蠶豆淀粉與其抗性淀粉理化性質的比較

李一博,馮 進,李春陽,*,侯萬偉,劉玉皎,*

(1.江蘇省農業科學院農產品加工研究所,江蘇南京 210014;2.哈爾濱商業大學食品工程學院,黑龍江哈爾濱 150076;3.青海省農林科學院,青海西寧 810000)

蠶豆,又稱南豆、佛豆等,一年生豆科植物,營養豐富。在蠶豆中,淀粉約占總體的40%～50%,當中存在37%～47%的直鏈淀粉[1];蛋白質高達30%左右[2],僅次于大豆,有8種人體必需氨基酸;脂肪中飽和和不飽和脂肪酸分別約有80%、12%以上;此外,還有少量的維生素及礦物質。蠶豆中還有一些生理活性物質,如類黃酮、原花色素、活性蛋白和活性肽及一些抗營養因子[3-4],有降低膽固醇與血脂、改善血糖、控制與防止過飽等功能[3]。蠶豆可作為糧食和經濟作物,由于不斷的研究與開發,也逐漸成為了一些食品加工的原材料,我國關于蠶豆的加工品質應用還比較薄弱,對蠶豆各種淀粉方面的報道研究較少[5]。

Englyst等[6]和Berry等[7]發現了抗性淀粉(Resistant Starch,RS),它不能在小腸內分解,卻最終在大腸中被微生物發酵而消化,因其特性而具有與其他物質不同的生理功效和加工特性[8]。據其來源和抗酶解性的不同可將其分為4類[9]:RS1、RS2、RS3、RS4[[10-11]。抗性淀粉因具有產熱低、易促進消化等功效,所以能很好的降低血糖與血脂;因能調節腸道中的有益菌群數量和腸道內酸值,所以能有效的預防腸道疾病的發生,改變維生素和礦物質的吸收[12-14];因其有與淀粉相類似的理化性質,同時兼有上述各種生理功能,可發展為像添加劑一類的成分加入到食品中,改變食品的營養成分和保健價值[15]。

抗性淀粉形成的原理通常是在制備過程中使淀粉分子結構發生變化,部分鏈長度減短,使其晶型結構被改變,產生抗消化作用。制備方法一般采用壓熱法、脫支及其他方法等[16]。在對馬鈴薯和玉米抗性淀粉理化性質研究中得出,其持水性較差,糊化溫度、耐酸性明顯優于普通淀粉,抗酶解性強[17]。章麗琳等[18]人研究發現馬鈴薯淀粉制備抗性淀粉前后的分子晶型由A型轉變為B型,且整體結晶度上升。王娟等[19]人利用壓熱法制備RS3型小麥抗性淀粉,研究分析其部分理化性質,結果表明,抗性淀粉的透光率較好,持水力、溶解度和膨脹度均隨水浴加熱溫度的增加而增大。潘元風等[5]人曾選取4種高產優質蠶豆品種,對其淀粉的部分理化性質進行了分析研究。目前,國內外研究人員研究一些作物抗性淀粉的基本性質及其結構較多,但對蠶豆淀粉及其抗性淀粉研究較少,本試驗以蠶豆為原料制備抗性淀粉[20],著重研究蠶豆淀粉及其抗性淀粉的結構特征、熱特性、和一些基本的理化性質,為蠶豆淀粉或蠶豆抗性淀粉以后的深度開發奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蠶豆2005-00 由青海省農林科學院提供;胃蛋白酶(1200 U)、耐熱α-淀粉酶(20000 U)、葡萄糖淀粉酶(100000 U) 蘇州美高美生物科技有限公司;氫氧化鈣、氫氧化鈉、鹽酸、氯化鉀、氫氧化鉀 國藥集團化學試劑有限公司。

LDZX-50KBS立式壓力滅汽滅菌鍋 上海申安醫療器械廠;MS-100粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司;LXJ-IIB離心機 上海安亭科學儀器廠;DKE-450B型電熱恒溫振蕩水槽 上海森信實驗儀器有限公司;DGG-9140A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海森信實驗儀器有限公司;FE28 pH計 上海梅特勒-托利多儀器有限公司;EVO-LS10掃描電子顯微鏡-ZX-01 德國Zeiss公司;NICOLET IS50傅里葉變換紅外光譜儀-ZX-27 美國Thermo公司;Q20差示掃描量熱儀-ZX-25 美國TA儀器有限公司;D2 PHASER X-射線衍射儀 德國Bruker公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品的制備

1.2.1.1 蠶豆淀粉制備 取質量佳、無蟲害的蠶豆,粉碎,過100目篩,于pH為10的Ca(OH)2溶液中浸泡1.5 h,每隔15 min攪拌一次;溶液過100目,洗滌過濾后的濾渣,重復3次,合并全部濾液;濾液再過200目,并洗滌濾布和濾渣,收集上述所有濾液,離心(4000 r/min,15 min)4次,直至上層清液無渾濁和雜質,取出沉降物置于鼓風干燥箱中,40 ℃下干燥48 h以上,粉碎過200目篩,得到蠶豆淀粉,待用[21]。

1.2.1.2 蠶豆抗性淀粉制備 參考潘元風等[21]方法,取上述制備好的蠶豆淀粉,加水配置成濃度為30%的淀粉乳液,放入高壓滅菌鍋中,于121 ℃下處理40 min,取出后冷卻至室溫左右,并將其置于4 ℃下24 h,后于95 ℃烘箱中完全干燥,粉碎過100目篩,得到粗蠶豆抗性淀粉,待用。

1.2.1.3 蠶豆抗性淀粉的純化 取制備好的粗蠶豆抗性淀粉,分別用胃蛋白酶處理、耐高溫α-淀粉酶處理、葡萄糖淀粉酶處理[22],4000 r/min離心15 min、水洗,4次以上,取沉淀于40 ℃下烘干,粉碎過100目篩,得到純化后的蠶豆抗性淀粉待用。

1.2.2 溶解度和膨脹度的測定 取質量為m0的樣品(蠶豆淀粉和抗性淀粉,下同)倒入質量m1的離心管,加水使乳液的濃度為10 mg/mL,分別在40、50、60、70、80 ℃的溫度下不斷攪拌,30 min后取出,冷卻至室溫,3000 r/min離心30 min,將上清液蒸干剩余少許水分并在105 ℃下干燥直至重量不變并稱量,記為m3,最后剩余沉淀物和離心管記為m4,按式(1)、式(2)計算溶解度和膨脹度[23]。

式(1)

式(2)

1.2.3 透明度分析 配置濃度為1%的兩種淀粉乳,并將淀粉乳在95 ℃以上的溫度中水浴連續加熱和攪拌,30 min后冷卻至室溫,觀察原體積是否有變化,若有,則加水至原體積刻度,以水做空白試驗,用紫外分光光度計在620 nm波長下測定透光率[24]。通常用透光率來反映樣品透明度,其數值越高,表明樣品的透明度越好。

1.2.4 持水力的分析 取適量質量為m0的樣品于質量為m1離心管中,加入20 mL水,分別在40、50、60、70、80 ℃的溫度下水浴加熱并每隔5 min振蕩1次,15 min后離心,3000 r/min離心15～20 min,棄去上清液質量,剩余沉淀物和離心管質量記為m2,根據式(3)計算持水力[25]。

式(3)

1.2.5 平均聚合度分析 將50 mg樣品置于50 mL容量瓶中,加入10 mL 90%二甲基亞砜溶液,在60 ℃下水浴中分散,10 min后取出立即冷卻,加水定容得到1 mg/mL溶液。向另一個50 mL容量瓶中加入2 mL該溶液,分別加入水和碘試劑25 mL、1 mL,定容,搖勻后顯色10 min,實驗中用水做空白對照。用紫外分光光度計在500～800 nm波長下測定其變化[26]。淀粉是不同分子量的混合物,因此使用平均聚合度(DP)。根據Banks[27]公式(4)進行計算。

式(4)

1.2.6 電子掃描顯微鏡觀察 取實驗專用膠于樣品座上,將干燥處理好的樣品粘在膠上進行噴金固定,然后放進掃描電鏡中觀察,在不同放大倍數下拍攝清晰的圖片[28]。

1.2.7 X-射線衍射分析 取200目的研磨樣品送入樣品架,設置參數后進行掃描。測量條件如下:采用Cu-ka靶,石墨單色器,Ni濾波,加速電壓40 KV,電流30 mA,測量角度2θ=5～80°,步寬2θ=0.02°,掃描速度2 °/min,并運用相關軟件得出結晶度。

1.2.8 紅外光譜掃描 取少許質量的純溴化鉀藥品置于研缽中研磨一段時間后,再加入微量樣品繼續研磨,把研磨好的混合物壓片,在400～4000 cm-1波數之間進行掃描。

1.2.9 差示掃描量熱分析 取適量干燥樣品,加入1∶2 (w/w)的雙蒸水,壓片,密封后于4 ℃下平衡12 h,以空鋁盒為參照,加熱速度10 ℃/min,測量范圍20～180 ℃,載氣氮流速50 mL/min,分別測定起始To、峰值Tp和終止Tc溫度及糊化焓ΔH的值。

1.3 數據處理

所有數據均來自三個平行實驗的平均值。顯著性差異檢驗使用 Least Significant Difference(LSD)檢驗法,顯著水平為P<0.05。

2 結果與分析

2.1 基本物理性質分析

2.1.1 蠶豆淀粉及其抗性淀粉溶解度和膨潤度分析 蠶豆淀粉及其抗性淀粉的溶解度和膨潤度如圖1所示。在40～80 ℃范圍內,升高溫度,淀粉和抗性淀粉的溶解度和膨潤度均增加。在同一溫度時,淀粉的溶解度較抗性淀粉高,這是因為后者在回生時直鏈淀粉脫離淀粉,支鏈淀粉降解,淀粉乳液中直鏈淀粉數量增多,繼而排列締合,最后形成緊密堅固的結構[29],這種結構使抗性淀粉溶解度減小;當溫度小于60 ℃時,抗性淀粉比淀粉具有更好的膨潤度,但是在60 ℃之后,淀粉優于抗性淀粉。這是由于在糊化過程中,淀粉達到糊化溫度后,開始大量吸收水分,溫度越高,吸水能力越強;但抗性淀粉中直鏈淀粉含量多,最初吸水能力強,但隨著溫度的增加卻始終達不到糊化溫度,高溫不能破壞其緊密的結構,最后而不能充分的吸收水分,所以膨潤度變化緩慢。

圖1 蠶豆淀粉與抗性淀粉的溶解度(A)及膨潤度(B)變化

2.1.2 蠶豆淀粉及其抗性淀粉透光度分析 蠶豆淀粉及其抗性淀粉的透光率如圖2所示,淀粉糊化后的抗性淀粉其透光性影響著后續產品加工與應用,淀粉的透明度約是其抗性淀粉的4倍,這可能是抗性淀粉中直鏈淀粉分子增加相互締合,增加了光線的散射,而使透明度下降[30]。

圖2 蠶豆淀粉與抗性淀粉的透光率

2.1.3 蠶豆淀粉及其抗性淀粉持水性分析 蠶豆淀粉及其抗性淀粉的持水性如圖3所示。在40～80 ℃范圍內升高溫度,淀粉和抗性淀粉的持水性均逐漸增加。然而,淀粉的變化相對更明顯,但抗性淀粉的持水性一直高于淀粉。邵秀芝等[31]對小麥淀粉及其抗性淀粉進行了測定和分析,結果相似。這可能是由于在制備抗性淀粉的過程中,原淀粉中直鏈淀粉分子增加,且相應結構上的親水性羥基數量也增加,吸水能力更強,糊化后的淀粉分子重新聚集成結晶結構,而出現多孔狀結構[32],使其充分吸水。

圖3 蠶豆淀粉與抗性淀粉的持水性

2.1.4 蠶豆淀粉及其抗性淀粉平均聚合度分析 蠶豆淀粉及其抗性淀粉的紫外掃描光譜圖和分子聚合度情況如圖4、表1所示。直鏈淀粉遇碘變色,這種變色后的化合物對淀粉鏈長度與分子聚合度的研究十分可靠,直鏈淀粉在620～680 mn波長下出現強吸收,支鏈淀粉在520～560 nm波長下出現強吸收[33],強吸收峰對應的波長或所在范圍與淀粉分子量有關,因而可以體現抗性淀粉的分子特征[34]。抗性淀粉在588 nm處出現最大吸收,而淀粉則出現在626 nm,因為聚合度與淀粉的吸收峰相關,所以淀粉的平均聚合度(DP值)大。抗性淀粉對碘的吸收曲線圖在550～650 nm之間吸收峰較寬,并且位于支鏈和直鏈淀粉的吸收峰范圍內。然而,它是稍偏向直鏈淀粉,可以推斷抗性淀粉中存在更多的直鏈淀粉分子。這也解釋了在高壓釜中制備時,高溫和高壓破壞了部分直鏈淀粉分子,并且支鏈淀粉再轉化為直鏈淀粉,因此聚合度較小。

圖4 蠶豆淀粉與抗性淀粉的紫外掃描光譜圖

表1 蠶豆淀粉及抗性淀粉的平均聚合度

2.2 表觀形貌分析

蠶豆淀粉及其抗性淀粉的掃描電子顯微圖如圖5所示。淀粉顆粒相對完整,外貌光滑,多為橢球形;經壓熱處理制備成抗性淀粉后,其樣貌和形態發生了顯著性改變,抗性淀粉主要為不規則或多邊形塊狀,表面粗糙褶皺,尺寸縮小。這種結構變化的原因可能是制備時經高溫和高壓,淀粉糊化導致顆粒結構破裂并且直鏈淀粉溶解。回生后,直鏈淀粉通過氫鍵和范德華力重新聚集成非常穩定的結構[35]。而粗抗性淀粉經純化后,其中可溶性淀粉被酶水解,并且形狀不規則、外觀無光澤[36]。

圖5 蠶豆淀粉(A)與抗性淀粉(B)的電子掃描顯微鏡圖(500×)

2.3 晶形結構分析

蠶豆淀粉及其抗性淀粉的X射線衍射圖如圖6所示。X-射線衍射普遍用于分析和固體,該方法主要研究淀粉結晶類型和晶型變化。淀粉通常分為結晶區和非晶區,根據它們的衍射圖案大致分為四種晶型:A、B、C和V型。A型淀粉的衍射角約在15°、17°、18°和23°出現;B型淀粉的衍射角約在5.6°、17°、22°和24°;C型(A和B晶體的混合)在5.7°、15°、17°和23°的衍射角下顯示出強烈的衍射峰;V型淀粉則在衍射角度7.4°、13°和20°出現[37]。

圖6 蠶豆淀粉(A)與抗性淀粉(B)的X衍射分析圖

從圖6和數據分析可知,淀粉在15.08°、16.78°、17.97°和22.82°處具有強衍射峰,屬于A型淀粉,整體結晶度為10.3%;而抗性淀粉在5.33°、15.06°、17.06°和23.16°出現強的衍射峰,屬于C型淀粉[37],整體結晶度為11.7%。結果表明經壓熱處理后淀粉的結晶結構有所改變,可以推測有形成新的特征峰或有一部分特征峰消失,抗性淀粉在5.56°時出現了與淀粉不同的兩個特征峰,且整體結晶度上升,表明在淀粉分子在制備抗性淀粉之前和之后重新形成了緊密結構。

2.4 紅外光譜分析

蠶豆淀粉及其抗性淀粉的紅外光譜如圖7所示。兩種淀粉的紅外光譜曲線基本相似,一些特征吸收峰也相同,例如一些-OH、-CH、C=O基團的伸縮振動等。表明淀粉經壓熱前后未生成新的化學價鍵,這與鄔應龍等[32]研究一致。根據文獻[38-39]對兩種淀粉進行分析,淀粉與其抗性淀粉的吸收峰分別在3290、3360 cm-1處出現,屬于-OH的伸縮振動;在2980、2920 cm-1處出現飽和-CH伸縮振動;在(1770、1720)、1780 cm-1處出現醛基C=O伸縮振動吸收峰;CH3的對稱和非對稱彎曲在1480、1480 cm-1出現振動吸收峰;在(1180、1130)、1180 cm-1出現吸收峰,為C-O-C的伸縮振動;D型吡喃葡萄糖的I型吸收帶,波數為994、996cm-1;D-吡喃葡萄糖的α型吸收帶再次出現在波數(878、820)cm-1,(874、821)cm-1處。制備后的抗性淀粉,其-OH伸縮振動峰強度變大且峰形變寬,且吸收峰的波數變高,表明在制備過程中有氫鍵的斷裂和生成。此外,淀粉在994 cm-1處的吸收峰值低于抗性淀粉的吸收峰值,表明淀粉高壓處理后D-吡喃葡萄糖的I型吸收減弱。

圖7 蠶豆淀粉(A)與抗性淀粉(B)的紅外光譜掃描圖

2.5 熱力學性質分析

蠶豆淀粉及其抗性淀粉的DSC曲線及熱特性見圖8和表2。二種淀粉的熱特性圖發生了明顯的改變,抗性淀粉的初始、峰值、終止糊化溫度和糊化焓ΔH均比淀粉大。淀粉在60～70 ℃之間出現吸熱峰,而抗性淀粉在145～155 ℃之間出現吸熱峰。這可能是因為在淀粉高壓滅菌后,直鏈淀粉分子與其他分子相互作用并被定向和排序以形成緊密且牢固的結構。李光磊等[40]比較了三種作物吸熱情況,結果表明淀粉在70 ℃附近有吸收峰,抗性淀粉約為150 ℃。這表明與淀粉不同,抗性淀粉的晶體發生本質變化。淀粉的糊化溫度為65.84 ℃,糊化焓為10.78 J/g,抗性淀粉的糊化溫度高于淀粉,為151.19 ℃,糊化焓為41.52 J/g。兩種淀粉的糊化溫度相比,淀粉高于抗性淀粉,因為抗性淀粉中的直鏈淀粉結合形成致密的晶體結構,導致破壞該晶體結構需要更高的溫度[41]。

圖8 蠶豆淀粉(A)與抗性淀粉(B)的DSC曲線

表2 蠶豆淀粉與抗性淀粉熱特性指標

3 結論

蠶豆淀粉的溶解度、膨潤度、透明度均優于其抗性淀粉,但其持水性沒有抗性淀粉好,且平均聚合度小于淀粉;蠶豆淀粉顆粒完整,外貌較為光滑,大部分為大小不同的橢球形,而經壓熱處理制備成抗性淀粉后,為不規則形或多邊形塊狀堆積態,表面粗糙并褶皺,整體變小;壓熱前后淀粉晶型結構改變且潔凈度變大;無發生化學變化;蠶豆淀粉及其抗性淀粉二者相比吸熱曲線發生了較大的改變,抗性淀粉的起始、峰值、終止糊化溫度和糊化焓均比淀粉大。蠶豆淀粉及其抗性淀粉的理化性質上都有一定的優勢存在,淀粉經過壓熱后制備成抗性淀粉,一些理化性質得到改善,增加了其應用范圍,可應用于飲料制品、乳制品、食品添加劑等領域的應用。