微波对马铃薯淀粉螺旋结构及消化性的影响*

罗志刚 徐小娟 陈永志

(华南理工大学 食品科学与工程学院， 广东 广州 510640)

淀粉是地球上含量最丰富的贮藏性多糖，在为人类提供能量和营养方面具有重要作用[1].淀粉颗粒主要由线型的直链淀粉和具有高度分支的支链淀粉组成，两者以一定的形式排列、堆积形成交替存在的结晶片层与无定形片层[2].结晶区主要由支链淀粉侧链形成的双螺旋结构有序排列构成，结晶结构的变化对淀粉的理化性质具有重要影响[3]，如消化性.

根据淀粉在消化过程中的葡萄糖释放速率和释放程度，可将其分为快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)[4].目前，淀粉体外消化性测定常用的是Englyst方法[5]，测定的是生淀粉的消化性.淀粉在实际使用中并不都是糊化的，生淀粉也有广泛的应用，如：具有慢消化性的生玉米淀粉是糖原贮积症的主要治疗方法[6]；香蕉粉减肥茶中含有大量的生淀粉.慢消化淀粉由于可持续、缓慢并完全地释放出葡萄糖，对糖尿病、心血管疾病以及肝糖原贮积症等的控制和预防具有重要意义，广泛应用于食品及医药行业，因而受到密切关注[7],其制备方法也在不断发展，包括化学、物理、酶法以及复合改性方法[8].微波改性由于具有高效、节能、安全等优点，在食品加工领域受到广泛的关注[9].目前，大多数研究集中于微波对淀粉的形貌、偏光十字、黏度等理化性质的影响[10]；部分研究发现微波会导致淀粉分子链的断裂及重排[11]；但关于微波对淀粉内部单、双螺旋结构的影响及其引起的消化性改变的研究尚未见报道.因此，文中以马铃薯淀粉为研究对象，研究不同功率的微波处理对淀粉内部单、双螺旋结构和体外消化性的影响，并进一步分析淀粉消化性与单、双螺旋结构之间的联系.微波处理前后淀粉内部单、双螺旋结构的变化分别通过差示扫描量热仪(DSC)和X射线衍射(XRD)进行定性分析、13C CP/MAS NMR进行定量分析.

1 实验

1.1 材料与试剂

马铃薯淀粉，云南云淀淀粉有限公司出品；猪胰α淀粉酶(VI-B型)和糖化酶，美国Sigma公司出品；葡糖糖试剂盒(GOPOD)，爱尔兰Megazyme公司出品；醋酸、醋酸盐和无水乙醇等均为分析纯.

实验所用马铃薯淀粉原料参数如表1所示.

表1 马铃薯淀粉原料的基本成分1)

Table 1 Basic ingredients of potato starch used in this study %

1)各组分在淀粉中的质量分数.

1.2 仪器与设备

D8017TL-2W型微波炉，佛山市顺德区格兰仕微波炉电器有限公司出品；D8 Advance型多晶X射线衍射仪，德国Bruker公司出品；DSC8000型差示扫描量热仪，美国PE公司生产；AVANCE DRX 400型超导核磁共振波谱仪，德国Bruker公司出品；MR Hel-Tec型恒温磁力搅拌器，德国Heidolph公司出品.

1.3 方法

1.3.1 微波处理淀粉的制备

称取干基70 g淀粉，调节水分含量至30%，混匀，密封，室温平衡24 h后，转移至微波加热容器中(容器直径为15 cm，淀粉铺平厚度约为1 cm)，置于微波炉中分别以低功率微波(2.06 W/g)和高功率微波(6.63 W/g)加热5 min.微波处理后的样品置于恒温鼓风干燥箱内40 ℃烘干，粉碎，过100目筛，即得微波处理淀粉，并分别记为MPS-L和MPS-H，马铃薯原淀粉记为NPS.

1.3.2 热力学性质测定

采用差示扫描量热仪测定淀粉的热力学性质.称取干基3.0 mg的淀粉样品于测试盘中，加入适量的蒸馏水使淀粉与水质量比为1∶2，压片密封，室温下平衡24 h.以空白盘为参比，放入样品盘，设定扫描温度范围为30～120 ℃，加热速率为10 ℃/min，N2流速为20 mL/min.

1.3.3 XRD分析

1.3.413C CP/MAS NMR测试

13C CP/MAS NMR测试由装备有CP/MAS 4 mm固体检测探头的固体核磁仪完成.13C的共振频率为75.46 MHz，扫描速率为20 Hz，魔角为54.7°，90°脉冲宽度为5 μs，接触时间1 ms，循环延迟时间为3 s，每个图谱至少累计扫描2 400次.

无定形淀粉的制备：配制质量分数为2%的淀粉乳，在沸水浴中糊化1 h后，立即放于-80 ℃下迅速冷却，然后进行冷冻干燥即得无定形淀粉[12]，并标记为AMO.

1.3.5 体外消化性测定

淀粉的体外消化性测定参照Englyst方法[5]，并适当改进.准确称取干基200 mg的不同淀粉样品于50 mL具塞离心管中，添加15.00 mL醋酸-醋酸钠缓冲溶液(pH 5.2)和10颗玻璃珠(直径5 mm)，涡旋混匀，置于37 ℃水浴中预热10 min.然后加入5 mL混合酶液(290 U/mL猪胰α-淀粉酶和15 U/mL的糖化酶)，于37 ℃恒温水浴中搅拌(350 r/min)并准确计时，在20和120 min时分别从中吸取0.5 mL的酶解液于4.00 mL的无水乙醇中灭活.灭活的混合液4 000 r/min离心10 min，取0.1 mL上清液，采用GOPOD法测定葡萄糖含量.每个样品平行测定3次，RDS、SDS、RS含量计算如下：

wRDS=[(G20-G0)×0.9/TS]×100%，

wSDS=[(G120-G20)×0.9/TS]×100%，

wRS=[(TS-RDS-SDS)/TS]×100%.

式中：G0为酶解前淀粉中的游离葡萄糖质量，mg；G20为淀粉酶解20 min后产生的葡萄糖量，mg；G120为淀粉酶解120 min后产生的葡萄糖含量，mg；TS为样品中的总淀粉质量，mg；0.9为葡萄糖转换为淀粉的转换系数.

1.4 数据分析

采用SPSS Statistics 进行显著性分析，P<0.05表示有显著性差异.实验数据均以x±s表示，x代表平均值，s代表标准偏差.采用 Origin 9.0分析结果并做图.

2 结果与分析

2.1 微波处理前后淀粉螺旋结构变化的DSC定性分析结果

淀粉的糊化是淀粉分子由有序的单、双螺旋结构转化为无序结构的相转变过程，其热力学性质(糊化温度、焓值等)的变化可在一定程度上反映其内部单、双螺旋结构的变化[13].微波处理前后淀粉的热力学性质见表2.由表2可知，微波显著改变了淀粉的热力学性质.微波处理后，淀粉的糊化温度(to、tp和tc)升高，且与功率正相关.糊化温度反映的是双螺旋结构的稳定性，链长较长、结合较紧密的双螺旋结构需要更高的温度才能解离完全[14].在微波作用下，结构较脆弱的双螺旋优先被破坏，剩下具有较高稳定性的双螺旋，从而导致糊化温度升高[15].

相比于原淀粉，微波处理淀粉的焓值(ΔH)降低，且与功率呈负相关.低功率微波处理淀粉的焓值为11.69 J/g，其焓值相比于原淀粉降低约2 J/g，而高功率微波处理淀粉的焓值相比于原淀粉降低近11 J/g.焓值主要反映淀粉中双螺旋结构解旋数量的多少[4].微波处理后，焓值降低表明双螺旋结构被破坏，使双螺旋结构数量减少，从而导致用于双螺旋解旋所需的能量降低.高功率微波对淀粉双螺旋结构的破坏作用更强，因而其焓值显著降低.

表2 马铃薯原淀粉和微波处理淀粉的热力学特性1)Table 2 Thermal properties of native and microwave-treated potato starches

1)同列不同的小写字母表示有显著性差异(P<0.05).

微波处理后，淀粉的tc-to也发生了显著变化.相比于原淀粉，低功率微波处理淀粉的tc-to增大，而高功率微波处理淀粉的tc-to明显减小.tc-to反映淀粉中结晶结构的多样性，tc-to增加表明结晶结构不均一性增加，反之则减小[16].淀粉在微波电磁场作用下发生高频振动，对于低功率微波，其振动频率相对较低，因而仅仅增加淀粉分子链的流动性和不稳定性会导致结晶结构的不均一性增加；高功率下的高频振动则会使其一部分结构较弱的结晶破坏，剩下较稳定的结晶结构，结晶的均一性增加.

2.2 微波处理前后淀粉螺旋结构变化的XRD定性分析结果

淀粉颗粒中，直链淀粉和支链淀粉以一定形式排列、堆积，形成交替存在的结晶区与无定形区[2].结晶区主要由支链淀粉侧链形成的双螺旋结构有序排列构成，还包含少量的直链淀粉-脂质单螺旋有序结构，无定形区分子链则无序排列[3].XRD衍射谱图中，结晶结构(单螺旋和双螺旋)表现为尖峰，无定形区则表现为弥散峰[17].XRD图谱变化可定性反映淀粉内单、双螺旋结构的变化.马铃薯原淀粉和不同功率微波处理淀粉的XRD图谱如图1所示.

由图1可以看出，马铃薯原淀粉在衍射角2θ为5.6°、17.0°、22.0°和24.0°处有尖峰，是典型的B型结晶结构，且在20°处出现较明显的衍射峰，是直链淀粉和脂质形成的单螺旋峰[18].从图中还可以看出，微波没有改变马铃薯淀粉的晶型，但会降低其相对结晶度.经计算，NPS、MPS-L、MPS-H的相对结晶度分别为29.4%、26.8%和8.4%，结晶度随着微波功率的增加而减小.相比于原淀粉，低功率微波处理淀粉的相对结晶度降低了2.6个百分点，而高功率微波处理淀粉的相对结晶降低了21个百分点，表现为其XRD图谱多处衍射峰消失.相对结晶度表示结晶区与无定形区的相对比例[7]，其值的降低表明微波作用破坏了马铃薯淀粉的有序结晶结构(单螺旋和双螺旋)，使分子链趋于无序化.随着微波功率的增加，破坏程度增加，结晶度随之降低.

图1 马铃薯原淀粉和不同功率微波处理淀粉的XRD图谱

Fig.1 X-ray diffraction patterns of native potato starch and microwave-treated starches at different powers

2.3 微波处理前后淀粉螺旋结构变化的13C CP/MAS NMR定量分析结果

为更直接地研究微波处理对淀粉单、双螺旋结构的影响，文中通过13C CP/MAS NMR进一步分析微波处理后淀粉内单、双螺旋含量的变化.NPS、MPS-L、MPS-H的13C CP/MAS NMR图谱如图2所示.

图2 马铃薯原淀粉和微波处理淀粉的 13C NMR图谱

Fig.213C NMR spectra of native and microwave-treated potato starches

由图2可以看出，淀粉主要产生4个信号峰，分别为C1区(化学位移δ:96～106)，C4区(δ：80～85)，C6区(δ：58～65)以及C2、C3和C5叠加区(δ：68～78).其中，C1区δ为99～101处的信号峰主要与双螺旋结构有关，C4区信号峰主要与无定形结构有关[19]，在C1区δ为102和C4区δ为81处的信号峰与单螺旋结构有关[12].

各个样品的无定形、单螺旋、双螺旋结构相对含量的计算过程主要分为两步：首先，利用差减法将原图谱分解为无定形图谱和结晶图谱，在此过程中，需对无定形淀粉的图谱进行调整(乘以一定的比例系数)，使得其从原图谱扣除后，所得的结晶图谱在δ为84处信号强度为0[12]；然后，分别对原图谱、无定形和结晶图谱进行分峰拟合.NPS、MPS-L、MPS-H的13C CP/MAS NMR图谱分解结果如图3所示.图4以NPS为例展示了分解后各图谱的分峰拟合过程.各个样品的无定形、单螺旋、双螺旋结构相对含量的计算结果见表3.

由表3可见，微波处理后，淀粉的无定形含量增加，双螺旋和单螺旋结构含量减少.其中高功率微波处理淀粉的单螺旋结构含量仅有0.34%，双螺旋含量也由原淀粉的31.74%减少到了10.65%.上述结果表明，微波破坏了淀粉的有序结晶结构(双螺旋和单螺旋)，使其转为无序状态，且随着功率增加，破坏程度增大.分析其原因可能是：①在微波高频交变电磁场下，淀粉随之进行取向性振动，双螺旋发生解离，单螺旋发生解旋；②在振动过程中分子间的相互摩擦致使其分子链发生断裂，据Rocha等[2]报道，当淀粉分子链聚合度小于10时，则不能形成双螺旋；两者结合从而导致单、双螺旋含量的降低，以及相应地无定形含量的增加，这与DSC和XRD的研究结果相一致.

图3 马铃薯原淀粉和不同功率微波处理淀粉的13C CP/MAS NMR图谱分解

Fig.3 Decomposition of the13C CP/MAS NMR spectra of native potato starch and microwave-treated starches at different powers

图4 马铃薯原淀粉13C CP/MAS NMR图谱分解后各图谱的分峰拟合(拟合系数>0.999 0)

Fig.4 Peak-fitted profiles of the13C CP/MAS NMR decomposition spectra of native potato starch(fitting coefficient>0.999 0)

表3 微波处理前后马铃薯淀粉的13C NMR结果1)

Table 3 Results of13C NMR spectra of potato starches before and after microwave treatment

样品相对含量/%无定形单螺旋双螺旋NPS65.762.5031.74MPS-L70.431.9827.59MPS-H89.350.3410.65

1)马铃薯淀粉中各结构的相对含量.

2.4 DSC、XRD和13C CP/MAS NMR分析之间的联系

由2.1-2.3节可知，DSC、XRD和13C CP/MAS NMR三者均可以分析淀粉内部单、双螺旋结构的变化.DSC和XRD是定性分析，而NMR则是进一步定量分析.DSC测量结果中，糊化温度反映的是双螺旋结构的稳定性[3]，焓值反映的是淀粉相变过程中双螺旋结构解旋数量的多少[4].XRD所测相对结晶度表示结晶区与无定形区的相对比例[7]，结晶区主要由支链淀粉侧链形成的双螺旋结构有序排列构成，还包含少量的直链淀粉-脂质单螺旋有序结构[3]，相对结晶度较高表明淀粉内单、双螺旋含量较多.NMR 测定结果直接反映淀粉内单、双螺旋结构和无定形结构的相对含量.因此，DSC、XRD和NMR均可反映淀粉内单、双螺旋结构的含量，三者在一定程度上可相互验证，若NMR所测单、双螺旋含量较高，则XRD所测相对结晶度较高，DSC所测焓值较大.

2.5 微波处理对马铃薯淀粉体外消化性的影响

微波处理前后淀粉的体外消化性结果如表4所示.由表4可见，马铃薯原淀粉RS含量较高，达65.91%，主要是由于天然马铃薯淀粉颗粒表面没有微孔和通道，消化酶只能从结构较紧密的外表面开始水解，但其颗粒较大，比表面积较小，与消化酶的接触面积有限，从而导致其较难酶解[20- 21].

表4 微波处理前后马铃薯淀粉的体外消化性1)

Table 4 In vitro digestibility of potato starch before and after microwave treatment %

1)同列不同的小写字母表示有显著性差异(P<0.05).

微波处理后，马铃薯淀粉的消化性发生了一定程度的变化.低功率微波处理淀粉的各营养片段与原淀粉无显著性差异；而高功率微波处理淀粉的RS含量由原淀粉的65.91%显著降低到40.08%，相应地SDS含量显著提高了约19个百分点，RDS含量也提高了约7个百分点.淀粉消化过程本质上是消化酶与淀粉分子链的活性部位结合并断裂糖苷键生成葡萄糖的过程[22]，RDS、SDS和RS相对含量的变化反映的是此过程淀粉水解速率的变化，其中酶的扩散以及酶与淀粉的有效结合是影响水解速率的重要因素[7].微波处理使淀粉内有序结晶结构(单螺旋和双螺旋)发生变化，导致消化酶的扩散以及与淀粉的结合难易程度发生变化，影响了淀粉的水解速率，从而改变了其消化性.由2.1-2.3节可知，低功率微波对淀粉有序结晶结构改变较小，因而对消化性影响较小.而高功率微波显著改变了淀粉的消化性，分析其原因主要是：①高功率微波严重破坏了淀粉内单、双螺旋结构，使得链间的相互作用力减弱，淀粉颗粒的结晶结构变得松散，提高了消化酶在淀粉外表面的攻击速率以及在淀粉内的扩散速率[7]；②高功率微波使得淀粉内螺旋结构解体，相邻螺旋链间和螺旋结构内的氢键断裂，从而暴露出更多的酶作用位点；③紧密排列的螺旋结构破坏后，空间位阻减小，易于消化酶与暴露出的酶作用位点结合；三者结合提高了淀粉的酶水解速率，从而导致高功率微波处理淀粉的RS含量显著降低，SDS和RDS含量提高.

3 结论

(1) 微波处理破坏了马铃薯淀粉的有序结晶结构，使双螺旋解离、单螺旋解旋，分子链趋于无序化，从而导致微波处理后淀粉的单螺旋和双螺旋含量减少，无定形含量增加，相应地导致淀粉焓值和相对结晶度的降低.并且随着微波功率的增加，单螺旋和双螺旋结构的破坏程度增加.

(2) 微波处理会影响马铃薯淀粉的消化性，低功率微波(2.06 W/g)对马铃薯淀粉的消化性影响较小，高功率微波(6.63 W/g)则会显著降低马铃薯淀粉的RS含量，显著提高其SDS含量，同时RDS含量也有一定程度的增加.

(3) 淀粉内有序结晶结构(单螺旋和双螺旋)的变化会导致消化性的改变.微波处理引起的消化性的变化主要是因为微波破坏了淀粉内的有序结晶结构.低功率微波(2.06 W/g)对马铃薯淀粉内部结构的破坏较小，因而对消化性影响较小.而高功率微波(6.63 W/g)显著破坏了马铃薯淀粉的单螺旋和双螺旋结构，使其内部结构变得松散，并释放出更多的酶作用位点，提高了消化酶的水解速率，因而导致RS含量显著降低，SDS和RDS含量增加.

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