nèi)的淀粉以及120 min后在小腸內(nèi)不能消化吸收的淀粉[17]。實驗測定了所有擠出物的體外淀粉消化率,結(jié)果如表3所示,天然菠蘿蜜種子淀粉中RDS、SDS、RS含量分別為5.38%、19.19%、75.43%,擠出物的RDS、SDS和RS含量分別為47.85%～58.91%、20.57%～29.89%和17.51%～25.99%,說明擠壓蒸煮顯著提高了菠蘿蜜種子淀粉的消化率,此結(jié)果與李博、Chen等[18-19]的研究結(jié)果一致。

表3 擠壓對菠蘿蜜種子淀粉RSD、SDS和RS的影響(%)Table 3 Effect of extrusion on rapidly digestible starch,slowly digestible starch and resistant starch of JFSS

表5 擠壓對菠蘿蜜種子淀粉水解指數(shù)(HI)和血糖指數(shù)(GI)的影響Table 5 Effects of extrusion on hydrolysis index(HI)and glycemic index(GI)of JFSS

天然JFSS淀粉有著更高結(jié)晶度以及更有序的半晶片層,含有致密的直鏈淀粉和支鏈淀粉,這些特性導(dǎo)致顆粒抗性淀粉含量高。在擠壓過程中,保持螺桿轉(zhuǎn)速不變,增加水分含量和機筒溫度,菠蘿蜜種子淀粉的SDS含量增加,RDS、RS含量減小。而保持水分含量不變,增加螺桿轉(zhuǎn)速和機筒溫度,RDS含量增加,SDS、RS含量減小,這可能是由于在高螺桿轉(zhuǎn)速下剪切過度,導(dǎo)致淀粉結(jié)構(gòu)完全破壞而使RDS含量明顯升高,而溫度升高導(dǎo)致淀粉糊化降解,使其失去高RS含量特性,淀粉更易消化[20]。在研究擠壓參數(shù)對玉米淀粉、豌豆淀粉及蕓豆淀粉的影響時,也得到了類似的結(jié)果。相反,對于直鏈淀粉含量較低的玉米淀粉,擠壓后RS含量有所增加[21]。擠壓處理可能導(dǎo)致淀粉分子結(jié)構(gòu)變化或形成非淀粉復(fù)合物(如淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物),從而影響JFSS擠出物RDS、SDS以及RS含量的變化。Englyst等[10]定義的RDS、SDS和RS只是個概念,不能準(zhǔn)確反映水解過程。因此,在前人報道的基礎(chǔ)上,將進行消化動力學(xué)分析,進一步分析擠壓處理后JFSS的消化率。

2.2 擠壓對菠蘿蜜種子淀粉水解的影響

菠蘿蜜種子淀粉和擠壓菠蘿蜜種子淀粉水解曲線如圖1所示。一般認(rèn)為,淀粉水解動力學(xué)的差異是由于淀粉來源、顆粒大小、結(jié)晶度、分子精細結(jié)構(gòu)、表面孔隙和內(nèi)部通道等因素相互作用的結(jié)果[22]。由圖1可見,擠壓處理對0～120 min內(nèi)菠蘿蜜種子淀粉水解影響更為明顯,說明在一定條件下進行擠壓處理,可增加淀粉水解率。例如Zhu等[23]對雙螺桿擠出機擠出全小麥進行了研究,擠壓制品的RDS比非擠壓制品高2～3倍左右,SDS和RS較低,說明擠壓明顯提高了淀粉的消化率。范玉艷等[24]改變擠壓機的系統(tǒng)參數(shù),研究了不同參數(shù)對不同直鏈淀粉含量玉米淀粉擠出物酶解力與糊化度的影響。結(jié)果表明,機筒溫度對玉米淀粉擠出物酶解力及糊化度的影響較明顯,機筒溫度為60 ℃時,擠出物消化性最高。在本研究中,相比未處理的樣品,擠壓對菠蘿蜜種子淀粉酶解力影響較明顯,RS含量明顯降低。菠蘿蜜種子淀粉水分含量為30%,螺桿轉(zhuǎn)速230 r/min,機筒溫度100 ℃時,擠出物的酶解率最高。

圖1 擠壓對菠蘿蜜種子淀粉酶解動力學(xué)模型曲線的影響Fig.1 Effects of extrusion on kinetics modelcurve of enzymatic hydrolysis kinetics of JFSS

在整個體外消化過程中,擠壓樣品的酶解速率均高于天然菠蘿蜜種子淀粉。其中E4曲線斜率最大,酶解速率最快,E1的酶解速率最低。所有擠出物在0～20 min內(nèi)淀粉酶解速率大幅度提高,而在20～180 min內(nèi)酶解速率上升較為緩慢,淀粉逐漸趨于酶解平衡,到180 min達到最大值。Gallant等[25]報道了類似的趨勢。這可能是因為,淀粉分子的無定形區(qū)首先快速酶解,而隨著水解速率緩慢上升,結(jié)晶區(qū)開始緩慢水解。

表4和圖2說明了菠蘿蜜種子淀粉體外酶解的結(jié)果,包括對圖1曲線進行擬合后所得的特征參數(shù)C∞、k及預(yù)測曲線。如表4所示,天然菠蘿蜜種子淀粉平衡濃度(C∞)、酶解速率(k)分別為35.67%、0.54 h-1。當(dāng)保持低物料含水量,機筒溫度從100 ℃上升到120 ℃,螺桿轉(zhuǎn)速從180 r/min增加到230 r/min時,C∞從71.90%上升到77.43%,k從3.23 h-1上升到3.89 h-1。當(dāng)保持低螺桿轉(zhuǎn)速,含水量從20%增加到30%,機筒溫度從100 ℃上升到120 ℃時,C∞從71.90%上升到75.76%,k從3.23 h-1下降到2.61 h-1。當(dāng)保持低機筒溫度,增加水分含量和螺桿轉(zhuǎn)速時,C∞從71.90%增加到81.08%,k從3.23 h-1增至3.50 h-1。研究表明,淀粉分子結(jié)構(gòu)的不同會導(dǎo)致k值差異明顯[26]。而天然JFSS中k值較低,經(jīng)擠壓處理后,k值明顯升高,這主要是由于擠壓機內(nèi)機械能消耗,產(chǎn)生的機械剪切作用使淀粉晶體結(jié)構(gòu)的完整性被破壞,增加了酶的敏感性[27]。體外消化方程可用于模擬淀粉的體內(nèi)消化和餐后血糖指數(shù)。因此,進一步利用動力學(xué)模型曲線來計算HI和GI,可準(zhǔn)確反應(yīng)淀粉在人體內(nèi)的血糖應(yīng)答。

圖2 擠壓對菠蘿蜜種子淀粉酶解動力學(xué)模型預(yù)測曲線的影響Fig.2 Effects of extrusion on kinetics model forecastcurve of enzymatic hydrolysis kinetics of JFSS

表4 擠壓對菠蘿蜜種子淀粉體外酶解動力學(xué)特征參數(shù)的影響Table 4 Effects of extrusion on kinetic characteristicparameters of in vitro-enzymatic hydrolysis of JFSS

GI值是C∞與k共同作用的結(jié)果,能更清晰地反映淀粉的消化率。對于淀粉以及淀粉食品,在體外研究中以白面包為參照(GI白面包=100),將低GI、中GI和高GI食品的標(biāo)準(zhǔn)分別定義為:GI<55,GI(55～69)和GI>69[28]?；谶@個分類,JFSS屬于中等血糖水平食品,擠壓后的菠蘿蜜種子淀粉屬于高血糖水平食品,結(jié)果與前人一致。在低水分含量條件下,增加機筒溫度、螺桿轉(zhuǎn)速,HI值由84.35升高到90.70,GI值由85.97升高到89.51。在低螺桿轉(zhuǎn)速條件下,隨著水分含量、機筒溫度的增加,HI值由84.35增加到88.81,GI值由85.97增加到88.43。而在低機筒溫度下,增加螺桿轉(zhuǎn)速,水分含量,HI值由84.35增加到95.03,GI值由85.97增加到91.88。這一結(jié)果進一步證明了菠蘿蜜種子淀粉擠出物更容易消化。

2.4 顆粒形貌分析

由掃描電鏡可知,菠蘿蜜種子淀粉的顆粒形態(tài)呈圓形、鐘形,顆粒較小且圓整,表面光滑,這些特性導(dǎo)致種子淀粉對酶的敏感性較低,難以消化。擠壓之后,淀粉的體積變大,顆粒破碎,形態(tài)呈現(xiàn)明顯不規(guī)則,表面變得粗糙,有褶皺、裂痕,并出現(xiàn)孔隙。顆粒由致密結(jié)構(gòu)變?yōu)槭杷啥嗫?這與前人相關(guān)研究結(jié)果一致[29]。而在不同的加工條件下得到的擠出物,擠出淀粉對消化酶的敏感性與擠壓處理的嚴(yán)重程度直接相關(guān)[30](顆粒的破裂使淀粉更易被侵襲,有利于淀粉的體外水解)。對比E1與E2、E3,可以明顯看到,保持水分含量不變,增加螺桿轉(zhuǎn)速和機筒溫度,種子淀粉表面開始出現(xiàn)孔隙,更有利于酶的進入;而增加水分含量和機筒溫度,淀粉表面變得疏松,乳狀突起較多,顆粒表面孔隙數(shù)增加,淀粉破碎更多。對比E1與E4,增加水分含量和螺桿轉(zhuǎn)速,淀粉孔隙明顯變大,間隙更寬,破碎程度更高,淀粉消化性增加,結(jié)果與2.1、2.2、2.3一致。

圖3 擠壓前后菠蘿蜜淀粉顆粒掃描電鏡照片(200×、5000×)Fig.3 SEM image of JFSS beforeand after extrusion(200×,5000×)

3 結(jié)論

雙螺桿擠壓處理菠蘿蜜種子淀粉,顆粒形態(tài)被破壞,擠壓能有效提高菠蘿蜜種子淀粉消化率,RS含量明顯低于菠蘿蜜種子淀粉。菠蘿蜜種子淀粉擠出物在0～20 min內(nèi)水解率高,在20～180 min時呈緩慢上升趨勢,直至趨于平衡。與菠蘿蜜種子淀粉相比,菠蘿蜜種子淀粉擠出物的C∞、k、HI、GI值也有顯著增加(P<0.05),并隨擠壓參數(shù)的不同而變化。經(jīng)雙螺桿擠壓后,屬于中等血糖水平的菠蘿蜜種子淀粉轉(zhuǎn)化為高等血糖水平食物。