韧化处理对3种晶型淀粉消化特性的影响

季寒一 解明昱 李安平,2 阳能静 张 勖

(中南林业科技大学食品科学与工程学院1，长沙 410004)

(工程流变学湖南省重点实验室2，长沙 410004)

淀粉是人类营养和能量的重要来源，但其食用后所引起的血糖快速升高成了消费者日益关注的问题[1，2]。因此，通过改性以提高淀粉中抗性淀粉(RS)和缓慢消化淀粉(SDS)含量，优化其消化特性成了当今的研究热点。韧化处理是在过量水分条件下对淀粉进行高于玻璃化转变温度但低于糊化温度的热处理过程，是一种温和且安全的物理改性手段[3-4]。国内外已有许多关于韧化处理对植物淀粉消化特性影响的研究报道。赵凯等[5]研究表明韧化处理能调整玉米的结晶结构，促进缓慢消化淀粉的形成。王洁[6]采用韧化处理辅助微波制备马铃薯淀粉时发现其中抗性淀粉含量大幅增加。

根据X-射线衍射特征的不同，可将天然淀粉结晶形态分为A型、B型和C型，其中A型主要是玉米、大米等谷物类淀粉，B型主要是马铃薯等块茎类淀粉，C型一般兼具A型和B型的特点，主要是豆类淀粉[7]。经韧化处理后的淀粉仍能保持其颗粒结构的完整性，不损失天然淀粉的原有功能特性[8]，但关于韧化处理对不同晶型淀粉消化特性的影响研究鲜见报道。本研究以玉米淀粉(A型)、马铃薯淀粉(B型)和锥栗淀粉(C型)作为研究对象，探讨韧化处理对此3种晶型淀粉消化特性的影响，以期为淀粉类食物的开发提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

普通玉米淀粉(A型)、马铃薯淀粉(B型)：市售；锥栗淀粉(C型)：自制(油榛产自福建省建瓯市川石乡)。

猪胰腺α-淀粉酶(酶活12 U/mg)、黑曲霉葡萄糖淀粉酶(酶活100 U/mg)；醋酸钠、冰醋酸、葡萄糖、氢氧化钠、3,5-二硝基水杨酸、酒石酸钾钠、苯酚、亚硫酸钠、氯化钙、无水乙醇、溴化钾，分析纯。

1.2 主要仪器与设备

FK-A型组织粉碎匀浆机；Thermo Sorvall LYNX6000型高速冷冻离心机；BlueStar B紫外可见分光光度计；TESCAN MIRA 3扫描电子显微镜；IRTracer-100傅里叶红外光谱仪；X'Pert PRO MPD X-衍射仪；TA Q-2000型差示扫描量热仪。

1.3 方法

1.3.1 锥栗淀粉的提取

综合Adebowale[9]和Correia[10]的方法，并作部分改进。挑选新鲜成熟的锥栗剥壳去衣并清洗切片，按1∶5的料液比加入质量分数为0.2%的NaOH溶液，并于8 000 r/min条件下匀浆机中匀浆2 min，然后室温静置24 h以使蛋白质充分溶解，弃去上层液体。接着水洗剩余物，并依次过100、200、300目筛，得锥栗淀粉乳。淀粉乳以3 000 r/min离心15 min，弃去上清液后将沉淀物表面的褐色层轻轻刮去，加水洗涤，重复操作，直至沉淀物呈白色。取沉淀物于30 ℃烘箱中鼓风干燥48 h，研磨后过100目网筛，得纯锥栗淀粉。

1.3.2 韧化淀粉的制备

分别称取一定质量的玉米淀粉(M-N)、马铃薯淀粉(P-N)和锥栗淀粉(C-N)于具塞锥形瓶中，接着用蒸馏水将其调配成含水量为65%(以干基计)的淀粉乳，混匀后于50 ℃水浴中韧化处理24 h。处理完后取出并以3 000 r/min转速离心15 min，淀粉沉淀置于30 ℃烘箱中鼓风干燥48 h，干燥后研磨过100目筛，分别得玉米韧化淀粉(M-A)、马铃薯韧化淀粉(P-A)、锥栗韧化淀粉(C-A)。

1.3.3 扫描电镜观察(SEM)

将淀粉样品均匀涂布在贴有导电双面胶的金属台上，真空条件下进行2次喷金处理，接着将样品置于扫描电子显微镜中观察，加速电压为20 kV，拍摄并选取具有代表性的样品颗粒形貌图。

1.3.4 X-射线衍射分析(XRD)

参考Tan等[11]和陈翠兰等[12]的方法并稍作修改。将淀粉粉末样品放入样品槽中，压紧后置于X-衍射仪样品台中进行测试。测试射线为波长为0.154 2 nm的单色Cu-Kα射线。测试条件为：管压40 kV，管流40 mA，扫描速度4(°)/min，连续扫描，起始角4°，终止角40°，步长0.02°。用Jade 6.0软件对数据作图，图谱经过平滑后计算衍射曲线与基线间的面积记为X，描出微晶与非晶区分割线，衍射曲线与分割线间的面积记为Y，则淀粉样品的相对结晶度RC=Y/X×100%。

1.3.5 红外光谱分析(FTIR)

参考Wang等[13]和满建民等[14]的方法。将淀粉样品与KBr按照1∶100的比例进行混合压片，然后放入红外光谱仪的样品槽中扫描。扫描波长为400～4 000 cm-1，分辨率为4 cm-1，扫描64次。利用软件Omnic 9.2软件对FTIR图谱进行基线矫正及去卷积处理，半峰宽为19，增强因子为1.9，得到去卷积光谱图，计算在1 045/1 022 cm-1处的峰强度比值R。

1.3.6 淀粉体外消化特性测定

参考Englyst等[15]和Jagannadham等[16]的方法。准确称取200 mg淀粉样品置于100 mL具塞锥形瓶中，加入15 mL乙酸钠缓冲液(0.1 mol/L，pH 5.2)，涡旋混匀后在37 ℃恒温水浴锅中平衡15 min，加入5 mL混合酶液(α-淀粉酶290 U/mL，糖化酶15 U/mL)，混匀后于37 ℃的水浴摇床中振荡。分别在水解20 min和120 min时取样1 mL，加入5%的NaOH溶液0.2 mL灭酶，混匀后以5 000 r/min离心15 min后取0.2 mL上清液于玻璃试管中，加入1.8 mL蒸馏水和1.5 mL DNS试剂，沸水浴显色10 min。流水快速冷却后定容至25 mL的容量瓶中，室温静置30 min后于540 nm处测定吸光度。以蒸馏水和葡萄糖标准液为对照。淀粉样品中各营养片段的具体计算公式：

抗性淀粉：RS=[100-RDS-SDS]×100%

式中：G20为淀粉酶解20 min后产生的葡萄糖质量/mg；G120为淀粉酶解120 min后产生的葡萄糖质量/mg；TG为淀粉干基总质量/mg。

1.3.7 淀粉消化动力学

参照Goni等[17]的体外消化动力学方法。分别测定淀粉样品酶解10、20、30、40、60、90、120、180 min时的水解率：

式中：HR为水解率/%；G为不同时间水解后的葡萄糖质量/mg；W为样品的质量/mg。

淀粉水解曲线遵循一级反应方程C=C∞(1-e-Kt)，水解曲线下面积(AUC)计算公式为：

式中：C∞为平衡浓度/%；K为反应动力学常数/min-1；tf为反应终止时间(180 min)；to为反应初始时间(0 min)。

以白面包的水解曲线面积为标准，以样品水解曲线面积(AUC)与白面包水解曲线积分面积比值的百分数作为样品的水解指数(HI)，因其与血糖指数(GI)之间具有良好的相关性(R2=0.894)。GI计算公式为：

GI=39.71+0.549×HI

1.3.8 差示扫描量热分析(DSC)

准确称取3.0 mg淀粉样品装入铝盒中，按质量比1∶2加入去离子水，压盖密封后于4 ℃条件下平衡24 h后备用。测定时以空铝盒作为对照，扫描温度为10～110 ℃，升温速率为10 ℃/min。用TA Universal Analysis 2000软件计算起始温度To，峰值温度Tp，终值温度Tc，玻璃化温度Tg及糊化焓ΔH。

1.4 数据分析

数据结果的差异显著性(P<0.05)采用SPSS 22软件分析，X-衍射图谱采用Jade 6.0软件处理，红外光谱图采用Omnic 9.2软件处理，绘图和曲线拟合采用OriginPro 2017软件处理。

2 结果与分析

2.1 韧化处理前后3种晶型淀粉的颗粒形貌

3种晶型淀粉韧化前后的扫描电镜图如图1所示。从韧化前各淀粉电镜图可以看出，玉米淀粉颗粒呈现不规则形状，以多角形为主，表面无褶皱和裂痕；马铃薯淀粉颗粒形状规整，呈卵形或椭圆形，表面光滑；锥栗淀粉颗粒形状多样，大小不一，但表面有少量褶皱。

韧化处理前后对比可发现处理后的玉米淀粉颗粒表面出现许多细小的孔洞或凹坑，而马铃薯淀粉颗粒表面出现少许裂纹。Thais等[18]采用63 ℃和62 ℃分别韧化处理蜡质及普通玉米淀粉24 h后，观察到两种淀粉颗粒表面均有孔洞和凹坑的出现，与本结果一致。Xu等[19]采用55 ℃多次循化韧化处理马铃薯淀粉，结果发现部分样品颗粒形态未有变化，而部分却出现与本研究相似的裂纹形貌。孔洞、凹坑和裂纹的出现，以及凹坑孔径的增大，可能是由于这些淀粉颗粒在水和热的作用下一些内源性淀粉酶被激活，攻击位于颗粒外围的直链淀粉分子，致使其部分水解成还原糖所致[18]。

比较韧化处理前后锥栗淀粉的颗粒变化，发现处理后的锥栗淀粉颗粒表面少量的褶皱消失，变得更加光滑，且部分颗粒出现一定程度的团聚现象。这可能是由于锥栗淀粉颗粒在韧化过程中出现有限溶胀，冷却后干燥失水，淀粉颗粒变得更为紧凑和致密所致。李光磊等[20]对同为C型的甘薯淀粉进行韧化处理，发现甘薯淀粉韧化后颗粒边缘破损，凹坑增加，与锥栗淀粉的变化不尽相同。由此可见，韧化处理对同一晶型的不同淀粉颗粒形貌的影响也存在差异，韧化处理效果受淀粉来源及处理条件的共同影响[21]。

图1 韧化处理前后3种晶型淀粉的电镜图

2.2 韧化处理前后3种晶型淀粉的X-衍射分析

采用Jade 6.0软件处理并计算淀粉的结晶度，结果见表1。由表1可知，韧化处理前后3种晶型淀粉的衍射特征峰位置均未发生明显改变，说明韧化处理并未改变3种淀粉的晶型。刘畅等[22]在研究韧化处理对板栗淀粉晶型影响时也表明韧化处理没有改变原淀粉的晶型，与本结论相同。

韧化处理后玉米、马铃薯、锥栗淀粉结晶度均有显著提高(P<0.05)。韧化处理后玉米淀粉、马铃薯淀粉和锥栗淀粉的衍射峰变得更加尖锐，峰形更加明显。这是由于韧化处理改变了淀粉颗粒内部的堆积状态，淀粉晶体进行熔融和分子重排，结晶度增加所致，这与Zavareze等[23]的研究结果一致。

表1 X-射线衍射结果分析

注：*表示同一种淀粉韧化处理前后差异达显著水平(P<0.05)，**表示差异达极显著水平(P<0.01)，下同。

2.3 韧化处理前后3种晶型淀粉红外光谱比较

3种晶型淀粉韧化处理前后去卷积红外光谱(FTIR)见图2。由图2可以看出，韧化前后淀粉去卷积红外光谱图近似，吸收峰的位置并无改变，但吸收峰的强度因淀粉韧化与否而有所差异。

1 045 cm-1与1 022 cm-1处的吸收峰分别表征了淀粉颗粒内部结晶区和无定形区的特性。样品在1 045 cm-1处与1 022 cm-1处的吸收峰强度比值R可以反映淀粉分子在短程范围内的结晶程度和晶体有序性，以表明淀粉无定形态的减少或有序结构的增加[24]。计算3种晶型淀粉韧化前后的R值，结果见图3，3种淀粉比值R从大到小依次为：马铃薯淀粉>锥栗淀粉>玉米淀粉。对比韧化前后R值可看出，玉米和马铃薯淀粉经韧化处理后R值显著提高(P<0.05)，说明韧化处理后该两种淀粉颗粒内部结晶区域增大，晶体排列更加有序，结构更趋稳定，这与表1中结晶度变化趋势相符。Chung等[25]研究表明韧化处理后的玉米、豌豆和扁豆淀粉吸光度比值R较原淀粉也显著增加，与本结果一致。锥栗淀粉韧化后其R值变化不显著(P>0.05)，可能是因为在水和热的作用下，结晶区分子重排后有序性增加，淀粉颗粒内部的堆积状态得到改善的同时受无定形区分子流动性增大的影响限制，因而R值变化较为微弱。

图2 韧化处理前后3种晶型淀粉去卷积红外光谱图

图3 韧化处理前后3种晶型淀粉在1 045cm-1处与1 022cm-1处吸光度的比值R

2.4 韧化处理前后3种晶型淀粉RDS、SDS、RS含量变化

3种晶型淀粉经过韧化处理后的RDS、SDS和RS含量变化规律各不相同，结果见图4。如图所示，韧化处理后3种淀粉的RS含量均显著增加(P<0.05)，玉米淀粉和马铃薯淀粉的SDS含量均极显著减少(P<0.01)。对于RDS含量，玉米淀粉韧化后显著增加(P<0.01)，马铃薯淀粉和锥栗淀粉韧化后却显著减少(P<0.05)。

图4 韧化处理前后3种晶型淀粉RS、RDS和SDS含量变化

玉米淀粉颗粒表面不规则，表面积相对较大，韧化处理时更易促进其形成凹坑结构，使得水解酶更易进入淀粉颗粒内部，因此韧化后RDS含量增加，SDS含量减少。这与Chung等[25]与和'Brien等[26]对玉米淀粉的韧化研究结果相一致。

经过韧化处理后的马铃薯淀粉的RS含量增加，RDS和SDS减少，是因为韧化过程中，马铃薯淀粉颗粒在非结晶区域和结晶区域内均进行了分子重排，部分结构较不稳定的微晶熔融或转化成为了更为致密的晶体[27]。表1结果也显示经过韧化处理后马铃薯淀粉的相对结晶度显著提高(P<0.05)。这与Rosamillá[28]对香蕉淀粉(B型)的研究结果近似，说明韧化处理在一定程度上破坏了淀粉链之间的氢键，起到“塑化”淀粉分子作用，使得部分“缺陷”晶体向更完美的晶体结构转化，增强了淀粉的耐消化特性。

锥栗淀粉经韧化处理一方面其表面细微褶皱消失且部分颗粒聚集，与酶的接触面积减小，因而RDS含量减小；另一方面其内部晶体重排，结构更为稳定，结晶度显著提高(P<0.05)，RS含量增加，使得酶解更为艰难，但总体而言其消化性能在韧化前后并未有较大变化。

2.5 韧化处理前后3种晶型淀粉消化动力学分析

3种晶型淀粉韧化前后的体外水解速率曲线如图5所示。由图5可知，3种晶型淀粉在0～180 min内水解率随时间增加先快速上升，之后缓慢增加并逐渐达到平衡。水解平衡浓度从大到小依次为玉米淀粉、锥栗淀粉和马铃薯淀粉。

图5 韧化处理前后3种晶型淀粉体外水解速率曲线

按照Goni[17]的体外消化动力学方法，采用OriginPro 2017软件对图5中数据进行曲线拟合，得到水解动力学特征参数和模型，结果见表2。与韧化前相比，玉米淀粉和马铃薯淀粉韧化后的水解平衡浓度显著降低(P<0.05)，而锥栗淀粉韧化处理前后平衡浓度无显著差异。此外，3种晶型淀粉经韧化处理后水解指数HI和血糖指数GI均显著降低(P<0.05)，表明3种晶型淀粉在韧化后均更难被人体消化，食用后较不易引起血糖的快速上升。与图4中3种晶型淀粉的RS含量比对发现，当韧化处理后淀粉样品中RS含量增高时，C∞、GI和HI对应降低，它们之间呈现显著负相关(P<0.05)。唐晓婷等[29]在研究压热-冷却循环工艺对淀粉消化动力学特性的影响时也得出了相似结论。

比较3种晶型淀粉韧化前后K值的变化，发现韧化处理后玉米淀粉的K值极显著增大(P<0.01)，锥栗淀粉的K值显著减少(P<0.05)。K值越大说明淀粉的体外消化达到水解平衡浓度C∞的速度越快。考察图4中的RDS含量与表2中的K值变化规律可知，两者呈显著正相关，相关系数R达到0.876(P<0.05)[30]，而K值与RS含量相关性较弱(P>0.05)。

因此，韧化处理有助于降低3种晶型淀粉的血糖指数GI值，改善其消化特性。

2.6 韧化处理前后3种晶型淀粉的热特性

3种晶型淀粉韧化处理前后的热力学参数见表3。由表3可知，3种晶型淀粉韧化前后的终止温度Tc和吸热焓ΔH差异不显著(P>0.05)，初始温度To、峰值温度Tp及玻璃态转化温度Tg在韧化处理后均有显著增加(P<0.05)。此外，韧化后3种淀粉的Tc-To显著减少(P<0.05)，即淀粉经韧化处理后糊化温度范围变窄且向高温方向偏移，由此说明韧化后淀粉内部晶体更为致密均匀，淀粉热稳定性增强。该结果与Wang等[13]的研究结果一致。

表2 韧化处理前后3种晶型淀粉体外模拟水解动力学方程特征参数

RS代表淀粉分子中稳定性最高的结晶部分，RDS代表有缺陷的结晶部分[31-32]。从图4可知，韧化处理后3种晶型淀粉的RS含量均显著增加，RS与SDS间进行了转化，可据此推测在韧化过程中淀粉分子的双螺旋结构发生了重排优化，致使韧化后淀粉分子间结合力增强及双螺旋数增加，并形成了更加致密的结晶结构，结晶度增加，因此韧化后3种晶型淀粉的To、Tp和Tg均增大。

3 结论

韧化处理后玉米淀粉颗粒表面出现凹坑，马铃薯淀粉出现少许裂痕，锥栗淀粉表面细微褶皱消失，颗粒变得光滑；3种淀粉经韧化处理后晶型未有改变，结晶度均显著提升，玉米、马铃薯、锥栗淀粉增幅分别为0.96%、5.12%、1.14%，说明韧化后淀粉分子排列更加有序，结构更趋稳定。

韧化处理显著增加了玉米淀粉、马铃薯淀粉和锥栗淀粉RS含量(P<0.05)，以及玉米淀粉RDS含量(P<0.01)，显著减少了玉米淀粉和马铃薯淀粉的SDS含量(P<0.05)，以及马铃薯淀粉和锥栗淀粉的RDS 含量(P<0.05)；同时，韧化处理显著降低了玉米淀粉和马铃薯淀粉的水解平衡浓度。3种晶型淀粉经过韧化处理后抗酶解能力均有所增强，能延缓食用后血糖的快速上升。