內源性物質對不同品種大米淀粉消化性的影響

高品涵, 薛 薇, 李 婷, 張新霞,王 莉, 王俊仁, 陳正行

(糧食發酵與食品生物制造國家工程研究中心1,無錫 214122)

(江南大學食品學院2,無錫 214122)

(江蘇省生物活性制品加工工程技術研究中心3,無錫 214122)

(江南大學糖化學與生物技術教育部重點實驗室4,無錫 214122)

(江蘇省農墾農業發展股份有限公司現代農業研究院5,南京 210019)

大米是世界上一半以上人口的主要食物,主要成分為淀粉,并且大米在傳統意義上是一種高血糖生成指數(glycemic index, GI)的食物。當GI值在70以上時,為高GI食物;GI值在55～70之間時,為中等GI食物;GI值在55以下時,為低GI食物。長期食用高GI食物會導致某些慢性疾病的發病率增加,如Ⅱ型糖尿病、肥胖、高脂血癥和心血管疾病[1]。近年來,隨著農業育種科學的發展,為滿足特殊人群的需要,科研人員培育了許多低GI值的大米品種,但是其產生低GI值的機理并不明確。

谷物淀粉消化率會受到非淀粉成分的影響,目前的研究表明,大米的蛋白質、脂質和少量膳食纖維都會影響淀粉的消化特性。Ye等[2]的研究表明,內源性脂質和蛋白質可以在淀粉顆粒形成屏障包裹,抑制淀粉顆粒的膨脹,限制淀粉酶對淀粉分子的接觸,從而延緩大米淀粉的酶解。Li等[3]研究發現在熟米粉中蛋白質的物理屏障對大米淀粉消化率的影響較大,在生米粉中蛋白質的化學作用對于大米淀粉消化率的影響更為顯著。目前有關內源性非淀粉對大米淀粉消化特性的研究以單一品種為研究對象,對于不同GI值的大米品種,內源性非淀粉物質對于淀粉消化性的影響強弱差異及其機理尚不明確。

Doongara是一種國際上商品化的低GI大米品種[4],并經過多次血糖實驗驗證[5]。本實驗以2種GI值差異顯著的大米,即Doongara和一種常見高GI大米南粳46作為研究對象,探究內源性非淀粉物質對于不同品種米粉的體外消化率、理化性質及微觀結構的影響,為開發緩慢消化、血糖反應水平較低的米制品提供參考。

1 材料與方法

1.1 主要材料與試劑

南粳46,Doongara,堿性蛋白酶(200 U/mg)和纖維素酶(400 U/mg),豬胰腺α淀粉酶(12 U/mg),糖化酶(3 260 U/mL),D-葡萄糖檢測試劑盒,其他化學試劑均為分析純。

1.2 主要儀器與設備

LXJ-ⅡB型離心機,SH-1000 全自動定量繪圖酶標儀,101FX-1電熱恒溫鼓風干燥箱,HZT-B5000電子天平,MVS-1旋渦混合器,SHZ-82數顯水浴恒溫振蕩器,DZKW-S-6電熱恒溫水浴鍋,FA1004電子分析天平,SU8100 冷場發射掃描電子顯微鏡,RVA 4500 型快速黏度分析儀,DSC3 型差示掃描量熱儀,D2 PHASER 型 X 射線衍射儀,IS10型傅里葉紅外光譜儀。

1.3 實驗方法

1.3.1 基本指標以及血糖生成指數的測定

水分、淀粉、蛋白質、脂質、膳食纖維、直鏈淀粉含量的測定分別按照GB 5009.3—2016、GB 5009.9—2016、GB 5009.5—2016、GB 5009.6—2016、GB 5009.88—2014、GB/T 15683—2008。

Doongara和南粳46的血糖生成指數的測定按照WS/T 652—2019。

1.3.2 內源性非淀粉物質的脫除

取每種大米150 g,用粉碎機研磨10 min,過100目篩,得到米粉,將南粳46和Doongara所得米粉分別標記為HR和LR。

脫除非淀粉成分的方法參考Ye等[2]、趙九永等[6]和Yang等[7]描述的方法并適當修改。

用石油醚萃取法去除米粉中的脂質。將120 g米粉與500 mL石油醚混合,在室溫下連續攪拌過夜,過濾得到固體殘渣,然后重復2次,得到脫脂米粉,分別記為HR-l和LR-l。

采用堿性蛋白酶水解法去除米粉中的蛋白質。將120 g米粉放入燒杯中,加入800 mL 120 U/mL的堿性蛋白酶溶液。在45 ℃水浴中水解2 h,持續攪拌,4 000 r/min離心10 min得到沉淀。重復此步驟,固體殘渣用蒸餾水沖洗至中性pH,最后將脫蛋白米粉干燥,分別標記為HR-p和LR-p。

用酶解法去除米粉中的膳食纖維。將120 g米粉放入燒杯中,加入800 mL 80 U/mL的纖維素酶溶液。在45 ℃水浴中水解2 h,持續攪拌,4 000 r/min離心10 min。重復此步驟,將固體殘渣用蒸餾水沖洗至中性pH,最后將脫膳食纖維米粉干燥,分別標記為HR-c和LR-c。

通過堿提法獲得大米淀粉,將米粉置于去離子水浸泡過夜,用紗布過濾,濾掉較大顆粒。配置0.2%質量分數NaOH溶液,調節米粉乳液pH在10左右,混合、攪拌,浸泡5 h,收集下層沉淀,反復水洗,直至調pH為7,4 000 r/min離心20 min,刮去表層黃色物質,取白色沉淀物,干燥,粉碎過100目篩,得到大米淀粉,分別標記為HRS和LRS。

1.3.3 體外消化特性測定方法

淀粉體外消化是參照Miao等[8]所采用的方法并適當修改。稱取0.022 5 g胰α-淀粉酶溶解在10 mL 0.02 mol/mL醋酸鈉緩沖液中,再加入20 μL淀粉葡萄糖苷酶,磁力攪拌30 min。稱取200 mg待測樣品與10 mL濃度為0.02 mol/mL醋酸鈉緩沖液混合,沸水浴30 min,37 ℃平衡10 min,然后加入10 mL胰α-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶混合液。在消化后10、20、30、60、90、120、180 min吸取上清液0.1 mL與0.9 mL無水乙醇混合以滅活酶,并在10 000r/min下離心5min。隨后,使用D-葡萄糖檢測試劑盒測量孵育混合物的葡萄糖濃度。淀粉消化率由式(1)計算。

淀粉消化率=Gt×0.9 /TS×100%

(1)

式中:Gt為t(0～180 min)時間內釋放的葡萄糖;TS為樣品的總淀粉含量。

快速消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)含量由式(2)～式(4)計算。

RDS =(G20-G0)×0.9 /TS×100%

(2)

SDS =(G120-G20)×0.9/TS×100%

(3)

RS = [TS-(RDS+ SDS)]×0.9 /TS×100%

(4)

式中:G0為水解前淀粉中的葡萄糖含量/mg;G20為20 min內釋放的葡萄糖/mg;G120為120 min內釋放的葡萄糖/mg。

淀粉消化動力學模型為一級反應[9],見式(5),采用非線性擬合分析k和C∞值。

Ct=C∞[1-ekt]

(5)

式中:Ct為消化時間t(min)時消化淀粉的分數;C∞為反應終點消化淀粉的估計量;k為消化速率/min-1。

1.3.4 膨脹力與溶解度的測定

將0.2 g樣品分散在10 mL蒸餾水中配制懸液,分別在55、75、95 ℃下攪拌加熱30 min。然后,在冰浴中快速冷卻,在4 000 r/min下離心15 min。將上清液置于105 ℃烘箱,烘干直至恒重,之后立即稱沉淀物質量。溶解度和膨脹力計算見式(6)和式(7):

溶解度=m2/m1×100%

(6)

膨脹力=m3/[m1×(100-溶解度)] ×100%

(7)

式中:m1為樣品的干質量/mg;m2為上清液中可溶性物質的質量/mg;m3為沉淀物的質量/mg。

1.3.5 熱力學特性的測定

使用差示掃描量熱儀測定樣品的熱力學特性。精確稱取3 mg樣品與去離子水按1∶3的比例置于密封的鋁鍋中,在4 ℃下平衡過夜。然后在氮氣下,以空鍋為參考,以10 ℃/min的速率,在30～100 ℃范圍內掃描平衡樣品。使用熱數據分析軟件STARe Default DB V16.00,確定每次分析的起始溫度(To)、峰值溫度(Tp)、結論溫度(Tc)和焓變(ΔH)。

1.3.6 X射線衍射掃描

使用X射線衍射儀測定樣品的晶型和相對結晶度,按照Ahmad等[10]的方法,并適當修改。衍射條件:室溫,銅靶電壓40 kV,掃描速率為4(°)/min,步長為0.02°,掃描角度2θ為4° ～ 40°。

1.3.7 傅里葉變換紅外光譜掃描

使用傅里葉變換紅外光譜儀在4 000～400 cm-1范圍內以4 cm-1的分辨率記錄光譜,所有測試使用32次掃描。采用FTIR光譜儀自帶的OMNIC 9軟件進行短程有序度分析。對數據進行處理,將光譜轉換為吸光度值,并進行自動基線校正和去卷積。半峰寬度和增強因子分別設置為52和1.9。去卷積后分別在1 045、1 022 cm-1處讀取數值。

1.3.8 糊化特性的測定

稱取3.0 g樣品放入鋁罐中,水質量分數為14%,加入蒸餾水,使總質量為28.0 g。每個樣品在50 ℃下保溫1 min,4.5 min內加熱至95 ℃,95 ℃保溫2.0 min,5.5 min內冷卻至50 ℃,50 ℃保溫2.0 min。

1.3.9 掃描電鏡

取適量樣品均勻分散在雙面膠上,然后粘附于載物架上,置于掃描電鏡下觀察樣品的表觀形貌,加速電壓為5.0 kV,放大倍數為2 000倍。

1.4 數據處理

實驗數據處理使用SPSS 25和Microsoft Excel 2016軟件完成,繪圖使用Origin 2017軟件完成,其中消化動力學模型擬合使用Origin 2017軟件非線性擬合BoxLucas1函數進行擬合,結果表示為平均值±標準偏差(n= 3),P<0.05表示為顯著差異。

2 結果與分析

2.1 基本指標與血糖生成指數

2種米的基本成分如表1所示,Doongara的直鏈淀粉含量顯著高于南粳46,蛋白質含量略高于南粳46,其他基本成分的差異不顯著。人體血糖實驗結果表明,南粳46和Doongara的GI值分別為97和52,分別屬于高GI和低GI食物,因此將南粳46和Doongara分別標記為HR 和LR。

表1 2種大米的基本成分質量分數以及血糖生成指數

2.2 米粉的體外消化分析

經過不同處理的HR和LR樣品的體外淀粉消化參數見表2。對于HR系列的樣品,RDS、SDS、RS以及最終消化率的參數無顯著差異,在消化速率上HR-p、HRS>HR-c>HR-l、HR。對于樣品LR,去除脂質使樣品的最終消化率降低了8.02%,而去除膳食纖維和蛋白質分別使淀粉的最終消化率升高了7.37%和13.28%,且蛋白質的影響大于膳食纖維。在淀粉組成上,脂質的去除對淀粉組成影響較小,蛋白質和膳食纖維的脫除使RS分別降低了11.37%和8.86%,但膳食纖維的脫除使RDS增加了9.95%。

表2 脫除內源性成分后的2種米粉體外消化參數

在HR中,內源性非淀粉成分對于淀粉體外消化的影響較小,在LR中,非淀粉成分對體外淀粉消化的影響顯著。蛋白質和膳食纖維在體外對淀粉消化影響顯著,但脂質影響不顯著。蛋白質和膳食纖維去除導致樣品水解速率增加的原因可能有:1)蛋白質和膳食纖維包裹淀粉,阻止淀粉酶與淀粉結合;2)蛋白質和膳食纖維部分結合淀粉酶,導致酶的消化可用性降低[11, 12]。脂質與直鏈淀粉形成淀粉-脂質復合物從而影響淀粉消化,然而,由于樣品中脂質的含量很低,只能發揮有限的作用[13]。

2.3 膨脹力和溶解度

膨脹力和溶解度可以反映淀粉顆粒與水分子相互作用的程度。當米粉在過量的水中加熱時,淀粉顆粒膨脹,水分子通過氫鍵與暴露的羥基相連,導致直鏈淀粉浸出和支鏈淀粉分子膨脹,淀粉的晶體結構從有序逐漸變為無序[2]。圖1表明,在55 ℃時,樣品間的膨脹力無顯著差異,隨著溫度的升高,米粉的膨脹力增大。75、95 ℃時HR的膨脹力均高于LR的膨脹力,去除脂質后膨脹力無明顯變化。去除蛋白質和膳食纖維后,樣品在95 ℃時的膨脹力顯著提高,HR-p(17.83±0.30)g/g、HR-c(16.65±0.25)g/g樣品的膨脹力高于LR-p(16.22±0.78)g/g、LR-c(13.44±0.27)g/g,這可能是因為蛋白質或膳食纖維的存在限制了淀粉與水結合的能力,將其去除使得淀粉與水的結合能力增加。同時,膨脹力的提高導致在消化過程中淀粉酶有更多的作用位點,使得LR-p、LR-c相較于LR有更高的消化速率。然而,去除蛋白質和膳食纖維后,75 ℃時體系的膨脹力均有所下降,LR-p、LR-c和HR-p、HR-c的膨脹力分都有所降低,這可能是因為蛋白質或膳食纖維存在兩性基團,在糊化溫度前與淀粉競爭吸附水分子。在55、75 ℃時,不同樣品的溶解度無顯著差異。在95 ℃時,樣品的溶解度增加,這可能是由于溫度升高后,淀粉的膨脹和溢出導致LR的溶解度(16.04±0.16)%顯著高于HR的溶解度(9.19±0.43)%,但去除脂質、蛋白質和膳食纖維對米粉本身的溶解度沒有顯著差異。

圖1 脫除內源性成分后的2種米粉膨脹力和溶解度

2.4 熱力學特性

經過不同處理的HR和LR樣品的熱力學特性如表3所示。通過測定不同樣品的起始溫度(To)、峰值溫度(Tp)和終值溫度(Tc),探究了內源性非淀粉物質對于淀粉熱力學特性的影響。結果表明,LR樣品的To、Tp和Tc均高于HR,這說明LR較HR更難糊化。去除脂質后,2種米粉的熱力學特性變化不明顯,這與Ye等[2]之前得出的結論略有不同,可能是因為品種之間脂質含量不同。而蛋白質和膳食纖維的去除顯著降低了2種米粉的Tp和Tc,去除蛋白質使HR和LR的Tp分別從(74.2±0.0)、(69.2±0.2)℃降低至(73.0±0.4)、(67.9±0.1)℃,雖然膳食纖維在米粉中的基本含量很低,但是膳食纖維的去除對淀粉糊化溫度的影響顯著大于蛋白質,峰值溫度接近相對應的淀粉樣品。從米粉中去除蛋白質和膳食纖維使淀粉更容易糊化,也使淀粉顆粒更容易膨脹。

表3 脫除內源性成分后的2種米粉熱力學特性及有序度

2.5 XRD分析

經過不同處理的HR和LR樣品的X射線衍射圖如圖2所示,所有樣品的反射強度均集中在15°、17°、18°和23°左右,為A型淀粉晶體[14]。A型淀粉對于消化酶有更高的敏感性,是更易消化的,所以含有A型結晶淀粉的米粉通常表現出快速消化的特性[15, 16]。

圖2 脫除內源性成分后的2種米粉XRD譜圖

去除不同內源性非淀粉物質后,2種米粉的特征衍射峰位置沒有變化,說明內源性非淀粉物質并不影響樣品的淀粉晶體類型。相對結晶度代表淀粉結晶區域的完整性,與淀粉的糊化性質和消化率有關[17]。HR、HR-l、HR-c、HR-p、HRS和LR、LR-l、LR-c、LR-p、LRS的相對結晶度分別為38.5%、35.4%、36.6%、38.6%、37.6%和35.8%、33.4%、37.0%、44.8%、42.4%。2種米粉的內源非淀粉成分對于相對結晶度起著不同的作用。在HR樣品中,內源性非淀粉物質的去除對相對結晶度沒有顯著影響。而在LR樣品中,去除蛋白質和膳食纖維后,米粉的相對結晶度從35.8%分別增加至44.8%和37.0%,這可能因為蛋白質和膳食纖維的去除導致了支鏈淀粉雙螺旋結構的重新排列[18],從而增加了淀粉酶的可及性,促進淀粉的消化。此外,去除蛋白質后增加的結晶度大于去除膳食纖維增加的結晶度,這可能是因為蛋白質在米粉中的含量遠高于膳食纖維,所以其對相對結晶度的影響更大。Singh等[19]在研究碾磨玉米粉的過程中也發現了類似的結論,隨著蛋白質的連續去除,結晶度逐漸增加。

2.6 傅里葉紅外光譜分析

經過不同處理的HR和LR樣品的傅里葉紅外光譜如圖3所示,脫除內源性成分后傅里葉紅外光譜的特征峰并無顯著區別。1 045 cm-1處的吸收峰與淀粉的晶體結構有關,1 022 cm-1處的吸收峰與淀粉的非晶體結構有關[20],研究表明含有更多短程有序結構的淀粉有更強的抑制消化酶擴散的能力[21]。

圖3 脫除內源性成分后的2種米粉傅里葉紅外光譜圖

從表3中可以看出,LR米粉的短程有序度(0.765±0.002)大于HR的短程有序度(0.737±0.001),這說明LR的低GI特性部分來自于它更大的短程有序結構。對于LR和HR,膳食纖維的脫除降低了米粉的短程有序度,分別降低至0.719±0.000和0.776±0.007;但脂質的去除對短程有序度的影響不大,而蛋白質的去除則將LR樣品的短程有序度提高至0.754±0.007。這可能是因為膳食纖維的去除提高了大米淀粉的短程有序度,破壞了更多的短程雙螺旋[22],導致淀粉的無定形區更易暴露于淀粉酶,從而促進了淀粉的消化。

2.7 RVA分析

經過不同處理的HR和LR樣品的糊化特性如表4所示,RVA曲線如圖4所示。淀粉糊化過程中,水分子會分散淀粉,進入淀粉微晶體并破壞氫鍵,淀粉分子從有序狀態變為無序狀態,雙折射現象消失,黏度急劇上升,形成淀粉糊。對大米而言,內源性非淀粉物質會通過影響水分進入淀粉,從而影響大米淀粉凝膠化[23]。

圖4 脫除內源性成分后的2種米粉RVA曲線圖

表4 脫除內源性成分后的2種米粉糊化特性

HR的峰值黏度(3 418±61)mPa·s顯著高于LR的峰值黏度(2 622±49)mPa·s,說明HR的淀粉吸水、溶脹和凝膠化程度更大。在內源性非淀粉物質的影響上,脫脂米粉與原米粉的峰值黏度差異不顯著,說明脂質的去除對淀粉糊化中的峰值黏度影響不大,這與前人對脫脂米粉和米粉膨脹特性的研究結果不一致[24]。雖然脂質與大米淀粉在加熱過程中可以形成淀粉-脂質復合物[25, 26],并抑制淀粉的膨脹,但米粉中脂質含量很低,作用非常有限。去除膳食纖維或蛋白質都會降低米粉的峰值黏度,去除蛋白質使HR和LR峰值黏度分別降低了5.5%和14.0%,去除膳食纖維使HR和LR峰值黏度分別降低了24.4%和26.4%,膳食纖維對峰值黏度的影響顯著大于蛋白質,這意味著膳食纖維可能在糊化米粉的黏度中發揮更重要的作用。此外,HRS和LRS的峰值黏度分別為(4 649±202)、(3 460±75)mPa·s,顯著高于相應米粉。

樣品的終值黏度是RVA的另一個重要特征值,它與食物食用時的黏度有關,通常會影響食物的消化速度。僅有LR的膳食纖維使終值黏度降低,HR和LR的其他內源性非淀粉物質的脫除對米粉的終值黏度無顯著影響,這意味著只有LR的膳食纖維對米粉的終值黏度起重要作用。

崩解值也是評價淀粉糊化性能的重要指標[27],其反映了達到峰值黏度后的淀粉顆粒繼續受熱時發生破碎的損傷程度,熱穩定性差的淀粉具有較高的崩解值。從崩解值來看,去除蛋白質和膳食纖維都降低了米粉的崩解值,去除蛋白質使HR和LR的崩解值分別從(1 512±7)、(936±11)mPa·s降低至(1 198±27)、(576±8)mPa·s,去除膳食纖維更大程度上降低了淀粉的崩解值,去除膳食纖維也使HR和LR的崩解值分別降低至(675±33)、(344±2)mPa·s。這表明了蛋白質和膳食纖維的去除降低了糊化時米粉顆粒的破碎程度,增加了米粉的穩定性,這一結論與Lutfi等[28]和Zheng等[29]的研究結果相似。

由此可見,在這2個大米品種中,蛋白質和膳食纖維可以不同程度地限制水分子進入淀粉分子,抑制淀粉的糊化,并且影響淀粉糊的最終黏度,從而減緩了淀粉的消化速率,而脂質作用不大。其中,雖然蛋白質的含量遠高于膳食纖維和脂質,但是膳食纖維對于峰值黏度、終值黏度和崩解值的影響更大。

2.8 米粉的表面形貌特征

利用掃描電鏡觀察了經過不同處理的HR和LR樣品的表面形貌特征(圖5)。未處理的2種米粉顆粒相對較大,為10～23 μm,形狀不規則,結構緊湊,HR的米粉顆粒相較LR小5～8 μm。去除脂質后,樣品中存在的小顆粒的比例減少。當去除蛋白質或膳食纖維時,樣品的微觀結構發生了顯著變化,單個顆粒的尺寸減小至3～8 μm,其形狀變成多面體,與相對應的淀粉樣結構十分相似。去除蛋白質或者膳食纖維后,HR的米粉顆粒相較LR大2～3 μm。這些結果表明,米粉中存在的蛋白質和膳食纖維共同包裹淀粉顆粒,可以限制淀粉粒的膨脹及其與消化酶的接觸,從而減緩淀粉消化。

圖5 脫除內源性成分后的2種米粉SEM圖(2 000倍)

3 結論

比較脫除內源性非淀粉物質后GI值不同2種大米米粉的體外消化、理化特性和微觀結構的影響,結果表明:對于LR,內源蛋白質和膳食纖維的脫除可以促進大米淀粉消化,脫除脂質對大米淀粉消化的影響有限,而HR的內源性非淀粉物質對于淀粉消化性的影響并不顯著。HR的膨脹力顯著高于LR,溶解度則反之,蛋白質和膳食纖維能顯著限制HR的膨脹力,并限制消化酶接近淀粉分子。內源性非淀粉物質不改變淀粉的晶體類型,去除蛋白質和膳食纖維顯著提升了淀粉的相對結晶度,增加淀粉酶的可及性。脫除內源性非淀粉物質對于淀粉的熱力學特性和糊化特性有顯著影響,影響的程度為蛋白質>膳食纖維>脂質,并且在LR中的影響更加顯著。去除膳食纖維降低了淀粉的短程有序度,蛋白質和膳食纖維包裹淀粉形成大塊顆粒,抵抗淀粉酶的消化。