近年来,随着经济的发展,生活节奏的加快,饮食习惯的改变,肥胖症、糖尿病等慢性疾病的发病率逐年增长,食物中淀粉的消化、吸收速率与膳食后血糖的关系引起越来越多的关注及研究。科学家JENKINS等[1]提出了衡量食物升血糖能力的概念,即升糖指数[2-3](glycemic index, GI),而徐箐等[4]和ENGLYSTH等[5]则根据人体摄入的食物在胃肠液中消化速度的差异将淀粉分为3大类,即:在20 min内被迅速消化吸收的淀粉称为快速消化淀粉(rapidly digestible starch, RDS);在20～120 min水解速度较慢但被完全吸收的淀粉称为慢消化淀粉(slowly digestible starch, SDS);不能在健康正常人小肠中消化吸收的淀粉及其降解物称为抗性淀粉(resistant starch, RS)。有相关研究表明,食物中直链淀粉和抗性淀粉的含量、淀粉的结构以及一些其他物质都成为GI的主要影响因素[6],直链淀粉含量高的食物,消化速率慢,则GI值低;抗性淀粉含量高的食物,GI值低。
桄榔(Arenga pinnata(Wurmb)Merr)是亚热带和热带一种常见的常绿乔木,主要分布在东南亚和澳大利亚北部,我国常见于广西、云南、广东等地[7-8]。桄榔粉则是用桄榔树的树心研磨成粉状,制作成的一种可供人们食用的淀粉,是广西崇左市龙州县极具特色的食物[9]。李梦赟等[10]在对桄榔粉的研究中发现,与葡萄糖相比,桄榔抗性淀粉可显著增强益生菌在胃肠道环境中的耐受性。桄榔粉是一种高直链淀粉[11-12],从桄榔淀粉的化学结构上看,桄榔粉的功能性可能与其直链淀粉含量高密切相关,而高直链淀粉已被证明具有对健康有利的生理功能,如降血糖、抑制脂肪堆积和促进益生菌生长等[13]。桄榔粉在广西资源丰富,近年来食物的GI引起越来越多人的关注,但桄榔粉GI体外测定的研究目前尚未见有报道。本文以白桄榔粉为主要研究原料,重点对其体外升糖指数进行研究,并与马铃薯淀粉、玉米淀粉进行比较,为桄榔粉的系统研究奠定一定的理论基础,为日后桄榔粉的产品开发提供理论依据,为糖尿病等慢性疾病病人提供食物的选择依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
市售桄榔粉,广西龙州县;玉米淀粉、马铃薯淀粉,海天调味食品股份有限公司;市售白面包;胃蛋白酶(≥1 200 U/g),国药集团化学试剂有限公司;胰酶(4 000 U/g),南宁庞博生物工程有限公司;糖化酶(105 U/g),索莱宝;DNS试剂,广州和为医药科技有限公司;PBS,以达科技有限公司;马铃薯直链淀粉标准液(1 mg/mL),河南标准物质研发中心;马铃薯支链淀粉标准液(1 mg/mL),北京北方伟业计量技术研发院;纤维素酶(98%),麦克林;其他化学试剂均为化学分析纯。
1.2 仪器与设备
Quanta250钨丝灯扫描电子显微镜,美国FEI;MSP-2S离子溅射仪,美国IXRF;BM 1800光学显微镜,南京江南永新光学有限公司制造;Rigaku Miniflex 600粉末衍射仪,日本株式会社理学公司;TG16-WS医用离心机,湖南迈达仪器有限公司;UV1800PC紫外可见分光光度计,上海菁华科技仪器有限公司;HH-S6恒温水浴锅,巩义市予华仪器有限责任公司;DHG-0140A电热恒温鼓风干燥箱,上海煜南仪器有限公司;XR 8932568磁力搅拌器,金坛区西城新瑞仪器厂;JP-300C打粉机,永康市久品工贸有限公司;E-301F雷磁pH计,上海仪电科学仪器股份有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 实验流程图
如图1所示。
图1 桄榔粉升糖指数体外测定的研究流程图
Fig.1 Flow chart of studies on glycemic index determined by in vitro method of Arenga pinnata starch
1.3.2 桄榔粉的纯化
取桄榔粉加入20倍水浸泡24 h,过筛,加入5 g/L的Na2CO3溶液浸提3 h后,过筛,去除滤渣(米黄色粉末),重复3次。用稀盐酸调滤液pH值至9,加入纤维素酶溶液,在45 ℃水浴1 h后,用稀盐酸调pH值至7,再经水洗、静置、过滤、干燥、打粉,过筛,得到纯化桄榔粉[11-12]。
1.3.3 淀粉颗粒的形态观察
称取0.5 g各淀粉样品,加入50 mL蒸馏水,配制成10 g/L的淀粉乳,搅拌均匀后,滴于载玻片上,并加上盖玻片,防止淀粉液产生气泡,影响观察。玻片制备好后,放在光学显微镜下观察,先在低倍镜下找到淀粉颗粒,再用高倍镜选择清晰的视野仔细观察并保存样品图片。
将粘附有少量干燥淀粉样品的导电胶固定在样品台上,在真空条件下进行喷金处理,测试时将样品置于扫描电镜中观察并进行样品拍摄。
1.3.4 粒径测定
根据扫描电镜所得的图片,用Nano Measurer软件对淀粉样品的粒径数据进行收集,用Origin软件对样品的粒径数据进行处理。
1.3.5 X射线衍射测定
准备适量干燥且干净的淀粉样品,进行粉末衍射测定;测定条件:扫描范围为2°～50°,扫描速率为4 °/min。记录各样品的数值。
1.3.6 淀粉样品中总淀粉及直链淀粉含量的测定
参照徐箐等[4]和曾绍校[14]方法,稍加调整后测定总淀粉含量。精确称量各个样品淀粉1.000 0 g,分别加入50 mL纯水,加热至淀粉瞬间糊化,待淀粉冷却后,用乙酸调pH值至4.0～5.0。磁力搅拌器恒温样品到58.5 ℃后,加入1 mL糖化酶,在58.5 ℃下水解1 h后,分别取样液于EP管中,沸水灭酶5 min,冷却后,4 000 r/min离心5 min,取上清液1 mL,用DNS法测定上清液中葡萄糖含量,葡萄糖含量乘以转化因子0.9即为总淀粉含量,葡萄糖标准曲线如图2所示。
图2 葡萄糖标准曲线
Fig.2 Standard curve of glucose
参照GB 7648—1987 《水稻、玉米、谷子籽粒直链淀粉测定法》制作混合标准曲线及测定样品中直链淀粉含量(图3)。
图3 混合标准曲线
Fig.3 Mixed standard curve
1.3.7 淀粉样品中RDS、SDS、RS含量的测定
根据曾绍校[14]和徐箐等[4]的方法进行调整,精确称量各个样品淀粉1.000 0 g,分别加入50 mL pH 1.5的KCl-HCl溶液,用磁力搅拌器加入至37 ℃后加入1 mL的胃蛋白酶,恒温37 ℃反应1 h;1 h后加入60 mL的PBS缓冲剂(0.1 mol/L)调溶液pH值至6.8;加入1 mL胰酶和1 mL糖化酶后,开始样品中淀粉的酶解反应,并在酶解反应的0 min、20 min、120 min、16 h时分别取样,沸水灭酶5 min,冷却后,4 000 r/min离心5 min,取上清液1 mL,用DNS法测定各样液中葡萄糖含量,再按下列公式算出各样品中RDS、SDS、RS值。
(1)
(2)
(3)
式中:RDS,20 min内水解的淀粉含量,%;SDS,20 min～120 min水解的淀粉含量,%;RS,16 h内仍不能水解的淀粉含量,%;m,总淀粉含量,mg;X0,酶解前已被分解的淀粉含量,mg;X20、X120、X16 h,分别是酶解20 min、120 min、16 h后水解的淀粉含量,mg。
1.3.8 淀粉样品体外水解率的测定
在曾绍校[14]、郭会会[15]和苟梦星等[16]的基础上,进行测定方法的调整,即精确称量各个样品淀粉1.000 0 g,分别加入50 mL pH 1.5的KCl-HCl溶液,用磁力搅拌器加入至37 ℃后加入1 mL的胃蛋白酶,恒温37 ℃反应1 h;1 h后加入60 mL的PBS(0.1 mol/L)调溶液pH值至6.8;加入1 mL胰酶和1 mL糖化酶后,开始样品中淀粉的酶解反应,在37 ℃下反应180 min,每30 min取样,沸水灭酶5 min,冷却后,4 000 r/min离心5 min,取上清液1 mL,用DNS法测定各样液中葡萄糖含量。淀粉水解率SR为:
(4)
式中:ρt,t时刻反应体系中葡萄糖质量浓度,mg/mL;ρ0,0 min反应体系中葡萄糖质量浓度,mg/mL;113,酶解反应初始体积,mL;0.9,葡萄糖转化因子;m,样品中总淀粉含量,mg。
算得淀粉水解率后,绘制淀粉水解曲线。
1.3.9 淀粉样品升糖指数的计算
淀粉水解曲线可转化为葡萄糖生成曲线,两者均符合一级反应方程[17-18],酶解反应常数可按下式进行拟合计算:
ρt-ρ0=ρ∞×(1-e-kt)
(5)
式中:k,酶解反应常数,min-1;ρ∞,最大生成葡萄糖质量浓度,mg/mL。
当算得k和ρ∞后,按照下式计算淀粉水解曲线下面积(area under curve,AUC):
(6)
式中:t0,酶解反应开始时间,min;tf,酶解反应结束时间(180 min),min。
然后计算GI值:
(7)
式中:HI,淀粉水解指数;AUC淀粉,淀粉水解曲线下面积;AUC白面包,标准物水解曲线下面积。
1.3.10 数据分析
本文使用Origin 2021软件绘图,用Excel 2016和SPSS 22.0处理数据并对实验结果进行Anova单因素方差分析及Duncan多重比较,P<0.05表示具有显著差异。
2 结果与讨论
2.1 淀粉颗粒形态分析
由图4和图5可知,3种淀粉的光学显微镜和扫描电镜观察结果一致。不同淀粉的形态不同,其中马铃薯淀粉颗粒表面光滑,呈椭圆形;桄榔粉淀粉颗粒表面较光滑且有部分凹陷,呈椭圆形,但与马铃薯淀粉相比,其较为扁长;玉米淀粉颗粒表面有部分凹陷,呈不规则的多角形,以上观察结果与徐箐[4]、ZHANG等[19]观察结果基本一致。3种淀粉的颗粒大小具有显著差异,其中马铃薯淀粉以大颗粒为主,桄榔粉以中等颗粒为主,玉米淀粉以小颗粒为主。淀粉的颗粒大小及形态影响其消化速率,进而影响其升糖指数GI值,颗粒越大,越难消化,GI值越低[20]。由此可预测,玉米淀粉比桄榔粉更易消化,桄榔粉的GI值比玉米淀粉的GI值低,比马铃薯的GI值高。
a-桄榔粉;b-马铃薯淀粉;c-玉米淀粉
图4 三种淀粉在光学显微镜下的观察图(10×40倍)
Fig.4 Observation diagram of three starches under optical microscope
a-桄榔粉;b-马铃薯淀粉;c-玉米淀粉
图5 三种淀粉在扫描电镜下的观察图(×800倍)
Fig.5 Observation of three starches under SEM
2.2 淀粉粒径分析
由图6可知,3种淀粉的粒径呈正态分布,其中马铃薯淀粉的粒径分布范围最广,桄榔粉和玉米淀粉的粒径分布较集中。在3种淀粉样品中,平均粒径由大到小为:马铃薯淀粉[(20.30±7.74) μm]、桄榔粉[(14.24±3.97) μm]、玉米淀粉[(9.65±2.90) μm];该结果与光学显微镜、扫描电镜观察淀粉颗粒大小结果相一致。由此可见,不同种类的淀粉,其淀粉颗粒粒径大小不一致,这也将成为影响不同种类淀粉的消化速率存在差异的因素之一。
D=淀粉平均粒径±标准偏差 μm;桄榔粉:D=(14.24±3.97) μm;马铃薯淀粉:D=(20.30±7.74) μm;玉米淀粉:D=(9.65±2.90) μm
图6 三种淀粉的粒径分布图
Fig.6 Particle size distribution of the three starches
2.3 淀粉的X射线衍射分析
不同淀粉的晶体类型可由X射线图谱中衍射峰的位置确定。晶体类型通常被分A型、B型、C型3种,其中A型晶体2θ在15°、17°、18°、23°有明显衍射峰;B型晶体2θ在5.6°、17°、22°、24°有明显衍射峰;C型晶体是一种混合晶体,具有A和B型晶体的结构特性,其2θ在15°、17°、23°有强衍射峰[12,21]。由图7可知,桄榔粉在15°、17°、23°有明显的衍射特征峰,马铃薯淀粉在5.6°、17°、22°、24°有明显的衍射特征峰,玉米淀粉在15°、17°、18°、23°有明显的衍射特征峰;由此可知,桄榔粉、马铃薯淀粉和玉米淀粉的晶体结构类型依次为C型、B型和A型。由李霞等[6]的相关总结可知,B型晶体是有序六边形排列的双螺旋结构,具有更大螺旋的比例。如图8所示,A型结构淀粉颗粒与B型相比,其更疏松,酶更易进入淀粉内部将其水解,具有更高的消化率[21],而C型结构是A型和B型结合体,因此,晶体类型的水解率由高到低为:A型>C型>B型。根据上述的结果和分析可知,桄榔粉的C型晶体和玉米淀粉的A型晶体,这可能让桄榔粉比玉米淀粉具有更强的抗酶水解能力及抗消化能力,具有更低的GI值。
图7 不同淀粉的X射线衍射图
Fig.7 X-ray diffraction patterns of starches
图8 三种淀粉的双螺旋结构晶体示意图[22-23]
Fig.8 Schematic representation of the crystals of the double helix structure of the three starches[22-23]
2.4 总淀粉和直链淀粉成分分析
由表1可知,马铃薯淀粉、桄榔粉、玉米淀粉的总淀粉含量分别为(72.99±0.03)%、(80.98±0.11)%、(76.60±0.16)%;其中,桄榔粉比马铃薯淀粉和玉米淀粉分别高7.99%、4.38%。3种淀粉中直链淀粉含量由大到小分别为马铃薯淀粉[(56.67±0.22)%]、桄榔粉[(46.67±0.34)%]、玉米淀粉[(44.07±0.29)%],具有显著差异(P<0.05);敖志超[21]研究发现,C型晶体淀粉的直链淀粉含量比A型晶体淀粉高,比B型晶体淀粉低;因此可充分说明马铃薯淀粉和桄榔粉的直链淀粉含量均比玉米淀粉高。桄榔粉中直链淀粉含量为46.67%,该含量与赵鑫鑫等[12]测得的结果相差不大。不同种类淀粉的直链淀粉含量存在较明显的差异,这可能是因为淀粉的植物来源、生长环境和生长特点不同所导致的。相关研究表明,直链淀粉的端点数目相比支链淀粉的端点数目更小,且淀粉酶一定要与淀粉链的末端结合才能发挥作用,因此支链淀粉更易被淀粉酶水解[6],即直链淀粉含量高的淀粉种类具有更强的抗水解能力,这说明桄榔粉和马铃薯淀粉可能比玉米淀粉拥有更低的GI值。
表1 总淀粉和直链淀粉成分表 单位:%
Table 1 The total starch and amylose composition table
样品名称总淀粉含量直链淀粉含量马铃薯淀粉72.99±0.03c56.67±0.22a桄榔粉80.98±0.11a46.67±0.34b玉米淀粉76.60±0.16b44.07±0.29c
注:数据为“平均值±标准偏差”,同列中不同字母表示有显著差异(P <0.05)(下同)。
2.5 淀粉组分分析
由表2可知,3种淀粉的RDS、SDS、RS的含量均有显著差异(P<0.05)。桄榔粉的RDS含量最低,为6.43%,其分别比马铃薯淀粉和玉米淀粉低6.02%、4.79%;玉米淀粉的SDS含量最高,为25.46%,其分别比桄榔粉和马铃薯淀粉高9.38%、17.32%;马铃薯淀粉的RS含量最高,为56.69%,其分别比桄榔粉和玉米淀粉高19.44%、32.60%。不同淀粉种类的淀粉组分存在较大差异,这可能与淀粉的颗粒大小、直链淀粉含量等因素有关,根据上述实验结果可推测淀粉颗粒越小、直链淀粉含量越低,RDS和SDS会越高、RS会越低。相关研究表明,淀粉的消化性和直链淀粉、RDS、SDS、RS含量存在密切关系,直链淀粉的含量越低,RDS和SDS的含量越高,RS的含量越低,淀粉的消化性会越高[4,6],由此可推测,桄榔粉的消化性可能比马铃薯淀粉高,比玉米淀粉低。
表2 淀粉组分表 单位:%
Table 2 Breakdown of starch groups
样品名称RDSSDSRS马铃薯淀粉12.45±0.37a8.14±1.29c56.69±0.53a桄榔粉6.43±0.11c16.08±0.14b37.25±0.33b玉米淀粉11.22±0.21b25.46±0.24a24.09±0.42c
2.6 淀粉体外水解率分析
本实验通过体外模拟法,以白面包为参考对象,检测了3种淀粉体外消化过程中不同时间点水解率的变化,结果如图9所示。白面包和各类淀粉的水解率在180 min内均呈现出先快速上升后缓慢上升的趋势,且白面包对照组的水解率明显高于淀粉组。消化0～60 min,桄榔粉的水解率低于马铃薯淀粉和玉米淀粉;水解90 min后,桄榔粉和玉米淀粉水解率均大于马铃薯淀粉。水解180 min后,白面包的水解率为76.73%,桄榔粉水解率为28.83%,马铃薯淀粉的水解率为26.37%,玉米淀粉的水解率为46.44%;其中,桄榔粉的水解率比与玉米淀粉低17.61%,比马铃薯淀粉高2.46%。从总体上看,淀粉的水解速率和淀粉的最终水解率由大到小的顺序均为:玉米淀粉>桄榔粉>马铃薯淀粉。该结果与前文预测结果相一致,即淀粉颗粒大小、晶体类型、淀粉组分均影响着其水解特性,其中,颗粒越大,水解率越高,C型晶体水解率比A型晶体低,比B型晶体高,直链淀粉和抗性淀粉含量越高,淀粉水解率越低。
图9 不同淀粉的水解曲线图
Fig.9 Hydrolysis curves of different types of starch
2.7 不同种类淀粉的GI值
ISO 26641:2010 《食品血糖指标(GI)测定和食品分类推荐规范》中规定:GI值>70,为高GI食物;55
表3 不同淀粉的GI预测值
Table 3 GI predictive values of different starches
样品ρ∞kAUCHIGI白面包3.04±0.05b0.06±0.00a491.80±4.75a100.00±00a 94.40±0.00a桄榔粉3.29±0.16b0.01±0.00c255.67±2.08c51.98±1.95c53.00±1.69c马铃薯淀粉1.72±0.05c0.03±0.00b250.50±1.28c50.94±0.23c52.10±0.20c玉米淀粉4.30±0.03a0.01±0.00c391.00±2.63b79.51±1.30b76.74±1.12b
3 结论
广西是桄榔粉生产加工的主要产地之一,桄榔粉是一种药食同源的优良原料,具有广泛的应用潜力和良好的经济效益前景。近年来随着低糖饮食文化的兴起,食物的GI引起越来越多的关注,本实验以白桄榔粉为主要研究原料,对白桄榔粉体外升糖指数进行研究,并将其与马铃薯淀粉、玉米淀粉进行比较。通过探究3种淀粉理化性质可知,这3种淀粉的形态结构、粒径大小、晶体结构各不相同;测量3种淀粉成分及组分分析结果表明,3种淀粉的直链淀粉含量、RDS、SDS、RS含量均存在显著差异(P<0.05),其中桄榔粉及马铃薯淀粉的直链淀粉含量、RS含量均比玉米淀粉高,进一步证明了直链淀粉含量、RS含量与淀粉的颗粒大小、形态结构有关。此外,模拟胃肠道体外消化实验显示,桄榔粉的体外水解率高于马铃薯淀粉,低于玉米淀粉,最后计算得出桄榔粉、马铃薯淀粉均为低GI食物,其GI值分别为53.00、52.10,玉米淀粉为高GI食物,其GI值为76.74;进一步证实了淀粉颗粒越大,直链淀粉和RS含量越高,消化速率越慢,GI值越低,3种不同类型晶体的消化速率及GI值由小到大的顺序:B型 [1] JENKINS D J, WOLEVER T M, TAYLOR R H, et al.Glycemic index of foods:A physiological basis for carbohydrate exchange[J].The American Journal of Clinical Nutrition, 1981, 34(3):362-366. [2] WOLEVER T M S, VORSTER H H, BJÖRCK I, et al.Determination of the glycaemic index of foods:Interlaboratory study[J].European Journal of Clinical Nutrition, 2003, 57(3):475-482. [3] GYAU AKYEREKO Y, DUFIE WIREKO-MANU F, ODURO I.Influence of processing methods on food components and glycaemic index of cassava-based traditional foods[J].Journal of Food and Nutrition Sciences, 2020, 8(1):6. [4] 徐箐, 柳嘉, 林静, 等.低GI淀粉原料的筛选及理化特性和体外消化特性的研究[J].食品研究与开发, 2020, 41(20):8-14. [5] ENGLYST H N, KINGMAN S M, CUMMINGS J H.Classification and measurement of nutritionally important starch fractions[J].European Journal of Clinical Nutrition, 1992, 46(Suppl 2):S33-S50. [6] 李霞, 蒋彦婕, 陶亚军, 等.低升糖指数水稻研究进展[J].中国水稻科学, 2022, 36(4):336-347. [7] 韦燕燕, 蒙舒婷, 张海霞.微波消解-ICP-MS法测定桄榔粉中多种元素[J].食品工业, 2020, 41(10):310-313. [8] 梅江洋. 桄榔淀粉多尺度结构与理化性质研究[D].南宁:广西大学, 2021. [9] 黄洁津, 兰秀, 覃杰凤, 等.桄榔粉的开发现状及研究进展[J].农产品加工, 2024(5):88-92. [10] 李梦赟, 任民红, 刘远森, 等.桄榔抗性淀粉调控保加利亚乳杆菌和植物乳杆菌的增殖及耐受性[J].现代食品科技, 2022, 38(2):72-78. [11] 陈斌. 桄榔淀粉纯化工艺及理化特性研究[D].福州:福建农林大学, 2012. [12] 赵鑫鑫, 梁倩, 何锐, 等.不同产地桄榔淀粉结构特性与理化性质研究[J].食品安全质量检测学报, 2021, 12(21):8501-8507. [13] QI X, TESTER R F.Utilisation of dietary fibre (non-starch polysaccharide and resistant starch) molecules for diarrhoea therapy:A mini-review[J].International Journal of Biological Macromolecules, 2019, 122:572-577. [14] 曾绍校. 莲子淀粉品质特性的研究与应用[D].福州:福建农林大学, 2007. [15] 郭会会. 一种新培育高直链玉米淀粉理化性质的研究及低升糖指数饼干研制[D].泰安:山东农业大学, 2021. [16] 苟梦星, 岳春, 李瑞, 等.低GI姜黄功能调制乳的研制及品质分析[J].食品工业, 2023, 44(6):38-43. [17] [18] 王浩瑞, 李小平.血糖生成指数测定方法及加工方式对谷物血糖生成指数的影响研究进展[J].食品科学, 2023, 44(11):338-347. [19] ZHANG L, MEI J Y, REN M H, et al.Optimization of enzyme-assisted preparation and characterization of Arenga pinnata resistant starch[J].Food Structure, 2020, 25:100149. [20] 李恒, 刘静, 孙桂菊, 等.抗性淀粉、脂肪和蛋白质对淀粉体外消化速度的影响[J].卫生研究, 2007, 36(3):308-310. [21] 敖志超, 马玉琦, 张立然, 等.不同晶体类型药食两用植物淀粉粒结构及体外消化研究[J].食品与发酵工业, 2022, 48(15):200-206. [22] 赵米雪, 包亚莉, 刘培玲.淀粉颗粒微观精细结构研究进展[J].食品科学, 2018, 39(11):284-294. [23] WANG R, WANG J, LIU M, et al.Association of starch crystalline pattern with acetylation property and its influence on gut microbota fermentation characteristics[J].Food Hydrocolloids, 2022, 128:107556.
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