双螺杆挤压对菠萝蜜种子淀粉消化特性及血糖指数的影响

左慧玉,徐 飞,张彦军,*,谭乐和,*,朱科学

(1.华中农业大学食品科学技术学院,湖北武汉 430000;2.中国热带农业科学院香料饮料研究所,海南万宁 571500)

菠萝蜜(ArtocarpusheterophyllusLam.)是原产于印度的一种可食用树生热带水果,为桑科木菠萝属植物[1]。1000年前传入中国,在热带和亚热带地区广泛种植,如云南、广东、广西、海南等地。一个菠萝蜜果实中含有100～120粒,有的多达500粒种子,占总质量的8%～15%[2]。种子是由1 mm厚的外表皮包裹而成,呈咖啡色、椭圆形。其营养物质的占比分别为,蛋白质(18.41%)、淀粉(63.07%)、脂肪(3.30%)、灰分(3.78%)、膳食纤维(5.19%)。菠萝蜜种子中含有大量淀粉,被认为是一种丰富而廉价的淀粉资源。

近几年,菠萝蜜产业发展迅速,产生了大量种子副产物,由于菠萝蜜种子易腐烂,在加工过程中通常被丢弃,造成资源的浪费。课题组前期对菠萝蜜种子淀粉的提取、糊老化特性、结晶结构和消化性等进行了研究[3-4],发现菠萝蜜种子淀粉(JFSS)颗粒呈圆形或钟形,具有高直链淀粉含量、高糊化温度、高结晶度以及高抗性淀粉含量,不利于人体消化吸收。而挤压作为一种高温短时连续的物理改性技术,有着生产效率高、成本低、原料适用性广、营养损失小等优点[5]。在挤压过程中,淀粉颗粒经螺杆输送,在短时间内处于低水分、高剪切、高温状态,之后到达模头处,压力和温度瞬间降低导致水分闪蒸,从而使物料膨化,产生膨胀产品。挤压处理涉及热剪切和机械剪切,可以制造出新的食品,如制备谷物即食早餐、零食、改性淀粉、动物饲料等[6-7],还可用于提高其的消化率。此外,物理改性淀粉也被认为是低安全风险的材料[8]。

本研究采用双螺杆挤压技术,对菠萝蜜种子淀粉进行处理,利用扫描电镜观察挤压前后颗粒表面形貌变化,通过体外消化测定快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)以及抗性淀粉(RS)含量,通过淀粉酶解动力学来评价体外淀粉水解反应的平衡浓度(C∞)、酶水解速率(k)、水解指数(HI)和血糖指数(GI)等指标,对螺杆挤压对菠萝蜜种子淀粉消化性及血糖指数的影响进行分析,为菠萝蜜种子淀粉的加工与利用提供一定的理论依据和参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

菠萝蜜种子 由中国热带农业科学院香料饮料研究所提供;胰α-淀粉酶(酶活100000 U/g)、抗性淀粉试剂盒 爱尔兰Megazyme公司;中性蛋白酶Alphalase NP(酶活160000 U/g) 丹尼斯克有限公司;其他试剂 均为国产分析纯。

UV-2800紫外可见分光度计 上海奥普勒仪器有限公司;DS32-VII试验双螺杆挤压机 济南赛信机械有限公司;LXJ-IIB离心机 上海安亭科学仪器厂;Scientz-18ND冷冻干燥机 宁波新芝生物科技股份有限公司;SHZ-C水浴恒温振荡器 上海博迅实业有限公司医疗设备厂;SY-100C脱壳机 台州市鲨鱼食品机械有限公司;MB45快速水分含量测定仪 瑞士OHAUS公司;80胶体磨 上海科劳机械厂;HZ-2010K恒温摇床 金坛市盛篮仪器制造有限公司;HX-PB908多功能磨浆机 佛山市海迅电器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 菠萝蜜种子淀粉提取 根据胡美杰等[9]的方法进行修改,将新鲜的菠萝蜜种子置于电热鼓风干燥箱内烘干1.5 h,外皮略干内皮湿润时,放入脱壳机快速去皮。之后,置于多功能磨浆机粗粉碎,按料液比1∶4加入蒸馏水混合,胶体磨研磨2 min,再加入0.015%(w/w)中性蛋白酶溶液,调pH至中性,置于摇床上(60 ℃)反应8 h,再次离心15 min(3000 r/min),刮去沉淀物上层褐色皮,沉淀经多次水洗,再用无水乙醇抽滤洗涤3次以上,真空干燥,得到菠萝蜜种子淀粉。

1.2.2 双螺杆挤压实验 采用双螺杆挤压机,螺杆直径为30 mm,挤出机筒长820 mm,长径比(L/D)为19.5∶1。挤出机分为4个区,设置挤出机运行所需的套桶温度Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区分别为:60、70、90 ℃。设置Ⅳ区温度、螺杆转速、物料水分含量为操作变量,参照Zhang等[10]进行修改,设计正交实验设计如表1、表2所示。设定水分含量为20%、30%。在挤出机内,待系统稳定后,开始采集样品,切出的挤出物约长12 cm,冷却到室温。然后将挤出物冷冻干燥12 h,用粉碎机研磨10 min,制成细粉,室温保存,直到进一步使用[11]。

表1 正交试验因素水平表Table 1 Factors and levels of the orthogonal experiment

表2 正交试验设计Table 2 Design of the orthogonal experiment

1.2.3 体外消化测定 根据Wang等[12]进行修改。取3.2 g胰α-淀粉酶溶解于20 mL去离子水中,用磁力搅拌器搅拌10 min,3000 r/min离心15 min,将上清液转移到烧杯中,0.6 mL淀粉糖苷酶(酶溶液现用现配)和加入1 mL去离子水,每个淀粉样品称重1 g(干基),溶于0.2 mol/L醋酸钠缓冲液20 mL(pH=5.2)中,为稳定并激活酶(每升缓冲液加入4 mL 1.0 mol/L的CaCl2溶液),在涡流混合器中剧烈振荡后,取上述混合酶溶液5 mL,玻璃球7个加入此溶液,将溶液放在水浴锅中37 ℃,180 r/min下振荡水浴。每隔20和120 min分别取0.5 mL的水解液,加入4 mL无水乙醇使酶失活。将混合样品离心4000 r/min下离心10 min。取0.1 mL上清液,加入3 mL葡萄糖氧化酶-过氧化物酶(GOPOD),在50 ℃下水浴20 min,以蒸馏水为空白对照,抗性淀粉试剂盒中的葡萄糖为标准样品,在510 nm处测定样品中葡萄糖含量,公式如下:

RDS(%)=(G20-GF)×0.9/TS

SDS(%)=(G120-G20)×0.9/TS

RS(%)=[TS-(RDS+SDS)]/TS

式中,GF:淀粉中游离的葡萄糖的含量(mg),G20:酶解20 min产生葡萄糖的含量(mg),G120:酶解120 min产生葡萄糖的含量(mg),TS:样品中总淀粉含量(mg)。

1.2.4 酶解动力学测定 根据Connolly等[13]的方法稍作修改,取淀粉样品200 mg于试管中,然后加入15 mL醋酸钠缓冲溶液(0.2 mol/L,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-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶的混酶液5 mL,然后立即置于37 ℃水浴中振荡(200 r/min)并准确计时,分别在0、20、40、60、80、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,在4000 r/min离心10 min。取0.1 mL上清液,加入3 mL葡萄糖氧化酶-过氧化物酶(GOPOD),在50 ℃下水浴20 min,以蒸馏水为空白对照,抗性淀粉试剂盒中的葡萄糖为标准样品,在510 nm处测定样品中葡萄糖含量并计算酶解率。其水解淀粉的百分比是用0.9倍的葡萄糖含量来计算的。

酶解率(%)=(Gt×25×0.9)/200×100

淀粉消化曲线遵循一阶方程[14]:

Ct=C∞(1-e-kt)

式中,Ct为任意t(min)时刻淀粉消化率,C∞为反应结束时淀粉消化的百分比估计值,k为淀粉消化速率系数。所得曲线运用Origin 8.5进行拟合。

1.2.5 餐后血糖应答 餐后血糖应答用血糖指数来估算。根据进食后对餐后血糖的时间综合影响,食物的GI分为低、中、高。高GI值(>70)的碳水化合物被肠道快速消化吸收,导致血糖水平升高,而低GI值(<55)和中GI值(56～69)的食物吸收较慢,对血糖水平的升高有较低和中等的作用[15]。利用方程计算水解曲线下的面积:

AUC=C∞(tf-t0)-(C∞/k)[1-exp[-k(tf-t0)]]

式中,C∞为180 min后水解淀粉的平衡百分比,tf为最终水解时间(180 min),t0为初始水解时间,k为动力学常数。

水解指数(HI)由每个样品水解曲线下的面积除以参考样品(新鲜白面包)的相应面积得到,结果表明,该水解指数能较好地预测血糖反应。因此,使用该模型估计预期GI。

GI=39.71+(0.549×HI)

1.2.6 微观形态观察 在样品架上粘一层导电胶,再将样品粘在导电胶上,喷金10 s,用10 kV的加速电压在扫描电镜下观察挤压前后的菠萝蜜种子淀粉[16]。

1.3 数据处理

采用单因素方差分析(ANOVA)检验各指标的差异性统计学意义,方差分析后进行邓肯多重范围检验,显著性水平为P<0.05;采用Origin 8.5软件绘制曲线。所有数据为3次试验的均值。

2 结果与分析

2.1 挤压菠萝蜜种子淀粉体外消化分析

在Englyst分类系统中,淀粉通常分为RDS、SDS、RS,即在20 min内能够快速消化吸收的淀粉、在20～120 min内能被人体缓慢吸收且完全消失在小肠内的淀粉以及120 min后在小肠内不能消化吸收的淀粉[17]。实验测定了所有挤出物的体外淀粉消化率,结果如表3所示,天然菠萝蜜种子淀粉中RDS、SDS、RS含量分别为5.38%、19.19%、75.43%,挤出物的RDS、SDS和RS含量分别为47.85%～58.91%、20.57%～29.89%和17.51%～25.99%,说明挤压蒸煮显著提高了菠萝蜜种子淀粉的消化率,此结果与李博、Chen等[18-19]的研究结果一致。

表3 挤压对菠萝蜜种子淀粉RSD、SDS和RS的影响(%)Table 3 Effect of extrusion on rapidly digestible starch,slowly digestible starch and resistant starch of JFSS

表5 挤压对菠萝蜜种子淀粉水解指数(HI)和血糖指数(GI)的影响Table 5 Effects of extrusion on hydrolysis index(HI)and glycemic index(GI)of JFSS

天然JFSS淀粉有着更高结晶度以及更有序的半晶片层,含有致密的直链淀粉和支链淀粉,这些特性导致颗粒抗性淀粉含量高。在挤压过程中,保持螺杆转速不变,增加水分含量和机筒温度,菠萝蜜种子淀粉的SDS含量增加,RDS、RS含量减小。而保持水分含量不变,增加螺杆转速和机筒温度,RDS含量增加,SDS、RS含量减小,这可能是由于在高螺杆转速下剪切过度,导致淀粉结构完全破坏而使RDS含量明显升高,而温度升高导致淀粉糊化降解,使其失去高RS含量特性,淀粉更易消化[20]。在研究挤压参数对玉米淀粉、豌豆淀粉及芸豆淀粉的影响时,也得到了类似的结果。相反,对于直链淀粉含量较低的玉米淀粉,挤压后RS含量有所增加[21]。挤压处理可能导致淀粉分子结构变化或形成非淀粉复合物(如淀粉-脂质复合物),从而影响JFSS挤出物RDS、SDS以及RS含量的变化。Englyst等[10]定义的RDS、SDS和RS只是个概念,不能准确反映水解过程。因此,在前人报道的基础上,将进行消化动力学分析,进一步分析挤压处理后JFSS的消化率。

2.2 挤压对菠萝蜜种子淀粉水解的影响

菠萝蜜种子淀粉和挤压菠萝蜜种子淀粉水解曲线如图1所示。一般认为,淀粉水解动力学的差异是由于淀粉来源、颗粒大小、结晶度、分子精细结构、表面孔隙和内部通道等因素相互作用的结果[22]。由图1可见,挤压处理对0～120 min内菠萝蜜种子淀粉水解影响更为明显,说明在一定条件下进行挤压处理,可增加淀粉水解率。例如Zhu等[23]对双螺杆挤出机挤出全小麦进行了研究,挤压制品的RDS比非挤压制品高2～3倍左右,SDS和RS较低,说明挤压明显提高了淀粉的消化率。范玉艳等[24]改变挤压机的系统参数,研究了不同参数对不同直链淀粉含量玉米淀粉挤出物酶解力与糊化度的影响。结果表明,机筒温度对玉米淀粉挤出物酶解力及糊化度的影响较明显,机筒温度为60 ℃时,挤出物消化性最高。在本研究中,相比未处理的样品,挤压对菠萝蜜种子淀粉酶解力影响较明显,RS含量明显降低。菠萝蜜种子淀粉水分含量为30%,螺杆转速230 r/min,机筒温度100 ℃时,挤出物的酶解率最高。

图1 挤压对菠萝蜜种子淀粉酶解动力学模型曲线的影响Fig.1 Effects of extrusion on kinetics modelcurve of enzymatic hydrolysis kinetics of JFSS

在整个体外消化过程中,挤压样品的酶解速率均高于天然菠萝蜜种子淀粉。其中E4曲线斜率最大,酶解速率最快,E1的酶解速率最低。所有挤出物在0～20 min内淀粉酶解速率大幅度提高,而在20～180 min内酶解速率上升较为缓慢,淀粉逐渐趋于酶解平衡,到180 min达到最大值。Gallant等[25]报道了类似的趋势。这可能是因为,淀粉分子的无定形区首先快速酶解,而随着水解速率缓慢上升,结晶区开始缓慢水解。

表4和图2说明了菠萝蜜种子淀粉体外酶解的结果,包括对图1曲线进行拟合后所得的特征参数C∞、k及预测曲线。如表4所示,天然菠萝蜜种子淀粉平衡浓度(C∞)、酶解速率(k)分别为35.67%、0.54 h-1。当保持低物料含水量,机筒温度从100 ℃上升到120 ℃,螺杆转速从180 r/min增加到230 r/min时,C∞从71.90%上升到77.43%,k从3.23 h-1上升到3.89 h-1。当保持低螺杆转速,含水量从20%增加到30%,机筒温度从100 ℃上升到120 ℃时,C∞从71.90%上升到75.76%,k从3.23 h-1下降到2.61 h-1。当保持低机筒温度,增加水分含量和螺杆转速时,C∞从71.90%增加到81.08%,k从3.23 h-1增至3.50 h-1。研究表明,淀粉分子结构的不同会导致k值差异明显[26]。而天然JFSS中k值较低,经挤压处理后,k值明显升高,这主要是由于挤压机内机械能消耗,产生的机械剪切作用使淀粉晶体结构的完整性被破坏,增加了酶的敏感性[27]。体外消化方程可用于模拟淀粉的体内消化和餐后血糖指数。因此,进一步利用动力学模型曲线来计算HI和GI,可准确反应淀粉在人体内的血糖应答。

图2 挤压对菠萝蜜种子淀粉酶解动力学模型预测曲线的影响Fig.2 Effects of extrusion on kinetics model forecastcurve of enzymatic hydrolysis kinetics of JFSS

表4 挤压对菠萝蜜种子淀粉体外酶解动力学特征参数的影响Table 4 Effects of extrusion on kinetic characteristicparameters of in vitro-enzymatic hydrolysis of JFSS

GI值是C∞与k共同作用的结果,能更清晰地反映淀粉的消化率。对于淀粉以及淀粉食品,在体外研究中以白面包为参照(GI白面包=100),将低GI、中GI和高GI食品的标准分别定义为:GI<55,GI(55～69)和GI>69[28]。基于这个分类,JFSS属于中等血糖水平食品,挤压后的菠萝蜜种子淀粉属于高血糖水平食品,结果与前人一致。在低水分含量条件下,增加机筒温度、螺杆转速,HI值由84.35升高到90.70,GI值由85.97升高到89.51。在低螺杆转速条件下,随着水分含量、机筒温度的增加,HI值由84.35增加到88.81,GI值由85.97增加到88.43。而在低机筒温度下,增加螺杆转速,水分含量,HI值由84.35增加到95.03,GI值由85.97增加到91.88。这一结果进一步证明了菠萝蜜种子淀粉挤出物更容易消化。

2.4 颗粒形貌分析

由扫描电镜可知,菠萝蜜种子淀粉的颗粒形态呈圆形、钟形,颗粒较小且圆整,表面光滑,这些特性导致种子淀粉对酶的敏感性较低,难以消化。挤压之后,淀粉的体积变大,颗粒破碎,形态呈现明显不规则,表面变得粗糙,有褶皱、裂痕,并出现孔隙。颗粒由致密结构变为疏松多孔,这与前人相关研究结果一致[29]。而在不同的加工条件下得到的挤出物,挤出淀粉对消化酶的敏感性与挤压处理的严重程度直接相关[30](颗粒的破裂使淀粉更易被侵袭,有利于淀粉的体外水解)。对比E1与E2、E3,可以明显看到,保持水分含量不变,增加螺杆转速和机筒温度,种子淀粉表面开始出现孔隙,更有利于酶的进入;而增加水分含量和机筒温度,淀粉表面变得疏松,乳状突起较多,颗粒表面孔隙数增加,淀粉破碎更多。对比E1与E4,增加水分含量和螺杆转速,淀粉孔隙明显变大,间隙更宽,破碎程度更高,淀粉消化性增加,结果与2.1、2.2、2.3一致。

图3 挤压前后菠萝蜜淀粉颗粒扫描电镜照片(200×、5000×)Fig.3 SEM image of JFSS beforeand after extrusion(200×,5000×)

3 结论

双螺杆挤压处理菠萝蜜种子淀粉,颗粒形态被破坏,挤压能有效提高菠萝蜜种子淀粉消化率,RS含量明显低于菠萝蜜种子淀粉。菠萝蜜种子淀粉挤出物在0～20 min内水解率高,在20～180 min时呈缓慢上升趋势,直至趋于平衡。与菠萝蜜种子淀粉相比,菠萝蜜种子淀粉挤出物的C∞、k、HI、GI值也有显著增加(P<0.05),并随挤压参数的不同而变化。经双螺杆挤压后,属于中等血糖水平的菠萝蜜种子淀粉转化为高等血糖水平食物。