淀粉-脂质复合物在热加工过程中的结构变化及其对体外消化性影响

秦仁炳，王书军，项丰娟，王 硕

（1.天津科技大学 食品营养与安全国家重点实验室，天津 300457；2.天津科技大学食品科学与工程学院，天津 300457；3.南开大学医学院，天津市食品科学与健康重点实验室，天津 300071）

淀粉和脂类是食品的主要营养成分，对食品的风味、质地和营养健康品质起重要作用。淀粉和脂质在加工或随后的冷却和贮存过程中可形成淀粉-脂质复合物[1]。由于淀粉-脂质复合物的形成会对淀粉的流变学[2-3]、回生[4-5]、体内消化[6]和体外酶消化[7,8]等性质产生一定的影响，因此近年来关于淀粉-脂质复合物的研究引起了人们的广泛关注。直链淀粉和脂质形成的复合物也被列为一种新型抗性淀粉（resistant starch，RS），即RS5[9-11]。RS不被健康人胃和小肠消化吸收，进入大肠后可以被肠道菌群发酵产生短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）、H2、CO2和CH4等[12-14]，SCFAs在维持肠道健康和人体健康中发挥重要的生理作用[15-17]。

由于RS对人体健康有诸多益处，因此提高食物中的RS含量是近年来食品科学领域的研究热点。前期的研究主要集中在RS制备方法的条件优化或食品加工过程中RS的形成等[18-20]。但是关于热加工和回生对食品中RS性质以及对食品的质地和营养价值的影响报道很少[21]。一般来说热加工处理会增加淀粉的消化率[22]，导致RS的减少进而引起结肠中SCFAs产量降低。因此，研究食品中RS热稳定的策略对于促进SCFAS的产生相当重要。淀粉-脂质复合物作为一种重要的RS形式（RS5），与其他类型RS相比具有自己独特结构和功能，可在实验室可控条件下制备，为研究加热和回生对RS的结构和功能变化提供了一个良好的模型系统。因此，本研究的目的是探讨RS5在高于熔融温度下加热和不同温度下回生对其结构和体外酶消化性影响。研究结果对进一步了解食品热加工处理过程中RS5的结构和功能变化，更好地控制食品加工过程中淀粉的消化具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

高直链玉米淀粉VII（HA7，直链淀粉质量分数约为70%） 美国Ingredion公司；硬脂酸（C18:0，SA）、普鲁兰酶（EC 3.2.1.41）、α-淀粉酶（EC 3.2.1.1） 美国S i g m a 公司；G O P O D 试剂盒、淀粉转葡糖苷酶（3 260 单位/mL） 爱尔兰Megazyme国际公司。其他化学品均为分析纯。

1.2 仪器与设备

高压灭菌锅 日本Hirayama公司；200 F3差示扫描量热（differential scanning calorimetry，DSC）仪 德国NETZCH公司；UV-180紫外分光光度计 日本Shimadzu公司；D8 Advance广角X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）仪 德国布鲁克公司；inVia Reflex激光共聚焦显微拉曼光谱仪 英国雷尼绍公司；SHJ-A磁力搅拌水浴锅 上海玺袁科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 RS5制备

RS5的制备方法是参考Qin Renbing等[21]的方法。将高直链玉米淀粉与0.2 mol/L醋酸钠缓冲液（pH 5.0）混匀配成10 g/100 mL淀粉悬浮液，然后于高压灭菌锅中130 ℃下处理60 min，使高直链玉米淀粉充分凝胶化。将凝胶化的淀粉糊冷却至60 ℃，加入普鲁兰酶（80 NPUN/g淀粉）搅拌12 h使其脱支。将脱分支之后的淀粉悬浮液于130 ℃下再一次加热30 min，然后加入硬脂酸，其添加量为淀粉干基质量的10%，在90 ℃水浴锅中搅拌1 h使直链淀粉与硬脂酸充分复合。然后将复合物搅拌2 h冷却至25 ℃。淀粉-脂质复合物悬浮液2 000×g离心20 min然后用体积分数50%乙醇溶液洗涤3 次得到淀粉-脂质复合物。制备得到的淀粉-脂质复合物命名为HA7-SA，冷冻干燥，研磨后过100 目筛，放在密闭容器中于4 ℃条件下贮存备用。

1.3.2 HA7-SA的热加工处理

HA7-SA的热加工参考Wang Shujun等[23]的方法略作修改。准确称取1 g HA7-SA放入聚丙烯袋中加3 mL蒸馏水使HA7-SA与蒸馏水充分混合。然后用真空封口机密封，在室温下平衡2 h后于高压灭菌锅（121 ℃）中加热10 min。一部分样品加热后立即用液氮中速冻约10 min（命名为SA-121），另外的样品分别在4、25 ℃和50 ℃贮存24 h后再用液氮速冻命名为SA-121-4 ℃、SA-121-25 ℃和SA-121-50 ℃。样品随后经真空冷冻干燥机冷冻干燥，研磨后过100 μm筛于4 ℃条件下贮存备用。

1.3.3 差示扫描量热分析

利用DSC仪和热分析数据站对样品的热性能进行了测定及分析。准确称取HA7-SA样品3 mg放到40 μL铝盘坩埚中，向铝盘坩埚内添加去离子水使水与HA7-SA的比例达到3∶1（m/m）。在DSC测量之前，将制备好的HA7-SA/水混合物样品于室温下平衡过夜，然后样品以10 ℃/min的升温速率从20 ℃加热至135 ℃。用空DSC铝盘坩埚作为空白参比，用仪器自带的热分析软件分析HA7-SA的热转变温度（起始凝胶化温度to、峰值温度tp、终止温度tc）和凝胶化焓值变化（ΔH）。每个样品至少重复3 次[22]。

1.3.4 激光共聚焦显微拉曼光谱分析

将少量HA7-SA样品用载玻片压至紧实平整，在显微镜视野中选择清晰界面进行测试，激光光源为波长785 nm。具体测试参数：扫描范围为100～3 200 cm－1，激光功率为50%，每个样品至少采集6 个不同的点，使用仪器自带软件WIRE 2.0处理样品图谱，并记录半峰宽数据[7]。

1.3.5 广角XRD分析

HA7-SA样品的相对结晶度是由XRD仪在40 kV和40 mA Cu-Kα辐射（λ＝0.154 06 nm）条件下进行检测得到。首先HA7-SA样品在含有饱和NaCl溶液的密闭容器中于室温下平衡7 d后进行分析。XRD光谱的扫描范围为4°～35°（2θ），扫描速率为2（°）/min，步长0.02°。用TOPAS 5.0软件按式（1）计算样品的相对结晶度。

V-型结晶度和B-型结晶度分别为V晶体峰（7.5°、12.9°和19.8°）和B晶体峰（5.6°、16.9°和22.6°）的面积与总面积比。

1.3.6 淀粉-脂质复合物的体外酶消化率及血糖指数测定

参考Wang Shujun等[24]的淀粉体外消化方法对HA7-SA样品进行消化分析。具体操作如下：准确称取复合物（100 mg，干基）放入4.0 mL 0.1 mol/L乙酸钠缓冲液（pH 5.2）中，然后加入1.0 mL新制备的含有1 645 个单位的α-淀粉酶和41 个单位的淀粉转葡萄糖苷酶消化酶液，HA7-SA/酶混合物置于37 ℃磁力搅拌水浴锅中260 r/min孵育3 h。每隔一段时间取0.05 mL的水解产物，加入0.95 mL的95%乙醇溶液混合，使消化酶失活，然后在13 000 r/min下离心3 min。采用Megazyme GOPOD试剂盒测定葡萄糖释放量。将游离葡萄糖含量乘以0.9，计算水解复合物比例，即体外酶的消化率。

水解指数（hydrolysis index，HI）用加工前后HA7-SA复合物的水解曲线下面积（0～180 min）与同一时期白面包对应面积比值表示。得到复合物的体外HI之后，利用Granfeldt等[25]提出的经验计算公式（式（2））估算复合物的血糖指数（estimated glycemic index，eGI）。

1.4 数据统计分析

所有实验至少做3 个平行处理。数据结果以平均值±标准偏差表示，XRD各样品只做一次，采用SPSS 19.0软件对结果进行单因素方差分析，然后用post-hoc Duncan's多重比较分析测定平均值之间的显著差异（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 热处理前后HA7-SA长程有序性分析结果

图1 HA7-SA样品热处理前后的XRD图谱Fig.1 XRD patterns of HA7-SA before and after autoclaving treatment alone or followed by storage

从图1可以看出，HA7-SA样品在2θ分别为5.6°、7.5°、12.9°、16.9°、19.8°和22.6°处具有明显XRD峰。脱分支高直链玉米淀粉和硬脂酸形成的复合物为典型V-型晶体结构，在2θ为7.5°、12.9°和19.8°处具有明显XRD衍射峰，而在2θ为5.6°、16.9°和22.6°处的XRD衍射峰表明存在HA7-SA回生的B-型淀粉晶体结构。上述结果表明，所制备的HA7-SA复合物由B-型和V-型两种晶体类型组成。HA7-SA的V-型和B-型复合物的相对结晶度分别为20.3%和7.0%。在121 ℃处理10 min后，HA7-SA的V-型衍射峰强度显著降低，结晶度从20.3%降低到9.6%，说明这些复合物在高于其熔融温度处理时能够破坏其晶体结构（图1和表1）。而121 ℃处理10 min后的样品于4、25、50 ℃下贮存24 h后对复合物的XRD衍射图谱没有显著影响。与V-型晶体不同是HA7-SA在5.5°、16.9°和22.6°衍射峰明显增强，B-型晶体结晶度在热处理及回生后显著增加（表1），表明在加热过程中未与硬脂酸复合的游离直链淀粉链分子在回生阶段进行重组形成稳定的B-型晶体结构。回生温度对B-型晶体结构影响不大。

表1 HA7-SA样品热处理前后相对结晶度Table 1 Relative crystallinity of HA7-SA samples undergoing different treatments

2.2 热处理前后HA7-SA短程有序性分析结果

拉曼光谱是表征淀粉短程有序性的重要手段，拉曼光谱中位于480、865、940 cm－1和1 264 cm－1处的谱带是与淀粉相关的典型谱带，这些峰分别与淀粉吡喃环的骨架振动、CH2振动、C—O—C骨架振动和CH2OH（侧链）振动有关[26-28]。

图2 HA7-SA样品热加工前后及不同贮藏温度的拉曼光谱Fig.2 Raman spectra of HA7-SA samples undergoing different treatments

由图2可知，HA7-SA样品在480、865、940、1 264 cm－1处有明显的峰出现。拉曼光谱480 cm－1处的半峰宽对淀粉短程有序性（即螺旋簇的排列）的变化敏感，半峰宽越小，表明淀粉短程分子有序结构越高[29-30]。由图2和表2可以看出，热处理后HA7-SA在480 cm－1处的半峰宽明显减小，特别是4 ℃回生24 h的样品降低最明显。说明高温处理能够提高HA7-SA短程有序性结构，与前期发现的蒸煮处理可以增加HA7-SA的短程有序性结果[21]相一致。由于25 ℃和50 ℃贮存温度高，淀粉回生速率慢短程有序性结构较差。这表明4 ℃回生24 h对复合物的短程有序性结构影响最大。从峰强度上也可以看出4 ℃回生24 h后的HA7-SA在480 cm－1处峰强度最大，表明SA-121-4 ℃样品的复合物结构具有更好的短程分子有序性。

表2 HA7-SA样品拉曼光谱480 cm－1处的半峰宽Table 2 Full width at half maximum (FWHM) of the band at 480 cm-1 determined by Raman spectroscopy for HA7-SA samples undergoing different treatments

2.3 HA7-SA样品热力学性质分析结果

表3 热处理前后及不同贮藏温度HA7-SA样品的热力学参数Table 3 Thermal properties of HA7-SA undergoing different treatments

如表3所示，HA7-SA复合物有2 个吸热转变温度（tp1和tp2分别为I型复合物和II型复合物的熔融峰），熔融温度分别为102.7 ℃和118.8 ℃。121 ℃处理后tp1峰消失，tp2相转变温度显著升高（P＜0.05），表明复合物由II中的IIa型复合物通过重结晶，形成结晶度更高、分子排布有序性更强、热稳定性更高的IIb型结构[31]。加工前HA7-SA的总ΔH（5.2 J/g）由I型复合物（3.3 J/g）和II型复合物（1.9 J/g）两部分组成，加热处理后样品的总ΔH减少，说明复合物结构遭到一定破坏，其中有一部分I型复合物和IIa型复合物经过熔融重排成结晶结构紧密的IIb型复合物；另一部分形成游离的淀粉链分子和游离脂肪酸。热处理及不同温度贮藏后的样品ΔH没有显著性差异（P＞0.05）。

2.4 HA7-SA样品的体外消化性结果

如图3所示，所有样品均在初始阶段消化速率快，约60 min后消化速率就趋于平稳。HA7-SA的最终消化率为49.9%，eGI为50.8，HA7-SA为低eGI食物[32-33]。121 ℃处理显著降低了HA7-SA的消化率。由表4可知，SA-121、SA-121-4 ℃、SA-121-25 ℃和SA-121-50 ℃的RS质量分数分别增加了13.1%、13.5%、11.5%和11.7%，快消化淀粉（rapidly digested starch，RDS）、慢消化淀粉（slowly digested starch，SDS）质量分数明显降低，特别是RDS质量分数降低幅度大。HI、eGI显著降低（P＜0.05），其中SA-121、SA-121-4 ℃、SA-121-25 ℃和SA-121-50 ℃的eGI显著降低，分别降低了12.2%、12.6%、11.9%和11.2%。消化率和eGI降低的主要原因是：1）在121 ℃热处理复合物由I型和IIa型复合物通过重结晶，形成结晶度更高、分子排布有序性更强、热稳定性更高的IIb型，IIb型复合物具有较强的抗水解酶能力[34]；2）自由直链淀粉链分子经重组形成结构稳定的B-型晶体结构。高温加工后复合物的RDS和eGI显著下降对于人们饮食营养与健康方面具有重要意义，这对于食品工业生产低eGI食物也具有一定指导意义。

图3 HA7-SA样品热处理前后及不同贮藏温度下的体外消化图谱Fig.3 In vitro starch digestograms of HA7-SA undergoing different treatments

表3 热处理前后及不同贮藏温度HA7-SA样品体外消化性和eGITable 3In vitro digestibility and eGI of HA7-SA samples undergoing different treatments

3 结 论

本实验研究了在高于HA7-SA熔融温度下的热处理对其结构和消化性的影响，结果显示，HA7-SA为V-型晶体和B-型晶体混合物，热处理后的HA7-SA晶型未发生明显变化，为V-型晶体和B-型晶体混合物，但是V-型晶体结晶度显著减少，B-型晶体结晶度增加，短程分子有序性变好，复合物类型由I型和IIa型向热稳定更高、结构更稳定和抗消化能力更强的IIb型复合物转变。同时，热处理后RDS和SDS质量分数显著下降，RS质量分数显著增加，eGI显著降低。另外不同温度回生对HA7-SA结构和消化性影响不大，表明高温处理能够破坏HA7-SA其内部结构，贮存过程对HA7-SA的有序结构和体外酶消化性也有一定影响。研究结果表明HA7-SA作为一种新型RS具有良好的热加工性能，在食品工业具有广泛的应用前景。