杂粮除含淀粉外,还富含膳食纤维、矿物质、维生素及多种活性物质,营养价值高[1],但在加工中添加量少,难以满足优碳饮食需求。合理预处理杂粮并研究其淀粉消化特性,有助于提高抗消化性能,改善膳食结构。
研究表明,淀粉的消化速率和程度对控制餐后血糖水平至关重要[2]。淀粉可分为快消化淀粉(rapidly digestible starch,RDS)、慢消化淀粉(slowly digestible starch,SDS)和抗性淀粉(resistant starch,RS)三类[3]。RDS促使血糖迅速升高,长期食用会增加肥胖和糖尿病的风险;SDS消化较慢,有助于稳定血糖;RS难以在小肠中被吸收,但其在结肠中的发酵过程对健康有益[3]。虽然杂粮能延缓血糖上升,但其淀粉在加工过程中容易糊化,影响血糖波动。近年来,研究人员通过物理、化学和生物酶法等改变淀粉消化速率。化学法和生物酶法成本高,故应用较少,而物理方法因其环保安全而广受关注。湿热处理(heat-moisture treatment,HMT)是一种创新的物理加工方法,它通过热能与水分的协同作用,成为开发健康淀粉食品原料的重要技术手段[4]。HMT被证实可提高淀粉的糊化温度和热稳定性,降低黏度、抑制颗粒膨胀和老化[5-6],同时通过增加SDS和RS含量、减少RDS含量来抑制消化。目前研究多集中在HMT对单一淀粉消化特性的影响,对杂粮颗粒进行HMT并探究其对全杂粮粉淀粉消化特性的影响的研究较少,不同原料和处理条件的影响仍有待研究。
本研究旨在探究湿热处理对杂粮全粉淀粉消化特性的影响,阐明杂粮湿热处理-消化性能-多尺度结构之间的相互影响关系并拓宽其应用,促进杂粮食品营养健康化的发展。
1 材料和方法
1.1 材料与试剂
荞麦、青稞、鹰嘴豆、绿豆,市售;直链淀粉含量检测试剂盒、总淀粉含量检测试剂盒,索莱宝生化试剂盒事业部;3,5-二硝基水杨酸(3, 5-dinitrosalicylic acid,DNS)试剂,上海源叶生物科技有限公司;猪胰酶P7545(8 USP)、淀粉葡萄糖苷酶A7095(260 U/mL),美国Sigma-Aldrich公司;KBr(光谱纯)、冰醋酸(分析纯),天津市科密欧化学试剂有限公司;三水乙酸钠(分析纯),成都市科隆化学品有限公司。
1.2 仪器与设备
200T多功能粉碎机,永康市红太阳机电有限公司;TD-5M台式低速离心机,四川蜀科仪器有限公司;WH-2涡旋振荡器,常州华奥仪器制造有限公司;BPG-9270A恒温鼓风干燥箱,上海一恒科技有限公司;HH-4数显恒温水浴锅,常州普天仪器制造有限公司;HNY-2102C制冷恒温摇床,天津市欧诺仪器仪表有限公司;HBS-SCANX全波长酶标分析仪,南京德铁生物科技有限公司;Bettersize2600激光粒度分布仪,丹东百特仪器有限公司;XD3多晶X射线衍射仪,北京普析通用仪器有限责任公司;DSC差示量热扫描仪,梅特勒-托利多测量设备(上海)有限公司;Nicolet iS50傅里叶变换红外光谱仪,海力晶科学仪器有限公司;SIGMA SEM300扫描电子显微镜,德国卡尔·蔡司股份公司。
1.3 实验方法
1.3.1 湿热处理方法
将杂粮颗粒用去离子水调节至所需水分含量,密封、室温平衡24 h后转移到耐高温高压玻璃瓶中密闭,置于恒温鼓风干燥箱中高温处理一定时间,室温冷却,于40 ℃烘箱中干燥24 h,粉碎过筛,取60～100目筛之间并以固定比例复配杂粮粉(compound multigrain flour,CMF),通过预实验经规划求解法确定杂粮粉的添加比例为荞麦粉∶青稞粉∶鹰嘴豆粉∶绿豆粉=6.02∶30.68∶0.90∶62.40(质量比),以未处理的复配杂粮粉(untreated compound multigrain flour,UCMF)作对照,其中CMF的蛋白质、淀粉、脂肪、直链淀粉质量分数分别为17.50%、52.82%、1.65%和28.83%。根据湿热处理时体系的不同水分含量、处理温度和时间,处理后的样品被分别标记为HMT-水分、HMT-温度、HMT-时间。
1.3.2 湿热处理条件单因素试验设计
固定湿热处理温度为100 ℃,时间为2 h,考察不同水分含量(10%、15%、20%、25%、30%)对CMF抗酶解组分的影响;固定湿热处理水分含量为25%,时间为2 h,考察不同处理温度(90、100、110、120、130 ℃)对CMF抗酶解组分的影响;固定湿热处理水分含量为25%,处理温度为110 ℃,考察不同处理时间(1、2、3、4、5 h)对CMF抗酶解组分的影响。
1.3.3 湿热处理条件的优化
根据Box-Behnken中心组合设计原理,以抗酶解组分(SDS+RS)含量为响应值,采用三因素三水平的响应面设计方法,如表1所示。
表1 湿热处理条件优化响应面取值表
Table 1 Table of optimized response surface values for HMT conditions
水平因素A水分含量/%B温度/℃C时间/h-120100302511041301205
1.3.4 CMF中RDS、SDS、RS含量的测定
参考董诗婷[7]的方法并稍作修改,配制乙酸-乙酸钠缓冲液(0.2 mol/L,pH 5.2)和猪胰酶-淀粉葡萄糖苷酶混酶液,混酶液需现配现用。采用DNS法在波长540 nm处测定CMF在不同酶解时间产生的葡萄糖含量。
RDS、SDS、RS含量按公式(1)～公式(3)计算:
(1)
(2)
(3)
式中:G20、G120分别是酶解20 min和120 min时样品中葡萄糖质量,mg;G0,消化前样品中的游离葡萄糖质量,mg;TS,样品中总淀粉质量,mg。
1.3.5 CMF中直链淀粉含量的测定
采用直链淀粉试剂盒测定湿热处理前后CMF中直链淀粉含量。
1.3.6 CMF溶解度和溶胀力的测定
参考张明[8]的方法并稍作修改。分别在55、65、75、85、95 ℃测定湿热处理前后CMF的溶解度(solubility,S)和溶胀力(swelling power,SP),计算如公式(4)～公式(5)所示:
(4)
(5)
式中:S,溶解度,%;C,上清液中溶解的样品质量,g;W,样品总质量(干),g;SP,样品溶胀力,g/g;D,溶胀样品沉淀的质量(湿),g。
1.3.7 CMF热力学性质的测定
参考王嘉俊等[9]的方法并稍作修改。样品采用差示扫描量热法(differential scanning calorimeter,DSC)在N2流速40 mL/min下进行分析,温度范围25～150 ℃,升温速率10 ℃/min。以空坩埚作为参比,测定起始糊化温度(To)、峰值糊化温度(Tp)、终止糊化温度(Tc)和糊化焓(ΔH)。
1.3.8 CMF中淀粉表面分子短程有序结构的测定
参考廖雪勤等[10]的方法并稍作修改。采用傅里叶红外光谱仪(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)按照样品∶KBr=1∶100(质量比)进行扫描测定。利用Omnic软件对所获光谱数据进行去卷积处理,增强因子1.9,半峰宽19 cm-1,分别计算1 047、1 022 cm-1和995 cm-1处峰强度的比值R1 047/1 022和R1 022/995,在原始光谱上通过基线校准计算α-螺旋(1 650 cm-1)和β-折叠(1 635 cm-1)的峰强度比值[3]。
1.3.9 CMF中淀粉结晶结构的测定
参考刘飞雁[3]的方法并稍作修改。样品采用X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD)进行分析,使用CuKα辐射(λ=1.540 6 Å),管电压40 kV,管电流35 mA。扫描范围为5°～40°(2θ),步长0.02°,扫描速度2°/min。
1.3.10 CMF颗粒形貌的测定
采用扫描电镜观察湿热处理前后CMF的颗粒形貌。
1.3.11 CMF颗粒粒径大小的测定
参考董诗婷[7]的方法,采用激光粒度分析仪测定湿热处理前后CMF的粒径大小。
1.4 数据分析
所有测定均至少重复3次,结果以“平均值±标准差”表示。数据处理和图表绘制采用Excel 2010、Origin 2022和Omnic 9.2软件;响应面试验设计及分析采用Design-Expert 13软件;统计分析采用SPSS Statistics 26软件,组间差异采用LSD检验(多重比较)或独立样本t检验进行显著性分析(P<0.05)。
2 结果与分析
2.1 湿热处理条件对CMF中淀粉消化特性的影响
2.1.1 单因素结果分析
2.1.1.1 湿热处理水分含量对CMF中淀粉消化特性的影响
由表2可知,湿热处理水分含量显著影响杂粮中不同淀粉组分的含量(P<0.05),随着水分含量增加RDS呈先降后增的趋势,SDS和RS呈先增后降的趋势,当水分含量为25%时,抗酶解组分SDS和RS含量均最高,分别为28.71%和17.32%,相比于UCMF分别提高了26.23%和290.97%,提示30%内水分含量的湿热处理能不同程度地提高CMF中淀粉的抗消化性,其原因可能是湿热处理体系中水分子迁移到CMF淀粉颗粒内部,使CMF中淀粉原有氢键结构被破坏,分子链受到的束缚减少,自由运动增加,从而形成新的有序化结构[11],导致SDS和RS增加,淀粉抗消化性增强。
表2 湿热处理水分含量对CMF中淀粉消化特性的影响 单位:%
Table 2 Effect of HMT moisture content on starch digestion characteristics in CMF
水分含量/%RDSSDSRS对照74.39±1.42a21.18±1.26c4.43±1.05e1068.24±0.96b24.74±1.83b7.02±1.11d1562.88±0.90c24.92±0.59b12.20±0.59c2057.64±0.52d27.03±0.95ab15.33±0.68b2553.96±0.47e28.71±1.05a17.32±0.68a3059.51±0.68d27.33±0.44ab13.16±0.67c
注：不同小写字母代表同列数据间差异显著(P<0.05)(下同)。
2.1.1.2 湿热处理温度对CMF中淀粉消化特性的影响
由表3可知,湿热处理温度对CMF中淀粉消化特性影响显著(P<0.05),在90～130 ℃范围内,RDS呈先下降后上升的趋势,抗酶解组分SDS和RS含量呈先上升后下降的趋势,且在110 ℃时最大,分别为28.90%和19.55%,相较于UCMF均显著增加(P<0.05),提示在90～130 ℃温度下的湿热处理能在不同程度上显著提高CMF中淀粉的抗消化性能。WANG等[12]的研究结果与本实验类似,湿热处理下大米SDS含量增加,诱导淀粉多尺度结构发生变化,形成一种新的有序分子聚集结构,更能抵抗酶的作用。
表3 湿热处理温度对CMF中淀粉消化特性的影响 单位:%
Table 3 Effect of HMT temperature on starch digestion characteristics in CMF
温度/℃RDSSDSRS对照74.39±1.42a21.18±1.26c4.43±1.05e9070.29±0.37b24.44±1.07b5.27±0.82e10053.96±0.47e28.71±1.05a17.32±0.68b11051.55±1.11f28.90±0.22a19.55±1.18a12059.69±0.68d27.69±0.74a12.62±0.59c13065.71±1.04c24.44±0.78b9.85±0.62d
2.1.1.3 湿热处理时间对CMF中淀粉消化特性的影响
由表4可知,随着湿热处理时间的增加,RDS含量呈先降后增的趋势,SDS和RS含量呈先增后降的趋势,在处理时间3、4、5 h时SDS含量达到最高且无显著差异(P>0.05),处理时间为4 h时RDS含量显著低于其他处理组(P<0.05),为49.81%,RS含量在该处理条件下显著提升(P<0.05),达到21.17%,表明延长湿热处理时间可能会可促进淀粉分子重排,形成更有序的结构,进而提高其抗消化性[11]。
表4 湿热处理时间对CMF中淀粉消化特性的影响 单位:%
Table 4 Effect of HMT time on starch digestion characteristics in CMF
时间/hRDSSDSRS对照74.39±1.42f21.18±1.26a4.43±1.05a168.61±0.60e23.84±1.13b7.56±0.53b257.04±0.11d26.06±0.22c16.90±0.38c350.71±0.31b29.38±0.37d19.91±0.10e449.81±0.12a29.02±0.52d21.17±0.08f553.55±0.52c28.90±1.02d17.55±0.66d
2.1.2 湿热处理条件优化
为进一步优化工艺参数,在单因素试验的基础上,进行三因素三水平响应面试验,结果如表5所示。
表5 响应面试验设计及结果
Table 5 Response surface experimental design and results
试验号因素响应值A水分含量/%B温度/℃C时间/h抗酶解组分(SDS+RS)含量/%125100344.33225120547.57325110448.94425110448.32520120442.51620110341.79725110449.02820100443.73925110448.171025120346.311130120446.441225100545.491330100441.031425110447.991530110340.111620110543.071730110544.21
2.1.3 响应面模型建立及显著性检验
对表5实验结果进行二次多项回归拟合,得到多元回归方程如下:Y=48.49+0.086A+1.03B+0.96C+1.66AB+0.71AC+0.025BC-4.35A2-0.72B2-1.85C2。回归模型方差分析结果见表6。回归模型具有极高的统计学显著性(P<0.000 1),表明该模型整体拟合良好,失拟项检验结果不显著(P=0.219 6),说明该模型具有统计学意义。由方差分析可知,R2和
接近1,C.V.%远小于10,表明实验的离散程度较低,该模型的置信度高。由显著性检验可知,湿热处理温度和时间对处理后CMF中抗酶解组分含量有极显著影响(P<0.01),在水分含量为20%～30%之间时,湿热处理对CMF中抗酶解组分含量影响不显著(P>0.05)。根据回归模型绘制的三维响应面图和等高线图见图1。
a-响应面图;b-等高线图
图1 两因素交互作用影响湿热处理杂粮中淀粉消化特性的响应面及等高线图
Fig.1 Response surface and contour plots of the interactive effects between factors affecting starch digestion characteristics in HMT multigrains
表6 回归方程方差分析
Table 6 Analysis of variance for regression model
来源平方和自由度均方F值P值显著性模型131.61914.6243.49<0.000 1∗∗A0.059 510.059 50.177 00.686 6-B8.5118.5125.300.001 5∗∗C7.6117.6122.620.002 1∗∗AB10.99110.9932.680.000 7∗∗AC1.9911.995.910.045 3∗BC0.002 510.002 50.007 40.933 7-A279.50179.50236.45<0.000 1∗∗B22.1512.156.410.039 2∗C214.38114.3842.760.000 3∗∗残差2.3570.336 2失拟项1.4930.496 32.300.219 6-误差项0.864 740.216 2总和133.9616R2=0.982 4R2adj=0.959 8C.V.%=1.28
注：表中**表示差异极显著(P<0.01);*表示差异显著(P<0.05);-表示差异不显著(P>0.05)。
2.1.4 最佳条件确定与验证
根据Design-Expert软件分析预测最佳湿热处理条件为:水分含量26.20%,温度116.82 ℃,时间4.28 h,此时CMF中的抗酶解组分含量为49.12%。为方便实际操作,完善最佳处理条件为水分含量26%,温度117 ℃,时间4.3 h,在此条件下重复3次测定湿热处理后CMF的淀粉消化率,抗酶解组分含量为49.08%,接近理论预测值49.12%。
2.2 湿热处理对CMF中直链淀粉含量的影响
控制水分含量为26%,在117 ℃下对CMF湿热处理4.3 h,由图2可知,湿热处理使CMF中直链淀粉含量显著增加(P<0.05),相较于未处理的增加了8.65%,其原因可能是热能和水分协同作用打断支链侧链,从而产生较多的短直链分子。湿热处理过程中的高温可能会破坏支链淀粉最外层的线性链,导致形成类似于直链淀粉的短链,并可能与体系中的其他直链淀粉络合,从而增加直链淀粉含量。一般而言,直链淀粉含量的增加与淀粉抗消化性能的提升呈正相关[13]。上述结果表明,湿热处理在一定程度上能够增强直链淀粉的含量,从而提高CMF的抗消化性。
图2 湿热处理前后CMF中直链淀粉含量
Fig.2 Amylose content in CMF before and after HMT
注:不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。
2.3 湿热处理对CMF溶解度和溶胀力的影响
淀粉颗粒内部结构的紧密程度可通过溶解度和溶胀力来体现[8]。从图3可以看出,HMT-CMF的溶解度和溶胀力均显著低于UCMF(P<0.05)。湿热处理或可导致CMF中支链淀粉发生部分降解,生成短链直链淀粉,进而影响淀粉颗粒的内部结构,使其发生重排[14-15],此外,由此产生的直链淀粉片段与原有支链淀粉之间的相互作用,可能促成新型螺旋结构的构建,分子间作用力增强,更紧密的双螺旋结构提高了淀粉的致密程度,限制了水分子进入淀粉颗粒以及淀粉分子的溶出,从而降低了淀粉的水合能力[15-16],这与曹旭等[15]的研究结果一致。此外,直链淀粉和脂质在湿热处理过程中形成的复合物也会改变淀粉的晶体结构和流变特性,从而抑制淀粉的溶解度和溶胀力[17]。研究发现,溶解度和溶胀力越小,说明淀粉颗粒在受热吸水膨胀的过程中越不易糊化,淀粉的抗消化性能越好[18]。
图3 湿热处理前后杂粮溶解度和溶胀力分析图
Fig.3 Analytic chart of solubility and swelling power of multigrains before and after HMT
注:不同大写字母、小写字母分别表示同一温度不同样品的溶解度和溶胀力之间差异显著(P<0.05)。
2.4 湿热处理对CMF热力学性质的影响
糊化温度越高表明体系中淀粉糊化难度越大,淀粉耐热结构越稳定[19]。ΔH值和淀粉结晶结构的致密程度有关,ΔH越大说明重结晶越多[20]。由表7可知,HMT-CMF的T0、Tp、Tc相较于UCMF均显著增大(P<0.05),ΔH值显著降低(P<0.05),说明湿热处理后CMF中淀粉结构热稳定性增强,在相同处理条件下不易受到糊化的影响,淀粉抗消化性增加。此结果与李冬梅等[21]的报道一致,可能是HMT-CMF中蛋白质与淀粉分子间形成了稳定的复合物结构,阻碍水分进入,需要更多的能量才能破坏淀粉结构,从而导致T0和Tp升高。由于蛋白质与淀粉的结合,抑制了淀粉颗粒糊化,一旦这种结合被破坏,淀粉颗粒迅速糊化并凝胶化,表现为ΔH下降。这表明蛋白质在HMT-CMF中可能起到稳定淀粉结构,增强其抗消化性的作用[21]。
表7 湿热处理前后CMF的热特性参数表
Table 7 Thermal characteristics of CMF before and after HMT
参数UCMFHMT-CMFT0/℃98.60±0.93a101.44±0.84bTp/℃106.29±0.38a107.58±0.51bTc/℃118.88±0.42a120.35±0.57bΔT/℃20.28±0.63a18.91±0.70aΔH/(J/g)844.52±0.95b748.10±1.09a
注：不同小写字母代表同行数据间差异显著(P<0.05)(下同)。
2.5 湿热处理对CMF中淀粉分子短程有序结构的影响
FTIR图不仅可以鉴定淀粉分子链的结构和螺旋结构信息,还可以获取蛋白质的二级结构信息,1 047 cm-1处的特征峰与淀粉的结晶结构有关,1 022 cm-1处的特征峰与淀粉的无定形结构有关,995 cm-1处的特征峰与淀粉C-6羟基的分子内氢键有关[3],即R1 047/1 022的比值越大,淀粉表面的分子短程有序程度越高,R1 022/995的比值越大,分子内氢键作用力越强[14],α螺旋(1 650 cm-1)与β折叠(1 635 cm-1)的变化常用来表征蛋白质的二级结构的变化,α螺旋与β折叠峰强度的比值越大说明蛋白质有序结构越稳定[22]。由图4-a可知,湿热处理后样品的红外光谱图中未出现新的特征吸收峰,表明湿热处理不会导致样品中分子发生衍生化,其中1 200～800 cm-1指代淀粉的吸收峰区域[3]。由图4-b获得的R1 047/1 022和R1 022/995峰强度比值如表8所示。相较于UCMF,HMT-CMF的R1 047/1 022值和R1 022/995值均显著上升(P<0.05),表明湿热处理后淀粉结构短程有序程度和分子内氢键强度增强,可能是由于热能和水分的协同作用破坏了无定形区淀粉分子链的原有排列[15],促使其重排和取向,形成新的双螺旋结构,从而提高了无定形区的短程有序性[23]。有研究表明,淀粉分子短程有序化结构的增强能够促进RS的形成[24],与上述实验结果相符,并在一定程度上为淀粉酶解的延缓提供了解释。此外,HMT-CMF中的α螺旋(1 650 cm-1)与β折叠(1 635 cm-1)峰强度的比值也显著增加(P<0.05),说明湿热处理改变了CMF中蛋白质二级结构,进而影响了蛋白质与淀粉的相互作用,使淀粉组分发生颗粒重排形成更完美的淀粉结晶,导致淀粉的抗消化性能增强[25],其原因可能是湿热处理破坏了折叠的蛋白质分子内部结构,使部分β折叠结构转变为α螺旋结构,β折叠结构部分丢失意味着蛋白质疏水位点的暴露,大量的疏水基团有利于增强凝胶特性,从而增加蛋白质稳定性[26]。蛋白质二级结构的变化,以及蛋白质与淀粉相互作用的改变,可能会通过形成物理屏障,将淀粉紧密包裹在凝结网络结构内部,从而阻碍其与淀粉酶的接触[27],限制淀粉酶对其的水解作用,降低淀粉的消化速率。
a-FTIR图;b-去卷积图谱
图4 湿热处理前后CMF的FTIR图和去卷积图谱
Fig.4 FTIR spectra and deconvoluted spectra of CMF before and after HMT
表8 湿热处理前后CMF的短程有序结构和相对结晶度
Table 8 Short-range ordered structure and relative crystallinity of CMF before and after HMT
指标UCMFHMT-CMFR1 047/1 0220.502±0.004a0.577±0.002bR1 022/9951.397±0.003a1.443±0.002bα螺旋∶β折叠1.060±0.006a1.094±0.003b相对结晶度/%25.56±1.37a 29.36±1.11b
2.6 湿热处理对CMF中淀粉结晶结构的影响
湿热处理前后CMF的XRD曲线和相对结晶度如图5和表8所示。淀粉颗粒由结晶区和无定形区组成,其结晶类型通常可分为A、B、C和V型4种[11]。由图5可知,UCMF的XRD图在2θ约为15°、17°、18.1°和23.3°处呈现比较强的衍射特征峰,说明其淀粉颗粒属于A型结晶结构[11];HMT-CMF的A型特征衍射峰峰形相较于UCMF更加突出,可能是因为湿热处理过程中淀粉分子链的连接性增强,从而形成了更多双螺旋结构[3],湿热处理可能促进淀粉分子链断裂并形成短直链淀粉,进而与脂质形成更多V型复合物,湿热处理可能促进淀粉分子链断裂并形成短直链淀粉,进而与脂质形成更多V型复合物,导致在2θ≈19.8°处出现更强的V型结晶结构[28],脂质与淀粉形成复合物改变了淀粉的晶体结构,该结构能促进淀粉分子链发生重排和取向,同时增加结晶区内双螺旋结构的紧密程度和有序化排列[28],并可能进一步影响淀粉的消化特性,主要通过形成淀粉-脂质复合物[29]和构建物理屏障来阻碍酶的作用[30]。淀粉结晶度受多种因素影响,包括晶体尺寸、支链淀粉含量和平均链长、结晶区内双螺旋排列以及双螺旋间的相互作用强度[8]。由表8可知,HMT-CMF的相对结晶度较UCMF的提高了12.70%,其原因可能是湿热处理破坏了淀粉颗粒中最不稳定的结构,并增强了淀粉分子链之间的自由运动,使淀粉颗粒中的螺旋结构和微晶组织更加完美[8],这与ZHANG等[31]的研究结果类似。上述结果提示湿热处理能够增加CMF中淀粉颗粒的结晶性,使淀粉颗粒结晶区更加稳定,不易受到淀粉酶的攻击,淀粉抗消化性增强。
图5 湿热处理前后CMF的XRD图
Fig.5 XRD plots of CMF before and after HMT
2.7 湿热处理对CMF颗粒形貌的影响
图6为CMF颗粒的扫描电镜图。CMF颗粒表面较光滑,无规则形态,经湿热处理后仍能观察到完整的颗粒结构,但颗粒出现相互聚集现象,颗粒间连接紧密,形成团聚体,说明淀粉颗粒的比表面积减小,与酶的接触位点减少,提示湿热处理后CMF不易被淀粉酶消化水解,这与王伟良等[32]的研究结果一致。
a-UCMF 6 000×,b-UCMF 10 000×;c-HMT-CMF 6 000×;d-HMT-CMF 10 000×
图6 湿热处理CMF颗粒的扫描电镜
Fig.6 SEM images of CMF particles after HMT
2.8 湿热处理对CMF颗粒粒径大小的影响
粒径分布参数中,D[4,3]表示体积平均直径,D[3,2]表示面积平均直径[7],d(0.5)表示体积分数积分达到50%时的颗粒直径,颗粒的比表面积SpSA是指单位质量物质所具有的总表面积,它是颗粒尺寸及其分布、形态、表面结构以及颗粒内部或聚集体内部孔隙等参数的综合体现,D[4,3]和D[3,2]的差值越小,颗粒形态分布越均匀[33]。由表9可知,HMT-CMF颗粒的平均粒径d(0.5)为52.61 μm,相较于UCMF增加了44.28%。HMT-CMF的D[3,2]与D[4,3]的差值为57.40 μm,较UCMF的43.46 μm增加了13.94 μm,说明湿热处理使CMF的颗粒粒径分布范围变宽,形态变得不规则,这与WANG等[12]的研究结果一致。此外,HMT-CMF颗粒的比表面积相较于UCMF显著减小(P<0.05),提示湿热处理使样品颗粒膨胀,形成聚集体,比表面积减小,这与王宏伟等[34]的研究结果一致。综上,湿热处理使CMF颗粒比表面积减小,导致淀粉酶与其接触位点减少,抗消化性能增加。粒径大小变化与SEM结果相符。
表9 湿热处理前后杂粮粒径大小分析
Table 9 Particle size of multigrains before and after HMT
粒径参数UCMFHMT-CMFD[3,2]/μm58.04±0.56a72.92±0.32bD[4,3]/μm14.58±0.25a15.52±0.06bSpSA/(m2/kg)152.03±2.99b143.50±0.73ad(0.5)/μm29.26±0.07a52.61±0.40b
3 结论
在水分含量26%,温度117 ℃,时间4.3 h的湿热处理条件下,复配杂粮粉中直链淀粉含量显著增加(P<0.05),溶解度和溶胀力的显著下降(P<0.05),热稳定性提高,淀粉主要表现为A型结晶结构,V型结晶结构得到加强,淀粉相对结晶度以及有序化程度显著增加(P<0.05),颗粒发生膨胀,粒径大幅度增加,分布范围变宽,形成团聚体,比表面积减小。因此适宜的湿热处理能有效改变复配杂粮粉理化性质、淀粉多尺度结构并产生更为致密的微观结构,这在一定程度上促进了原料中的抗酶解组分的形成,提高了复配杂粮粉中淀粉的抗消化性,该研究结果对慢消化食品的研制和优碳饮食的推广具有积极作用。
[1] 任欣, 张一, 方圆, 等.影响淀粉消化的内外因素[J].中国食品学报, 2021, 21(12):283-292.REN X, ZHANG Y, FANG Y, et al.Internal and external factor affecting starch digestibility:A review[J].Journal of Chinese Institute of Food Science and Technology, 2021, 21(12):283-292.
[2] BIRT D F, BOYLSTON T, HENDRICH S, et al.Resistant starch:Promise for improving human health[J].Advances in Nutrition, 2013, 4(6):587-601.
[3] 刘飞雁. 杂粮挂面淀粉消化特性的影响因素及机制研究[D].无锡:江南大学, 2020.LIU F Y.Study on influencing factors and mechanism of starch digestibility of coarse cereal dried noodles[D].Wuxi:Jiangnan University, 2020.
[4] 闫溢哲, 冯琳琳, 史苗苗, 等.淀粉物理改性技术研究进展[J].食品工业, 2020, 41(3):241-245.YAN Y Z, FENG L L, SHI M M, et al.Progress on physical modification of starch[J].The Food Industry, 2020, 41(3):241-245.
[5] 李少辉, 张柳, 生庆海, 等.湿热处理对豆粉营养品质及面团物化特性的影响[J].食品科学, 2024, 45(14):198-207.LI S H, ZHANG L, SHENG Q H, et al.Effects of heat-moisture treatment on nutritional quality and dough properties of legume flours[J].Food Science, 2024, 45(14):198-207.
[6] ACEVEDO B A, VILLANUEVA M, CHAVES M G, et al.Modification of structural and physicochemical properties of cowpea (Vigna unguiculata) starch by hydrothermal and ultrasound treatments[J].Food Hydrocolloids, 2022, 124:107266.
[7] 董诗婷. 影响菠萝蜜籽淀粉结构与消化性的因素及机制探究[D].广州:华南理工大学, 2021.DONG S T.Study on the factors and mechanisms affecting the structure and digestibility of jackfruit seed starch[D].Guangzhou:South China University of Technology, 2021.
[8] 张明. 湿热协同微波处理对淀粉理化性质及消化性的影响[D].广州:华南理工大学, 2014.ZHANG M.Effect of heat-moisture combined with microwave treatment on physicochemical and digestibility property of starch[D].Guangzhou:South China University of Technology, 2014.
[9] 王嘉俊, 郑瑜雪, 柴子淇, 等.湿热和韧化处理对莜麦淀粉结构及消化特性的影响[J].食品安全质量检测学报, 2022, 13(20):6659-6666.WANG J J, ZHENG Y X, CHAI Z Q, et al.Effects of heat-moisture and annealing treatment on the structure and digestive properties of naked oat starch[J].Journal of Food Safety &Quality, 2022, 13(20):6659-6666.
[10] 廖雪勤, 汪楠, 胡荣, 等.超声处理时间对莲藕淀粉理化和结构特性的影响[J].食品科学, 2024, 45(6):183-191.LIAO X Q, WANG N, HU R, et al.Effect of ultrasound treatment time on physicochemical and structural properties of Lotus root starch[J].Food Science, 2024, 45(6):183-191.
[11] 王宏伟. 湿热处理和脂肪酸复合作用调控大米淀粉消化性能及营养功能的研究[D].广州:华南理工大学, 2017.WANG H W.Understanding the digestion and nutritional function of rice starch subjected to heat-moisture treatment and fatty acid complex[D].Guangzhou:South China University of Technology, 2017.
[12] WANG H W, LIU Y F, CHEN L, et al.Insights into the multi-scale structure and digestibility of heat-moisture treated rice starch[J].Food Chemistry, 2018, 242:323-329.
[13] SYAHARIZA Z A, SAR S, HASJIM J, et al.The importance of amylose and amylopectin fine structures for starch digestibility in cooked rice grains[J].Food Chemistry, 2013, 136(2):742-749.
[14] WEI H X, LIANG B D, CHAI Y R, et al.Effect of different heat treatments on physicochemical properties and structural and digestibility of water caltrop starch[J].Starch- Stärke, 2020, 72(9-10):1900275.
[15] 曹旭, 辛明航, 刘婷婷, 等.湿热处理对油莎豆淀粉理化性质、结构及体外消化特性的影响[J].中国粮油学报, 2022, 37(10):131-137.CAO X, XIN M H, LIU T T, et al.Impact of heat moisture treatment on physicochemical properties, structure and digestive properties of Cyperus esculentus L.starch[J].Journal of the Chinese Cereals and Oils Association, 2022, 37(10):131-137.
[16] DAS A, SIT N.Modification of taro starch and starch nanoparticles by various physical methods and their characterization[J].Starch-Stärke, 2021, 73(5-6):2000227.
[17] AYUNINGTYAS L P, BENITA A M, TRIASTUTI D.Functional properties of hydrothermally modified lesser yam (Dioscorea esculenta) starch[J].IOP Conference Series:Earth and Environmental Science, 2021, 746(1):012007.
[18] ZOU W, SISSONS M, GIDLEY M J, et al.Combined techniques for characterising pasta structure reveals how the gluten network slows enzymic digestion rate[J].Food Chemistry, 2015, 188:559-568.
[19] WANG Y Y, GUO J Y, WANG C Y, et al.Effects of konjac glucomannan and freezing on thermal properties, rheology, digestibility and microstructure of starch isolated from wheat dough[J].LWT, 2023, 177:114588.
[20] PAN J X, LI M, ZHANG S K, et al.Effect of epigallocatechin gallate on the gelatinisation and retrogradation of wheat starch[J].Food Chemistry, 2019, 294:209-215.
[21] 李冬梅, 王洪露, 龚瑶, 等.糜子直链淀粉、蛋白质含量对其外观品质及食味品质的影响[J].食品科学, 2023, 44(4):115-121.LI D M, WANG H L, GONG Y, et al.Effects of amylose and protein contents on visual appearance and eating quality of proso millet[J].Food Science, 2023, 44(4):115-121.
[22] 曹伟超. 含麦麸黑豆酸面团发酵面包的营养与烘焙特性[D].无锡:江南大学, 2021.CAO W C.The nutritional and baking characteristics of wheat bran containing black bean sourdough bread[D].Wuxi:Jiangnan University, 2021.
[23] 张天学. 热处理对青稞淀粉结构和性质的影响[D].广州:华南理工大学, 2016.ZHANG T X.Effect of heat treatment on structure and properties of highland barley starch[D].Guangzhou:South China University of Technology, 2016.
[24] LU Z H, DONNER E, YADA R Y, et al.Physicochemical properties and in vitro starch digestibility of potato starch/protein blends[J].Carbohydrate Polymers, 2016, 154:214-222.
[25] CH
VEZ-MURILLO C E, VEYNA-TORRES J I, CAVAZOS-TAMEZ L M, et al.Physicochemical characteristics, ATR-FTIR molecular interactions and in vitro starch and protein digestion of thermally-treated whole pulse flours[J].Food Research International, 2018, 105:371-383.
[26] 刘紫薇, 朱明明, 王凤新, 等.高温湿热处理对大豆分离蛋白的结构及其功能特性的影响[J].食品与发酵工业, 2021, 47(15):157-164.LIU Z W, ZHU M M, WANG F X, et al.Effect of high temperature hydrothermal treatment on structure and functional properties of soybean protein isolate[J].Food and Fermentation Industries, 2021, 47(15):157-164.
[27] 侯佳曼, 李丹丹, 崔波, 等.牛乳蛋白与淀粉相互作用的研究进展[J].食品工业科技, 2021, 42(21):408-413.HOU J M, LI D D, CUI B, et al.Recent advances in interactions between milk protein and starch[J].Science and Technology of Food Industry, 2021, 42(21):408-413.
[28] 陈瑾, 何大伟, 陈玲.湿热处理环境下咖啡酸/绿原酸对板栗淀粉消化和回生性能的影响[J].华南理工大学学报(自然科学版), 2022, 50(8):41-48.CHEN J, HE D W, CHEN L.Effect of caffeic acid/chlorogenic acid on digestion and retrogradation properties of chestnut starch under heat-moisture treatment[J].Journal of South China University of Technology (Natural Science Edition), 2022, 50(8):41-48.
[29] QADIR N, WANI I A.In-vitro digestibility of rice starch and factors regulating its digestion process:A review[J].Carbohydrate Polymers, 2022, 291:119600.
[30] 刘常念, 郭岩, 张嘉欣, 等.蛋白质/脂质-淀粉相互作用及其对淀粉消化速率减缓作用研究进展[J].食品工业科技,2025,46(9):1-10.LIU C N, GUO Y, ZHANG J X, et al.Protein/lipid-starch interactions and their effect in slowing down starch digestion rate[J].Science and Technology of Food Industry, 2025,46(9):1-10.
[31] ZHANG C J, JIA J H, GAO M, et al.Effect of different heat-moisture treatment times on the structure, physicochemical properties and in vitro digestibility of Japonica starch[J].International Journal of Biological Macromolecules, 2024, 259:129173.
[32] 王伟良, 梁钦梅, 王捷, 等.湿热处理对芋头淀粉糊化和体外消化性能的影响[J].中国粮油学报, 2023, 38(7):87-92.WANG W L, LIANG Q M, WANG J, et al.Effects of heat-moisture treatment on gelatinization and in vitro digestibility of taro starch[J].Journal of the Chinese Cereals and Oils Association, 2023, 38(7):87-92.
[33] 张莹莹. 两种白首乌淀粉结构及其物化性质的研究[D].合肥:安徽农业大学, 2022.ZHANG Y Y.Study on the structure and physicochemical properties of two kinds of Cynanchum auriculatum Royle ex Wight starch[D].Hefei:Anhui Agricultural University, 2022.
[34] 王宏伟, 丁江涛, 张艳艳, 等.湿热处理对薏米淀粉聚集态结构及糊化特性的影响[J].食品科学, 2020, 41(17):111-117.WANG H W, DING J T, ZHANG Y Y, et al.Impact of heat moisture treatment on the aggregation structure and pasting behavior of adlay starch[J].Food Science, 2020, 41(17):111-117.