高直鏈淀粉小麥西農836淀粉理化性質及消化特性分析

王 鼎,劉真真,李 旭,李小鵬,劉 磊,崔曉輝,楊 璞,王冰心,謝彥周,李學軍

(1.西北農林科技大學農學院,陜西楊凌 712100; 2.臨渭區農資農產品質量檢驗檢測中心(種子工作站),陜西渭南 714000 )

小麥是世界上廣泛種植的農作物之一,淀粉是小麥籽粒的主要成分,約占籽粒面粉總量的70%～80%[1]。根據結構可將淀粉分為直鏈淀粉和支鏈淀粉,直鏈淀粉由D-葡萄糖基以α-(1,4)糖苷鍵連接,呈線狀排列,支鏈淀粉分子主鏈由α-(1,4)糖苷鍵連接,側鏈由α-(1,6)糖苷鍵連接,呈非線狀排列[2]。普通小麥籽粒中直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例為1∶3,由于兩種淀粉分子結構的差異,其面制品所表現出的消化率、產品品質、餐后飽腹感和血糖應答都不同[3]。

淀粉的消化特性與直鏈淀粉含量相關。研究發現,直鏈淀粉可以與脂質形成復合物,阻止淀粉與水分子的結合,從而阻止酶向淀粉顆粒的滲透,致使淀粉消化率下降[4]。在加工過程中,直鏈淀粉分子互相纏繞形成一種三維凝膠網絡,這種凝膠網絡結構也會提高淀粉對酶的抗性,延緩淀粉消化[5-6]。根據淀粉水解速率的快慢將其分為快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)[7]。前人研究發現,RS具有類似膳食纖維的生理功能,可為人類結腸中短鏈脂肪酸(SCFAs)的發酵提供底物,RS含量高的食物具有較低的消化率[8];RS可以增強飽腹感并降低餐后血糖濃度和胰島素反應[9]。因此,對糖尿病患者而言,食用高直鏈淀粉小麥面制品對健康是有益的[10]。

淀粉消化特性與淀粉顆粒、晶體結構及糊化性質相關。小麥淀粉顆粒按直徑被分為A型和B型,A型淀粉呈透鏡狀,直徑約10～40 μm,B型淀粉呈球形,直徑小于10 μm,二者在淀粉中分布不同,導致淀粉理化性質不同[11]。 Snow等[12]研究發現,淀粉粒徑越小,越容易被酶解,因為其表面積較大,有利于酶的擴散和吸附。淀粉內部晶體結構發生變化或晶體特征存在差異也會影響淀粉的消化特性[13]。Bao等[14]研究表明,高溫會破壞淀粉晶體結構,導致淀粉更容易被酶解。另外,淀粉糊化性質的差異也會對其消化特性產生影響[15]。

為了解小麥新品種西農836淀粉的理化性質及消化特性,本研究以三種商品面粉金沙河、香雪、金龍魚為對照,分析西農836的直鏈淀粉含量、淀粉結構特征、糊化性質和淀粉消化特性,以期為西農836面制品的加工利用及高直鏈淀粉含量小麥品種選育提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試小麥品種為西農836,于2020年10月12日種植在西北農林科技大學農作一站(陜西楊凌,108°4′E,34°160′N)。種植10行,行長2 m,行間距0.23 m,3個重復。播種前基施600 kg·hm-1復合肥(N∶P2O5∶K2O=1∶0.5∶0.5),其余病蟲害防治及灌溉等措施與當地大田生產相同。于2021年6月10日收獲籽粒,經充分晾曬后在陰涼干燥處貯存30 d,采用布勒輥式磨粉機磨粉,過80目篩。

對照為市售商品面粉分別為金沙河面粉(河北金沙河面業集團有限責任公司)、香雪面粉(沈陽香雪面粉股份有限公司)和金龍魚面粉(益海嘉里食品營銷有限公司)。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 淀粉提取

取20 g面粉,與12 mL蒸餾水混合揉成面團,靜置30 min;加蒸餾水反復揉洗,使淀粉與面筋分離;過100目篩,獲得淀粉乳,5 000 r·min-1離心10 min,倒掉上清液,刮除附著在沉淀上方的雜質,收集沉淀并干燥,獲得粗淀粉;將粗淀粉放入燒杯中,加入60 mL堿性蛋白酶-NaOH溶液,在42 ℃水浴條件下攪拌1 h;過100目篩后棄掉殘渣,將濾液轉入50 mL離心管,4 000 r·min-1離心20 min,棄上清液,并刮除淀粉表層黃色部分;用去離子水懸浮沉淀后3 600 r·min-1離心20 min,重復3次,獲得脫蛋白小麥淀粉。取0.5 g脫蛋白淀粉置于脫脂袋中,將其放入預先裝有150 mL的85%甲醇的廣口瓶中,45 ℃超聲振蕩1 h;自然晾干后得到純凈的小麥淀粉。

1.2.2 直鏈淀粉含量測定

參照金玉紅等[16]的方法,配置直鏈淀粉標準工作液、淀粉掃描液,吸取直鏈淀粉標準工作液0.0、0.3、0.5、0.7、0.9、1.1、1.3 mL于100 mL燒杯中,加蒸餾水25 mL,即得到濃度0、6、10、14、18、22、26 μg·mL-1的直鏈淀粉標準溶液;用0.1 mol·L-1的 HCl調pH值至3.5,全部轉移至50 mL容量瓶,加0.5 mL碘試劑并用蒸餾水定容;用UV-2100分光光度計在測定波長(623 nm)和參比波長(430 nm)下測定吸光值,得到直鏈淀粉標準曲線。

稱取小麥淀粉0.1 g于燒杯中,加入10 mL 0.5 mol·L-1KOH,80 ℃水浴25 min并充分攪拌;冷卻至室溫后轉移到50 mL容量瓶中,用蒸餾水定容,搖勻后靜置。取上清液2.5 mL加入50 mL燒杯中,加入25 mL蒸餾水,用0.1 mol·L-1HCl調pH至3.5,攪拌均勻;轉移至50 mL容量瓶,加0.5 mL碘試劑并用蒸餾水定容,搖勻后在室溫下靜置30 min;吸光值測定方法同標準液。

1.2.3 粒度分布測定

稱取0.1 g淀粉,倒入激光衍射儀(S3500 SI, Microtrac Inc, USA)樣品分散系統的進料口中,待進料口旋渦充分混勻后,測量其粒度分布狀況。

1.2.4 結晶度測定

利用X-射線衍射儀(D8-Advance, Bruker, Germany)測定,電流、電壓為 30 mA、40 kV,掃描范圍 2θ=4～40°,步長 0.02°;利用軟件MDI Jade 6.0分析,獲得淀粉的結晶度。

1.2.5 黏度特性測定

取3 g淀粉和25 mL蒸餾水于鋁罐中,攪拌均勻,使用黏度分析儀(RVA 4500,Perten)測定面粉黏度。最初10 s以960 r·min-1攪拌,后以160 r·min-1的速度至測試結束;起始溫度為50 ℃,保持1 min,以12 ℃·min-1的速度提高至95 ℃,保持 2.5 min,再以12 ℃·min-1的速度下降至50 ℃,保持13 min,獲得參數峰值黏度(PV)、稀懈值(BD)、最終黏度(FV)、回生黏度(SB)和糊化溫度(PT)。

1.2.6 熱力學特性分析

利用熱差熱重分析儀(STA7200RV, HITACHI, Japan)對淀粉熱特性進行分析。稱取5 mg淀粉樣品于鋁坩堝中,按1∶2(w/w)比例加入蒸餾水配成淀粉乳,密封后置于4 ℃冰箱放置24 h。測試參數設定為:從25 ℃加熱至120 ℃,速度為10 ℃·min-1。利用儀器自帶軟件分析掃描曲線,獲得參數有起始溫度To、峰值溫度Tp、終點溫度Tc、熱焓變值ΔHgel。

1.2.7 淀粉體外消化特性測定

參照Garcia等[17-18]的方法,取50 mg淀粉用蒸餾水溶解并沸水浴30 min使其糊化,冷卻至室溫后加入10 mL醋酸鈉緩沖液(0.1 M,pH=5.2),放入25 ℃恒溫搖床中180 r·min-1、30 min;加入已平衡溫度的1 mL豬胰α-淀粉酶和5 mL胃蛋白酶,放入25 ℃恒溫搖床180 r·min-1酶解30 min。分別在0 min、20 min和120 min吸取0.5 mL溶液至離心管中,立即加入2 mL乙醇(95%)終止反應;10 000 r·min-1離心5 min,取1 mL上清液加入DNS(3,5-二硝基水楊酸)2 mL;沸水浴5 min后取出,冷卻至室溫,加入9 mL蒸餾水、混勻;用UV-2100分光光度計于540 nm處檢測吸光值,換算成體系中的葡萄糖含量,從而得到淀粉樣品的消化百分數。

1.2.8 小鼠血糖測定

參照蒲瑞陽等[19-20]的方法,將30只4周齡體型一致的雄性小鼠隨機分為A、B、C三組,每組10只,置于2個鼠籠(每籠5只)于鼠房飼養。實驗前對小鼠進行適應性喂養,小鼠每日進食相同質量的飼料和飲用純凈水(2 d更換一次),鼠籠墊料每3 d更換一次。一周后,對三組小鼠禁食、禁水12 h。A、B兩組分別灌胃西農836和金沙河淀粉溶液0.3 mL,C組灌胃0.3 mL生理鹽水。灌胃完畢后立即開始計時,分別于灌胃后0 min、30 min、60 min、90 min、120 min、180 min對小鼠進行尾尖采血,用強生血糖試紙測定小白鼠的血糖值。

鼠房條件:溫度22～24 ℃,濕度40%～70%,光照為12 h晝夜交替。

1.3 數據分析

數據采用EXCEL處理、制圖,采用SPSS 21.0進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 供試材料直鏈淀粉含量、粒度與結晶度分析

4種面粉的直鏈淀粉含量從高到低依次為西農836(31.37%)、金龍魚(25.75%)、金沙河(24.43%)和香雪(24.17%),西農836的直鏈淀粉含量顯著高于其他三種商品面粉(P<0.05)(表1)。西農836淀粉的B型淀粉粒含量最高(76.32%),其他依次為金龍魚(74.65%)、金沙河(74.65%)和香雪(72.36%)。四個供試材料的結晶度范圍在20.37%～25.08%,金龍魚、金沙河、西農836淀粉的相對結晶度較低。

表1 供試材料直鏈淀粉含量、淀粉體積粒度分布、相對結晶度

2.2 淀粉糊化特性分析

黏度特性是淀粉糊化過程中的重要參數。西農836淀粉的峰值黏度和最終黏度最低,金沙河淀粉的峰值黏度和最終黏度最高(圖1)。從淀粉熱特性測定結果(表2)看,西農836的峰值溫度最高(64.67 ℃),依次為金沙河(61.60 ℃)、香雪(61.55 ℃)和金龍魚(60.37 ℃)。金沙河的熱焓變值最高,依次為西農836、金龍魚、香雪。這表明四個測試材料的淀粉熱穩定性從大到小依次為金沙河、西農836、金龍魚和香雪。

圖1 淀粉黏度特性

表2 淀粉熱特性

2.3 淀粉體外消化特性分析

從圖2可以看出,西農836的快消化淀粉(RDS)含量顯著低于其他三個商品面粉,慢消化淀粉(SDS)含量顯著高于三個商品面粉。與三個商品面粉相比,西農836的總消化淀粉含量(RDS+SDS)最低,表明西農836的消化程度低于其他商品面粉。

RDS:快速消化淀粉; SDS:慢消化淀粉; RDS+SDS:總消化淀粉。圖柱上不同字母表示不同種淀粉間差異顯著(P<0.05)。

2.4 小鼠血糖響應

通過小鼠體內消化試驗分析小麥淀粉的消化特性,結果(圖3)表明,兩組灌胃小鼠血糖峰值均出現在60 min,在30、60和90 min時,灌胃西農836組的血糖峰值明顯低于金沙河組,并且灌胃西農836組小鼠的血糖上升和下降的趨勢均比較緩慢,180 min后血糖值大致回落到空腹水平,說明高直鏈淀粉小麥西農836有利于延緩消化和控制血糖升高。

圖3 淀粉的小鼠體內消化特征

2.5 淀粉理化指標間相關性分析

相關性分析結果(表3)表明,直鏈淀粉含量與A型淀粉粒含量呈顯著負相關(P<0.05),與B型淀粉粒和峰值黏度呈顯著正相關。抗性淀粉含量與直鏈淀粉含量和峰值溫度呈顯著正相關?？煜矸?RDS)含量與直鏈淀粉含量、B型淀粉粒含量呈顯著負相關,與A型淀粉粒含量顯著正相關?？傁矸?RDS+SDS)含量與直鏈淀粉含量呈極顯著負相關(P<0.01),與峰值溫度和B型淀粉粒含量呈顯著負相關,與A型淀粉粒呈顯著正相關。

表3 淀粉理化指標間相關性分析

3 討論

淀粉由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成,直鏈淀粉占小麥淀粉總含量的20%～26%。國外將直鏈淀粉含量超過30%的小麥品種,稱為高直鏈淀粉小麥品種[21]。本研究中,小麥新品種西農836直鏈淀粉含量為31.37%,為高直鏈淀粉小麥。

研究表明,B型淀粉粒含量與直鏈淀粉含量呈負相關關系[22]。本研究發現,小麥新品種西農836直鏈淀粉含量及B型淀粉粒含量均較高,其總消化淀粉(RDS+SDS)和快消化淀粉(RDS)與B型淀粉粒含量呈顯著負相關,這與前人研究結果的B型淀粉粒含量高則消化速率高不同[23]。這可能與研究材料不同有關。本課題組研究發現,B型淀粉粒有助于填充到面筋網絡結構中,形成更加致密的面團網絡結構(未發表)。

峰值黏度表示淀粉結合水的能力,淀粉與水結合能力越強,抗酶解能力越低[24]。本研究中,高直鏈淀粉含量小麥西農836淀粉的峰值黏度最低,表明其抗酶解能力最強。淀粉糊化會對阻止淀粉酶作用的結晶結構造成破壞,導致淀粉更容易被酶解[25]。峰值溫度是表征淀粉糊化特性的重要指標。已有研究發現,淀粉糊化時的峰值溫度越高,其糊化程度越低,越難被酶解[26]。本研究中,峰值溫度與直鏈淀粉含量呈顯著正相關,與總消化淀粉(RDS+SDS)呈顯著負相關,說明直鏈淀粉含量影響淀粉的糊化特性,高直鏈淀粉含量可增強淀粉的抗酶解能力。熱焓值是淀粉糊化過程中解開雙螺旋所需要的能量,淀粉晶體結構遭到破壞會導致糊化程度升高并降低熱焓值[27-28]。但也有人認為,淀粉結晶度等結構特征并不能單獨控制消化率[29]。綜上所述,淀粉結晶特性與淀粉內部其他結構特征可能共同作用于淀粉消化過程,并通過影響淀粉糊化過程進一步影響其消化特性。

前人研究認為,直鏈淀粉比支鏈淀粉結構更緊密,并且直鏈淀粉在消化過程中會與脂質形成復合物,使其在短時間內難以被酶解[30-31]。本研究發現,直鏈淀粉含量與快消化淀粉(RDS)含量和總消化淀粉(RDS+SDS)含量分別呈顯著和極顯著負相關,隨著直鏈淀粉含量升高,淀粉的消化率顯著下降。小鼠體內消化試驗結果表明,灌食西農836小麥淀粉小鼠的血糖峰值和血糖上升速率均較低,說明高直連淀粉含量在延緩消化和控制血糖升高方面具有顯著優勢。本研究結果為西農836面制品的加工利用及高直鏈淀粉小麥品種選育提供參考。

4 結論

小麥新品種西農836為高直鏈淀粉小麥品種;其B型淀粉含量、淀粉糊化時峰值溫度顯著高于其他3個商品面粉;總消化淀粉(RDS+SDS)含量和消化程度低于其他商品面粉;高直鏈淀粉含量有利于延緩消化及控制血糖升高。