西米淀粉结构及消化特性

毕 玉1,方 芳1,2,洪 雁1,2,*,顾正彪1,2

(1.食品科学与技术国家重点实验室,江南大学食品学院,江苏 无锡 214122;

2.食品营养与安全协同创新中心,江南大学,江苏 无锡 214122)

 

摘 要:以马铃薯淀粉和红薯淀粉作为参照,用Englyst法测定西米淀粉的消化特性,并研究其成糊特性、直链淀粉含量、分子链长分布以及脂肪含量与消化特性的关系。结果表明:与马铃薯淀粉和红薯淀粉相比,西米淀粉具有较高含量的快消化淀粉(90.32%)和较低的抗消化淀粉含量(3.27%)。西米淀粉样品较低的脂肪含量(0.11%)、较高的短链含量(聚合度10~30,83.57%)、较低的长链含量(聚合度>55,0.80%),较高的直链淀粉含量(29.3%)和较低的终值黏度(1 096.67 mPa•s)。对消化特性起主要影响作用的因素有链长分布、直链淀粉含量和脂肪含量。

关键词:西米淀粉;消化特性;成糊特性;链长分布;直链淀粉

 

Structure and Digestion Properties of Sago Starch

 

BI Yu1, FANG Fang1,2, HONG Yan1,2,*, GU Zheng-biao1,2

(1. State Key Laboratory of Food Science and Technology, School of Food Science and Technology, Jiangnan University,

Wuxi 214122, China; 2. Synergetic Innovation Center of Food Safety and Nutrition, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

 

Abstract: Sago starch has high commercial value and a broad development potential in China. In this study, by comparing with potato starch and sweet potato starch, the digestibility of sago starch was examined using the Englyst method and the relations with pasting properties, amylose content, molecular chain length distribution or fat content were explored. The results showed that sago starch contained higher content of rapidly digestible starch (RDS, 90.32%) and lower resistant starch (RS) content (3.27%). Sago starch also contained lower level of fat content (0.11%), higher content of short chain (degree of polymerization (DP) 10–30, 83.57%), lower content of long-chain starches (DP > 55, 0.80%), higher content of amylose (29.3%) and lower final viscosity value (1 096.67 mPa•s). The chain length distribution, amylose and lipid content played main roles in the starch digestion characteristics.

Key words: sago starch; digestion; pasting properties; chain length distribution; amylose

中图分类号:TS231 文献标志码:A 文章编号:1002-6630(2014)13-0070-04

doi:10.7506/spkx1002-6630-201413013

西米淀粉,又名硕莪淀粉,是由棕榈树类的核或软核通过机械处理(重击、碾磨、制粉)、浸泡、沉淀并烘干制成的一种可食用淀粉[1]。硕莪棕榈作为西米淀粉来源的主要作物,具有长久的经济寿命和很高的商用淀粉价值,不仅能够抗病虫害、抗旱耐涝,而且淀粉产量高,具有一定的价格优势。硕莪淀粉在食品应用方面,除了制作珍珠西米和弹丸西米,更因其独特的属性可作为米粉、粉丝、面条的原料,改善食品的口感、减少断碎,并可用作稳定剂和增稠剂。高凌云等[2-3]研究表明,西米淀粉颗粒为椭球体,颗粒表面光滑、偏光十字明显,在水相中的平均粒径为27.3 μm,晶体结构为C型,结晶度为25%;西米淀粉糊属于非牛顿流体,抗剪切能力优于马铃薯淀粉糊和木薯淀粉糊,具有一定的触变性,在同一浓度和剪切速率下,表观黏度随温度的增加而减小,在同一温度和剪切速率下,表观黏度随浓度的增加而增加,而在同一温度和浓度条件下,淀粉糊的表观黏度随剪切速率的增加而减小。汪建平等[4]对西米淀粉的改性进行研究的结果表明,马铃薯淀粉较西米淀粉更易引入乙酰基,乙酰化后淀粉颗粒形状未发生大的改变;乙酰化后西米淀粉和马铃薯淀粉粒径均增大,起糊温度、峰值温度及峰值黏度均降低,热稳定性增加,凝沉性变弱。

然而近些年来,尽管西米淀粉在食品工业中的良好应用前景已经得到了科研工作者的重视,但是已有报道鲜有涉及西米淀粉消化特性的研究。淀粉是人类膳食中主要的碳水化合物,也是主要能量来源,它的消化吸收可以分为3个阶段:腔内阶段、刷状缘阶段和葡萄糖吸收阶段[5]。1992年,英国学者Englyst等[6]在体外模拟的条件下依据淀粉的生物可利用性将淀粉分为快消化淀粉(rapidly digestible starch,RDS)、慢消化淀粉(slowly digestible starch,SDS)、抗消化淀粉(resistant starch,RS)。
RDS指那些能在口腔和小肠中被迅速消化吸收的淀粉,属于快速释放能量的高血糖食品;SDS指那些能在小肠中被完全消化吸收但速度较慢的淀粉,可持续缓慢释放能量,维持餐后血糖稳态,防止出现胰岛素抵抗;RS指在人体小肠内无法消化吸收的淀粉,类似于膳食纤维只在大肠中被微生物发酵利用,促进肠道健康[7-10]。

淀粉消化性的影响因素主要有淀粉植物来源、淀粉颗粒的形状和结晶结构、直链淀粉-脂质复合物、直链-支链淀粉比例和链长分布[11-13]等。本实验以马铃薯淀粉和红薯淀粉作为参照,用Englyst法测定了西米淀粉的消化特性,并探究了成糊特性、直链淀粉含量、分子链长分布以及脂肪含量与消化特性的关系,为西米淀粉在食品工业中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

西米淀粉、马铃薯淀粉、红薯淀粉均由北大荒马铃薯产业有限公司提供。

纯直链淀粉、胰酶、转化酶、胃蛋白酶、葡萄糖糖化酶 美国Sigma公司;纯支链淀粉 瑞士Fluka公司;普鲁兰酶 诺维信(中国)生物技术有限公司。

1.2 仪器与设备

MB25OHAUS水分分析仪 奥豪斯仪器(上海)有限公司;α-1101可见分光光度计 上海谱元仪器有限公司;RVA-3D快速黏度分析 澳大利亚Newport Scientific仪器公司;Quanta-200扫描电子显微镜 荷兰FEI公司;ARX-400型X射线衍射仪 德国Bruker公司;ICS-5000高效阴离子交换色谱(配有脉冲安培检测器) 美国戴安公司。

1.3 方法

1.3.1 淀粉样品中基本成分的测定

脂肪含量的测定参照GB/T 22427.3—2008《淀粉总脂肪测定》;淀粉含量的测定参照GB/T5009.9—2003《食品中淀粉的测定》使用蒽酮比色法测定淀粉含量。

1.3.2 西米淀粉分子链长分布的测定

根据贺伟等[14]的方法,取40 mg淀粉于5 mL离心管中,加2 mL磷酸氢二钠缓冲溶液(20 mg/mL),在95 ℃温度条件下糊化3 min。冷却至25 ℃后加入20 μL普鲁兰酶,于50 ℃水浴中反应4 h,结束反应后在8 000 r/min
离心10 min,取上层清液稀释10 倍后,过0.225 μm膜,用高效阴离子交换色谱-脉冲安培法测出链长分布。

1.3.3 西米淀粉蓝值的测定

参照洪雁等[15]的研究方法,称取适量淀粉,配制成质量浓度为0.5 mg/mL的淀粉乳。吸取定容好的样品溶液1 mL,滴加0.5 mL l mol/L氢氧化钠溶液,沸水浴3 min,冷却后用0.5 mL 1 mol/L HCl中和,加入0.07~ 0.1 g酒石酸氧钾和 0.5 mL碘液(2 mg/mL碘,20 mg/mL碘化钾),将混合溶液全部转移至50 mL容量瓶中,并用去离子水定容至刻度,室温静止20 min后,在波长680 nm处用l cm的比色皿测吸光度,试样中蓝值的计算方法见公式(1)。

681188.jpg (1)

1.3.4 西米淀粉中直链淀粉含量的测定

参照洪雁等[16]的研究方法,样品中直链淀粉和支链淀粉含量的测定:分别称取西米淀粉、马铃薯淀粉和红薯淀粉50 mg,加入几滴无水乙醇润湿,再加入10 mL 0.5 mol/L的NaOH溶液,在沸水浴中加热溶解、冷却后用蒸馏水定容,混匀。吸取2.5 mL样品溶液于50 mL容量瓶中,加20 mL蒸馏水,用0.1 mol HCl溶液调pH值至3左右,加0.5 mL碘试剂(2 g KI溶于少量蒸馏水中,再加0.2 g碘,溶解后定容至100 mL),定容后放置10 min,在620 nm波长处,用1 cm比色皿测定其吸光度。所测的标准曲线方程为y=0.338 2x-0.004 4(R2=0.996 3),式中:y为吸光度,x为直链淀粉含量/%。

1.3.5 西米淀粉成糊特性的测定 

参照方芳等[17]的方法。

1.3.6 西米淀粉体外消化特性的测定

称取200 mg西米淀粉、马铃薯淀粉和红薯淀粉,分别加入2 mL 蒸馏水制备悬浮液,完全糊化并冷却后加入4 mL 模拟胃液,于37℃水浴中反应30 min。再加入2 mL pH 5.2的醋酸钠缓冲溶液和少量玻璃珠,置于37 ℃水浴中振荡30 min后加入2 mL模拟肠液,混合均匀后,置于37 ℃水浴中进行反应,分别在反应20 min和120 min时取样灭酶后用葡萄糖氧化酶法测定葡萄糖含量,从而算出样品中RDS、SDS和RS的含量。试样中RDS、SDS和RS的计算方法如式(2)~(4)所示。

681208.jpg (2)

681226.jpg (3)

681241.jpg (4)

式中:m20为淀粉被酶水解20 min后产生的葡萄糖量/mg;
m120为淀粉被酶水解120 min后产生的葡萄糖量/mg;m为样品中总淀粉质量/mg。

2 结果与分析

2.1 西米淀粉消化特性的测定与分析

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图 1 淀粉样品的RDS、SDS和RS含量

Fig.1 RDS, SDS and RS contents of starches

由图1可知,西米淀粉、马铃薯淀粉和红薯淀粉的RDS含量都高于SDS和RS的含量,均在70%以上。其中西米淀粉的RDS含量最高,RS含量最低,说明西米淀粉能快速被人体消化吸收,释放人体所需要的能量。红薯淀粉的SDS含量较高,这说明红薯淀粉较其他两种淀粉更能维持人体内的血糖平衡,有助于人们在日常活动中保持长时间的精力充沛。此外,西米淀粉的RS含量低于马铃薯淀粉和红薯淀粉。

由于淀粉来源与特性的差异,影响淀粉糊消化特性主要有淀粉-脂质复合物的形成,链长分布,直链/支链淀粉比例以及淀粉糊黏度等。本实验将从以下几个方面进一步分析西米淀粉消化特性的影响因素。

2.2 西米淀粉的脂肪含量

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图 2 淀粉样品的脂肪含量

Fig.2 Fat contents of starches

由图2可知,西米淀粉样品中的脂肪含量低于马铃薯淀粉和红薯淀粉样品,并且红薯淀粉样品中的脂肪含量略低于马铃薯淀粉样品。脂肪可以与直链淀粉分子形成复合体,该复合体的形成不利于淀粉分子的消化吸收。因而在2.1节中西米淀粉表现出明显低于马铃薯淀粉和红薯淀粉的RDS含量,但是由于其他因素的影响,脂肪含量差异并不能成为淀粉消化特性差异的唯一原因。

2.3 西米淀粉的直链淀粉含量

直链淀粉分子和支链淀粉分子在分子形状、聚合度、分子质量、碘反应、吸附碘量及晶型结构等方面都有很大的差异[18-19]。淀粉遇碘显色是由于碘与直链淀粉形成螺旋构象的深蓝色复合物,复合物的颜色与链长有关,若链长缩短,则复合物颜色逐渐变红[20]。蓝值主要用于对直链淀粉含量的定性分析,直链淀粉的蓝值为1.01~1.63,支链淀粉的蓝值为0.08~0.38。实验测得西米淀粉、马铃薯淀粉和红薯淀粉的蓝值如图3所示,直链淀粉含量如图4所示。

681291.jpg 

图 3 淀粉样品的蓝值

Fig.3 Blue values of starches

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图 4 淀粉样品的直链淀粉含量

Fig.4 Amylose Contents of starches

由图3、4可知,直链淀粉含量依次为西米淀粉>红薯淀粉>马铃薯淀粉,相对应的,西米淀粉的支链淀粉含量小于红薯淀粉进而小于马铃薯淀粉。由于支链淀粉含有α-1,6糖苷键,该键不能在人体内被酶水解,因而支链淀粉含量的差异解释了2.1节中三者之间的抗消化淀粉含量差异,即西米淀粉的抗消化淀粉含量小于红薯淀粉,且小于马铃薯淀粉。

2.4 西米淀粉的链长分布

根据聚合度对支链淀粉链长分布的峰区进行分类,可以分为3类:峰l为长链B区,聚合度在55以上;峰2位中等链B区,聚合度在30~55之间,峰3为短链的B区和A链区,聚合度在10~30之间[12,21]。

由表1可知,西米淀粉、马铃薯淀粉和红薯淀粉的链长均以短链的B区和A链区为主,聚合度在10~30之间,西米淀粉的短链含量最高,为83.57%,马铃薯次之,红薯最低。而西米淀粉的长链B区含量为0.80%,低于于红薯淀粉和马铃薯淀粉。Radhika等[22]研究表明:长链B对淀粉颗粒结构起到支撑作用,长链B含量高,则淀粉颗粒完整和刚性越高,稳定性增加,不易发生反应,糊化温度高,溶解性小。此外,长链含量高,淀粉不易与消化酶发生反应,不利于消化反应的进行。该数据进一步支持了2.1节的实验结果,西米淀粉的快消化淀粉含量高于红薯淀粉和马铃薯淀粉,而慢消化淀粉含量低于红薯淀粉和马铃薯淀粉。

表 1 淀粉样品的链长分布百分含量

Table 1 Molecular chain length distribution of starches

聚合度

链长分布百分含量/%

西米淀粉

马铃薯淀粉

红薯淀粉

>55

0.80

1.71

2.26

30~55

15.62

16.47

17.48

10~30

83.57

81.82

80.61

 

 

2.5 西米淀粉的成糊特性

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图 5 淀粉样品的成糊特性

Fig.5 Pasting properties of starches

淀粉在实际应用的过程中多以淀粉糊的形式存在,实验测得西米淀粉、马铃薯淀粉和红薯淀粉的糊化曲线如图5所示。西米淀粉的成糊温度74.90 ℃、峰值黏度1 127 mPa•s、崩解值533 mPa•s,均低于马铃薯淀粉而高于红薯淀粉。较低的糊黏度有助于提高淀粉糊的流动性,增加了与淀粉酶接触的几率从而促进了淀粉的消化。而西米淀粉的回生值为510 mPa•s,高于马铃薯淀粉和红薯淀粉。说明与马铃薯淀粉和红薯淀粉相比,西米淀粉具有居中的成糊难易程度和热糊黏度和热糊稳定性,但是具有较低的冷糊稳定性。此外,西米淀粉的终值黏度(1 096.67 mPa•s)低于红薯淀粉(1 825.67 mPa•s)且低于马铃薯淀粉(1 376.33 mPa•s)。舒庆尧[23]、Sodhi[24]等研究表明,淀粉直链含量越高,峰值黏度、崩解值越小,而最终黏度、回生值越大,与所测得的直链淀粉含量结果一致。此外,淀粉的回生值越高,说明在淀粉糊冷却的过程中产生了更多的分子内或者分子间氢键,该氢键的生成阻碍了淀粉酶的水解作用,进而降低了淀粉的消化速率。在此实验中,淀粉糊特性的检测数据与消化特性数据矛盾,说明淀粉糊特性并不是影响淀粉消化特性的主要因素。

综上所述,淀粉-脂质复合物对淀粉酶的阻碍作用,以及链长分布和直链淀粉含量共同影响着西米淀粉、马铃薯淀粉和红薯淀粉的消化特性,而淀粉糊特性对消化特性的作用并不明显。

3 结 论

该研究通过对西米淀粉、马铃薯淀粉和红薯淀粉的链长分布、直链淀粉含量、脂质含量以及成糊特性的测定,研究了上述3 种淀粉消化特性的影响因素。研究发现,链长分布、直链淀粉含量以及脂质的含量是淀粉消化特性的主要影响因素,而成糊特性对消化特性的影响作用并不显著。其中西米淀粉的脂肪含量较低,直链淀粉含量较高,支链中的长链含量较低、短链含量较高。在上述影响因素的共同作用下,西米淀粉的的RDS含量(90.32%)高于马铃薯淀粉(80.13%)和红薯淀粉(72.57%)样品,SDS含量(6.40%)低于马铃薯淀粉(5.93%)和红薯淀粉(14.44%),RS含量(3.27%)低于马铃薯淀粉(13.94%)和红薯淀粉(12.99%)样品。

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收稿日期:2013-09-17

基金项目:“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAD37B01)

作者简介:毕玉(1992—),女,本科,研究方向为淀粉资源的开发与利用。E-mail:740200819@qq.com

*通信作者:洪雁(1975—),女,副教授,博士研究生,研究方向为淀粉资源的开发与利用。E-mail:hongyan@jiangnan.edu.cn