湿热和韧化处理对荞麦淀粉结构及消化特性的影响

王嘉俊, 郑瑜雪, 刘慧燕, 叶兴乾, 田金虎, 方海田

(宁夏大学食品与葡萄酒学院;宁夏食品微生物应用技术与安全控制重点实验室1,银川 750021)(浙江大学食物与健康研究中心2,杭州 310058)

荞麦为一年生双子叶作物,隶属于蓼科[1],中国是荞麦生产大国,荞麦出口量位居世界第一[2]。荞麦中最主要的成分是淀粉,占干基质量分数70%～91%,此外还有脂质、蛋白质等营养物质和有机酸、黄酮等生物活性成分,具有良好的保健作用[3]。淀粉是日常饮食中主要的碳水化合物之一[4],淀粉根据消化速率和程度分为3类,其中包括快速消化淀粉(RDS)和缓慢消化淀粉(SDS)以及抗性淀粉(RS)[5]。有研究表明,淀粉的消化速率对机体血糖稳定和胰岛素分泌有较大影响[6],RDS进入人体后经消化水解为葡萄糖,容易引起餐后血糖的快速升高,增加糖尿病等慢性疾病发生的风险。SDS则可缓慢消化,延缓血糖的上升,RS不能在小肠中被消化,但可以促进有益结肠菌群的生长,从而预防结肠癌的发生[7]。不同消化速率淀粉的组成比例则受到淀粉结构变化的影响[8]。研究人员正在尝试运用物理、化学和生物酶法等多种方法来改变淀粉的理化和结构特性,以改变其消化速率。王伟良等[9]研究发现经过湿热处理后,芋头淀粉中的慢消化淀粉和抗性淀粉含量增加,宁雨奇等[10]则发现木薯淀粉经过柠檬酸酯化后,抗性淀粉的含量升高。其中物理改性因其涉及化学物质少、操作简单、成本较低等优点受到人们的关注。

淀粉物理改性主要方法有湿热和韧化处理,湿热处理是一种将淀粉体系中的质量分数维持在一定的范围内(10%～30%),且在一定的温度(80～130 ℃)和时间下(15 min～16 h)处理淀粉的一种物理改性方法。其原理是通过热能影响淀粉分子链内部或淀粉分子链之间氢键的运动,改变淀粉颗粒内初始的氢键组成以及双螺旋结构,从而导致淀粉微观结构上不同尺度变化的发生[11]。因其操作简单、清洁绿色等特点,被研究者们视为创制健康淀粉食品原料的重要手段之一[12]。湿热处理过程中不同的体系水分含量和温度会导致淀粉的糊化焓、膨胀力和直链淀粉浸出率发生不同程度的降低[13],在使峰值黏度和崩解值降低的同时改善淀粉的热稳定性和剪切稳定性,从而改变淀粉组成成分的比例,抗性淀粉和慢消化淀粉的含量会增加[14]。韧化处理是在体系水分充足,温度保持在淀粉的玻璃化转变温度和糊化温度之间的条件下对淀粉样品进行处理[15]。在通常情况下,韧化处理不会使天然淀粉的分子链发生断裂,但可能会导致最不稳定的结构受到破坏,从而使淀粉分子双螺旋结构发生重排[16]。刘慧慧等[17]对大米淀粉在55～70 ℃的条件下进行韧化处理后的结果表明,韧化处理会降低淀粉的溶解度、膨润力和峰值黏度,回生值以及崩解值、而糊化温度和消化性则出现提高。

研究表明,湿热和韧化处理可以改变淀粉结构从而影响其消化速率,荞麦本身作为健康谷物而受到人们的关注,为了使实际生产者进一步了解荞麦淀粉的理化和结构特性以及消化机制,通过探索湿热和韧化这两种加工方式对荞麦淀粉的形态、晶体结构、热稳定性以及消化率等性质的影响,系统地阐述湿热和韧化处理通过改变淀粉结构进而调节荞麦淀粉消化率的机制,为荞麦淀粉的高值化应用拓宽思路,也为后续开发淀粉类健康食品提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

荞麦淀粉,猪胰腺α-淀粉酶(来自猪胰腺,CAS:9000-90-2,≥5 U/mg 固体)、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 固体)。葡萄糖测定试剂盒,其他分析纯试剂。

1.2 仪器与设备

X’Pert3 Powder X-射线衍射仪,Nicolet tar 370红外光谱仪,Mettler差示扫描量热仪,Zeiss 300扫描电镜。

1.3 方法

1.3.1 湿热处理

参考Ai等[18]的方法对荞麦淀粉进行湿热处理。先测定淀粉的含水量,然后加入适量的蒸馏水,将荞麦淀粉样品分别调节至质量分数15%、20%、25%、30%。样品密封后,在室温下放置24 h以平衡水分。样品水分平衡后,进行高温处理,加热2 h至100 ℃,然后冷却至室温。对湿热处理后的杂粮淀粉进行12 h的烘干,烘箱温度为40 ℃。烘干后将样品研磨并通过100目的筛子,得到的样品装入密封袋,以备后续检测。根据含水量不同,湿热处理后的样品被命名为HMT-15、HMT-20、HMT-25和HMT-30。

1.3.2 韧化处理

参考Wang等[19]的方法对荞麦淀粉进行韧化处理。在容器中准确称量12 g荞麦淀粉样品,随后加入60 mL蒸馏水并使用转子磁力搅拌混匀。接下来,密封容器并在不同的温度条件下(30、40、50、60 ℃)进行水浴加热24 h。随后,将韧化处理后的淀粉放入40 ℃的干燥箱中进行12 h的干燥,研磨后过100目筛,然后将淀粉样品密封于聚乙烯保鲜袋中以备后续检测使用。根据韧化处理体系温度的不同,样品被命名为ANN-30、ANN-40、ANN-50和 ANN-60。

1.3.3 长程分子有序结构分析

用X-射线衍射仪测定荞麦淀粉的晶型和相对结晶度[20]。Cu-Ka靶射线波长λ=0.154 06 nm,管压40 kV,管流100 mA,步长为0.04°,测量角度范围2θ=4°～40°。用JADE 6.0软件对湿热和韧化处理前后的荞麦淀粉样品的衍射曲线进行拟合,以计算其相对结晶度,即结晶峰的面积与衍射图总面积的比值。

1.3.4 短程分子有序结构分析

采用FT-IR光谱分析了处理前后荞麦淀粉的结构变化。根据 He等[21]在室温下使用 Nicolet tar 370光谱仪测量样品的FT-IR光谱。测定前,样品在45 ℃ 烘箱中平衡24 h,采用KBr压片法,将淀粉与KBr以质量比1∶100比例混合,研磨,压片后用于检测。采用傅里叶红外变换光谱测定样品,扫描范围为4 000～400 cm-1,分辨率为4 cm-1,以光谱级KBr为空白参照,扫描32次后取平均得到红外光谱。用OMNIC软件6.2 版来进行数据分析。

1.3.5 淀粉热特性分析

采用差示扫描量热仪测定荞麦原淀粉和处理后荞麦淀粉的热性能。根据Tian等[22]方法修改,首先,在铝坩埚中准确称量3 mg的淀粉样品(干基),然后使用针管向其中注入9 μL的蒸馏水(料液比为1∶3)。接着,使用压盘机进行密封,将其放置在室温下12小时,以使淀粉和水充分平衡。在加热程序中,使用空白铝坩埚作为对照,并以10 ℃/min的速率加热样品,从25 ℃加热到110 ℃,然后冷却降温到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(ΔH)。

1.3.6 淀粉表面微观结构表征

采用Zeiss 300扫描电镜观察湿热韧化处理前后荞麦淀粉的表面结构。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在离子溅射仪中喷金处理后,将样品置于SEM(即环境扫描电镜)中,在低压条件,5 000倍放大模式下观察淀粉形貌[23]。

1.3.7 体外酶解实验

对湿热和韧化处理前后的荞麦淀粉进行酶解实验中,采用王嘉俊等[24]的方法。在消化过程中的特定时间点,使用过氧化物酶(peroxidase,GOPOD)试剂盒进行测定。快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)的含量按公式计算:

RDS=0.9×(G20-G0)

SDS=0.9×(G120-G20)

RS=TS-RDS-SDS

式中:G0、G20和G120为在0、20、120 min时水解产生的葡萄糖含量;TS为总淀粉含量;0.9为换算系数。

1.3.8 统计分析

采用SPSS 20.0软件中单因素ANOVA检验对实验数据进行统计分析(P<0.05),判断是否存在显著差异。图表采用Origin 2018软件绘制。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 淀粉长程有序结构分析

用XRD研究了不同水分的湿热处理(HMT-15%、20%、25%、30%)和不同温度下的韧化处理(ANN-30、40、50、60 ℃)前后荞麦淀粉的结晶类型和结晶度的变化,结果如图1所示。荞麦原淀粉在约15°、17°、18°和23°(2θ°)的衍射角上有明显的特征峰,表明其具有典型的A型结晶结构[25]。荞麦淀粉颗粒的特征衍射峰在湿热和韧化处理之后没有明显变化,说明这2种处理没有影响荞麦淀粉的结晶类型。当韧化温度为60 ℃时,荞麦淀粉在18°处的特征峰出现一定弱化,可能是较高的韧化温度破坏了荞麦淀粉的长程有序化结构,糊化程度增加。如表1所示,荞麦原淀粉的相对结晶度为(36.86±0.47)%,湿热和韧化后相对结晶度有不同程度的下降,但由于湿热处理中含水量的限制和韧化处理中热能的限制,导致含水量较低(HMT-15、HMT-20)和温度较低(ANN-30、ANN-40)的荞麦淀粉样品的结晶度变化幅度较小[26]。随着含水量的增加和温度的上升,热能和体系水分含量影响了荞麦淀粉颗粒中螺旋结构的排列有序程度,形成取向以及结合紧密程度,并使淀粉分子链上的氢键断裂。进而导致荞麦淀粉的相对结晶度降低[27]。

表1 湿热和韧化处理前后荞麦淀粉的相对结晶度和R1 047/1 022

图1 不同条件湿热和韧化处理荞麦淀粉前后的X-射线衍射图

2.2 短程有序结构分析

利用傅里叶红外光谱仪(FTIR)分析了不同水分的湿热处理( HMT-15%、20%、25%、30%)和不同温度的韧化处理(ANN-30%、40%、50%、60 ℃)对荞麦淀粉的短程有序结构的影响。未经处理的和湿热、韧化处理的荞麦淀粉FT-IR光谱如图2所示。在湿热和韧化处理后,荞麦淀粉红外光谱图中没有化学键出现或消失,表明在湿热和韧化处理过程中,荞麦淀粉没有产生新的共价键。1 047 cm-1和1 022 cm-1的透射强度分别与淀粉的有序结晶结构和无定形结构有关[28]。1 047 cm-1和1 022 cm-1的吸光度比值表征了短程结构的有序程度[24]。由表1可知,经过湿热和韧化处理后的荞麦淀粉的R1 047/1 022值低于荞麦原淀粉,表明荞麦淀粉的短程有序结构受到了一定程度的破坏,由于湿热和韧化过程中热能和水分子的协同作用破坏了螺旋结构排列和由氢键组成的分子链的顺序,分子间和分子内氢键的断裂和其晶体结构受到破坏,这导致更多暴露的羟基与水分子形成氢键,随着湿热处理含水量和韧化处理温度的上升,特征峰出现逐渐弱化的趋势,荞麦淀粉的短程有序结构的破坏程度也逐渐增加,与前人的研究相一致[29]。

图2 湿热和韧化处理荞麦淀粉前后的傅里叶红外光谱

2.3 淀粉热特性分析

荞麦淀粉经过不同水分(HMT-15%、20%、25%、30%)的湿热处理和不同温度的韧化处理(ANN-30、40、50、60 ℃)后的热力学参数(包括To,Tp,Tc和ΔH)见表2。与未处理的荞麦淀粉相比,处理后的荞麦淀粉显示出更高的To值和更低的ΔH。淀粉颗粒的结晶结构发生变化和无定形区域中的双螺旋结构受到破坏可能导致了ΔH降低[30],特别是韧化温度为60 ℃的时候,破坏程度达到最高,ΔH从(7.96±0.17)J/g (原淀粉)下降到(2.77±0.21)J/g(ANN-60)。而且不同的处理温度导致的结晶有序化程度以及荞麦淀粉颗粒中的淀粉链和无定形区之间的变化也是导致ΔH下降的因素[31]。原淀粉的To值为(63.61±0.05)℃,HMT-30和ANN-60的To值分别为(66.96±0.10)℃和(77.36±0.13)℃,Tp和Tc也出现同样的变化趋势。To值的增加可能是由于物理改性破坏了淀粉中较弱的晶体结构,包括无定形区域的减少和淀粉的浸出,导致残存较强晶体结构的改性淀粉发生凝胶化时表现出较低的焓值和较高的糊化温度,湿热和韧化处理也使荞麦淀粉分子链活跃性增强,淀粉分子的排列方式发生变化,使淀粉分子发生聚集的可能性增加,从而导致其热稳定性提高,这与前人的研究相一致[30]。

表2 不同条件湿热和韧化处理荞麦淀粉前后的热特性参数

2.4 微观结构形态表征

图3为荞麦原淀粉和通过湿热处理(HMT-15%、20%、25%、30%)和韧化处理(ANN-30、40、50、60 ℃)样品的扫描电子显微镜图片,荞麦淀粉颗粒多为不规则多边形和圆形,表面较为光滑、平整,粒径在6.5 μm左右。HMT-20、HMT20、ANN-30和ANN-40的荞麦淀粉颗粒表面出现少许裂纹,外观与原淀粉没有明显差异。随着湿热处理体系含水量和韧化处理温度的上升,荞麦淀粉颗粒表面发生了局部糊化、规整性变差、裂纹加剧的变化,在湿热处理的体系水质量分数为30%的时候(HMT-30),荞麦淀粉颗粒还出现了聚集现象,颗粒间相互连接,形成团聚体,虽然韧化处理60 ℃时荞麦淀粉(ANN-60)也出现了轻微的聚集现象,但可以表明湿热处理淀粉颗粒比韧化处理淀粉颗粒更容易发生聚集[32],可能与湿热处理中热能较为充足有关,这与Liu等[33]对玉米淀粉进行湿热和韧化处理的比较研究相一致。

图3 不同条件湿热和韧化处理荞麦淀粉前后的颗粒形态(5 000×)

2.5 淀粉组分变化分析

表3显示了在湿热和韧化处理前后荞麦淀粉的RDS、SDS和RS的比例。随着湿热处理过程中体系水分含量的增加,RDS的含量呈先下降后上升的趋势,SDS的含量则出现不同程度的增加,当体系水质量分数为15%时,SDS的质量分数达到最高值(33±1.64)%,RS含量则出现降低,可能是由于体系中水分含量的增加,水合淀粉发生凝胶化反应,直链淀粉从淀粉颗粒中溢出,进而冷却阶段的淀粉出现回生[34],部分直链淀粉分子的螺旋结构发生重组,用氢键连接,进而导致淀粉酶的作用位点被阻断。但体系水分含量的增加,使得RDS的含量出现升高,尤其是HMT-30,RDS含量最高,同时SDS和RS的含量显著下降(P<0.05),可能是较高的体系水分含量下,较高的热能导致荞麦淀粉颗粒体积发生膨胀,并且分子链断裂程度增加,导致淀粉更易于被淀粉酶水解。因此,含水量越高,越能促进荞麦淀粉的水解,具体表现为在较低含水量下(15%,质量比),湿热处理可显著降低荞麦淀粉中RDS的含量,增加SDS的含量,而含水量增加则会提高荞麦淀粉中RDS的含量。在韧化处理中,相比于原淀粉,ANN-30,ANN-40和ANN-60的RDS含量有所增加(P<0.05)。ANN-30的SDS略有增加,而ANN-40的SDS和RS的含量都有了一定程度的降低,在韧化温度为50 ℃时,RDS的含量显著降低,同时SDS和RS的含量达到最高,可能是因为随着温度的上升,水分子进入淀粉颗粒内部,促使淀粉分子链的运动能力增强,使双螺旋结构断裂并发生重排,形成新的有序结构,导致荞麦淀粉的消化性能下降。。结合XRD和FT-IR图谱可知,ANN-60部分特征峰逐渐消失,可能因为发生部分糊化,导致螺旋结构受到破坏,消化酶位点暴露,导致消化速率上升。这与前人的研究结果相一致[35]。

表3 不同条件湿热和韧化处理前后荞麦淀粉中各组分质量分数

3 结论

本研究分析了不同含水量湿热处理和不同温度韧化处理对荞麦淀粉物理特征和淀粉组成的影响。湿热和韧化处理没有改变荞麦淀粉的A型结晶结构。然而,这2种加工方式都导致了荞麦淀粉颗粒表面出现褶皱和裂痕,相对结晶度降低。在湿热处理过程中,荞麦淀粉的物理化学性质受到了不同水分含量的影响,表现为热稳定性的提高和糊化焓的降低,在韧化处理荞麦淀粉过程中也观察到类似结果。与原淀粉样品相比,经过湿热或韧化处理的荞麦淀粉表现出更高的SDS和RS含量,表明这2种处理方式是制备低消化率的健康淀粉食品的可选方法。