中把大蕉淀粉的稳定性及酶解动力学

夏 雨，徐 勇,2，李燕杰，袁根良，杜 冰，杨公明,*

(1.华南农业大学食品学院，广东 广州 510642；2.广东省食品工业研究所，广东 广州 510308)

中把大蕉淀粉的稳定性及酶解动力学

夏 雨1，徐 勇1,2，李燕杰1，袁根良1，杜 冰1，杨公明1,*

(1.华南农业大学食品学院，广东 广州 510642；2.广东省食品工业研究所，广东 广州 510308)

以差示扫描量热法(DSC)和酶水解法研究中把大蕉(Musa×paradisiaca L.)淀粉对热、酸、碱及淀粉酶的稳定性。结果表明：中把大蕉粉主要成分为淀粉，约占干基质量的78%左右，是一种理想的天然抗性淀粉来源；其糊化起始温度To为72.10℃、峰值温度Tp为77.56℃和结束温度Tc为80.40℃，糊化焓ΔH为9.698J/g；最大耐酸浓度为0.001mol/L；最大耐碱浓度为0.01mol/L。以中把大蕉淀粉的酶解曲线为基础，采用Wilkinson统计法求解米氏常数得出：Vm=0.4426mg/(mL·min)，Km=6.566mg/mL，即中把大蕉淀粉的酶解动力学方程为：V=0.4426×[S]/(6.566+[S])。

中把大蕉；淀粉；热稳定性；酸解稳定性；碱溶稳定性；酶解动力学

香蕉是热带、亚热带特色水果，具有润肠通便、提高机体免疫力、抗癌抗肿瘤、保护心血管、抗氧化、治疗抑郁症等众多生理功能，被誉为“新的水果之王”[1]。香蕉属于芭蕉科芭蕉属真蕉亚属，分为香牙蕉、大蕉、粉蕉和龙牙蕉4个类型[2]。中把大蕉(Musa× paradisiaca L.)，不仅产量高、抗逆性强，且抗性淀粉含量高，是天然抗性淀粉的理想来源。其假茎高2.3～3m，茎粗，果穗长，果指长，果形直且起棱，后熟皮较厚，色淡黄或土黄，肉质柔滑，甜带微酸，无香味[3]。中把大蕉是华南地区广泛种植的品种，除果穗中间部分可作为商品蕉销售外，两端部分常被废弃，采后损失十分严重[4]。Torre-Gutierrez等[5]以青蕉为原料提取制得高纯度的大蕉淀粉，呈椭圆形，直链淀粉含量为22.2%，支链淀粉含量为77.8%。Zhang等[6]认为香蕉淀粉属于低直链淀粉、高蛋白产品，富含抗性淀粉，有极好的生理功能。赵国建等[7]指出天然香蕉淀粉的晶体类型属于C型。Mota等[8]指出不同品种香蕉粉的主要组成为淀粉，糊化温度在68～76℃之间。Gonzalez-Soto等[9]利用双螺杆挤压膨化对香蕉粉进行预糊化，再冷藏来增加抗性淀粉含量，以提高香蕉粉的保健功能。Aparicio-Saguilana等[10]添加15%的香蕉粉来制备慢速消化饼干，相比于空白对照77.62%的淀粉水解率，添加后淀粉水解率为60.53%，可有效减缓饼干中淀粉的消化速度。因此，利用残次蕉加工成富含抗性淀粉的功能性食品配料，在加工中尽量减少天然抗性淀粉的降解，可使最终产品具有抗性淀粉的保健功能。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

中把大蕉(Musa×paradisiaca L.)购于番禺万倾沙农场，位于广州市中南部，属南亚热带海洋性季风气候，年均降水量1900mm，年均温21.6℃，处于北纬22°45′～23°05′、东经113°14′～113°34′之间。

柠檬酸 东莞市华宏化工有限公司；VC 北京嘉源化工有限公司；亚硫酸氢钠 广州市东红化工厂；3,5-二硝基水杨酸(DNS) 国药集团化学试剂有限公司；酒石酸钾钠、氢氧化钠 天津市大茂化学试剂厂；苯酚天津市化学试剂一厂；亚硫酸钠 江苏强盛化工有限公司；中温α-淀粉酶(M0003) 北京奥博星生物技术责任有限公司；糖化复合酶(糖化酶+普鲁兰酶，3×104U)广州裕立宝生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

HR2860型打浆机 飞利浦有限公司； TDL-5-A型离心机 上海安亭科学仪器厂；DGG-9070B型电热恒温鼓风干燥箱 上海森信实验仪器有限公司；103型高速中药粉碎机 瑞安市永历制药机械有限公司；100目国家标准检验筛 浙江上虞市华丰五金仪器有限公司；YP6000电子天平 上海第二天平仪器厂；pH S-25酸度计 上海雷磁仪器厂；HH-4数显恒温水浴锅 金坛市富华仪器有限公司；SHZ-88台式水浴恒温振荡器 江苏太仓市实验设备厂；752N分光光度计 上海精密科学仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 原料制备

中把大蕉全粉制备工艺流程：市购中把大蕉→清洗→去皮→护色处理→打浆→离心脱水→低温干燥→粉碎→过100目筛→中把大蕉全粉→包装成品。

1.3.2 中把大蕉粉组分分析

水分含量测定：按照GB/T 12087—2008《淀粉水分测定 烘箱法》，重复3次取平均值；淀粉含量测定：按照GB/T 5514—2008《粮油检验 粮食、油料中淀粉含量测定》，重复3次取平均值；膳食纤维含量测定：按照GB/T 5009.88—2008《食品中膳食纤维的测定》，重复3次取平均值。

1.3.3 中把大蕉淀粉稳定性分析

1.3.3.1 中把大蕉淀粉热稳定性分析

用去离子水准确配制质量分数为20%的淀粉溶液(按干基计)，以微量进样器加入到DSC坩埚中，坩埚加盖密封，以空皿作为参比，然后以5℃/min的速率升温，温度范围30～100℃。

1.3.3.2 中把大蕉淀粉酸解稳定性分析

称取2.0g中把大蕉淀粉，分别加入浓度为10.0、1.0、1.0 ×10-1、1.0 ×10-2、1.0 ×10-3、1.0 ×10-4、1.0×10-5、1.0×10-6、1.0×10-7mol/L的盐酸溶液，在室温下振荡30min，于3000r/min离心10min，用DNS法测定上清液中还原糖含量[11]，并计算中把大蕉淀粉的保留率，重复3次取平均值。

1.3.3.3 中把大蕉淀粉碱溶稳定性分析

称取2.0g中把大蕉淀粉，分别加入10.0、1.0、1.0 ×10-1、1.0 ×10-2、1.0 ×10-3、1.0 ×10-4、1.0 ×10-5、1.0×10-6、1.0×10-7mol/L的氢氧化钠溶液，在室温下振荡30min，于3000r/min离心10min，用DNS法测定上清液中还原糖含量，计算中把大蕉淀粉的保留率；称取沉淀质量，计算中把大蕉淀粉的膨胀率，重复3次取平均值。

1.3.4 中把大蕉淀粉酶解动力学模型

取质量浓度为20mg/mL中把大蕉淀粉溶液1mL，加入pH6.0的磷酸缓冲溶液2.0mL，摇匀后于50℃水浴中保温预热5min，加1.0mL α-淀粉酶液，使反应液的酶活力达到5U/mL，反应5min后取出，沸水浴5min钝化酶，于3000r/min离心10min，取上清液用DNS法测定还原糖含量。用Excel软件通过双倒数法[12]和Wilkinson统计法[13]求解米氏常数，推导出中把大蕉淀粉酶解的动力学方程。

1.3.5 计算

1.3.5.1 淀粉水解率的计算

根据DNS法测定的还原糖含量，按下式折算为淀粉当量计算淀粉水解率，公式如式(1)。

式中：0.9为还原性葡萄糖与淀粉换算率。

1.3.5.2 淀粉保留率及膨胀率的计算

根据DNS法测定的还原糖含量，按下式折算为淀粉当量计算淀粉保留率，公式如式(2)。

式中： 0.9为还原性葡萄糖与淀粉换算率。

1.3.5.3 淀粉水解速率的计算

根据DNS法测定的上清液中还原糖的含量，按下式计算反应5min时的反应速率V。每组实验重复3次取平均值。

2 结果与分析

2.1 中把大蕉粉基本组成分析

按照国标方法分别测定中把大蕉粉中水分、淀粉和膳食纤维含量，其质量分数组成如图1所示。

图1 干制中把大蕉全粉基本组成成分Fig.1 Basic compositions of plantain powder

从图1可知，中把大蕉粉的主要成分为淀粉，约占总质量的78%。其次为水分和膳食纤维，分别占总质量的10%和9%，其他成分约占3%。Juarez-Garcia等[14]以青蕉制得的香蕉粉中淀粉含量为73.36%，纤维素含量为14.52%。因此，以中把大蕉为原料制得的中把大蕉粉主要成分为淀粉和膳食纤维，经测定其中富含天然抗性淀粉，可作为一种功能性保健食品的原辅料。

2.2 中把大蕉淀粉的稳定性研究

2.2.1 中把大蕉淀粉的热稳定性分析

图2 20%中把大蕉淀粉溶液的DSC热分析曲线Fig.2 DSC thermal analysis curve of 20% starch solution

从图2可知，大蕉淀粉的糊化起始温度To为72.10℃、峰值温度Tp为77.56℃，结束温度Tc为80.40℃，糊化焓ΔH为9.698J/g。朱帆等[15]利用DSC法研究小麦淀粉与面粉糊化和回生特性得出，小麦淀粉糊化起始温度To为56.90℃、峰值温度Tp为62.70℃，结束温度Tc为71.30℃，糊化焓ΔH为6.50J/g。因此，中把大蕉淀粉比小麦淀粉具有更高的糊化温度和糊化焓，即中把大蕉淀粉的热稳定性优于小麦淀粉，其最高耐受温度为72.10℃。

2.2.2 中把大蕉淀粉的酸解稳定性分析

中把大蕉淀粉在不同浓度的盐酸溶液中酸解30min后，其水解率和保留率结果如图3所示。

图3 不同酸浓度下中把大蕉淀粉的水解率和保留率Fig.3 Hydrolysis rate and retention rate of plantain starch under acidic solutions with various concentrations

从图3可知，随着盐酸浓度的增大，中把大蕉淀粉水解率先趋于平缓后呈急剧增大趋势，而保留率先趋于平缓后呈下降趋势。在强酸作用下中把大蕉淀粉颗粒发生降解，大分子淀粉降解为小分子单糖。周小柳等[16]利用酸法制备玉米微孔淀粉，在盐酸的作用下玉米淀粉沿着径向逐步向颗粒中心推进，同时小孔孔径逐渐扩大，形成空洞结构，且颗粒仍保持基本形状。因此，当盐酸浓度大于0.001mol/L时淀粉颗粒表面开始被酸降解，小分子糖含量增加，中把大蕉淀粉对酸的最大耐受浓度为0.001mol/L。

2.2.3 中把大蕉淀粉的碱溶稳定性分析

中把大蕉淀粉在不同浓度的氢氧化钠溶液中，室温振荡30min后，其膨胀率和水解率见图4。

图4 不同NaoH浓度下中把大蕉淀粉的水解率和膨胀率Fig.4 Hydrolysis rate and expansion rate of plantain starch under alkaline solution with various concentrations

从图4可知，随着氢氧化钠浓度的增大，中把大焦淀粉膨胀率呈增大趋势，而水解率始终保持较小状态，呈微弱的下降趋势。田景霞等[17]利用酒精碱法制备颗粒冷水可溶甘薯淀粉指出，氢氧化钠溶液浓度低，淀粉颗粒不能充分溶胀，其双螺旋结构解离得少，淀粉颗粒结构完整；随着氢氧化钠溶液浓度的逐渐增加，淀粉颗粒充分溶胀，其双螺旋结构解离，淀粉颗粒被破坏。因此，中把大焦淀粉颗粒开始溶胀、双螺旋结构开始解离的氢氧化钠浓度为0.01mol/L，中把大焦淀粉对碱的最大耐受浓度为0.01mol/L。

2.3 中把大蕉淀粉的抗酶解特性

2.3.1 中把大蕉淀粉的酶解特性

分别吸取质量浓度为0、2、4、6、8、10、12、14、16、18mg/mL的中把大蕉淀粉溶液1mL，加入pH6.0的磷酸缓冲溶液2mL，预热5min后，加入20U/mL的中温α-淀粉酶液1.0mL，在50℃条件下进行水解实验，测定反应速率，结果如图5所示。

图5 反应速率与中把大蕉淀粉质量浓度的关系Fig.5 Relationship between reaction velocity and plantain starch concentration

从图5可以看出，随着底物质量浓度的增加，淀粉的酶解速率先急剧上升后趋于平缓。当底物质量浓度小于10mg/mL时，酶解速率随着底物质量浓度呈线性增加；当底物质量浓度大于10mg/mL后，酶解速率趋于平缓。Faisant等[18]对青香蕉粉中的抗性淀粉在健康人体小肠内的消化特性进行研究表明，83.7%的香蕉粉可以顺利通过小肠，只有颗粒表面16.3%的淀粉能被淀粉酶作用。

2.3.2 中把大蕉淀粉的酶解动力学模型

Michealis-Menten提出的酶促反应按下列两步进行：

即酶(E)与底物(S)首先结合成中间产物(ES)，中间产物分解成产物(P)后酶重新游离出来。在酶促反应初期，没有或极少含有产物(P)，不足以引起可逆反应，k4可以忽略不计，故第二步反应是单向的。由质量守恒定律可得到反应的动力学模型：

式中：[S]为底物浓度/(mol/L)；[Et]为总酶浓度/(mol/L)。

方程(6)即为α-淀粉酶水解中把大蕉淀粉的米氏方程。式中的米氏常数(Km)和最大反应速率(Vm)是酶促反应的两个重要的动力学参数。Km/(mol/L)＝(k2+k3)/k1，相当于酶的活性部位一半被底物占据时所需的底物浓度，Vm/(mol/(L·min))＝k3[Et]，表示在酶浓度不变时，酶被底物饱和，反应速率达到最大[12]。

图6 lnV-ln[S]关系图Fig.6 Plot of lnV-ln[S]

由lnV对ln[S]作图得到图6所示直线，可以认为在加酶后很短的时间内α-淀粉酶降中把大蕉淀粉遵循一级反应规律[12]。由图6的直线可以看出，V对[S]呈典型的双倒数曲线关系，符合经典表征酶促反应特征的Michealis-Menten方程所绘制的曲线形状，这表明α-淀粉酶对中把大蕉淀粉的降解遵循Michealis-Menten规律，可用Michealis-Menten方程对实验数据进行拟合。

2.3.3 动力学模型参数求解

2.3.3.1 Lineweaver-Burk(双倒数作图法)[12]

图7 淀粉酶水解中把大蕉淀粉的Lineweaver-Buck图Fig.7 Lineweave-burk plot for plantain starch hydrolyzed by amylase

表1 Wilkinson法求估算解Table 1 Calculation of provisional value by Wilkinson method

以1/V对1/[S]作图，得到图7所示的各对应点。用最小二乘法线性拟合，可以求得Vm＝0.4224mg/(mL·min)，Km＝5.9533mg/mL。回归方程为：

方程的相关系数r=0.9913，方程极显著。

2.3.3.2 Wilkinson统计法求解米氏常数

Wilkinson统计法包括非线性二乘法求估算解和泰勒展开式求精校解[19]，计算过程如表1所示。

由表 1 可得，Δ =α ε－γ δ=7.94563 × 10-6，

2.3.4 两种方法求解拟合得到的数据比较

表2 Lineweaver与Wilkinson求解结果比较Table 2 Comparison of calculation results between Linweaver and Wilkinson method

这两种方法求得的Vm和Km值都十分相近，但也存在一定的差别。这是因为用Lineweaver求解要求[S]在0.33～2.0Km的实验结果时才能比较准确；如果所选底物浓度比Km大得多时，所得双倒数图的直线基本上是水平的，这种情况可以测得Vm，而Km不能准确测得；如果[S]比Km小得多时，所作双倒数图的直线与两轴的交点都接近原点，Km和Vm都难以测准，而Wilkinson法可以克服这些问题，所测得的两个动力学参数比较可靠[19]。

3 结 论

通过对中把大蕉粉基本组成分析可知，中把大蕉粉以淀粉为主，是一种理想的天然抗性淀粉来源，可作为功能性保健食品原、辅料。对中把大蕉淀粉进行稳定性分析后得出：中把大蕉淀粉的糊化起始温度To为72.10℃、峰值温度Tp为77.56℃ 和结束温度Tc为80.40℃，糊化焓ΔH为9.698J/g；最大耐酸浓度为0.001mol/L，最大耐碱浓度为0.01mol/L。以中把大蕉淀粉的淀粉酶解曲线为基础，采用Wilkinson统计法求解米氏常数得出：Vm=0.4426mg/(mL·min)，Km=6.566mg/mL。即可得出中把大蕉淀粉的酶解动力学方程为：V=0.4426×[S]/(6.566+[S])。

[1] 赵国建, 杨公明, 鲍金勇. 香蕉营养保健价值及综合利用[J]. 食品研究与开发, 2005, 26(6): 175-179.

[2] 滕建文, 吴苏才, 韦保耀. 不同品种香蕉对香蕉粉加工的影响[J].食品科技, 2007(2): 88-90.

[3] 陈厚彬, 李建国, 冯奇瑞, 等. 28个香蕉品种果实性状评估[J]. 华南农业大学学报, 2004, 25(4): 6-11.

[4] 赵国建, 杨公明. 香蕉的加工现状及发展对策[J]. 食品与机械, 2005,21(2): 81-82.

[6] ZHANG Pingyi, WHISTLER R L, BEMILLER J N, et al. Banana starch: production, physicochemical properties and digestibility: a review[J]. Carbohydrate Polymers, 2005, 59(4): 443-458.

[7] 赵国建, 鲍金勇, 杨公明. 三种香蕉淀粉颗粒性质的研究[J]. 食品科学, 2006, 27(2): 46-49.

[9] GONZALEZ-SOTO R A, MORA-ESCOBEDO R, HERNANDEZSANCHEZ H, et al. Extrusion of banana starch: characterization of the extrudates[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2007, 87(2): 348-356.

[10] APARICIO-SAGUILANA A, SAYAGO-AYERDIB S G, VARGASTORRES A, et al. Slowly digestible cookies prepared from resistant starch-rich lintnerized banana starch[J]. Journal of Food Composition and Analysis, 2007, 20(3/4): 175-181.

[11] 齐香君, 苟金霞, 韩戌珺, 等. 3,5-二硝基水杨酸比色法测定溶液中还原糖的研究[J]. 纤维素科学与技术, 2004, 12(3): 17-19.

[12] 董元彦, 李宝华, 路福绥. 物理化学[M]. 北京: 科学出版社, 2001.

[13] 钟穗生, 刘生玉, 张林香. 马铃薯淀粉糖化动力学的研究[J]. 中国粮油学报, 1998, 13(1): 21-25.

[14] JUAREZ-GARCIA E, AGAMA-ACEVEDO E, SAYAGO-AYERDI S G, et al. Composition, digestibility and application in breadmaking of banana flour[J]. Plant Foods for Human Nutrition, 2006, 61: 131-137.

[15] 朱帆, 徐广文, 丁文平. DSC法研究小麦淀粉与面粉糊化和回生特性[J]. 食品科学, 2007, 28(4): 279-282.

[16] 周小柳, 唐忠锋, 张增芳, 等. 酸法制备玉米微孔淀粉的结构研究[J].安徽农业科学, 2008, 36(3): 13391-13392.

[17] 田景霞, 刘亚伟, 张海俊, 等. 酒精碱法制备颗粒冷水可溶甘薯淀粉[J]. 食品研究与开发, 2008, 29(6): 78-81.

[18] FAISANT N, BULEON A, COLONNA P, et al. Digestion of raw banana starch in the small intestine of healthy humans: structural features of resistant starch[J]. British Journal of Nutrition, 1995, 73(1): 111-123.

[19] 张国权. 荞麦淀粉理化特性及改性研究[D]. 杨凌: 西北农林科技大学, 2007: 68-75.

Stability and Enzymatic Kinetics of Plantain Starch

XIA Yu1，XU Yong1,2，LI Yan-jie1，YUAN Gen-liang1，DU Bing1，YANG Gong-ming1,*
(1. College of Food Science, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China；2. Guangdong Food Industry Institute, Guangzhou 510308, China)

In order to provide theoretical references for the development and application of plantain natural resistant starch,the stability of plantain starch to heat, acid, alkali and amylase was investigated. Results indicated that principal constituent of plantain powder was starch with total amount of 78%. The plantain starch was one of ideal sources of natural resistant starch.Its initial, peak and final gelatinization temperatures were 72.10, 77.56 ℃ and 80.40 ℃, respectively. Its gelatinization enthalpy was 9.698 J/g. The maximum concentrations of plantain starch to resist acid and alkali were 0.001 mol/L and 0.01 mol/L, respectively.Based on the enzymatic hydrolysis curve of plantain starch, an enzymatic kinetic equation, V = 0.4426 × [S]/(6.566 + [S]), was deduced by the Wilkinson method, with Vm and Km of 0.4426 mg/(mL·min) and 6.566 mg/mL, respectively.

plantain starch；thermal stability；acid-hydrolyzing stability；alkali-dissolving stability；enzymatic kinetics

TS235.9

A

1002-6630(2010)09-0074-06

2009-09-03

粤港关键领域重点突破项目(200849861007)；广东省食品工业公共实验室开放课题(FIPL-07-007)

夏雨(1984—)，男，硕士研究生，研究方向为食品加工与保藏。E-mail：xiayu1984@foxmail.com

杨公明(1950—)，男，教授，博士，研究方向为农产品加工新工艺与装备。E-mail：ygm@scau.edu.cn