复合湿热处理对苦荞全粉理化特性及体外消化性的影响

李红梅， 陈文文， 黄 璐， 李云龙， 申瑞玲,*

(1.山西农业大学 山西功能食品研究院， 山西 太原 030031；2.郑州轻工业大学 食品与生物工程学院/河南省冷链食品质量安全控制重点实验室/食品生产与安全河南省协同创新中心， 河南 郑州 450001)

苦荞(Fagopyrumtataricum)源于蓼科(Polygonaceae)荞麦属(Fagopyrum)，又称为鞑靼荞麦，是一种药食饲兼用的作物资源。近年来，苦荞由于具有抗氧化、抗炎、降血糖、降血压、抗疲劳和认知改善作用而受到广泛关注。苦荞全粉必需氨基酸组成相对均衡，还含有丰富的生物活性物质，如类黄酮、酚酸和植物甾醇。苦荞全粉有缓慢消化性质，可在一定程度上维持餐后血糖平衡。《中国居民膳食指南科学研究报告(2021)》指出，我国的糖尿病患病率为11.9%，并且呈现增加趋势[1]。有研究表明：全谷物摄入与较低的Ⅱ型糖尿病发病率相关，患有Ⅱ型糖尿病或有患病风险的人推荐食用全谷物食品；全谷物可通过降低餐后血糖和外周胰岛素抵抗起作用，摄入具有低血糖生成指数(GI)值的全谷物能更好地降低糖尿病发病率[2]。大量研究已经证实，谷物GI值主要与淀粉组成有关，通过物理或化学方法对淀粉改性提高抗性淀粉的含量，能够有效降低谷物GI值。

湿热处理(HM- T)是通过水和热改变全谷物粉物理化学性质并能保持颗粒完整的物理变性方法。HM- T过程中淀粉晶体结构的破坏和双螺旋结构的解离能够促进聚合物链的相互作用，使破裂的晶体进行重排，并通过影响全谷物颗粒的溶胀性、溶解度、糊化特性、颗粒形态和对酶促或酸性水解的敏感性，从而影响淀粉消化性[3]。研究表明，湿热处理能增加大米[4]、小米[5]、荞麦淀粉[6]中慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)含量，促进淀粉脂质复合物的形成，有效地改善淀粉的理化性质和体外消化率，提高淀粉的热稳定性、健康效益和应用价值；另有研究表明，复合湿热处理对增加抗性淀粉含量、降低淀粉消化率有显著效果。湿热- 酸处理[7]、普鲁兰酶- 湿热处理[8]、微波- 湿热处理[9-10]均能显著增加淀粉中直链淀粉的比例，降低淀粉中快消化淀粉(RDS)含量，并增加SDS、RS含量，降低淀粉消化率。目前，湿热处理的相关研究主要集中于对淀粉的理化特性和消化特性影响方面，专门针对复合湿热处理对苦荞全粉性质的影响和不同复合湿热处理对苦荞全粉的营养成分、理化特性和体外消化特性的对比却鲜有研究。

本实验以未处理苦荞全粉(N- T)作为对照，通过湿热处理(HM- T)、湿热复合普鲁兰酶处理(HM- E- T)、湿热复合微波处理(HM- M- T)和湿热复合柠檬酸处理(HM- C- T)苦荞全粉，拟研究4种处理方式对苦荞全粉理化特性及消化特性的影响，以期为湿热处理及复合湿热处理降低谷物GI值及低GI食物原料开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

苦荞全粉，山西省农科院提供。普鲁兰酶(5 U/mg)、胃蛋白酶(10 U/mg)、猪胆盐、胰酶异硫氰酸荧光素(FITC)、罗丹明B和柠檬酸，购自美国Sigma公司。总淀粉、直链淀粉、支链淀粉和总膳食纤维测定试剂盒，购自爱尔兰Megazyme公司。实验所用试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

FCD- 3000型电热恒温鼓风干燥箱和DSH- 50A- 5型水分快速测定仪，上海佑科仪器仪表有限公司；HYP- 3型智能消化炉和KDN- 103F型定氮仪蒸馏装置，上海纤检仪器有限公司；SX- 4- 10型箱式电阻炉(马弗炉)，北京科伟永兴仪器有限公司；Q100型差示扫描量热仪(DSC)，美国TA公司；RVA4500型快速黏度分析仪，德国Perten有限公司；PW- 1710X型X射线衍射仪和Vertex 70型傅里叶变换红外光谱仪，德国布鲁克公司；JSM- 6490LV型扫描电子显微镜，美国FEI公司；LSM710型激光扫描共聚焦显微镜，德国ZEISS公司；Multiskan GO型全波长酶标仪，赛默飞世尔科技(中国)有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1苦荞全粉处理方法

1.3.1.1 苦荞全粉的湿热处理

参考张明[10]的方法并稍作修改。取适量苦荞全粉，加蒸馏水调节全粉水分质量分数为30%，于密封袋室温平衡24 h，后转移至耐高温、耐高压的玻璃瓶中(星蓝盖试剂瓶，500 mL)。密闭，置于恒温鼓风干燥箱，于110 ℃湿热处理90 min，室温冷却，经45 ℃干燥24 h，粉碎过100目筛，备用。

1.3.1.2 苦荞全粉的湿热复合普鲁兰酶处理

取淀粉当量为1 g的湿热处理后的苦荞全粉(干基)，加入蒸馏水调成苦荞淀粉质量分数为10%的悬浮液，沸水浴糊化20 min。调节pH值(盐酸，1 mol/L)至4.5，添加40 U/g普鲁兰酶。60 ℃水浴10 h后，沸水浴灭酶，4 ℃回生24 h[11]，45 ℃干燥24 h，粉碎过100目筛，备用。

1.3.1.3 苦荞全粉的湿热复合微波处理

取湿热处理苦荞全粉1 g，加蒸馏水调成苦荞全粉质量分数为16%的悬浮液，以微波功率为700 W处理苦荞全粉5 min[10]。4 ℃回生24 h，45 ℃干燥24 h，粉碎过100目筛，备用。

1.3.1.4 苦荞全粉的湿热复合柠檬酸处理

取湿热处理苦荞全粉1 g，分别加0.2 mol/L的柠檬酸溶液调成苦荞全粉质量分数为16%的悬浮液，沸水浴20 min[12]，调节pH值(NaOH，1 mol/L)至6.8±0.2。4 ℃回生24 h，45 ℃干燥24 h，粉碎过100目筛，备用。

1.3.2不同处理方式的苦荞全粉基本营养成分的测定

水分含量的测定参考GB 5009.3—2016方法，蛋白质含量的测定参考GB 5009.5—2016方法，脂类含量的测定参考GB 5009.6—2016方法，灰分含量的测定参考GB 5009.4—2016方法，总淀粉含量的测定参考总淀粉测定试剂盒说明书的方法，直链淀粉、支链淀粉含量的测定参考直链淀粉、支链淀粉测定试剂盒说明书的方法，总膳食纤维含量的测定参考总膳食纤维测定试剂盒说明书的方法。

1.3.3不同处理方式的苦荞全粉理化特性分析

1.3.3.1 热特性参数测定

参照Yan等[13]的方法并加以修改。将3.0 mg苦荞全粉样品置于铝盘并加入6 μL蒸馏水，压片。常温平衡24 h后，以10 ℃/min从40 ℃升温至110 ℃，用DSC测定热特性参数。

1.3.3.2 黏度的测定

参照GB/T 24852—2010的方法，对不同处理方式的苦荞全粉进行黏度测定。

1.3.3.3 红外光谱分析

红外光谱测定工作条件：扫描范围500～4 000 cm-1，扫描次数64次[14]。

1.3.3.4 X-射线衍射分析

X-射线衍射仪采用连续扫描，扫描电压36 kV，电流20 mA，扫描范围为5°～40°，扫描速度为2°/min，扫描步长为0.02°，扫描方式为连续扫描。

1.3.3.5 表观结构分析

取适量样品固定于样品台上，喷金后在扫描电子显微镜(SEM)上观察样品表观结构。SEM电压为20 kV，放大倍数800倍。

1.3.3.6 微观结构分析

参考Mccann等[15]的方法并进行部分修改。将1 g待测样品在5 mL去离子水中浸泡4 h后，离心(3 000 r/min，5 min)，用0.2 mg/mL FITC和0.02 mg/mL罗丹明B的混合溶液对30 mg湿待测样品避光染色20 min。使用ZEN Imaging软件分析所有图像(FITC荧光激发波长为488 nm，荧光发射波长为450～540 nm；罗丹明B的荧光激发波长为543 nm，荧光发射波长为545～660 nm)。

1.3.4不同处理方式的苦荞全粉体外消化率分析

淀粉水解率的测定参考Englyst等[16]的方法并稍作修改。将待测样品(1 g淀粉当量)分散在10 mL去离子水中，沸水浴糊化10 min。添加模拟胃液，37 ℃水浴震荡(120 r/min，30 min)，调节pH值至6.9。添加模拟肠液，去离子水定容至50 mL，37 ℃水浴震荡(120 r/min，3 h)，分别在0、10、20、30、45、60、90、120、150、180 min时，取0.5 mL酶解液于4.5 mL无水乙醇中。离心(3 000 r/min，10 min)，取上清液。用DNS法在540 nm处测吸光度值。

快消化、慢消化、抗性淀粉含量计算方法见式(1)至式(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)至式(4)中：FG为酶水解作用前淀粉中游离还原糖的质量，mg；TS为样品中总淀粉质量，mg；G20为酶解20 min后产生的还原糖质量，mg；G120为酶解120 min后产生的还原糖质量，mg。

eGI=39.71+0.549HI。

(5)

1.4 数据处理

所有实验均进行3次平行实验，数据以平均值±标准偏差表示。采用Origin7.5软件绘图，采用SPSS 2.0软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同湿热处理方式对苦荞全粉主要营养成分的影响

不同处理方式对苦荞全粉基本营养成分的影响，实验结果见表1。由表1可见，不同处理方式对苦荞全粉蛋白质、脂肪、灰分和总淀粉的含量影响不明显，但显著增加了苦荞全粉的直链淀粉和总膳食纤维含量(P<0.05)。HM- T使苦荞全粉直链淀粉含量增加5.56%，支链淀粉含量降低3.16%；复合湿热处理使苦荞全粉直链淀粉含量增加35.12%～146.92%，支链淀粉含量降低18.89%～77.13%，这可能是在水分和高热的共同作用下，淀粉内无定形区中淀粉链之间的相互作用改变引起的[18]。HM- E- T直链淀粉含量增加较多，说明淀粉经普鲁兰酶部分脱支后，使得淀粉分子中的支链淀粉发生一些降解，产生了更多直链分子。总膳食纤维含量相对于N- T，分别增加了17.40%(HM- T)、32.93%(HM- E- T)、13.30%(HM- M- T)和24.37%(HM- C- T)，Zheng等[19]得到了类似结果。这可能与热能和水分子迁移下的淀粉聚集体形成和直链淀粉/支链淀粉链结构变化有关，且淀粉可能与脂类、蛋白质和多酚等其他复合成分形成复合物，从而强化聚集、静态和氢键的影响[20]。

表1 不同湿热处理苦荞全粉的主要营养成分含量Tab.1 Contents of major nutritional in whole tartary buckwheat flour with different heat-moisture treatmeat methods g/100g

2.2 不同处理方式对苦荞全粉理化特性的影响

2.2.1不同处理方式对苦荞全粉热特性的影响

在加热条件下，通过DSC检测可获得淀粉的糊化起始温度、吸热峰、终止温度和糊化焓的信息，进而分析淀粉的热稳定性和结晶度百分比。糊化温度是淀粉的一个重要指标，其特征值与淀粉颗粒结晶结构、颗粒大小、直链淀粉含量等因素密切相关。不同处理的苦荞全粉的热特性曲线见图1。以糊化起始温度至终止温度为积分区间，对热流与温度的积分求面积，可得热焓值。先前研究发现[21]：HM- T的苦荞淀粉由于淀粉颗粒内部的结晶区以及非结晶区的双螺旋结构被破坏，导致其糊化所需的能量降低，热焓值显著降低；同时HM- T使无定形区直链淀粉- 支链淀粉、直链淀粉- 直链淀粉和直链淀粉- 脂质之间的相互作用加强，抑制无定形区域中淀粉链的运动，需要更高的温度来达到溶胀，这反过来会破坏淀粉的结晶域，导致转变温度的升高。Liu等[6]得到了经湿热处理后的苦荞淀粉糊化温度升高，焓值下降的结果，而图1中经处理后的苦荞全粉的糊化相变吸热峰几乎消失，焓值接近0，但不同处理组的苦荞全粉未表现出明显的差异性，这可能是在湿热处理后苦荞全粉部分发生糊化，使苦荞淀粉发生非晶化。另外，实验原料及回生条件也可能影响焓值。Xiao等[21]发现，苦荞粉比苦荞淀粉焓值低，且二者经湿热处理后均保持焓值降低的结果，表明原料差异会影响焓值。

图1 不同湿热处理苦荞全粉的热特性变化Fig.1 Change of thermal characteristic of whole tartary buckwheat flour with different heat-moisture treatments

2.2.2不同处理方式对苦荞全粉糊化特性的影响

图2 不同湿热处理对苦荞全粉糊化特性的影响Fig.2 Effects of different heat-moisture treatments on pasting characteristics of whole tartary buckwheat flour

不同方式处理的苦荞全粉糊化曲线见图2。由图2可见，与苦荞原粉相比，处理后的苦荞全粉黏度显著降低，HM- M- T、HM- C- T及HM- T苦荞全粉黏度随温度变化不大，而HM- E- T苦荞全粉近似呈一条直线。全粉的黏度与直链/支链淀粉比例、脂质物含量、淀粉和水的结合能力有关。支链淀粉引起淀粉颗粒的膨胀和糊化，而直链淀粉、直链淀粉脂质物抑制淀粉的膨胀糊化，降低淀粉糊黏度。苦荞全粉在HM- T过程中热能和水蒸气的作用使淀粉无定形区分子双螺旋结构发生迁移和重排，结晶更为紧密，且水分含量较高，形成直链淀粉和脂质复合物，降低了淀粉和水的结合能力；而HM- E- T的苦荞全粉黏度更小，说明HM- T后经普鲁兰酶脱支减少了支链淀粉含量，这与表1中HM- E- T具有最低的支链淀粉含量的结果相一致。另外，在处理过程中，淀粉发生糊化也会降低淀粉黏度。在样品的初始加热阶段，苦荞原粉的黏度增加主要是由于直链淀粉溶出；而HM- T促进了直链淀粉和支链淀粉的缠结(通过分子内/分子间连接)，延缓直链淀粉的浸出，并使样品需要较高的糊化温度进行结构分解和形成糊状物[22]。

2.2.3不同处理方式对苦荞全粉化学键的影响

红外光谱是检测淀粉分子结构的主要方法之一，不同方式处理苦荞全粉的红外光谱见图3。淀粉的主要特征基团是C2及C3所连接的仲醇羟基以及α-D-吡喃环结构，3 000～3 600 cm-1处的宽峰对应于淀粉中氢键缔合的—OH伸缩振动产生的吸收峰，峰宽反映了分子间和分子内氢键的形成程度。经过不同处理，约为3 432 cm-1(N- T)的宽吸收峰分别移动到3 457(HM- T)、3 450(HM- M- T)、3 444 cm-1(HM- C- T)处，说明氢键相互作用降低。2 929 cm-1处的锐带来自葡萄糖单元C—CH2—C的不对称伸缩振动，此处条带强度的不同可能是由于直链淀粉和支链淀粉含量的变化所致[23]。2 368 cm-1处的吸收峰对应于与环甲烷氢原子相关的—CH2拉伸；1 647 cm-1处的峰对应于在非晶区吸收的水分子和C—O—的拉伸振动； 1 365 cm-1处的峰值归因于O—C—H和C—O—H的弯曲模式[23]；1 164 cm-1处的峰与糖苷键(C—O—C)和整个葡萄糖环的振动相关，可能表现出不同的振动模式和弯曲构象。1 047 cm-1与1 022 cm-1吸收峰强度比(R1 047 cm-1/1 022 cm-1)能够反映淀粉的有序结构，而糖苷键的振动骨架模式则在900～950 cm-1处观察到。利用OMNIC软件对所得红外谱图进行去卷积处理，发现R1 047 cm-1/1 022 cm-1由1.014(N- T)分别下降至0.971(HM- T)、0.885(HM- M- T)、0.779(HM- M- T)、0.685(HM- C- T)，表明苦荞淀粉颗粒的短程有序化程度逐渐下降，这可能是由于苦荞全粉经处理后破坏了淀粉分子链间或内部原有的氢键，导致淀粉分子中双螺旋结构的不规则排列或解旋。复合湿热处理后R1 047 cm-1/1 022 cm-1下降更加明显。经不同方式处理的苦荞全粉没有出现新的吸收峰，说明没有新基团产生，且柠檬酸与淀粉未发生反应。经HM- T后，峰位置向更低、更宽的方向移动，这表明淀粉与淀粉及其他分子之间的相互作用增强[24]。

图3 不同湿热处理苦荞全粉的红外光谱Fig.3 Infrared spectra of whole tartary buckwheat flour with different heat-moisture treatments

2.2.4不同处理方式对苦荞全粉晶体结构的影响

淀粉颗粒的结晶主要发生在支链淀粉的外链，可用淀粉的X射线衍射峰来反映支链淀粉微晶束的特性。不同方式处理的苦荞全粉的X射线衍射图和相对结晶度见图4。由图4可见，苦荞淀粉表现出典型的A型X射线图，A型多晶型物通常由支链较短的支链淀粉形成，其峰位于衍射角为15.22°、17.12°、18.04°和23.42°。HM- T与未处理的苦荞全粉具有相似的衍射峰，表明HM- T没有改变原粉的晶型；经HM- E- T后的淀粉在衍射角为15.22°、17.12°、20.00°、22.00°、24.00°处产生了衍射峰，表明处理后苦荞全粉由A型淀粉转变为A+B+V的多晶型淀粉。说明淀粉颗粒在HM- E- T下，处于无定形区的直链淀粉和脂类更容易接近，发生复合作用，这与激光共聚焦显微镜观察结果一致。HM- M- T后的淀粉无定形区增加，尖峰几乎消失，整条曲线接近馒头峰，说明淀粉的结晶结构遭受到严重的破坏；HM- C- T后，淀粉结晶结构破坏更加严重，这可能是柠檬酸使淀粉链发生了降解[10]。

图4 不同湿热处理苦荞全粉的X-射线衍射图及相对结晶度Fig.4 X-ray diffraction pattern and relative crystallinity of whole tartary buckwheat with different heat-moisture treatments

二图放大倍数均为800倍；(b)中红色代表蛋白质，绿色代表淀粉。图5 不同湿热处理苦荞全粉的微观结构变化Fig.5 Microstructure changes of whole tartary buckwheat flour with different heat-moisture treatments

由图4可知，经处理的苦荞全粉的相对结晶度均下降。不同处理的苦荞全粉的相对结晶度分别为23.0%(N- T)、20.9%(HM- T)、18.4%(HM- E- T)、12.6%(HM- M- T)和10.6%(HM- C- T)。处理后的苦荞全粉无定形区增加，淀粉结晶度不同程度降低，这可能是处理过程中淀粉发生糊化降低了结晶度。另外，当HM- T水分含量较高时，高热能以及水分子的迁移会使淀粉内部氢键断裂，增加了支链淀粉双螺旋的流动性，改变淀粉颗粒结晶结构的取向、有序化排列和紧密程度，甚至导致双螺旋结构的解旋，降低结晶度。相反地，Liu等[25]得到了HM- T后淀粉相对结晶度增加的结果，这可能是由于淀粉的来源、处理条件的不同致使晶体尺寸、结晶区与无定形区的比例不同，从而导致淀粉结晶度的差异。苋菜淀粉在HM- T后也显示出相对结晶度的降低[26]。相对于HM- T，复合湿热处理使淀粉相对结晶度的下降程度更大，这与红外光谱R1 047 cm-1/1 022 cm-1反映的有序结构下降结果一致。这可能是由于复合处理的叠加作用：HM- E- T在HM- T的基础上增加了双螺旋结构的破坏程度；HM- T后的微波处理过程中结晶区水分含量较低，对双螺旋结构的破坏大多属于不可逆破坏；HM- C- T中，柠檬酸降解了少部分淀粉链，导致淀粉结晶度下降[10]。

2.2.5不同处理方式对苦荞全粉微观结构的影响

不同方式处理的苦荞全粉微观结构见图5。由图5可见，苦荞全粉颗粒呈椭圆形、不规则的多面体形、球形，表面光滑、无裂痕。处理后的苦荞全粉与原粉相比，表现出不同强度的固态连接，部分颗粒表面呈现凹坑，可能由于HM- T的高温环境使其水分蒸发至表面，促使颗粒黏连，颗粒间较为紧凑，颗粒变大。当结束湿热过程后，温度的降低使颗粒表面形成塌陷，表面出现凹坑，其中HM- M- T及HM- C- T后的样品表观结构发生明显变化，形成不规则的片层状堆积结构，出现大量块状物， Wu等[27]认为这可能与慢消化淀粉变化有关。激光共聚焦结果[图1(b)]与Chen等[28]研究结果一致，HM- T和复合湿热处理组的蛋白质和淀粉均发生一定程度复合，而N- T的蛋白质、淀粉较为分散，复合较少。这可能是由于HM- T引起淀粉颗粒团聚和蛋白变性，变性蛋白分散黏附在淀粉颗粒团块表面的原因，说明HM- T促进了蛋白质与淀粉之间的复合；特别是复合湿热处理，可能由于两种处理更有利于这种促进作用。

2.3 不同处理方式对苦荞全粉消化特性的影响

不同方式处理的苦荞全粉体外消化率及淀粉组成情况见表2。湿热处理及复合湿热处理显著增加了苦荞全粉的抗性淀粉含量，降低了快消化淀粉含量及eGI值(P<0.05)。4种处理方式使苦荞全粉抗性淀粉质量分数从9.69%(N- T)分别增加到11.49%(HM- T)、14.12%(HM- E- T)、11.97%(HM- M- T)、13.01%(HM- C- T)。抗性淀粉的增加反映了淀粉链相互作用的增加，牛黎莉等[29]也得到了类似的研究结果。与高群玉等[30]的研究结果类似，湿热处理降低了苦荞全粉慢消化淀粉的含量，复合湿热处理却显著增加了苦荞全粉慢消化淀粉的含量(P<0.05)，这可能是由于复合湿热处理后直链淀粉的显著增加使慢消化淀粉含量增加。处理后抗性淀粉、慢消化淀粉、快消化淀粉含量的变化和蛋白质与淀粉的交联使淀粉的消化率降低，从而使苦荞全粉的eGI值不同程度降低：57.85(N- T)>56.03(HM- T)>55.65(HM- M- T)>55.18(HM- C- T)>50.22(HM- E- T)。HM- E- T对苦荞全粉的影响最大，可能是由于较高的抗性淀粉含量显著降低了淀粉的消化率。相较于天然苦荞全粉，4种处理方式降低了淀粉的消化率，说明处理后的苦荞全粉作为膳食的一部分摄入时，会产生相对较小的餐后血糖变化。

表2 不同处理方式苦荞全粉的消化特性变化Tab.2 Change of digestibility of different treatment methods of whole tartary buckwheat flour

3 结 论

HM- T及HM- E- T、HM- M- T、HM- C- T都能改变苦荞全粉的营养成分、理化性质及消化性，且不同处理方式之间对苦荞全粉性质改变存在差异。4种处理都显著提高了全谷物粉的膳食纤维、直链淀粉和抗性淀粉含量(P<0.05)，并改变了苦荞全粉颗粒结构及颗粒蛋白质与淀粉之间的复合，使颗粒表面粗糙且体积增大。不同处理后，苦荞淀粉的相对结晶度出现不同程度的降低，HM- T并没有改变淀粉颗粒晶型，而HM- E- T使淀粉由A型转化为A+B+V型。所有处理并没有形成新的基团，但是显著降低了全谷物粉的热焓值和黏性(P<0.05)。处理后淀粉eGI值明显降低，特别是HM- E- T对eGI值降低效果最明显。鉴于HM- E- T处理后苦荞粉的强热稳定性及低eGI值，期望可将HM- E- T处理的苦荞全粉用于研发糖尿病患者适用的主食替代品，从而为苦荞全粉的功能性食品研发提供理论参考。