不同品种芸豆淀粉及其抗性淀粉结构和物化特性比较

2020-05-01刘淑婷王志辉张艳莉佐兆杭

中国食品学报 2020年4期

刘淑婷王颖，2，3* 王志辉，2 王迪张艳莉佐兆杭

（1 黑龙江八一农垦大学食品学院黑龙江大庆 163319 2 国家杂粮工程技术研究中心黑龙江大庆 163319 3 黑龙江省农产品加工与质量安全重点实验室黑龙江大庆 163319）

芸豆俗称四季豆，豆科菜豆属（Phaseolus vulgaris L.），其作为我国生产量和出口量位居世界前茅的小宗粮豆作物，品种丰富且营养价值极高[1-2]。淀粉是芸豆中主要碳水化合物来源，其中直支链淀粉比例较高，是制备抗性淀粉的优质原料。抗性淀粉（Resistant starch，RS），又称抗酶解淀粉，指在健康小肠内不能被消化，在大肠中能部分或完全发酵的淀粉或淀粉降解产物[3-4]。RS 作为一种具有类似膳食纤维生理功能的新兴营养物质，具有调节血糖、血脂，调节肠道微生物菌群，防止脂肪堆积等作用[5-6]，备受研究学者关注。

RS3 型抗性淀粉是淀粉经糊化后老化回生产生的一种具有抗酶解结构的淀粉[7]，对比研究抗性淀粉分子结构及物化特性，有利于深入了解其内部结构与抗酶解特性之间的关系。目前，国内外学者对于谷物类、薯类、香蕉抗性淀粉结构性质研究较多[8-10]，对于杂豆类抗性淀粉研究报道较少，尤其罕见不同品种豆类抗性淀粉的结构性质差异。本研究以东北地区主产芸豆为原料，在试验前期平行筛选奶白花芸豆、黑芸豆、红芸豆等10 余种芸豆，根据基本营养成分含量和淀粉中直、支链淀粉比，筛选淀粉含量高、脂肪和蛋白质含量较低的品种作为原料[11]，即紫圆芸豆、奶白花芸豆和红芸豆，分析比较不同品种芸豆淀粉及抗性淀粉的结构特性和物化性质，旨在拓宽芸豆应用领域并为芸豆抗性淀粉的深入研究提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

紫圆芸豆、奶白花芸豆、红芸豆，市售；普鲁兰酶（1 000 ASPU/g）、耐高温α-淀粉酶（20 000 U/mL）、葡萄糖淀粉酶（100 000 U/mL），上海源叶生物科技有限公司；溴化钾、碘化钾、乙醚、氢氧化钠等试剂（分析纯），辽宁泉瑞试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

RVA 4500 型快速黏度分析仪，瑞典波通仪器公司；Nicolet 6700 傅里叶变换红外光谱仪，美国Thermo Fisher 公司；JSM-5610LV 扫描电子显微镜，日本电子株式会社；X-射线粉末衍射仪，荷兰帕纳科公司；TU1810 紫外可见分光光度计，北京普析通用仪器责任有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 碱法制备芸豆淀粉挑选不同品种芸豆清水浸泡去皮，40 ℃烘干后打磨成粉。取适量芸豆粉均匀分散于2%的氢氧化钠溶液中（料液比1∶7），3 h 后反复离心收集底层乳白色沉淀（4 000 r/min，10 min）。取少量蒸馏水溶解沉淀，1 mol/L 盐酸调节溶液pH 为中性，离心弃上清液，沉淀于45 ℃干燥24 h，粉碎过筛即得芸豆淀粉。

1.3.2 压热-酶解法制备芸豆抗性淀粉分别称取10 g 不同品种淀粉，加适量蒸馏水配成质量分数10%的淀粉乳溶液，95 ℃恒温加热搅拌预糊化15 min，121 ℃压热30 min，取出冷却至室温。1 mol/L HCl 调节溶液pH 5.0，普鲁兰酶（10 ASPU/g干基淀粉）55 ℃恒温酶解12 h，沸水浴灭酶后4℃冰箱老化24 h。老化淀粉45 ℃烘干水分，粉碎过80 目筛，即得芸豆抗性淀粉。参照宋洪波等[12]的方法纯化抗性淀粉。

1.3.3 抗性淀粉结构特性测定

1.3.3.1 颗粒形貌取干燥的不同品种芸豆淀粉及抗性淀粉，参照任欣等[13]的方法进行颗粒形态扫描。

1.3.3.2 结晶特性测定采用粉末衍射法。X-衍射操作条件：靶：Cu；管压为40 kV；电流为40 mA；测量角度为2θ=5°～60°，扫描速度为4°/min；数据采集步宽为0.02°。

1.3.3.3 红外光谱扫描测定取2.0 mg 样品与200 mg 干燥KBr 于玛瑙研钵中充分研磨均匀，粉末压片机压片，于傅里叶红外光谱仪中红外光源全波段扫描，波长4 000～400 cm-1，分辨率为4 cm-1，得到不同样品的红外光谱图。

1.3.4 抗性淀粉物化特性测定

1.3.4.1 老化特性测定取3.5 g 样品于铝盒中，加入25 mL 蒸馏水搅拌均匀，35 ℃保温3 min，以6 ℃/min 速率加热至95 ℃，保温5 min，以相同速率降温至50 ℃，仪器配套软件分析结果[14]。

1.3.4.2 溶解度和膨胀度测定取0.5 g 样品加蒸馏水40 mL，分别于50，60，70，80，90 ℃水浴加热30 min，每隔5 min 振荡一次，取出冷却至室温，置于45 mL 己知质量的带盖离心管中，3 500 r/min离心20 min[15]。上清液于120 ℃干燥至恒重后分别称取溶出物质量和管中沉淀物质量。

式中，m1——上清液溶出物质量，g；m2——离心管中沉淀物质量，g；SA——溶解度；SP——膨胀度。

1.3.4.3 冻融稳定性分析取1.5 g 样品置于带盖离心管中，配制成6%淀粉乳溶液，95 ℃恒温水浴30 min，取出冷却至室温，于4 ℃下冷藏24 h，然后-18 ℃下冷冻12 h 取出，室温溶解，3 500 r/min 离心20 min，根据沉淀物质量计算析水率[16]。

式中，I——析水率，%；m1——淀粉糊质量，g；m2——沉淀质量，g。

1.4 数据处理与统计分析

平行试验3 次，SPSS 20 统计学软件分析数据差异分析（P＜0.05），Excel、Origin 软件绘制相关图表。

2 结果与分析

2.1 抗性淀粉结构特性分析

2.1.1 颗粒形貌分析不同品种芸豆淀粉及抗性淀粉颗粒形貌如图1 所示，3 种芸豆天然淀粉颗粒形貌接近，淀粉颗粒表面光滑饱满，未见凹陷损伤痕迹，颗粒大小不一，均呈肾形或椭球形，部分小颗粒呈圆形，推测不同植物来源淀粉颗粒结构存在差异，然而相同来源不同品种的淀粉内部颗粒形貌相似；而抗性淀粉颗粒形貌显著改变，均呈不规则且棱角分明的无定形团块状结构，质地紧密，表面粗糙，横断面呈片层状结构[17]，其中红芸豆抗性淀粉颗粒表面沟壑状尤其明显，推断芸豆品种间差异导致淀粉内部分子链长及直、支链淀粉比例不同，高压加热使淀粉颗粒溶胀成无定形海绵状结构，此外酶作用于支链淀粉α-1，6-糖苷键，在红芸豆淀粉内部产生更多适宜结合成双螺旋结构的短直链淀粉分子[18]，在老化阶段凭借氢键及范德华力形成有序的无规则稳定晶体结构。

图1 不同品种芸豆淀粉及抗性淀粉颗粒形貌扫描图Fig.1 The particle morphology scan of different varieties of kidney bean starch and resistant starch

2.1.2 结晶特性分析不同晶型的淀粉抗酶解性不同：A 型＜B 型＜C 型＜V 型[19-20]。不同品种芸豆淀粉及其抗性淀粉的X-射线衍射图谱如图2 所示。紫圆芸豆、奶白花芸豆及红芸豆淀粉均在15°，17°，23°附近出现较强的衍射峰，表明不同品种芸豆淀粉的晶型结构相同，均为A 型；3 种芸豆抗性淀粉特征衍射峰，说明同一植物来源且同种处理方式的不同品种芸豆抗性淀粉的晶型结构相似，与Evangélica 等[21]的研究相符。与淀粉相比，抗性淀粉在原有晶型基础上，于6°，22°，24°出现了新的衍射峰，均为B 型晶体的特征衍射峰，表明抗性淀粉的晶型由A 型转变为C 型，推测糊化及酶解作用破坏淀粉结晶区双螺旋结构，利于分子骨架重新定向结合成C 型结构，也说明芸豆抗性淀粉比淀粉具有更强的抗酶解性。

图2 不同品种芸豆淀粉及抗性淀粉X-射线衍射图谱Fig.2 X-ray diffraction spectra of different varieties of kidney bean starch and resistant starch

2.1.3 红外光谱分析不同品种芸豆淀粉及抗性淀粉红外光谱扫描图如图3 所示。3 种芸豆淀粉的特征吸收峰相似而不完全相同，分别在2 929.98，2 928.92，2 928.10 cm-1处出现特征吸收峰，对应C-H 伸缩振动峰，1 648.30，1 648.87，1 650.75 cm-1处对应为C=O 振动吸收峰，指纹区在979，859，573 cm-1处出现吸收峰，分别对应CO，C-C 伸缩振动峰和C-H 面外弯曲振动吸收峰[22]；与淀粉相比，抗性淀粉在3 100～3 700 cm-1处吸收峰均变窄，推测糊化使直链淀粉分子溢出，在外力作用下与水分子结合替换先前的分子间氢键，连接方式更致密[23]。抗性淀粉特征吸收峰与原淀粉相同，说明芸豆抗性淀粉压热酶解过程中，未产生新的官能团和化学键，推测抗性淀粉是原淀粉分子链在特定条件下有序重排的产物。

图3 不同品种芸豆淀粉及抗性淀粉红外光谱扫描图Fig.3 Infrared spectra scan of different varieties of kidney bean starch and resistant starch

2.2 抗性淀粉物化特性分析

2.2.1 老化特性分析淀粉是天然大分子葡萄糖聚合物，其内部的糖苷键可在适当温度下与水分子作用发生糊化反应，改变淀粉乳黏度，间接反映淀粉的老化性质[24]。如表1 所示，3 种芸豆淀粉的糊化温度及老化参数差异显著，紫圆芸豆淀粉的峰值黏度显著低于其它淀粉，说明紫圆芸豆淀粉与水的结合能力最弱；奶白花芸豆淀粉衰减值最大，这表明其在3 种芸豆淀粉中热稳定性最差；红芸豆淀粉的糊化温度最低、最终黏度和回生值相对较大，说明红芸豆淀粉易糊化，吸水膨胀且回生能力最强，推测与红芸豆直链淀粉的聚合度及支链淀粉侧链长度相关。

与淀粉相比，芸豆抗性淀粉的糊化温度、峰值黏度、谷值黏度、衰减值、最终黏度及回生值均变化显著。抗性淀粉的糊化温度升高，说明抗性淀粉不易吸水膨胀，推测抗性淀粉在老化过程中凝集成较稳定的双螺旋结构，阻碍淀粉吸水糊化；峰值黏度、谷值黏度、衰减值、最终黏度及回生值显著降低，表明抗性淀粉与水分子的结合能力减小，热稳定性增强，老化能力减弱，具有较强的抗剪切和抗氧化能力。推测压热处理增强淀粉无定形区分子间作用力，故不易与水分子结合；酶解脱支改变抗性淀粉中直链淀粉含量、支链淀粉链长及分子平均聚合度，从而影响抗性淀粉的热稳定性和回生能力[25]。

表1 不同品种芸豆淀粉及抗性淀粉糊老化特征参数Table 1 Characteristics of aging of kidney beans starch and resistant starch paste in different varieties

2.2.2 溶解度和膨胀度分析淀粉的溶解和膨胀与其颗粒形态，直链和支链的比例以及支链淀粉中、长、短链的比例有关，直接反映淀粉结晶区和无定形区结构比例以及分子间氢键的结合程度[26]，间接反映淀粉制品的蒸煮特性。不同品种芸豆淀粉及抗性淀粉的溶解度和膨胀度如图4a～4c 所示，3 种芸豆淀粉及其抗性淀粉的溶解度变化趋势相同，均随温度升高逐渐增大，推测淀粉高温糊化，直链淀粉分子在氢键作用下与水结合增加溶解度；相同温度下芸豆抗性淀粉的溶解度高于芸豆淀粉，推测抗性淀粉内部短直链淀粉含量高，与水结合作用增强，此外高温瓦解稳定的双螺旋结构，分子间氢键被取代导致结构松散，故溶解度升高。90 ℃时奶白花芸豆抗性淀粉溶解度最大，推测奶白花芸豆抗性淀粉内部直、支链淀粉交互作用较弱，利于羟基键结合水分子，故溶解度最高。

由图4d～4f 可知，不同品种芸豆淀粉及其抗性淀粉的膨胀度均随温度升高逐渐增大，推测高温破坏淀粉结晶结构，淀粉颗粒无定形区分子崩解游离，与氢键结合程度增强，吸水量增加从而导致颗粒体积膨胀[27]；当温度低于70 ℃时，抗性淀粉的膨胀度大于原淀粉，当温度高于70 ℃时，其膨胀度低于原淀粉，推测低温时抗性淀粉颗粒内部直链淀粉及短支链淀粉含量多于原淀粉，无定形区结构相对疏松，更易吸水膨胀；高温时抗性淀粉因糊化脱支分子链长度和直、支链淀粉比例改变，颗粒内键结合度强于原淀粉，形成的双螺旋结构更加稳定，故不易膨胀[28-29]。

图4 不同品种芸豆淀粉及抗性淀粉溶解度和膨胀度变化曲线Fig.4 Variation curves of the solubility and expansion degree of starch and resistant starch in different varieties of kidney beans

2.2.3 冻融稳定性分析冻融稳定性是指糊化的淀粉乳溶液经老化后，在反复冷冻、解冻过程中承受物理变化的程度。不同品种芸豆淀粉及抗性淀粉的析水率如表2 所示。芸豆淀粉及抗性淀粉的析水率均随冻融循环次数的增加逐渐增大；3 种芸豆淀粉及其抗性淀粉的析水率差异显著，且芸豆抗性淀粉的析水率均显著高于原淀粉。反复冻融将老化淀粉凝胶结构破坏成海绵状疏松结构，对其产生脱水收缩作用。奶白花芸豆淀粉及抗性淀粉冻融稳定性较好，推测其析水率的大小与直链淀粉分子的结晶作用强弱有关，且冻融稳定性与直链淀粉含量呈正相关，直链淀粉含量越少，淀粉越难老化，析水率越小[30]。与淀粉相比，抗性淀粉析水率增加，冻融稳定差，推测淀粉经高温、高压糊化和酶解作用，将部分支链淀粉侧链切割断裂成短直链淀粉分子，降低分子的持水能力，导致抗性淀粉凝胶具有较差的冻融稳定性，说明芸豆抗性淀粉不适合应用于冷冻食品[31]。