王艳，张煜松，刘兴丽,2，张艳艳,2，张华,2，王宏伟,2

1.郑州轻工业大学 食品与生物工程学院，河南 郑州 450001；2.河南省冷链食品质量安全控制重点实验室，河南 郑州 450001

0 引言

绿豆(VignaradiataL.)作为重要的食用豆类和传统功能性食品[1]，富含碳水化合物、蛋白质、脂肪、维生素、矿物质、黄酮、酚类等营养成分，具有抗肿瘤、降血脂、清热解毒等功效[2-3]，以绿豆淀粉为原料制作的食品深受人们的喜爱。绿豆中淀粉含量较高，约占全种子质量的54.73%～57.99%，其中较高的直链淀粉含量(30%～45%)使绿豆淀粉具有较好的胶凝能力和黏结性，因此绿豆成为淀粉提取的重要来源[4-5]。作为一种新型膳食纤维，抗性淀粉(Resistant Starch，RS)特殊的分子结构会限制其与酶的结合能力，导致其在肠道中不易被淀粉酶消化、吸收，从而较好地调控餐后血糖反应[4]，可用于开发低热量的功能性食品。目前，RS已引起业界的广泛关注，并成为营养学领域的研究热点。绿豆较高的直链淀粉含量使其成为制备RS的重要原料，如何提高绿豆的RS产量及加工适用性成为亟待解决的问题。

湿热处理(Heat-moisture Treatment，HMT)技术具有工艺简单、节能环保、快速安全等优点，是一种易被消费者接受的绿色环保物理改性技术。淀粉的湿热处理是指将淀粉在较低水分含量(10%～30%)、较高温度(90～130 ℃)条件下处理一定时间(15 min～6 h)，即通过水分子和热的共同作用改变淀粉的结构和理化特性进而影响其应用特性[6]。湿热处理能有效增加RS含量，是制备RS较常见的方法[7]。目前，关于湿热处理增加RS含量的研究主要集中于玉米、大米、小麦、甘薯、马铃薯等谷物及薯类淀粉材料方面[8-10]，如J.L.Chang等[10]研究了湿热处理对马铃薯淀粉消化性能的影响，发现湿热处理能有效增加RS含量。而通过湿热处理增加绿豆中RS含量的研究仍较少。基于此，本文拟采用湿热处理对绿豆淀粉进行改性，研究湿热处理对绿豆淀粉结构及理化特性的影响，以期为研发绿豆RS增值产品提供思路，也为湿热处理制备绿豆RS的研究和应用提供参考和借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

绿豆(豫绿2号)，河南亿昌生物技术有限公司产；KBr、醋酸钠、猪胰α-淀粉酶(8×USP/g)、淀粉糖苷酶(316 U/mL)，美国Sigma公司产；葡萄糖试剂盒，爱尔兰Megazyme公司产。以上试剂均为分析纯。

1.2 主要仪器与设备

TG16-WS型台式高速离心机，湖南湘仪实验室仪器开发公司产；DHG-9140A型电热恒温鼓风干燥箱，上海一恒科技有限公司产；250 mL高压反应釜，上海秋佐科学仪器有限公司产；D8 advance型X射线衍射仪、Vertex 70型傅里叶变换红外光谱仪，德国Bruker公司产；BWS 465-785 S型高性能便携式激光拉曼光谱仪，美国Microtrac有限公司产；RVA 4500型快速黏度测定仪，澳大利亚波通仪器有限公司产；Discovery 型流变仪、DSC Q20型差示扫描量热仪，美国TA公司产；TU-1810PC型紫外可见分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司产；AtlasTM25 T型手动液压机，英国Specac公司产。

1.3 实验方法

1.3.1 绿豆淀粉的制备将绿豆洗净后，与去离子水按照m(绿豆/g)∶V(去离子水/mL)=1∶5混合浸泡12 h；磨浆过100目筛，去除杂质和皮渣，将滤液于3500 r/min条件下离心10 min；于下层沉淀中加入5倍体积的去离子水，搅拌后离心，去除上清液，对下层沉淀进行洗涤，重复上述步骤3次。将洗涤后的下层沉淀于40 ℃烘箱中干燥24 h，粉碎过100目筛，即得绿豆淀粉。

1.3.2 绿豆淀粉的湿热处理准确称量20 g绿豆淀粉(干基)，添加适量去离子水，使淀粉体系中水分含量分别为15%、20%、25%和30%，并于4 ℃条件下平衡24 h。将平衡后的样品转移至200 mL高压反应釜中，于110 ℃干燥箱中湿热处理4 h，将反应结束的高压反应釜取出静置冷却。冷却后将样品取出，于45 ℃烘箱中干燥24 h后，研磨过筛。将湿热处理后的绿豆淀粉样品分别命名为HMT-15、HMT-20、HMT-25和HMT-30，其中15、20、25、30分别代表湿热处理过程中相应淀粉体系的水分含量，将湿热处理前的绿豆淀粉样品作为对照组。

1.3.3 结晶结构测定将湿热处理前后的绿豆淀粉样品于室温下平衡24 h后，将其均匀平铺在样品池中，采用X射线衍射仪测定其结晶结构。参数设置为：工作电压40 kV，管流30 mA，扫描范围2θ=4°～40°，步长0.033°。根据王宏伟[11]的方法计算绿豆淀粉样品的相对结晶度(RC)。

1.3.4 傅里叶红外光谱测定称量约2 mg绿豆淀粉样品(干基)，按照m(绿豆淀粉样品)∶m(KBr)=1∶100添加KBr粉末，于石英研钵中混合研磨均匀，采用手动液压机压制成厚度约0.5 mm的薄片。以4 cm-1的分辨率对每个样品扫描64次，记录绿豆淀粉样品在4000～400 cm-1范围内的红外光谱图，并对所得光谱图进行去卷积和分峰处理。

1.3.5 拉曼光谱测定利用配备785 nm激发光源的高性能便携式激光拉曼光谱仪记录湿热处理前后绿豆淀粉样品的拉曼光谱。参数设置为：测试范围3200～400 cm-1，累计扫描6次，分辨率4 cm-1，以空气为背景。记录480 cm-1处波段的半峰宽(FWHM)。

1.3.6 热力学特性测定采用差示扫描量热仪测定湿热处理前后绿豆淀粉样品的热稳定性。按照m(绿豆淀粉样品)∶m(去离子水)=1∶2配制绿豆淀粉乳液，于4 ℃条件下平衡24 h后，准确称取10 mg绿豆淀粉乳液于测试铝盒中，以10 ℃/min的速率记录绿豆淀粉样品从20 ℃升温至120 ℃的热流曲线，并以密封的空铝盒为参照。

1.3.7 糊化特性测定按照GB/T 24852—2010[12]的方法测定湿热处理前后绿豆淀粉样品的糊化特性。将绿豆淀粉样品配制成质量分数为6%(干基)的淀粉乳液，准确移取25 g淀粉乳液于铝罐中，采用快速黏度测定仪进行分析测定。程序设置为：以960 r/min的转速于35 ℃条件下保温1 min，降速至160 r/min并保持恒定，以5 ℃/min升温至 95 ℃并保温 10 min，随后以5 ℃/min降温至50 ℃并保温10 min。

1.3.8 消化特性测定参照H.N.Englyst等[13]的方法测定湿热处理前后绿豆淀粉的体外消化率，并稍加改动。具体方法为：将1 g绿豆淀粉样品和15 mL醋酸钠缓冲液(0.1 mol/L ，pH值为5.2)于50 mL锥形瓶中混合均匀，分别加入5颗玻璃珠后，放入100 ℃水浴锅中煮制30 min，制得煮熟的绿豆淀粉糊，取出后冷却至37 ℃；将绿豆淀粉糊放入37 ℃、190 r/min的振荡水浴锅中，加入5 mL淀粉酶混合液进行水解；分别在水解20 min和120 min时取0.5 mL水解液，于100倍体积乙醇溶液(体积分数为70%)中灭酶活；将灭酶活的样品于4000 r/min条件下离心10 min，取0.1 mL离心后的上清液，利用葡萄糖试剂盒测定水解过程中的葡萄糖含量，根据不同时间酶解葡萄糖含量计算样品的快消化淀粉(Rapidly Digestible Starch，RDS)、慢消化淀粉(Slowly Digestible Starch,SDS)和RS含量。

1.4 数据处理

上述所有实验均重复3次，数据采用(平均值±标准差)表示。采用SPSS16.0和Origin 2018分析处理软件进行数据分析并作图。

2 结果与分析

2.1 湿热处理对绿豆淀粉结晶结构的影响分析

淀粉的结晶结构是由淀粉双螺旋结构的排列、堆积和取向构成的[14]。图1为湿热处理前后绿豆淀粉的X射线衍射曲线。由图1可知，绿豆淀粉样品分别在2θ为15°、17°、18°和23°处显示特征衍射峰，其中在15°和23°处表现为单峰衍射峰，而在17°和18°处表现为双峰衍射峰，这表明绿豆淀粉为典型的A型结晶类型，这与王立东等[15]的研究结果一致。湿热处理后，绿豆淀粉的特征衍射峰无明显变化，这表明湿热处理未改变绿豆淀粉的结晶类型。根据淀粉结晶区和无定形区在X射线衍射曲线中不同特征衍射峰的表现形式可计算淀粉的RC[16]。湿热处理前后绿豆淀粉的RC如表1所示。由表1可知，湿热处理前绿豆淀粉的RC为31.6%，湿热处理后绿豆淀粉的RC明显降低(P<0.05)，且RC随着体系水分含量的增加进一步降低。这可能是由于在水分子和热的共同作用下，淀粉分子内或分子间的氢键断裂，由氢键构成的双螺旋结构发生一定程度的解旋，阻碍了双螺旋结构间的定向取向和紧密排列，导致绿豆淀粉的RC明显降低。

图1 湿热处理前后绿豆淀粉的X射线衍射曲线Fig.1 X-ray diffraction patterns of native and HMT treated mung bean starch

2.2 湿热处理对绿豆淀粉短程有序化结构的影响分析

在傅里叶红外光谱图中，由于1045 cm-1和1022 cm-1处的特征衍射峰分别与淀粉微观结构中的结晶结构和无定形结构有关，因此可通过计算1045 cm-1与1022 cm-1处峰强度的比值(R1045/1022)研究湿热处理过程中绿豆淀粉聚集结构表面的短程有序化程度[17]。R1045/1022与淀粉短程有序化程度成正比，即R1045/1022越小，淀粉的短程有序化程度越低。图2为湿热处理前后绿豆淀粉的傅里叶去卷积图谱，根据该图计算的R1045/1022见表1。由表1可知，湿热处理显著降低了绿豆淀粉的R1045/1022(P<0.05)，且随着绿豆淀粉水分含量的增加，R1045/1022下降趋势更显著，由未处理前的1.52降至1.15。这表明湿热处理导致绿豆淀粉颗粒的短程有序化程度降低，结构趋于无序，且水分含量越高，湿热处理对绿豆淀粉的短程有序化程度破坏越大。这是由于湿热处理导致绿豆淀粉的螺旋结构比重降低，且随着反应过程中淀粉体系水分含量的增加，更多的水分子给予了淀粉链或其链段更大的自由体积，使淀粉分子链之间原有的氢键被破坏得更彻底，进而使淀粉分子的短程有序化程度降低。

图2 湿热处理前后绿豆淀粉的傅里叶去卷积图谱Fig.2 Deconvoluted FTIR spectra of native and HMT-treated mung bean starch

表1 湿热处理前后绿豆淀粉的RC和短程有序化结构Table 1 RC and short-range ordered molecular structure of native and HMT-treated mung bean starch

拉曼光谱可以用来分析淀粉分子基团和化学键的伸缩振动[18]。图3为湿热处理前后绿豆淀粉的拉曼光谱曲线。由图3可知，湿热处理前后绿豆淀粉的特征基团振动峰的位置无明显变化，表明湿热处理未改变绿豆淀粉的分子结构和化学组成。有研究[19]表明，淀粉的拉曼光谱位移在480 cm-1处特征峰的FWHM与其短程有序结构相关，即FWHM越大，短程有序化程度越低。由表1可知，湿热处理后淀粉的FWHM增加，且随着处理体系中水分含量的增加，FWHM呈上升趋势，表明绿豆淀粉分子的短程有序化程度降低，这与红外光谱的分析结果一致。

图3 湿热处理前后绿豆淀粉的拉曼光谱曲线Fig.3 Raman spectra of native and HMT-treated mung bean starch

2.3 湿热处理对绿豆淀粉热力学特性的影响分析

表2为湿热处理前后绿豆淀粉的热力学参数。由表2可知，与湿热处理前的绿豆淀粉相比，湿热处理明显提高了绿豆淀粉糊化过程中的热转变温度，即起糊温度(To)、峰值温度(Tp)和终止温度(Tc)均升高(P<0.05)，且上述温度均随体系水分含量的增加而逐渐升高。热转变温度的升高是由于湿热处理在破坏淀粉结晶结构的同时，增强了分子间的相互作用，使淀粉分子重排形成热稳定性较高、结构更完善的有序结构(双螺旋和结晶结构)。随着绿豆淀粉处理体系水分含量的增加，这种现象更加明显，这主要是因为水分含量的增加有利于增强淀粉分子链在湿热处理过程中的活性，使分子间更易相互作用生成具有更高热稳定性的有序结构[20]。有研究[21]表明，糊化焓(ΔH)代表淀粉颗粒在糊化过程中破坏其内部结晶结构和无定形结构所需要的能量。湿热处理导致绿豆淀粉ΔH显著降低(P<0.05)，表明湿热处理破坏了绿豆淀粉颗粒的有序结构，且破坏程度随湿热处理过程中体系水分含量的增加而增强。

表2 湿热处理前后绿豆淀粉的热力学参数Table 2 Thermal behavior parameters of native and HMT-treated mung bean starch

2.4 湿热处理对绿豆淀粉糊化特性的影响分析

图4和表3分别为湿热处理前后绿豆淀粉的成糊曲线及对应的糊化特性参数。由图4和表3可知，湿热处理显著增加了绿豆淀粉的起始糊化温度(PT)，并导致峰值黏度(PV)、终值黏度(FV)、崩解值(BD)、回生值(SB)及整体糊化黏度降低。糊化温度的升高是由于在湿热处理过程中，水分子的存在促进了淀粉分子链的迁移，增强了淀粉分子间的相互作用，使热处理过程中破坏淀粉分子间相互作用所需的能量增加。且有研究[22]表明，湿热处理会破坏淀粉结构中不完美的结晶结构，使原有的结晶结构更趋于完美，而破坏这些结晶结构需要的更多热量使淀粉成糊温度升高。上述现象随着湿热处理过程中体系水分含量的增加不断增强，这是由于湿热处理过程中水分含量越多，对淀粉颗粒内部分子链间的促进作用越强。淀粉糊黏度的降低说明改性淀粉的溶胀能力降低，这可能是由于湿热处理增强了淀粉分子的相互作用。而SB的降低则进一步说明了在加热过程中淀粉的热稳定性增强，导致直链淀粉浸出和重排减少。

表3 湿热处理前后绿豆淀粉的糊化特性参数Table 3 Pasting property parameters of native and HMT-treated mung bean starch

图4 湿热处理前后绿豆淀粉的成糊曲线Fig.4 Pasting curve of native and HMT-treated mung bean starch

2.5 湿热处理对绿豆淀粉消化特性的影响分析

表4为湿热处理前后绿豆淀粉的消化特性参数。由表4可知，湿热处理前绿豆淀粉的RDS、SDS和RS含量分别为74.1%、10.3%和15.6%，而湿热处理后绿豆淀粉的RDS含量降低，SDS和RS含量分别增加，且这种趋势随着处理体系中水分含量的增加而不断增强。该结果表明湿热处理降低了淀粉的消化速率。这是由于湿热处理促进了淀粉分子内和分子间氢键的断裂，进而导致晶体结构非晶化(相对结晶度降低)和短程有序化结构降低。但分散的淀粉分子链又会重新排列，增强淀粉分子的热稳定性，降低淀粉分子对酶的敏感性，导致淀粉的消化速率减慢。而随着样品体系中水分含量的增加，更多的水分子给予了淀粉链或其链段更大的自由体积，促进了淀粉分子相互结合形成氢键，促使新的有序化结构形成，进而阻碍了酶的结合位点。

表4 湿热处理前后绿豆淀粉的消化特性参数Table 4 Digestion property parameters of native and HMT-treated mung bean starch %

3 结论

本文研究了湿热处理过程中不同水分含量绿豆淀粉的结晶结构、短程有序化结构、热力学特性、糊化特性及消化特性。结果表明，湿热处理不改变绿豆淀粉的结晶类型，但水分子和热的共同作用改变了绿豆淀粉的聚集结构，导致其相对结晶度和短程有序化程度降低；聚集结构的转变增强了绿豆淀粉的糊化稳定性，提高了体系的热转变温度，降低了绿豆淀粉糊的黏度，即湿热处理在降解淀粉分子链的同时也会使淀粉链的自由运动增强，促进淀粉链的重排和取向；上述结果也导致了湿热处理后绿豆淀粉的RS含量显著增加。本研究可为湿热处理制备RS的研究提供理论依据，并为绿豆增值产品的开发提供参考。