菊糖对马铃薯淀粉糊流变特性及体外消化的影响

汪名春 韦冷云 朱培蕾 杜先锋 周裔彬

(安徽农业大学茶与食品科技学院食品科学与工程系1，合肥 230036)(安徽省农业科学院园艺研究所2，合肥 230031)

菊糖对马铃薯淀粉糊流变特性及体外消化的影响

汪名春1韦冷云1朱培蕾2杜先锋1周裔彬1

(安徽农业大学茶与食品科技学院食品科学与工程系1，合肥 230036)(安徽省农业科学院园艺研究所2，合肥 230031)

为了研究菊糖对马铃薯淀粉糊流变特性及体外消化的影响，以马铃薯淀粉为原料，通过流变仪测试和体外酶解等方法测定菊糖-马铃薯淀粉共混体系的特性变化。流变仪测试结果表明：在试验的菊糖添加量范围内，菊糖-马铃薯淀粉共混糊的流变学特性均符合幂率模型，为假塑性流体；菊糖的添加在一定程度上降低了淀粉糊黏度，且随着添加量的增加，这一趋势加大。体外酶解结果表明：菊糖可以在一定程度上抑制马铃薯淀粉的水解速度及程度，且随着菊糖添加量的增加其抑制程度也相应增加；水解指数HI及预测血糖值eGI均随着菊糖添加量的增加而逐渐降低；在菊糖最大添加量时(菊糖与淀粉配比为1∶5)，菊糖-淀粉共混体系的水解率、HI和eGI值分别由原淀粉的70%、57.87和71.48降至50%、42.74和63.17。研究结果提示适量的菊糖不仅可以改善马铃薯淀粉糊的流变性能，还可以降低其血糖指数。

菊糖 马铃薯淀粉 流变 体外消化

在食品共混体系中，淀粉和非淀粉性多糖按一定配比共混后，可以起到改善糊化、控制流变从而提高产品加工性能的作用[1]。菊糖是由果糖聚合而成的链长不一的非淀粉性多糖，是一种不同于淀粉的水溶性膳食纤维，2009年被原卫生部正式批准为新食品原料。由于它独特的生理功能和加工性能，在食品工业中是一种重要的天然添加物[2]，可以明显改善食品的质构性状、提高食品的营养价值，并且克服了其他如谷物类、豆类或果蔬类膳食纤维水溶性差、粒径大及粗糙感强等缺点。

菊糖在影响淀粉基食品质构的同时对其消化性也有一定的影响。目前，有关菊糖-淀粉共混体系消化性及作用机制的研究报道还很少，仅有的一些研究大多集中在菊糖对面制品的消化特性的影响方面。Brennan等[3]在研究中发现，与普通意大利面相比，添加了菊糖的意大利面其预测血糖值有明显的下降，且与添加量呈正相关。Ronda等[4]报道在麸皮面包中添加2%的菊糖可以将其易消化淀粉RDS的含量降低10%，从而降低面包的血糖值。马铃薯淀粉作为淀粉基食品加工的一种主要原料，其餐后血糖的快速升高与许多慢性疾病密切相关[5]，在马铃薯淀粉中加入一定量的菊糖可以降低其消化速度和程度，维持血糖稳定，预防多种慢性疾病(如肥胖、糖尿病、心血管疾病等)。本试验以马铃薯淀粉为原料，通过流变仪测试和体外酶解等方法，研究了菊糖对马铃薯淀粉糊的流变特性及体外消化特性的影响，旨在为菊糖和马铃薯淀粉共混物在食品工业中的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

马铃薯淀粉：山东金城股份有限公司；菊糖(平均聚合度20，纯度>90%)：南京奥多福尼生物科技有限公司；直、支链淀粉标准品：美国Sigma公司；猪胰α-淀粉酶(50 U/mg)、糖化酶(80 U/mg)：博美生物制剂公司；3, 5-二硝基水杨酸(DNS)、醋酸钠、醋酸：分析纯。

1.2 主要仪器

V-1600紫外分光光度计：上海美谱达仪器有限公司；RST-Plus Rheo3000流变仪：美国博勒飞有限公司；DF-101S集热式磁力加热搅拌器：金坛市金南仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 马铃薯淀粉基本化学组分的测定

马铃薯淀粉中淀粉、水分、灰分、蛋白质、脂肪含量的测定参照GB/T 5009.9—2008、GB/T 5009.3—2010、GB/T 5009.4—2010、GB/T 5009.5—2010、GB/T 5009.6—2010完成。淀粉中直链淀粉含量的测定采用双波长法[6]，以直链淀粉百分含量为横坐标、吸光值为纵坐标得到标准曲线计算得出。

1.3.2 淀粉糊流变特性的测定

1.3.2.1 样品的制备

准确称取总质量为5 g的淀粉和菊糖样品(菊糖与马铃薯淀粉配比依次为0，1∶20，1∶10，1∶7，1∶5)放入烧杯，加入100 mL蒸馏水，将烧杯放入集热式恒温磁力搅拌器中在95 ℃以500 r/min进行糊化搅拌，加热过程中，为防止水分蒸发，以保鲜膜封口。搅拌15 min，使菊糖-淀粉共混体系糊化完全。

1.3.2.2 样品测定

使用RST-SST型流变仪的圆筒式装置对样品进行流变特性的测定。仪器恒温装置设定为50 ℃，剪切速率为0～300 s-1，剪切时间为180 s[7]，将淀粉糊样品冷却至50 ℃，装入CC40样品筒，加样量为60 mL。将转子放入样品筒，5 min后启动流变仪开始测试。数据采集和记录由计算机自动完成。

1.3.3 淀粉的体外消化酶解法

参考Englyst等[8]和缪铭等[9]提出的体外消化酶解法测定淀粉的体外消化特性，具体步骤：准确称取200 mg马铃薯淀粉样品和一定质量的菊糖(菊糖与马铃薯淀粉配比依次设置为0，1∶20，1∶10，1∶7，1∶5)并置于装有3～5粒玻璃珠的50 mL离心管中，添加5 mL 0.2 mol/L醋酸钠缓冲溶液(pH 5.2)振荡摇匀后在95 ℃的水浴锅中糊化15 min，取出冷却至室温后放入37 ℃恒温振荡水浴锅中，10 min后添加经37 ℃预热的20 mL猪胰α-淀粉酶和糖化酶的混和酶溶液(用缓冲溶液配置酶溶液，最终在25 mL反应体系中猪胰α-淀粉酶和糖化酶用量分别为：2 900 U和150 U)，置于37 ℃恒温振荡水浴锅中水解，水解不同时间(0、10、20、30、40、60、90、120、180 min)后取1 mL反应液加入5 mL无水乙醇灭酶终止反应。样品离心处理后，采用DNS比色法测定还原糖含量并计算水解率[10]。

式中：Gt为菊糖-淀粉共混体系酶水解t时间后产生的葡萄糖质量/mg。

1.4 数据统计分析

采用SPSS 19.0进行统计分析，用Origin 8.0对流变学、酶水解动力学数据进行回归拟合。

2 结果与分析

2.1 马铃薯淀粉基本化学组分

马铃薯淀粉中主要化学组分的含量见表1。

表1 马铃薯淀粉中主要化学组分质量分数/%

2.2 菊糖对马铃薯淀粉糊流变特性的影响

2.2.1 淀粉糊剪切应力和剪切速率的关系

图1为50 ℃条件下，不同菊糖添加量淀粉糊的剪切应力与剪切速率的关系图。从图1中可以看出，菊糖-淀粉共混糊在流动过程中随着剪切速率的增加所需要的剪切应力也相应增加。在总浓度不变的情况下，用菊糖代替一部分淀粉所制得的菊糖-淀粉共混糊相比于不添加菊糖的淀粉糊所需要的剪切应力小，且随着菊糖含量增加，菊糖-淀粉共混糊流动过程中需要的剪切应力相应减少。即要达到同样剪切速率，菊糖-淀粉共混糊所需要施加的应力更小。

图1 不同菊糖添加量淀粉糊剪切应力与剪切速率的关系

根据图1数据点的分布进行回归拟合，结果表明可以用幂次定律方程来描述菊糖-淀粉共混糊的流变曲线[11]。

τ=k·γn

式中：τ为剪切应力/Pa；k为黏度系数/Pa·s；n为流动性指数；γ为剪切速率/s-1。

依据幂次定律方程对图中数据点进行回归拟合，得到所有样品的黏度系数k、流动性指数n以及相关系数R2，具体数值见表2。由表2可知，黏度系数k随着菊糖添加量的增加而增加，流动性指数n反映了黏-切依赖性的大小，n均小于1且复相关系数均在0.99以上，说明不同菊糖添加量的淀粉糊在此剪切区域内均为典型的假塑性流体，即剪切变稀流体，随着菊糖含量的增加，n偏离1的程度越来越小，说明假塑性减弱，流动性得以改善。

表2 不同菊糖添加量淀粉糊的流变特性参数

2.2.2 淀粉糊黏度与剪切速率的关系

淀粉糊对抗流动性的能力称为黏性，其大小以黏度度量，淀粉糊的黏度会因受到机械剪切作用而降低。图2为50 ℃条件下，不同菊糖添加量淀粉糊的剪切应力与黏度的关系。由图2可见，在测试初期即剪切速率变化很小范围内，淀粉糊黏度呈跃变式快速下降，添加菊糖后，菊糖-淀粉共混糊的黏度呈下降趋势，且随添加量的增加下降越明显。随着剪切速率的进一步增加，下降速度逐渐变缓，淀粉糊黏度趋于稳定。生产中，在该速率范围加工原料，既可降低黏度，又可避免因速率的微小变化而引起黏度波动，保证产品质量稳定。在低于糊化温度时加入一定的菊糖，将降低淀粉糊的黏度，这可能是因为菊糖具有良好的亲水性，菊糖分子与淀粉分子争夺水分子，影响淀粉分子与水分子之间的键合作用，同时也干扰淀粉分子内部氢键的形成[12-13]。

图2 不同菊糖添加量淀粉糊剪切应力与黏度的关系

2.3 菊糖对马铃薯淀粉消化特性的影响

菊糖对马铃薯淀粉体外水解率的影响见图3，从图3可以看出，淀粉水解率曲线可以分为2个阶段：0～90 min内水解率快速升高；90～180 min内随着时间的推移水解率趋于平缓并达到一个平衡值，基本水解结束。与原淀粉相比，加入菊糖后的淀粉水解率均有所降低，且随着添加量的增加，水解率也逐渐降低，在反应终止时(第180分钟)，菊糖与马铃薯淀粉配比1∶5时淀粉反应体系的水解率由原淀粉的70%下降至50%。由此可见，菊糖可以在一定程度上抑制淀粉的水解程度及速度，且随着菊糖添加量的增加其抑制程度也相应增加。这与Dartois等[11]和Cleary等[14]研究的瓜尔豆胶和大麦葡聚糖降低淀粉或淀粉类食品的体外消化的速度和程度的研究结果相一致。结合流变特性测试的结果分析可见，菊糖对淀粉体外消化的影响主要来自于菊糖和淀粉形成的复杂网络结构间的互相作用。由于菊糖具有良好的亲水性，因此菊糖可能会影响水分子和淀粉分子的水合作用、干扰淀粉分子内部氢键的形成，在淀粉糊化过程中阻碍了淀粉颗粒的溶胀；此外，菊糖在共混体系中形成的网络结构起到了物理“屏障”的作用，影响了酶反应所需要的水分的流动，限制了酶与淀粉间的相互作用以及水解产物向外的释放[3, 12]。

图3 菊糖对马铃薯淀粉水解率的影响

Goni等[15]指出：淀粉水解曲线遵循一级反应方程式：C=C∞(l-e-kt)(C≤100%)

式中：C为浓度；C∞为平衡浓度/%；k为一级反应动力学速率/h-1；t为时间/min。

食物的血糖指数GI是指食物被食用后，人体对碳水化合物吸收速度[16]。因此，食物的GI值与该食物的消化速度和程度密切相关。依据方程C=C∞(l-e-kt)对淀粉体外水解数据进行回归拟合，再以葡萄糖曲线下面积(葡萄糖水解率为100%)为对照，计算淀粉的水解曲线下面积与葡萄糖曲线下面积之比，乘以100后即为水解指数HI，根据公式eGI=39.71+0.549 HI计算预测血糖指数eGI[17-19]，得出的方程特征参数和数值见表3。

表3 菊糖对淀粉的平衡浓度、动力学速率、水解指数及预测血糖指数的影响

由表3可以看出，随着菊糖添加量的逐渐增加，菊糖-淀粉共混体系的水解平衡浓度C∞值呈逐渐下降趋势，在菊糖的最大添加量时，C∞值由原淀粉的67.85%降至 52.00%，同时，HI值和eGI值也分别由原淀粉的57.87和71.48降至42.74和63.17。可以看出，添加一定量的菊糖可以有效降低马铃薯淀粉的血糖指数。

3 结论

3.1 菊糖-淀粉共混糊流变特性测定结果显示，不同菊糖添加量淀粉糊的流变模型为幂率模型，均为假塑性流体。在相同的流动方式下，菊糖添加量越大，菊糖-淀粉共混糊黏度越小，且随着菊糖添加量的增大依次减小。

3.2 淀粉水解试验表明菊糖可以在一定程度上抑制淀粉的水解速度和程度，且随着菊糖添加量的增加抑制程度也相应增加。在反应终止时(180 min)，菊糖-马铃薯淀粉反应体系的水解消化率由原来的70%降到50%。

3.3 对体外水解数据的拟合结果表明，淀粉的水解指数HI和预测血糖值eGI都有不同程度的降低，分别由原淀粉的57.87和71.48降至42.74和63.17。说明添加一定量的菊糖可以降低淀粉的血糖指数。

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Effect of Inulin on Rheological Properties and in vitro Digestion of Potato Starch Paste

Wang Mingchun1Wei Lengyun1Zhu Peilei2Du Xianfeng1Zhou Yibin1

(Department of Food Science and Engineering, College of Tea and Food Technology,Anhui Agricultural University1, Hefei 230036)(Institute of Horticulture, Academy of Anhui Agricultural Science2, Hefei 230031)

The aim of the study was to investigate the effect of inulin on rheological properties andinvitrodigestion of potato starch paste. Using potato starch as material, we measured the changes of the inulin-potato starch blending system by rheological properties analysis andinvitrodigestion. The results of rheological properties analysis showed that the rheological properties of starch paste of inulin-potato starch system were consistent with the power-law model and called as pseudoplastic fluid; the viscosity of starch paste could be reduced by additon of inulin in some degree, and this trend rose with increasing additive amount. The results ofinvitrodigestion showed that the inulin could inhibit the extent and speed of starch hydrolyzation to some extent, and the inhibiton increased with increasing inulin additive amount; The hydrolysis index (HI) and estimated glycemic index(eGI) all dcreased with increasing inulin additive amount; At the maximum inulin additive amount (the ratio of inulin to starch is 1∶5), hydrolysis degree, HI and eGI decreased to 50%, 42.74 and 63.17 respectively compared with 70%,57.87 and 71.48 of starch without inulin. These results demonstrated that inulin with appropriate adding amount could improve the rheological properties of potato starch paste, and reduce its GI.

inulin, potato starch, rheology,invitrodigestion

TS23

A

1003-0174(2016)06-0047-05

国家自然科学基金(31271960，31471700)，安徽省自然科学基金(1408085QC58)

2014-10-09

汪名春，男，1982年出生，博士，讲师，食品化学与营养、农副产品精深加工

周裔彬，男，1967年出生，博士，教授，食品化学、农副产品精深加工