可溶性大豆膳食纖維對(duì)糯米淀粉體外消化性的影響及其作用機(jī)制

張瀘月，鄭明珠*，趙烊，崔妍，徐靖雯，郭碩，李欣蕊，劉景圣

（1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118；2.小麥和玉米深加工國(guó)家工程研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130118）

糯米是我國(guó)傳統(tǒng)的糯性谷物之一，是制作湯圓、團(tuán)糕、粽子等各種特色美食的重要原料[1]。淀粉是糯米中的主要成分，其性質(zhì)直接影響糯米的加工特性。糯米淀粉（waxy rice starch，WRS）黏度大，易糊化且糊化后穩(wěn)定性較好，不易回生。然而糯米淀粉在人體內(nèi)被消化水解成葡萄糖，會(huì)使血糖升高，容易引發(fā)糖尿病或一系列并發(fā)癥等疾病[2]。通過體外模擬消化的方法可以表征淀粉的消化特性，淀粉可根據(jù)消化率不同分為三大類：快消化淀粉（rapid digestible starch，RDS）、慢消化淀粉（slowly digestible starch，SDS）和抗性淀粉（resistant starch，RS）[3]。 研究發(fā)現(xiàn)，較高的 RDS 含量會(huì)導(dǎo)致食品的血糖生成指數(shù)增加，因此尋求一種可以降低糯米淀粉中RDS含量的方法對(duì)于促進(jìn)糯米及糯米淀粉在食品加工中的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

膳食纖維具有多種獨(dú)特的生理功能和理化性質(zhì)[4]，并被營(yíng)養(yǎng)學(xué)界認(rèn)定為第七類營(yíng)養(yǎng)素，常作為功能性成分添加到食品中。已經(jīng)有研究證明，膳食纖維的存在可以影響谷物淀粉的結(jié)構(gòu)特性和理化性質(zhì)，并且可以降低其消化率。Zheng等[5]將4種可溶性膳食纖維添加到大米淀粉中，證明了糖類會(huì)通過氫鍵、范德華力和其他非共價(jià)相互作用結(jié)合到淀粉中，這些相互作用誘導(dǎo)淀粉鏈重排以形成更有序的聚集體，對(duì)淀粉酶有更強(qiáng)的抵抗性。可溶性大豆膳食纖維（soluble soybean dietary fiber，SSDF）是一種非淀粉多糖，來源廣，化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定[6]，在水中也具有良好的溶解性和分散性。本研究以糯米淀粉為原料，探究不同添加量的可溶性大豆膳食纖維對(duì)糯米淀粉體外消化性的影響及其作用機(jī)制，為研發(fā)更利于人體健康的糯米淀粉類制品提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 主要材料與試劑

糯米淀粉（純度＞90%）：小麥和玉米深加工國(guó)家工程研究中心（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)）自制；可溶性大豆膳食纖維（純度＞80%）：河南申悅生物科技有限公司；淀粉葡萄糖苷酶（≥260 U/mL）、胰酶（8 U/mg）：美國(guó) Sigma-Aldrich公司；D-葡萄糖檢測(cè)試劑盒：愛爾蘭Megazyme公司；無水乙醇（分析純）、冰乙酸（分析純）：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；乙酸鈉（分析純）：上海源葉生物科技有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

快速黏度分析儀（RVA-TecMasterTM）：澳大利亞Perten公司；差示掃描量熱儀（Q-2000）：美國(guó)TA公司；傅里葉變換紅外光譜儀（VERTEX 70）：德國(guó)Bruker公司；掃描電子顯微鏡（Sigma 300）：德國(guó)ZEISS公司；全波長(zhǎng)酶標(biāo)儀（Spectramax 190）：美國(guó)Molecular Devices公司。

1.3 方法

1.3.1 膨脹度的測(cè)定

淀粉樣品膨脹度的測(cè)定參考魏敬[7]的方法并稍作修改。分別稱取占糯米淀粉質(zhì)量5%、10%、15%、20%、25%的可溶性大豆膳食纖維置于2 mL離心管中，加入1 mL蒸餾水并充分振蕩使其溶解，然后加入40 mg糯米淀粉并充分?jǐn)嚢瑁?5℃條件下加熱30 min，并間歇振蕩。然后取出離心管冷卻至室溫，在13 000 r/min的條件下離心20 min。稱量沉淀物的質(zhì)量，并將上清液在100℃下干燥至恒重，稱量記錄。膨脹度計(jì)算公式如下。

式中：m0為樣品干基質(zhì)量，mg；m1為沉淀物質(zhì)量，mg；m2為上清液干燥后的質(zhì)量，mg。

1.3.2 黏度特性的測(cè)定

黑火藥傳到歐洲后，西方人沒有“發(fā)揚(yáng)光大”焰火技術(shù)，倒是在黑火藥的基礎(chǔ)上研究出了黃色炸藥以及后來的硝化甘油、TNT等性能更好的炸藥。這些先進(jìn)的火藥裝填進(jìn)子彈、炮彈，被侵略者用來轟開中國(guó)閉關(guān)鎖國(guó)的大門。這一事實(shí)，相信稍有歷史常識(shí)的人都知道，不知道的去翻一翻中國(guó)近現(xiàn)代史也會(huì)一目了然。

分別稱取占糯米淀粉質(zhì)量5%、10%、15%、20%、25%的可溶性大豆膳食纖維置于鋁罐中，加入25 mL蒸餾水，隨后加入2.5 g糯米淀粉，攪拌使其充分混合。采用快速黏度分析儀（rapid visco analyser，RVA）對(duì)樣品的黏度特性進(jìn)行分析，測(cè)定條件參考林楠等[8]的方法。

1.3.3 熱特性的測(cè)定

熱特性的測(cè)定參考Yoo等[9]的方法并稍作修改。分別稱取 50、100、150、200、250 mg的可溶性大豆膳食纖維置于含有3 mL蒸餾水的燒杯中，使其充分溶解，備用。然后分別將3 mg糯米淀粉和9 μL不同濃度的可溶性大豆膳食纖維溶液（可溶性大豆膳食纖維分別占糯米淀粉質(zhì)量的5%、10%、15%、20%、25%） 加入坩堝中，混勻后密封，在室溫條件下平衡12 h，用空坩堝作參比。通入氮?dú)?，將樣品?0℃/min的速度由30℃加熱至130℃，記錄樣品的熱力學(xué)參數(shù)。

1.3.4 體外消化性的測(cè)定

稱取占糯米淀粉質(zhì)量5%、10%、15%、20%、25%的可溶性大豆膳食纖維，與糯米淀粉均勻混合于蒸餾水中，95℃條件下加熱20 min，凍干，研磨成粉并過篩，備用。樣品的體外消化率測(cè)定根據(jù)Englyst等[10]的方法并稍作修改。取樣品1 000 mg（以淀粉干基為準(zhǔn)），并加入20 mL乙酸鈉緩沖溶液（pH5.2）于100 mL錐形瓶中，在37℃的條件下靜置10 min，加入5 mL新配制的混合酶液（胰酶和淀粉葡萄糖苷酶），并在37℃恒溫振蕩器中進(jìn)行消化酶解。在消化20 min和120 min時(shí)，分別取0.5 mL反應(yīng)液與20 mL 66%的乙醇溶液混合以終止反應(yīng)，4 000 r/min條件下離心10 min后取0.1 mL上清液，使用D-葡萄糖檢測(cè)試劑盒測(cè)定上清液中葡萄糖的含量。根據(jù)以下公式計(jì)算RDS、SDS和RS的含量。

式中：G0為上清液中樣品的游離葡萄糖含量，mg；G20為20 min時(shí)釋放的葡萄糖含量，mg；G120為120 min時(shí)釋放的葡萄糖含量，mg；W為樣品中總淀粉含量，mg。

1.3.5 微觀結(jié)構(gòu)的觀察

取1.3.4制得的凍干樣品，采用掃描電子顯微鏡觀察其微觀結(jié)構(gòu)，樣品經(jīng)過噴金操作后，于15 kV的加速電壓下拍攝樣品的微觀形態(tài)。

參考郜培等[11]的方法并稍作修改。取1.3.4制得的凍干樣品1 mg與100 mg溴化鉀在紅外燈下研磨，使其混合均勻，在15 MPa下抽真空，壓片60 s。在4 000 cm-1～400 cm-1下對(duì)樣品掃描64次，分辨率為4 cm-1。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)均重復(fù)測(cè)定3次，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。使用SPSS軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，差異顯著性分析采用Duncan法。

2 結(jié)果與分析

2.1 可溶性大豆膳食纖維添加量對(duì)糯米淀粉膨脹度的影響

糯米淀粉在水中加熱時(shí)，淀粉顆粒會(huì)吸水膨脹，膨脹度的數(shù)值體現(xiàn)了淀粉的水合能力。不同添加量的可溶性大豆膳食纖維對(duì)淀粉膨脹度的影響見圖1。

圖1 可溶性大豆膳食纖維添加量對(duì)糯米淀粉膨脹度的影響Fig.1 Effect of the additive amount of soluble soybean dietary fiber on swelling power of waxy rice starch

由圖1可知，可溶性大豆膳食纖維的添加可以明顯降低糯米淀粉的膨脹度，并且添加量越大，樣品的膨脹度越低。當(dāng)可溶性大豆膳食纖維添加量增加到25%時(shí)，糯米淀粉的膨脹度從5.51 g/g降低到4.46 g/g，這說明混合體系中糯米淀粉與水分結(jié)合的能力相比于天然的糯米淀粉明顯降低。一方面是可溶性大豆膳食纖維在水中具有良好的溶解性和分散性，所以會(huì)與糯米淀粉競(jìng)爭(zhēng)水分[12]；另一方面，可溶性大豆膳食纖維可能會(huì)與淀粉之間產(chǎn)生相互作用，使得混合體系的結(jié)構(gòu)更加緊密[13]，抑制了糯米淀粉與水分子的結(jié)合，導(dǎo)致樣品的膨脹度下降。

2.2 可溶性大豆膳食纖維添加量對(duì)糯米淀粉黏度特性的影響

可溶性大豆膳食纖維添加量對(duì)糯米淀粉黏度特性的影響如表1所示。

表1 可溶性大豆膳食纖維添加量對(duì)糯米淀粉黏度參數(shù)的影響Table 1 Effect of the additive amount of soluble soybean dietary fiber on pasting parameters of waxy rice starch

由表1可知，相比于天然的糯米淀粉，混合體系的黏度顯著降低（P＜0.05），并且可溶性大豆膳食纖維的添加量越大，降低的幅度越大。當(dāng)可溶性大豆膳食纖維添加量增加到25%時(shí)，樣品的峰值黏度、谷值黏度和終值黏度分別從 2 280、853、1 262 mPa·s降低到 1 383、669、855 mPa·s。并且糊化溫度也隨著可溶性大豆膳食纖維添加量的增加而升高，這說明可溶性大豆膳食纖維的添加阻礙了水分子進(jìn)入到淀粉內(nèi)部，進(jìn)而延緩了糯米淀粉的糊化過程。RVA特征參數(shù)中的崩解值是峰值黏度和谷值黏度的差值，反映了淀粉在水中以一定溫度加熱后形成淀粉糊的熱穩(wěn)定性變化，崩解值越大，表明淀粉顆粒越不穩(wěn)定[14]。隨著可溶性大豆膳食纖維的添加量增多，樣品的崩解值顯著降低（P＜0.05），表明體系的穩(wěn)定性越來越好。并且有研究還表明崩解值與淀粉的消化率有一定的關(guān)聯(lián)，不同種類淀粉的崩解值降低，RDS的含量有降低的趨勢(shì)[15]。

2.3 可溶性大豆膳食纖維添加量對(duì)糯米淀粉熱特性的影響

淀粉顆粒在水中加熱時(shí)會(huì)發(fā)生由有序向無序的相轉(zhuǎn)變，伴隨著淀粉顆粒的吸水溶脹以及晶體結(jié)構(gòu)被破壞等變化。差式掃描量熱法被廣泛用于研究淀粉在此過程中的熱特性變化[16]，表2為樣品熱特性的相關(guān)參數(shù)。

表2 可溶性大豆膳食纖維添加量對(duì)糯米淀粉熱特性參數(shù)的影響Table 2 Effect of the additive amount of soluble soybean dietary fiber on thermal characteristic parameters of waxy rice starch

由表2可知，隨著可溶性大豆膳食纖維的添加量不斷增加，樣品的起始溫度、峰值溫度、終止溫度和糊化焓整體上均逐漸增加。當(dāng)可溶性大豆膳食纖維添加量增加到25%時(shí)，樣品的起始溫度由61.80℃升高到62.94℃，糊化焓從12.02 J/g增加至13.03 J/g。這是由于混合體系中糯米淀粉的糊化過程需要更多的能量來破壞其結(jié)構(gòu)，即混合體系的糊化過程受到了抑制，這與RVA測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果是一致的?？扇苄源蠖股攀忱w維的添加會(huì)使淀粉可利用的自由水分減少[17]，增強(qiáng)糯米淀粉的穩(wěn)定性，使其不易受到外界環(huán)境的影響。

2.4 可溶性大豆膳食纖維添加量對(duì)糯米淀粉體外消化性的影響

添加可溶性大豆膳食纖維的樣品經(jīng)糊化處理后，測(cè)得的RDS、SDS、RS含量如圖2所示。

圖2 可溶性大豆膳食纖維添加量對(duì)糯米淀粉中RDS、SDS、RS含量的影響Fig.2 Effect of the additive amount of soluble soybean dietary fiber on the content of RDS,SDS,and RS in waxy rice starch

由圖2可知，與天然糯米淀粉相比，添加可溶性大豆膳食纖維的樣品中RDS含量均顯著降低（P＜0.05），SDS和RS的含量均顯著升高（P＜0.05），并且添加量越大，影響效果越明顯。當(dāng)可溶性大豆膳食纖維添加量增加至25%時(shí)，糯米淀粉中RDS的含量從83.17%減少至68.90%，SDS、RS的含量分別從11.57%、5.26%增加至18.12%、12.98%。這是因?yàn)榭扇苄源蠖股攀忱w維有良好的持水能力，通過阻礙水分進(jìn)入到淀粉內(nèi)部使得糯米淀粉的糊化過程受到抑制，降低了其對(duì)消化酶的敏感性。隨著可溶性大豆膳食纖維添加量的增加，可溶性大豆膳食纖維競(jìng)爭(zhēng)到的水分增多，淀粉顆粒越不易吸水膨脹，消化率也越低。

2.5 可溶性大豆膳食纖維添加量對(duì)糯米淀粉微觀結(jié)構(gòu)的影響

采用掃描電子顯微鏡觀察糯米淀粉顆粒的微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果見圖3。

圖3 糯米淀粉和糯米淀粉-可溶性大豆膳食纖維混合體系的掃描電鏡圖（2 000倍）Fig.3 Scanning electron microscopy image of waxy rice starch and mixtures of waxy rice starch and soluble soybean dietary fiber（2 000×）

由圖3可知，未糊化的天然糯米淀粉顆粒呈現(xiàn)完整的不規(guī)則多面體結(jié)構(gòu)，這與楊夢(mèng)恬[18]的觀察結(jié)果一致。而糊化后的糯米淀粉則呈現(xiàn)出疏松的、無規(guī)則的有孔片狀結(jié)構(gòu)?？扇苄源蠖股攀忱w維的加入使得糯米淀粉顆粒的表面出現(xiàn)了一些附著物，同時(shí)復(fù)合體系的骨架明顯增厚，并且隨著可溶性大豆膳食纖維添加量的增加這種結(jié)塊凝聚的現(xiàn)象更加明顯。這說明可溶性大豆膳食纖維的加入使得體系的結(jié)構(gòu)更加緊密，糯米淀粉顆粒間的相互作用力更強(qiáng)，抑制了部分糯米淀粉的糊化進(jìn)程。并且可溶性大豆膳食纖維的附著包裹作用會(huì)減少一部分的水分進(jìn)入到糯米淀粉中，提高體系的穩(wěn)定性，降低淀粉的酶解速率。

2.6 可溶性大豆膳食纖維添加量對(duì)糯米淀粉紅外光譜的影響

天然糯米淀粉、可溶性大豆膳食纖維和糊化后的不同樣品的傅里葉變換紅外光譜分析圖見圖4。

圖4 糯米淀粉和糯米淀粉-可溶性大豆膳食纖維混合體系的傅里葉變換紅外光譜圖Fig.4 Fourier transform infrared spectra of waxy rice starch and mixtures of waxy rice starch and soluble soybean dietary fiber

由圖4可知，天然糯米淀粉和可溶性大豆膳食纖維分別在3 400 cm-1處和3 408 cm-1處有一個(gè)較寬的特征吸收峰，此處吸收峰與氫鍵有關(guān)[19]。糊化處理后，糯米淀粉在此處的吸收峰有向更高波數(shù)轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，這表明混合體系中氫鍵強(qiáng)度減弱[20]，淀粉間的氫鍵在糊化過程中遭到了破壞。添加可溶性大豆膳食纖維后，樣品紅外光譜圖的形狀和位置與糊化后的糯米淀粉相似，沒有產(chǎn)生新的吸收峰，這說明可溶性大豆膳食纖維和糯米淀粉間沒有通過新的結(jié)合鍵相互作用。而混合樣品在3 400 cm-1處附近的吸收峰有向低波數(shù)轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，并且可溶性大豆膳食纖維添加量越大，這個(gè)現(xiàn)象越明顯，說明糯米淀粉和可溶性大豆膳食纖維之間可能通過氫鍵相互作用，從而影響糯米淀粉的消化率。

3 結(jié)論

可溶性大豆膳食纖維的添加減少了糯米淀粉中RDS的含量，增加了SDS、RS的含量，降低了糯米淀粉的體外消化率，并且添加量越大，效果越顯著。當(dāng)可溶性大豆膳食纖維添加量增加至25%時(shí)，糯米淀粉中RDS的含量從83.17%減少至68.90%，SDS、RS的含量分別從11.57%、5.26%增加至18.12%、12.98%。添加可溶性大豆膳食纖維后，樣品的膨脹度、峰值黏度、谷值黏度和終值黏度降低，糊化溫度升高，說明糯米淀粉的糊化過程受到了抑制，使其較不易被酶解，消化率降低。采用掃描電子顯微鏡觀察到的結(jié)果表明可溶性大豆膳食纖維可以黏附在淀粉顆粒表面，形成一道物理屏障，從而阻礙了消化酶與淀粉顆粒的接觸。此研究結(jié)果對(duì)研發(fā)更益于人體健康的糯米淀粉類制品具有重要的指導(dǎo)意義。