不同直链含量玉米淀粉结晶结构及其消化性研究*

张斌，罗发兴，黄强，黄旭日，关基香

(华南理工大学轻工与食品学院，广东广州，510640)

不同直链含量玉米淀粉结晶结构及其消化性研究*

张斌，罗发兴，黄强，黄旭日，关基香

(华南理工大学轻工与食品学院，广东广州，510640)

对4种不同直链/支链淀粉含量玉米淀粉的结晶结构和形态学进行研究，并采用Englyst法对4种淀粉进行体外消化模拟试验，探索了淀粉结构与消化性质的关系。高支(蜡质和普通)和高链(HylonⅤ和HylonⅦ)玉米淀粉分别属于A型和B型结晶结构，其消化机理对应为“由内向外(inside-out)”和“由外向内(exo-pitting)”消化类型。高支玉米的慢消化淀粉(SDS)含量较高，而高链玉米淀粉的抗性淀粉(RS)含量远高于高支淀粉。

玉米淀粉，直链淀粉，体外消化，结晶结构

淀粉在自然界分布广泛，是碳水化合物的主要贮藏形式。通常以颗粒的形式贮藏在大多数高等植物的器官及某些原生动物、藻类、以及细菌中。Katz和Italli根据X衍射图谱表征淀粉颗粒的结晶结构并可分为A型、B型、C型3种。谷物淀粉大多数属A型，根茎类的淀粉大多数属B型，而豆类淀粉则以C型居多［1］。

英国生理学家 Englyst［2－3］根据淀粉在人体内消化速度把淀粉分成易消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)。近年来临床研究发现，淀粉的消化性与人体的许多疾病密切相关。餐后血糖应答很大程度上取决于易消化淀粉的含量。抗性淀粉和慢消化淀粉含量高的食物同属低血糖生成指数(GI)食品，可维持餐后血糖稳定，有效改善餐后血糖负荷，提高机体对胰岛素的敏感性［4］。这对控制糖尿病患者的病情十分有利，并可以作为肥胖人群的减肥产品［5－6］。因此，这两类淀粉的研究已引起国内外学者的广泛关注，其制备、性质和结构研究已成为碳水化合物营养学领域的研究热点。本文利用X-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、热台偏光显微镜等现代分析手段，探索4种不同玉米淀粉颗粒结构对消化特性的影响以及结构与消化性质的关系，为慢消化淀粉及抗性淀粉的生产和应用提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

蜡质玉米淀粉，河北骊骅公司。普通玉米淀粉，吉林天成公司。高链玉米淀粉(HylonⅤ，HylonⅦ)，美国 National Starch公司。猪胰酶(Cat.No.P7545，活力8×USP/mg)和淀粉葡萄糖苷酶(Cat.No.A7095，活力300 U/mL):美国 Sigma-Aldrich公司。标准马铃薯直链淀粉(Cat.No.A0512):美国Sigma-Aldrich公司。其他化学试剂均为分析纯。

721型分光光度计，上海菁华科技公司;电子分析天平(d=0.1 mg)，德国Startorius公司;BX51型热台偏光显微镜，日本Olympus公司;S3700N型扫描电子显微镜，日本Hichi公司;D/Max2200型X-射线衍射分析仪，日本Rigaku公司。

1.2 直链淀粉含量测定

标准样品的配制:准确称取100 mg标准马铃薯直链淀粉，加几滴无水乙醇润湿，再加入1 mol/L NaOH溶液10 mL，在沸水浴中加热溶解，用0.1mol/L的HCl调制中性后定容至100 mL。准确吸取直链淀粉标准溶液 2 mL，加去离子水50 mL，再加入0.2%碘试剂2 mL，定容至100 mL后放置20 min，在630 nm波长处测得吸光度为a。

直链淀粉含量的测定:准确称取100 mg淀粉样品，加无水乙醇润湿，再加入1 mol/L NaOH溶液10 mL，在沸水浴中加热溶解后定容至100 mL。吸取此液20 mL，用正己烷脱脂。吸取脱脂液5 mL，加去离子水50 mL，用0.1mol/L的HCl调制中性后再加入0.2%碘试剂2 mL，定容至100 mL后放置20 min，在630 nm波长处测得吸光度为b。

1.3 X-射线衍射分析

样品在100%相对湿度下平衡24 h后进行X-射线衍射分析。实验采用Rigaku公司D/Max2200型X-射线衍射分析仪，衍射条件为铜靶，电压44 kV，电流27mA，CuKα 辐射。测量角度 2θ=5～35°，步长0.05°，扫描速度5°/min。

1.4 淀粉的颗粒形态

(1)热台偏光显微镜:将样品放入热台偏光显微镜载物台。选择的目镜和物镜放大倍数分别为10×和50×，拍摄淀粉颗粒在偏振光下的形态结构，并使用Olympus附带软件对不同直链淀粉含量玉米淀粉的平均粒径进行分析。

(2)扫描电子显微镜:用导电双面胶将绝干后的淀粉固定在样品台上，在真空下喷金后，置于SEM中放大3 000倍拍摄有代表性的淀粉颗粒形貌照片。

1.5 淀粉体外消化性测定

1.5.1 天然淀粉

淀粉消化性测定参照Englyst［2］提出的体外模拟酶水解法，并有所改进。准确称取600 mg淀粉样品于50 mL带旋转盖的离心管中，添加20 mL pH值5.2的0.1mol/L乙酸钠缓冲液和5粒玻璃珠，涡旋混匀后加入含有猪胰酶(3×103USP)和淀粉葡萄糖苷酶(40 U)的混酶5 mL，置于37℃恒温水浴下振荡并准确计时。水解20和120 min后分别取出1.00 mL水解液用3，5-二硝基水杨酸(DNS)法测定葡萄糖含量。具体计算如下:

RDS/%=［(G20－ FG)×0.9］/TS SDS/%=［(G120－ G20)×0.9］/TS RS/%=［TS － (RDS+SDS)］/TS

式中:G20，淀粉酶水解20 min后产生的葡萄糖含量(mg);FG，酶水解处理前淀粉中游离葡萄糖含量(mg);G120，淀粉酶水解120 min后产生的葡萄糖含量(mg);TS，样品中总淀粉含量(mg)。

1.5.2 蒸煮淀粉

准确称取600 mg淀粉样品于50 mL带旋转盖的离心管中，加10 mL去离子水，涡旋混匀后在沸水浴中保持30 min。冷却至室温后，添加10 mL pH值5.2的0.1 mol/L乙酸钠缓冲液和5粒玻璃珠，混匀后置于在37℃恒温水浴下振荡，其余步骤同1.5.1。

1.6 数据统计分析

各组实验数据均重复2次，用SPSS 13.0进行统计分析，用Origin 7.0进行作图。

2 结果与讨论

2.1 支链淀粉含量对玉米淀粉结晶结构和相对结晶度的影响

淀粉颗粒是由结晶区和非结晶区交替构成的多晶体系，并能呈现一定的X射线衍射图样。结晶区呈现出尖峰特征，而非晶区呈现出弥散特征。不同直链淀粉含量玉米淀粉的X-射线衍射图见图1。从图1中可以看出，蜡质和普通玉米淀粉淀粉在15°、17°、18°和23.5°处有强衍射峰，这是典型的 A 型淀粉特征。而高链玉米(HylonⅤ和HylonⅦ)淀粉在5.6°、17°、22°和24°有较强的衍射峰出现，属于 B 型淀粉结构。

非结晶区大部分由直链淀粉构成，结晶区多数是由支链淀粉形成的，支链淀粉决定了淀粉颗粒的晶体结构。Wong等［7］用配备有在线酶反应器和脉冲电流检测器的高效阴离子交换色谱(HPAEC-ENZPAD)测得A型支链淀粉有较多的短侧链(A链和B1链);B型支链淀粉则有较多的长侧链(B2链和更长链)，这些长侧链可贯穿2～3个或更多“簇”结构［8］。C型淀粉是A和B型淀粉的混合物，因此C型支链淀粉既有长侧链也有短侧链。从X射线衍射图样可以看出4种玉米淀粉的相对结晶度按照支链淀粉的含量依次降低:蜡质玉米淀粉＞普通玉米淀粉＞HylonⅤ＞HylonⅦ。

图1 不同直链/支链淀粉含量的玉米淀粉的X衍射图谱

2.2 不同直链淀粉含量的玉米淀粉颗粒形态

淀粉颗粒在偏振光场下观察，可以观察到偏光十字，在结晶区淀粉分子链是有序排列的，而在非结晶区淀粉分子链是无序排列的，由此产生各向异性现象，从而在偏振光通过淀粉颗粒时形成了偏光十字。淀粉颗粒的这种双折射是由于球晶的存在而产生的。表明颗粒结晶部分呈有序排列，这种双折射现象的强度取决于颗粒的大小以及结晶度和微晶取向［9］。可以从表1和图2中看出，由于淀粉颗粒的平均粒径和结晶度从高支到高链逐渐减小，双折射现象的强度逐渐减弱。

表1 四种不同玉米淀粉的直链淀粉含量、平均粒径和结晶度表

高支玉米淀粉的颗粒外形为多角形，颗粒表面具有多个平面和棱角，颗粒较大而均匀，中间有脐眼。高链玉米淀粉颗粒外形为圆形和椭圆形。颗粒较小，脐眼不明显，偏光十字较小并且发暗。高链玉米淀粉有些还呈长条形，这是它的特征形态，是由两个或多个淀粉颗粒相接而成(elongation)，如图2中C2和D2所示。

图2 蜡质(A1、A2)，普通(B1、B2)，高链 Hylon Ⅴ(C1、C2)和 Hylon Ⅶ(D1、D2)玉米淀粉颗粒的偏光显微和扫描电镜图

2.3 不同直链淀粉含量玉米淀粉的消化性

不同直链含量玉米淀粉的消化性质见表2。从表2中可看出，不管是天然淀粉还是蒸煮后的淀粉，SDS含量最高的是普通玉米，其次是蜡质玉米，最后是2种高链玉米淀粉。原淀粉的RS含量随着直链淀粉含量的增高而增大，HylonⅦ生淀粉RS高达69.7%，蒸煮后RS含量也有20.7%。

颗粒内部的直链淀粉分子嵌入支链淀粉晶粒的紧密程度决定了颗粒内核的结构。一般而言，B型马铃薯淀粉颗粒的内核呈现坚实的结构，而A型普通玉米淀粉颗粒核心结构松散［8］。Zhang［10］报道 A 型淀粉颗粒表面有一些小孔，且在颗粒内部有大量通道，所以酶可以沿着孔道进入颗粒中心向外水解淀粉，属于“由内向外(inside-out)”消化类型;但B型淀粉颗粒却没有这些特征，酶只能作用淀粉表面，属于“由外向内(exo-pitting)”消化类型。所以A型淀粉颗粒比B型淀粉颗粒更易水解。Hellman等发现，A型玉米淀粉颗粒的总表面积比淀粉颗粒的表面积大，而马铃薯淀粉颗粒的总表面积与淀粉颗粒的表面积大致相同 ，同样证明了A型淀粉表面有小孔结构。由于A型的谷物淀粉颗粒表面天然存在孔洞或通道，酶可以沿着孔道进入中心水解，因此从淀粉原料上看，A型天然淀粉是理想的SDS材料，而高链淀粉属于RS2(抗性淀粉颗粒)，这与Zhang等［10］人报道的结论相一致。

淀粉颗粒表面的直链淀粉含量比内部要多［12］。颗粒外部的直链淀粉可以加强与支链淀粉的结合作用。在糊化过程中，淀粉颗粒表面的直链淀粉与支链淀粉紧密缔合成的网状结构，这种结构能抵抗酶解。所以蜡质玉米淀粉比普通玉米淀粉等更易消化。而在糊化过程中，高链淀粉颗粒表面直链淀粉和支链淀粉形成的网状结构更加紧密，使得它们的糊化温度升高，更不易消化。

表2 四种不同玉米淀粉的体外消化性结果 %

3 结论

利用X-射线衍射仪、扫描电子显微镜、热台偏光显微镜等现代分析手段，对4种不同直链淀粉含量玉米淀粉结晶结构和形态学进行研究，并采用Englyst法对不同直链淀粉含量玉米淀粉进行体外消化性模拟，探索了对淀粉结构与消化性质的关系。高支(蜡质和普通)和高链(HylonⅤ和HylonⅦ)玉米淀粉分别属于A型和B型结构。普通玉米和蜡质玉米的SDS含量较高，而高链玉米淀粉的RS含量大大高于高支淀粉。从淀粉原料上看，A型天然淀粉是制备SDS的理想材料，而高链淀粉属于RS2(抗性淀粉颗粒)。

［1］ 黄强，罗发兴，杨连生.淀粉颗粒结构的研究进展［J］.高分子材料科学与工程，2004，20(5):19－23.

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［12］ Lineback D R.The starch granule:organization and properties［J］.Bakers Digest，1984，58(2):16 － 21.

Crystalline Structures and Digestibility of Cornstarches with Different Amylose/Amylopectin Content

Zhang Bin，Luo Fa-xing，Huang Qiang，Huang Xu-ri，Guan Ji-xiang
(College of Light Industry and Food Sciences，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)

Crystalline structures and morphology of four different cornstarches with different amylose/amylopectin content were investigated.The vitro digestibility of four cornstarches was tested according to Englyst method.The relationship between starch structure and digestion mechanism was discussed.High-amylopectin(waxy and normal)and high-amylose(HylonⅤ and HylonⅦ)cornstarches belong to A-and B-type structures，respectively.A-type starches are“inside-out”digestion mechanism，while the B-type starches produce a different hydrolysis pattern observed as“exo-pitting”.The level of slow digestion in high amylopectin cornstarch was higher than high-amylose cornstarch，while the Resistant Starch(RS)content of high-amylose cornstarches is much higher than high amylopection conrstarch.

cornstarch，amylose，in vitro digestibility，crystalline structure

硕士研究生(黄强副教授为通讯作者，E-mail:fechoh@scut.edu.cn)。

*广东省高校优秀青年创新人才培养计划项目资助(x2qsN9100250);华南理工大学中央高校基本科研业务费资助项目(2009ZM0058)

2010－03－25，改回日期:2010－07－08