肖瑜 ,杨爽 ,刘炳利 ,郑明珠 *,周建宏
1. 吉林农业大学食品科学与工程长春(长春 130118);2. 小麦和玉米深加工国家工程实验室(长春 130118);3. 长春市产品质量监督检验院(长春 130000)
淀粉作为生物大分子,是植物生物体中储存的主要碳水化合物,在很多植物中扮演着重要角色。淀粉也是人体主要的能源物质,在能量代谢供应中有着不可或缺的作用,其为人类主要的能源来源之一[1]。淀粉颗粒中主要是由2种分子组成:直链淀粉和支链淀粉。直链淀粉主要是由α-1, 4-糖苷键连接单个葡萄糖的线性聚合物,但在某些直链淀粉中也存在少量1, 6分支,其螺旋内部只含氢原子,为亲油氢原子。直链淀粉分子间在氢键作用下形成束状结构,该结构不利于和水分子形成氢键;支链淀粉具有高度分支性,是同时含有α-1, 4-糖苷键和α-1, 6-糖苷键的聚合物,其糊化时易伸展,容易形成网状结构,有利于和水分子形成氢键[2]。近年来,为满足特定人群的营养需要,淀粉被广泛应用于食品,并且淀粉作为许多食品的基质,食品中往往含有丰富的淀粉或改性淀粉,其目的主要是稳定产品结构以及改善产品营养特性。有研究发现淀粉-蛋白质复合物可作为脂肪的替代物,研制出低脂的功能性食品[3]。此外,普通淀粉和淀粉制品容易出现回生现象,而糯性淀粉具有低回生性,因糯性淀粉一般是由支链淀粉构成,支链淀粉具有高支化结构,链间靠拢受到较强的抑制,支链淀粉的回生作用通常进行得很慢,可延缓食品老化。因此,食品和淀粉工业对糯性谷物淀粉较感兴趣[4]。如在制作面条的过程中加入适量的糯性淀粉,面条的黏弹性和爽滑性均有极大提升。在制作面包中用糯性小麦粉代替常用的添加剂(酶、乳化剂等)可延长烘焙食品货架期。
根据淀粉体外消化的速度和程度,淀粉一般可分为快速消化淀粉(RDS)、慢性消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)三类。快速消化淀粉可在短时间内在酶活的催化下降解形成葡萄糖,一般是α-淀粉;慢性消化淀粉则需要在小肠内达到120 min之后才能转变成葡萄糖,主要为一些生的未经糊化的淀粉;抗性淀粉又称为抗酶解淀粉,属于难消化淀粉,在小肠中不能被酶解,在体内消化缓慢,可与结肠中的挥发性脂肪酸起发酵反应。因糯性谷物几乎不含直链淀粉或含量很低,为中国居民喜爱的传统食品。但过高的消化率会促进疾病的发生率,近年来,出现很多危害人类健康的问题,如代谢和生活方式紊乱问题。肥胖、糖尿病、高血脂、脂肪肝等出现越来越低龄化。因此选择低消化率的淀粉类食物是大势所趋[5]。越来越多的研究将重心放在如何降低糯性淀粉消化率方面。因此,主要阐述近些年国内外糯性淀粉消化性的影响因素,以及糯性淀粉SDS、RS的制备,对糯性淀粉在食品中的应用等研究进展进行综述。
糯性淀粉的消化受到内因和外因的影响,内因包括淀粉颗粒的形状和大小、直链淀粉和支链淀粉的比值、支度化、链长、淀粉的结晶结构等[6]。外因包含内源蛋白质和脂肪等[7]。
1.1.1 直/支淀粉比例
不同来源的淀粉其直链淀粉含量、直链淀粉和支链淀粉分子大小及支链淀粉的分支化等都各不相同,而含量不同会导致淀粉的消化性、食品和工业用途不一样。Singh等[8]研究对比13种化学诱导变异的糯米和7种未变异的糯米,发现在变异的糯米中支链的长短链之比较商业米更高,随着储存天数的变化,回生焓值和储存模量与支链淀粉呈现较高相关性。这表明糯性淀粉的溶胀能力要比普通淀粉更高,阻碍淀粉之间定向取向[9]。前期研究表明,淀粉颗粒的溶胀能力降低会抑制酶对淀粉颗粒的消化[10]。Kim等[11]通过动力学研究支链长度分布的淀粉蔗糖酶改性糯玉米淀粉体外消化,发现具有特定长度的分枝链有助于各组分分布,并确定淀粉蔗糖酶修饰淀粉的主要微晶配置,从而导致消化特性的多样性。
1.1.2 结晶结构
贝米勒等[12]揭示支链淀粉分支位于微晶间的无定形区,随着分支的线性短链缠绕成双螺旋,因此分支点将更多位于双螺旋簇之间的无定形区,且在支链淀粉的簇状模型中提出薄层结晶核无定形层交替堆叠的现象。Qiao等[13]为深度了解糯性淀粉的消化率,研究淀粉的多尺度超分子结构,建立淀粉多尺度超分子结构与多相消化速率的关系,对进一步了解淀粉消化率提供依据。
谷物中的淀粉一般被蛋白质和脂肪包裹,三者之间通过氢键及二硫键等价键作用结合,因此蛋白质和脂肪的存在可能会影响淀粉的消化率[7,14]。
Hu等[15]用十二烷基硫酸钠(SDS)处理具有不同直链淀粉含量的大米淀粉以降解淀粉表面的蛋白质和脂质,结果表明,蛋白质和脂质的降解不仅影响糯性淀粉的糊化性质,而且可以加速酶向淀粉颗粒中心的渗透并增加其底物对酶的吸收,从而改善淀粉的酶促水解、改变糯性谷物淀粉的消化性。
研究表明,脂肪对淀粉的消化性也有影响,脂肪与直链淀粉形成复合物[16]。形成的直链淀粉-脂肪复合物可归类于一种抗性淀粉,因此,这种复合物的形成可能也是导致淀粉消化率下降的一种原因。Li等[17]对普通和糯性小麦及其A-型和B-型淀粉进行脱脂处理,结果发现,脱脂处理不改变原普通和蜡质小麦淀粉及其分离的A和B颗粒的A型X射线衍射图,但相对结晶度显著降低,表明淀粉颗粒的晶体结构已被破坏。在普通小麦淀粉中,发现在2θ=20°处的峰指示直链淀粉-脂肪复合物(V型),而糯性小麦中,其峰指示弱,这可能是由于脂质与支链淀粉的外侧分支之间形成V-络合物。另外,在脱脂处理后普通和糯小麦淀粉及其A和B颗粒淀粉在20°下的衍射峰并没有消失。这可能是由于脱脂处理只是除去非淀粉脂质和淀粉表面脂质,而内部淀粉脂质没有被除去。由于支链淀粉的高度分支化,支链淀粉外侧的短链可能和脂肪结合,但其具体以怎样结构存在尚不清楚,需要进一步探究。
糯性谷物淀粉结构组成赋予其高黏度的特点,加工过程中易于粘附于机器上,不利于加工。为改良糯性谷物淀粉的高黏度特性,可通过对淀粉进行改性而改变淀粉结构。改良之后的淀粉会提高淀粉中抗性淀粉和慢性消化淀粉含量,降低黏度及消化性。通常利用生物改性[18]、物理改性[19]、化学改性[20]等方式提高淀粉中抗性淀粉和慢性消化淀粉含量,从而改善糯性谷物淀粉的消化特性。
2.1.1 酶改性
利用酶改性淀粉可增加淀粉中慢性消化淀粉和抗性淀粉含量。Bo等[21]向糯性玉米淀粉中加入淀粉蔗糖酶从而增加慢性消化淀粉含量,结果表明慢性消化淀粉含量增加到38.7%。根据Cai等[22]的研究,在糯小麦和玉米脱支糯性淀粉中,使用1%异淀粉酶处理24 h,在25 ℃条件下储存24 h后,两者淀粉中的抗性淀粉含量显著增大,抗性淀粉水平分别从0.4%增到67.7%,以及从4.3%增到68%。基于此发现经过酶处理之后的淀粉,可大幅增加慢性消化淀粉和抗性淀粉含量。
普鲁兰酶(Pullulanase)属于脱支酶,可专一性地切开支链淀粉淀粉分支点处的α-1, 6-糖苷键,切下整个分支结构,形成直链淀粉,得到脱支淀粉(DBS)[23]。与普鲁兰酶作用相似的是异淀粉酶,异淀粉酶也作用于1, 6-糖苷键,将异淀粉酶作用于糯米淀粉,随着支链淀粉的支链不断地被酶切断,碘色反应由红变蓝,还原力增加[24]。研究证实,脱支淀粉是慢性消化淀粉和抗性淀粉的良好来源[25]。脱支酶通过降低底物分子量和增加直链淀粉产量来促成抗性淀粉和慢性消化淀粉的产生。Miao等[18]用普鲁兰酶对糯性玉米淀粉脱支,研究其消化率的变化,在重结晶8 d之后,获得最佳慢性消化淀粉含量。同时,研究脱支时间、脱支酶浓度、贮藏时间和温度对糯玉米淀粉样品消化率和结构性能的影响。发现用于处理糊化淀粉的酶浓度较高,脱支时间较短时,慢性消化淀粉含量较高,而抗性淀粉含量随时间增加。普鲁兰酶水解后可以得到纯度较高的直链淀粉,因此可以用来制备抗性淀粉和慢性消化淀粉。
2.1.2 微生物改性
微生物改性主要发生在谷物的浸泡发酵过程中。在糯米酒发酵过程中,观察糯米淀粉颗粒,研究其消化率和结构变化。结果表明,发酵过程中的糯米淀粉的消化率有显著变化,发酵之后,抗性淀粉和快速消化淀粉含量迅速降低,慢性消化淀粉含量增加,发酵后的慢性消化淀粉含量是熟制糯米淀粉的3.6~6.4倍。随着发酵时间增加,淀粉颗粒表面变得多孔,有研究表明,有某些通道流向孔的中心区域,酶可通过这些通道进入淀粉的颗粒中使得淀粉水解。而且随着发酵时间的增加,结晶层会增厚,淀粉分子聚集顺序较高[26]。因此,淀粉形态的变化和结晶状态与淀粉的消化率有关,可控制发酵的程度来降低糯米淀粉的消化率。
2.2.1 湿热处理改性
湿热处理(HMT)是指在少量的水存在情况下,即含水量低于糊化所需要的水含量,在一定的温度范围(高于玻璃化转变温度但低于糊化温度)处理淀粉的一种物理方法。湿热处理不会改变淀粉的结构,也不会对环境造成污染,是作为淀粉改性常用的方法。当对水稻谷物进行湿热处理时,抗性淀粉的含量会呈现不同的结果,湿热处理(含水量18%,60 min)能促进抗性淀粉含量的增加,而湿热处理(含水量16%,60 min)却导致大米粉中慢性消化淀粉的增加[19]。该结果和Jiranuntakul等[27]的研究结果相似,即对糯玉米淀粉采用湿热处理(含水量25%,100 ℃,6 h)后,抗性淀粉的含量从27%增加到40.3%。张二娟等[28]的研究也指出,随着湿热处理温度升高和时间延长,慢消化淀粉含量呈先降低后增加趋势。湿热处理工艺简单,易于操作,无污染,用这种方法处理淀粉不仅有利于环境,还可以降低糯性谷物的消化率。
Hoover等[29]将含水量30%普通玉米、糯玉米、无光泽糯玉米和高直链淀粉玉米V淀粉在100 ℃的条件下热处理16 h。结果显示,湿热处理后直链淀粉含量明显降低(高直链玉米淀粉V>普通玉米),膨胀因子表现出高直链玉米V>糯玉米>无光泽糯玉米>普通玉米,直链淀粉浸出表现出高直链玉米V>普通玉米,糊化黏度表现出高直链玉米V>普通玉米。所有淀粉的糊化转变温度在湿热处理后增加(高直链玉米V>普通玉米>糯玉米>无光泽糯性玉米)。然而,糊化温度范围仅在普通玉米和高直链玉米V淀粉中增加(高直链玉米V>普通玉米),而在两种糯性淀粉中保持不变。
分别以质量分数10%和21%的固体浓度的糯米淀粉和正常大米淀粉进行脱支处理,在25或50 ℃条件下培养,并进一步进行退火或湿热处理(HMT),使得抗性淀粉含量增加到74.5%[30]。湿热处理(HMT)和退火是经常用于改变淀粉颗粒的理化性质和消化率的2种类型的水热处理。
2.2.2 退火处理改性
退火指的是淀粉在过量的水或适量的水且在高于玻璃态转变温度但低于糊化温度的条件下的一种物理变性方式[31]。退火处理仅涉及水、热,并没有引入任何化学试剂和生物试剂,属于环境友好型的一种处理手段。Lan等[32]研究了退火处理后普通、高直链淀粉和糯小麦淀粉的理化性质,发现退火时淀粉的热稳定性和结晶度增加,结晶度增加顺序为:糯小麦>高直链淀粉小麦>普通小麦,对α-淀粉酶水解的敏感性顺序为:糯小麦淀粉>高直链淀粉>普通小麦淀粉(<24 h);高直链淀粉>普通小麦淀粉>糯小麦淀粉(>24 h),退火处理后的淀粉对α-淀粉酶的敏感性降低。Rocha等[33]得到相似结果,对普通玉米淀粉和糯玉淀粉进行研究,发现糯玉米淀粉在退火处理之后其酶解率基本保持不变且结晶度增加,可能是其直链淀粉含量低及结晶区域形成的组织具有更高的抗性,导致结晶度百分比增加。
退火处理可通过淀粉链之间的相互作用而形成完美的结晶,进而改变淀粉的理化性质。卢艳华等[34]以蜡质玉米淀粉为原料,研究退火处理对慢性消化淀粉形成之间的关系,发现退火处理后淀粉颗粒表面出现不同程度凹坑、裂纹和碎片,说明淀粉分子进行重组,淀粉颗粒在热量和水分长时间作用下其内部结晶结构更完美,有利于慢性淀粉的形成。而且退火处理之后出现直链淀粉-脂质复合物,复合物的形成可提高慢性消化淀粉含量,降低淀粉消化性。
2.2.3 微波改性
微波因和普通的加热方式相比有更多优点,近年来备受国内外研究者青睐。微波作为一种新型、方便的能源,被广泛应用于食品加工业中。物质可以吸收微波,淀粉对微波的吸收主要取决于介电常数和介电损耗正切[35]。因此用微波改性淀粉,淀粉的一些性质(黏弹性,延展性)会得到改善,微波也可用于制备抗性淀粉。穆燕等[36]采用微波辐射对糯玉米淀粉糊进行改性,研究不同温度、微波功率及微波时间对糯玉米淀粉糊流变特性的影响,结果发现,微波对糯玉米淀粉糊的流变特性作用显著,表现为黏度下降、淀粉流动性增加,这有利于工厂加工。
与穆燕等的研究结果不同的是,Lewandowicza等[37]对中等含水量(30%)的小麦、玉米和糯玉米淀粉进行微波处理,研究微波辐射对谷物淀粉理化性质和结构的影响。发现微波辐射导致溶解度和结晶度下降。普通玉米和小麦淀粉发生明显变化,而在相同条件下,糯玉米淀粉几乎没有变化。研究认为这些不同变化取决于淀粉种类。不同淀粉对微波辐射变化的敏感性不仅取决于其晶体结构,而且取决于其直链淀粉含量。淀粉经过微波处理后,结构会发生变化,如偏光十字会减弱,结晶状态会从B型转化成V型。
糯性淀粉不仅可以用生物方法和物理方法进行改性,增加慢性消化淀粉和抗性淀粉含量,还可用化学改性的方法,化学改性的淀粉包含酸改性淀粉、交联淀粉、部分酯化或醚化的淀粉等。
2.3.1 酸改性淀粉
酸改性糯性淀粉基本保持原淀粉颗粒形状,但受热发生变化后与原淀粉在理化性质上有很大的差别。林华山等[38]将无水甲醇、无水乙醇、异丙醇及正丁醇作溶剂,用盐酸对糯玉米淀粉进行改性处理,结果显示,从甲醇到正丁醇,糯玉米淀粉的冻融稳定性逐渐减弱,溶解度依次增大,而膨胀度则与溶解度结果相反。但是Miao等[39]对酸处理糯性玉米淀粉残留物的分子结构进行研究,并研究在35 ℃ 2.2 mol/L HCl作用的不同时间下的残留物的体外消化率。酸处理期间,伴随着快速消化淀粉降低,抗性淀粉有所增加,慢消化淀粉含量基本保持不变,说明淀粉的无定形区的水解会对糯性玉米淀粉的消化性有所影响。
2.3.2 羟丙基淀粉
在淀粉分子中引入一定数量羟丙基,淀粉的理化性质受到影响。在NaCl(0.629和0.471 mol/L)存在下进行糯玉米淀粉的羟丙基化,与POCl3交联结果导致抗性淀粉水平从0增加到25.6%,表明加入NaCl会增强抗性淀粉含量[20]。
2.3.3 交联淀粉
交联是淀粉化学改性常用的一种方法,常用的交联剂有三氯氧磷、三偏磷酸钠、己二酸、六偏磷酸盐等。Woo等[40]研究表明,交联处理产生的抗性淀粉与天然淀粉相比具有磷含量升高、膨胀低、不溶性、温度升高和糊化焓降低的特点。Park等[41]将糯玉米淀粉进行交联、HMT、HMT-交联和交联-HMT处理,结果发现交联-HMT淀粉的抗性淀粉含量增加,在生淀粉中RS为28.7%~41.5%,在糊化淀粉中为23.3%~25.0%。交联-HMT淀粉的抗性淀粉比例与生淀粉交联中的相似,但HMT和交联-HMT在糊化淀粉中显示出相似的抗性淀粉比例。Han等[20]得到相似研究结果,即对于糯玉米淀粉,交联(CL)和羟丙基化(HP)或乙酰化(AC)稳定化的组合产生的慢性消化淀粉比仅用交联处理产生的慢性消化淀粉含量更多。在Liu等[42]的研究中,糯性淀粉交联处理后,溶胀能力和溶解度降低,硬度增强。
淀粉经改性后,其理化性质改变。对于糯性谷物淀粉而言,淀粉来源、淀粉颗粒大小、直链淀粉/支链淀粉比例、直链淀粉含量、晶体结构、支链淀粉链长、淀粉组分之间的分子缔合程度、结晶度等多种因素的相互作用极大影响了淀粉消化率。因此,糯性淀粉的结构对淀粉消化性有重要影响。
影响淀粉消化性的外因有多种。如操作条件,采用不同碱液浓度改变各种各样的淀粉超分子结构,其消化性也会随之改变,研究发现,用高浓度的碱液处理糯性淀粉,伴随着淀粉结构的破坏,也出现一些具有较高热稳定性的次序并降低淀粉分子对酶的可及性[13]。
另外,将淀粉和不同物质混合,也将导致淀粉消化率的变化。冷雪[43]将茶多酚添加于辛烯基琥珀酸淀粉酯(OSA淀粉)、糯玉米淀粉中,通过体外消化测定茶多酚对老化不同时间后的淀粉消化性的影响,结果发现随着茶多酚浓度增大,2种淀粉的消化率均降低。有研究表明多酚对淀粉的消化性的抑制是通过抑制α-淀粉酶的活性而实现的,即多酚占据α-淀粉酶一个结合位点形成非竞争抑制,且多酚可与氨基酸Asp 300侧链相互作用,形成氢键和范德华力抑制酶活性,降低消化率。此外,多酚类物质因其抗氧化能力,可使产物具有一定的抗氧化性[44-45]。Vernon-carter等[46]将吐温-80加入淀粉中研究淀粉的消化率变化,结果发现,淀粉中的抗性淀粉含量增加,这可能是吐温-80的加入使淀粉-表面活性剂复合物形成,从而具有抗水解作用。
糯性谷物淀粉的结晶结构,特殊的糊化吸水过程,其理化特性区别于其他淀粉,具有一定的抗老化作用,糯性谷物淀粉经常应用于焙烤食品中,可大幅降低老化带来的不良影响,从而提高焙烤食品的质构特性。与此同时,通过一些方式对糯性淀粉进行改性,可降低淀粉的消化率,而提高糯性淀粉的营养价值,使其更好应用于食品工业中。糯性谷物将作为一个很好的功能性食品原料,具有广泛应用前景,可根据糯性谷物本身的性质和功能开发具有不同特色的功能性食品,对开展糯性谷物淀粉的研究与推动糯性谷物食品发展进程有重要意义。