菠蘿蜜種子淀粉體外消化酶解動力學及血糖值分析

李博 王雪飛 徐飛 譚樂和 初眾 張彥軍

摘 要 以菠蘿蜜種子為原料提取淀粉，以木薯淀粉、大米淀粉、玉米淀粉和馬鈴薯淀粉為參照，采用體外消化試驗測定菠蘿蜜種子淀粉的快速消化淀粉、慢消化淀粉和抗性淀粉含量，并進行酶解動力學實驗。結果表明：菠蘿蜜種子淀粉快速消化淀粉、慢消化淀粉和抗性淀粉的含量分別為4.50%、19.65%和75.85%，酶解速率為0.60 h-1，平衡濃度為36.93%，酶解指數為41.43，血糖指數為62.45，屬于中等血糖食物；菠蘿蜜種子淀粉消化性、平衡濃度、酶解指數與血糖指數均高于馬鈴薯淀粉，而低于其他三種淀粉，酶解速率比馬鈴薯淀粉、木薯淀粉快，比大米淀粉、玉米淀粉慢。

關鍵詞 酶解動力學；消化性分析；菠蘿蜜種子淀粉；血糖值

中圖分類號 TS231 文獻標識碼 A

Abstract The starch was extracted from jackfruit seeds as the raw material. Using potato starch， rice starch， corn starch and potato starch as the references， the content of rapidly digestible starch， slow digestible starch and resistant starch of jackfruit seed were determined by an in-vitro digestion experiment. Furthermore， the enzymatic hydrolysis kinetics was carried out. The results showed that the contents of rapidly digestible starch， slowly digestible starch and resistant starch of jackfruit seed starch was 4.50%， 19.65% and 75.85%， respectively. The hydrolysis rate， the equilibrium concentration， the enzymatic hydrolysis index， the blood glucose index of jackfruit seed starch was 0.60 h-1， 36.93%， 41.43 and 62.45， respectively. The jackfruit seed starch belonged to medium blood glucose food. The digestibility， equilibrium concentration， enzymolysis index and glycemic index of jackfruit seed were higher than those of potato starch. The digestibility， equilibrium concentration， enzymolysis index and glycemic index of jackfruit seed starch were lower than those of the other three kinds of starch. Enzymatic hydrolysis rate of jackfruit seed starch was slower than that of potato starch and cassava starch， but faster than that of rice starch and corn starch.

Key words enzymatic hydrolysis kinetics； analysis of digestion； jackfruit seeds starch； glycemic index

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2018.04.026

菠蘿蜜（Artocarpus heterophyllus Lam）是?？颇静ぬ}屬常綠喬木，主要分布在熱帶地區，在溫帶地區會自發性分芽繁殖[1]，由印度傳至中國，已有1 000多年歷史[2]。菠蘿蜜果肉由黃色的肉質部分組成，味香濃郁，但只有15%～20%的果肉會被用作各種烹飪類型的食物。一個菠蘿蜜果包含100～500粒種子[3]，占總質量的8%～15%。種子呈咖啡色，長2～3 cm，扁圓形，似板栗，有硬皮包裹，含62.63%粗淀粉[4-7]，是一亟待開發的淀粉質資源。

近年來，菠蘿蜜種植業及加工業發展快速，產生了大量的菠蘿蜜種子廢棄物，造成了淀粉質資源的浪費[8-9]。為了進一步合理開發利用菠蘿蜜種子淀粉，前人研究了種子淀粉的分離方法和淀粉性質，發現菠蘿蜜種子淀粉呈圓形、鐘形和一些不規則剪切狀的顆粒形貌，具有A形結晶模式，高直鏈淀粉含量和高抗性淀粉含量[10-11]。其無副作用，感官質量和衛生質量良好，因而可安全地應用于食品、藥品等領域[5， 12]。本研究以馬來西亞Ⅰ號菠蘿蜜種子為原料分離淀粉，測定淀粉消化性，通過體外消化試驗測定快速消化淀粉、慢消化淀粉和抗性淀粉的含量，進行酶解動力學實驗，通過擬合曲線計算出菠蘿蜜種子淀粉的血糖指數，通過血糖指數考察菠蘿蜜種子淀粉對血糖應答的影響，以期為菠蘿蜜種子淀粉的綜合利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 原料 菠蘿蜜種子（馬來西亞Ⅰ號），由中國熱帶農業科學院香料飲料研究所于2017年提供；大米淀粉、玉米淀粉、馬鈴薯淀粉、木薯淀粉，均購自廣西崇左群力淀粉有限公司。

1.1.2 試劑 中性蛋白酶AlphalaseNP（ANP 酶活 160 000 U/g），丹尼斯克有限公司。抗性淀粉試劑盒，購自愛爾蘭Megazyme公司。胰α-淀粉酶（酶活100 000 U/g），購自愛爾蘭Megazyme公司。

1.1.3 儀器與設備 板栗脫殼機，中國熱帶農業科學院香料飲料研究所；DLSB-5L/10低溫冷卻循環泵，鞏義市予華儀器有限責任公司；膠體磨，上?？苿跈C械廠；LXJ-II離心機，上海安亭科學儀器廠；實驗室冷凍干燥機，寧波新芝生物科技有限公司；AUX奧克斯多功能料理機，佛山市海迅電器有限公司；SHB-IIIS循環水式多用真空泵，鄭州長城科工貿有限公司?？焖偎趾繙y定儀MB45，瑞士OHAUS公司；Master-S plusUVF超純水機，上海和泰儀器有限公司。HZ-2010K 恒溫搖床，金壇市盛籃儀器制造有限公司；Fibertec.E膳食纖維測定系統，丹麥?？怂笷OSS公司；Amylose from potato標準品，Sigma公司；FE20實驗室pH計，梅特勒-托利多有限公司；Avanti JXN-26 Centrifuge離心機，貝克曼庫爾特商貿有限公司；紫外可見分光度計UV-2800，上海奧普勒儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 菠蘿蜜種子淀粉提取 根據胡美杰等[13]的方法稍作修改，將新鮮的菠蘿蜜種子放入電熱鼓風干燥箱內烘干，待表皮干燥時利用板栗脫殼機快速去皮。按1：4的比例加入蒸餾水，用多功能磨漿機磨漿，再倒入膠體磨研磨2 min。加入中性蛋白酶配成0.15%的蛋白酶溶液，用0.1 mol/L的鹽酸調節pH到7，置于搖床上（60 ℃）反應8 h，反應結束后過200目篩，濾渣經過多次水洗，合并濾液離心（3 000 r/min，5 min），刮去沉淀物上層褐色皮，沉淀用蒸餾水多次清洗。抽濾后收集沉淀物進行冷凍真空干燥（-30～0 ℃冷凍3 h，50 ℃恒溫真空干燥10 h），保存待用。

1.2.2 體外消化分析 根據Englyst等的方法[14]稍作修改，將胰α-淀粉酶溶于20 mL去離子水中，攪拌10 min，并以3 000 r/min離心15 min。將上清液轉移到燒杯中，加入淀粉葡萄糖苷酶和1 mL去離子水（酶溶液現配現用）。稱取1 g淀粉樣品（干基），將其溶于20 mL 0.1 mol/L的醋酸鈉緩沖液（pH5.2）中，然后加入5 mL混酶液，在漩渦混勻器上劇烈混勻，加7粒玻璃珠、100 mg瓜爾豆膠和轉化酶（190 U）。將此混合溶液在37 ℃、180 r/min下振蕩水浴。在20、120 min時取樣0.5 mL并加入20 mL的70%無水乙醇滅酶，在4 000 r/min下離心10 min。采用葡萄糖氧化酶-過氧化物酶法（GOPOD），在510 nm處，以無水乙醇為空白對照，抗性淀粉試劑盒葡萄糖為標樣，測定葡萄糖含量。快速消化淀粉（RDS）、慢速消化淀粉（SDS）和抗性淀粉（RS）的質量百分率計算如下：

RDS（%）=（G20-GF）伊0.9/TS

SDS（%）=（G120-G20）伊0.9/TS

RDS（%）=[TS-（RDS+SDS）]/TS

式中：GF：酶解前淀粉中游離的葡萄糖的含量（mg）；G20：淀粉酶水解20 min后產生的葡萄糖的含量（mg）；G120：淀粉酶水解120 min后產生的葡萄糖的含量（mg）；TS：樣品中總淀粉的含量（mg）。

1.2.3 酶解動力學 根據趙娜[15]的方法稍作修改：準確稱取淀粉樣品200 mg于燒瓶中，然后加入15 mL的0.2 mol/L的醋酸鈉緩沖溶液（pH5.2），于37 ℃水浴鍋中預熱5 min，并加入同時于37 ℃水浴預熱5 min的豬胰α-淀粉酶（290 U/mL）和淀粉葡萄糖苷酶（15 U/mL）的混酶液10 mL，然后立即置于37 ℃水浴中振蕩（150 r/min）并準確計時，分別在0、10、20、30、60、90、120和180 min時取樣0.5 mL于離心管中，迅速加入4 mL的無水乙醇搖勻，4 000 r/min離心10 min。用GOPOD法測定葡萄糖含量并計算酶解率。

式中：Gt——淀粉酶酶解t時間后產生的葡萄糖含量（mg）。

因淀粉樣品酶解曲線遵循一級動力學方程，C=C∞（1-e-kt） 且C∞≤100%，C為t時刻的反應濃度，回歸得到動力學參數反應平衡時的濃度C∞（%）和反應動力學常數（一級反應動力學速率）k（h-1）。采用軟件Origin 8.5對所得曲線進行擬合，得到方程的特征參數和預測動力學模型[7]。采用SPSS 17.0分析標準偏差，以此來分析淀粉樣品的酶解速率。

1.2.4 淀粉的餐后血糖應答 血糖GI值指的是食物基于對比參考食物（白面包）的餐后血糖應答的等級[16]。影響GI值的主要因素是食物中存在的碳水化合物的消化或吸收速率[17]。因此，采用Go?i建立的動力學模型[18]，一級反應方程式計算淀粉樣品與參考白面包酶解曲線面積（AUC）的比值分析淀粉樣品的GI值對消化性的影響：

AUC=C∞（tf-t0）-（C∞/k）[1-exp-k（tf-t0）]

式中：C∞為平衡濃度（t180），tf是最終時間（180 min），t0是初始時間（0 min），k是動力學常數。將每個樣品的酶解曲線下的面積（AUC）除以參考樣品（白面包）的相應面積獲得酶解指數（HI）。

使用以下等式計算血糖指數（GI）：

GI=39.71+（0.549HI）

1.3 統計分析

利用SPSS 20.0軟件計算和分析數據。利用origin 8.5軟件進行曲線擬合、圖像繪制。所有數據均為3次試驗的平均值。

2 結果與分析

2.1 體外消化分析

由表1可知，菠蘿蜜種子淀粉快速消化淀粉、慢消化淀粉和抗性淀粉含量分別為4.50%、19.65%和75.85%。菠蘿蜜種子淀粉的抗性淀粉含量高于木薯淀粉、玉米淀粉和大米淀粉，低于馬鈴薯淀粉，但快速消化淀粉和慢速消化淀粉含量低于木薯淀粉、玉米淀粉和大米淀粉，高于馬鈴薯淀粉。

2.2 淀粉體外消化動力學

由圖1可知，酶解趨勢：大米淀粉>玉米淀粉>木薯淀粉>菠蘿蜜種子淀粉>馬鈴薯淀粉。在水解180 min時，大米淀粉、玉米淀粉、木薯淀粉、菠蘿蜜種子淀粉和馬鈴薯淀粉水解率分別為94.44%、63.12%、38.15%、31.84%和5.70%。這些淀粉的水解率在0～90 min時升高的速度要比90～180 min時快，在90～180 min時，淀粉逐漸趨于酶解平衡。隨著酶解時間的增加，大米淀粉水解率逐漸趨近于100%，并且在20～120 min之間曲線斜率最大，酶解最快；玉米淀粉酶解曲線介于大米淀粉與木薯淀粉之間；菠蘿蜜種子淀粉與木薯淀粉酶解趨勢相近并且差異不顯著（p<0.05）；馬鈴薯淀粉水解率最低，酶解趨勢最緩。

對圖1曲線進行擬合后得出的方程特征參數和預測動力學模型分別見表2和圖2。如表2所示，預測酶解的平衡濃度結果如下：大米淀粉>玉米淀粉>木薯淀粉>菠蘿蜜種子淀粉>馬鈴薯淀粉。其中菠蘿蜜種子淀粉在0～180 min時C∞、k值分別為36.93%和0.60 h-1。不同種類淀粉的體外消化速率在0～180 min時低于1 h-1，菠蘿蜜種子淀粉比木薯淀粉、馬鈴薯淀粉消化速率快，但比大米淀粉、玉米淀粉消化速率低。

2.3 淀粉的酶解指數與血糖指數

如表3所示，不同淀粉的血糖指數順序為：大米淀粉>玉米淀粉>木薯淀粉>菠蘿蜜種子淀粉>馬鈴薯淀粉。菠蘿蜜種子淀粉的HI和GI值分別為41.43和62.45，表明菠蘿蜜種子淀粉屬于中血糖食物。

3 討論

根據被酶水解時間的不同，淀粉分為快消化淀粉（<20 min）、慢消化淀粉（20～120 min）和抗性淀粉（>120 min）[14]。而抗性淀粉又可分為物理包埋淀粉（RS1）和抗性淀粉顆粒（RS2）[19]。淀粉的結構、形態及大小影響其消化性，且B型結構的豆類淀粉比A型結構的谷物淀粉更難水解[20-21]。谷物淀粉酶解快是由于酶解時顆粒外部表面會打開一條螺旋形通道，以供酶解到達淀粉內部，而淀粉的結晶結構是由無定形區和結晶區組成的，酶解的作用方式是進入淀粉分子內部后由內向外逐層酶解結晶結構，破壞維持直鏈、支鏈淀粉分子內部結構的α-1.4、α-1.6糖苷鍵，酶更容易進入淀粉中心酶解[22-23]。菠蘿蜜種子淀粉顆粒平均長度在5.21～12.78 μm，平均寬度在3.21～12.31 μm，顆粒較小，呈圓形或不規則橢圓形[24]。淀粉顆粒表面孔隙較少，較為平滑且緊實。X射線衍射結果表明，淀粉相對結晶度在36.75%～24.21%之間，屬于A型結晶結構淀粉[25-26]。本研究結果中菠蘿蜜種子淀粉、木薯淀粉、玉米淀粉和大米淀粉均屬于A型結構，馬鈴薯淀粉屬于B型結晶結構[11， 21]，因而產生馬鈴薯淀粉消化性比菠蘿蜜種子淀粉更低，抗性淀粉含量更高的結果差異。由于菠蘿蜜種子淀粉顆粒小，表面孔隙較少，較為平滑，酶解作用方式為外部逐步向內部進行水解，相比玉米淀粉、大米淀粉由內向外逐步水解，因而產生消化性低、抗性淀粉含量高的結果差異 [27-28]。Chen等[11]報道了菠蘿蜜種子淀粉快速消化淀粉、慢消化淀粉和抗性淀粉含量分別為5.92%、19.82%和74.26%，木薯淀粉快速消化淀粉、慢消化淀粉和抗性淀粉含量分別為10.50%、38.43%和51.07%，玉米淀粉快速消化淀粉、慢消化淀粉和抗性淀粉含量分別為12.04%、69.73%和18.23%。本研究關于菠蘿蜜種子淀粉、木薯淀粉和玉米淀粉的消化性結果與Chen報道的結果相似。體外消化的結果表明，菠蘿蜜種子淀粉在A型結晶結構淀粉中是一類高抗性淀粉含量的淀粉，但是快速消化淀粉和慢消化淀粉含量低，消化性差，難以被酶解。

Chen等[11]的研究表明菠蘿蜜種子淀粉具有高抗性淀粉含量的特點，這是由于菠蘿蜜種子淀粉具有超分子結構，具體包括結晶度高，直鏈淀粉含量高，糊化溫度高且在動態光散射法實驗中發現菠蘿蜜種子淀粉峰面積大、半結晶片段薄，表明其具有有序的半結晶結構。掃描電鏡表明菠蘿蜜種子淀粉表面光滑、形狀不規則、粒徑小，這些特點是形成高抗性淀粉含量的原因。然而，繆銘[29]的研究表明，谷物淀粉（A型結晶結構淀粉）隨著水解的進行，幾乎可以完全被水解，這表明谷物類淀粉的抗性含量可以忽略不計。在同為A型結構的淀粉中，菠蘿蜜種子淀粉難以被消化，而其他谷物淀粉則幾乎能完全被消化，說明從抗性淀粉含量上無法準確判斷其消化性，因而需要進一步借助體外消化動力學來表征其消化性能。

具有消化過程緩慢，抗性淀粉含量高、快消化淀粉、慢消化淀粉含量低特點的淀粉表現出酶解緩慢、水解率低的特征[30]。大米淀粉、玉米淀粉為A型結晶結構淀粉，消化過程相似，消化速率快[29]。而B型結晶結構的淀粉消化性比A型淀粉差[20]。本研究發現，菠蘿蜜種子淀粉的消化過程比大米淀粉、玉米淀粉和木薯淀粉緩慢，比馬鈴薯淀粉快，可能是由于菠蘿蜜種子淀粉中抗性淀粉含量高和淀粉晶型不同所致，這一結果恰好可以解釋2.1中菠蘿蜜種子淀粉快速消化淀粉、慢速消化淀粉和抗性淀粉含量的結果。根據Chen等的報道[11]，玉米淀粉慢消化淀粉含量高，導致玉米淀粉在20～120 min之間時酶解快，可作為慢消化淀粉的原料。而菠蘿蜜種子的抗性淀粉含量高，是抗性淀粉的良好來源。

據文獻報道，抗性淀粉含量越高平衡濃度越小[15]。本研究中菠蘿蜜種子淀粉平衡濃度比大米淀粉、玉米淀粉和木薯淀粉低，比馬鈴薯淀粉高的原因是菠蘿蜜種子淀粉抗性淀粉含量高于玉米淀粉、木薯淀粉和大米淀粉，低于馬鈴薯淀粉。大米淀粉經擬合后，酶解曲線的平衡濃度超過1，可能是由于在0～180 min內水解率高，一級反應動力學速率過快。消化速率的結果差異可能是由于淀粉結晶區無定形區排列，晶型、表面顆粒形貌、顆粒尺寸不同所致。菠蘿蜜種子淀粉比大米淀粉和玉米淀粉酶解速率慢可能是由于菠蘿蜜種子淀粉比大米淀粉和玉米淀粉顆粒小，表面光滑，結晶區無定形區排列整齊，不利于酶的作用。由此說明菠蘿蜜種子淀粉在體外消化過程中比大米淀粉和玉米淀粉更慢達到平衡濃度。菠蘿蜜種子淀粉平衡濃度低，消化性差，此結果與2.1測定結果相一致。

繆銘[29]報道了Englyst定義的快速消化淀粉、慢消化淀粉和快速消化淀粉只是一個概念，無法準確反映淀粉在體內的血糖應答。Shumoy等[30]報道了采用淀粉的體外酶解法可以模擬淀粉體內的消化特性，估算食物在體內產生新陳代謝引起的血糖反應。Schwingshackl[31]報道了淀粉的消化和吸收的速率決定了淀粉餐后的代謝速率。雖然酶解動力學和酶解速率表明菠蘿蜜種子淀粉水解率低，消化性能較差。但根據前人的報道[30-31]，菠蘿蜜種子淀粉還有可能導致體內酶解產生的血糖少，在體內引起的新陳代謝速率慢、餐后血糖應答低。根據Go?i等[18]的報道，可利用體外消化方程模擬體內消化過程和餐后血糖指數。因此本試驗利用不同淀粉酶解的預測動力學模型曲線推算血糖指數，進一步分析菠蘿蜜種子淀粉的酶解指數和血糖值。

鐘耕等[32]報道了以白面包GI值100為標準，以0～100為范圍為食物劃分血糖等級，GI值高于70為高血糖食物，59～69為中等血糖食物，低于55為低血糖食物。血糖指數與淀粉在小腸中的消化率有關，是基于定量的糖類引起的血糖應答的增加，小腸中消化率越高，血糖值越高[33]。GI值和HI值有良好的相關性，GI值增大，HI值也隨之增大，能很好地預測淀粉的餐后血糖應答[15]。本研究中，菠蘿蜜種子淀粉GI值和HI值低于大米淀粉、玉米淀粉和木薯淀粉，高于馬鈴薯淀粉，是由于菠蘿蜜種子淀粉消化率低于大米淀粉、玉米淀粉和木薯淀粉，比馬鈴薯淀粉高。本研究中，大米淀粉、玉米淀粉和馬鈴薯淀粉的HI值和GI值與文獻報道的結果相似[29，34]。對比本研究中其他A型結晶結構的參考淀粉，菠蘿蜜種子淀粉血糖值相對較低，與2.1和2.2的結論相一致。

4 結論

菠蘿蜜種子淀粉屬A型結晶結構淀粉，抗性淀粉含量遠高于其他谷物淀粉，是抗性淀粉的良好來源。經動力學曲線擬合后發現菠蘿蜜種子淀粉在0～90 min時水解率高，在90～180 min時呈緩慢上升趨勢趨于平衡濃度。經過一級反應動力學方程推算，菠蘿蜜種子淀粉比大米淀粉、玉米淀粉更快達到平衡濃度。菠蘿蜜種子淀粉平衡濃度和酶解指數比木薯淀粉、大米淀粉和玉米淀粉低，說明其水解緩慢，抗酶解能力強，消化率低，推測經腸道消化后可產生低血糖應答。菠蘿蜜種子淀粉的血糖指數屬于中等血糖指數食物。相比于其他谷物淀粉，菠蘿蜜種子淀粉在人體腸道中消化緩慢，釋放血糖速率慢，體內代謝產生的血糖值低，屬于中等血糖應答淀粉。

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