青稞多糖对大米淀粉糊化、流变、结构和体外消化特性的影响

Effects of Polysaccharides from Highland Barley on Gelatinization, Rheological, structure and in vitro digestion Properties of Rice Starch

摘要

为了研究青稞多糖对大米淀粉性质的影响，向大米淀粉中添加不同比例的青稞来源多糖，采用快速黏度分析仪、差示量热扫描仪等对大米淀粉的糊化、流变、结构和体外消化特性进行研究。 结果表明：添加不同质量分数青稞多糖有助于提高大米淀粉的热稳定性；青稞多糖通过与大米淀粉分子交联提高混合体系的黏弹性；体外消化实验结果显示青稞多糖的添加可以降低大米淀粉消化率。研究结果为进一步利用和控制大米淀粉的糊化特性以及青稞多糖在淀粉基食品中的应用提供了理论依据。

Abstract

To study the effect of highland barley polysaccharide on the properties of rice starch, different proportions of highland barley polysaccharide were added to rice starch, and the gelatinization, rheology, structure and in vitro digestion characteristics of rice starch were studied by rapid viscosity analyzer and differential calorimetry scanner. The results showed that the thermal stability of rice starch was improved by adding different mass fractions of highland barley polysaccharide. The viscoelasticity of the mixed system was improved by cross-linking of highland barley polysaccharide with rice starch molecules. The results of in vitro digestion experiment showed that the addition of highland barley polysaccharide could reduce the digestibility of rice starch. The results provided a theoretical basis for further utilizing and controlling the gelatinization characteristics of rice starch and the application of highland barley polysaccharide in starch-based foods.

Graphical abstract

关键词

大米淀粉 / 青稞多糖 / 糊化 / 流变 / 体外消化

Key words

Rice starch / highland barley polysaccharides / Gelatinization / Rheological / vitro digestion

大米，亦称稻米，是世界上三大谷物之一，也是世界上食用人口最多、种植历史最悠久的农作物产品^[1]。淀粉作为大米中最主要的成分，约为米粒质量的62% ~ 86%，其水合、凝胶、糊化等特性在淀粉基食品加工过程中起着很重要的作用，但天然大米淀粉常存在不耐热及易老化等缺点，使其在食品工业中的应用出现短板。因此，利用一些天然添加剂来改善淀粉的特性受到越来越多的关注。

近年来，非淀粉多糖因其天然、方便获取、无毒、环保、成本低等优点，被广泛用于改善淀粉的糊化、老化和消化性能^[2-3]。廖瑾等^[4]研究发现阿拉伯胶可以降低马铃薯淀粉的峰值黏度及崩解值，使其具有更好的热稳定性。金娃等^[5]在研究中发现，添加海藻糖不仅可以显著提高淀粉糊的透明度及冻融稳定性，还可以改善淀粉的凝沉性，从而起到抑制淀粉老化的作用。武娜等^[6]研究结果表明可溶性大豆多糖的添加可以显著降低淀粉的膨胀度及溶解度，提高其糊化温度；许欢等^[7]在研究中发现交联甜菜果胶与蜡质玉米淀粉相互作用，可显著降低复配体系储藏过程中的凝胶强度和淀粉分子的重结晶，表现出较好的抗老化性，添加交联甜菜果胶可显著改善玉米淀粉的理化性质。Zhang等^[8]研究了不同相对分子质量的果胶与对玉米淀粉结构特性和体外消化率的影响，结果显示多糖胶的加入对玉米淀粉糊化、流变和消化等特性均有显著的影响。从目前的研究可以得出结论，非淀粉多糖可以提高或降低峰值粘度，抑制颗粒膨胀和直链淀粉浸出，提高糊化温度，抑制淀粉颗粒的崩解，抑制短期和长期的老化，降低淀粉的消化率等^[9-10]。由于多糖对淀粉的这些作用大多是积极的，因此越来越多的新型多糖被添加到淀粉中，以研究其对淀粉性质的影响。

青稞，又称裸大麦，是一种极具特色的高原粮食作物，青稞多糖以β-葡聚糖和阿拉伯木聚糖为主，是一种非淀粉多糖。目前，关于青稞多糖对淀粉性质的影响研究相对较少。本文以大米淀粉为研究对象，利用快速黏度仪、流变仪、电子扫描显微镜等研究青稞多糖对玉米淀粉糊化、流变、结构和体外消化特性的影响，旨在探讨青稞多糖与大米淀粉之间的相互作用，为青稞多糖改善淀粉基食品提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

青稞，藏青2 000（西藏农牧学院植物科学学院提供）；大米淀粉（直链淀粉质量分数23.37%）：购于上海维塔化学试剂有限公司。高温α-淀粉酶、淀粉葡萄糖苷酶、透析袋：购于上海源叶生物有限公司。

1.2 仪器与设备

RVA-4500快速黏度分析仪：瑞典Perten公司；Instruments HR-2流变仪：美国TA仪器公司；DSC 214差示热量扫描仪，德国Netzsch公司；C-MAG HS4磁力搅拌器：德国IKA公司；752型紫外可见分光光度计：上海光谱仪器有限公司；ML204分析天平：梅特勒-托利多仪器上海有限公司；JXN-26高速冷冻离心机：美国贝克曼库尔特公司；THZ-D台式恒温振荡器：苏州市培英实验设备有限公司；LGJ-25C型冷冻干燥机：北京四环福瑞科仪科技发展有限公司；SU3500扫描电子显微镜：日本日立公司；XRD-6100 X射线衍射仪，日本岛津科学仪器公司。

1.3 实验方法

1.3.1 青稞多糖的提取制备

青稞冷冻干燥机并粉碎过筛（100目）以1/30 (w/v)的固液比与水混合并不断搅拌。提取时间5 h，温度75 ℃。提取后，在10 000 rmp的转速下离心20 min。使用Sevage试剂去除蛋白质。溶液与无水乙醇在4℃下混合12 h（乙醇终浓度：80%）。收集沉淀物用水复溶，进行透析（透析膜3 500 Da，3 d）。透析液冻干后为青稞多糖。

1.3.2 青稞多糖-大米淀粉复配体系的制备

向大米淀粉中分别加入基于干基质量分数为1.5%、3.0%、4.5%和6.0%的青稞多糖，混合均匀。

1.3.3 青稞多糖-大米淀粉复配体系糊化曲线的测定

准确称取2.86 g大米淀粉和青稞多糖置于铝制坩埚中，加入25.14 mL去离子水，用小型塑料螺旋桨充分预搅后，将铝制坩埚卡入快速黏度仪（RVA）的旋转塔中，按下塔帽启动测量。

RVA测定程序设置如下：旋转浆以960 r/min旋转10 s，减速至160 r/min均匀转动14 min至测试结束。悬浮液在初始温度50 ℃下平衡1 min，然后以12 ℃/min的速率加热至95 ℃，在95 ℃下保温2.0 min，再以相同速率冷却至50 ℃，保温2.5 min。从RVA谱图可知淀粉糊的谷值黏度（TV）、峰值黏度（PV）、最终黏度（FV）、崩解值（BV）、回生值（SV）、糊化温度（PT）等。

1.3.4 扫描电镜观察（SEM）

使用RVA将样品糊化，并立即冷冻干燥，干燥后样品通过扫描电镜进行检测。SEM加速电压设置为20 kV，放大倍数分别为100倍。

1.3.5 青稞多糖-大米淀粉复配体系流变学性质的测定

将按1.3.2方法糊化完的淀粉糊，在DHR-2旋转流变仪上选用40 mm不锈钢平板夹具进行黏弹性测试，平板与底板间样品的测试间距为1 mm。在恒定温度(25 ℃)和频率(1 Hz)下，通过应变扫描试验(0.1-100%)确定样品凝胶的线性黏弹区间。后续实验选择应变参数为1%。

动态流变性质测定：在0.1 ~ 100Hz的振荡频率扫描模式下测试了混合物的动态流变特性。贮存模量(G′，Pa)、损耗模量(G′′，Pa)和损耗角正切值(tan δ = G′′/G′)

1.3.6 青稞多糖-大米淀粉差示量热扫描（DSC）的测定

将3.0 mg混合物（原料粉）放入坩埚中，与9 μL蒸馏水混合，密封后，在4 ℃下平衡12 h。坩埚在保护气体（氮气，40 mL/min）下，以10 ℃/min的扫描速度从20 ℃加热到130 ℃。空坩埚作为空白对照。

1.3.7 青稞多糖-大米淀粉复配体系Ｘ-衍射分析

将糊化后的干燥样品打粉过筛（100目），利用X-射线衍射仪对其结晶体进行测定。X-射线衍射的测定条件为衍射角（2θ）范围为 5° ~ 60°，扫描速度10° /min。

1.3.8 青稞多糖-大米淀粉复配体系体外消化测定

将糊化后的干燥样品打粉过筛（100目）。称取样品（干基淀粉含量为50 mg），加入10 ml乙酸盐缓冲液（0.2 M，pH6.0）中在水浴中预热至37 ℃.然后加入混合酶溶液5 mL(含淀粉葡萄糖苷酶150 U和α-淀粉酶2 900 U)，开始淀粉水解。不同时间(0、20、120 min)取出100 μL的样品，加入500 µL无水乙醇终止消化。离心(4 000 rmp, 10 min)，取100 µL消化液移液至3 mL GOPOD试剂中，50 ℃孵育20 min，记录510 nm吸光度。淀粉消化率按下式计算。

RDS% =(G₂₀ - G₀) × 0.9 × 100/TS

SDS% = (G₁₂₀ - G₂₀) × 0.9 × 100/TS

RS% = (TS - RDS - SDS) × 100/TS

G₀、G₂₀和G₁₂₀分别代表0 min、20 min、120 min时葡萄糖含量/mg，TS表示总淀粉含量/mg。

1.3.9 数据处理

使用SPSS 20.0和Excel 2019软件对数据进行统计分析结果以平均值±标准偏差表示，P<0.05表示差异显著，使用Origin 2021绘图。

2 结果分析

2.1 青稞多糖-大米淀粉复配体系糊化特性

青稞多糖-大米淀粉复配体系糊化曲线如图1所示。从糊化曲线中能够得到复配体系的峰值黏度、谷值黏度、最终黏度、崩解值、回生值和糊化温度，如表1所示。对于糊化的大米淀粉，青稞多糖的复配能够显著影响其黏度特性，如表1所示，随着青稞多糖添加量增加，大米淀粉的峰值黏度、谷值黏度和最终黏度均下降，且青稞多糖添加量大于3.0%时能够显著降低大米淀粉糊化时的黏度（P<0.05）。同时，青稞多糖-大米淀粉复配体系与原大米淀粉相比，崩解值也呈现下降趋势，说明添加1.5% ~ 6.0%的青稞多糖可以提高大米淀粉的热稳定性。另外，随着青稞多糖的添加，大米淀粉的回生值逐渐降低，且添加量为6.0%，回生值降到最低，说明青稞多糖可以延缓大米淀粉的短期回生。加入不同比例的青稞多糖后，糊化温度显著升高（P<0.05），这与武娜等人^[6]的研究结果一致，主要原因是糊化过程中，青稞多糖的复配抑制了大米淀粉颗粒的膨胀，致使在更高的温度下，大米淀粉才能发生糊化^[11]。综上所述，青稞多糖的添加对于大米淀粉有降低淀粉糊体系粘度，抑制淀粉短期回生的作用。

2.2 青稞多糖-大米淀粉复配体系微观结构

糊化后的大米淀粉和青稞多糖-大米淀粉复配体系的微观结构如图2所示，所有图中均未观察到淀粉颗粒结构，表明淀粉已完全糊化。由图2a可以看出，大米淀粉糊微观结构类似于蜂巢状，呈现均匀多孔、相互交联的网络结构，孔壁较薄，表明其凝胶硬度较低，更容易受到消化酶的攻击。与大米淀粉胡相比，所有青稞多糖-大米淀粉复配体系均表现出连续且相对有序的层状网络结构，具有平行链和较厚的孔壁。且随着青稞多糖含量的增加，复配体系的壁明显变厚，并逐渐转变为均匀的层状纤维膜结构，具有相互作用缠绕的特殊特征。6.0%的青稞多糖观察到更致密的纤维膜结构，具有紧密重叠和堆积特征以及中空纤维外观（图2e）。这一现象表明青稞多糖和大米淀粉之间的协同作用有效地促进了更稳定的微观结构的形成。

2.3 青稞多糖-大米淀粉复配体系流变学性质

线性黏弹区是指在一定范围的应变下储能模量G′能够保持基本不变的区域，即可执行测试而不破坏样品结构的范围。因此，在对样品的动态黏弹性进行分析时，首先需要确认线性黏弹区内的应力范围^[12]。如图3a所示，在大米淀粉中加入不同比例青稞多糖的样品，其G′在0.1% ~ 10%剪切应变范围内均基本无显著变化，所以0.1% ~ 10%为大米淀粉的线性黏弹区。最终选取1%应变作为后续实验参数。

动态流变学频率扫描用来表征淀粉糊黏弹性的变化，反应了多糖对淀粉凝胶弹性特性及黏性特性的影响，如图3b，3c所示，含有不同比例青稞多糖的复合体系，其G′均大于G″（即tanδ<1，图3d），当tanδ<1时，复配体系主要表现为固体弹性特征^[13]，且随着频率增加， 样品体系的G′和G″均呈现增加趋势，并显示出频率依赖性，说明体系具有典型的弱凝胶特性^[13]。与大米淀粉相比，青稞多糖的添加使体系的G′和G′′变大，但1.5%青稞多糖的添加量，G′’增加效果更明显，总的来说，青稞多糖的添加可以增加复配体系黏弹性。

2.4 青稞多糖-大米淀粉复配体系DSC

采用DSC测定了大米淀粉淀粉和青稞多糖-大米淀粉复配体系的糊化参数，结果表2所示。大米淀粉在加热过程中发生糊化，会从有序结构到无定形结构的状态转变，起始温度（T_o）、峰值温度（T_p）和结束温度（T_c）水平与淀粉的玻璃化转变密切相关，它们随着青稞多糖比例的增加而增加，从热力学角度说明青稞多糖对大米淀粉的糊化起到了抑制作用，可能是青稞多糖和大米淀粉颗粒之间对自由水存在竞争，从而降低了样品的水分活度并阻碍了淀粉颗粒随温度升高时发生膨胀。同时，青稞多糖的加入降低了体系中大米淀粉的浓度，并对大米淀粉凝胶的三维网络结构有一定的物理阻碍和断裂作用，导致T₀的增加。Gunaratne等人^[14]报道，糊化过称中多糖和淀粉之间的相互作用稳定了淀粉颗粒的分子结构，从而阻碍了糊化过程，从而提高了糊化温度^。

糊化焓（ΔH₀）表示颗粒内支链淀粉紊乱发生糊化所需的能量，该值是通过对糊化峰面积进行积分计算的^[15]。青稞多糖的添加导致ΔH₀普遍降低，对糊化产生一定程度的抑制作用。与对照相比，添加6%青稞多糖的样品ΔH₀降低了34.08%，表明青稞多糖的存在使淀粉从悬浮状态转变为凝胶状态所需的能量降低。

2.5 青稞多糖-大米淀粉复配体系Ｘ-衍射分析

采用XRD测试探讨青稞多糖对大米淀粉结晶度的影响，如图4所示。未糊化的大米淀粉在大约15°和23°衍射角处具有强双峰，在17°和18°出现双峰，表现出典型的“A”型衍射图案。而糊化之后的大米淀粉在12.9°和20°左右出现吸收峰，说明其晶体结构在糊化过程中遭到破坏。而青稞多糖-大米淀粉复配体系在糊化后失去了其天然的A型XRD图谱。3.0%、4.5%和6.0%青稞多糖-大米淀粉复配体系的峰形与大米淀粉对比显示出明显差异，这表明青稞多糖对大米淀粉晶体结构的影响有浓度依赖性。

2.6 青稞多糖-大米淀粉复配体系体外消化

淀粉消化与人类餐后血糖和胰岛素水平密切相关^[16]。表3显示了不同青稞多糖添加量的大米淀粉体外消化参数，包括RDS、SDS和RS。消化过程中，6.0%青稞多糖-大米淀粉复配体系RDS含量从38.83%下降至29.72%（P<0.05），而SDS (27.03%升至31.17%)和RS (34.14%升至39.11%)水平显着增加（P<0.05）。对于复配体系，随着青稞多糖比例增加，显示出青稞多糖对大米淀粉消化的抑制作用具有很强的剂量依赖性，即青稞多糖可以降低大米淀粉消化率，并可能有助于血糖控制。究其原因可能是生物大分子之间的分子间相互作用而导致复合凝胶的微观结构强化，导致的随着青稞多糖添加量的增加，大米淀粉消化率降低。该结果与木薯淀粉-凉粉草多糖^[17]、大麦β-葡聚糖-玉米淀粉混合凝胶^[18]的研究相似。因此，青稞中富含非淀粉多糖，可以在淀粉类食品中发挥关键作用，阻止消化过程中葡萄糖的释放。

3 讨论

通过分析不同比例青稞多糖的添加对大米淀粉凝胶及消化特性的影响可以看出：随着青稞多糖添加量增加，大米淀粉的峰值黏度、谷值黏度和最终黏度均下降，且青稞多糖添加量大于3.0%时能够显著降低大米淀粉糊化时的黏度（P<0.05）。同时，青稞多糖-大米淀粉复配体系与原大米淀粉相比，崩解值下降，说明添加1.5% ~ 6.0%的青稞多糖可以提高大米淀粉糊的热稳定性。

糊化后的大米淀粉和青稞多糖-大米淀粉复配体系的微观结构显示，随着青稞多糖含量的增加，复配体系的壁明显变厚，并逐渐转变为均匀的层状纤维膜结构，具有相互作用缠绕的特殊特征，表明青稞多糖和大米淀粉之间的协同作用有效地促进了更稳定的微观结构的形成。动态流变学频率扫描用来表征淀粉糊黏弹性的变化表明青稞多糖的添加可以增加复配体系黏弹性。DSC结果显示大米淀粉在加热过程中发生糊化，会从有序结构到无定形结构的状态转变，起始温度（T_o）、峰值温度（T_p）和结束温度（T_c）随着青稞多糖比例的增加而增加，从热力学角度说明青稞多糖对大米淀粉的糊化起到了抑制作用，可能是青稞多糖和大米淀粉颗粒之间对自由水存在竞争，从而降低了样品的水分活度并阻碍了淀粉颗粒随温度升高时发生膨胀；XRD结果显示青稞多糖对大米淀粉晶体结构的影响有浓度依赖性；并且体外消化实验结果表明青稞多糖可以降低大米淀粉消化率。

4 结论

通过研究青稞多糖对大米淀粉糊化、流变、结构、体外消化特性的影响，发现添加青稞多糖后，对大米淀粉的糊化特性具有显著影响(P<0.05)，混合体系的糊化黏度、崩解值及回生值均降低，此外，糊化温度的增加, 说明青稞多糖的添加提高了淀粉的热稳定性。此外，DSC结果显示，大米淀粉糊化过程中的起始温度（To）、峰值温度（Tp）和结束温度（Tc）水平随着青稞多糖比例的增加而增加，说明青稞多糖对大米淀粉的糊化起到了抑制作用；体外消化实验显示青稞多糖的添加可以降低大米淀粉消化率。

因此，向大米淀粉中加入青稞多糖，可以一定程度上改善其物化特性，从而为青稞多糖在淀粉基食品中的应用提供了理论指导，为大米淀粉的品质提升提供了可靠的技术撑。

参考文献

[1] 张群.稻米营养制品加工关键技术[J]. 食品与生物技术学报,2015,34(3):336.

[2] Lin D, Ma Y, Qin W,et al. The structure, properties and potential probiotic properties of starch-pectin blend: A review. Food Hydrocolloids, 2022, 129, 107644.

[3] Chen R, Williams P, Shu J, et al. Pectin adsorption onto and penetration into starch granules and the effect on the gelatinization process and rheological properties. Food Hydrocolloids, 2022, 129, 107618.

[4] 廖瑾,张雅媛,洪雁 等.阿拉伯胶对马铃薯淀粉糊化及流变性质的影响[J].食品与生物技术学报,2010,29(4):567-571.

[5] 金娃,陈威,赵凯 等.海藻糖对三种淀粉理化性质的影响[J].中国调味品,2021,46(2):152-155.

[6] 武娜,杨杨,边鑫 等.可溶性大豆多糖对大米淀粉物化特性的影响[J].食品安全质量检测学报,2022,13(19):6141-6146.

[7] 许欢,张倩,闫璟圆 等.交联甜菜果胶对蜡质玉米淀粉糊化、流变及老化特性的影响[J].中国食品学报,2023,23(06):103-111.

[8] Zhang B, Bai B, Pan Y,et al. Effects of pectin with different molecular weight on gelatinization behavior,textural properties,retrogradation and in vitro digestibility of corn starch[J]. Food Chemistry, 2018, 264:58-63.

[9] Liu S., Lin L., Shen M.et al. Effect of Mesona chinensis polysaccharide on the pasting, thermal and rheological properties of wheat starch. International Journal of Biological Macromolecules, 2018, 118, 945-951.

[10] Zhou D., Zhang B., Chen B.,et al. Effects of oligosaccharides on pasting, thermal and rheological properties of sweet potato starch. Food Chemistry, 2017, 230, 516-523.

[11] Fan Xa, Hui Za, Yan Wb, et al. Effects of tamarind seed polysaccharide on physicochemical properties of corn starch treated by high pressure homogenization [J]. LWT, 2021, 150: 1-10.

[12] Zhao L, Dong Y, CHEN G, et al. Extraction, purification, characterization and antitumor activity of polysaccharides from Ganoderma lucidum[J]. Carbohydrate polymers, 2010, 80(3): 783-789.

[13] Shao P, Qin M P, Han L F, al et, Rheology and characteristics of sulfated polysaccharides from chlorophytan seaweeds Ulva-fasciata[J]. Carbohydrate polymers, 2014, 113: 365-372.

[14] Gunaratne A., Ranaweera S., Corke H., Thermal, pasting, and gelling properties of wheat and potato starches in the presence of sucrose, glucose, glycerol, and β-cyclodextrin hydroxypropyl, Carbohydr. Polym. 70 (2007) 112-122.

[15] J.M.V. Blanshard, Starch granule structure and function: a physicochemical approach, Nihon Saikingaku Zasshi Japanese Journal of Bacteriology 29 (1987) 16-54.

[16] Chen L., Zhang H., McClements D.J., al et, Effect of dietary fibers on the structure and digestibility of fried potato starch: a comparison of pullulan and pectin, Carbohydr. Polym. 215 (2019) 47-57.

[17] Xiao Y., Liu S., Shen M., al et, Effect of different Mesona chinensis polysaccharides on pasting, gelation, structural properties and in vitro digestibility of tapioca starch-Mesona chinensis polysaccharides gels, Hydrocoll Food. 99 (2020), 105327.

[18] Zhang H., Li Z., Tian Y., al et, Interaction between barley β-glucan and corn starch and its effects on the in vitro digestion of starch, Int. J. Biol. Macromol. 141 (2019) 240-246.

基金资助

南京农业大学-西藏农牧学院联合项目资助

食品科学与工程重点实验室

中央高校基本科研业务费专项资金项目(KYYZ202004)