基于模擬體系研究甘薯/馬鈴薯淀粉體外消化特性及結(jié)構(gòu)變化

范會平，侯冰潔，索 標(biāo)，張波波，艾志錄*

（1 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院 鄭州 450002 2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大宗糧食加工重點實驗室 鄭州 450002 3 國家速凍米面制品加工技術(shù)研發(fā)專業(yè)中心 鄭州 450002）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，中國糧食需求量逐漸增加，然而，受耕地資源的約束和種植效益的影響，小麥、水稻等主糧品種繼續(xù)增產(chǎn)的空間變小，難度加大，而甘薯作為我國重要的糧食作物，具有產(chǎn)量高，用途廣，適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點，在我國糧食產(chǎn)量中的占比僅次于水稻、小麥和玉米，甘薯年產(chǎn)量在1 億t 以上，無論種植面積還是年產(chǎn)量均居世界首位，因此，甘薯在保障我國糧食安全中起著重要的作用[1-3]。

甘薯營養(yǎng)價值很高，被營養(yǎng)學(xué)家們稱為營養(yǎng)最均衡的保健食品。甘薯具有高淀粉、高膳食纖維、低脂肪等營養(yǎng)學(xué)特性，并具有調(diào)節(jié)人體酸堿平衡、整腸、抗腫瘤、抗衰老、減肥等保健作用[4]。由于甘薯中含有豐富的纖維素和淀粉物質(zhì)，食用不易消化且又會促進(jìn)胃酸的大量分泌，因此一旦食用不當(dāng)，會使人腹脹、打嗝，出現(xiàn)消化不良的情況[5]。淀粉作為甘薯中含量最多的組分，其消化特性與甘薯的消化特性息息相關(guān)；同時，淀粉是全球飲食中最豐富的常量營養(yǎng)素，也是人體主要的膳食能量來源。馬鈴薯和甘薯的淀粉含量分別約為干物質(zhì)的66%～80%和58%～80%[6]。然而，目前有關(guān)淀粉消化方面的研究，大多是對其消化率及所含快消化淀粉（Rapidly digestible starch，RDS）、慢消化淀粉（Slowly digestible starch，SDS）、抗性淀粉（Resistant starch，RS）含量的研究，而對淀粉消化過程中的消化產(chǎn)物變化的研究還很少。

本研究通過對甘薯淀粉與馬鈴薯淀粉進(jìn)行體外消化，研究其消化過程中消化產(chǎn)物的一些變化，闡述模擬體外消化時間與淀粉結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)變化之間的關(guān)系，為擴(kuò)大甘薯淀粉應(yīng)用范圍提供依據(jù)，而且對于推進(jìn)甘薯主食化進(jìn)程具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甘薯淀粉、馬鈴薯淀粉，新鄉(xiāng)良潤全谷物食品有限公司；豬胰α-淀粉酶（50 U/mg）、淀粉葡萄糖苷酶（2 000 U/mg），德國Ruibio 公司；3，5-二硝基水楊酸（3，5-Dinitrosalicylic acid，DNS）試劑，實驗室自配；其它所用試劑為分析純級。

1.2 儀器與設(shè)備

TDL-5000bR 離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠；DHR-2 旋轉(zhuǎn)流變儀，美國TA 儀器公司；SHZ-82A水浴恒溫振蕩器，金壇市醫(yī)療儀器廠；BenchTop Pro 冷凍干燥機(jī)，美國Virtis 公司；Rise-2008 激光粒度儀，濟(jì)南潤之科技有限公司；DZKW-4 電子恒溫水浴鍋，北京中興偉業(yè)儀器有限公司；UV-2000紫外-可見分光光度計，上海滬粵明科學(xué)儀器有限公司；電子天平，德國Sartorious 公司；X′ Pert3Powder 粉末X 射線衍射儀XRD，英國馬爾文儀器有限公司；掃描電子顯微鏡SEM，德國蔡司公司。

1.3 方法

1.3.1 酶對淀粉體外消化的模擬 采用豬胰α-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶對淀粉進(jìn)行模擬體外消化[7]。準(zhǔn)確稱取1.5 g（精確到0.001 g）淀粉加入30 mL 醋酸緩沖液（pH 5.2） 混勻后于95 ℃糊化10 min，將糊化后樣品放入37 ℃恒溫水浴鍋平衡至37 ℃；加入5 mL 豬胰α-淀粉酶（100 U/mL）和淀粉葡萄糖苷酶（40 U/mL）的混合液，在37 ℃條件下水浴振蕩（170 r/min），分別在30，60，90，120，180 min 取樣，加入無水乙醇終止消化，在4 000 r/min 的條件下離心5 min，棄去上清液，沉淀先用0.2 mol/L 的醋酸緩沖液沖洗，再用蒸餾水沖洗一次。真空冷凍干燥48 h，待測。

1.3.2 淀粉水解率及葡萄糖釋放量 準(zhǔn)確稱取100 mg 葡萄糖，溶于少量蒸餾水中并定容于1 000 mL 容量瓶中。分別移取0.0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.2 mL 的標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖溶液于50 mL 的比色管中，加入蒸餾水定容于2 mL，然后分別加入1.5 mL DNS 試劑并搖勻，在沸水浴中加熱5 min，冷卻后加蒸餾水定容于25 mL，混勻后于波長540 nm 處測定吸光度，平行3 次，取平均值制作葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線。

在模擬淀粉體外消化的10，20，30，60，90，120，180 min 各取1 mL 酶解液，加入4 mL 無水乙醇，于4 000 r/min 離心10 min。取上清液，采用3，5-二硝基水楊酸法（DNS 法）測定葡萄糖含量[8]。淀粉水解率為一定消化時間內(nèi)被水解的淀粉占初始淀粉含量的百分比，葡萄糖釋放量為一定消化時間內(nèi)每100 g 淀粉釋放的葡萄糖質(zhì)量。根據(jù)下列公式計算淀粉水解率及葡萄糖釋放量。

式中，Si——初始淀粉量，mg；Gp——產(chǎn)生葡萄糖量，mg。

1.3.3 粒徑測定 采用激光粒度儀對甘薯淀粉和馬鈴薯淀粉及其消化產(chǎn)物進(jìn)行粒度測定。分散介質(zhì)：蒸餾水；介質(zhì)折射率為1.33。

管理職責(zé)的落實可以明確這件事由誰在負(fù)責(zé)做，從而使負(fù)責(zé)人能夠認(rèn)真對待，使這項工作得到有效開展。因此，基層行政事業(yè)單位在財務(wù)管理工作中要把各項財務(wù)管理工作落實到每個部門直至部門的每一個人身上，確保財務(wù)管理工作的有效開展。首先，基層行政事業(yè)單位要做好單位財務(wù)管理工作的細(xì)分工作，把財務(wù)管理工作科學(xué)合理的分成能夠單獨進(jìn)行的若干項工作。其次，把這些工作落實到相應(yīng)部門及個人，賦予相應(yīng)的職責(zé)與權(quán)力，使其在執(zhí)行時相關(guān)工作能夠得到每一個干部職工的配合。最后，落實相關(guān)財務(wù)管理工作的監(jiān)督考核措施，對出色完成工作的給予物質(zhì)與精神獎勵，反之給予批評甚至處罰，從而使財務(wù)管理發(fā)揮應(yīng)有的作用。

1.3.4 直、支鏈淀粉含量測定 甘薯淀粉和馬鈴薯淀粉消化產(chǎn)物中直鏈淀粉、支鏈淀粉含量采用雙波長比色法測定[9]。

1.3.5 消化物流變特性 在淀粉的模擬體外消化不同時間取出消化樣品，沸水浴滅酶，冷卻至室溫，用旋轉(zhuǎn)流變儀在溫度37 ℃進(jìn)行測試，黏度記錄為剪切速率的函數(shù)，范圍為0.001～100 s-1。

1.3.6 掃描電子顯微鏡 采用掃描電子顯微鏡觀察甘薯淀粉和馬鈴薯淀粉及其消化產(chǎn)物的表面形態(tài)外貌，取少量樣品涂于雙面碳膠上，進(jìn)行噴金處理后置于掃描電子顯微鏡下進(jìn)行掃描拍照。

1.3.7 廣角X 射線衍射（XRD） 將樣品研磨，過200 目篩，采用X 射線衍射儀測定樣品X 射線衍射圖譜。利用X 射線衍射儀在40 kV 電壓和40 mA 電流條件下觀察甘薯淀粉和馬鈴薯淀粉及其消化產(chǎn)物在不同消化時間的結(jié)晶特性，X 衍射源特征線是Cu-Kα 輻射，衍射角的掃描區(qū)域是4°～40°，掃描速度為5°/min。

1.3.8 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析 每組試驗至少進(jìn)行3次，采用SPSS 16.0 和Excel 2019、Jade 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，P<0.05 表示差異顯著，用Origin 8.0 進(jìn)行圖形繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1 體外消化淀粉水解率及葡萄糖釋放量

以葡萄糖含量為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)，繪制葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到方程為y = 0.0186x +0.0403，R2=0.996。

淀粉消化率取決于多種因素，淀粉水解率及葡萄糖釋放量可以較直觀地表示淀粉消化的快慢。圖1顯示了甘薯淀粉和馬鈴薯淀粉在模擬體外消化的水解率和葡萄糖釋放量，甘薯淀粉和馬鈴薯在消化過程中淀粉水解率隨著消化時間的變化趨勢基本相同，在消化前60 min 淀粉水解率上升較快，后期淀粉水解程度增加速率逐漸變緩慢；甘薯淀粉水解率整體上略高于馬鈴薯淀粉，在消化180 min 時甘薯淀粉水解率達(dá)到58.78%，馬鈴薯水解率51.10%；整體上，甘薯淀粉葡萄糖釋放量高于馬鈴薯淀粉消化；在相同消化時間內(nèi)，甘薯淀粉的葡萄糖釋放量高于馬鈴薯淀粉，說明馬鈴薯淀粉水解速率比甘薯淀粉緩慢；體外模擬消化過程中，葡萄糖釋放量越高，說明此階段淀粉水解越多，釋放葡萄糖量也越多。陳露露[10]在高壓微射流處理對甘薯淀粉和馬鈴薯淀粉的晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響一文中提到馬鈴薯淀粉的小顆粒和大顆粒的粒徑都高于甘薯淀粉，說明馬鈴薯淀粉和甘薯淀粉相比，擁有較為疏松的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，較易受到外力作用，易于糊化；而甘薯淀粉和馬鈴薯淀粉的這些基本理化性質(zhì)可能影響淀粉的消化特性。

圖1 甘薯淀粉和馬鈴薯淀粉消化率及葡萄糖釋放量Fig.1 Digestibility and glucose release content of sweet potato starch and potato starch

2.2 消化產(chǎn)物粒度分布

粒徑是監(jiān)測消化過程的主要參數(shù)[11]。有研究表明，淀粉消化速率與其粒度大小有關(guān)，淀粉粒徑越小消化越快。淀粉顆粒的消化包括3 個階段：水解酶向底物的擴(kuò)散、酶與淀粉顆粒的附著和催化作用。在消化過程中，酶隨機(jī)擴(kuò)散吸附在淀粉顆粒表面，酶解開始于酶-顆粒接觸點，較小的顆粒比較大的顆粒水解的更快，因為其較大的比表面積更有利于酶的吸附[12]。圖2顯示了甘薯淀粉和馬鈴薯淀粉模擬體外消化的消化產(chǎn)物粒度分布，甘薯淀粉和馬鈴薯淀粉體外消化產(chǎn)物顆粒大小分布不均勻，在0～1 000 μm 范圍內(nèi)有多個峰值，甘薯淀粉在消化過程中，30 min 時約21.08 μm。隨著消化時間延長，向更大尺寸轉(zhuǎn)移，60 min 時約103.09 μm。當(dāng)消化時間長于90 min（約109.22 μm）時，粒度分布沒有明顯變化。馬鈴薯淀粉在消化過程中，30 min 時約79.39 μm，隨著消化時間延長，向更大尺寸轉(zhuǎn)移。當(dāng)消化時間長于120 min （約131.59 μm）時，粒度分布沒有明顯變化。由圖2可知，馬鈴薯原淀粉粒徑 （36.67 μm） 比甘薯原淀粉粒徑（14.83 μm）大，故馬鈴薯淀粉水解率稍低于甘薯淀粉。在消化過程中，消化產(chǎn)物粒度分布向更大的尺寸轉(zhuǎn)移，這可能由于淀粉經(jīng)過糊化內(nèi)部結(jié)構(gòu)膨脹導(dǎo)致。Zheng 等[13]在不同結(jié)構(gòu)、不同直鏈淀粉含量的淀粉凝膠的體外消化研究中也發(fā)現(xiàn)具有約24.5%直鏈淀粉的普通玉米淀粉凝膠和約70%直鏈淀粉的高直鏈淀粉淀粉凝膠在消化過程中粒度分布呈多峰分布且向更大的尺寸轉(zhuǎn)移；約含100%支鏈淀粉的糯玉米淀粉凝膠其粒度分布呈單峰均勻分布。

圖2 甘薯淀粉和馬鈴薯淀粉及其不同消化時間消化產(chǎn)物粒徑分布Fig.2 Size distribution of sweet potato starch，potato starch and their digestive products at different digestion times

2.3 消化過程中支、直鏈淀粉含量變化

Colonna 等[14]報道了中指出直鏈淀粉鏈具有線性結(jié)構(gòu)，且比支鏈淀粉鏈更靈活，在蒸煮糊化后形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，從而顯示出比支鏈淀粉更高的對淀粉酶水解的抗性，故直鏈淀粉較難被水解消化。如圖3所示，在消化過程中，隨著消化時間的增加，兩種淀粉中支鏈淀粉含量呈逐漸下降趨勢，可能是由于在消化過程中，淀粉樣品被淀粉酶水解，支鏈淀粉由于鏈分支較多而雜，水解較快；直鏈淀粉含量在消化過程中無顯著變化，可能是由于支鏈淀粉在酶解期間淀粉分子鏈被酶解成新的直鏈淀粉或者從淀粉開始酶解過后剩下的直鏈淀粉比較抗酶解。馬鈴薯淀粉水解速率比甘薯淀粉水解速率低，可能是由于其直鏈淀粉含量（23.00 μg/mL）稍高于甘薯淀粉直鏈淀粉含量（20.13 μg/mL），通過糊化后經(jīng)冷卻產(chǎn)生更致密的凝膠網(wǎng)絡(luò)，在消化過程中可減緩酶解作用。

圖3 甘薯淀粉和馬鈴薯淀粉消化過程中直、支鏈淀粉含量變化Fig.3 Changes of amylose and amylopectin starch contents in sweet potato starch and potato starch during digestion

2.4 消化過程中消化物的黏度變化

由圖4可知，經(jīng)過糊化的馬鈴薯淀粉比糊化的甘薯淀粉黏度大；消化過程中甘薯淀粉和馬鈴薯淀粉的黏度隨著消化時間的增加而降低，可能是由于消化過程中支鏈淀粉被分解，結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致黏度降低，與消化前的初始淀粉樣品一致，顯示出剪切稀化現(xiàn)象（隨著所施加的剪切速率的增加，黏度降低）。兩種淀粉樣品在消化過程中黏度降低，這是由于消化液對淀粉消化物黏度的稀釋作用以及淀粉分子被消化酶降解所致。馬鈴薯淀粉水解速率較慢可能與其本身的黏度比甘薯淀粉高有關(guān)。黏度越大，淀粉樣品與酶解液之間的接觸越少，淀粉消化速率越慢。Iqbal 等[15]發(fā)現(xiàn)消化物黏度會影響酶與消化物之間的接觸，黏度大的消化樣品可減少酶的隨機(jī)擴(kuò)散，降低酶與底物結(jié)合的可能性，從而降低底物水解的速率和程度。淀粉水解率與其流變學(xué)黏度呈負(fù)相關(guān)，較高的淀粉黏度通常會增加消化過程中淀粉樣品的流動阻力，從而限制酶進(jìn)入淀粉顆粒，降低淀粉消化速率。

圖4 甘薯淀粉和馬鈴薯淀粉及其消化產(chǎn)物黏度的變化Fig.4 Viscosity changes of sweet potato starch and potato starch and their digestion products

2.5 體外消化過程中淀粉形貌結(jié)構(gòu)

圖5顯示了不同消化階段甘薯淀粉和馬鈴薯淀粉的掃描電子顯微鏡。隨著消化時間的增加，顆粒變得不規(guī)則，與原淀粉樣品相比，它們的表面出現(xiàn)孔狀，這可能是因為淀粉在消化前經(jīng)過糊化，淀粉粒吸水溶脹，經(jīng)過消化酶酶解后其表面的層狀結(jié)構(gòu)被逐漸分解。隨著消化時間的增加，淀粉顆粒結(jié)構(gòu)被進(jìn)一步破壞，幾乎所有的淀粉顆粒都被分解，相較于原淀粉來說，部分消化后的淀粉表面不光滑，結(jié)構(gòu)不緊密，較為疏松。另外觀察到甘薯淀粉和馬鈴薯淀粉在消化中存在大包裹形狀。Lopez-Rubio 等[16-17]認(rèn)為在體外消化過程中出現(xiàn)的小團(tuán)簇形狀是由消化過程中直鏈淀粉重新排列而形成；Loksuwan[18]在對改性木薯淀粉、天然木薯淀粉的研究中發(fā)現(xiàn)糊化淀粉也會通過形成微膠囊形狀來進(jìn)行分子重排。在甘薯淀粉和馬鈴薯淀粉消化期間出現(xiàn)大包裹形狀是由糊化的淀粉樣品經(jīng)過酶解后產(chǎn)生的短鏈以有序的方式重新排列所致?？梢杂^察到，馬鈴薯淀粉在消化過程中的團(tuán)簇狀比甘薯淀粉大，這可能就是甘薯淀粉水解率比馬鈴薯淀粉大的原因造成的。另外，淀粉鏈的重新排列會形成更抗酶解的結(jié)構(gòu)，從而限制酶水解的程度[19]。

圖5 甘薯淀粉和馬鈴薯淀粉不同消化時間SEM 圖Fig.5 SEM of sweet potato starch and potato starch at different digestion times

2.6 消化物結(jié)晶特性變化

圖6表示甘薯淀粉和馬鈴薯淀粉的X 射線衍射圖，由圖可以看出甘薯淀粉在15°，17°，23°出現(xiàn)主要衍射峰，屬于A 型淀粉衍射模式，這與Waramboi 等[20]的結(jié)果一致。馬鈴薯淀粉在17°，20°，22°，24°出現(xiàn)主要衍射峰，屬B 型淀粉衍射模式[21]。

一般來說，淀粉在消化期間，淀粉顆粒的無定形區(qū)更容易水解，結(jié)晶區(qū)較難水解。然而，在模擬消化初始，淀粉首先經(jīng)過糊化階段，淀粉顆粒具有的結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)被破壞；如圖6所示，甘薯淀粉經(jīng)不同時間消化后，在15°，20°，24°處出現(xiàn)衍射峰；馬鈴薯淀粉經(jīng)不同時間消化后，在消化30 min 和60 min 時，衍射峰主要集中在13°，17°，21°。之后衍射峰在17°和21°處出現(xiàn)。甘薯原淀粉結(jié)晶度最高為22.70%，在模擬體外消化過程中結(jié)晶度大小為甘薯淀粉-180 min＞甘薯淀粉-30 min＞甘薯淀粉-120 min＞甘薯淀粉-60 min＞甘薯淀粉-90 min。在消化前期，甘薯淀粉的結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)均發(fā)生酶解，在消化120 min后結(jié)晶度稍有上升，這可能是由于非結(jié)晶區(qū)酶解作用更強(qiáng)烈，同時淀粉鏈出現(xiàn)重排現(xiàn)象造成的；同樣，馬鈴薯淀粉消化也出現(xiàn)的類似情況，馬鈴薯原淀粉結(jié)晶度最高，為21.98%；消化時間為90 min時最低，為4.52%；在消化后期結(jié)晶度上升，可能是由于淀粉經(jīng)過酶解非結(jié)晶區(qū)消失而出現(xiàn)分子重排現(xiàn)象。淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)類型影響淀粉消化，A 型淀粉對淀粉酶的抵抗力低于B 型淀粉，A 型淀粉中存在較短的雙螺旋和內(nèi)部微晶更易受酶水解的影響[22]。周定婷等[23]發(fā)現(xiàn)豌豆抗性淀粉的結(jié)晶度是隨著消化時間的增長而增加的；另外Zhang 等[24]在研究微波濕熱芭蕉抗性淀粉時也發(fā)現(xiàn)消化過程中淀粉結(jié)晶度上升；不同的是，他們研究的是抗性淀粉的消化，而且在消化前并未經(jīng)過糊化；Lopez-Rubio 等[16]發(fā)現(xiàn)在消化過程中直鏈淀粉鏈可重新排列成結(jié)晶度較高的抗酶結(jié)構(gòu)。

圖6 甘薯淀粉和馬鈴薯淀粉及其不同消化時間消化產(chǎn)物X 射線衍射分析圖Fig.6 X-ray diffraction analysis diagram of sweet potato starch，potato starch and their digestive products at different digestion times

3 結(jié)論

體外消化相同時間內(nèi)甘薯淀粉水解率高于馬鈴薯淀粉；兩種淀粉在消化期間，粒徑呈多峰分布，且隨著消化時間延長，消化產(chǎn)物的中值粒徑向更大尺寸分布移動；隨著消化時間的延長，兩種淀粉消化產(chǎn)物中支鏈淀粉含量呈下降趨勢，直鏈淀粉含量無顯著變化。由于消化液的稀釋作用和淀粉的酶解作用，兩種淀粉在消化過程中黏度降低，在同樣消化時間內(nèi)甘薯淀粉黏度低于馬鈴薯淀粉黏度。甘薯淀粉和馬鈴薯淀粉由于消化酶的酶解，平整的表面出現(xiàn)不規(guī)則形狀，且隨消化時間的增長，孔狀和旋渦狀結(jié)構(gòu)逐漸增多，出現(xiàn)小團(tuán)簇。通過對甘薯淀粉和馬鈴薯淀粉及其消化產(chǎn)物的X-射線衍射分析可知，甘薯淀粉和馬鈴薯淀粉經(jīng)體外消化后，其衍射峰的位置發(fā)生改變，結(jié)晶度在消化后期呈升高趨勢。