陳 旭，趙華彬，羅健偉，陳麗蕓，朱 杰，李 琳

（東莞理工學(xué)院 化學(xué)工程與能源技術(shù)學(xué)院 食品營養(yǎng)健康工程與智能化加工研究中心中國輕工業(yè)健康食品開發(fā)與營養(yǎng)調(diào)控重點實驗室 廣東東莞 523808）

2021年國際糖尿病聯(lián)盟 （The International Diabetes Federation，IDF）數(shù)據(jù)顯示，全球糖尿病患者數(shù)高達(dá)5.37 億，中國糖尿病患者數(shù)達(dá)1.40 億，位居世界第一。我國糖尿病與肥胖癥患者數(shù)量劇增，嚴(yán)重影響人們的身體健康，其防控形勢相當(dāng)嚴(yán)峻。在多相、多組分和多尺度同時存在的復(fù)雜食品體系中，食物組分之間的相互作用機(jī)制與糖尿病和肥胖患者的糖代謝和血糖應(yīng)答水平有著密不可分的關(guān)系。餐后血糖應(yīng)答很大程度上取決于快消化淀粉的含量。慢消化或抗性淀粉含量高的食物屬低血糖生成指數(shù)（Glycemic index，GI）食品，可維持餐后血糖穩(wěn)定，能改善餐后血糖負(fù)荷，提高機(jī)體對胰島素的敏感性。食物組分間的相互作用及其對淀粉消化性的影響已成為國際食品科學(xué)界的研究熱點。

我國馬鈴薯資源豐富，馬鈴薯是世界第三大食用作物[1]。2016年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部主張推進(jìn)馬鈴薯主糧化[2-3]。生的馬鈴薯淀粉中抗性淀粉（Resistant starch，RS）含量豐富，然而，經(jīng)蒸煮后其快消化淀粉（Rapidly digestible starch，RDS）顯著升高，屬于高GI 食品[4]。文獻(xiàn)報道過多地攝食馬鈴薯及其產(chǎn)品可能與慢性疾病與代謝病征風(fēng)險相關(guān)[5-6]。降低馬鈴薯淀粉及其產(chǎn)品的消化性，對豐富馬鈴薯主糧化產(chǎn)品種類，實現(xiàn)更大的經(jīng)濟(jì)效益至關(guān)重要。

富含淀粉的食品體系中，蛋白質(zhì)是影響淀粉消化的重要組分。研究表明，內(nèi)源蛋白和外源蛋白均會對淀粉的消化酶解特性產(chǎn)生影響[7-10]。近年來，學(xué)者開始關(guān)注蛋白酶解產(chǎn)物對淀粉消化性的影響[11-12]。水解豌豆蛋白與原豌豆蛋白相比更能顯著降低淀粉酶解，兩者可能是通過氫鍵增強(qiáng)淀粉與蛋白質(zhì)的相互作用。與原大豆蛋白相比，水解大豆蛋白明顯降低了淀粉中RDS 含量[10]。

大豆分離蛋白 （Soybean isolation protein，SPI）是一種豐富、廉價、營養(yǎng)、優(yōu)質(zhì)的植物蛋白[13]。大豆肽（Soybean peptide，SPT）是大豆分離蛋白酶解后的產(chǎn)物，是一種對人體有益的小分子肽，可以預(yù)防肥胖和糖尿病等疾病[11，14]。濕熱處理（Heat moisture treatment，HMT） 作為一種常用的物理改性手段，對淀粉的理化、結(jié)構(gòu)和消化特性有顯著影響[15]。前期研究發(fā)現(xiàn)SPT 在濕熱處理條件下可以顯著降低玉米淀粉和馬鈴薯淀粉的消化性，且對馬鈴薯淀粉較玉米淀粉影響更大，并呈現(xiàn)劑量依賴性[16]。

本文在前期研究基礎(chǔ)上，研究不同濕熱處理水分條件下馬鈴薯淀粉與大豆肽的互作機(jī)制，探究不同濕熱處理條件對馬鈴薯淀粉-大豆肽復(fù)合物形貌、理化結(jié)構(gòu)和消化特性的影響，為碳水化合物限制飲食體系低GI 食品的開發(fā)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

馬鈴薯淀粉（食用級），杭州普羅星淀粉有限公司；大豆肽（食用級），西安綠如泉生物科技有限公司；豬胰α-淀粉酶 （≥1 000 units/mg），美國Sigma-Aldrich 公司；葡萄糖氧化酶/過氧化物酶葡萄糖檢測試劑盒（GOPOD），Megazyme 國際有限公司；無水乙醇、氫氧化鈉、鹽酸、苯甲酸、醋酸，天津大茂化學(xué)試劑廠；其它化學(xué)品均為分析純級。

1.2 儀器與設(shè)備

電子精密天平（JAI1003），湖南力辰儀器科技有限公司；臺式高速離心機(jī)（TG20-WSI），湘麓離心機(jī)儀器有限公司；磁力加熱攪拌器（Hei-Tec），德國Heidolph 公司；紫外分光光度計（UV-3200），深圳市科力易翔儀器設(shè)備有限公司；掃描電子顯微鏡（JSM-6701F），德國Zeiss 公司；傅立葉變換紅外光譜儀（IS5），美國Nicolet 公司；熱臺偏光顯微鏡（BX-51），日本Olympus 公司；布拉班德粘度儀（Viscograph-E），德國Branbender 公司；差示掃描量熱儀（DSC-Diamond 型），美國Perkin-Elmer公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品的制備 將馬鈴薯淀粉與適量蒸餾水混合，使其水分含量分別為15%，25%，35%，并在室溫下平衡24 h。加入淀粉干基10%的大豆肽，充分?jǐn)嚢杌靹颍瑢⒒旌衔锓旁诜磻?yīng)釜中，置于100 ℃的鼓風(fēng)烘箱中反應(yīng)12 h。取出冷卻至室溫，37 ℃干燥過夜，粉碎并過100 目篩。不同濕熱處理的樣品按照水分從低到高依次標(biāo)記為：H1-PSSP，H2-PSSP 和H3-PSSP。將馬鈴薯淀粉和大豆肽進(jìn)行物理混合作為空白對照，標(biāo)記為P-PSSP。

1.3.2 顆粒形態(tài)分析

1.3.2.1 電子顯微鏡 將靜電膠帶貼于掃描電子顯微鏡的載物臺，取微量樣品均勻粘在膠帶上，將膠帶置于真空條件下噴金，再放入掃描電子顯微鏡，以不同放大倍數(shù)對其進(jìn)行掃描與拍照。

1.3.2.2 熱臺偏光顯微鏡 在普通光或偏振光下，用Olympus BX-51 光學(xué)顯微鏡獲得光學(xué)顯微照片。把樣品平鋪在載玻片上，再把載玻片置于載物臺中，用1 滴甘油水溶液（1∶1，體積比）覆蓋并用壓片壓住。調(diào)整樣品位置正對光孔，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換器，調(diào)節(jié)光圈，以500×放大率記錄圖像。

1.3.3 膨脹度測定 稱取0.2 g 樣品（干基），加入去離子水配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的淀粉乳，分別置于60，70，80，90 ℃水浴鍋中水浴攪拌30 min，再以3 000 r/min 離心15 min 后倒出上清液，根據(jù)剩余固體質(zhì)量計算得到[17]膨脹度。計算公式如下：

1.3.4 黏度測定 稱取6 g 干基淀粉樣品，加入去離子水配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的淀粉乳，轉(zhuǎn)移至布拉班德粘度測量杯。設(shè)置參數(shù)：初始溫度30 ℃，設(shè)置升溫速率為6 ℃/min，溫度升至95 ℃時保持5 min，設(shè)置降溫速率為7.5 ℃/min，冷卻至50 ℃保溫5 min 結(jié)束，記錄保存黏度與溫度曲線。

1.3.5 差示量熱掃描儀分析 稱取樣品干基3 mg，加入去離子水配制為質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的淀粉乳液，密封條件下在室溫平衡水分2 h。以空白鋁盤作對照，使用差示量熱掃描儀，在密封的鋁盤中以10 ℃/min 的速率，掃描30～120 ℃的樣品，并分析確定熱力學(xué)特征參數(shù)To，Tp，Tc和焓變（ΔH）。

1.3.6 體外消化性測定 參照Englyst 等[18]的方法進(jìn)行體外消化性的測定。稱量0.6 g 干基樣品，加入20 mL 乙酸鈉緩沖溶液，渦旋5 min 充分混合。樣品置于沸水浴中攪拌30 min，再放入37 ℃水浴鍋振蕩30 min。在每個離心管中加入5 mL 含有豬胰酶（3×103USP）和葡萄糖淀粉酶（40 U）的混合酶，在20 min 和120 min 2 個時間點取出0.25 mL 酶解液，與10 mL 66%（V/V）乙醇混合進(jìn)行滅酶。水解酶解液的葡萄糖含量依次記為G20和G120。分別移取100 μL 的空白試劑、酶解液和標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖液于5 mL 離心管中，分別加入3 mL 的GOPOD 溶液，渦旋將其充分混合，再于50 ℃水浴避光顯色20 min，在510 nm 波長下測定其吸光值。

2 結(jié)果與分析

2.1 顆粒形貌

圖1為濕熱處理條件下馬鈴薯淀粉與大豆肽復(fù)合物的掃描電鏡圖。在物理混合的樣品中，大豆肽部分附著在淀粉顆粒表面或者周圍。相比而言，在濕熱處理低水分條件下，馬鈴薯淀粉-大豆肽復(fù)合物形貌特征無明顯變化，而在中水分和高水分的濕熱處理條件下，馬鈴薯淀粉-大豆肽復(fù)合物團(tuán)聚現(xiàn)象增加，歸因于濕熱處理過程中產(chǎn)生的壓力和熱量使顆粒聚集成團(tuán)簇狀[19]。經(jīng)濕熱處理后，15%濕熱處理水分條件沒有明顯改變復(fù)合物的形貌，而25%和35%濕熱處理水分條件形成團(tuán)簇狀，可能歸因于在較高濕熱處理水分條件下，直鏈淀粉的逸出和支鏈淀粉膨脹，使其與大豆肽之間的黏附性和相互作用力增強(qiáng)[20]。此外，隨著濕熱處理水分含量的增加，馬鈴薯淀粉顆粒出現(xiàn)熔融，且破損程度增加。歸因于HMT 過程中部分淀粉顆粒吸水膨脹、糊化[21]。

圖2為濕熱處理條件下馬鈴薯淀粉與大豆肽復(fù)合物的偏光顯微圖。在物理混合中，樣品有清晰的輪廓和偏光十字。而在濕熱處理中，隨著水分含量的增加，偏光十字變得越來越模糊。偏光十字表征淀粉分子有序排列，淀粉顆粒雙折射的強(qiáng)度由淀粉顆粒半徑大小和螺旋結(jié)構(gòu)決定[22-23]。濕熱處理后復(fù)合物顆粒中心雙折射強(qiáng)度減弱，表明HMT 期間釋放的熱能與水分使淀粉鏈遷移程度增大[24]。雙螺旋結(jié)構(gòu)可能發(fā)生解旋或重組，由此導(dǎo)致徑向取向的喪失[22，25]。隨著水分含量的增加，偏光十字變得越來越模糊，可能是由于在較高水分含量下，發(fā)生部分或完全糊化[26]。Pinto 等[20]研究表明，水分含量對淀粉偏光十字的影響大于溫度，并且有利于淀粉團(tuán)聚物的形成，這與圖1所顯現(xiàn)的規(guī)律一致。

圖1 濕熱處理條件下馬鈴薯淀粉與大豆肽復(fù)合物的掃描電鏡圖Fig.1 Scanning electron microscopy of potato starch and soybean peptide complex after heat moisture treatment

圖2 濕熱處理條件下馬鈴薯淀粉與大豆肽復(fù)合物的偏光顯微圖Fig.2 Polarized light micrograph of potato starch and soybean peptide complex after heat moisture treatment

2.2 膨脹度

濕熱處理條件下馬鈴薯淀粉與大豆肽復(fù)合物的膨脹度如圖3所示。從圖3可知，無論是物理混合的對照樣品，還是濕熱處理的復(fù)合物，其膨脹度均隨著溫度的升高而降低。與物理混合的樣品相比，經(jīng)濕熱處理后，馬鈴薯淀粉-大豆肽復(fù)合物的膨脹度顯著降低，且隨著濕熱處理水分含量的升高呈逐漸降低的趨勢，與文獻(xiàn)[24]，[27]，[28]報道結(jié)果一致。濕熱處理過程中淀粉內(nèi)部分子鏈發(fā)生重排，直鏈淀粉和直鏈淀粉之間以及支鏈淀粉和支鏈淀粉之間的相互作用增強(qiáng)，使其形成更加緊密的雙螺旋結(jié)構(gòu)，同時阻礙了淀粉顆粒與水分子的結(jié)合，從而限制了馬鈴薯淀粉的水合能力和膨脹[19，27]。覆蓋在淀粉顆粒表面的大豆肽可以結(jié)合部分水分，從而影響水分進(jìn)入淀粉顆粒內(nèi)部，進(jìn)而影響其膨脹度[29]。此外，在濕熱處理過程中，馬鈴薯淀粉中帶負(fù)電荷基團(tuán)的磷酸單酯可能與大豆肽中的側(cè)鏈基團(tuán)發(fā)生相互作用，導(dǎo)致馬鈴薯淀粉-大豆肽復(fù)合物的膨脹度顯著降低[30-31]。

圖3 濕熱處理條件下馬鈴薯淀粉與大豆肽復(fù)合物的膨脹度曲線Fig.3 Swelling power plot of potato starch and soybean peptide complex after heat moisture treatment

2.3 黏度特性

圖4和表1分別為濕熱處理條件下馬鈴薯淀粉與大豆肽復(fù)合物的黏度曲線和黏度特性值。與物理混合的樣品相比，濕熱處理后復(fù)合物的起糊溫度（PT）升高，峰值黏度（PV）、熱糊黏度（HV）和冷糊黏度（CV）均出現(xiàn)大幅下降，歸因于在HMT過程中，淀粉鏈流動性增加，分子鏈經(jīng)重排、重組形成有序的雙螺旋支鏈淀粉團(tuán)簇。這種剛性結(jié)構(gòu)可以限制淀粉膨脹，提高淀粉在加熱過程中的穩(wěn)定性[26，32]，與膨脹度結(jié)果一致。HMT 期間的熱能促使支鏈淀粉長鏈斷裂，產(chǎn)生與直鏈淀粉緊密相關(guān)的短鏈[21，33-34]。同時，顆粒間的相互交聯(lián)增強(qiáng)了氫鍵的作用，導(dǎo)致直鏈淀粉浸出并增加淀粉的耐熱性，從而降低淀粉黏度[35]。表1顯示隨著HMT 水分含量增加，淀粉的PV 逐漸降低，與文獻(xiàn)[36]～[38]的研究結(jié)果一致。HMT 中淀粉和大豆肽之間的相互作用也會影響體系的黏度。前期研究表明，變性蛋白與淀粉顆粒以及變性蛋白與變性蛋白之間的相互作用，可能會延緩淀粉顆粒的膨脹[16，26]。

表1 濕熱處理條件下馬鈴薯淀粉與大豆肽復(fù)合物的黏度特性數(shù)據(jù)Table 1 Pasting characteristics of potato starch and soybean peptide complex after heat moisture treatment

圖4 濕熱處理條件下馬鈴薯淀粉與大豆肽復(fù)合物的黏度圖Fig.4 Pasting profile of potato starch and soybean peptide complex after heat moisture treatment

2.4 熱力學(xué)特性

濕熱處理條件下淀粉-大豆肽復(fù)合物的糊化溫度（To、Tp和Tc）和焓變（ΔH）如表2所示。與物理混合的樣品相比，HMT 后馬鈴薯淀粉-大豆肽復(fù)合物的糊化溫度升高，且隨著水分含量的增加而升高，焓值則有著相反的趨勢。HMT 改性后，淀粉鏈之間的相互作用增強(qiáng)，延緩了淀粉的糊化進(jìn)程，導(dǎo)致To升高[33]。從表2可知，隨著水分含量的增加，To、Tp和Tc也隨之升高，與Zavareze 和Dias[21]報道一致?？赡苁怯捎贖MT 過程中會引起結(jié)晶區(qū)和非晶區(qū)鏈段變化并發(fā)生重組，使淀粉的糊化能力降低，因此需要更高的溫度才能使鏈斷裂，使顆粒發(fā)生膨脹[39]。濕熱處理過程中水分的增加引起了更大的淀粉分子鏈遷移率，直鏈淀粉和支鏈淀粉之間的氫鍵相互作用增強(qiáng)，淀粉的熱穩(wěn)定性增加，故而Tp值增大。水分增加后Tc與To值較高的原因也可能是HMT 破壞了淀粉顆粒結(jié)晶區(qū)和非晶區(qū)的雙螺旋，分子的重排形成了一些有序穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)[40]。從另一個角度來看，To和Tp的顯著增加也可能是因為淀粉與大豆肽的相互作用，限制了淀粉的水合作用和溶脹。熱變性增強(qiáng)了大豆肽的表面疏水性，而且改變了其水合能力，從而影響淀粉對水的可利用性和水合作用[41]。與物理混合對照相比，HMT 可能促進(jìn)了顆粒晶體結(jié)構(gòu)的破壞，導(dǎo)致ΔH 降低，最終歸因于淀粉鏈部分破裂和重組[24，42]。

表2 濕熱處理條件下馬鈴薯淀粉與大豆肽復(fù)合物的熱力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)Table 2 Thermal property data of potato starch and soybean peptide complex after heat moisture treatment

2.5 體外消化性

濕熱處理條件下，淀粉-大豆肽復(fù)合物在未蒸煮和蒸煮條件下的快消化淀粉（RDS）、慢消化淀粉（SDS）和抗性淀粉（RS）含量如表3所示。未經(jīng)蒸煮時，與物理混合組對比，15%和25%水分含量的濕熱處理條件下，混合物的RDS 含量降低，SDS含量增加。據(jù)報道，與天然淀粉相比，在濕熱處理的溫度和水分含量影響下，可能使淀粉的SDS 含量增加1 倍[25]。HMT 后SDS 和RS 含量的增加可能與淀粉結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)，由于直鏈淀粉鏈和直鏈淀粉-支鏈淀粉之間發(fā)生了相互作用，以及有序晶體結(jié)構(gòu)的重排，導(dǎo)致SDS 和RS 增加[19]。此外，在HMT 中淀粉鏈可能與大豆肽的側(cè)鏈基團(tuán)發(fā)生了相互作用[42]。35%水分含量的濕熱處理條件下，與物理混合處理相比，混合物的RDS 含量增加，RS含量減少。RS 含量下降歸因于HMT 的高水分條件下淀粉顆粒發(fā)生糊化現(xiàn)象[43]。

表3 濕熱處理條件下馬鈴薯淀粉與大豆肽復(fù)合物的體外消化性Table 3 In vitro digestibility of potato starch and soybean peptide complex after heat moisture treatment

馬鈴薯淀粉-大豆肽復(fù)合物經(jīng)蒸煮后，較蒸煮前RDS 含量顯著增加，SDS 和RS 含量明顯減少。與蒸煮后的物理混合樣品相比，馬鈴薯淀粉-大豆肽復(fù)合物中RDS 含量降低，RS 含量顯著提高，且RDS 和RS 含量隨著濕熱處理水分含量增加呈逐漸降低和逐漸升高的趨勢?？赡軞w因于在蒸煮過程中，淀粉和大豆肽之間相互作用增強(qiáng)，結(jié)果說明大豆肽從蒸煮前共混物中的分散劑轉(zhuǎn)變?yōu)檎糁蠛蠊不煳镏忻傅奈锢砥琳蟍44]，淀粉顆粒表面的大豆肽可能是有效阻礙淀粉快速消化的物理屏障[45]。

3 結(jié)論

濕熱處理對馬鈴薯淀粉-大豆肽復(fù)合物的理化和消化特性有很大影響。在中水分（25%）和高水分（35%）條件下HMT 使淀粉-大豆肽復(fù)合物顆粒黏附聚集成團(tuán)，隨著水分含量的增加，復(fù)合物發(fā)生的團(tuán)聚現(xiàn)象更為明顯，復(fù)合物的偏光十字變得越來越模糊，淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)可能發(fā)生部分糊化。在HMT 過程中，淀粉-大豆肽復(fù)合物的膨脹度降低，且隨著水分含量的增加而降低。與物理混合處理相比較，濕熱處理后混合物的起糊溫度升高，峰值黏度、熱糊黏度和冷糊黏度均出現(xiàn)大幅度下降，隨著HMT 水分含量增加，淀粉的峰值黏度逐漸降低。在熱力學(xué)性質(zhì)中，To、Tp和Tc值隨著水分含量的增加而升高，HMT 促進(jìn)了顆粒晶體結(jié)構(gòu)的破壞，導(dǎo)致焓值降低。蒸煮后HMT 使馬鈴薯淀粉-大豆肽復(fù)合物的RDS 含量降低，而抗性淀粉含量升高。35%水分條件下HMT，馬鈴薯淀粉-大豆肽復(fù)合物樣品中RDS 含量最低，RS 含量最高。綜上所述，HMT 過程中淀粉直鏈淀粉/支鏈淀粉的重組，大豆肽的物理包埋作用，以及馬鈴薯淀粉帶負(fù)電荷基團(tuán)與大豆肽側(cè)鏈基團(tuán)之間的相互作用，會共同影響馬鈴薯淀粉-大豆肽復(fù)合體系的消化性。研究結(jié)果可以提高對食品多組分間相互作用的認(rèn)識，為優(yōu)化含慢消化淀粉和抗性淀粉的新型低GI食品的加工方法提供重要的理論指導(dǎo)。