芭蕉芋淀粉热力学特性和体外消化性的研究

付婧超，李晓磊，王玉娟，李丹

（1.长春大学吉林省教育厅农产品深加工重点实验室，吉林长春130022；2.长春大学食品科学与工程学院，吉林长春130022）

芭蕉芋淀粉热力学特性和体外消化性的研究

付婧超1，2，李晓磊1，*，王玉娟1，2，李丹1，*

（1.长春大学吉林省教育厅农产品深加工重点实验室，吉林长春130022；2.长春大学食品科学与工程学院，吉林长春130022）

为了研究芭蕉芋淀粉的加工与营养特性，采用差示扫描量热仪（DSC）、Brabender糊化仪（BV）和Brookfield R/S Plus流变仪测定了芭蕉芋淀粉的热力学特性；在此基础上，采用普鲁兰酶水解，进一步研究了酶解淀粉的体外消化特性。结果表明：5 g芭蕉芋淀粉溶于100 mL蒸馏水得到淀粉乳，其糊化温度是65℃～67℃，黏度急剧升高时的温度为75℃，峰值黏度为429.3BU。经100U/g普鲁兰酶水解后的淀粉，快速消化淀粉的含量由88.2%减少到59.0%，缓慢消化淀粉的含量由8.5%增加到16.9%；酶解淀粉直链淀粉的含量由12.8%增加到18.1%、支链淀粉含量由86.8%下降到79.9%，可能是其具有较低的消化率的部分原因。

芭蕉芋淀粉；糊化温度；体外消化

芭蕉芋（CannaEdulisKer.）是美人蕉科（Cannaceae）美人蕉属（Canna）的多年生草本植物，又称蕉藕、姜芋、旱藕，原产南美洲热带地区；目前，芭蕉芋作为一种重要的块茎作物，在我国贵州、云南、广西等地广泛种植[1]。

芭蕉芋是一种药食两用的植物资源；作为一种中药材，它具有清热利湿和解毒的功效，主治痢疾、泄泻、黄疸和痈疮肿毒等；作为一种可食农产品，目前主要停留在生产食用粉丝的初级阶段[2]，芭蕉芋的经济价值没有得到充分的开发和利用[3]。芭蕉芋块茎含有高达60%的淀粉，近年来已有将芭蕉芋淀粉简单物化改性制备交联改性淀粉[4]、以及微波湿热抗性淀粉[5]等，也有将芭蕉芋淀粉生物转化为乙醇[6]、甘油[7]等初级加工品。但是，芭蕉芋淀粉的一些理化物性数据仍显缺乏，其终端产品的种类和数量仍较少。因此，仍需要深入研究芭蕉芋淀粉的一些加工特性、及其在食品中的营养价值。

芭蕉芋淀粉的消化性，决定其营养价值和保健功能。Englyst[8]等根据淀粉消化时间的不同，将淀粉分为快速消化淀粉（RDS），缓慢消化淀粉（SDS）和抗性淀粉（RS）。RDS适用于重体力劳动者、肠胃消化功能低下者或者婴幼儿食品，而RS和SDS可以明显延缓餐后血糖水平的上升，膳食摄入有利于糖尿病的预防和治疗[9]。

本文在研究芭蕉芋淀粉糊化和黏度特性的基础上，进一步采用普鲁兰酶水解，建立了一种产生低消化率芭蕉芋淀粉的方法。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

芭蕉芋淀粉：购自云南省昆明市；普鲁兰酶（P2986）、猪胰α-淀粉酶（A3176）、淀粉葡萄糖苷酶（A7095）：均购自Sigma Aldrich公司；葡萄糖测定试剂盒（A031）：购自长春汇力生物技术有限公司；其他试剂均为分析纯：购自上海国药集团；二次蒸馏水：由自动双重蒸馏水器（BSZ-2A，博通，上海）制备。

DSC Q-2000差示扫描量热仪：TA公司，美国；Brabender黏度仪（Micro Visco-Amylo-Graph）：Brabender公司，德国；Brookfield流变仪（R/S plus RHEOMETER）：Brookfield公司，美国；干浴器（mini dry bath）：Benchmark，美国；UV-2550紫外可见分光光度计：SHIMADZU公司，日本；C-MAG HS7 digital磁力搅拌器：IKA公司，德国。

1.2 方法

1.2.1 芭蕉芋淀粉糊化温度及热晗的测定

称4 mg芭蕉芋淀粉于铝皿中，加入10 μL蒸馏水，密封后室温过夜平衡。第二天，将铝皿放入差示扫描量热仪，扫描温度为10℃到100℃，升温速度为10℃/min，以空铝皿作为参比，保护气为氮气，流速50 mL/min，得到淀粉糊化曲线。

1.2.2 芭蕉芋淀粉黏度的测定

使用Brabender黏度仪，5 g芭蕉芋淀粉溶于100 mL蒸馏水得到淀粉乳，设置起始温度为30℃，升温至92℃，保温5 min，降温至50℃，保温3 min，获得随着温度的变化黏度变化曲线。使用Brookfield流变仪设置温度从60℃到90℃，随着温度的变化得到黏度变化曲线。

1.2.3 普鲁兰酶酶活的测定

取0.15 mL普鲁兰溶液（0.01 g普鲁兰溶于1 mL蒸馏水），加入0.075 mL 200 mmol/L pH 5.0醋酸-醋酸钠缓冲液，再加入0.045 mL蒸馏水，混匀后，干浴器40℃预热3 min后，加入0.03 mL普鲁兰酶，反应10 min，加入0.9 mL DNS终止反应，沸水浴煮5 min，紫外可见分光光度计在575 nm下测得分光光度值。将0.3 mL浓度为0～3 μmol/mL麦芽糖分别与0.9 mL DNS混合、在沸水浴煮5 min后，测定吸光度，得到麦芽糖标线y=0.716x-0.207 6，R2=0.998 3。将每分钟产生1 μmol/mL麦芽糖所需要的酶量定义为1U，3次测定取平均值，普鲁兰酶的平均酶活为321.58 U/mL。

1.2.4 普鲁兰酶处理芭蕉芋淀粉

取0.5 g芭蕉芋淀粉加入1.25 mL 200 mmol/L pH 5.0醋酸-醋酸钠缓冲液，加入适当蒸馏水，磁力搅拌器沸水浴加热，待淀粉糊化后，将离心管放入40℃水浴中，依次加入20、60、100 U/g普鲁兰酶，在40℃水浴中反应2 h。反应停止后加入15 mL无水乙醇终止反应，3 000 r/min离心20 min，弃上清液；用75%乙醇按上述方法洗两次，再用无水乙醇洗一次，40℃过夜烘干。取烘干后淀粉，研磨，过100目筛子。

1.2.5 芭蕉芋淀粉的消化率

取10 mg变性淀粉加入0.125 mL 200 mmol/L pH 5.0醋酸-醋酸钠缓冲液和0.355 mL蒸馏水，混匀后在37℃振荡水浴（170 r/min）预热5 min，加入0.02 mL猪胰α-淀粉酶（270 U/mL）和淀粉葡萄糖苷酶（15 U/mL）的混合液（体积比为1∶1），在20 min，120 min分别加入1 mL无水乙醇终止反应[10]，离心后，取0.03 mL加入1 mL GOD-POD工作试剂（取葡萄糖测定试剂盒中体积比R1∶R2=10∶1混匀后，取1 mL即为GOD-POD工作试剂），37℃水浴加热15 min，510 nm下测得分光光度值[11]。RDS、SDS、RS的含量计算方法如下：

式中：G20和G120分别为20 min和120 min葡萄糖的释放量，%；FG为淀粉中葡萄糖含量，%；TS为总淀粉含量，%。

1.2.6 芭蕉芋淀粉中直链淀粉和支链淀粉含量

1.2.6.1 直链淀粉和支链淀粉标准液制备

分别称取10 mg直链淀粉和支链淀粉于10 mL具塞试管中，小心加入0.1 mL乙醇，再加入0.9 mL 1 mol/L的氢氧化钠溶液，轻摇并超声使直链淀粉和支链淀粉完全分散。将混合物在沸水浴中加热10 min，冷却至室温后，加蒸馏水至10 mL。

1.2.6.2 标准曲线的绘制

准确移取0.125 mL直链淀粉含量0%～90%标准品加入1.25 mL蒸馏水，加入0.025 mL 1 mol/L冰醋酸溶液后摇匀，再加入0.05 mL碘试剂（称取2 g碘化钾，加入几滴蒸馏水形成溶液，再加入0.2 g碘，碘完全溶解后移至100 mL棕色容量瓶中，定容，超声摇匀），加水至2.5 mL，摇匀，静置10 min，620 nm测标准品的吸光度，直链淀粉含量的标准曲线为y=0.014 1x+0.296 2，R2=0.999 8。

1.2.6.3 变性淀粉的直链淀粉、还原糖、支链淀粉含量的测定

1.2.6.3.1直链淀粉含量测定

分别称取10 mg不同加酶量变性淀粉于10 mL具塞试管中，做法同标准液制备方法。分别移取0.125 mL变性淀粉溶液，加入1.25 mL蒸馏水，加入0.025 mL 1 mol/L冰醋酸溶液后摇匀，再加入0.05 mL碘试剂，加水至2.5 mL，摇匀，静置10 min，620 nm下测样品的吸光度。

1.2.6.3.2还原糖含量测定

取0.01 g变性淀粉加入1 mL水，混匀后，取0.15 mL上述溶液，加入0.15 mL蒸馏水，混匀后，加入0.9 mL DNS，沸水浴煮5min，在575nm下测吸光度，代入麦芽糖标线y=0.716x-0.207 6，R2=0.998 3，计算还原糖含量。

1.2.6.3.3支链淀粉含量测定

支链淀粉含量/%=淀粉总含量/%-直链淀粉含量/%-还原糖含量/%

1.3 数据分析

淀粉消化率、直链淀粉、支链淀粉含量均进行3次重复测定，结果以平均值±标准误差表示；差异检验皆通过IBM SPSS Statistics 21（IBM，美国）最小显著差数法（LSD法）、在显著水平P<0.05和P<0.01进行多重比较，标注时小写字母代表显著水平P<0.05，大写字母代表P<0.01。

2 结果与分析

2.1 芭蕉芋淀粉糊化温度及热晗

经DSC扫描后，得到图1淀粉乳随温度升高的吸热曲线。

图1 芭蕉芋淀粉的DSC曲线Fig.1The DSC curve of canna starch

淀粉在糊化过程中，随着温度的升高，淀粉乳逐步发生解缠绕作用，最后形成无规则的线团，属于有序的结构向无序的结构转变，此过程中伴随能量的变化，在DSC图谱上表现为吸热峰[12]。与其他淀粉相比，芭蕉芋淀粉的To、Tc、Tp和ΔH值较低[13]，说明淀粉内部分子力较弱[14]。

2.2 芭蕉芋淀粉的黏度

3次测量取平均值，获得芭蕉芋淀粉BV曲线数据如表1所示。

表1 芭蕉芋淀粉BV曲线数据Table 1The BV data of canna starch

由表1可知，糊化温度为67℃，峰值黏度为429.3 BU。DSC测得糊化温度为65.1℃，而BV的糊化温度是67℃，DSC比BV的糊化温度略小。BV的糊化起始温度只有一个定义，就是黏度达到20 BU时的温度，这就使得它具有唯一性；DSC的测定是在密闭的体系内完成的，随着温度的升高，水发生汽化，水汽的产生提高了体系内部的压力，这提高了水分子的活度和能量进而促进了淀粉分子的溃散，所以DSC测得的糊化温度低于BV的结果[15]。

芭蕉芋淀粉随着温度的变化黏度变化情况如图2所示。

图2 芭蕉芋淀粉随着温度变化的黏度曲线Fig.2The viscosity curve of canna starch

由图2可知，60℃时未达到芭蕉芋淀粉的糊化温度，黏度几乎为0（Pa·s）。75℃黏度显著上升，随着温度的升高，黏度也逐渐上升，此数据显示了芭蕉芋淀粉的热加工特性，对确定芭蕉芋的加工温度，具有指导意义。

2.3 芭蕉芋淀粉的消化率

3次测定，分别计算不加酶，加酶20、60、100 U/g变性淀粉消化率，RDS、SDS、RS的变化情况如表2所示。

由表2可知，经普鲁兰酶处理后，RDS显著降低，SDS显著升高（P＜0.01）。经普鲁兰酶处理后的淀粉消化性降低，可采用此法制备SDS，与物理方法制备SDS方法比较，具有产量高的优点[16]；与化学方法比较，此法毒性较低，应用更加广泛[17]。

表2 芭蕉芋变性淀粉消化率Table 2The digestibility of modified canna starch

2.4 芭蕉芋淀粉中直链淀粉和支链淀粉的含量

抗性淀粉和缓慢消化淀粉的营养价值及对血糖调节的作用往往与其稳定的结构有关系[18]。3次测定，分别测量直链淀粉，支链淀粉和还原糖的变化情况如表3所示。

表3 芭蕉芋淀粉中直链淀粉、支链淀粉和还原糖的含量Table 3The content of amylose，amylopectin and reducing sugar of modified canna starch

由表3可知，随着加酶量的增加，直链淀粉含量升高，支链淀粉含量下降。淀粉经普鲁兰酶处理后，普鲁兰酶主要作用于α-1，6-糖苷键，使得淀粉脱支，以α-1，4-糖苷键连接的直链淀粉含量升高。酶解淀粉直链淀粉和支链淀粉含量的变化，可能是其具有较低的消化率的部分原因。

3 结论

1）芭蕉芋淀粉的糊化温度为65℃～67℃，黏度急剧升高时的温度为75℃。

2）普鲁兰酶水解，导致芭蕉芋淀粉中直链淀粉含量升高、支链淀粉含量下降，这可能是酶解芭蕉芋淀粉具有较低消化率的部分原因。

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Study on Thermodynamic Properties and in vitro Digestion of Canna Starch

FU Jing-chao1，2，LI Xiao-lei1，*，WANG Yu-juan1，2，LI Dan1，*
（1.Key Laboratory of Agroproducts Processing Technology at Jilin Provincial University，Education Department of Jilin Provincial Government，Changchun University，Changchun 130022，Jilin，China；2.College of Food Science and Technology，Changchun University，Changchun 130022，Jilin，China）

In order to investigate the properties of processing and nutrition of canna starch，instrumental analysis by Differential Scanning Calorimetry（DSC），Brabender Micro Visco-Amylo-Graph（BV）and Brookfield R/S Plus rheometer，and pullulanase hydrolysis were performed in this study.The results showed that 5 g canna starch was dissolved in 100 mL distilled water to obtain starch milk，and the gelatinization temperature of canna starch was 65℃-67℃.The viscosity increased greatly at 75℃.The max/mum viscosity of starch slurry was 429.3 BU.After the starch was hydrolyzed by pullulanase at 100 U/g starch，the content of RDS decreases from 88.2%to 59.0%，the content of SDS increased from 8.5%to 16.9%.The enzymatic modified canna starch with low digestibility might be resulted from the changes of the content of amylose from 12.8%to 18.1%and amylopectin from 86.8%to 79.9%.

canna starch；gelatinization temperature；in vitro digestion

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.09.001

2016-08-11

国家自然科学基金面上项目（NSFC-31671801）；吉林省教育厅“十三五”科学技术研究项目（吉教科合字[2016]第298号）；吉林省教育厅“十三五”科学技术项目（JJKH20170502KJ）

付婧超（1991—），女（满），硕士研究生，研究方向：生物酶提高食品的感官和营养品质。

*通信作者：李晓磊（1978—），女（汉），副教授，研究方向：食品酶的开发与利用；李丹（1972—），男（满），教授，研究方向：食品酶的开发与利用。