菠萝蜜种子淀粉体外消化酶解动力学及血糖值分析

李博 王雪飞 徐飞 谭乐和 初众 张彦军

摘 要 以菠萝蜜种子为原料提取淀粉，以木薯淀粉、大米淀粉、玉米淀粉和马铃薯淀粉为参照，采用体外消化试验测定菠萝蜜种子淀粉的快速消化淀粉、慢消化淀粉和抗性淀粉含量，并进行酶解动力学实验。结果表明：菠萝蜜种子淀粉快速消化淀粉、慢消化淀粉和抗性淀粉的含量分别为4.50%、19.65%和75.85%，酶解速率为0.60 h-1，平衡浓度为36.93%，酶解指数为41.43，血糖指数为62.45，属于中等血糖食物；菠萝蜜种子淀粉消化性、平衡浓度、酶解指数与血糖指数均高于马铃薯淀粉，而低于其他三种淀粉，酶解速率比马铃薯淀粉、木薯淀粉快，比大米淀粉、玉米淀粉慢。

关键词 酶解动力学；消化性分析；菠萝蜜种子淀粉；血糖值

中图分类号 TS231 文献标识码 A

Abstract The starch was extracted from jackfruit seeds as the raw material. Using potato starch， rice starch， corn starch and potato starch as the references， the content of rapidly digestible starch， slow digestible starch and resistant starch of jackfruit seed were determined by an in-vitro digestion experiment. Furthermore， the enzymatic hydrolysis kinetics was carried out. The results showed that the contents of rapidly digestible starch， slowly digestible starch and resistant starch of jackfruit seed starch was 4.50%， 19.65% and 75.85%， respectively. The hydrolysis rate， the equilibrium concentration， the enzymatic hydrolysis index， the blood glucose index of jackfruit seed starch was 0.60 h-1， 36.93%， 41.43 and 62.45， respectively. The jackfruit seed starch belonged to medium blood glucose food. The digestibility， equilibrium concentration， enzymolysis index and glycemic index of jackfruit seed were higher than those of potato starch. The digestibility， equilibrium concentration， enzymolysis index and glycemic index of jackfruit seed starch were lower than those of the other three kinds of starch. Enzymatic hydrolysis rate of jackfruit seed starch was slower than that of potato starch and cassava starch， but faster than that of rice starch and corn starch.

Key words enzymatic hydrolysis kinetics； analysis of digestion； jackfruit seeds starch； glycemic index

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2018.04.026

菠蘿蜜（Artocarpus heterophyllus Lam）是桑科木菠萝属常绿乔木，主要分布在热带地区，在温带地区会自发性分芽繁殖[1]，由印度传至中国，已有1 000多年历史[2]。菠萝蜜果肉由黄色的肉质部分组成，味香浓郁，但只有15%～20%的果肉会被用作各种烹饪类型的食物。一个菠萝蜜果包含100～500粒种子[3]，占总质量的8%～15%。种子呈咖啡色，长2～3 cm，扁圆形，似板栗，有硬皮包裹，含62.63%粗淀粉[4-7]，是一亟待开发的淀粉质资源。

近年来，菠萝蜜种植业及加工业发展快速，产生了大量的菠萝蜜种子废弃物，造成了淀粉质资源的浪费[8-9]。为了进一步合理开发利用菠萝蜜种子淀粉，前人研究了种子淀粉的分离方法和淀粉性质，发现菠萝蜜种子淀粉呈圆形、钟形和一些不规则剪切状的颗粒形貌，具有A形结晶模式，高直链淀粉含量和高抗性淀粉含量[10-11]。其无副作用，感官质量和卫生质量良好，因而可安全地应用于食品、药品等领域[5， 12]。本研究以马来西亚Ⅰ号菠萝蜜种子为原料分离淀粉，测定淀粉消化性，通过体外消化试验测定快速消化淀粉、慢消化淀粉和抗性淀粉的含量，进行酶解动力学实验，通过拟合曲线计算出菠萝蜜种子淀粉的血糖指数，通过血糖指数考察菠萝蜜种子淀粉对血糖应答的影响，以期为菠萝蜜种子淀粉的综合利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 原料 菠萝蜜种子（马来西亚Ⅰ号），由中国热带农业科学院香料饮料研究所于2017年提供；大米淀粉、玉米淀粉、马铃薯淀粉、木薯淀粉，均购自广西崇左群力淀粉有限公司。

1.1.2 试剂 中性蛋白酶AlphalaseNP（ANP 酶活 160 000 U/g），丹尼斯克有限公司。抗性淀粉试剂盒，购自爱尔兰Megazyme公司。胰α-淀粉酶（酶活100 000 U/g），购自爱尔兰Megazyme公司。

1.1.3 仪器与设备 板栗脱壳机，中国热带农业科学院香料饮料研究所；DLSB-5L/10低温冷却循环泵，巩义市予华仪器有限责任公司；胶体磨，上海科劳机械厂；LXJ-II离心机，上海安亭科学仪器厂；实验室冷冻干燥机，宁波新芝生物科技有限公司；AUX奥克斯多功能料理机，佛山市海迅电器有限公司；SHB-IIIS循环水式多用真空泵，郑州长城科工贸有限公司。快速水分含量测定仪MB45，瑞士OHAUS公司；Master-S plusUVF超纯水机，上海和泰仪器有限公司。HZ-2010K 恒温摇床，金坛市盛篮仪器制造有限公司；Fibertec.E膳食纤维测定系统，丹麦福克斯FOSS公司；Amylose from potato标准品，Sigma公司；FE20实验室pH计，梅特勒-托利多有限公司；Avanti JXN-26 Centrifuge离心机，贝克曼库尔特商贸有限公司；紫外可见分光度计UV-2800，上海奥普勒仪器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 菠萝蜜种子淀粉提取 根据胡美杰等[13]的方法稍作修改，将新鲜的菠萝蜜种子放入电热鼓风干燥箱内烘干，待表皮干燥时利用板栗脱壳机快速去皮。按1：4的比例加入蒸馏水，用多功能磨浆机磨浆，再倒入胶体磨研磨2 min。加入中性蛋白酶配成0.15%的蛋白酶溶液，用0.1 mol/L的盐酸调节pH到7，置于摇床上（60 ℃）反应8 h，反应结束后过200目筛，滤渣经过多次水洗，合并滤液离心（3 000 r/min，5 min），刮去沉淀物上层褐色皮，沉淀用蒸馏水多次清洗。抽滤后收集沉淀物进行冷冻真空干燥（-30～0 ℃冷冻3 h，50 ℃恒温真空干燥10 h），保存待用。

1.2.2 体外消化分析 根据Englyst等的方法[14]稍作修改，将胰α-淀粉酶溶于20 mL去离子水中，搅拌10 min，并以3 000 r/min离心15 min。将上清液转移到烧杯中，加入淀粉葡萄糖苷酶和1 mL去离子水（酶溶液现配现用）。称取1 g淀粉样品（干基），将其溶于20 mL 0.1 mol/L的醋酸鈉缓冲液（pH5.2）中，然后加入5 mL混酶液，在漩涡混匀器上剧烈混匀，加7粒玻璃珠、100 mg瓜尔豆胶和转化酶（190 U）。将此混合溶液在37 ℃、180 r/min下振荡水浴。在20、120 min时取样0.5 mL并加入20 mL的70%无水乙醇灭酶，在4 000 r/min下离心10 min。采用葡萄糖氧化酶-过氧化物酶法（GOPOD），在510 nm处，以无水乙醇为空白对照，抗性淀粉试剂盒葡萄糖为标样，测定葡萄糖含量。快速消化淀粉（RDS）、慢速消化淀粉（SDS）和抗性淀粉（RS）的质量百分率计算如下：

RDS（%）=（G20-GF）伊0.9/TS

SDS（%）=（G120-G20）伊0.9/TS

RDS（%）=[TS-（RDS+SDS）]/TS

式中：GF：酶解前淀粉中游离的葡萄糖的含量（mg）；G20：淀粉酶水解20 min后产生的葡萄糖的含量（mg）；G120：淀粉酶水解120 min后产生的葡萄糖的含量（mg）；TS：样品中总淀粉的含量（mg）。

1.2.3 酶解动力学 根据赵娜[15]的方法稍作修改：准确称取淀粉样品200 mg于烧瓶中，然后加入15 mL的0.2 mol/L的醋酸钠缓冲溶液（pH5.2），于37 ℃水浴锅中预热5 min，并加入同时于37 ℃水浴预热5 min的猪胰α-淀粉酶（290 U/mL）和淀粉葡萄糖苷酶（15 U/mL）的混酶液10 mL，然后立即置于37 ℃水浴中振荡（150 r/min）并准确计时，分别在0、10、20、30、60、90、120和180 min时取样0.5 mL于离心管中，迅速加入4 mL的无水乙醇摇匀，4 000 r/min离心10 min。用GOPOD法测定葡萄糖含量并计算酶解率。

式中：Gt——淀粉酶酶解t时间后产生的葡萄糖含量（mg）。

因淀粉样品酶解曲线遵循一级动力学方程，C=C∞（1-e-kt） 且C∞≤100%，C为t时刻的反应浓度，回归得到动力学参数反应平衡时的浓度C∞（%）和反应动力学常数（一级反应动力学速率）k（h-1）。采用软件Origin 8.5对所得曲线进行拟合，得到方程的特征参数和预测动力学模型[7]。采用SPSS 17.0分析标准偏差，以此来分析淀粉样品的酶解速率。

1.2.4 淀粉的餐后血糖应答 血糖GI值指的是食物基于对比参考食物（白面包）的餐后血糖应答的等级[16]。影响GI值的主要因素是食物中存在的碳水化合物的消化或吸收速率[17]。因此，采用Go?i建立的动力学模型[18]，一级反应方程式计算淀粉样品与参考白面包酶解曲线面积（AUC）的比值分析淀粉样品的GI值对消化性的影响：

AUC=C∞（tf-t0）-（C∞/k）[1-exp-k（tf-t0）]

式中：C∞为平衡浓度（t180），tf是最终时间（180 min），t0是初始时间（0 min），k是动力学常数。将每个样品的酶解曲线下的面积（AUC）除以参考样品（白面包）的相应面积获得酶解指数（HI）。

使用以下等式计算血糖指数（GI）：

GI=39.71+（0.549HI）

1.3 统计分析

利用SPSS 20.0软件计算和分析数据。利用origin 8.5软件进行曲线拟合、图像绘制。所有数据均为3次试验的平均值。

2 结果与分析

2.1 体外消化分析

由表1可知，菠萝蜜种子淀粉快速消化淀粉、慢消化淀粉和抗性淀粉含量分别为4.50%、19.65%和75.85%。菠萝蜜种子淀粉的抗性淀粉含量高于木薯淀粉、玉米淀粉和大米淀粉，低于马铃薯淀粉，但快速消化淀粉和慢速消化淀粉含量低于木薯淀粉、玉米淀粉和大米淀粉，高于马铃薯淀粉。

2.2 淀粉体外消化动力学

由图1可知，酶解趋势：大米淀粉>玉米淀粉>木薯淀粉>菠萝蜜种子淀粉>马铃薯淀粉。在水解180 min时，大米淀粉、玉米淀粉、木薯淀粉、菠萝蜜种子淀粉和马铃薯淀粉水解率分别为94.44%、63.12%、38.15%、31.84%和5.70%。这些淀粉的水解率在0～90 min时升高的速度要比90～180 min时快，在90～180 min时，淀粉逐渐趋于酶解平衡。随着酶解时间的增加，大米淀粉水解率逐渐趋近于100%，并且在20～120 min之间曲线斜率最大，酶解最快；玉米淀粉酶解曲线介于大米淀粉与木薯淀粉之间；菠萝蜜种子淀粉与木薯淀粉酶解趋势相近并且差异不显著（p<0.05）；马铃薯淀粉水解率最低，酶解趋势最缓。

对图1曲线进行拟合后得出的方程特征参数和预测动力学模型分别见表2和图2。如表2所示，预测酶解的平衡浓度结果如下：大米淀粉>玉米淀粉>木薯淀粉>菠萝蜜种子淀粉>马铃薯淀粉。其中菠萝蜜种子淀粉在0～180 min时C∞、k值分别为36.93%和0.60 h-1。不同种类淀粉的体外消化速率在0～180 min时低于1 h-1，菠萝蜜種子淀粉比木薯淀粉、马铃薯淀粉消化速率快，但比大米淀粉、玉米淀粉消化速率低。

2.3 淀粉的酶解指数与血糖指数

如表3所示，不同淀粉的血糖指数顺序为：大米淀粉>玉米淀粉>木薯淀粉>菠萝蜜种子淀粉>马铃薯淀粉。菠萝蜜种子淀粉的HI和GI值分别为41.43和62.45，表明菠萝蜜种子淀粉属于中血糖食物。

3 讨论

根据被酶水解时间的不同，淀粉分为快消化淀粉（<20 min）、慢消化淀粉（20～120 min）和抗性淀粉（>120 min）[14]。而抗性淀粉又可分为物理包埋淀粉（RS1）和抗性淀粉颗粒（RS2）[19]。淀粉的结构、形态及大小影响其消化性，且B型结构的豆类淀粉比A型结构的谷物淀粉更难水解[20-21]。谷物淀粉酶解快是由于酶解时颗粒外部表面会打开一条螺旋形通道，以供酶解到达淀粉内部，而淀粉的结晶结构是由无定形区和结晶区组成的，酶解的作用方式是进入淀粉分子内部后由内向外逐层酶解结晶结构，破坏维持直链、支链淀粉分子内部结构的α-1.4、α-1.6糖苷键，酶更容易进入淀粉中心酶解[22-23]。菠萝蜜种子淀粉颗粒平均长度在5.21～12.78 μm，平均宽度在3.21～12.31 μm，颗粒较小，呈圆形或不规则椭圆形[24]。淀粉颗粒表面孔隙较少，较为平滑且紧实。X射线衍射结果表明，淀粉相对结晶度在36.75%～24.21%之间，属于A型结晶结构淀粉[25-26]。本研究结果中菠萝蜜种子淀粉、木薯淀粉、玉米淀粉和大米淀粉均属于A型结构，马铃薯淀粉属于B型结晶结构[11， 21]，因而产生马铃薯淀粉消化性比菠萝蜜种子淀粉更低，抗性淀粉含量更高的结果差异。由于菠萝蜜种子淀粉颗粒小，表面孔隙较少，较为平滑，酶解作用方式为外部逐步向内部进行水解，相比玉米淀粉、大米淀粉由内向外逐步水解，因而产生消化性低、抗性淀粉含量高的结果差异 [27-28]。Chen等[11]报道了菠萝蜜种子淀粉快速消化淀粉、慢消化淀粉和抗性淀粉含量分别为5.92%、19.82%和74.26%，木薯淀粉快速消化淀粉、慢消化淀粉和抗性淀粉含量分别为10.50%、38.43%和51.07%，玉米淀粉快速消化淀粉、慢消化淀粉和抗性淀粉含量分别为12.04%、69.73%和18.23%。本研究关于菠萝蜜种子淀粉、木薯淀粉和玉米淀粉的消化性结果与Chen报道的结果相似。体外消化的结果表明，菠萝蜜种子淀粉在A型结晶结构淀粉中是一类高抗性淀粉含量的淀粉，但是快速消化淀粉和慢消化淀粉含量低，消化性差，难以被酶解。

Chen等[11]的研究表明菠萝蜜种子淀粉具有高抗性淀粉含量的特点，这是由于菠萝蜜种子淀粉具有超分子结构，具体包括结晶度高，直链淀粉含量高，糊化温度高且在动态光散射法实验中发现菠萝蜜种子淀粉峰面积大、半结晶片段薄，表明其具有有序的半结晶结构。扫描电镜表明菠萝蜜种子淀粉表面光滑、形状不规则、粒径小，这些特点是形成高抗性淀粉含量的原因。然而，缪铭[29]的研究表明，谷物淀粉（A型结晶结构淀粉）随着水解的进行，几乎可以完全被水解，这表明谷物类淀粉的抗性含量可以忽略不计。在同为A型结构的淀粉中，菠萝蜜种子淀粉难以被消化，而其他谷物淀粉则几乎能完全被消化，说明从抗性淀粉含量上无法准确判断其消化性，因而需要进一步借助体外消化动力学来表征其消化性能。

具有消化过程缓慢，抗性淀粉含量高、快消化淀粉、慢消化淀粉含量低特点的淀粉表现出酶解缓慢、水解率低的特征[30]。大米淀粉、玉米淀粉为A型结晶结构淀粉，消化过程相似，消化速率快[29]。而B型结晶结构的淀粉消化性比A型淀粉差[20]。本研究发现，菠萝蜜种子淀粉的消化过程比大米淀粉、玉米淀粉和木薯淀粉缓慢，比马铃薯淀粉快，可能是由于菠萝蜜种子淀粉中抗性淀粉含量高和淀粉晶型不同所致，这一结果恰好可以解释2.1中菠萝蜜种子淀粉快速消化淀粉、慢速消化淀粉和抗性淀粉含量的结果。根据Chen等的报道[11]，玉米淀粉慢消化淀粉含量高，导致玉米淀粉在20～120 min之间时酶解快，可作为慢消化淀粉的原料。而菠萝蜜种子的抗性淀粉含量高，是抗性淀粉的良好来源。

据文献报道，抗性淀粉含量越高平衡浓度越小[15]。本研究中菠萝蜜种子淀粉平衡浓度比大米淀粉、玉米淀粉和木薯淀粉低，比马铃薯淀粉高的原因是菠萝蜜种子淀粉抗性淀粉含量高于玉米淀粉、木薯淀粉和大米淀粉，低于马铃薯淀粉。大米淀粉经拟合后，酶解曲线的平衡浓度超过1，可能是由于在0～180 min内水解率高，一级反应动力学速率过快。消化速率的结果差异可能是由于淀粉结晶区无定形区排列，晶型、表面颗粒形貌、颗粒尺寸不同所致。菠萝蜜种子淀粉比大米淀粉和玉米淀粉酶解速率慢可能是由于菠萝蜜种子淀粉比大米淀粉和玉米淀粉颗粒小，表面光滑，结晶区无定形区排列整齐，不利于酶的作用。由此说明菠萝蜜种子淀粉在体外消化过程中比大米淀粉和玉米淀粉更慢达到平衡浓度。菠萝蜜种子淀粉平衡浓度低，消化性差，此结果与2.1测定结果相一致。

缪铭[29]报道了Englyst定义的快速消化淀粉、慢消化淀粉和快速消化淀粉只是一个概念，无法准确反映淀粉在体内的血糖应答。Shumoy等[30]报道了采用淀粉的体外酶解法可以模拟淀粉体内的消化特性，估算食物在体内产生新陈代谢引起的血糖反应。Schwingshackl[31]报道了淀粉的消化和吸收的速率决定了淀粉餐后的代谢速率。虽然酶解动力学和酶解速率表明菠萝蜜种子淀粉水解率低，消化性能较差。但根据前人的报道[30-31]，菠萝蜜种子淀粉还有可能导致体内酶解产生的血糖少，在体内引起的新陈代谢速率慢、餐后血糖应答低。根据Go?i等[18]的报道，可利用体外消化方程模拟体内消化过程和餐后血糖指数。因此本试验利用不同淀粉酶解的预测动力学模型曲线推算血糖指数，进一步分析菠萝蜜种子淀粉的酶解指数和血糖值。

钟耕等[32]报道了以白面包GI值100为标准，以0～100为范围为食物划分血糖等级，GI值高于70为高血糖食物，59～69为中等血糖食物，低于55为低血糖食物。血糖指数与淀粉在小肠中的消化率有关，是基于定量的糖类引起的血糖应答的增加，小肠中消化率越高，血糖值越高[33]。GI值和HI值有良好的相关性，GI值增大，HI值也随之增大，能很好地预测淀粉的餐后血糖应答[15]。本研究中，菠萝蜜种子淀粉GI值和HI值低于大米淀粉、玉米淀粉和木薯淀粉，高于马铃薯淀粉，是由于菠萝蜜种子淀粉消化率低于大米淀粉、玉米淀粉和木薯淀粉，比马铃薯淀粉高。本研究中，大米淀粉、玉米淀粉和馬铃薯淀粉的HI值和GI值与文献报道的结果相似[29，34]。对比本研究中其他A型结晶结构的参考淀粉，菠萝蜜种子淀粉血糖值相对较低，与2.1和2.2的结论相一致。

4 结论

菠萝蜜种子淀粉属A型结晶结构淀粉，抗性淀粉含量远高于其他谷物淀粉，是抗性淀粉的良好来源。经动力学曲线拟合后发现菠萝蜜种子淀粉在0～90 min时水解率高，在90～180 min时呈缓慢上升趋势趋于平衡浓度。经过一级反应动力学方程推算，菠萝蜜种子淀粉比大米淀粉、玉米淀粉更快达到平衡浓度。菠萝蜜种子淀粉平衡浓度和酶解指数比木薯淀粉、大米淀粉和玉米淀粉低，说明其水解缓慢，抗酶解能力强，消化率低，推测经肠道消化后可产生低血糖应答。菠萝蜜种子淀粉的血糖指数属于中等血糖指数食物。相比于其他谷物淀粉，菠萝蜜种子淀粉在人体肠道中消化缓慢，释放血糖速率慢，体内代谢产生的血糖值低，属于中等血糖应答淀粉。

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