裸燕麥中非淀粉多糖對淀粉體外消化特性的影響

秦 琳, 李 曦, 趙 珊, 黃世群, 雷欣宇,鄭幸果, 靳可婷, 劉龍龍, 仲伶俐

(四川省農業科學院農業質量標準與檢測技術研究所1,成都 610066)

(山西農業大學農業基因資源研究中心2,太原 030031)

裸燕麥(Avenanuda)屬禾本科燕麥屬,是我國主要種植的燕麥類型[1]。裸燕麥富含膳食纖維、蛋白質和不飽和脂肪酸等,其中膳食纖維質量分數為13.6%～30.2%[2],主要組成成分是其胚乳和糊粉層細胞壁中的非淀粉多糖(NSP),此外還有少量的木質素和抗性淀粉(RS)等,具有調節血脂、降低餐后血糖及促進腸道蠕動等重要的生理功效[3,4]。裸燕麥胚乳細胞壁中的NSP是由若干單糖通過糖苷鍵連接形成的多聚糖[5],主要包括果膠、半纖維素、纖維素及少量β-葡聚糖[6,7]等。還有大部分β-葡聚糖和部分半纖維素(阿拉伯木聚糖)集中在裸燕麥籽粒的糊粉層和種皮,是構成糊粉層和種皮細胞壁的結構多糖[8]。

根據非淀粉多糖組分溶解于水的能力可將其分為可溶性和不溶性型[9]。相比較而言,可溶性非淀粉多糖具有更強的生理活性和保健功能[10]。營養學研究表明,血糖與肥胖、心血管疾病及Ⅱ型糖尿病的發病機理密切相關[11-13]。血糖反應很大程度上取決于淀粉的消化速率,而非淀粉多糖是影響淀粉消化速率的重要內在因素[14]。淀粉是裸燕麥籽粒中最主要的碳水化合物,其中,快消化淀粉(RDS)含量高會導致血糖水平迅速升高,而RS能穩定葡萄糖的代謝[15]。已有研究表明,攝入非淀粉多糖可通過體系黏度效應抑制葡萄糖吸收或物理屏障來抑制淀粉酶消化降低淀粉消化速率,使餐后血糖降低24%[16-19]。膳食干預實驗[20]和體內實驗[17,21,22]表明,攝入β-葡聚糖、果膠和RS可增加胃內容物的黏度,使得胃排空時間延長,淀粉消化和葡萄糖吸收速率降低,從而使得血糖和膽固醇濃度發生改變。目前,非淀粉多糖對裸燕麥淀粉消化特性影響的研究多是通過外源添加來實現的,鮮有對比裸燕麥內源非淀粉多糖對其消化特征的影響的報道。研究擬選取8個主栽裸燕麥品種為研究對象,對其淀粉組成和非淀粉多糖組分含量進行分析,通過體外消化模擬實驗研究非淀粉多糖組分對不同品種裸燕麥淀粉消化特性的影響,為選育優質燕麥品種和雜交組以及燕麥進一步的深加工提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

實驗材料為白燕2號、晉燕8號、晉燕17號、晉燕18號、呂燕4號、魏都莜5號、張莜9號、壩莜13號裸燕麥品種,由山西農業大學農業基因資源研究中心提供。裸燕麥籽粒經除雜、清洗和晾曬后粉碎,過60目篩,所得燕麥粉密封4 ℃保存。

Megazyme β-葡聚糖、Megazyme抗性淀粉和Megazyme膳食纖維測定試劑盒;半纖維素酶(3 000 U/g)、纖維素酶(≥1 000 U/g)、果膠酶(4 209U/mL)、2-(N-嗎啉代)乙烷磺酸、三羥甲基氨基甲烷、順丁烯二酸鈉、咔唑、醋酸鈉、氫氧化鉀、乙醇、苯酚、硫酸,均為分析純。半乳糖、棉籽糖和水蘇糖標準品,純度≥97%。

1.2 儀器與設備

FSJ-Ⅱ型錘片式糧食粉碎機,D3204R型高速離心機,Neofuge 18R型多功能冷凍離心機,數顯水浴鍋,SHA-CA型水浴恒溫振蕩器,SX2-5-12Z型箱式電阻爐,SFG型電熱恒溫鼓風干燥箱,Waters e2695高效液相色譜儀,Varioskan Flash型多功能酶標儀,rapid MAX N EXCEED型元素分析儀,FOSS 8200半自動凱氏定氮儀,消化爐。

1.3 實驗方法

1.3.1 總淀粉(TS)、抗性淀粉(RS)和直鏈淀粉含量的測定

總淀粉含量測定參考García-Alonso等[23]的方法。淀粉質量分數=葡萄糖含量×0.9×100%。分別按照NY/T 2638—2014和NY/T 55—1987標準方法測定燕麥粉中抗性淀粉和直鏈淀粉含量。按NY/T 2638—2014標準方法進行酶解和消化,消化16 h后去除緩沖液,用80%乙醇洗凈殘渣,50 ℃烘干后,4 ℃密封保存作為消化后殘渣備用。干燥殘渣/燕麥粉干重得消化殘渣質量分數。

1.3.2 總膳食纖維(TDF)和β-葡聚糖含量測定

按照GB 5009.88—2014標準方法測定燕麥粉中DF含量,總膳食纖維含量TDF=DF+單體成分(RS)。按照NY/T 2006—2011標準方法測定燕麥粉中β-葡聚糖含量。

1.3.3 果膠、半纖維素和纖維素含量的測定

參考孫健[24]的方法測定果膠、半纖維素和纖維素含量。稱取10 mg消化殘渣,加入草酸緩沖液(0.25%,pH 4.6),85 ℃水浴1 h,10 000 r/min離心5 min,取出適量上清液,加入濃硫酸和咔唑甲醇溶液,沸水浴20 min后,于525 nm處比色,以半乳糖醛酸含量計算果膠含量。

用草酸緩沖溶液(0.25%,pH 4.6)和乙醇將提取果膠后的沉淀洗凈后低溫烘干。加入4 mL KOH(含質量分數1% NaBH4,4 mol/L)溶液,室溫下避光反應18 h,8 000 r/min離心10 min。取出適量上清液,加入濃硫酸和苯酚,反應30 min后,于480 nm處比色,以葡萄糖醛酸含量計算半纖維素含量。將測過半纖維素的沉淀洗凈干燥,同樣用硫酸苯酚法測定纖維素含量。

1.3.4 燕麥粉離體動態消化

稱取50 mg的燕麥粉,置于50 mL離心管中,分別加入2 mL 含220 UI果膠酶(A)、2 UI半纖維素酶(B)和20 UI纖維素酶(C)的醋酸緩沖溶液(pH 5.2,0.1 mol/L)對樣品進行酶解,另外用2 mL醋酸緩沖溶液(pH 5.2,0.1 mol/L)作對照,于37 ℃、160 r/min水浴搖床反應40 min后,沸水浴20 min停止反應。而后參考Gońi等[25]的方法測定燕麥粉離體動態消化特征。每隔30 min取1 mL酶解液置于試管中(至180 min時結束),用GOPOD試劑檢測葡萄糖含量(Gt),按Gt×0.9表示淀粉含量。水解率=葡萄糖含量×0.9×100%/總淀粉含量。分別以淀粉水解率和時間為縱坐標和橫坐標繪制水解曲線。

1.3.5 快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)的測定

稱取50 mg的燕麥粉于50 mL離心管中,分別加入2 mL 含220 UI果膠酶(A)、2 UI半纖維素酶(B)和20 UI纖維素酶(C)的醋酸緩沖液(pH 5.2,0.1 mol/L)對樣品進行酶解,另外用2 mL醋酸緩沖液(pH 5.2,0.1 mol/L)作對照,于37 ℃、160 r/min水浴搖床反應40 min后,沸水浴20 min停止反應。樣品快消化淀粉參考Ao等[26]方法測定,分別于20、120 min取2×0.5 mL 酶解液于試管中,用GOPOD試劑檢測葡萄糖含量(Gt),按Gt×0.9表示淀粉含量。總淀粉含量測定見1.3.1,均為干基結果。RDS、SDS和RS計算公式為:

RDS=(G20-FG)×0.9TS×100%

SDS=(G120-G20)×0.9TS×100%

RS=100%-RDS-SDS

式中:FG指游離的葡萄糖質量;G20是指酶解20 min后水解出的葡萄糖質量;G120指酶解120 min后水解出的葡萄糖質量。

1.4 數據處理

每個樣品平行測定3次,數據采用SPSS 22.0進行方差分析,結果以平均值±標準差表示,不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05);用Origin 2021對數據作圖分析。

2 結果與分析

2.1 裸燕麥籽粒的淀粉組成分析

由表1可知,不同品種間裸燕麥總淀粉、抗性淀粉和直鏈淀粉含量存在顯著性差異(P<0.05)。8個裸燕麥品種總淀粉質量分數為56.78%～64.81%,呂燕4號淀粉最高,壩莜13號最低,略高于采用GB 5009.5—2016標準方法測定的結果(51.83%～60.31%)[27];總淀粉質量分數平均值為60.13%,略高于鄭建梅等[28]研究中裸燕麥的淀粉質量分數平均值(55.23%)。抗性淀粉質量分數平均值為0.13%,低于鄭建梅等[28]的研究結果(0.16%),這可能是因為抗性淀粉含量過低,實驗室間相同方法存在測定誤差;抗性淀粉質量分數高于0.20%的品種有2個,分別為晉燕8號和魏都莜5號,且晉燕8號抗性淀粉占總淀粉的比例最高(0.45%)。直鏈淀粉質量分數變幅為14.94%～17.62%,魏都莜5號直鏈淀粉占總淀粉的比例最高(27.99%)。8個品種燕麥的淀粉水解率有顯著性差異(P<0.05),由高到低依次是晉燕8號>呂燕4號>晉燕18號>張莜9號>白燕2號>晉燕17號>魏都莜5號>壩莜13號。

表1 不同品種裸燕麥淀粉組分質量分數(n=3,干基)

2.2 裸燕麥籽粒的非淀粉多糖組成含量分析

由表2可知,不同品種間裸燕麥非淀粉多糖組成含量均存在顯著性差異(P<0.05)。總膳食纖維質量分數范圍為8.65%～13.02%,魏都莜5號含量最高,呂燕4號含量最低。β-葡聚糖質量分數在3.43%～5.78%之間,與以往的研究結果(3.64%～5.49%)[29]基本一致;平均值為4.81%,占非淀粉多糖(β-葡聚糖、半纖維素、纖維素和果膠之和)的比例為46.3%,高于水稻(20%)[30,31]和小麥(22%)[32,33]。半纖維素質量分數平均值為4.55%,占非淀粉多糖的比例為43.3%,低于小麥(78%)[32,33],高于藜麥(41%)[34]。果膠和纖維素質量分數平均值分別為0.80%和0.28%。半纖維素和β-葡聚糖是裸燕麥非淀粉多糖的主要組成部分,與大多數谷物的結論一致。

表2 不同品種裸燕麥非淀粉多糖組分含量(n=3)

2.3 各指標間的相關性分析

由表3可知,總淀粉含量與直鏈淀粉含量呈顯著正相關(P<0.05),與β-葡聚糖含量呈顯著負相關(P<0.05)。淀粉水解率與總淀粉含量呈顯著正相關,與β-葡聚糖含量呈顯著負相關,與直鏈淀粉、抗性淀粉、半纖維素和纖維素含量呈正相關,與果膠含量呈負相關。與以往研究中非淀粉多糖和抗性淀粉兩者均與淀粉水解率呈負相關這一規律存在差異,分析原因可能是抗性淀粉含量高的水稻品種,其淀粉離體消化速率顯著低于野生型品種[35,36]。但本研究中裸燕麥抗性淀粉質量分數過低(0.133%),對于淀粉的離體消化的影響較小,再加之測定存在誤差,最終表現出正相關。影響淀粉水解率的內在因素較多,如淀粉顆粒的形狀大小和結構特點、直鏈淀粉-支鏈淀粉的比率、自身淀粉酶抑制劑和非淀粉多糖組分含量等,僅靠指標間的相關性無法說明非淀粉多糖對淀粉消化率的影響作用。

表3 各指標間的相關系數

2.4 果膠、半纖維素和纖維素酶解后裸燕麥淀粉的體外消化率比較分析

有研究報道,外源添加非淀粉多糖時,可不同程度地延緩淀粉的消化速率,且添加比例不同,淀粉的消化速率也不同[37,38]。類比于外源添加,內源去除非淀粉多糖后,各處理間淀粉離體消化速率不同(圖1),相比于對照組,所有樣品經果膠(A)、半纖維素(B)和纖維素(C)3種酶處理后,前期(30 min和60 min)的淀粉水解速率均不同程度升高,90 min后消化基本完成,最終淀粉消化速率(180 min)表現為半纖維素酶解>纖維素酶解>果膠酶解>對照。這說明燕麥非淀粉多糖會影響淀粉的消化特性,且不同組分對淀粉離體消化速率的影響不同。經半纖維素酶解處理后,壩莜13號的淀粉水解速率最高;晉燕8號的淀粉水解速率變化相對較小。經果膠和纖維素酶解處理后,淀粉水解速率最高的是魏都莜5號,變化較小的分別是呂燕4號。孫健[24]研究了非淀粉多糖酶解處理對稻米淀粉體外消化特性的影響,發現半纖維素酶解處理后淀粉體外消化升高最為顯著,與本研究結論相似。

圖1 不同NSP酶解處理不同品種裸燕麥的淀粉水解曲線

經酶解處理的燕麥粉的快消化淀粉、慢消化淀粉和抗性淀粉占總淀粉的百分含量如表4所示。結果表明,相比于對照組(CK),所有樣品經果膠(A)、半纖維素(B)和纖維素(C)3種酶處理后,RDS含量均有顯著升高(P<0.05),SDS含量均有顯著降低(P<0.05),其中半纖維素酶解后RDS含量最高,其次為纖維素和果膠酶解處理。除魏都莜5號和晉燕8號外,其余品種的燕麥樣品經半纖維素和纖維素酶處理后,RS含量均有顯著降低。這是由于燕麥淀粉水解糊化時,非淀粉多糖可以通過包裹淀粉顆粒,或與淀粉分子互作增加米粉體系黏度和凝膠強度來抑制淀粉的水解[37-41]。此外,消化后殘留的較完整的細胞壁結構也可以阻礙消化酶與胚乳中淀粉的接觸[42]。燕麥粉經非淀粉多糖酶解處理后,胚乳細胞壁和淀粉體膜水解,加熱糊化過程中淀粉顆粒更易于崩解,淀粉分子更容易析出,米粉膠體黏度下降,導致RDS含量升高,淀粉水解速率加快,SDS含量下降,最終淀粉水解速率升高。

表4 不同類群燕麥經NSP酶解處理的RDS、SDS和RS含量(n=3)

3 結論

裸燕麥中β-葡聚糖和半纖維素是其非淀粉多糖的主要組成成分,淀粉水解率與β-葡聚糖含量呈顯著負相關(P<0.05),經非淀粉多糖酶解后,淀粉耐消化能力減弱,尤其是半纖維素酶解后淀粉離體消化速率和快消化淀粉含量升高最為顯著(P<0.05),其次為纖維素酶處理,果膠酶處理。因此,裸燕麥中非淀粉多糖均可降低其淀粉體外消化能力,提高β-葡聚糖和半纖維素含量有利于提高裸燕麥淀粉耐消化能力。