低聚果糖对大米淀粉回生特性的影响

裴 斐，倪晓蕾，孙昕炀，杜逸飞，杨文建，方 勇，胡秋辉

（南京财经大学食品科学与工程学院，江苏省粮油品质控制及深加工技术重点实验室，江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心，江苏 南京 210023）

大米是世界上种植最广泛，消费量最大的粮食作物之一，其主要成分淀粉占大米干质量的90%以上[1]。随着人们生活节奏的加快和消费水平的提高，消费者对米饭的口感、营养、方便性等方面提出了更高需求，因此便携式方便米饭应运而生。目前，国内市售方便米饭存在复水性差、易回生、口感差等一系列问题，而大米加工后淀粉快速回生是造成这些问题的根本原因。回生是糊化后的淀粉分子链通过氢键缔合形成的双螺旋结构趋于有序化形成晶体的过程，导致了米饭、饭团等淀粉基食品在加工和储藏过程中变硬、干缩等问题，严重影响了米饭的口感和复水性[2]，是限制方便米饭产业发展的瓶颈问题。因此，提升大米淀粉（rice starch，RS）抗回生性能对于方便米饭的品质改善具有重要意义。

淀粉回生特性的改善可以通过化学修饰[3]，酶处理[4]和淀粉改良剂[5]等实现。化学修饰（如氧化淀粉、乙酰化淀粉等）和传统淀粉改良剂[6]安全性较低，长期或过量食用易产生毒性和带来食品安全问题[7]；酶处理容易产生各种水解产物，破坏产品原有的味道和营养价值[8]。目前，安全天然的淀粉回生控制技术一直是国内外学者关注的热点。其中，亲水胶体是一类具有较好持水性、凝胶性、稳定性、增稠性等特点的水溶性多糖或蛋白质，它能与淀粉相互作用从而改变食品体系的流变特性和质构特性[9]。亲水胶体已广泛用于日常生活中以淀粉为原料的食品制备[10]，特别是以β-环糊精（β-cyclodextrin，β-CD）为代表的亲水胶体对淀粉回生的延缓作用已经被广泛报道。Tian Yaoqi等[11]研究了β-CD对RS短期回生的影响，证明了β-CD与淀粉中的直链淀粉可通过范德华力、静电力等非共价作用形成直链淀粉-β-CD复合物，降低了直链淀粉比例和RS的回生速率。田耀旗等[12]对β-CD抑制淀粉回生效果及抑制机理进行研究，证明了β-CD可与直链淀粉结合形成络合物，延缓了直链淀粉有序结晶，抑制了淀粉的回生。然而，具有生物活性的功能性亲水胶体对RS抗回生性方面关注较少。低聚果糖（fructo-oligosaccharide，FOS）是一种功能性低聚糖，具有低热量、抗龋齿和改善肠道功能等功能活性，已用于以淀粉为主要成分的食品品质的改善。Park等[13]发现，在冷冻面团中添加FOS提高了冷冻面团的烘焙质量，增加了面包的水分含量，降低面包的硬度。Zeng Jie等[14]表明，通过FOS处理增加了小麦淀粉的溶胀率、淀粉凝胶的吸水指数和水溶性指数，并且能够延缓小麦淀粉凝胶的回生。前期研究发现经过FOS处理后的米饭能够显著改善米饭的蒸煮品质、抗回生效果和消化特性，有效提升了米饭适口性[15]。因此，通过研究FOS对RS的黏度、析水率、动态流变特性、相对结晶度等关键回生特性指标的影响，明确FOS处理对RS延缓回生作用。然而，FOS改善RS抗回生能力需进一步研究。

本实验以广泛报道具有淀粉抗回生作用的β-CD为对照，利用快速黏度仪、动态流变学、质构仪、低场核磁共振、傅里叶变换红外光谱、X射线衍射光谱、扫描电镜和激光共聚焦扫描显微镜分别分析FOS和β-CD对RS回生值、动态流变学、分子结构、X射线衍射和微观结构的影响，明确FOS对RS回生特性的影响规律，从而为以淀粉为主要成分的快捷、营养方便食品的开发和品质提升提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

RS（直链淀粉质量分数为32.4%） 安徽顺鑫晟源生物食品有限公司；β-CD 北京索莱宝科技有限公司；FOS 中国上海源业生物科技有限公司；三氯乙酸、氢氧化钠、碘、碘化钾、溴化钾（均为分析纯） 国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

RVA快速黏度分析仪 澳大利亚Newport Scientific仪器公司；FreeZone 12 L真空冷冻干燥机 美国Labconco公司；Spectra Max 190酶标仪 美国Molecular Devices公司；TA-XT2i质构仪 英国Stable Micro Systems公司；MCR302旋转流变仪 奥地利安东帕公司；TENSOR 27型傅里叶变换红外光谱仪 德国Bruker公司；MesoMR核磁共振成像分析仪 上海纽迈电子科技有限公司；TM3000扫描电镜 日本Hitachi公司；SmartLab 9kw X射线衍射仪 日本理学公司；Leica TCS SP8激光共聚焦显微镜 德国徕卡公司。

1.3 方法

1.3.1 黏度测定

采用快速黏度分析仪制备样品。根据前期对FOS添加量的研究[15]，将1.6% RS质量的FOS和β-CD分别溶解于25 mL蒸馏水中，与3 g RS在铝容器混合、搅拌，制成淀粉匀浆，进行糊化特性的测定。程序为在50 ℃保持1 min，然后升温到95 ℃保持2 min后，冷却到50 ℃保持2 min。实验过程中，塑料叶片转速始终保持在160 r/min。

1.3.2 析水率测定

将1.6% RS质量的FOS和β-CD分别溶解于30 mL蒸馏水中，加入3 g RS，充分分散后加热制成糊后，在4 ℃冷藏4 h。参考郑明静[16]的方法，分析不同处理RS样品析水率，回生样品经过10 000 r/min离心15 min后，计算析水量占样品总质量的百分比。析水率按式（1）计算：

式中：M2为离心后析出的水分质量/g；M1为离心前样品的质量/g。

1.3.3 渗漏直链淀粉量的测定

取1.3.2节中离心后一定质量上清液，加入0.33 mol/L的NaOH溶液6 mL并在95 ℃加热30 min。取加热后的溶液0.1 mL，加入0.5%三氯乙酸溶液（5 mL）调节pH值为5.5左右，再用0.01 mol/L 的I2-KI溶液显色（0.05 mL），避光静置30 min，在波长620 nm处测定吸光度，用蒸馏水作对照。另取直链淀粉标准品作标准曲线，计算上清液中渗漏直链淀粉含量[17]。将上清液中的直链淀粉含量除以大米原淀粉质量，计算出渗漏的直链淀粉浓度。

1.3.4 硬度测定

将黏度测定后在4 ℃冷藏4 h后得到回生样品，采用质构仪分析其质构特性，具体条件：TPA模式、探头P/50、测试前速率1.5 mm/s、测试中速率1.0 mm/s、测试后速率1.0 mm/s、压缩比40%。测定样品的硬度，实验平行重复10 次。

1.3.5 动态流变学测定

将回生样品加载至旋转流变仪的帕尔贴板上，选用6 cm平板夹具进行实验。待仪器参数基本稳定后开始动态流变特性测试。实验条件：在25 ℃、板间距500 μm以及应变扫描实验所确定的应变值1%条件下，对样品进行动态频率扫描，测定频率为0.1～10 Hz范围内储能模量G’、损耗模量G”的变化。

1.3.6 红外光谱测定

将回生样品进行真空冷冻干燥后，研磨成粉末，然后与光谱纯溴化钾按质量比1∶100混合，置于玛瑙研钵中研磨约5 min，采用真空压片机压片。随后，进行傅里叶红外光谱仪扫描测定。测定参数：扫描波长范围400～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1。用OMNIC分析软件对结果进行傅里叶自去卷积处理，分析淀粉的短程有序性。

1.3.7 低场核磁共振测定

采用低场核磁共振技术测定回生样品自旋-自旋弛豫时间（spin-spin relaxation time，T2）图谱。采用Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）序列，在23 MHz和25 ℃条件下进行SIRT反演。采集参数如下：谱宽200.000 kHz，扫描次数8 次，共采集8 000 个回波进行分析。

1.3.8 扫描电镜测定

将回生样品进行真空冷冻干燥后，进行固定并喷金。用扫描电镜观察其微观结构。

1.3.9 X射线衍射测定

按照1.3.6节方法制备样品粉末。X射线衍射测试参数：扫描角度范围为5～40°，扫描速率为2°/min。采用MDI Jade V6.0软件进行结晶度计算。

1.3.10 激光共聚焦扫描显微镜测定

用激光共聚焦显微镜观察回生样品的淀粉网络分布。将2 种类型的荧光染料异硫氰酸荧光素（20 μL，2 mg/mL）和罗丹明B（20 μL，2 mg/mL）与回生样品混合（500 μL）染色20 min，放在激光共聚焦扫描显微镜下观察。扫描条件：激发波长543 nm荧光信号和488 nm的反射，以100 倍采集图像。

1.4 数据分析

采用Origin 8.5软件进行数据处理和作图，SPSS软件进行数据统计分析，P＜0.05，差异显著。

2 结果与分析

2.1 FOS处理对RS黏度的影响

利用快速黏度仪分析不同处理后RS在加热和冷却过程中黏度的变化。从图1和表1可以看出，与RS相比，FOS-RS和β-CD-RS均显著降低了峰值黏度、谷值黏度、终值黏度和回生值（P＜0.05）。在淀粉糊冷却过程中，淀粉中的直链淀粉和支链淀粉分子间发生重结晶，与氢键形成较为稳定的三维结构。淀粉糊冷却期间黏度上升越快，越容易发生短期回生[18]。而回生值为RVA糊化曲线上终值黏度与谷值黏度的差值，回生值越高表明短期回生的程度越高，与冷却过程中糊化淀粉分子特别是直链淀粉的再结合程度更加密切[19]。与RS相比，FOS-RS和β-CD-RS的峰值黏度、谷值黏度、终值黏度和回生值显著降低说明经过处理能够显著降低RS糊化后的回生程度。这是由于β-CD和FOS分子在淀粉周围形成水合层限制了直链淀粉分子的重排，稳定了短期储藏过程中的产物，在一定程度上减少直链淀粉分子之间的相互作用[20-21]。

图1 FOS处理对RS的黏度变化的影响Fig. 1 Effect of different treatments on viscosity change of rice starch

表1 FOS处理对RS的RVA参数的影响Table 1 Effects of different treatments on RVA parameters of rice starch cP

2.2 FOS处理对RS析水率、硬度和渗漏直链淀粉含量的影响

析水率是由于淀粉凝胶离心后脱水而释放的水分量，是淀粉回生指标，能够通过凝胶中水分的析出量反映体系结构的稳定性。淀粉短期回生发生的主要原因是直链淀粉分子之间的相互缠绕，缠绕的程度越强，形成的网络结构强度越强，会导致淀粉凝胶硬度增加[22]。如表2所示，与RS和β-CD-RS相比，FOS-RS显著降低了析水率和硬度值（P＜0.05）。与RS相比，FOS-RS的析水率和硬度值分别降低了21.82%和16.26%。因此，FOS处理有利于提高RS的保水性能，降低硬度，减少淀粉回生程度。FOS较强的吸水性可能也减少了短期回生过程中大米直链淀粉结晶所需的水分，从而延缓RS回生程度[23]。

热处理会引起淀粉溶液中直链淀粉的渗漏，渗漏出的直链淀粉聚集形成三维网状结构，其在淀粉的凝胶形成和回生过程中发挥重要作用[24]。由表2可知，与RS和β-CD-RS相比，FOS-RS显著降低了渗漏直链淀粉含量（P＜0.05）。与RS相比，FOS-RS的渗漏直链淀粉含量降低了17.25%。直链淀粉自身分子间的聚合受到干扰，导致RS回生程度降低。FOS与渗漏的直链淀粉分子之间的相互作用抑制了直链淀粉分子之间的结合，从而降低了RS的直链淀粉浸出[19,25]，延缓了RS的回生。因此，FOS在提高RS的保水性、稳定性，降低硬度和抑制直链淀粉分子之间的结合等较β-CD更具优势。

表2 FOS处理对RS的析水率、硬度和渗漏直链淀粉含量的影响Table 2 Effect of different treatments on the syneresis rate,firmness and amylose leaching of rice starch gel

2.3 FOS处理对RS动态流变特性的影响

动态流变学可以测定不同样品的黏弹性模量，从而判断该流体的黏弹特性。其中，G’反映的是样品的弹性性质，即样品表现出固体行为的能力大小；G”则表示样品的黏性，反映样品流体性质。由图2可知，在0.1～10 Hz范围内，所有回生样品的G’值均比G”值大，且G’与G”无交叉，这些特征均表明不同处理后的回生样品均为典型的弱凝胶体系。与RS和β-CD-RS相比，FOS-RS的G’显著下降，表明FOS处理后RS体系的弹性减弱，这是由于FOS分子与淀粉分子相互交缠并黏附到淀粉颗粒的表面，进一步抑制了淀粉颗粒的吸水与膨胀，使浸出直链淀粉分子数量锐减，从而导致淀粉凝胶的G’降低[26]。同时，与RS相比，β-CD-RS和FOS-RS的G”降低，黏性降低，这一结果和RVA分析结果一致。这是由于FOS具有良好的亲水性，会影响水分子和淀粉分子的水合作用，并且干扰淀粉分子内部氢键的形成，在淀粉糊化过程中阻碍了淀粉颗粒的溶胀，降低了黏度。此外，β-CD-RS的G’和G”在任何频率都低于RS，这表明FOS的存在干扰了直链淀粉链之间的结合[20]，进而能够延缓RS的短期回生。

图2 FOS处理对RS的G’（A）和G”（B）随频率变化的影响Fig. 2 Effects of different treatments on storage modulus G’ (A) and loss modulus G” (B) of rice starch as a function of frequency

2.4 FOS处理对RS分子结构和水分分布的影响

利用红外光谱和低场核磁共振分别测定不同处理后回生样品的分子结构和水分分布。由图3可知，所有回生样品的红外谱图在3 100～3 600 cm-1范围内有一个宽而强的吸收峰，这是多糖分子间的羟基伸缩振动吸收峰[27]。与RS相比，FOS的添加使表示氢键的羟基伸缩振动峰向低波数方向发生较大的位移，从3 444.72 cm-1降低到3 421.37 cm-1，表明FOS与RS分子间氢键作用得到增强[28]。而β-CD和FOS都含有大量的亲水性基团——羟基，与RS分子间能够存在氢键相互作用。因此，FOS与RS分子之间可能存在氢键作用力，阻碍了直链淀粉间氢键的形成[20]。与RS相比，β-CD-RS和FOS-RS没有形成新的特征峰，只存在一些吸收峰的峰形、峰强度或谱带频率的变化，说明加入β-CD和FOS与RS之间没有发生共价结合且并未形成新的基团[18]，表明与RS之间有较好的相容性。

图3 FOS处理对RS红外光谱的影响Fig. 3 Effect of different treatments on FTIR spectrum of rice starch

表3 FOS处理对RS的红外1 047 cm－1/1 022 cm－1和弛豫峰面积的影响Table 3 Effects of different treatments on ratio between transmittance at 1 047 and 1 022 cm-1 in FTIR spectrum and relaxation peak area percentages in LF-NMR spectrum of rice starch

红外光谱在800～1 200 cm-1范围内主要与C—C和C—O键的拉伸有关，反映了淀粉的短程有序结构[29]。1 022 cm-1和1 047 cm-1分别表示淀粉颗粒中无定形和有序（结晶）区域的数量[30]，因而常用1 047 cm-1/1 022 cm-1的透光率比值表示晶体区域的有序度[31]，反映淀粉的结晶程度。对应的1 022 cm-1与1 047 cm-1比值见表3。与RS和β-CD-RS相比，FOS-RS显著降低了比值（P＜0.05）。与RS相比，FOS-RS的比值降低了11.36%。由此可见，与β-CD相比，FOS能显著降低RS体系的短程有序结构，延缓淀粉回生程度。

由图4可知，样品的弛豫谱中都有3种不同迁移率的水分子，从左到右分别代表凝胶体系中的强结合水、弱结合水和自由水[32]。不同组的弛豫时间T2比较相似。一些研究表明，水胶体对晶体模式或螺旋形态没有影响[33]。通过对弛豫谱的积分，可以计算出3个峰的峰面积。所对应峰面积占比代表不同类型水分的相对含量。强结合水、弱结合水和自由水的峰面积比例分别表示为A21、A22、A23（表3）。FOS-RS的强结合水分和弱结合水含量显著高于RS和β-CD-RS（P＜0.05），且自由水成分含量降低。糊化后的淀粉随着回生过程中淀粉链之间更易形成氢键，使水分子与淀粉链间形成的氢键断裂，从而结合水被挤出，转变成自由水[34]。而FOS的添加与暴露出来的淀粉分子链末端的自由羰基通过氢键相互作用，而缺乏电子的羰基被水分子附着并渗透到淀粉晶型结构中，从而导致淀粉的双螺旋重新排列[35]。随着回生程度的增加，自由水的占比呈现增长趋势。β-CD和FOS都具有多羟基结构，而FOS的相对分子质量小于β-CD，FOS比β-CD更容易渗透进淀粉颗粒内部，更多的与暴露的淀粉分子链末端的自由羰基通过氢键相互作用，阻碍直链淀粉分子之间氢键的形成，干扰了直链淀粉自身分子间的聚合，减少了体系内自由水的占比，进而减少淀粉凝胶的有序结构，有效抑制了RS的短期回生[36]。

图4 FOS处理对RS水分分布的影响Fig. 4 Effect of different treatments on moisture distribution of rice starch

2.5 FOS处理对RS X射线衍射的影响

天然RS具有典型的A晶型峰[22,37]，在15°、17°、17.9°和22.8°附近有4个特征衍射峰。糊化后RS的结晶结构被破坏，导致结晶峰消失。在低温下糊化后的淀粉发生回生现象，回生程度增加，结晶度也随之增加[38]。由图5可知，在13°、17°和20°附近处出现了衍射峰，表明样品发生了回生现象，从天然RS的A晶型转变为回生淀粉典型的B晶型峰[39]。利用衍射图计算各组的结晶度，结果表明，与RS和β-CD-RS相比，FOS-RS的相对结晶度显著降低，主要原因是FOS显著提高了淀粉体系的保水性、稳定性，阻碍直链淀粉分子之间氢键的形成，干扰了直链淀粉自身分子间的聚合，进而减少淀粉凝胶的有序结构，有效抑制了RS的短期回生，结晶度随之降低[40]。

图5 FOS处理对RS的X射线衍射和相对结晶度的影响Fig. 5 Effect of different treatments on X-ray diffraction pattern and relative crystallinity of rice starch

2.6 FOS处理对RS微观结构的影响

冻干淀粉样品呈现出致密多孔的蜂窝网状结构[41]。不同处理下回生RS样品冻干后的微观结构如图6A～C所示。与RS和β-CD-RS相比，FOS-RS的蜂窝网状结构更致密，网状结构的孔隙更均匀。通过激光共聚焦显微镜进一步研究FOS对RS回生后淀粉网络分布的影响（图6a～c），发现RS和β-CD-RS淀粉网络较松散不均匀，而FOS-RS的网状结构更加均匀、紧密，与扫描电镜结果一致。因此，经过FOS处理能使RS体系结构更加紧密，可以促进淀粉形成良好的凝胶结构，并且有利于抑制RS的回生，这与Zeng Jie等[14]研究结果一致。

图6 FOS处理对RS微观结构的影响Fig. 6 Effect of different treatments on microstructure of rice starch

3 结 论

探究FOS对RS短期回生特性的影响。结果表明，与空白对照组（RS）相比，FOS处理能显著降低RS糊化后的峰值黏度、终值黏度和回生值。此外，在短期冷藏后FOS-RS的析水率、硬度和渗漏直链淀粉含量显著降低，有利于提高RS的保水性和稳定性。同时，FOS-RS的储能模量、水流动性，相对结晶度和红外1 047 cm-1/1 022 cm-1比率显著降低，网络结构更加紧密，表现出较好的抗回生性。而与β-环糊精相比，FOS在延缓RS的回生方面更具优势，能够有效阻碍直链淀粉分子之间的氢键的形成，减少了体系内自由水的占比，进而减少淀粉凝胶的有序结构，抑制了RS的短期回生。因此，FOS在延缓以RS为主要成分的方便食品回生方面具有较大潜力。从而为以淀粉为主要成分的快捷、营养方便食品的开发和品质提升提供理论依据。