可溶性大豆膳食纤维对糯米淀粉体外消化性的影响及其作用机制

张泸月，郑明珠*，赵烊，崔妍，徐靖雯，郭硕，李欣蕊，刘景圣

（1.吉林农业大学 食品科学与工程学院，吉林 长春 130118；2.小麦和玉米深加工国家工程研究中心，吉林 长春 130118）

糯米是我国传统的糯性谷物之一，是制作汤圆、团糕、粽子等各种特色美食的重要原料[1]。淀粉是糯米中的主要成分，其性质直接影响糯米的加工特性。糯米淀粉（waxy rice starch，WRS）黏度大，易糊化且糊化后稳定性较好，不易回生。然而糯米淀粉在人体内被消化水解成葡萄糖，会使血糖升高，容易引发糖尿病或一系列并发症等疾病[2]。通过体外模拟消化的方法可以表征淀粉的消化特性，淀粉可根据消化率不同分为三大类：快消化淀粉（rapid digestible starch，RDS）、慢消化淀粉（slowly digestible starch，SDS）和抗性淀粉（resistant starch，RS）[3]。 研究发现，较高的 RDS 含量会导致食品的血糖生成指数增加，因此寻求一种可以降低糯米淀粉中RDS含量的方法对于促进糯米及糯米淀粉在食品加工中的应用具有指导意义。

膳食纤维具有多种独特的生理功能和理化性质[4]，并被营养学界认定为第七类营养素，常作为功能性成分添加到食品中。已经有研究证明，膳食纤维的存在可以影响谷物淀粉的结构特性和理化性质，并且可以降低其消化率。Zheng等[5]将4种可溶性膳食纤维添加到大米淀粉中，证明了糖类会通过氢键、范德华力和其他非共价相互作用结合到淀粉中，这些相互作用诱导淀粉链重排以形成更有序的聚集体，对淀粉酶有更强的抵抗性。可溶性大豆膳食纤维（soluble soybean dietary fiber，SSDF）是一种非淀粉多糖，来源广，化学性质较为稳定[6]，在水中也具有良好的溶解性和分散性。本研究以糯米淀粉为原料，探究不同添加量的可溶性大豆膳食纤维对糯米淀粉体外消化性的影响及其作用机制，为研发更利于人体健康的糯米淀粉类制品提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 主要材料与试剂

糯米淀粉（纯度＞90%）：小麦和玉米深加工国家工程研究中心（吉林农业大学）自制；可溶性大豆膳食纤维（纯度＞80%）：河南申悦生物科技有限公司；淀粉葡萄糖苷酶（≥260 U/mL）、胰酶（8 U/mg）：美国 Sigma-Aldrich公司；D-葡萄糖检测试剂盒：爱尔兰Megazyme公司；无水乙醇（分析纯）、冰乙酸（分析纯）：国药集团化学试剂有限公司；乙酸钠（分析纯）：上海源叶生物科技有限公司。

1.2 主要仪器与设备

快速黏度分析仪（RVA-TecMasterTM）：澳大利亚Perten公司；差示扫描量热仪（Q-2000）：美国TA公司；傅里叶变换红外光谱仪（VERTEX 70）：德国Bruker公司；扫描电子显微镜（Sigma 300）：德国ZEISS公司；全波长酶标仪（Spectramax 190）：美国Molecular Devices公司。

1.3 方法

1.3.1 膨胀度的测定

淀粉样品膨胀度的测定参考魏敬[7]的方法并稍作修改。分别称取占糯米淀粉质量5%、10%、15%、20%、25%的可溶性大豆膳食纤维置于2 mL离心管中，加入1 mL蒸馏水并充分振荡使其溶解，然后加入40 mg糯米淀粉并充分搅拌，95℃条件下加热30 min，并间歇振荡。然后取出离心管冷却至室温，在13 000 r/min的条件下离心20 min。称量沉淀物的质量，并将上清液在100℃下干燥至恒重，称量记录。膨胀度计算公式如下。

式中：m0为样品干基质量，mg；m1为沉淀物质量，mg；m2为上清液干燥后的质量，mg。

1.3.2 黏度特性的测定

黑火药传到欧洲后，西方人没有“发扬光大”焰火技术，倒是在黑火药的基础上研究出了黄色炸药以及后来的硝化甘油、TNT等性能更好的炸药。这些先进的火药装填进子弹、炮弹，被侵略者用来轰开中国闭关锁国的大门。这一事实，相信稍有历史常识的人都知道，不知道的去翻一翻中国近现代史也会一目了然。

分别称取占糯米淀粉质量5%、10%、15%、20%、25%的可溶性大豆膳食纤维置于铝罐中，加入25 mL蒸馏水，随后加入2.5 g糯米淀粉，搅拌使其充分混合。采用快速黏度分析仪（rapid visco analyser，RVA）对样品的黏度特性进行分析，测定条件参考林楠等[8]的方法。

1.3.3 热特性的测定

热特性的测定参考Yoo等[9]的方法并稍作修改。分别称取 50、100、150、200、250 mg的可溶性大豆膳食纤维置于含有3 mL蒸馏水的烧杯中，使其充分溶解，备用。然后分别将3 mg糯米淀粉和9 μL不同浓度的可溶性大豆膳食纤维溶液（可溶性大豆膳食纤维分别占糯米淀粉质量的5%、10%、15%、20%、25%） 加入坩埚中，混匀后密封，在室温条件下平衡12 h，用空坩埚作参比。通入氮气，将样品以10℃/min的速度由30℃加热至130℃，记录样品的热力学参数。

1.3.4 体外消化性的测定

称取占糯米淀粉质量5%、10%、15%、20%、25%的可溶性大豆膳食纤维，与糯米淀粉均匀混合于蒸馏水中，95℃条件下加热20 min，冻干，研磨成粉并过筛，备用。样品的体外消化率测定根据Englyst等[10]的方法并稍作修改。取样品1 000 mg（以淀粉干基为准），并加入20 mL乙酸钠缓冲溶液（pH5.2）于100 mL锥形瓶中，在37℃的条件下静置10 min，加入5 mL新配制的混合酶液（胰酶和淀粉葡萄糖苷酶），并在37℃恒温振荡器中进行消化酶解。在消化20 min和120 min时，分别取0.5 mL反应液与20 mL 66%的乙醇溶液混合以终止反应，4 000 r/min条件下离心10 min后取0.1 mL上清液，使用D-葡萄糖检测试剂盒测定上清液中葡萄糖的含量。根据以下公式计算RDS、SDS和RS的含量。

式中：G0为上清液中样品的游离葡萄糖含量，mg；G20为20 min时释放的葡萄糖含量，mg；G120为120 min时释放的葡萄糖含量，mg；W为样品中总淀粉含量，mg。

1.3.5 微观结构的观察

取1.3.4制得的冻干样品，采用扫描电子显微镜观察其微观结构，样品经过喷金操作后，于15 kV的加速电压下拍摄样品的微观形态。

参考郜培等[11]的方法并稍作修改。取1.3.4制得的冻干样品1 mg与100 mg溴化钾在红外灯下研磨，使其混合均匀，在15 MPa下抽真空，压片60 s。在4 000 cm-1～400 cm-1下对样品扫描64次，分辨率为4 cm-1。

1.4 数据处理

试验均重复测定3次，结果以平均值±标准差表示。使用SPSS软件处理试验数据，差异显著性分析采用Duncan法。

2 结果与分析

2.1 可溶性大豆膳食纤维添加量对糯米淀粉膨胀度的影响

糯米淀粉在水中加热时，淀粉颗粒会吸水膨胀，膨胀度的数值体现了淀粉的水合能力。不同添加量的可溶性大豆膳食纤维对淀粉膨胀度的影响见图1。

图1 可溶性大豆膳食纤维添加量对糯米淀粉膨胀度的影响Fig.1 Effect of the additive amount of soluble soybean dietary fiber on swelling power of waxy rice starch

由图1可知，可溶性大豆膳食纤维的添加可以明显降低糯米淀粉的膨胀度，并且添加量越大，样品的膨胀度越低。当可溶性大豆膳食纤维添加量增加到25%时，糯米淀粉的膨胀度从5.51 g/g降低到4.46 g/g，这说明混合体系中糯米淀粉与水分结合的能力相比于天然的糯米淀粉明显降低。一方面是可溶性大豆膳食纤维在水中具有良好的溶解性和分散性，所以会与糯米淀粉竞争水分[12]；另一方面，可溶性大豆膳食纤维可能会与淀粉之间产生相互作用，使得混合体系的结构更加紧密[13]，抑制了糯米淀粉与水分子的结合，导致样品的膨胀度下降。

2.2 可溶性大豆膳食纤维添加量对糯米淀粉黏度特性的影响

可溶性大豆膳食纤维添加量对糯米淀粉黏度特性的影响如表1所示。

表1 可溶性大豆膳食纤维添加量对糯米淀粉黏度参数的影响Table 1 Effect of the additive amount of soluble soybean dietary fiber on pasting parameters of waxy rice starch

由表1可知，相比于天然的糯米淀粉，混合体系的黏度显著降低（P＜0.05），并且可溶性大豆膳食纤维的添加量越大，降低的幅度越大。当可溶性大豆膳食纤维添加量增加到25%时，样品的峰值黏度、谷值黏度和终值黏度分别从 2 280、853、1 262 mPa·s降低到 1 383、669、855 mPa·s。并且糊化温度也随着可溶性大豆膳食纤维添加量的增加而升高，这说明可溶性大豆膳食纤维的添加阻碍了水分子进入到淀粉内部，进而延缓了糯米淀粉的糊化过程。RVA特征参数中的崩解值是峰值黏度和谷值黏度的差值，反映了淀粉在水中以一定温度加热后形成淀粉糊的热稳定性变化，崩解值越大，表明淀粉颗粒越不稳定[14]。随着可溶性大豆膳食纤维的添加量增多，样品的崩解值显著降低（P＜0.05），表明体系的稳定性越来越好。并且有研究还表明崩解值与淀粉的消化率有一定的关联，不同种类淀粉的崩解值降低，RDS的含量有降低的趋势[15]。

2.3 可溶性大豆膳食纤维添加量对糯米淀粉热特性的影响

淀粉颗粒在水中加热时会发生由有序向无序的相转变，伴随着淀粉颗粒的吸水溶胀以及晶体结构被破坏等变化。差式扫描量热法被广泛用于研究淀粉在此过程中的热特性变化[16]，表2为样品热特性的相关参数。

表2 可溶性大豆膳食纤维添加量对糯米淀粉热特性参数的影响Table 2 Effect of the additive amount of soluble soybean dietary fiber on thermal characteristic parameters of waxy rice starch

由表2可知，随着可溶性大豆膳食纤维的添加量不断增加，样品的起始温度、峰值温度、终止温度和糊化焓整体上均逐渐增加。当可溶性大豆膳食纤维添加量增加到25%时，样品的起始温度由61.80℃升高到62.94℃，糊化焓从12.02 J/g增加至13.03 J/g。这是由于混合体系中糯米淀粉的糊化过程需要更多的能量来破坏其结构，即混合体系的糊化过程受到了抑制，这与RVA测得的试验结果是一致的。可溶性大豆膳食纤维的添加会使淀粉可利用的自由水分减少[17]，增强糯米淀粉的稳定性，使其不易受到外界环境的影响。

2.4 可溶性大豆膳食纤维添加量对糯米淀粉体外消化性的影响

添加可溶性大豆膳食纤维的样品经糊化处理后，测得的RDS、SDS、RS含量如图2所示。

图2 可溶性大豆膳食纤维添加量对糯米淀粉中RDS、SDS、RS含量的影响Fig.2 Effect of the additive amount of soluble soybean dietary fiber on the content of RDS,SDS,and RS in waxy rice starch

由图2可知，与天然糯米淀粉相比，添加可溶性大豆膳食纤维的样品中RDS含量均显著降低（P＜0.05），SDS和RS的含量均显著升高（P＜0.05），并且添加量越大，影响效果越明显。当可溶性大豆膳食纤维添加量增加至25%时，糯米淀粉中RDS的含量从83.17%减少至68.90%，SDS、RS的含量分别从11.57%、5.26%增加至18.12%、12.98%。这是因为可溶性大豆膳食纤维有良好的持水能力，通过阻碍水分进入到淀粉内部使得糯米淀粉的糊化过程受到抑制，降低了其对消化酶的敏感性。随着可溶性大豆膳食纤维添加量的增加，可溶性大豆膳食纤维竞争到的水分增多，淀粉颗粒越不易吸水膨胀，消化率也越低。

2.5 可溶性大豆膳食纤维添加量对糯米淀粉微观结构的影响

采用扫描电子显微镜观察糯米淀粉颗粒的微观结构，结果见图3。

图3 糯米淀粉和糯米淀粉-可溶性大豆膳食纤维混合体系的扫描电镜图（2 000倍）Fig.3 Scanning electron microscopy image of waxy rice starch and mixtures of waxy rice starch and soluble soybean dietary fiber（2 000×）

由图3可知，未糊化的天然糯米淀粉颗粒呈现完整的不规则多面体结构，这与杨梦恬[18]的观察结果一致。而糊化后的糯米淀粉则呈现出疏松的、无规则的有孔片状结构。可溶性大豆膳食纤维的加入使得糯米淀粉颗粒的表面出现了一些附着物，同时复合体系的骨架明显增厚，并且随着可溶性大豆膳食纤维添加量的增加这种结块凝聚的现象更加明显。这说明可溶性大豆膳食纤维的加入使得体系的结构更加紧密，糯米淀粉颗粒间的相互作用力更强，抑制了部分糯米淀粉的糊化进程。并且可溶性大豆膳食纤维的附着包裹作用会减少一部分的水分进入到糯米淀粉中，提高体系的稳定性，降低淀粉的酶解速率。

2.6 可溶性大豆膳食纤维添加量对糯米淀粉红外光谱的影响

天然糯米淀粉、可溶性大豆膳食纤维和糊化后的不同样品的傅里叶变换红外光谱分析图见图4。

图4 糯米淀粉和糯米淀粉-可溶性大豆膳食纤维混合体系的傅里叶变换红外光谱图Fig.4 Fourier transform infrared spectra of waxy rice starch and mixtures of waxy rice starch and soluble soybean dietary fiber

由图4可知，天然糯米淀粉和可溶性大豆膳食纤维分别在3 400 cm-1处和3 408 cm-1处有一个较宽的特征吸收峰，此处吸收峰与氢键有关[19]。糊化处理后，糯米淀粉在此处的吸收峰有向更高波数转移的现象，这表明混合体系中氢键强度减弱[20]，淀粉间的氢键在糊化过程中遭到了破坏。添加可溶性大豆膳食纤维后，样品红外光谱图的形状和位置与糊化后的糯米淀粉相似，没有产生新的吸收峰，这说明可溶性大豆膳食纤维和糯米淀粉间没有通过新的结合键相互作用。而混合样品在3 400 cm-1处附近的吸收峰有向低波数转移的现象，并且可溶性大豆膳食纤维添加量越大，这个现象越明显，说明糯米淀粉和可溶性大豆膳食纤维之间可能通过氢键相互作用，从而影响糯米淀粉的消化率。

3 结论

可溶性大豆膳食纤维的添加减少了糯米淀粉中RDS的含量，增加了SDS、RS的含量，降低了糯米淀粉的体外消化率，并且添加量越大，效果越显著。当可溶性大豆膳食纤维添加量增加至25%时，糯米淀粉中RDS的含量从83.17%减少至68.90%，SDS、RS的含量分别从11.57%、5.26%增加至18.12%、12.98%。添加可溶性大豆膳食纤维后，样品的膨胀度、峰值黏度、谷值黏度和终值黏度降低，糊化温度升高，说明糯米淀粉的糊化过程受到了抑制，使其较不易被酶解，消化率降低。采用扫描电子显微镜观察到的结果表明可溶性大豆膳食纤维可以黏附在淀粉颗粒表面，形成一道物理屏障，从而阻碍了消化酶与淀粉颗粒的接触。此研究结果对研发更益于人体健康的糯米淀粉类制品具有重要的指导意义。