涂園，李曉璽，陸萍，陳玲，李琳

（華南理工大學食品科學與工程學院，廣東廣州 510640）

大米中的淀粉組分在米制品經過加工處理后經人體消化可快速轉化為葡萄糖，為人體提供能量。但快速消化的淀粉容易提高人體餐后血糖生成指數（GI），進而增加消費者患上糖尿病和肥胖等相關慢性疾病的幾率。

研究表明，在加工過程中，淀粉分子與食品中其他組分（如蛋白、脂質及多酚等）之間由于存在非共價相互作用可形成復合物，而不同加工條件又引起淀粉復合物結構的變化，繼而影響淀粉類食品的消化和營養(yǎng)特性[1-5]。多酚廣泛存在于果蔬和雜糧中，是食品中重要組分之一，且其對淀粉酶活性具有較佳的抑制效果[6]。因此，若采用適當的食品加工方式將多酚與淀粉分子進行復合，可明顯延緩淀粉的消化性。

在傳統(tǒng)米制品生產過程中，微生物發(fā)酵是常見的加工方式之一，其可賦予發(fā)酵米制品特有的風味及質構[3,7,8]。在微生物發(fā)酵過程，由于微生物所分泌酶對淀粉有降解作用，因此可導致淀粉鏈結構和聚集態(tài)結構發(fā)生不同程度的破壞[9]，使得淀粉分子間的氫鍵相解旋而使其具有良好的分子自由度。因此，發(fā)酵過程中淀粉分子自由度增加可促使其與體系中多酚分子的相互作用并發(fā)生復合，從而改變淀粉多尺度結構。同時，多酚在消化過程中又可抑制淀粉酶對淀粉的水解。因此，掌握多酚與大米淀粉的互作及多酚對淀粉結構的影響并建立其與消化性能之間的關系對調控發(fā)酵類淀粉食品的消化性能至關重要。

因此，本研究通過采用體外模擬消化等技術，研究了原花青素與發(fā)酵淀粉分子間的互作對淀粉多尺度結構的影響規(guī)律，揭示在發(fā)酵過程中原花青素與大米淀粉的結合對其消化性能的影響機制，為功能性發(fā)酵類食品的研發(fā)奠定基礎。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗試劑

大米，購置于廣東太糧米業(yè)；酵母菌和乳酸菌，購自安琪酵母股份公司；原花青素C1，陜西森弗天然制品有限公司；GOPOD試劑盒，愛爾蘭Megazyme；淀粉葡萄糖苷酶和豬胰酶，美國Sigma-Aldrich；其余采用分析純試劑。

1.2 主要儀器設備

紫外分光光度計，上海第三分析儀器廠；恒溫恒濕箱，上海一恒科學儀器有限公司；掃描電子顯微鏡，德國ZEISS；小角X射線散射儀，奧地利Anton Paar；傅里葉紅外光譜儀和固體核磁共振儀，德國Bruker；凝膠滲透色譜儀，美國Waters。

1.3 實驗方法

1.3.1 大米淀粉與原花青素的共同發(fā)酵

稱取不同質量的原花青素C1（淀粉質量的2%、4%、8%），加入事先加了7%混合發(fā)酵劑（酵母菌:乳酸菌=3:1）的水中，分散后加入100 g大米淀粉（干基），按比例（大米淀粉:水=1:1.2）加水攪拌均勻。將混合后的漿液于恒溫恒濕箱中進行發(fā)酵，發(fā)酵條件為：70%濕度、37 ℃、3 h。發(fā)酵后的樣品凍干后置于烘箱中進行滅酶處理（50 ℃、30 min），樣品經磨粉過篩后密封裝袋待用。將樣品命名為“發(fā)酵大米淀粉-原花青素添加量”，即FRS-0AC、FRS-2AC、FRS-4AC、FRS-8AC等，以未經發(fā)酵的原大米淀粉作為對照樣品并命名為“Rice Starch”。

1.3.2 大米淀粉-原花青素復合物的消化性能

大米淀粉-原花青素復合物的消化性能根據 Englyst方法[10]進行測定，可獲得大米淀粉-原花青素復合物的RDS、SDS和RS含量。

1.3.3 大米淀粉-原花青素復合物直鏈淀粉含量

大米淀粉-原花青素復合物中直鏈淀粉含量的測定參考GB/T 15683-2008。

1.3.4 大米淀粉-原花青素復合物層狀結構

在大米淀粉-原花青素復合物樣品中加入 70%的去離子水，并在室溫下平衡 12 h后進行測定。采用SAXSquant 3.0軟件和SAXSquant 2D軟件進行數據處理[11,12]。利用一維線性相關函數分析 SAXS曲線0.2＜q＜1.4 nm-1區(qū)域并通過計算得到半結晶層狀結構參數[13]，采用Chi[14]的方法計算SAXS曲線q=0.2～0.5 nm-1區(qū)域的斜率來計算表面/質量分形結構的分形維數。

1.3.5 大米淀粉-原花青素復合物結晶結構

測定前將樣品置于恒濕環(huán)境中平衡12 h。其測試條件為：掃描速度是1.2 °/min，步長為0.02 °，掃描范圍為5 °～40 °（2θ）。利用Peakfit-v4.12 軟件計算淀粉的結晶度及A型和V型結晶比例[15]。

1.3.6 大米淀粉-原花青素復合物螺旋結構測定

利用13C CP/MAS NMR測定大米淀粉-原花青素復合物螺旋結構測定。核磁共振的測試參數條件設置為150.9 MHz的頻率和10000 kHz的轉速，接觸時間為1 ms。利用Tan和Witt等人的方法進行分峰擬合并計算淀粉樣品中的單螺旋和雙螺旋含量[16,17]。

1.3.7 大米淀粉-原花青素復合物表面有序結構

傅里葉紅外光譜（FT-IR）可以用于測定大米淀粉-原花青素復合物樣品表面的有序結構。其測試條件為在4000至400 cm-1范圍內掃描，以空氣為背景。測定結束后，利用 Peakfit-v4.12軟件對樣品的紅外光譜圖（800～1200 cm-1）進行分峰處理，計算1042與1014 cm-1的強度比（R1042/1014），用于衡量淀粉短程有序化結構的含量[15]。

1.3.8 大米淀粉-原花青素復合物淀粉分子量

取5 mg樣品與5 mL二甲基亞砜溶液（含50 mmol/L溴化鋰）置于具塞試管中并混合均勻，將其進行沸水浴處理1 h以及水浴（60 ℃）振蕩12 h。測定前，利用5.0 μm 濾膜對大米淀粉-多酚復合物樣品進行過濾。流動相為采用超聲脫氣并經0.2 μm有機相過濾膜過濾的二甲基亞砜（含50 mmol/L溴化鋰）；其中樣品測試條件為：100 μL、0.7 mL/min、40 ℃以及λ=632.8 nm，其中樣品中dn與dc的比值為0.074 g/mL，利用Astra軟件對數據進行分析處理[18,19]。

1.4 數據處理

所有實驗數據均取三次平均值，利用SPSS 20.0及LSD法分析各組數據之間的顯著性差異水平（p＜0.05）。

2 結果與討論

2.1 原花青素對發(fā)酵大米淀粉消化性能的影響

在微生物對大米淀粉進行發(fā)酵的過程中，原花青素的添加量對其顆粒消化性能的影響如表1所示。與未發(fā)酵大米淀粉對比，發(fā)酵后大米淀粉RS含量明顯降低，原花青素加入后使得大米淀粉顆粒的RDS含量降低和 RS含量增加，且隨原花青素添加量的增加RDS和RS含量變化程度明顯提高；當原花青素添加量為 8%時，大米淀粉顆粒的 RS含量達到最大為66.85%。研究表明，淀粉酶的活性可被原花青素抑制[19]；同時，原花青素通過與淀粉結合形成復合物結構。原花青素對淀粉酶活性的抑制在發(fā)酵過程中能降低大米淀粉因微生物發(fā)酵而降解的程度，同時其還可通過與淀粉分子形成復合結構，進而降低淀粉的消化性能。因此，系統(tǒng)探討發(fā)酵過程中原花青素如何影響大米淀粉的多尺度結構，對利用原花青素來調控大米淀粉消化性能的具有重要的研究意義。

表1 發(fā)酵協(xié)同原花青素復合對大米淀粉消化性能的影響（%）Table 1 Effect of fermentation and procyanidin complexation on the digestibility of rice starch (%)

2.2 原花青素對大米淀粉半結晶層狀結構的影響

小角X射線散射技術可以考察在大米淀粉發(fā)酵過程中，原花青素對大米淀粉顆粒半結晶層狀結構的影響，結果如圖1和表2所示。

表2 發(fā)酵過程中添加不同原花青素后大米淀粉的半結晶層及分形結構特征Table 2 The lamellar parameters and fractal structure features of rice starch co-fermented with different amount of procyanidin

圖1中q≈0.65 nm-1處的散射峰對應于淀粉的半結晶層狀結構。由圖1和表2可見，微生物發(fā)酵顯著降低淀粉特征散射峰面積，即表明發(fā)酵后淀粉半結晶層狀結構的有序程度降低；此外，微生物發(fā)酵可使淀粉半結晶層狀結構的厚度（d）及結晶層的厚度（dc）增大，這是由于微生物胞外酶降解了半結晶層狀結構中無定型層中支鏈淀粉分子并誘導其在臨界結晶層處發(fā)生有序化重排。而在發(fā)酵過程中淀粉特征散射峰的峰面積隨著原花青素添加量的增加而進一步降低，表明在發(fā)酵過程中原花青素的加入進一步降低了淀粉半結晶層結構的有序化程度。即原花青素對發(fā)酵大米淀粉半結晶層狀結構有序化程度的破壞作用強于其對淀粉酶降解破壞淀粉有序化程度的抑制作用。同時，由表2可知，原花青素的添加可使大米淀粉半結晶層狀結構中的無定型層厚度（da）顯著降低、半結晶層厚度（d）及結晶層厚度（dc）顯著增加，表明原花青素與淀粉分子二者間的相互作用可顯著改變淀粉分子在半結晶層狀結構中的分子排布方式。首先，原花青素可作為酶抑制劑顯著降低微生物對大米淀粉半結晶層結構的破壞程度[20]；其次，原花青素在發(fā)酵中可通過氫鍵競爭性與淀粉分子發(fā)生分子間相互作用[11]，最終改變淀粉半結晶層狀結構。由圖1及表2可知，原花青素通過競爭性氫鍵相互作用破壞或抑制了淀粉分子間的原有氫鍵相互作用，進而降低半結晶層狀結構中結晶層的有序化程度；同時，原花青素通過在淀粉分子間形成新的氫鍵相互作用，使得半結晶層狀結構中無定型層的支鏈淀粉分子鏈或降解后的淀粉分子鏈形成相對有序的淀粉分子-原花青素-淀粉分子復合結構，才能使得發(fā)酵大米淀粉半結晶層狀結構中無定型層厚度（da）顯著降低、半結晶層厚度（d）及結晶層厚度（dc）增加。

淀粉的分形維數范圍在 1＜α＜3時為質量分形結構，分形維數 Dm=α[21,22]。且淀粉分形維數越大，表明淀粉聚集的越緊密，其有序化程度越高。大米淀粉的分形維數擬合及其結果分別如圖2和表2。經微生物發(fā)酵后，淀粉的分形維數降低，說明大米淀粉經發(fā)酵后其半結晶層狀結構的整體有序化程度降低。而在此過程中由于原花青素的添加，大米淀粉的分形維數先增大（原花青素添加量＜4%）后降低（原花青素添加量＞4%），說明原花青素的添加顯著改變其半結晶層狀結構的整體有序化程度。在大米淀粉發(fā)酵過程中，根據原花青素對其半結晶層狀結構厚度的影響可知，由于原花青素的介入，淀粉分子鏈與其二者間產生大量新的分子間氫鍵，可形成相對有序的復合物結構并提高半結晶層狀結構中無定型層淀粉分子鏈的有序化程度；然而，在較高多酚添加量時，原花青素可能作為“增塑劑”抑制淀粉分子間的有序排列[23]，使得高添加量的原花青素條件下發(fā)酵大米淀粉半結晶層狀結構的整體有序化程度反而降低。

2.3 原花青素對大米淀粉結晶結構的影響

發(fā)酵過程中原花青素對大米淀粉的結晶構型及相對結晶度（Relative crystallinity，RC）的影響如圖 3及表3所示。微生物發(fā)酵前后，大米淀粉X射線衍射圖譜均在15、17、18、23 °（2θ）附近出現A型結晶特征衍射峰[15]、約20 °（2θ）處出現V型結晶結構的衍射峰[23]，表明大米淀粉在微生物發(fā)酵前后均呈現A+V的復合結晶構型。經微生物發(fā)酵后，大米淀粉的相對結晶度及A型結晶比例明顯下降，表明微生物發(fā)酵過程顯著破壞淀粉的結晶結構。而在原花青素加入后，發(fā)酵大米淀粉的A型結晶比例、V型結晶比例及相對結晶度相對未添加原花青素的樣品有顯著降低，但該變化隨原花青素添加量的變化沒有顯著性差異。再次說明，原花青素通過抑制大米淀粉顆粒被淀粉酶酶解從而延緩大米淀粉的結晶程度降低的同時，由于原花青素可在淀粉分子鏈間競爭性的形成氫鍵相互作用，破壞淀粉分子原有氫鍵相互作用及抑制淀粉分子間的進一步有序排列，因此，降低大米淀粉的A型結晶結構比例和相對結晶程度。而進一步增加原花青素添加量后，其與淀粉分子間競爭性形成氫鍵的程度以及V型結晶結構比例逐漸增加。由此可見，原花青素與淀粉分子間的競爭性氫鍵相互作用及相對有序復合物的形成是大米淀粉結晶結構改變的主要因素。

2.4 原花青素對大米淀粉螺旋結構的影響

大米淀粉顆粒螺旋結構在原花青素協(xié)同發(fā)酵過程中的變化如表3所示。微生物發(fā)酵顯著降低大米淀粉整體雙螺旋結構比例并提高無定型結構比例，對單螺旋結構沒有顯著影響。隨著原花青素的添加，淀粉整體無定型結構比例逐步增加，雙螺旋比例逐步降低。這與大米淀粉A型結晶比例及相對結晶度的變化趨勢相一致。在發(fā)酵過程中，原花青素與淀粉分子因二者間存在競爭性氫鍵相互作用進而形成復合物，同時也破壞淀粉顆粒原有的雙螺旋結構；而隨著原花青素與淀粉分子間競爭性形成氫鍵的程度增加，新形成相對有序的復合物逐步增多，而該復合物主要有淀粉單螺旋分子鏈構成，且由于原花青素的增塑作用使得復合物中淀粉分子很難進一步聚集成雙螺旋結構。因此，發(fā)酵大米淀粉的雙螺旋結構明顯降低，而單螺旋結構變化不大。這與大米淀粉發(fā)酵過程中，原花青素的添加對其不同結晶結構的影響規(guī)律相同。

2.5 原花青素對大米淀粉短程有序結構的影響

大米淀粉的紅外光譜圖及表面短程有序結構含量（R1042/1014）如圖4及表3所示。大米淀粉的短程有序結構在微生物發(fā)酵后顯著增加。這是因為大米淀粉顆粒表面短程無定型結構相對于短程有序結構更容易被降解，使得大米淀粉的短程有序結構含量相對增大，而發(fā)酵大米淀粉表面短程有序化程度在進一步添加原花青素后也逐步增加。再次證實，發(fā)酵過程中原花青素可與無定型區(qū)域的淀粉分子鏈或者被降解后的淀粉分子鏈發(fā)生競爭性氫鍵相互作用而形成相對有序的原花青素與淀粉分子復合物。

表3 發(fā)酵過程中添加不同原花青素后大米淀粉的多尺度結構特征參數分析Table 3 The analysis of multi-scale structural characteristic parameters of rice starch co-fermented with different amount of procyanidin

表4 原花青素協(xié)同發(fā)酵前后大米淀粉的分子量及其分布Table 4 The molecular mass and its distribution of rice starch co-fermented with different amount of procyanidin

2.6 原花青素對大米淀粉分子量及直鏈淀粉含量的影響

大米淀粉的重均分子量Mw及分子量分布變化見表 4。大米淀粉經微生物發(fā)酵后其分子量顯著降低，且在Mw＜3×107g/mol的分子鏈片段顯著增多。通過提高發(fā)酵過程中原花青素的添加量，淀粉分子的重均分子量逐步增大、淀粉分子在較大分子量范圍內的分布增多，說明原花青素的添加降低了淀粉分子被微生物胞外酶降解的程度。一方面是原花青素作為酶抑制劑抑制微生物胞外酶的活性[20]，降低酶對淀粉分子的降解；另一方面是原花青素不僅與淀粉分子通過形成復合物來降低了淀粉的半結晶層結構有序化程度、結晶結構及雙螺旋結構比例，其還可通過氫鍵作用促進無定型淀粉分子的排列，使得半結晶層厚度、結晶層厚度、分形維數、表面短程有序結構顯著增大，抑制淀粉分子在發(fā)酵過程中的進一步降解。大米淀粉的直鏈淀粉含量在微生物發(fā)酵作用下略微有所增加。而原花青素的加入使得大米淀粉的直鏈淀粉含量逐步減少。原花青素與大米淀粉半結晶層狀結構中無定型層支鏈淀粉相互作用并提高結晶層厚度，使得支鏈淀粉不易被微生物胞外酶作用而生成短直鏈淀粉分子。同時，直鏈淀粉所在的無定型背景區(qū)域易受微生物胞外酶的作用，而引起直鏈淀粉含量降低。

2.7 原花青素對大米淀粉多尺度結構及消化性能的影響機制

原花青素協(xié)同微生物發(fā)酵對大米淀粉多尺度結構和消化性能的影響分子機制如圖5所示。在微生物發(fā)酵過程中，淀粉分子量降低（圖5A）及淀粉半結晶層狀結構、結晶結構、雙螺旋結構均遭到破壞（圖5C），整體有序化結構顯著降低；而由于降解后的淀粉分子在此發(fā)酵過程中發(fā)生重排，大米淀粉的半結晶層狀結構的厚度及結晶層厚度增加、V型結晶結構和單螺旋結構增加（圖5B及5C）。而在發(fā)酵過程中原花青素的加入，促進了其與淀粉分子間形成的競爭性氫鍵相互作用，也顯著改變大米淀粉多尺度結構進而引起其消化性能的變化。由上述大米淀粉在發(fā)酵過程中原花青素對其多尺度結構及消化性能的影響規(guī)律可知，原花青素協(xié)同發(fā)酵調控大米淀粉消化性能的機制如下：（1）原花青素可作為淀粉酶抑制劑，抑制微生物分泌的淀粉酶對大米淀粉分子鏈的降解（表4及圖5D），從而可提高發(fā)酵大米淀粉的半結晶層及結晶層厚度（表2），從而延緩淀粉的無序化程度；（2）原花青素通過競爭性氫鍵相互作用降低半結晶層狀結構中結晶層有序化程度、雙螺旋結構、A型結晶結構、分子量的同時（表2、3、4及圖5A），還可以與半結晶層狀結構中無定型層的支鏈淀粉分子鏈或降解后的淀粉分子鏈形成相對有序的淀粉分子-原花青素-淀粉分子復合結構（圖5E），使得發(fā)酵大米淀粉半結晶層狀結構中結晶層厚度增大、無定型層厚度降低，聚集態(tài)結構緊密程度和表面短程有序化結構比例增加（表2、3、4及圖5E和F），從而抑制淀粉酶對淀粉分子鏈的消化酶解。（3）淀粉與原花青素復合物在消化過程中由于淀粉分子鏈的部分降解，可緩慢釋放原花青素，從而抑制淀粉酶對淀粉的降解。通過上述三方面的綜合作用，最終顯著降低經發(fā)酵后的大米淀粉消化性能。

3 結論

本文系統(tǒng)研究了原花青素在發(fā)酵過程中對大米淀粉結構及消化性能的影響和調控。研究結果表明，微生物發(fā)酵降解淀粉分子鏈并破壞半結晶層狀結構、結晶結構和雙螺旋結構，誘導大米淀粉顆粒無序化。原花青素復合協(xié)同微生物發(fā)酵過程中，原花青素抑制微生物胞外酶活性并降低淀粉分子的降解及聚集態(tài)結構無序化；此外，原花青素與淀粉分子形成淀粉分子-原花青素-淀粉分子的復合結構，使得淀粉半結晶層狀結構中結晶層厚度增大、無定型層厚度降低，聚集態(tài)結構緊密程度和表面短程有序化結構比例增加，同時復合結構在消化過程中釋放原花青素，在顯著抑制淀粉酶活性的同時也最終提高發(fā)酵大米淀粉的RS含量。原花青素對淀粉酶活性的抑制及其與淀粉之間形成淀粉分子-原花青素-淀粉分子這樣的復合結構是顯著影響大米淀粉消化性能的重要因素。本研究不僅有助于分析發(fā)酵淀粉結構對其消化性能的影響機制，還可通過調控原花青素的添加量獲得具有不同消化性能的發(fā)酵類淀粉制品。