瓜尔胶对木薯淀粉消化性、糊化特性、水分运动性的影响

周姗姗,刘国栋,2,3,顾正彪,2,3,洪 雁,2,3,*

(1.食品科学与技术国家重点实验室,江南大学 江苏无锡 214122;2.江南大学食品学院,江苏无锡 214122;3. 食品安全与营养协同创新中心,江南大学 江苏无锡 214122)



瓜尔胶对木薯淀粉消化性、糊化特性、水分运动性的影响

周姗姗1,刘国栋1,2,3,顾正彪1,2,3,洪 雁1,2,3,*

(1.食品科学与技术国家重点实验室,江南大学 江苏无锡 214122;2.江南大学食品学院,江苏无锡 214122;3. 食品安全与营养协同创新中心,江南大学 江苏无锡 214122)

研究瓜尔胶对木薯淀粉消化性的影响,采用Englyst法测定淀粉的消化性,比较与分析了瓜尔胶/木薯淀粉体系的糊化特性、水分运动性、微观结构的差异,从而探究瓜尔胶对木薯淀粉消化性的影响机理。结果表明:瓜尔胶添加量较低时,糊化后冷却至37℃的体系结构疏松、具有较高的水分运动性,瓜尔胶促进淀粉的酶解,抗消化淀粉含量较低;继续提高瓜尔胶添加量时,糊化后冷却至37℃的体系结构越加紧密、水分运动性降低,瓜尔胶形成空间位阻,降低酶与底物的可及性,瓜尔胶反而抑制淀粉的酶解,抗消化淀粉含量较高。

木薯淀粉,瓜尔胶,消化性,水分运动性,微观结构

淀粉是构成人类膳食主要的碳水化合物组成,作为人体能量的主要来源,其消化的速度和程度影响人体餐后血糖应答水平,与人体健康密切相关。Englyst等[1]提出将淀粉分为三类:快消化淀粉(Rapidly digestible starch,RDS)、慢消化淀粉(Slowly digestible starch,SDS)、抗性淀粉(Resistant starch,RS)。RS和SDS含量高的食物有着较低的血糖指数(Glycemic index,GI)[2],对预防糖尿病、减少心脑血管疾病和便秘等有着重要意义[3]。国内外对RS和SDS已有不少研究,物理改性、化学改性、酶法改性及复合改性均可以改变淀粉的消化性[4],但是有关亲水胶体改变淀粉消化性的研究甚少。瓜尔胶(Guar gum,GG)是一种天然的半乳甘露聚糖,作为水溶性膳食纤维之一,在人体消化道内,GG能够与其他食品组分缠结形成网络结构,胶体因为吸收水分形成凝胶会增强饱腹感,同时会减缓消化进程即延缓胃排空和营养物质的吸收,表明GG具有改善淀粉消化性能的潜能[5-6]。

木薯耐旱、高产稳产且木薯淀粉(tapioca starch,TS)价格低廉,木薯淀粉作为胶凝剂和增稠剂已经有一定的历史,已成为食品工业中不可或缺的淀粉。研究GG对TS的消化性影响,这将有益于扩大TS的功能特性并促进其在食品工业中的广泛应用。本文研究不同配比的GG对TS消化性的影响,比较底物糊化特性、体系的水分运动性和各体系不同酶解状况的微观结构差异性,在此基础上初步探索不同含量GG对TS消化性影响的机制,为高膳食纤维食品改善食品营养及其在食品中的应用提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

木薯淀粉 苏州高峰淀粉科技有限公司;瓜尔胶 苏州丹尼斯克(中国)有限公司;P-7545胰酶(EC 232-468-9,8×USP)和A7095糖化酶(EC 3.2.1.3,≥300U/mL) 美国Sigma公司;GLU-HK法葡萄糖测定试剂盒 北京利德曼生化股份有限公司。

UNIC-2000分光光度计 尤尼柯(上海)仪器有限公司;快速黏度分析仪(RVA) 澳大利亚Newport Scientific公司;NMI20核磁分析仪 苏州纽迈电子科技有限公司;Quanta-200 扫描电子显微镜 荷兰FEI公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品制备 选取四个不同配比GG/TS复配体系(GG/TS比例分别为:0∶100、1∶80、1∶40、1∶20,w/w)。将一定质量的GG分散于20mL醋酸钠缓冲溶液中(0.1mol/L,pH5.2),置于磁力搅拌器上搅拌使GG分散均匀。然后,将一定质量的TS加入到缓冲溶液或配制好的胶体溶液中,漩涡震荡后于磁力搅拌器上搅拌30min,使两者混合均匀,不同配比复配体系中GG与TS总质量分数保持不变(5%),沸水浴糊化30min后转移至恒温水浴振荡器(37℃,160r/min)保温20min。

1.2.2 体外消化性测定 参照Englyst等建立的体外模拟酶水解法[1]。分别酶解10、20、30、45、90、120min后取一定体积消化液,沸水灭酶后测定葡萄糖含量并计算水解率和RDS、SDS、RS含量。采用1stOpt软件对水解度与时间的关系曲线进行非线性方程(C=C∞(1-e-kt))拟合得到样品消化过程中的平衡浓度(C∞),一级反应动力学速率(k),并计算得到初始反应速率(U=ln(C∞×k))[7]。

1.2.3 糊化特性测定 选取1.2.1中的四个配比样品,准确称取质量,与蒸馏水混合于RVA专用铝盒内,分散均匀调成固形物含量为6%的悬浮液。按照美国谷物化学协会(AACC)规定方法standand2 进行测定。

1.2.4 糊化后水分子运动性分析 将1.2.1方法制成的样品转移至核磁管内进行测定。以Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)分析法进行质子讯号检测,主要实验参数如下:等待时间8000ms,半回波时间0.418ms,回波个数18000,累加次数4。利用核磁共振分析应用软件(苏州纽迈电子科技有限公司)解析得到自旋-自旋弛豫时间T2和自由水、结合水含量。

1.2.5 微观结构观察 1.2.1方法制成的样品按照体外模拟消化方法添加灭活和未灭活的消化酶,将酶解1min后的样品冷冻干燥,实验条件参考朱玲所采用的方法[8]。采用Quanta-200扫描电子显微镜观察不同配比体系酶解前后的微观结构变化。

1.2.6 数据分析 采用Origin8.0和SPSS18.0数据处理软件对数据进行分析,并用Duncan氏进行显著性分析(p<0.05)。采用1stOpt软件对淀粉消化曲线进行拟合。

2 结果与分析

2.1 GG/TS体系的消化性

相关研究发现体外模拟消化实验中瓜尔胶可以显著抑制淀粉被消化酶水解[4-5],然而由图1可以发现,不同GG/TS配比体系的体外模拟消化性趋势与相关报道并不完全一致。与未添加胶体的体系(0∶100)相比,胶体添加比例越高的体系,RDS含量降低幅度越大;各个体系的SDS含量显著提高,添加胶体的体系中,体系(1∶20)的SDS含量最多,为17.11%;RS得率因胶体添加比例的不同而不同,体系(1∶20)RS含量最高,体系(1∶80)RS得率最低,RS含量仅有6.63%。结合表1中动力学参数分析发现,体系(1∶40,1∶20)的U、k、C∞较低,这与文献报道一致,即亲水胶体的存在可以抑制淀粉被酶解的速度和程度[9-10]。胶体的引入,一方面可能是因为胶体充当了增稠剂,体系黏度的增加影响了酶解进程[9];另一方面GG与淀粉作用,形成空间位阻阻碍酶与底物的接触,降低酶解效率[11-12]。然而,体系(1∶80)的C∞比对照组高6.6%,与报道相似[13],表现出促进酶解反应的趋势。体系(1∶80)的k、U均比体系(0∶100)的k、U小,但是C∞却比体系(0∶100)的C∞大,由此可知k起主要作用。从体系(1∶80)与体系(1∶40,1∶20)消化性差异可推测:低配比和高配比体系的消化性有不同的主要影响因素。

表1 不同配比体系的体外消化性动力学方程的特征参数Table1 In vitro starch hydrolysis kinetics parameters of combinations

注:R2为水解率与时间关系拟合曲线的相关系数。

图1 瓜尔胶对木薯淀粉体外模拟消化性的影响Fig.1 Effect of guar gum on the in vitro tapioca starch digestibility注:同一营养片段上所带不同字母表示差异显著p<0.05。

2.2 GG/TS体系的糊化特性

淀粉或者淀粉与胶体经历糊化后冷却至37℃,再采用Englyst体外模拟消化方法测定淀粉的消化性。不同底物糊化特性的差异性可能与淀粉消化差异性存在一定的联系。TS在不同配比胶体溶液中的RVA糊化曲线见图2。比较发现,GG添加比例越大,TS的峰值黏度和终值黏度增加幅度越明显,RVA糊化特性彼此之间差异明显。连续相中的GG分子可与糊化过程中渗漏出的直链淀粉及低聚合度支链淀粉产生一定的相互作用,使得分子的流体力学体积增大,引起黏度增加,表现出更高的协效性[14-15]。

表2 GG/TS体系在不同温度范围内RVA黏度曲线线性拟合Table2 The linear fitting of combinations RVA viscosity curve in different temperature ranges

图2 GG/TS体系的RVA糊化曲线Fig.2 RVA pasting curves of combinations with different mixing ratios

RVA记录了温度变化过程中的黏度变化情况,有必要对代表性的温度段的黏度变化情况统计分析。不同温度范围内TS黏度曲线随时间变化的拟合直线斜率值见表2,70.45～80.05℃为淀粉黏度迅速上升的温度区间,斜率随着添加比例的提高而增大。在这温度范围内淀粉颗粒持续吸水膨胀,直链淀粉从小部分破裂的淀粉颗粒中渗漏出来。淀粉在较高浓度的亲水胶体的分散相中时,黏度较大,淀粉颗粒受到更大的剪切力作用,使得颗粒更易变形甚至破裂,从而导致与GG作用的可溶性淀粉更易渗漏[16]。此外,GG具有较长的直链型分子链及许多分支,其空间结构随着温度的升高不如低温时伸展[17],因此GG与TS分子之间进一步相互缠绕,最终胶体添加含量越大的体系,其黏度增长速度越大。当处于95℃保温阶段时,线性拟合的斜率随着胶体添加比例的增加而迅速降低,GG的存在使得TS的热稳定性变差。体系在机械剪切压力下,导致溶胀的颗粒深度破裂,同时剪切应力使得GG与TS缠结的复合体遭到破坏,表观黏度因分子逐步向平行于流动方向排列而下降[18]。样品冷却至50℃后,瓜尔胶降低了淀粉糊低温凝冻的速率,体系(1∶40,1∶20)凝冻速率相当,GG与渗漏淀粉充分作用,较大程度的抑制了直链淀粉的重排及短链支链淀粉的凝沉[19]。然而体系(1∶80)低温凝冻的速率与体系(1∶40,1∶20)相差较大,胶体浓度较低时,GG在分散介质中剧烈运动,不但导致其与可溶性淀粉相互缠结的可能性降低[20],而且也阻碍了淀粉链段之间的相互聚集。

在这一系列胶体浓度下,淀粉经历糊化至回生过程中所体现的差异性很好的解释了体系(1∶40,1∶20)与体系(1∶80)的消化性差异。体系(1∶40,1∶20)中GG较大程度的与渗漏淀粉作用,形成物理阻碍,酶与底物可及性降低,表现为较低的C∞;体系(1∶80)中GG与渗漏淀粉之间的作用和淀粉与淀粉之间的相互作用均受到阻碍,所以酶与底物的可及性提高,表现为较高的C∞。

2.3 GG/TS体系的水分运动性

复杂体系中水分子的运动性可用脉冲式核磁共振来检测,自旋-自旋弛豫时间(横向弛豫时间,T2)代表了相互作用原子核间的移动性。较大的T2说明水分子具有较高的自由度。当水和底物(淀粉或者淀粉/瓜尔胶)紧密结合时,受大分子束缚,T2会降低[8]。

分析酶解前不同配比复配体系的水分运动性(图3),与单纯的淀粉体系相比,发现体系(1∶40,1∶20)的T2大幅度降低。可能原因是,淀粉与胶体之间大量的氢键作用使得淀粉大分子的可运动性较低,在外界核磁作用下,体系(1∶40,1∶20)中水分子重新取向较慢,水的质子和淀粉羟基质子之间的交叉弛豫和化学交换得到增强,导致更快的弛豫过程[21]。此外,GG与淀粉间竞争性地吸收水分,亲水性胶体限制了水的可利用性及运动性,减少了淀粉可利用水的数量。相比于不加胶体的体系,体系(1∶40,1∶20)的自由水与结合水比值(R(自由水/结合水))随胶体添加比例增加而降低,进一步说明其体系中较低含量的自由水限制了底物的流动性,没有充足的自由水作为溶剂,不利于底物和酶分子快速的结合与解离,表现为较低的C∞。

图3 GG/TS体系的水分运动性Fig.3 Water mobility of combinations with different mixing ratios

体系(1∶80)具有最大的T2和R(自由水/结合水),说明体系中受大分子束缚的水较少,该体系比单纯的淀粉体系具有更多的可流动水。低浓度时,GG因为有充沛的可流动水而在连续相中自由运动,这不利于GG与可溶性淀粉相互缠结,导致较弱的凝胶结构,另一方面这也限制淀粉链段之间(尤其是直链淀粉)的相互聚集。底物分散、流动性较高,较丰富的自由水作为溶剂,更有利于酶与底物的结合与解离,表现为更高的C∞,后续的微观结构差异分析将进一步证实该理论。

2.4 GG/TS体系的微观结构分析

在淀粉的研究中,扫描电子显微镜(SEM)主要被用于形态学来分析测定淀粉颗粒的变化和淀粉凝胶的显微结构等。在冷冻干燥时,淀粉凝胶内冻结的水蒸发形成空腔,凝胶内部形成一定的网络结构。由图4可见,与原淀粉相比(图4A),复配体系的微观结构中片层分布及其均匀性和结构致密性均发生显著变化(图4B～图4D)。糊化后的木薯淀粉凝胶体系(图4A)中大部分淀粉糊化成片状,同时含有较多的淀粉碎片,渗漏淀粉量最大,表现为褶皱状[8],使得淀粉片层的表面结构较为粗糙。淀粉片段随机分布且相互穿插,没有明显的“孔洞”或者“突起”,结构较致密。

图4 GG/TS体系酶解前的SEM图(×100)Fig.4 SEM images of combinations with different mixing ratios before digestion(×100)注:A：GG/TS=0∶100;B:GG/TS=1∶80;C:GG/TS=1∶40;D:GG/TS=1∶20。

不同添加配比体系显示迥然不同的微观形态(图4B～图4D)。体系(1∶80)中淀粉分散于胶体溶液中,因为瓜尔胶与渗漏出的直链淀粉及部分聚合度低的支链淀粉作用,使得延展成的片状结构较为光滑。糊化后复配体系静置至室温时,GG空间构像变得伸展,在局部淀粉片段上可见少许光滑的棒状“突起”。最为显著的是该体系的结构比淀粉凝胶体系(图4A)的疏松。形成这一形态的原因可能是:浓度低时,GG充分水合,其剧烈运动既降低了其与可溶性淀粉相互缠结的可能性[18],又阻碍了淀粉链段之间相互聚集。正是这疏松的空间结构,为淀粉酶与淀粉作用创造了有益条件。当体系里加入消化酶时,酶在充分的可运动水牵引下,酶与底物的可及性提高,从而导致体系(1∶80)具有最高的C∞。

当胶体含量增加时,其与渗漏的淀粉相互作用越明显,这使得体系(1∶40,1∶20)延展成的片状结构更为光滑[18]。原先淀粉片层表面上的“突起”因为胶体浓度增加,相互粘连,达到“包裹”部分淀粉的作用,即GG与渗漏淀粉相互缠绕,当添加量更高时,GG更易形成空间位阻。这一空间布局将不利于淀粉酶对淀粉的酶解。淀粉片层之间的间隙随着胶体含量增加而减小,结构越加致密。这两个因素都不利于酶对淀粉的侵蚀。

当体系中引入消化酶时,不同底物被酶解0min和1min的微观形态见图5。与图5A0相比较,在酶解1min时,图5A1中的淀粉片层间的淀粉碎片已不可观察到,淀粉片段表面光滑且有一定的层次,说明消化酶优先侵蚀淀粉片层之间的渗漏淀粉及其较小的淀粉片段。同时,淀粉片段内因为消化酶作用而呈现大小不一、深度不一的孔洞。正如木薯淀粉体系的初始酶解速率常数最大(表1),仅酶解1min,较多的淀粉大分子被酶解为可溶于水的多糖。添加胶体的体系(1∶80)因为酶解程度高,糖含量高,吸湿性强,不适合进行扫描电镜观察。添加胶体的体系(1∶20),同样是淀粉片层之间的淀粉碎片优先被水解掉,所以淀粉片层间的空隙较酶解前的大,同时剩余淀粉表面更加光滑且有一定的层次。从酶解后淀粉表面孔洞大小及深度可发现,胶体的存在明显抑制了酶对淀粉的作用,酶解的孔洞直径明显小于木薯淀粉体系,同时孔洞较浅,酶解1min后,甚少的淀粉被酶解为可溶于水的多糖,即胶体添加比例较大时,瓜尔胶表现出抑制酶解的趋势。由此可知,添加胶体的体系的初始水解速率常数随着添加胶含量的增加而降低,这一现象正好符合消化动力学参数(表1)。

图5 GG/TS体系加入灭活和未灭活消化酶的SEM图(×200)Fig.5 SEM images of combinations with different mixing ratios adding inactivated or activated enzymes(×200)注:A:GG/TS=0∶100;D:GG/TS=1∶20;0:加入灭活的酶;1:酶解后1min。

3 结论

瓜尔胶可影响木薯淀粉的消化性,不同比例复配体系的RDS、SDS、RS分布迥异。相比于单纯的木薯淀粉,复配体系(1∶80)中瓜尔胶与渗漏淀粉相互作用减弱及淀粉链段之间的相互聚集受到抑制,空间结构较疏松;可流动水含量高。这使得该体系具有较高的酶解程度,RDS含量与单纯的木薯淀粉组相当,SDS含量显著增加。体系(1∶40,1∶20)中瓜尔胶与渗漏淀粉相互作用,在淀粉外围形成空间位阻;胶体含量越高时,可流动水越低。这导致淀粉的酶解程度和初始酶解速率随着胶体添加比例的增加而降低,RS含量越来越多,SDS含量基本相当。添加较少含量的胶体不益于提高淀粉的功能性,较高含量的胶体添加比例更有益于提高低血糖指数淀粉总含量的提高。

[1]Englyst H N,Kingman S,Cummings J. Classification and measurement of nutritionally important starch fractions[J]. European journal of clinical nutrition,1992,46:S33-50.

[2]Chung H-J,Shin D-H,Lim S-T.Invitrostarch digestibility and estimated glycemic index of chemically modified corn starches[J]. Food research international,2008,41(6):579-585.

[3]骞宇,赵欣,阚建. 全抗消化淀粉对大鼠肠道结构及功能的影响[J]. 食品工业科技,2014,5:346-349.

[4]熊春红,谢明勇,陈钢. 抗性淀粉研究综述[J]. 天然产物研究与开发,2007,4:708-717,661.

[5]Butt M S,Shahzadi N,Sharif M K,et al. Guar gum:a miracle therapy for hypercholesterolemia,hyperglycemia and obesity[J]. Critical reviews in food science and nutrition,2007,47(4):389-396.

[6]Eastwood M A,Morris E R. Physical properties of dietary fiber that influence physiological function:a model for polymers along the gastrointestinal tract[J]. The American journal of clinical nutrition,1992,55(2):436-442.

[8]朱玲,张雅媛,洪雁,等. 木薯淀粉-黄原胶复配体系中淀粉糊化机理[J]. 食品科学,2011,32(3):81-85.

[9]Sasaki T,Kohyama K. Influence of non-starch polysaccharides on theinvitrodigestibility and viscosity of starch suspensions[J].Food chemistry,2012,133(4):1420-1426.

[10]Bordoloi A,Singh J,Kaur L.Invitrodigestibility of starch in cooked potatoes as affected by guar gum:Microstructural and rheological characteristics[J]. Food chemistry,2012,133(4):1206-1213.

[11]Dartois A,Singh J,Kaur L,et al. Influence of guar gum on theinvitrostarch digestibility—rheological and microstructural characteristics[J]. Food Biophysics,2010,5(3):149-160.

[12]Aravind N,Sissons M,Fellows C M. Effect of soluble fibre(guar gum and carboxymethylcellulose)addition on technological,sensory and structural properties of durum wheat spaghetti[J]. Food chemistry,2012,131(3):893-900.

[13]Arocha Gularte M,Rosell C M. Physicochemical properties and enzymatic hydrolysis of different starches in the presence of hydrocolloids[J]. Carbohydrate Polymers,2011,85(1):237-244.

[14]张雅媛,顾正彪,洪雁,等. 淀粉与瓜尔豆胶复配体系糊化及流变特性研究[J]. 食品与生物技术学报,2012,31(8):820-825

[15]刘铭,刘芳芳,游雪燕,等. 食品中淀粉—亲水胶体复配的研究进展[J]. 食品工业科技,2013,22:371-374.

[16]Pongsawatmanit R,Temsiripong T,Ikeda S,et al. Influence of tamarind seed xyloglucan on rheological properties and thermal stability of tapioca starch[J]. Journal of food engineering,2006,77(1):41-50.

[17]黄来发.食品增稠剂[M].北京：中国轻工业出版社,2007.

[18]张雅媛,洪雁,顾正彪,等. 淀粉与瓜尔豆胶复配体系糊化及流变特性研究[J].食品与生物技术学报,2012,31(8):820-825.

[19]Funami T,Kataoka Y,Noda S,et al. Functions of fenugreek gum with various molecular weights on the gelatinization and retrogradation behaviors of corn starch—2:Characterizations of starch and investigations of corn starch/fenugreek gum composite system at a relatively low starch concentration;5w/v%[J]. Food Hydrocolloids,2008,22(5):777-787.

[20]Kyungsoo Woo S B,Clodualdo C. Maningat,Lianfu Zhao. Resistant starch-hydrocollid blends and uses thereof :US,2008/0233260 A1[P]. 2008-09-25.

[21]Ritota M,Gianferri R,Bucci R,et al. Proton NMR relaxation study of swelling and gelatinisation process in rice starch-water samples[J]. Food chemistry,2008,110(1):14-22.

Effect of guar gum on the digestibility,pasting properties and water mobility of tapioca starch

ZHOU Shan-shan1,LIU Guo-dong1,2,3,GU Zheng-biao1,2,3,HONG Yan1,2,3,*

(1. The State Key Laboratory of Food Science and Technology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China;2. School of Food Science and Technology,Wuxi 214122,China;3. Synergetic Innovation Center of Food Safety and Nutrition,Wuxi 214122,China)

The objective of this study was to evaluate the effect of guar gum on the digestibility of tapioca starch using Englyst method. Pasting properties,an spin-spin relaxation time(T2)of dynamic water molecule and microstructure were examined. Additionally,the microstructure change of combinations with inactivated or activated enzymes was studied to investigate blend digestion mechanism. The results showed that guar gum made combination with a loose network structure and owned bigger T2at lower guar gum/starch ratio,which led to a higher starch hydrolysis. Resistant starch was reduced. However,the combinations at higher ratio possessed denser network structure and smaller T2. And these combinations could significantly inhibit the enzymatic hydrolysis of starch,attributed to the strong interaction between starch and gum performed as a barrier. The value added of resistant starch content was increased.

tapioca starch;guar gum;digestibility;water mobility;microstructure

2014-07-08

周姗姗(1989-)，女，在读硕士研究生，研究方向：食品科学与工程。

*通讯作者:洪雁(1974-)，女，博士，副教授，主要从事碳水化合物资源的开发和利用。

国家十二五科技支撑计划(2012BAD37B01)。

TS231

A

:1002-0306(2015)09-0111-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.09.015