压热处理对不同晶型淀粉结构及消化特性的影响

柴子淇，徐恩波，郑瑜雪，孔祥礼，孙崇德，刘东红，叶兴乾，3，4，田金虎*，4

（1.浙江大学生物系统工程与食品科学学院，浙江 杭州 310058；2.浙江大学农业与生物技术学院，浙江 杭州 310058；3.浙江大学中原研究院，河南 郑州 450000；4.浙江大学新农村发展研究院，浙江 杭州 310058）

淀粉是人体摄入碳水化合物的主要来源，约提供人体活动所需能量的40%～60%[1]。然而加工后的淀粉中绝大部分为快消化淀粉，在人体内水解成葡萄糖后，会引起餐后血糖的快速上升，从而增加肥胖、糖尿病等慢性疾病的风险。依据淀粉在消化酶水解过程中释放葡萄糖的速率，将其分为快消化淀粉（RDS）、慢消化淀粉（SDS）和抗性淀粉（RS）[2]。RDS 在消化后会导致餐后血糖水平的快速升高[3]，而机体在摄入SDS 和RS 后，葡萄糖的释放速率则较为缓慢，从而避免了餐后血糖的剧烈波动，减轻了机体血糖调节系统的压力[4]。研究证实SDS 不仅可以维持餐后血糖稳态、改善葡萄糖耐量，还可降低餐后胰岛素分泌、提高机体对胰岛素的敏感性。而RS 主要在肠道内酵解产生一定量具有不同功能的短链脂肪酸（乙酸、丙酸、丁酸等），从而对机体的血糖调节等产生有益作用。因此，提升淀粉中SDS与RS 的含量是提高淀粉缓慢消化功能特性的关键[5]。

研究表明，淀粉结构的变化是影响其消化速率的重要因素之一[6]，科研人员探索了各种方法（例如化学、物理、遗传和酶修饰等）来改变淀粉的结构及消化特性。王宏伟等人报道了湿热处理可提升薏米淀粉中缓慢消化态淀粉的含量[7]。宁雨奇等发现木薯淀粉经过柠檬酸酯化后，抗性淀粉的含量显著升高[8]。压热处理是指将水分含量控制在低于淀粉糊化所需含水量，在高温高压条件下处理淀粉的过程[9]。不同于化学改性或基因编辑，压热处理可在无外源物质引入的条件下有效改变淀粉聚集态结构，降低其消化特性，从而避免了消费者对食品安全的担忧。到目前为止，有关压热处理对不同结晶类型淀粉结构及消化特性的研究还未系统展开。作者通过探究压热处理对3 种不同晶型的淀粉（玉米淀粉：A型；马铃薯淀粉：B 型；豌豆淀粉：C 型）的糊化特性、半结晶型、热稳定性、微观形态、消化特性等的影响，系统揭示压热处理调控淀粉消化速率的潜在机制，为后续开发以压热等物理改性为基础的缓慢消化食品提供创新思路和理论支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米淀粉、马铃薯淀粉、豌豆淀粉：购自国药试剂有限公司；猪胰腺α-淀粉酶（来自猪胰腺，CAS：9000-90-2，≥5 U/mg）、糖化酶（来自黑曲霉，CAS：9032-08-0，100 000 U/mL）、转化酶 （来自面包酵母，CAS：9001-57-4，≥300 U/mg）：购自Sigma-Aldrich Co.，Ltd（Milwaukee，Wisconsin，USA）；葡萄糖测定试剂盒：购自Megazyme International Ireland Ltd.（Wicklow，Ireland）；其他分析纯试剂：购自阿拉丁有限公司（中国上海）。

1.2 压热改性淀粉的制备

参考Dundar 等人的方法[10]，分别准确称取60 g的玉米淀粉、马铃薯淀粉和豌豆淀粉，测定其初始水分质量分数，加蒸馏水将其水分质量分数调至30%，放入耐高温的玻璃反应容器中，在室温下平衡体系24 h。将平衡后的样品分别放入高压蒸汽灭菌锅中高温高压处理，灭菌锅温度设定为110、120、130 ℃，处理时间设定为20 min，待样品冷却至室温后放入35 ℃烘箱内烘干（水分质量分数≤10%），磨粉后过100 目筛得压热处理的淀粉样品。其中，原玉米淀粉、110 ℃、120 ℃和130 ℃压热处理的玉米淀粉分别记为NM、M-110 HP、M-120 HP、M-130 HP；原马铃薯淀粉、110 ℃、120 ℃和130 ℃压热处理的马铃薯淀粉分别记为NP、P-110 HP、P-120 HP、P-130 HP；原豌豆淀粉、110 ℃、120 ℃和130 ℃压热处理的豌豆淀粉分别记为NPea、Pea-110 HP、Pea-120 HP、Pea-130 HP。

1.3 长程有序结构分析

用X 射线衍射仪（MiniFlex600，日本理学株式会社）测定淀粉的晶型和相对结晶度。测试条件设定如下：Cu-Ka 靶射线波长λ=0.154 06 nm，40 kV，100 mA，步长0.04°，测量角度2θ 范围为4°～40°。用JADE 5.0 软件拟合计算不同淀粉样品的相对结晶度，即结晶峰的面积与衍射图总面积的比值[11]。

1.4 短程有序结构分析

在室温下使用Nicolet tar 370 （Thermo Nicolet co.，Waltham，USA）红外光谱仪测量不同样品的红外光谱特征[12]。具体方法如下：测定前将样品在45℃烘箱中平衡24 h，然后采用KBr 压片法将淀粉与KBr 以质量比1∶100 混合、研磨、压片后用于检测。红外光谱扫描参数如下：扫描范围4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1，以光谱级KBr 为空白，扫描32 次后取平均值，对扫描的数据采用OMNIC 软件（6.2 版；Thermo Fisher Scientific，Madison，Wisconsin，USA）进行分析。

1.5 淀粉热特性分析

采用差示扫描量热法（Mettler，Toledo，Switzerland）测定压热处理前后不同淀粉样品的热力学特性[13]，具体方法如下：准确称量3 mg 样品（干基）到铝坩埚中，加入9 μL 蒸馏水后密封，于室温过夜，使淀粉与水分充分接触。以空白坩埚为对照，差式量热扫描加热程序如下：10 ℃/min 的速率加热到110 ℃，然后冷却到30 ℃。记录淀粉样品糊化的起始温度（To）、峰值温度（Tp）、终止温度（Tc）和焓值（△H）。

1.6 淀粉糊化特性分析

准确称取原淀粉以及压热处理后的淀粉样品2.58 g（干基），加蒸馏水至28.00 g，充分搅拌，置于快速黏度分析仪中 （Perten Instruments，Inc.，Hägersten，Sweden）。RVA 测定程序设定如下：50 ℃运行1 min，然后以6 ℃/min 速率加热至95 ℃，并维持5 min，之后以6 ℃/min 降温速率冷却至50℃，维持2 min，获得淀粉的糊化曲线[14]。

1.7 微观结构形态表征

采用扫描电镜（Zeiss 300，Carl Zeiss，Germany）观察不同压热条件下制备的玉米淀粉、马铃薯淀粉及豌豆淀粉的表面微观结构。具体方法如下：在圆形托盘上贴上导电胶，将淀粉样品均匀地平铺在导电胶上进行喷金处理，用扫描电子显微镜（SEM）观察淀粉的表面形态，放大倍数为1 200 倍，测试加速电压10.0 kV[15]。

1.8 冻融稳定性分析

将压热处理后的3 种淀粉配制成60 mg/mL 的淀粉乳溶液，置于沸水浴中磁力搅拌20 min 后冷却至室温，放入冰箱（4 ℃），16 h 后取出放置在-20 ℃冷冻，24 h 后取出自然解冻，以3 000 r/min 的转速离心20 min，称沉淀物的质量并计算其析水率，从而衡量其冻融稳定性[16]，见式（1）～（2）。

1.9 淀粉组分变化测定

对未经过处理的淀粉以及不同高温压热处理后的淀粉进行酶解。具体如下：将混合物（0.25 g）悬浮在12.5 mL 乙酸钠缓冲液（pH 5.2）中，在90 ℃的水浴中搅拌20 min 使其充分糊化。之后将系统置于37 ℃水浴中静置20 min，然后加入0.75 mL 混合酶溶液（120 U/mL 的α-淀粉酶；240 U/mL 的α-1，4-葡聚糖水解酶）。将混合酶溶液提前在37 °C 水浴中孵育5 min，以保持反应体系温度稳定。将反应体系在37 ℃下磁力搅拌反应2 h，0、20、120 min 分别取样0.5 mL，然后立即加入2.5 mL 无水乙醇进行涡旋灭酶。将混合溶液以4 000 r/min 的转速离心10 min，然后将0.1 mL 上清液与0.5 mL 转化酶溶液（0.187 5 mg 转化酶和50 μL α-淀粉葡萄糖苷酶）混合，在37 ℃水浴中反应10 min，以保证水解淀粉全部转化为葡萄糖。最后使用GOPOD 试剂盒检测葡萄糖含量，快消化淀粉（RDS）、慢消化淀粉（SDS）和抗性淀粉（RS）的质量分数按式（3）～（5）计算[17]：

式中：RDS 为快消化淀粉质量分数，%；SDS 为慢消化淀粉质量分数，%；RS 为抗性淀粉质量分数，%；G0为淀粉水解0 min 后产生的葡萄糖质量分数，%；G20为淀粉水解20 min 后产生的葡萄糖质量分数，%；G120为淀粉水解120 min 后产生的葡萄糖质量分数，%；TS 为样品中总淀粉质量分数，%。

1.10 统计分析

采用SPSS 20.0 软件（IBM，Chicago，USA）对实验数据进行统计分析，判断是否存在显著差异。采用Origin 2018（Origin Lab，California，USA）软件绘制图表，为了确保实验的准确性和可信度，每个测试至少重复3 次。

2 结果与分析

2.1 长程有序结构分析

通过粉末晶体衍射研究了不同晶型淀粉在压热处理前后半结晶类型及相对结晶度的变化，淀粉样品的XRD 图谱和相对结晶度（RC）见图1和表1。未经处理的玉米淀粉呈现典型的A 型衍射图，在衍射角约15°和23°处有两个强衍射峰[18]，17°和18°附近的衍射峰为双衍射峰，结晶度为35.28%，见图1（a）。未经处理的马铃薯淀粉在5.6°、17.1°、22.2°、24°处有明显的衍射峰，呈现出典型的B 型衍射图，见图1（b）。豌豆淀粉在15.2°、17.2°、17.9°、23.1°出现强峰，呈现出C 型衍射图，见图1（c）。可以看出，压热处理后的马铃薯淀粉在5.6°、22.2°和24°处的峰消失，而在23°处出现一个衍射峰，逐渐失去B 型结晶的特点，由B 型转化为A 型。样品的结晶度和长程有序结构相关，改性后的马铃薯淀粉结晶度降低，且随着压热温度的升高，半结晶度降低程度增大，说明压热处理破坏了淀粉的长程有序结构。豌豆淀粉压热处理后17°、18°附近的连通双峰愈发明显，晶型有从C 转为A 的趋势。随着处理温度的不断增加，3 种晶型的淀粉的相对结晶度不断变小，分别降低了14.89%、14.39%、16.85%，暗示着压热处理过程可降低了3 种淀粉的长程有序结构。

图1 3 种不同晶型淀粉及压热处理后的淀粉样品的X 射线衍射图Fig.1 X ray diffraction patterns of three different crystalline starches and samples after autoclaving

2.2 短程有序结构分析

不同晶型淀粉采用压热处理前后的傅立叶红外光谱见图2。与原淀粉相比，经过压热处理后的3种淀粉样品均未有峰消失也没有新峰形成，表明压热处理并没有形成新的官能团或者共价键，可能影响的是淀粉的聚集态结构，而非其分子结构。所有处理前后的淀粉都在3 440 cm-1左右处有一个宽带，这可能与—OH 的能量吸收有关。此外，还在2 931 cm-1处显示出一个与—CH2拉伸有关的峰[19]。有报道表明，在1 047 cm-1和1 022 cm-1处吸光度强弱分别与淀粉的有序结晶结构和无定形结构有关[20]，一般采用1 047 cm-1和1 022 cm-1的吸光度比值R1047/1022来表征淀粉的短程有序化程度[21]。从表1可以看出，3 种原淀粉的R1047/1022值分别为1.240、1.104、1.152，而经压热处理后，玉米淀粉、马铃薯淀粉和豌豆淀粉的R1047/1022都有不同程度下降，说明压热处理会导致3 种晶型淀粉结构的短程有序性降低。

表1 压热处理后相对结晶度和R1047/1022Table 1 Relative crystallinity and R1047/1022 after autoclaving

图2 3 种不同晶型淀粉及压热处理后样品的傅立叶红外光谱Fig.2 Fourier transform infrared spectra of three different crystalline starches and samples after autoclaving

2.3 淀粉热特性分析

差示扫描量热仪（DSC）用于测量压热处理后3种不同晶型淀粉的热力学性质，相关热力学特性参数（糊化温度To、Tp、Tc和糊化焓ΔH）见表2。压热处理影响淀粉的起始温度（To）、峰值温度（Tp）、结束温度（Tc）和糊化焓（ΔH）。与马铃薯淀粉相比，压热处理会使玉米淀粉和豌豆淀粉的To、Tp和Tc升高，而在马铃薯淀粉中，3 种指标变化不明显。随着处理温度的升高，与未处理的样品相比，3 种晶型的淀粉压热处理后的样品焓变值都呈现明显变小的趋势。当压热温度为130 ℃时，玉米淀粉、马铃薯淀粉、豌豆淀粉ΔH降至最低值，分别为 （0.17±0.05）、（1.36±0.07）、（0.27±0.01）J/g，这与X 射线衍射结果相符合，即结晶度低的淀粉，在DSC 热稳定曲线上的糊化焓也更小[22]。

表2 3 种不同晶型的淀粉和压热处理后淀粉样品的热特性参数Table 2 Thermal properties of starch with three different crystalline starch and samples after autoclaving

2.4 淀粉糊化特性的影响

通过快速黏度分析仪测定了压热处理后的不同晶型淀粉样品的糊化行为，糊化参数包括峰值黏度（PV）、崩解值（BD）、糊化温度（PT）、最终黏度（FV）和回生值（SB）等。由图3（a）可知，随着压热处理温度的升高，玉米淀粉的PV、BD、FV 和SB 值显著降低，糊化温度升高。其中PV 代表淀粉在糊化至冷却之前可以达到的峰值黏度，原淀粉的PV 值最高。未经处理的玉米淀粉峰值黏度为 （2 090.00±24.04）mPa·s，当压热温度到达130 ℃时，黏度降低至（408.00±19.80）mPa·s。与未经处理的玉米淀粉相比，120 ℃处理后，淀粉的糊化温度从 （83.95±0.49）℃升至（89.73±0.32）℃；图3（b）和图3（c）显示，马铃薯淀粉和豌豆淀粉同样呈现出随着处理温度的增加，峰值黏度不断降低的规律，这种变化可能与淀粉颗粒无定形区域链之间的关联以及水热处理过程中结晶度的变化有关，且这种行为会随着压热温度的增加而加剧[23]。BD 反映了淀粉颗粒对热和剪切的稳定性，BD 越高，糊化过程中淀粉裂解越严重。在马铃薯淀粉中，未经处理的淀粉BD 值为（5 137.50±67.18）mPa·s，当压热温度为110 ℃时，BD 值显著降低，这说明高温高压处理过后的淀粉结构更加致密。在玉米淀粉和豌豆淀粉中，随着压热处理温度的不断升高，BD 均出现显著的降低。SB值反映了淀粉的短期回生和直链淀粉的分子重排，与未经处理的淀粉样品相比，当压热温度上升至130 ℃时，玉米淀粉SB 值从（1 091.00±31.11）mPa·s 降低至（150.50±3.54）mPa·s。

图3 3 种不同晶型淀粉及压热处理后的淀粉样品的糊化特性Fig.3 Gelatinization characteristics of three different crystalline starches and samples after autoclaving

2.5 微观结构形态表征

采用扫描电镜（SEM）观察压热处理对3 种不同晶型淀粉颗粒表面特征的影响。压热处理后，3 种不同晶型淀粉颗粒的微观形态发生了显著改变。如图4所示，未经处理的玉米淀粉颗粒形态表现为不规则多边形，110、120 ℃处理后颗粒表面中部出现凹陷的小点，130 ℃高压处理后不规则多边形颗粒表面破坏严重，出现了糊化的现象。未经处理的马铃薯淀粉颗粒呈现椭圆形棒状结构，压热处理后的球状颗粒破损严重，有些颗粒甚至表面严重凹陷，失去了椭圆形的结构特征，尤其是P-130 HP 组，多为碎裂的淀粉碎片。未经处理的豌豆淀粉形状呈规则椭球状，由于豌豆淀粉的糊化温度高于玉米淀粉和马铃薯淀粉，在同等的处理条件下，豌豆淀粉颗粒仍能保持较好的颗粒形态，部分在椭圆状颗粒中部脐点处有点状凹陷且表面出现部分糊化的现象。主要是因为高温高压过程中的水分和热能可导致淀粉颗粒部分糊化，从而使得淀粉颗粒表现为不一致的膨胀和表面凹陷[24]。

图4 3 种不同晶型淀粉及压热处理后的淀粉样品的颗粒形态Fig.4 Granule morphology of three different crystalline starches and samples after autoclaving

2.6 冻融稳定性分析

冻融稳定性是淀粉的一个重要属性，反映了淀粉在抵抗冻融的过程中仍旧保持其初始胶体结构的性质，用于评估淀粉抵抗冻融过程中可能出现的不良物理变化能力[25]。如表3所示，未经处理的玉米淀粉、马铃薯淀粉及豌豆淀粉均表现出不同的冻融稳定性，其中豌豆的冻融稳定性最差，这与豌豆淀粉的分子结构及直链淀粉含量有关[26]。与对照组相比，当压热温度为110 ℃时，玉米淀粉、马铃薯淀粉的冻融稳定性出现小幅度下降、而豌豆淀粉的冻融稳定性小幅增加。当压热温度升高至120 ℃时，3 种淀粉的冻融稳定性显著降低（P≤0.05），尤其是豌豆淀粉，下降了约30%。当压热温度为130 ℃时，3 种淀粉的冻融稳定性继续降低，但趋势较缓，下降约3%～6%[27]。

表3 3 种不同晶型的淀粉和压热处理后的淀粉样品的冻融稳定性Table 3 Freeze-thaw stability of three different crystalline starches and samples after autoclaving

2.7 淀粉消化特性分析

通过体外酶解分析了压热处理后玉米淀粉、马铃薯淀粉及豌豆淀粉中淀粉组成的变化。3 种淀粉的RDS、SDS、RS 比例见表4，未处理玉米淀粉中RDS 质量分数为71.86%±0.83%，经130 ℃压热处理后，RDS 质量分数降低为66.87%±0.03%，RS 质量分数有所增加，但不存在显著性差异（P＞0.05）。压热处理后，马铃薯淀粉的RDS 质量分数显著降低，P-120 HP 中SDS 质量分数最高，为28.09%±4.40%；P-130 HP 中RS 含量最高，为16.16%±1.61%。随着压热温度的增加，豌豆淀粉中RDS 质量分数下降最为明显，从初始的77.48%±1.17%降低至48.12%±0.90%（Pea-130 HP），SDS 和RS 的质量分数则显著增加（P≤0.05）。表明压热处理在一定程度上可以降低3 种晶型结构淀粉中RDS 的质量分数，增加RS的质量分数。这是因为压热处理改变了淀粉颗粒的结构，导致直链淀粉与支链淀粉能够形成更多的缠绕结构，促进了RS 的形成[28]。同时在高温高压处理过程中，淀粉发生凝胶化改变，直链淀粉从颗粒中溢出，冷却阶段淀粉发生回生，部分直链淀粉重新结晶形成紧密排列的螺旋结构，从而部分限制了消化酶对淀粉分子链的可及性，提高了玉米淀粉、马铃薯淀粉和豌豆淀粉中RS 的质量分数[29]。

表4 3 种不同晶型原淀粉和压热处理后的淀粉样品中各组分质量分数Table 4 Contents of each component in three different crystalline forms of native starches and samples after autoclaving

3 结 语

分析了不同压热处理对不同晶型的淀粉结构特征和淀粉消化特性的影响。发现压热处理后的马铃薯淀粉逐渐失去B 型结晶的特征衍射峰，出现A型结晶的特征。与原豌豆淀粉相比，压热处理后豌豆淀粉的晶型有从C 型转为A 型的趋势，而玉米淀粉的衍射峰没有明显变化。并且高温高压过程中的水分和热能可能会导致淀粉颗粒部分糊化，使颗粒表面出现凹陷。压热处理后淀粉的糊化特性显著改变，峰值黏度、回升值、最终黏度、崩解值降低，糊化温度升高，说明压热处理过后的淀粉结构更加致密。压力和温度协同处理玉米淀粉后，淀粉结构崩裂瓦解，冷却过程中直、支链淀粉缠绕、重组后形成更加紧密复杂的螺旋结构，降低了消化酶对淀粉链的可及性，并且使得抗性淀粉的质量分数显著升高，从而降低了淀粉消化速率。物理加工改变淀粉结构进一步降低RDS 及RS 的质量分数有助于后续缓慢消化食品的制备与应用。