不同晶體類型藥食兩用植物淀粉粒結構及體外消化研究

敖志超，馬玉琦，張立然，蔡金文，滿建民*

1(貴州大學 生命科學學院/農業生物工程研究院, 山地植物資源保護與保護種質創新教育部重點實驗室, 山地生態與農業生物工程協同創新中心, 貴州 貴陽 550025)2(江蘇菌鑰生命科技發展有限公司，江蘇 鹽城，224100)

淀粉是由葡萄糖分子通過糖苷鍵聚合形成的大分子化合物，包括線性結構的直鏈淀粉和大量分支結構的支鏈淀粉，分子間以氫鍵相互締合并最終組裝形成半晶體顆粒結構。按照X射線衍射圖譜，可以將淀粉粒的晶體結構類型分為A、B和C型，不同晶體類型的淀粉粒結構與功能差異明顯，其中A型晶體主要分布在禾谷類作物的種子中，B型晶體主要分布在植物塊莖和高直鏈作物種子中，C型晶體由A、B型晶體組成，主要分布在豆類和薯蕷類植物的根狀莖中，C型晶體中的A型和B型晶體含量不同，其波譜也不同，可進一步分為C型、CA型(以A型晶體為主)和CB型(以B型晶體為主)[1-3]。近年來，富含淀粉的藥食兩用植物的使用在功能食品開發中日益增長，其淀粉在功能性食品的加工性能、口感、營養特性中發揮著重要作用。由于多數藥食兩用植物淀粉資源產量受限，不適合大規模工業應用，但在功能食品、食品添加劑、醫藥輔料等方向有較大應用潛力。可以根據藥食兩用植物淀粉的特殊性質開發成功能食品，提高其應用價值。因此，必須對不同來源藥食兩用植物淀粉粒性質進行表征，為各行業的需求提供參考。

天然淀粉的結構和組成差異決定了它們的性質。淀粉粒在形態、直鏈淀粉含量和相對結晶度上的差異對淀粉的粒度分布、熱力學、糊化特性和消化特性有顯著影響，因此，淀粉粒的結構參數可以預測其理化性質[4]。PARK等[5]發現B型淀粉顆粒對面包質量產生負面影響，但對面條的性質有積極影響。凍融對A型淀粉顆粒表面無明顯損傷，但會引起B型淀粉顆粒表面裂紋的形成。另外，與A型淀粉相比，B型淀粉對冷凍/解凍更為敏感，有利于面團向面包轉化。因而可以通過增加A型淀粉粒的含量來改善冷凍面包的品質[6]。蓮藕中的C型小淀粉粒能顯著提高散射峰強度、溶解度、糊化溫度、黏度系數、水解度和消化率；并降低短距有序參數和流變指數[7]。玉米淀粉和預膠化淀粉的共加工混合物，促進了粉末物質崩解成初級藥物顆粒并加快藥物的溶解速率，在人體消化道內快速分解。此外，淀粉還能保護生物活性物質免受熱或氧化降解以及加工過程中的不良環境條件的影響[8]。

因此，對不同晶體類型淀粉粒的特征進行研究有助于加強對淀粉特性的理解。近年來，研究開始傾向于新的淀粉來源，而富含淀粉藥食兩用植物的使用在功能食品開發中日益增長，為傳統淀粉尋找到了優良的替代品?；谶@種背景，本研究對6種富含淀粉的藥食兩用植物進行了研究：薏苡(Coixlacryma-jobiL.var.mayuen(Roman.)Stapf);芡實(Euryaleferox);百合(Liliumbrowniivar.viridulum);貝母(Fritillaria);山藥(DioscoreaoppositifoliaL.);葛粉(Puerarialobata(Willd.)Ohwivar.thomsonii(Benth) Vaniot der Maesen, kudzu)，并對其晶體類型、淀粉形態、粒度分布、直鏈淀粉含量、膨脹力、溶解度和功能特性進行了分析和比較。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

山藥采購于貴陽花溪；葛根購于廣西藤縣；芡實、貝母購于江蘇鹽城；薏苡仁購于貴州興仁；百合購于甘肅白銀。玉米支鏈淀粉、馬鈴薯直鏈淀粉、豬胰腺α-淀粉酶、淀粉葡萄糖苷酶，Sigma公司；NaCl、乙酸鈉緩沖液、乙醇，天津市科密歐化學試劑有限公司。所用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

BX53光學顯微鏡，Olympus公司；Bettersize2600激光粒度分析儀，丹東百特儀器有限公司；Empyrean銳影X射線衍射儀，荷蘭帕納科公司；NicoletiS50傅立葉變換紅外光譜分析儀，賽默飛世爾科技有限公司；Q2000差示掃描量熱儀，美國TA公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 淀粉粒提取

薏仁、芡實和貝母用水浸泡過夜，百合、山藥和葛根切成小塊。榨汁機磨漿，加水攪拌，用4層紗布過濾，然后將濾液分別過100、200、300、400目篩，收集濾液，5 000 r/min離心10 min，獲得沉淀。沉淀經ddH20懸浮，再離心。刮除表面雜質，反復幾次，直到上清液澄清為止。沉淀在40 ℃下干燥2 d，研磨，過100目篩，-20 ℃密封保存備用。

1.3.2 X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)分析

參考MAN等[9]方法，稍作修改，測試前淀粉置于盛有飽和NaCl水溶液的密閉容器中吸水1周。測試條件：電壓45 kV，電流40 mA，衍射角(2θ)5°～40°，掃描速度1.2°/min，步長0.02°。

1.3.3 淀粉顆粒的形態觀察

用體積分數50%甘油水溶液制備淀粉懸浮液，用配備有電荷耦合器件(charge coupled device，CCD)照相機的Olympus BX53光學顯微鏡觀察淀粉粒的形貌特征。

1.3.4 粒度分布測定

淀粉顆粒粒度分布采用Bettersiz2600激光粒度分布儀進行測定，通過自動循環分散系統將樣品輸送到激光粒度儀的測定區域，分散劑采用蒸餾水，根據Mie散射原理對散射光產生的電信號進行處理，得到所測樣品的粒度分布結果。

1.3.5 碘藍值和直鏈淀粉含量的測量

參考MAN等[9]方法，稍作修改，稱取10 mg淀粉置于10 mL帶蓋離心管中，加入5 mL二甲基亞砜溶液，混勻，95 ℃水浴0.5 h，期間不時渦旋以得到澄清溶液。冷卻至室溫，取1 mL淀粉溶液轉移至50 mL容量瓶中，加入1 mL碘液(2 g/L I2，20 g/L KI)，定容并搖勻，暗處靜置20 min。使用7600SE型紫外分光光度計測定掃描吸收光譜(400～900 nm)并測定680 nm下的碘藍值，測定620 nm處的吸光度值，并依據標準曲線計算直鏈淀粉含量，使用玉米支鏈淀粉、馬鈴薯直鏈淀粉制作標準曲線。

1.3.6 溶脹力(swelling power,SP)和溶解度(solubility,SOL)測定

參考KONIK-ROSE等[10]方法，稍作修改，將淀粉樣品(30 mg)和蒸餾水(1.5 mL)混合，然后在95 ℃的水浴中保持30 min，間歇攪拌，冷卻至室溫。8 000×g離心10 min，將上清液在105 ℃下干燥至恒重，然后稱重沉淀物。淀粉溶脹力計算為溶脹淀粉質量與淀粉初始干重之比。以干燥恒重的上清液與淀粉的質量比來計算溶解度。

1.3.7 衰減全反射傅里葉紅外光譜(attenuated total reflection-Fourier infrared spectroscopy，ATR-FTIR)測定

參考MAN等[9]方法，稍作修改，取少量干燥淀粉懸浮于超純水中調制成乳狀，吸取少量到傅里葉變換遠紅外光譜儀的ATR樣品臺上，以超純水為參照從波數800～4 000 cm-1進行掃描，得到淀粉的解卷積光譜。統計1 045、1 022、995 cm-1峰的強度，同時計算1 045/1 022、1 022/995的比值。

1.3.8 差示掃描量熱(differential scanning calorimetry，DSC)分析

參考MAN等[9]方法，稍作修改，將3 mg淀粉與9 μL超純水混合，并在鋁鍋中于4 ℃密封過夜。在室溫下平衡1 h后，將樣品在25～130 ℃的加熱溫度下以10 ℃/min的速度用空白板(空鍋)掃描。主要測定參數為起始溫度(To)，峰值溫度(Tp)，最終溫度(Tc)和糊化焓(ΔH)。

1.3.9 體外消化率測定

參考ENGLYST等[11]的方法，稍作修改。稱取豬胰腺α-淀粉酶(0.45 g)至4 mL水中，通過水浴振蕩(35 ℃，200 次/min)溶解20 min，然后以9 000 r/min離心10 min。將上清液(2.7 mL)轉移至燒杯中，并將淀粉葡萄糖苷酶(4 mL)加入上述酶溶液中，該酶溶液為每次消化新鮮制備。將淀粉(100 mg)和4 mL 0.5 mol/L乙酸鈉緩沖液(pH 5.2)添加到每個試管中。將酶溶液(1 mL)和玻璃珠加入到每個管中，將其在水浴振蕩(37 ℃，200 次/min)中孵育。以20、120 min的間隔取等分試樣(0.1 mL)，并與1 mL的80%乙醇混合使酶失活，并使用3,5-二硝基水楊酸(3,5-dinitrosalicylic acid，DNS)方法測量上清液中葡萄糖含量。計算方法如公式(1)～(3)所示：

RDS/%=G20

(1)

SDS/%=G120-G20

(2)

RS/%=100%-RDS-SDS

(3)

式中：RDS，快消化淀粉；SDS，緩慢消化淀粉；RS，抗性淀粉；G20，前20 min消化的淀粉含量；G120，20～120 min內消化的淀粉含量。

1.4 數據分析

每組實驗重復3次。數據以平均值±標準差的形式表示，采用Origin 19.0軟件作圖，采用SPSS 26進行數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 晶體結構分析

XRD圖譜可用于揭示淀粉顆粒的晶體結構特征。衍射特征峰的位置和強度可用于確定淀粉樣品的晶體類型。在2θ值分別為15°、17°、18°、23°處具有明顯衍射峰的樣品屬于A型晶體結構，而在5.6°、17°、22°、24°處具有明顯衍射峰的樣品屬于B型晶體結構。C型晶體的結構結合了A和B晶體的特性，典型的C型結晶淀粉在17°和23°處顯示強衍射峰，在5.6°和15°附近顯示一些小峰[1-3]。如圖1所示，淀粉粒的晶體特征表現出一定差異，其中薏仁、芡實淀粉在15°、17°、18°、23°處具有明顯的衍射峰，屬于A型晶體結構[1-3]。百合、貝母淀粉在5.6°、17°、22°、24°處具有明顯的衍射峰，屬于B型晶體結構[1-3]。山藥和葛根淀粉在5.6°、15°、17°、22°處有明顯的衍射峰，具有A型和B型淀粉的組合特征，因此屬于C型晶體結構[1-3]。淀粉XRD波譜20°附近的峰為直鏈淀粉與脂的無定形峰[1]，該峰在幾種淀粉中都存在，但峰強度變化不大，說明直鏈淀粉與脂在不同晶體類型的淀粉中含量不同。從幾種淀粉的XRD圖譜可以看出B型淀粉在20°附近的峰強度變化最明顯，說明有較高的直鏈-脂類復合物。

圖1 淀粉粒的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of starch granules

2.2 淀粉顆粒的形態特征

如圖2所示，不同晶體類型藥食兩用植物淀粉為近球形，橢球形和多角形。其中薏仁淀粉粒為典型的橢球形和多角形；芡實淀粉顆粒多呈橢球形或近球形；百合淀粉粒多具有不規則的多角形，某些顆粒為近球形；貝母淀粉顆粒多呈橢球形；山藥淀粉粒除兩端長且大小不同的扁平顆粒外，幾乎都是橢球形或多角形；葛根淀粉粒多為不規則多角形。A型淀粉(芡實，薏仁)以小顆粒存在，B型淀粉(貝母，百合)幾乎以大顆粒為主，C型淀粉中山藥基本以中等顆粒存在，葛根淀粉粒則以小顆粒為主。淀粉顆粒的大小和形態顯著影響淀粉的理化特性[12]。在本研究中，薏仁淀粉粒碘染色后表現出不同的特征，這可能受到多種因素的影響。一種因素是本實驗所用薏仁直接從農戶手中購買，薏苡在不斷栽培過程中發生遺傳性狀變異，導致其同一或不同籽粒中組分特性發生不同的變化。另一因素可能受到了籽粒粒位分布的影響，對同一薏苡植株而言，在灌漿過程中，其穎花分化存在先后順序，其籽粒的灌漿發育過程也不同步，不同部位的籽粒在奪取灌漿物質的能力方面也會具有一定差異[13]。先前研究也有報道，淀粉粒特性在作物生長過程中受灌漿進程、遺傳因素、生態因子、栽培措施的影響[14]。薏仁淀粉粒的這種特異性可能受這些因素的影響，但還須進一步研究屬于類似種屬或不同種類的淀粉顆粒的形態差異。

A～F為未染色薏仁、芡實、貝母、百合、山藥、葛根淀粉粒；a～f為其對應碘染色淀粉粒圖2 淀粉粒形態特征圖Fig.2 Morphological characteristics of starch granules

2.3 淀粉的粒度分布

淀粉粒度對食品加工過程非常重要，其差異會顯著影響淀粉的理化性質，例如糊化、熱性質、酶敏感性、結晶度和溶解度，這些理化性質的差異會使食品在加工過程中導致不同的結果[15]。淀粉粒度分布的研究揭示了淀粉質量差異的內在原因。淀粉的大小通常用顆粒長軸長度表示。尺寸<10 μm，10～30 μm以及>30 μm的顆粒分別稱為小、中、大顆粒。不同晶體類型淀粉顆粒的粒度分布明顯不同(表1)，本研究中，不同晶體類型的淀粉粒數量平均直徑D(1，0)在0.77～1.17 μm。A型(薏仁、芡實)，B型(貝母、百合)，C型(山藥、葛根)淀粉顆粒大小與顯微觀察的結果一致。此結果可用于識別淀粉的來源和類型，并闡明淀粉質量差異的內在原因。

表1 淀粉粒粒度分布Table 1 Particle size distribution of starch granules

2.4 直鏈淀粉含量

表2顯示了淀粉直鏈淀粉含量(amylose content，AC)，最大吸收波長(λmax)，相對結晶度(relative crystallinity，RC)，碘藍值(blue value，BV)。淀粉的AC、λmax和BV之間具有顯著的正相關關系。λmax和BV，λmax和AC，BV和AC之間的相關系數分別為0.442、0.492和0.805。幾種不同晶體類型淀粉的λmax差異顯著，碘藍值顯示B型>C型>A型。直鏈淀粉含量是淀粉各特性的重要指標，顯著影響淀粉的結構和功能特性，例如溶脹力、溶解度、黏度、糊化和回生[16]。而植物的成熟度、氣候條件、土壤成分和植物來源顯著影響淀粉的直鏈淀粉含量。不同晶體類型淀粉直鏈淀粉含量總體趨勢為B型>C型>A型，這與碘藍值結果一致。結果表明，不同晶體類型淀粉直鏈淀粉含量的多少與相對結晶度的大小呈現較好的反向關系，說明淀粉直鏈淀粉含量與相對結晶度有一定的關聯性。

表2 AC，λmax, RC，BV, SP和SOLTable 2 AC, λmax，RC, BV, SP and SOL of starch granules

2.5 溶脹力和溶解度

溶脹力表明淀粉顆粒的吸水程度，溶解度則反映淀粉溶脹過程中的溶解程度[17]。在分離的淀粉中，淀粉粒的溶脹力和溶解度存在顯著差異(表2)。分離淀粉的溶脹力表現為B型>C型>A型。幾種淀粉粒的溶脹力和溶解度均隨溫度的升高而增加。溶脹力測試用于測量淀粉糊化過程中水的吸收，研究表明，支鏈淀粉有助于水的吸收和溶脹，以及淀粉粒的糊化，而直鏈淀粉則傾向于延遲這些過程[18]。線性直鏈淀粉從溶脹的顆粒擴散并在顆粒外部形成連續相以抑制膨脹。另外有研究發現直鏈淀粉含量與溶脹力之間存在反比關系[19]。但在本研究中直鏈淀粉含量高的淀粉卻呈現較高的溶脹力，與先前研究結果相反，結果之間的差異可能受植物的來源、氣候條件、植物成熟度和土壤成分的影響。

通常，淀粉粒的溶解度與可溶性顆粒的存在有關，表示淀粉固體在水溶液中溶解或分散的能力[18]。溫度是影響溶解度特性的最大因素，而且淀粉的溶解度隨著溫度的升高而增加，隨著溫度的降低而降低[20]。幾種淀粉的溶解度指數呈現B型>C型>A型。研究報道，淀粉粒度分布以及直鏈淀粉含量的差異會顯著影響淀粉的理化性質[15]。本研究結果也表明，溶脹力和粒度大小呈正相關關系、和直鏈淀粉含量呈一定的正相關關系；溶解度和粒度大小、直鏈淀粉含量呈正相關關系。淀粉粒這幾個指標結果均呈現B型>C型>A型。在分離的淀粉中，由于直鏈淀粉含量和淀粉顆粒結構的差異，不同晶體類型淀粉粒的溶脹力和溶解度指數存在一定的差異。

2.6 ATR-FTIR

ATR-FTIR用于研究淀粉構象變化時淀粉顆粒外部有序結構以及在1 045、1 022、995 cm-1處的吸收強度，而1 045/1 022認為是量化淀粉外部結構有序度的量度，1 022/995的比例用作無定形與有序碳水化合物結構比例的指標[21]。圖3-a顯示了不同晶體類型淀粉在1 200～900 cm-1區域中去卷積的ATR-FTIR光譜。結果表明，不同晶體類型的淀粉表現出相似的ATR-FTIR光譜，這與XRD結果相符。

不同晶體類型淀粉的1 045/1 022、1 022/995峰強度比值有顯著的差異(圖3-b)。盡管FTIR無法區分淀粉晶體類型。但具有相同晶體類型的淀粉始終顯示相似的FTIR光譜，與B型和C型淀粉相比，A型淀粉在1 022 cm-1處的譜帶更為顯著[21]。在ATR-FTIR波譜中，A型、B型、C型淀粉的去卷積波譜明顯不同，B型淀粉1 045/1 022峰強度比值明顯比A型和C型高，1 022/995峰強度比值明顯比A型和C型低，而B型淀粉的1 045/1 022、1 022/995峰強度比值相似。1 045/1 022峰強度比值反映淀粉分子的有序程度，其比值越大，有序度越高[21]。在幾種不同晶體類型的淀粉中，B型淀粉在1 045/1 022的比值最高，表明B型淀粉表層有序程度較高。

a-ATR-FTIR光譜；b-吸光度IR比圖3 淀粉粒解卷積的ATR-FTIR光譜和吸光度IR比Fig.3 ATR-FTIR spectra of starch granule deconvolution and absorbance IR ratio

2.7 淀粉的熱特性

通過DSC分析了淀粉的熱性質(表3)，幾種淀粉的To，Tp和Tc分別為57.29～73.75，62.17～80.73、73.65～92.38 ℃。轉變溫度的差異可歸因于粒度、淀粉顆粒的形態特征、結晶度、支鏈淀粉鏈長的分布、直鏈淀粉與支鏈淀粉的比例、淀粉的分子質量以及分子間的相互作用[22]。ΔT在16.36～25.24 ℃內變化，此范圍與顆粒大小的均勻性和淀粉分子中結晶度相關。淀粉的ΔH與淀粉顆粒的結晶度關系密切，一般來說結晶度越高，糊化所需要的能量越大，發生相變所需的熱焓值也越大[23]。不同晶型淀粉的ΔH在2.92～4.03 J/g，總體趨勢為B型>C型>A型，結果與淀粉結晶度大小呈負相關關系(表2)。另有研究表明，B型比A型淀粉具有更高的To、TP、Tc值和更低的焓[24]。本研究結果表明，與A型和C型顆粒相比，B型淀粉粒顯示出更低的T0、Tp、Tc值和更高的焓。淀粉的熱性質通常與各種因素有關，在本研究中，幾種淀粉的顆粒形態、晶體類型、直鏈淀粉含量、粒度分布的不同，可能導致不同的熱力學性質。

表3 淀粉粒糊化參數Table 3 Pasting parameters of starch granules

2.8 體外消化率

研究發現，B型淀粉粒的核結構穩定，而A型淀粉粒的核結構疏松。A型淀粉顆粒表面存在著許多小孔，顆粒內部存在著大量的通道，因此，酶可以沿著小孔進入顆粒中心水解淀粉，而B型淀粉顆粒沒有這些特征，酶只能作用于淀粉的表面，因此，A型淀粉比B型淀粉更易水解[25]。另一研究也發現A型淀粉粒總表面積大于其表面積，而B淀粉粒的總表面積接近于表面積，也說明A型淀粉粒表面具有小孔結構[26]。另有研究發現，B、C型淀粉比A型淀粉對酶水解的抵抗力更強[27]，以上結果與本研究結果相一致。如表4所示，葛根淀粉具有最高的RDS，可能與其淀粉顆粒大小和晶體類型有關。粒度分析表明葛根淀粉基本為小顆粒且晶體類型為CA型(以A型晶體為主)，葛根淀粉在同一時間的水解程度比其他幾種淀粉更加劇烈和快速，所以葛根淀粉RDS最高。SDS總體呈現為A型>B型淀粉，由于C型淀粉中山藥淀粉為CB型(以B型晶體為主)，葛根為CA型，所以葛根和山藥淀粉的SDS含量分別與A型和B型淀粉接近。RS總體表現為B型>A型淀粉，葛根和山藥淀粉因其晶體類型的不同，其RS含量也分別接近A型和B型淀粉。不同物種之間天然淀粉消化率的差異可能歸因于許多因素的相互作用，例如不同的淀粉來源、顆粒大小。

表4 淀粉粒的RDS, SDS, RSTable 4 RDS, SDS, RS of starch granules

3 結論

淀粉的晶體結構會顯著影響淀粉的功能性質。幾種淀粉具有特定的晶體類型、顆粒形態、直鏈淀粉含量、粒徑、膨脹力、溶解度、理化性質、功能性質和體外消化率，并且在各方面均存在顯著差異。淀粉顆粒均表現出獨有的球形、橢球形和多角形；淀粉在直鏈淀粉含量、碘藍值、膨脹力、溶解度、熱焓值均呈現B型>C型>A型淀粉的趨勢；結晶度表現為A型>C型>B型淀粉；體外消化分析表明，C型晶體因其A型和B型晶體含量不同，其理化性質差異顯著。本研究為不同晶體類型藥食兩用植物淀粉的使用提供科學基礎，為傳統淀粉提供替代品，并促進其在食品和非食品領域的應用。