作为自然界中分布最广、产量最大的天然多糖,淀粉在食品加工、营养调控及功能性食品开发等领域中发挥着重要作用[1]。淀粉的理化性质、结构特征及其消化行为共同决定了淀粉基食品的加工适应性、质构特性及其对人体代谢的影响[2-3]。然而天然淀粉在耐热性、抗剪切性、抗老化能力及血糖调控等方面存在明显不足,难以满足现代食品加工和功能化应用的需求。物理改性因其绿色、环保、高效的特点成为淀粉改性研究的重要方向。
湿热处理(heat-moisture treatment,HMT)是一种典型的物理改性方法,通常在淀粉糊化温度以下、有限水分条件下进行,具有安全、绿色、高效的优势,已被应用于各类淀粉的改性研究中[4]。研究表明,HMT能够在不破坏淀粉颗粒整体形态的前提下,通过诱导淀粉分子链发生重排,增强分子间氢键作用,从而显著改变淀粉的糊化特性、溶胀行为、流变性质及消化特性[4]。HMT改性淀粉通常表现出更高的糊化温度、更低的溶解度和溶胀力,以及更强的结构稳定性。HMT过程中,水分含量、处理温度、处理时间及处理次数等因素的协同作用共同决定了淀粉结构重构的程度及其功能变化[3]。其中,水分不仅作为热能传递介质,还直接参与淀粉分子链的运动和重排过程。不同含水量条件下,淀粉分子链的迁移能力、双螺旋结构的稳定性以及结晶区与非晶区的相互作用均存在显著差异。现有多集中于单一或少数几个含水量条件下HMT对淀粉性质的影响,但关于含水量梯度变化对淀粉多尺度结构及其功能特性的系统性影响仍缺乏深入研究。
相比单次HMT,重复湿热处理(repeated heat-moisture treatment, RHMT)在改性机制上展现出显著差异。在单次HMT中,热能与水分的输入通常导致淀粉颗粒内部原有氢键断裂、双螺旋解旋,并在随后的冷却过程中发生有限的重排;然而,受限于单次处理的能量与时间,这种结构重组往往是不完全的。而在RHMT的多次加热-冷却循环过程中,淀粉分子链被反复赋予迁移与重排的动能,促使每一次循环都在前一次基础上对分子构象进行迭代修正,使无定形区内的直链淀粉与支链淀粉分支通过氢键发生累积性的有序化交联。这种循环处理能够逐步完善晶体结构、消除结构缺陷,并形成比单次HMT更为致密且均匀的分子网络[5-7]。这使得RHMT在限制颗粒溶胀、调控消化速率以及增强结构稳定性等方面表现出超越单次HMT的潜力。
马铃薯淀粉因其多样的理化特性,如糊化性、增稠性和稳定作用,成为食品和工业应用中最广泛使用的碳水化合物之一[8]。马铃薯淀粉在食品、制药和化妆品等多个领域得到了广泛应用[9-10]。然而,目前针对马铃薯淀粉的研究多集中于单次HMT或其他改性方式,对不同含水量RHMT条件对其结构规律及功能响应机制的研究仍相对不足。因此,本研究以马铃薯淀粉为研究对象,系统考察不同含水量条件下RHMT对其理化性质、流变学行为、体外消化特性及多尺度结构的影响。旨在阐明含水量在RHMT过程中对马铃薯淀粉结构重构及功能调控的作用机制。相关研究成果将有助于深化对HMT条件精细化调控机制的认识,并可为马铃薯淀粉在功能性食品及低消化速率淀粉制品中的应用提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料、试剂与仪器
马铃薯淀粉,产地为河南省郑州市;猪胰腺α-淀粉酶、葡萄糖糖苷酶,美国Sigma公司;葡萄糖氧化酶-过氧化物酶(glucose oxidase-peroxidase, GOPOD)测定试剂盒,爱尔兰Megazyme公司。
Perten RVATM标准型快速黏度分析仪,瑞典珀金埃尔默公司;MCR302e流变仪,奥地利Anton Paar公司。
1.2 试验方法
1.2.1 RHMT
参照Zhang等[5]的方法并进行适当调整。精确称取适量马铃薯淀粉,根据样品初始含水量添加相应体积的蒸馏水,调水分含量至10%、20%、30%,随后将样品密封并于室温环境下平衡24 h。将平衡好的样品置于预热至100 ℃的烘箱中进行2 h的HMT。处理结束后,立即将样品转移至40 ℃烘箱中干燥36 h。干燥后的样品经粉碎并过100目筛,即得到经过1次HMT的淀粉,根据其初始含水量命名为RHMT10%-1、RHMT20%-1、RHMT30%-1。按照上述操作步骤,依次重复3次、5次、7次,分别得到RHMT淀粉RHMT10%-3、RHMT10%-5、RHMT10%-7;RHMT20%-3、RHMT20%-5、RHMT20%-7;RHMT30%-3、RHMT30%-5、RHMT30%-7,最后将HMT后的所有马铃薯淀粉样品烘干、粉碎、过100目筛,装入自封袋中备用。
1.2.2 溶解度与膨胀力测定
参考Kumar等[11]的方法并做适当修改。准确称取0.50 g样品,加入到含有25 mL蒸馏水的离心管中混合均匀,将待测样品置于80 ℃的恒温振荡水浴锅中,水浴振荡30 min。随后将加热的样品快速冷却至25 ℃,3 000 r/min离心15 min。把上清液倒入已干燥至恒重的称量瓶中,并置于105 ℃的干燥箱中烘至恒定质量,称重得到水溶性淀粉质量;离心管中沉淀质量为溶胀的淀粉质量。
1.2.3 糊化性质测定
采用快速黏度分析仪测定样品的糊化特性[2]。称取3 g(干基)淀粉与25 g蒸馏水加入分析仪铝罐中充分混合。测试程序设定为:在50 ℃下保持1 min,随后于3.7 min内升温至95 ℃并保持2.5 min,之后在3.8 min内冷却至50 ℃,并在该温度下维持2 min。记录相关参数。
1.2.4 流变学性质测定
采用流变仪测量样品的流变学性质[2]。
1.2.4.1 静态流变
设定测试温度为25 ℃,于0.100～300.000 s-1的剪切速率范围内,测定凝胶的表观黏度(η)随角频率的变化规律。
1.2.4.2 动态流变
设定温度为25 ℃,将扫描频率固定为10 Hz,对凝胶在剪切应变在0.01%～100%范围内变化时储能模量(G′)、损耗模量(G″)以及损耗因子(tanδ)随角频率的变化情况进行测定,并绘制相应曲线。
1.2.4.3 触变实验
将测定温度恒定设为25 ℃,先使剪切速率以阶梯状从0.10 s-1逐步升高至300.00 s-1,此过程持续50 s,随后再令剪切速率从300.00 s-1逐步降低至0.10 s-1,在此实验条件下对样品的触变性进行测定。并使用Origin 8.5对其触变环面积进行积分计算。
1.2.5 体外消化性质测定
参照课题组建立的方法[3],准确称取200 mg样品置于50 mL离心管中,加入10.0 mL乙酸钠缓冲液并充分分散。将混合溶液于37 ℃水浴中平衡10 min。随后,加入1.5 mL混酶溶液(α-淀粉酶100 U/mL和葡萄糖苷酶150 U/mL),立即开启磁力搅拌器以180 r/min 匀速搅拌。分别于反应开始后20 min 和120 min移取适量水解液,使用GOPOD试剂盒测定葡萄糖浓度。按下列公式计算快消化淀粉(rapidly digestible starch, RDS)、慢消化淀粉(slowly digestible starch, SDS)及抗性淀粉(resistant starch, RS)含量:
(1)
(2)
(3)
式中:0.9,葡萄糖转化为淀粉的因子;TG,样品完全水解后产生的总葡萄糖含量,mg;FG,样品中本身的葡萄糖含量,mg;G20,水解20 min 时产生的葡萄糖含量,mg;G120,水解120 min时产生的葡萄糖含量,mg;TS,总淀粉含量,mg。
1.2.6 淀粉长程结构测定
采用X射线衍射法分析样品的长程结晶结构[6]。以Cu-Kα射线为辐射源,测试条件为工作电压40 kV、电流100 mA。衍射数据在2θ=5°～40° 范围内采集,扫描速率为10 °/min,步长为0.02°。利用Origin 8.5软件对衍射数据进行处理,并据此计算淀粉的相对结晶度。
1.2.7 淀粉短程结构测定
采用傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)表征淀粉颗粒表面邻近区域淀粉链的结构有序性[3]。在4 cm-1分辨率条件下对样品扫描64次,并以透射模式采集4 000～800 cm-1波数范围内的光谱。利用Omnic 8.5软件对1 200～800 cm-1波段进行基线校正并转换为吸光度模式,随后进行去卷积处理。分别记录1 047、1 022、995 cm-1处的峰高。
1.2.8 微观样貌
采用扫描电子显微镜观察样品的微观样貌。将样品置于附着有双面胶的金属桩上,在真空下进行喷金处理,然后在10.0 kV加速电压下,使用放大倍数500×对样品进行观察[7]。
1.2.9 数据统计分析
数据分析使用SPSS 20.0和Origin 8.5软件完成。对于单因素方差分析(ANOVA),采用Duncan多重范围检验法进行多重比较,并以P<0.05作为判断差异显著性的标准。为了确保结果的准确性与可靠性,所有实验均进行了至少3次平行测定,结果最终以“平均值±标准偏差”的形式呈现。
2 结果与分析
2.1 不同含水量RHMT对马铃薯淀粉溶解度和膨胀力影响
溶解度和膨胀力分别表征淀粉在糊化过程中可溶性分子的释放能力以及淀粉颗粒的吸水膨胀特性[12]。如图1所示,不同含水量的RHMT对马铃薯淀粉的溶解度和膨胀力均产生了显著影响(P<0.05),且改性效果与初始水分及处理次数密切相关。所有RHMT均显著降低了淀粉的膨胀力(图1-b),且随着处理水分含量的增加,该抑制作用进一步加剧。这可能是因为含水量越大水分的增塑作用越明显,能够促进淀粉分子链的迁移与重排,增强分子间氢键作用,从而促使颗粒内部形成更加致密的结构,有效限制水分向颗粒内部的渗透,抑制颗粒的膨胀行为[13]。在溶解度方面,不同水分处理组呈现出差异化的演变趋势(图1-a)。30%高含水量条件下,RHMT样品的溶解度随处理次数增加呈显著下降趋势,这可能是由于RHMT引发了颗粒致密化、微晶破坏、分子间相互作用增强及晶型转变等结构变化[12]。但在10%低含水量条件下,所有处理次数下RHMT样品的溶解度均显著高于原淀粉(P<0.05)。此外,20%中等含水量组则表现出波动特征。这种低水分条件下溶解度异常升高以及中等水分条件下的波动现象可能是因为在水分受限的环境中,体系内水分不足以支撑淀粉分子链进行大规模的有序重排和结晶完善;高温热能主要导致了淀粉颗粒内部无定形区原有弱氢键的断裂,增加了局部结构的松散度,并可能引发部分链段的轻微降解,进而促进了加热过程中直链淀粉等可溶性分子的溶出。Li等[14]也报道了类似的结果,RHMT显著降低了小麦淀粉的溶解度和溶胀力,其原因可能是RHMT增强了淀粉分子之间的相互作用。
a-溶解度;b-膨胀力
图1 不同含水量RHMT对马铃薯淀粉溶解度和膨胀力的影响
Fig.1 Effects of RHMT with different moisture contents on the water solubility index and swelling power of potato starch
注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。
2.2 不同含水量RHMT对马铃薯淀粉糊化性质影响
如表1所示,峰值黏度代表颗粒吸水膨胀达到的最大黏度,衰减值则反映了淀粉颗粒在高温和机械剪切作用下的破裂程度与热稳定性。与原淀粉相比,除10%水分下进行1次循环的样品(RHMT10%-1)峰值黏度略有升高外,其余处理组的峰值黏度均显著降低(P<0.05),且30%高含水量组的下降幅度最大(RHMT30%-7降至874.67 cP)。RHMT10%-1样品峰值黏度的异常升高可能与低水分条件下单次处理的有限作用有关。在此条件下,水分含量过低,不足以支持淀粉分子链进行充分的有序重排和结构致密化,而短暂的高温作用主要导致颗粒无定形区内部分弱氢键的断裂和局部结构的松动。这种有限的结构松弛反而使颗粒在糊化初期更易吸水膨胀,呈现出峰值黏度暂时性升高的现象。随着处理次数增加,热累积效应逐渐显现,分子链有序化程度提高,峰值黏度随之下降,这一变化趋势与2.1节中10%水分条件下溶解度异常升高的解释相互印证。20%和30%含水量处理组的衰减值相较于原淀粉呈现大幅降低。这可能是因为在充足水分的增塑作用下,热能的输入促进了淀粉内部晶体结构的重排与致密化。颗粒刚性的增强限制了糊化过程中的过度膨胀,从而提升了颗粒抵抗高温和机械剪切破坏的能力[12]。谷值黏度总体变化与衰减值趋势一致。20%和30%水分处理组的谷值黏度大多维持在略高于原淀粉的水平,证实RHMT增强了颗粒的剪切耐受性;而30%水分下7次循环后谷值黏度显著下降,表明过度处理反而削弱了颗粒结构强度。糊化温度表征启动淀粉颗粒吸水膨胀及晶体熔化所需的最低能量。随着处理水分含量的增加和循环次数的增多,样品的糊化温度显著升高(P<0.05),其中RHMT30%-7样品的糊化温度达到最高(86.45 ℃)。这表明中高水分条件下,RHMT促使淀粉分子间形成了更为稳固的氢键网络,需要更高的热能输入才能破坏这种强化结构[11]。此外,最终黏度和回生值主要反映淀粉糊在冷却阶段可溶性分子的重结晶能力及短期老化倾向[6]。在20%和30%含水量条件下,处理组的最终黏度和回生值均显著低于原淀粉(P<0.05)。这可能是因为中高水分促使颗粒内部形成致密网络,有效抑制了直链淀粉等大分子的溶出,从而导致冷却阶段连续相中参与交联重排的直链淀粉浓度降低,进而显著减弱了淀粉糊的短期老化趋势。相反,10%低含水量组维持了相对较高的回生值,这与其较高水平的直链淀粉溶出率相一致。
表1 不同含水量RHMT对马铃薯淀粉糊化性质影响
Table 1 Effects of RHMT with different moisture contents on the pasting properties of potato starch
样品峰值黏度/cP谷值黏度/cP衰减值/cP最终黏度/cP回生值/cP糊化温度/℃RHMT04 900.33±278.42b2 297.67±143.60b2 602.67±138.04a3 812.00±142.03a1 514.33±11.06a72.38±0.29eRHMT10%-15 427.67±76.07a2 678.00±66.30a2 731.67±47.06a4 144.33±56.62a1 466.33±30.07ab71.77±0.03eRHMT10%-34 734.33±94.63b2 699.00±45.03a2 035.33±49.60b3 993.33±37.85a1 294.33±22.50bc72.92±0.51deRHMT10%-54 318.33±206.53c2 705.00±84.61a1 613.33±122.23c3 985.34±86.00a1 280.33±5.13cd74.07±0.45dRHMT10%-73 788.33±301.33d2 538.67±112.54a1 225.67±183.76d3 785.33±98.09a1 311.67±99.45cde74.40±0.09dRHMT20%-12 165.67±152.84e1 721.67±77.94c444.00±75.62e2 125.00±117.97cd403.33±40.38h77.52±0.03cRHMT20%-31 762.33±143.68f1 743.33±144.79c32.67±18.00f2 834.00±238.51b1 104.33±78.14de82.08±0.42bRHMT20%-51 380.00±58.10gh1 294.33±18.77e85.67±39.50f2 378.33±31.88c1 084.00±21.70e82.35±0.06bRHMT20%-71 275.67±104.71hi1 220.67±98.00e55.00±22.87f1 974.00±418.93d753.33±329.54f82.67±0.55bRHMT30%-11 815.00±201.00f1 639.67±116.69cd175.33±84.76f2 139.67±147.19cd500.00±30.51gh78.57±0.42cRHMT30%-31 594.33±36.95fg1 539.33±33.49d70.00±24.43f2 279.67±256.14cd842.33±60.57f83.38±1.20bRHMT30%-51 011.67±170.33ij962.00±163.09f49.67±34.03f1 633.00±267.72e671.00±122.50fg82.58±2.60bRHMT30%-7874.67±83.34i747.67±71.14g127.00±12.53f1 416.00±131.05e668.33±60.13fg86.45±0.05a
注：同列不同字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。
2.3 不同含水量RHMT对马铃薯淀粉流变学性质影响
2.3.1 静态流变实验结果
淀粉糊的静态流变学性质反映了其在稳态剪切作用下的流动行为,表观黏度随剪切速率的变化揭示了淀粉体系内部分子链的缠结程度以及凝胶网络结构对机械形变的抵抗能力。如图2所示,所有样品的凝胶均表现出表观黏度随剪切速率增加而迅速降低的趋势,属于典型的假塑性流体剪切稀化行为[15]。这主要是由于淀粉糊内部的聚合物大分子链在剪切力场作用下发生顺流向的定向排列,且分子间的氢键缠结网络被部分解开所致[2]。不同含水量的RHMT对马铃薯淀粉的静态流变曲线产生了明显影响,且呈现出强烈的水分和处理次数依赖性。在整个剪切速率范围内,与原淀粉相比,所有处理组的表观黏度均呈现不同程度的下降。在10%水分条件下(图2-a),各处理组的表观黏度曲线与原淀粉较为接近,下降幅度有限。然而,在20%(图2-b)和30%(图2-c)中高水分条件下,淀粉糊的表观黏度随处理循环次数的增加呈现出大幅度的规律性下降。这与2.1节膨胀力及2.2节糊化特性的分析结果一致。淀粉凝胶的表观黏度主要来源于糊化过程中膨胀颗粒所占据的体积以及连续相中大分子间的缠结作用。在20%和30%水分条件下,水分与热能的协同输入促进了淀粉颗粒内部结构的重排与致密化,显著增强了颗粒刚性并限制了其吸水膨胀行为[16]。膨胀程度的降低导致分散相颗粒体积减小,加之内部结构致密化抑制了分子的溶出,共同导致体系内部大分子缠结网络的密度降低,从而显著减弱了淀粉糊的流动阻力与剪切黏度。相反,10%水分处理对颗粒整体结构的致密化作用有限,糊化后体系仍维持相对较高的颗粒膨胀体积和分子缠结程度,因此其表观黏度仅发生轻微下降。
a-10%含水量;b-20%含水量;c-30%含水量
图2 不同含水量RHMT对马铃薯淀粉静态流变学性质影响
Fig.2 Effects of RHMT with different moisture contents on the static rheological properties of potato starch
2.3.2 动态流变实验结果
动态流变学特性主要反映淀粉凝胶在振荡剪切作用下的黏弹性行为[17]。如图3所示,在测试频率范围内,所有样品的G′均始终大于G″,且tanδ远小于1,说明体系整体以弹性固体行为为主。对于10%和20%水分条件下的样品(图3-a、图3-b、图3-d、图3-e),随着RHMT循环次数增加,G′和G″均较原淀粉呈逐步上升趋势,而tanδ逐渐下降(图3-g、图3-h),表明该条件下淀粉分子间作用增强,糊化后凝胶结构更加致密、刚性更强。Zhong等[16]也发现,20%～35%含水量的HMT可显著增强玉米淀粉的结构刚性,与本研究结果一致。相比之下,30%水分组在RHMT 1～5次时,G′和G″持续升高,但当循环次数增加至7次后,流变参数发生明显突变:G′大幅下降,甚至低于原淀粉,同时tanδ显著升高(图3-c、图3-i),表现出更弱的弹性和更强的黏性流动特征。这一变化与前述膨胀力和糊化特性结果相吻合,可能是由于30%水分下经多次热循环后,颗粒结构过度致密化,糊化时吸水膨胀及直链淀粉释放受到严重限制,导致凝胶体系缺乏足够的物理支撑和分子交联,最终引起宏观网络强度下降。
a-10%含水量的G′;b-20%含水量的G′;c-30%含水量的G′;d-10%含水量的G″;e-20%含水量的G′ ;f-30%含水量的G″;g-10%含水量的tanδ;h-20%含水量的tanδ;i-30%含水量的tanδ
图3 不同含水量RHMT对马铃薯淀粉动态流变学性质影响
Fig.3 Effects of RHMT with different moisture contents on the dynamic rheological properties of potato starch
a-10%含水量;b-20%含水量;c-30%含水量
图4 不同含水量RHMT对马铃薯淀粉触变性质影响
Fig.4 Effects of RHMT with different moisture contents on the thixotropic properties of potato starch
2.3.3 触变实验结果
淀粉凝胶的触变性反映了其在剪切力场中内部网络结构的破坏与恢复动态过程。触变环面积(ΔA)代表了破坏淀粉体系三维网络结构所需的能量,ΔA越小表明凝胶在剪切作用下的结构破坏程度越低,剪切稳定性越高[18]。如图4所示,在10%低水分条件下(图4-a),凝胶的触变环面积随循环次数呈现先升高后降低的趋势。其中,RHMT10%-1的ΔA升至91 635 Pa/s,高于原淀粉的68 135 Pa/s。这可能与低水分处理下淀粉颗粒局部结构松散及直链淀粉大量溶出有关,大量游离的分子链在连续相中形成缠结网络,其在剪切作用下更容易遭到破坏。随着循环次数增加至7次,ΔA降至50 571 Pa/s,表明热累积效应开始轻微增强体系的剪切稳定性。在20%(图4-b)和30%(图4-c)中高水分条件下,处理组的ΔA较原淀粉发生大幅下降。这可能是因为在中高水分条件下,由于颗粒内部结构发生致密化重排,颗粒吸水膨胀行为受限且直链淀粉难以溶出,糊化体系内未能形成较强的大分子缠结网络。在连续剪切过程中,刚性且致密的淀粉颗粒主要发生相互滑移,凝胶体系内缺乏可被大量破坏的网络节点。
2.4 不同含水量RHMT对马铃薯淀粉体外消化性质影响
如表2所示,不同含水量的RHMT对马铃薯淀粉的消化特性产生了显著影响(P<0.05)。原马铃薯淀粉具有较高的抗消化特性,RS含量为53.57%。在10%水分条件下,经过多次循环处理后,样品的RDS含量显著上升,而RS含量大幅下降至6.84%(RHMT10%-7)。水分严重受限的环境中,热处理可能会通过引发颗粒内部局部结构的松散和部分大分子链的降解,降低内部的空间位阻,从而使得消化酶更容易结合并迅速水解淀粉分子。
表2 不同含水量RHMT样品的淀粉组分分布
Table 2 Distribution of starch fractions in samples before and after RHMT with different moisture contents
样品RDS/%SDS/%RS/%RHMT014.73±0.12i31.70±0.66d53.57±0.75cRHMT10%-142.93±0.55d41.57±1.00b15.50±1.47gRHMT10%-344.13±1.26c39.30±0.61c16.57±1.81gRHMT10%-548.53±1.33b40.97±0.55b10.50±1.89hRHMT10%-751.13±0.61a42.03±0.55b6.84±0.93iRHMT20%-113.00±0.10j30.13±0.77 d56.87±0.76bRHMT20%-325.33±0.32g41.53±0.40b33.14±0.51eRHMT20%-533.00±0.72f43.83±1.23a23.17±0.74fRHMT20%-737.80±0.10e39.33±0.68c22.87±0.78fRHMT30%-122.07±0.96h26.33±1.51f51.60±0.62dRHMT30%-311.57±0.49l28.47±1.79e59.96±1.80aRHMT30%-512.33±0.23kl30.10±0.36d57.57±0.59bRHMT30%-712.57±0.32kl30.23±0.65d57.20±0.69b
随着初始水分含量提升至20%,马铃薯淀粉中的SDS含量的显著增加(P<0.05)。这表明在中等水分条件下,适度的增塑作用促使淀粉分子链发生部分重排与交联,但未能形成完全阻隔消化酶的致密网络。这种不完全的结构重组在颗粒内部形成了适度的空间位阻,恰好能够延缓而非完全阻止消化酶的酶解进程,从而促进了SDS的生成。经过5次循环处理后,RHMT20%-5样品的SDS含量由原淀粉的31.70%显著提升至43.83%(P<0.05)。Huang等[6]发现30%含水量有利于红薯淀粉中SDS的形成,同时伴随着RDS含量的显著增加和RS含量的降低,这与本研究中20%含水量RHMT组样品的消化结果一致。Zhang等[5]研究同样发现RHMT后淀粉中SDS和RDS含量的增加并伴随着RS含量的减少,认为可能是由于有序淀粉链的部分破坏以及淀粉分子之间的弱连接所致。研究表明SDS在小肠中消化吸收较为缓慢,能够提供平稳的能量并有助于维持餐后血糖稳定,因此20%水分条件下改性的淀粉展现出制备低血糖生成指数配料的良好潜力。当水分含量进一步提高至30%时,RHMT显著增强了淀粉体系的抗酶解能力。在充足水分的增塑作用下,淀粉双螺旋在反复的热循环中发生更为充分的迁移与有序重排,在颗粒内部构建了较为致密的交联网络。这种结构致密化产生了强烈的空间位阻效应,有效阻隔了消化酶向颗粒内部的渗透与水解。因此,经过3次循环处理后(RHMT30%-3),样品的RS含量达到了59.96%的峰值,显著高于原淀粉(P<0.05),同时其RDS含量显著降至11.57%,这与Lee等[19]报道的结果一致。Qi等[20]的研究也表明,随着HMT初始含水量的增加,大米淀粉的消化速率显著降低,RS含量显著增加,这主要归因于HMT诱导的直链淀粉的解体和重组,使得无定形区变得更致密,从而降低了淀粉对酶的敏感性。
2.5 不同含水量RHMT处理对马铃薯淀粉长程结构影响
如图5所示,原马铃薯淀粉在衍射角(2θ)为5.6°、15°、17°、22°和24°附近有特征衍射峰,为典型的B型结晶[1]。经RHMT后,样品的晶型未发生改变,但衍射峰的强度和宽度发生了明显变化。特别是代表B型结晶中心水合特征的5.6°衍射峰,在中高水分(20%和30%)处理后明显减弱。这表明RHMT可能会通过改变结晶内部的部分结合水,诱导晶体结构发生局部改变。如表3所示,在10%和20%含水量条件下,大部分处理组的相对结晶度显著高于原淀粉。这表明有限的水分和热能可能会促使淀粉分子链重排,形成了更加完善的结晶区[4]。在30%高含水量条件下,相对结晶度的演变呈现出明显的波动。其中,RHMT30%-3和RHMT30%-7样品的结晶度分别显著至13.11%和13.05%(P<0.05),低于原淀粉。这说明当水分达到30%时,充分的增塑作用使得热能足以破坏原有的部分长程结晶结构,导致微晶发生部分熔化或发生取向偏离,形成更无序的结构[21]。这与2.4节得到的结论相一致。
表3 不同含水量RHMT对马铃薯淀粉的长程结构和短程结构参数影响
Table 3 Effects of RHMT with different moisture contents on long-range structure and short-range structure parameters of potato starch
样品相对结晶度/%1 047 cm-1/1 022 cm-1995 cm-1/1 022 cm-1RHMT015.56±0.73cd1.09±0.020.64±0.01eRHMT10%-116.60±0.92bcd0.94±0.010.73±0.02cRHMT10%-317.74±0.57abc1.20±0.02g0.57±0.01fRHMT10%-519.11±0.73abc1.36±0.03d0.53±0.00fRHMT10%-717.67±0.13abc1.13±0.01h0.65±0.04deRHMT20%-118.20±0.41abc1.23±0.02g0.69±0.03cdRHMT20%-316.53±0.53bcd1.47±0.01b0.83±0.03bRHMT20%-518.41±0.31abc1.47±0.03b0.52±0.02gRHMT20%-722.16±0.85a1.39±0.01cd0.96±0.03aRHMT30%-120.52±0.23ab1.402±0.010c0.64±0.02eRHMT30%-313.11±0.77d1.327±0.018e0.43±0.01hRHMT30%-519.15±0.97abc1.277±0.034f0.59±0.01fRHMT30%-713.05±0.50d1.622±0.029a0.71±0.01c
a-10%含水量;b-20%含水量;c-30%含水量
图5 不同含水量RHMT对马铃薯淀粉的长程结构影响
Fig.5 Effects of RHMT with different moisture contents on the long-range structure of potato starch
降
2.6 不同含水量RHMT对马铃薯淀粉短程结构影响
如图6所示,所有改性样品的FTIR谱图均未出现新的特征吸收峰,表明该处理过程属于物理改性。1 047 cm-1和1 022 cm-1处的吸收峰分别对结晶区和无定形区敏感,1 047 cm-1/1 022 cm-1常被用于表征淀粉表层的短程有序度;995 cm-1处的吸收峰与淀粉双螺旋结构内部的氢键作用有关,995 cm-1/1 022 cm-1反映了双螺旋结构的相对含量[22]。如表3所示,不同含水量的RHMT对马铃薯淀粉的短程结构产生了显著调控(P<0.05)。在20%中等含水量条件下,处理组的短程有序度和双螺旋相对含量总体呈现上升趋势。Lyu等[23]研究发现HMT青稞淀粉的1 047 cm-1/1 022 cm-1比值显著增加,这与本研究结果一致。在10%低含水量条件下,体系的短程结构参数呈现一定的波动。这说明有限的水分不足以支持分子链进行大规模有序重排,热能的累积主要破坏了部分原有的双螺旋结构并导致局部解聚。30%含水量条件下,淀粉的短程有序结构显著提高(P<0.05)。值得注意的是,30%水分组短程有序度与RS含量随RHMT循环次数的变化趋势呈现出明显的对应关系。FTIR所反映的双螺旋相对含量(995 cm-1/1 022 cm-1比值)逐步升高,与此同时,2.4节体外消化结果中RS含量也同步增加,这表明无定形区内高密度短程双螺旋网络的形成可能是RS含量提升的关键结构基础。这种致密的短程有序结构产生了较强的空间位阻效应,阻碍了消化酶向颗粒内部的渗透与扩散,从而在宏观上表现为30%水分处理组较弱的膨胀力、极低的凝胶流动性以及高达近60%的RS含量。
a-10%含水量;b-20%含水量;c-30%含水量
图6 不同含水量RHMT对马铃薯淀粉的短程结构影响
Fig.6 Effects of RHMT with different moisture contents on the short-range structure of potato starch
2.7 不同含水量RHMT对马铃薯淀粉微观样貌影响
如图7-m所示,原马铃薯淀粉颗粒表面光滑完整,无明显的裂缝或孔洞,呈现出典型的椭圆形或圆球形特征,RHMT淀粉颗粒的基本完整性得以保留。对10%水分处理组(图7-a～图7-d),整体上淀粉颗粒形态未发生明显变化,随着RHMT次数的增加表面出现轻微的粗糙化现象。对20%水分处理组(图7-e～图7-h),淀粉颗粒表面开始出现明显的凹陷与褶皱,部分颗粒形态发生扭曲,颗粒间出现轻度的黏附现象。这可能是因为适度增加的水分促进了淀粉分子链的局部迁移与重排,导致颗粒内部产生收缩应力,进而改变颗粒形态。对30%水分处理组(图7-i～图7-l),随着循环次数的增加,颗粒表面出现深度凹陷与严重褶皱。同时,颗粒之间发生了显著的聚集与黏合现象,形成了较大的致密团块,Huang等[6]发现了类似的现象。Qi等[20]研究也发现,随着HMT初始含水量的增加,大米淀粉最终形态逐渐出现聚合、表面凹陷等现象,与本研究结果一致,这种形态变化的原因是HMT过程中淀粉发生部分糊化,导致淀粉颗粒膨胀、重排和表面粗糙[20]。
a～m分别为RHMT10%-1、RHMT10%-3、RHMT10%-5、RHMT10%-7、RHMT20%-1、RHMT20%-3、RHMT20%-5、RHMT20%-7、RHMT30%-1、RHMT30%-3、RHMT30%-5、RHMT30%-7、RHMT0
图7 不同含水量RHMT对马铃薯淀粉微观结构的影响(500×)
Fig. 7 Effects of RHMT with different moisture contents on the microstructure of potato starch (500×)
3 结论
本研究系统探究了不同含水量的RHMT对马铃薯淀粉多尺度结构、理化性质及体外消化特性的影响。结果表明,初始水分含量是决定马铃薯淀粉改性效果的关键因子。具体而言,在10%低含水量条件下,有限的水分使体系以热力破坏为主,引发颗粒局部结构松散。这种结构弱化导致淀粉的溶解度升高,并显著促进了向RDS的转化。当含水量增至20%时,适度的水分增塑促使淀粉分子链发生重排,在颗粒内部构建了具有适度空间位阻的网络结构,从而有效延缓了消化酶的结合,显著提高了SDS的比例。在30%高含水量条件下,淀粉体系发生了深度的整体致密化。分子链在无定形区内广泛交联形成密集的短程双螺旋网络,伴随颗粒外观的表面收缩与致密团聚。这种强化的刚性结构赋予了马铃薯淀粉极低的吸水膨胀力、增强的剪切稳定性以及显著提升的RS保留率。综上,通过调控RHMT的水分梯度,可有效引导马铃薯淀粉内部结构和消化特性的差异化演变。该研究不仅深化了对淀粉受热水分致物理改性机制的理论认知,也为食品工业定向开发速供能食品、低血糖生成指数配料及高稳定性抗消化膳食纤维等新型功能性基料提供了科学依据。
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