淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物在熱加工過程中的結(jié)構(gòu)變化及其對(duì)體外消化性影響

秦仁炳，王書軍，項(xiàng)豐娟，王 碩

（1.天津科技大學(xué) 食品營養(yǎng)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300457；2.天津科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457；3.南開大學(xué)醫(yī)學(xué)院，天津市食品科學(xué)與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300071）

淀粉和脂類是食品的主要營養(yǎng)成分，對(duì)食品的風(fēng)味、質(zhì)地和營養(yǎng)健康品質(zhì)起重要作用。淀粉和脂質(zhì)在加工或隨后的冷卻和貯存過程中可形成淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物[1]。由于淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的形成會(huì)對(duì)淀粉的流變學(xué)[2-3]、回生[4-5]、體內(nèi)消化[6]和體外酶消化[7,8]等性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響，因此近年來關(guān)于淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的研究引起了人們的廣泛關(guān)注。直鏈淀粉和脂質(zhì)形成的復(fù)合物也被列為一種新型抗性淀粉（resistant starch，RS），即RS5[9-11]。RS不被健康人胃和小腸消化吸收，進(jìn)入大腸后可以被腸道菌群發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）、H2、CO2和CH4等[12-14]，SCFAs在維持腸道健康和人體健康中發(fā)揮重要的生理作用[15-17]。

由于RS對(duì)人體健康有諸多益處，因此提高食物中的RS含量是近年來食品科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。前期的研究主要集中在RS制備方法的條件優(yōu)化或食品加工過程中RS的形成等[18-20]。但是關(guān)于熱加工和回生對(duì)食品中RS性質(zhì)以及對(duì)食品的質(zhì)地和營養(yǎng)價(jià)值的影響報(bào)道很少[21]。一般來說熱加工處理會(huì)增加淀粉的消化率[22]，導(dǎo)致RS的減少進(jìn)而引起結(jié)腸中SCFAs產(chǎn)量降低。因此，研究食品中RS熱穩(wěn)定的策略對(duì)于促進(jìn)SCFAS的產(chǎn)生相當(dāng)重要。淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物作為一種重要的RS形式（RS5），與其他類型RS相比具有自己獨(dú)特結(jié)構(gòu)和功能，可在實(shí)驗(yàn)室可控條件下制備，為研究加熱和回生對(duì)RS的結(jié)構(gòu)和功能變化提供了一個(gè)良好的模型系統(tǒng)。因此，本研究的目的是探討RS5在高于熔融溫度下加熱和不同溫度下回生對(duì)其結(jié)構(gòu)和體外酶消化性影響。研究結(jié)果對(duì)進(jìn)一步了解食品熱加工處理過程中RS5的結(jié)構(gòu)和功能變化，更好地控制食品加工過程中淀粉的消化具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

高直鏈玉米淀粉VII（HA7，直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為70%） 美國Ingredion公司；硬脂酸（C18:0，SA）、普魯蘭酶（EC 3.2.1.41）、α-淀粉酶（EC 3.2.1.1） 美國S i g m a 公司；G O P O D 試劑盒、淀粉轉(zhuǎn)葡糖苷酶（3 260 單位/mL） 愛爾蘭Megazyme國際公司。其他化學(xué)品均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

高壓滅菌鍋 日本Hirayama公司；200 F3差示掃描量熱（differential scanning calorimetry，DSC）儀 德國NETZCH公司；UV-180紫外分光光度計(jì) 日本Shimadzu公司；D8 Advance廣角X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）儀 德國布魯克公司；inVia Reflex激光共聚焦顯微拉曼光譜儀 英國雷尼紹公司；SHJ-A磁力攪拌水浴鍋 上海璽袁科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 RS5制備

RS5的制備方法是參考Qin Renbing等[21]的方法。將高直鏈玉米淀粉與0.2 mol/L醋酸鈉緩沖液（pH 5.0）混勻配成10 g/100 mL淀粉懸浮液，然后于高壓滅菌鍋中130 ℃下處理60 min，使高直鏈玉米淀粉充分凝膠化。將凝膠化的淀粉糊冷卻至60 ℃，加入普魯蘭酶（80 NPUN/g淀粉）攪拌12 h使其脫支。將脫分支之后的淀粉懸浮液于130 ℃下再一次加熱30 min，然后加入硬脂酸，其添加量為淀粉干基質(zhì)量的10%，在90 ℃水浴鍋中攪拌1 h使直鏈淀粉與硬脂酸充分復(fù)合。然后將復(fù)合物攪拌2 h冷卻至25 ℃。淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物懸浮液2 000×g離心20 min然后用體積分?jǐn)?shù)50%乙醇溶液洗滌3 次得到淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物。制備得到的淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物命名為HA7-SA，冷凍干燥，研磨后過100 目篩，放在密閉容器中于4 ℃條件下貯存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 HA7-SA的熱加工處理

HA7-SA的熱加工參考Wang Shujun等[23]的方法略作修改。準(zhǔn)確稱取1 g HA7-SA放入聚丙烯袋中加3 mL蒸餾水使HA7-SA與蒸餾水充分混合。然后用真空封口機(jī)密封，在室溫下平衡2 h后于高壓滅菌鍋（121 ℃）中加熱10 min。一部分樣品加熱后立即用液氮中速凍約10 min（命名為SA-121），另外的樣品分別在4、25 ℃和50 ℃貯存24 h后再用液氮速凍命名為SA-121-4 ℃、SA-121-25 ℃和SA-121-50 ℃。樣品隨后經(jīng)真空冷凍干燥機(jī)冷凍干燥，研磨后過100 μm篩于4 ℃條件下貯存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.3 差示掃描量熱分析

利用DSC儀和熱分析數(shù)據(jù)站對(duì)樣品的熱性能進(jìn)行了測(cè)定及分析。準(zhǔn)確稱取HA7-SA樣品3 mg放到40 μL鋁盤坩堝中，向鋁盤坩堝內(nèi)添加去離子水使水與HA7-SA的比例達(dá)到3∶1（m/m）。在DSC測(cè)量之前，將制備好的HA7-SA/水混合物樣品于室溫下平衡過夜，然后樣品以10 ℃/min的升溫速率從20 ℃加熱至135 ℃。用空DSC鋁盤坩堝作為空白參比，用儀器自帶的熱分析軟件分析HA7-SA的熱轉(zhuǎn)變溫度（起始凝膠化溫度to、峰值溫度tp、終止溫度tc）和凝膠化焓值變化（ΔH）。每個(gè)樣品至少重復(fù)3 次[22]。

1.3.4 激光共聚焦顯微拉曼光譜分析

將少量HA7-SA樣品用載玻片壓至緊實(shí)平整，在顯微鏡視野中選擇清晰界面進(jìn)行測(cè)試，激光光源為波長(zhǎng)785 nm。具體測(cè)試參數(shù)：掃描范圍為100～3 200 cm－1，激光功率為50%，每個(gè)樣品至少采集6 個(gè)不同的點(diǎn)，使用儀器自帶軟件WIRE 2.0處理樣品圖譜，并記錄半峰寬數(shù)據(jù)[7]。

1.3.5 廣角XRD分析

HA7-SA樣品的相對(duì)結(jié)晶度是由XRD儀在40 kV和40 mA Cu-Kα輻射（λ＝0.154 06 nm）條件下進(jìn)行檢測(cè)得到。首先HA7-SA樣品在含有飽和NaCl溶液的密閉容器中于室溫下平衡7 d后進(jìn)行分析。XRD光譜的掃描范圍為4°～35°（2θ），掃描速率為2（°）/min，步長(zhǎng)0.02°。用TOPAS 5.0軟件按式（1）計(jì)算樣品的相對(duì)結(jié)晶度。

V-型結(jié)晶度和B-型結(jié)晶度分別為V晶體峰（7.5°、12.9°和19.8°）和B晶體峰（5.6°、16.9°和22.6°）的面積與總面積比。

1.3.6 淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的體外酶消化率及血糖指數(shù)測(cè)定

參考Wang Shujun等[24]的淀粉體外消化方法對(duì)HA7-SA樣品進(jìn)行消化分析。具體操作如下：準(zhǔn)確稱取復(fù)合物（100 mg，干基）放入4.0 mL 0.1 mol/L乙酸鈉緩沖液（pH 5.2）中，然后加入1.0 mL新制備的含有1 645 個(gè)單位的α-淀粉酶和41 個(gè)單位的淀粉轉(zhuǎn)葡萄糖苷酶消化酶液，HA7-SA/酶混合物置于37 ℃磁力攪拌水浴鍋中260 r/min孵育3 h。每隔一段時(shí)間取0.05 mL的水解產(chǎn)物，加入0.95 mL的95%乙醇溶液混合，使消化酶失活，然后在13 000 r/min下離心3 min。采用Megazyme GOPOD試劑盒測(cè)定葡萄糖釋放量。將游離葡萄糖含量乘以0.9，計(jì)算水解復(fù)合物比例，即體外酶的消化率。

水解指數(shù)（hydrolysis index，HI）用加工前后HA7-SA復(fù)合物的水解曲線下面積（0～180 min）與同一時(shí)期白面包對(duì)應(yīng)面積比值表示。得到復(fù)合物的體外HI之后，利用Granfeldt等[25]提出的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式（式（2））估算復(fù)合物的血糖指數(shù)（estimated glycemic index，eGI）。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

所有實(shí)驗(yàn)至少做3 個(gè)平行處理。數(shù)據(jù)結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，XRD各樣品只做一次，采用SPSS 19.0軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行單因素方差分析，然后用post-hoc Duncan's多重比較分析測(cè)定平均值之間的顯著差異（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱處理前后HA7-SA長(zhǎng)程有序性分析結(jié)果

圖1 HA7-SA樣品熱處理前后的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of HA7-SA before and after autoclaving treatment alone or followed by storage

從圖1可以看出，HA7-SA樣品在2θ分別為5.6°、7.5°、12.9°、16.9°、19.8°和22.6°處具有明顯XRD峰。脫分支高直鏈玉米淀粉和硬脂酸形成的復(fù)合物為典型V-型晶體結(jié)構(gòu)，在2θ為7.5°、12.9°和19.8°處具有明顯XRD衍射峰，而在2θ為5.6°、16.9°和22.6°處的XRD衍射峰表明存在HA7-SA回生的B-型淀粉晶體結(jié)構(gòu)。上述結(jié)果表明，所制備的HA7-SA復(fù)合物由B-型和V-型兩種晶體類型組成。HA7-SA的V-型和B-型復(fù)合物的相對(duì)結(jié)晶度分別為20.3%和7.0%。在121 ℃處理10 min后，HA7-SA的V-型衍射峰強(qiáng)度顯著降低，結(jié)晶度從20.3%降低到9.6%，說明這些復(fù)合物在高于其熔融溫度處理時(shí)能夠破壞其晶體結(jié)構(gòu)（圖1和表1）。而121 ℃處理10 min后的樣品于4、25、50 ℃下貯存24 h后對(duì)復(fù)合物的XRD衍射圖譜沒有顯著影響。與V-型晶體不同是HA7-SA在5.5°、16.9°和22.6°衍射峰明顯增強(qiáng)，B-型晶體結(jié)晶度在熱處理及回生后顯著增加（表1），表明在加熱過程中未與硬脂酸復(fù)合的游離直鏈淀粉鏈分子在回生階段進(jìn)行重組形成穩(wěn)定的B-型晶體結(jié)構(gòu)?；厣鷾囟葘?duì)B-型晶體結(jié)構(gòu)影響不大。

表1 HA7-SA樣品熱處理前后相對(duì)結(jié)晶度Table 1 Relative crystallinity of HA7-SA samples undergoing different treatments

2.2 熱處理前后HA7-SA短程有序性分析結(jié)果

拉曼光譜是表征淀粉短程有序性的重要手段，拉曼光譜中位于480、865、940 cm－1和1 264 cm－1處的譜帶是與淀粉相關(guān)的典型譜帶，這些峰分別與淀粉吡喃環(huán)的骨架振動(dòng)、CH2振動(dòng)、C—O—C骨架振動(dòng)和CH2OH（側(cè)鏈）振動(dòng)有關(guān)[26-28]。

圖2 HA7-SA樣品熱加工前后及不同貯藏溫度的拉曼光譜Fig.2 Raman spectra of HA7-SA samples undergoing different treatments

由圖2可知，HA7-SA樣品在480、865、940、1 264 cm－1處有明顯的峰出現(xiàn)。拉曼光譜480 cm－1處的半峰寬對(duì)淀粉短程有序性（即螺旋簇的排列）的變化敏感，半峰寬越小，表明淀粉短程分子有序結(jié)構(gòu)越高[29-30]。由圖2和表2可以看出，熱處理后HA7-SA在480 cm－1處的半峰寬明顯減小，特別是4 ℃回生24 h的樣品降低最明顯。說明高溫處理能夠提高HA7-SA短程有序性結(jié)構(gòu)，與前期發(fā)現(xiàn)的蒸煮處理可以增加HA7-SA的短程有序性結(jié)果[21]相一致。由于25 ℃和50 ℃貯存溫度高，淀粉回生速率慢短程有序性結(jié)構(gòu)較差。這表明4 ℃回生24 h對(duì)復(fù)合物的短程有序性結(jié)構(gòu)影響最大。從峰強(qiáng)度上也可以看出4 ℃回生24 h后的HA7-SA在480 cm－1處峰強(qiáng)度最大，表明SA-121-4 ℃樣品的復(fù)合物結(jié)構(gòu)具有更好的短程分子有序性。

表2 HA7-SA樣品拉曼光譜480 cm－1處的半峰寬Table 2 Full width at half maximum (FWHM) of the band at 480 cm-1 determined by Raman spectroscopy for HA7-SA samples undergoing different treatments

2.3 HA7-SA樣品熱力學(xué)性質(zhì)分析結(jié)果

表3 熱處理前后及不同貯藏溫度HA7-SA樣品的熱力學(xué)參數(shù)Table 3 Thermal properties of HA7-SA undergoing different treatments

如表3所示，HA7-SA復(fù)合物有2 個(gè)吸熱轉(zhuǎn)變溫度（tp1和tp2分別為I型復(fù)合物和II型復(fù)合物的熔融峰），熔融溫度分別為102.7 ℃和118.8 ℃。121 ℃處理后tp1峰消失，tp2相轉(zhuǎn)變溫度顯著升高（P＜0.05），表明復(fù)合物由II中的IIa型復(fù)合物通過重結(jié)晶，形成結(jié)晶度更高、分子排布有序性更強(qiáng)、熱穩(wěn)定性更高的IIb型結(jié)構(gòu)[31]。加工前HA7-SA的總ΔH（5.2 J/g）由I型復(fù)合物（3.3 J/g）和II型復(fù)合物（1.9 J/g）兩部分組成，加熱處理后樣品的總ΔH減少，說明復(fù)合物結(jié)構(gòu)遭到一定破壞，其中有一部分I型復(fù)合物和IIa型復(fù)合物經(jīng)過熔融重排成結(jié)晶結(jié)構(gòu)緊密的IIb型復(fù)合物；另一部分形成游離的淀粉鏈分子和游離脂肪酸。熱處理及不同溫度貯藏后的樣品ΔH沒有顯著性差異（P＞0.05）。

2.4 HA7-SA樣品的體外消化性結(jié)果

如圖3所示，所有樣品均在初始階段消化速率快，約60 min后消化速率就趨于平穩(wěn)。HA7-SA的最終消化率為49.9%，eGI為50.8，HA7-SA為低eGI食物[32-33]。121 ℃處理顯著降低了HA7-SA的消化率。由表4可知，SA-121、SA-121-4 ℃、SA-121-25 ℃和SA-121-50 ℃的RS質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加了13.1%、13.5%、11.5%和11.7%，快消化淀粉（rapidly digested starch，RDS）、慢消化淀粉（slowly digested starch，SDS）質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯降低，特別是RDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低幅度大。HI、eGI顯著降低（P＜0.05），其中SA-121、SA-121-4 ℃、SA-121-25 ℃和SA-121-50 ℃的eGI顯著降低，分別降低了12.2%、12.6%、11.9%和11.2%。消化率和eGI降低的主要原因是：1）在121 ℃熱處理復(fù)合物由I型和IIa型復(fù)合物通過重結(jié)晶，形成結(jié)晶度更高、分子排布有序性更強(qiáng)、熱穩(wěn)定性更高的IIb型，IIb型復(fù)合物具有較強(qiáng)的抗水解酶能力[34]；2）自由直鏈淀粉鏈分子經(jīng)重組形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的B-型晶體結(jié)構(gòu)。高溫加工后復(fù)合物的RDS和eGI顯著下降對(duì)于人們飲食營養(yǎng)與健康方面具有重要意義，這對(duì)于食品工業(yè)生產(chǎn)低eGI食物也具有一定指導(dǎo)意義。

圖3 HA7-SA樣品熱處理前后及不同貯藏溫度下的體外消化圖譜Fig.3 In vitro starch digestograms of HA7-SA undergoing different treatments

表3 熱處理前后及不同貯藏溫度HA7-SA樣品體外消化性和eGITable 3In vitro digestibility and eGI of HA7-SA samples undergoing different treatments

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)研究了在高于HA7-SA熔融溫度下的熱處理對(duì)其結(jié)構(gòu)和消化性的影響，結(jié)果顯示，HA7-SA為V-型晶體和B-型晶體混合物，熱處理后的HA7-SA晶型未發(fā)生明顯變化，為V-型晶體和B-型晶體混合物，但是V-型晶體結(jié)晶度顯著減少，B-型晶體結(jié)晶度增加，短程分子有序性變好，復(fù)合物類型由I型和IIa型向熱穩(wěn)定更高、結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定和抗消化能力更強(qiáng)的IIb型復(fù)合物轉(zhuǎn)變。同時(shí)，熱處理后RDS和SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著下降，RS質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著增加，eGI顯著降低。另外不同溫度回生對(duì)HA7-SA結(jié)構(gòu)和消化性影響不大，表明高溫處理能夠破壞HA7-SA其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，貯存過程對(duì)HA7-SA的有序結(jié)構(gòu)和體外酶消化性也有一定影響。研究結(jié)果表明HA7-SA作為一種新型RS具有良好的熱加工性能，在食品工業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。