不同链长单甘酯-籼米淀粉复合物结构及体外消化特性

杨玥熹 童 姝 顾振宇 申 毅

(浙江工商大学食品与生物工程学院1，杭州 310018) (国家级食品工程与质量安全实验教学中心2，杭州 310018)

精制大米在蒸煮后淀粉发生糊化，在消化过程中生糖速率较快，血糖生成指数(GI)较高[1]。因此，研究通过控制加工工艺条件及其他食品成分与淀粉相互作用，从而调节淀粉结构，进而调控淀粉类食品的消化生糖特性显得尤为重要。已有文献研究表明淀粉-脂质复合物的单螺旋构象可降低直链淀粉的水解速率[2]及餐后血糖反应。

目前，已有的淀粉-脂质复合物研究主要以脂肪酸作为脂质的代表，对不同链长单甘酯-淀粉复合物的研究较少。如：Seo 等探究了制备条件对高直链玉米淀粉和不同饱和程度的脂肪酸复合的影响，发现硬脂酸最易形成复合物；Marinopoulou 等[4]发现淀粉-脂肪酸复合物晶型和复合温度无关，但结晶度随着温度升高而增加，同时晶体尺寸减小；张书艳等[5]研究发现碳链越长，淀粉-脂肪酸复合物复合指数(CI值)越大，同时V型结构更完全。已有的单甘酯与淀粉复合物的研究多集中在单甘酯对淀粉老化特性的影响[6]，未对单甘酯-淀粉复合物的消化特性有足够的关注。另外，对淀粉-脂质复合物的复合指数、黏度特性、结构特征与消化特性之间的相关性研究较少。本研究采用不同链长的脂肪酸单甘酯和籼米淀粉为原料，研究单甘酯添加量、制备温度及链长对淀粉-单甘酯复合物复合指数、糊化特性、特热性、晶体结构及消化特性的影响，并分析复合指数与消化特性、晶体结构的相关性，以期用于指导消化特性可控的米面制品生产工艺，为具有降糖功效的淀粉-脂质复合物的制备提供参考。

1 材料和方法

1.1 材料

籼米淀粉(Indica-rice starch，IS)，总淀粉质量分数89.13%(GB 5009.9—2016《酶水解法》)，直链淀粉质量分数25.96%(双波长法)，抗性淀粉质量分数3.69%(酶—重量法)，蛋白质质量分数0.49%(凯氏定氮法)，脂肪质量分数0.08%(索氏抽提法)，含水量9.0%(105 ℃恒重法)。

硬脂酸单甘酯(GMS)、月桂酸单甘酯(GML)、棕榈酸单甘酯(GMP)、溴化钾(色谱纯)、猪胰α-淀粉酶(50 U/mg)、糖化酶(100 000 U/mL)；其他化学试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

TechMaster快速黏度分析仪，DSC250差示扫描量热仪，D2 Phaser X-射线衍射分析仪，NICOLET IS5傅里叶变换红外光谱仪，FESEM(SU8010)场发射扫描电镜。

1.3 实验方法

1.3.1 籼米淀粉-单甘酯复合物的制备

制备方法参考Niu等[7]及GB/T 24853—2010，并做一定修改。具体如下：称取(2.84 ± 0.000 5) g籼米淀粉于样品筒中，按照一定比例(0%～5%，m/m，以淀粉干基为基准)加入单甘酯，混匀后加入25.2 mL蒸馏水，将搅拌器置于样品筒中，快速上下搅动，使得样品充分分散，直至无淀粉团块留在水面上或粘附在搅拌器上。将样品筒置于快速黏度测定仪(RVA)中，起始温度为50 ℃平衡1 min，以12 ℃/min的升温速率上升到复合温度(80 ℃/95 ℃)，恒温2.5 min后以相同速率下降到50 ℃，再平衡2 min。程序设定起始转速为960 r/min，维持10 s后降低转速至160 r/min，并保持该转速至程序运行结束。由TCW3软件得出糊化参数并绘制黏度变化曲线。

RVA运行结束后迅速取出样品并置于一次性培养皿内，液氮速冻后冷冻干燥24 h，粉碎，过100目筛备用。样品标记为IS-A-B-C，A为单甘酯简称，B为复合温度(℃)，C为单甘酯添加量(%)。例如：IS-GMS-80-1表示该样品为在80 ℃下，硬脂酸单甘酯添加量为1%时制备得到的籼米淀粉-硬脂酸单甘酯复合物。

1.3.2 籼米淀粉-单甘酯复合物复合指数(CI)值的测定

参照张书艳等[5]，以籼米淀粉的吸光度为对照组，计算复合指数(CI)，见式(1)。

CI=(Abs1-Abs2)/ Abs1×100%

(1)

式中：Abs1为籼米淀粉的吸光度；Abs2为复合物的吸光度；CI为复合指数，%。

1.3.3 籼米淀粉-单甘酯复合物红外光谱扫描

参照Wang等[8]，采用Omnic软件对得到的红外光谱进行基线校正、平滑处理。

1.3.4 籼米淀粉-单甘酯复合物热特性测定

参考Reddy等[9]，准确称取1～3 mg(淀粉干基)样品，与一定质量蒸馏水混合均匀(1∶3)于铝盘中，压盖密封。20 ℃下平衡后，以空铝盘为参照，通入氮气(流速为50 mL/min)，以10 ℃/min的速率从20 ℃升温至150 ℃，进行扫描测定。通过DSC配套软件得到样品的相转变起始温度To、峰值温度Tp、终止温度Tc及焓变值ΔH。

1.3.5 籼米淀粉-单甘酯复合物结晶结构测定

参考Wang等[10]，采用波长为1.542 nm的Cu射线，X射线高压发生器管压为30 kV，管流10 mA，转速15 r/min；衍射角扫描区域2θ=3°～35°，步长为0.02°，步数1 600，扫描速度为2°/min。结合DIFFRAC及jade6软件计算相关结晶度(%)。

1.3.6 籼米淀粉-单甘酯复合物体外消化特性测定

参照Chen等[11]，准确称取(200 ± 5) mg样品置于离心管中，加入15 mL醋酸钠缓冲液(0.2 mol/L，pH 5.2)和磁力搅拌子使之分散均匀。将混合液于95 ℃下糊化30 min，冷却至37 ℃后加入5 mL混酶溶液(猪胰α-淀粉酶120 U/mL和糖化酶80 U/mL 混合)。将样品于37 ℃，300 r/min条件下水解。分别于20 min和120 min取出100 μL水解液，沸水浴中处理以使酶失活。随后，将水解液以 4 000 r/min离心5 min，使用3,5-二硝基水杨酸法测定上清液中的葡萄糖含量。计算不同的淀粉组分(RDS、SDS、RS)含量。

1.3.7 数据处理

实验数据是3次平行实验的平均值，采用SPSS 21.0软件中的单因素方差分析(one-way，ANOVA)检验显著性水平(检验水平P选择为 0.05，即小于0.05认为有显著性差异)和Pearson简单相关系数来评价双变量相关性。采用OriginPro 9.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 单甘酯添加量对籼米淀粉-单甘酯复合物复合指数的影响

如图1所示，随着不同脂肪酸单甘酯添加量的增加，籼米淀粉-单甘酯的复合指数总体呈现先大幅度增加后略有减小的趋势(80 ℃下的IS-GMP除外)，在单甘酯添加量1%～3%范围内复合指数变化最大。在95 ℃下，IS-GMS和IS-GMP在对应单甘酯添加量为3%时达到CI最大值，两者无显著性差异(P>0.05)且显著高于(P<0.05)IS-GML的CI最大值；在80 ℃下，单甘酯添加量3～5%范围内，随着制备温度的上升，IS-GML的CI值降低而IS-GMS和IS-GMP的CI值有较大幅度增加。对于IS-GML，可能是因为温度的增加使得淀粉的双螺旋结构遭受破坏，内部的疏水性基团外露，导致吸附在淀粉上的脂质脱落，CI值减小[5]；相比于CML，GMS和GMP碳链长度更长，疏水作用受温度影响较小，温度导致分子运动强烈，使得脂质分子和淀粉分子结合能力较强。

2.2 单甘酯添加量对淀粉糊化性质的影响

由图2a、图2c和图2e中可见，在保温温度为80 ℃(低于籼米淀粉糊化温度)下，和籼米淀粉相比，单甘酯的添加使得淀粉黏度值减小，且随着碳链长度的增加，黏度的降低越明显。不同单甘酯的添加对籼米淀粉的糊化曲线影响各不相同。

由图2b、图2d和图2f中可见，在保温温度95 ℃下，随着碳链长度的增加，越容易在冷却过程中形成完整的黏度峰；且单甘酯添加量越大，形成的黏度峰越尖锐。冷却峰的形成可能是因为直链淀粉和脂质形成了V型复合物[12]，降低了双螺旋聚集的紧密程度，导致了黏度增加；也有可能是因为游离的脂质和膨胀颗粒中的复合物在该温度下凝固变硬，使得黏度增加[13]。直链淀粉-脂质相互作用限制了淀粉颗粒的膨胀，减弱了直链淀粉浸出的速率，导致了更长的峰值时间和更高的糊化温度[13,14]。随着GML添加量的增加，IS-GML衰减值和回生值皆增加，谷值黏度与GML添加量呈线性关系(y=-131.39x+1 910.7，R2=0.944 2)。

对3种单甘酯复合物的糊化参数和复合指数进行相关性分析，结果如表1所示。随着添加量的改变，IS-GMS复合程度和糊化性质皆显著相关(除THR值外)。IS-GMP和IS-GML的复合程度和糊化性质皆无关。IS-GMP与IS-GMS的衰减值为负值，以及IS-GMP的峰值时间均为7.2 min，因此无法计算相关性。

表1 单甘酯添加量变化时复合指数和糊化性质双变量相关性

2.3 籼米淀粉-单甘酯复合物红外光谱分析

由于复合物样品数量多，且对于同一种单甘酯在相同制备温度下其红外光谱差异较小，故而选择复合指数最大的样品作为代表进行展示。X-衍射图谱也依照相同标准选择代表性样品。由图3所示，相比于籼米淀粉，籼米淀粉-单甘酯复合物在2 850 cm-1和1 705 cm-1附近出现了新的峰。其中，2 850 cm-1附近处吸收峰被认为是脂肪酸的—CH3、—CH2的不对称伸缩振动，1 707 cm-1附近的吸收峰为脂肪酸的羰基振动，羰基和直链淀粉的羟基之间形成氢键导致此吸收峰略微左移[10]，此光谱特征也与Chen等[15]和Yang等[16]的报道相似。

2.4 籼米淀粉-单甘酯复合物结晶结构分析

如图4所示，籼米淀粉在2θ=15°、22.8°出现单峰，17°、18°出现双肩峰，为典型的A型淀粉结晶结构[17]，经计算，结晶度为17.4。淀粉-脂质复合物的X衍射图谱在2θ=13°、19.8°出现衍射峰，证明了V-type复合物的形成[18]。

结合局部图(图4a和图4b)和表2可看出，较长链的单甘酯更易形成V-型结构复合物。虽然IS-GMS在80 ℃下存在A+V型结构，但在95 ℃下可向V型转变，说明温度的增加可以促进A型结构向V型结构转变；而IS-GML皆为A+V型结构。

籼米淀粉-单甘酯复合物的形成降低了籼米淀粉的结晶度(见表2)。加热之后，籼米淀粉的双螺旋结构受到了破坏，并且脂质的添加使得淀粉链向双螺旋结构的重排受到了阻碍，使得其结晶度减小[18]。随着复合物制备温度的升高，形成复合物的结晶度上升，可能是因为高温导致了更高的动能，使得螺旋结构更容易移动，脂质更容易自聚，形成更多核，最终转化为晶体[4,19]。

2.5 籼米淀粉-单甘酯复合物热特性分析

由表3可见，籼米淀粉-脂质复合物多数含有两个DSC吸热峰。第一个吸热峰为复合物对应的游离脂质的熔融峰(44～54 ℃)，单甘酯添加量较少时，熔融峰不易被检测出，碳链长短对其影响较小。对于籼米淀粉(IS)，第一个吸热峰为其糊化峰。

第二个吸热峰是籼米淀粉-脂质复合物的解离峰。籼米淀粉-单甘酯复合物的解离峰值Tp小于100 ℃，为Ⅰ型复合物，该类复合物结构相对无序，结晶度较低[20]。制备温度的提高增加了解离峰值，这可能是由于复合物结晶温度与冷却的环境温度之间的温度差ΔT增加所致。ΔT越高，传热速率越高，因此成核速率越高，形成的晶体越多[4]，导致Tp增加。相对于其他两种复合物，IS-GMP的焓变值(ΔH)最大，X衍射峰强度最大且结晶度最大，说明GMP有更好的与淀粉结合的能力，形成了更多的复合物[21,22]。在本研究中，碳链较短的单甘酯与直链淀粉复合的强度不够大；但较长碳链长度的单甘酯因其较差的溶解度和空间位阻排斥而难以进入直链淀粉双螺旋腔内。碳链长度适中的GMP与籼米淀粉结合效果最好。

表2 不同籼米淀粉-单甘酯复合物的晶型及结晶度

表3 单甘酯添加量对籼米淀粉-单甘酯复合物热特性的影响

2.6 籼米淀粉-单甘酯体外消化特性

由表4所示，制备温度80 ℃和95 ℃下，GMS和GMP的添加显著降低了RDS含量，且添加量越大，效果越显著。80 ℃下，3种复合物的SDS含量随添加量的增加先增加后减小；而95 ℃下，不同单甘酯对SDS含量影响不同。

由复合指数和晶型研究的结果可知，IS-GML的CI值较小，说明GML不易于籼米淀粉结合或结合量较少，且结晶度较低，导致其RDS含量和原料淀粉相近。相比于籼米淀粉，脂肪酸单甘酯的添加使得RS含量都显著增加，说明V-型复合物的结构较稳定、规整，不易被水解。

表4 单甘酯添加量对淀粉-脂肪酸复合物消化特性的影响

对复合指数和消化特性指标做相关性分析，发现CI值和RDS含量显著负相关(见表5)。说明籼米淀粉与单甘酯结合可降低快速消化淀粉含量，此结果与前人研究结果一致[23]。

表5 CI值和消化特性相关性

3 结论

随着单甘酯添加量的增加，复合指数在出现峰值后趋于平稳或下降；籼米淀粉-硬脂酸复合物和籼米淀粉-棕榈酸复合物的CI最大值没有显著性差异(P<0.05)。单甘酯添加量的增加及复合温度的升高可促使籼米淀粉结晶型从典型的A型结构向A+V型及V型结构转化，形成Ⅰ型复合物。籼米淀粉-硬脂酸复合物的复合指数(CI)和糊化特性显著相关(除最低黏度外)。相比于籼米淀粉，脂肪酸单甘酯的添加RS含量显著增加；籼米淀粉-单甘酯复合物的快速消化淀粉含量(RDS)与复合指数(CI)显著负相关。单甘酯的链长、添加量、制备温度对籼米淀粉-单甘酯复合物的形成、热特性和结晶结构产生影响，进而影响其消化特性。本研究可为淀粉-脂质复合物消化性调控及其在膳食干预方面的应用提供参考。