湿热处理对油莎豆淀粉理化性质、结构及体外消化特性的影响

曹 旭, 辛明航, 刘婷婷, 张闪闪, 王大为

(吉林农业大学食品科学与工程学院1，长春 130118) (农业农村部食用菌加工技术集成科研基地2，长春 130118) (吉林省粮食精深加工与高效利用工程研究中心3，长春 130118) (吉林省粮食精深加工与副产物高效利用技术创新重点实验室4，长春 130118)

油莎豆又名油莎草(CyperusesculentusL.)原产于非洲地中海沿岸国家，莎草科莎草属多年生草本植物[1]。油莎豆的含油量高达20%～35%，国内加工业大多数以提取油莎豆油脂为主[2，3]，对油莎豆提油之后副产物研究较少。油莎豆提油后所剩豆粕含有丰富的淀粉、糖类、蛋白质等，且豆粕中淀粉质量分数为24.63%～36.49%，为豆粕中主要成分[4]，因此对油莎豆豆粕中淀粉的研究具有重大意义。

湿热处理(heat-moisture treatment，HMT)是指在低含水量(通常≤35%)和一定温度下(高于玻璃化转变温度但低于糊化温度)加热处理一段时间，以达到改变淀粉理化性质的目的，属于物理改性方法[5]，是一种经济安全的改性方法，仅涉及水和热，不会引入其他的化学物质[6]。HMT能够改变淀粉分子的结构和理化性质，如提高糊化温度和热稳定性，降低老化度及消化率等[7]。目前淀粉的湿热处理研究主要集中于玉米淀粉、马铃薯淀粉和大米淀粉等常见谷物品种上[8]，然而HMT对油莎豆淀粉理化性质影响的研究鲜有报道。本实验以油莎豆豆粕为原料制备油莎豆淀粉，研究湿热改性对油莎豆淀粉理化性质、结构及体外消化特性的影响，以期为油莎豆淀粉的深度开发与应用提供一定的参考。

1 材料和方法

1.1 材料与试剂

油莎豆：产地为吉林省长岭县；油莎豆豆粕：实验室自制；直链淀粉标品；支链淀粉标品；猪胰腺α-淀粉酶(14 U/mg)；淀粉葡萄糖苷酶(105U/g)；其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

Phenom Pro扫描电子显微镜，Mastersizer 3000E型激光粒度仪，MiniFlx 600型台式X射线衍射仪，Nicolet iS20型傅里叶红外光谱仪，DSC-25型差示扫描量热仪。

1.3 方法

1.3.1 油莎豆淀粉的提取

参照王璐阳等[9]方法，略加改动。以超临界CO2萃取油莎豆油的萃余物油莎豆豆粕为原料，脂肪质量分数为(1.24±0.29)%，取25 g油莎豆豆粕于烧杯中，加入150 mL 0.3%的氢氧化钠溶液，在常温下搅拌2 h，离心处理(3 800 r/min，20 min)，去上清液，将沉淀上层黄褐色物质层除去，沉淀用去离子水分散并调 pH 至中性，洗涤筛分(200目)，然后将沉淀物的白色淀粉层重新分散于去离子水中并离心，重复该过程直至黄色层不可见。将所得沉淀进行真空冷冻干燥并研磨过200目筛，即为油莎豆淀粉，其脂质(0.44±0.04)%，蛋白质(0.27±0.06)%。

1.3.2 油莎豆淀粉的湿热处理

准确称量25 g油莎豆淀粉，调节含水量至20%、25%、30%、35%，搅拌均匀后密封于容器内，置于4 ℃环境下24 h平衡水分。水分平衡结束后转移至110 ℃烘箱内进行2h的密闭湿热处理。冷却到环境温度后，于40 ℃对流烘箱内干燥至恒重，将样品研磨过200目筛进行筛选，根据处理含水量不同，将样品记为HMT-20、HMT-25、HMT-30与HMT-35。

1.3.3 扫描电子显微镜观察

将少量淀粉样品分散在粘有导电胶的样品台上，喷金处理，在5 000倍放大倍数下获得淀粉颗粒的代表性数字图像。

1.3.4 粒径分布测定

将样品置于烧杯内，加入去离子水制成浓度为1%淀粉乳液进行粒径分布测定。测定淀粉样品的折射率设置为1.53，分散剂蒸馏水的折射率设置为1.33。

1.3.5 X射线衍射测定

衍射仪在40 mA和40 kV下工作，使用波长为0.1 542 nm的Cu-Kα辐射作为X射线源。衍射角2θ扫描范围：5°～40°，扫描速率：4(°)/min，扫描步长：0.02°。使用MDI jade 6.0软件计算相对结晶度。

1.3.6 傅里叶变换红外光谱测定

在测定范围4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1，扫描次数32次的条件下绘制淀粉样品的红外光谱图。对所绘制的红外光谱图进行自动基线校正，纵坐标归一化处理。使用Omnic 8.0软件对红外光谱在1 200～900 cm-1之间进行去卷积处理，设置增强因子为1.9，半峰宽19 cm-1，计算R1 045 cm-1/1 022 cm-1峰强度比值大小。

1.3.7 热力学特性测定

将2 mg样品与4 μL去离子水混合，于铝制坩埚内密封，室温平衡24 h。将样品坩埚以10 ℃/min的升温速率从20 ℃升温至120 ℃，并以空坩埚为基准。分析DSC热流曲线计算淀粉样品的初始糊化温度(To)、峰值糊化温度(Tp)和糊化焓值(ΔH)。

1.3.8 直链淀粉含量测定

湿热处理前后油莎豆淀粉中直链淀粉含量的测定，具体操作步骤参照GB/T 15683—2008《大米—直链淀粉含量的测定》。

1.3.9 溶解度和膨润力测定

取0.4 g淀粉样品，置于50 mL离心管中，加入20 mL蒸馏水，摇匀振荡后分别置于50、60、70、80、90 ℃恒温水浴中加热30 min，每5 min振荡1次。样品取出后冷却，离心分离(3 800 r/min，20 min)，分离沉淀与上清液。上清液倒入铝皿内，于105 ℃的空气干燥箱干燥至恒重。按公式计算淀粉样品的溶解度与膨润力。

式中：S为溶解度/%；P为膨润力/g/g；A为上清液恒重/g；W为样品质量/g；B为沉淀物湿重/g。

1.3.10 体外消化特性测定

参照 Englyst 等[10]的体外模拟酶水解法。准确称取200 mg淀粉(干基)于锥形瓶中，加入醋酸-醋酸钠缓冲液(0.2 mol/L、pH5.2)15 mL，沸水浴中振荡糊化20 min后，冷却至室温后加入猪胰腺α-淀粉酶(290 U/mL)和糖化酶(15 U/mL)混合酶溶液10 mL，于37 ℃恒温水浴中振荡保温，在20 min和120 min时，分别取出1 mL水解液，采用DNS法测定体系中还原糖含量。油莎豆淀粉样品中易消化淀粉(RDS)、缓慢消化淀粉(SDS)与抗性淀粉(RS)的含量用公式计算。

RS=(1-RDS-SDS)×100%

式中：G20为酶解20 min后释放的葡萄糖质量/mg；G120为酶解120 min后释放的葡萄糖质量/mg；TS为总淀粉干基质量/mg；FG为游离葡萄糖质量/mg。

1.4 数据分析

均进行3次重复实验，数据表示为平均值±标准差。采用SPSS 23.0中Duncan检验进行方差分析，P<0.05表示差异显著。采用Origin 2018进行图像绘制。

2 结果与分析

2.1 淀粉颗粒形貌结构

湿热处理前后油莎豆淀粉的电镜图像如图1所示。油莎豆淀粉颗粒完整表面光滑轮廓清晰、大颗粒均成卵型，小颗粒为球形，这与Akonor等[11]的研究结果保持一致。由电镜图片可知，湿热处理使油莎豆淀粉颗粒出现了表面凹陷和颗粒聚集的现象，随着湿热处理含水量的提高，样品中出现凹陷的淀粉数量不断增多，HMT-30和HMT-35中淀粉颗粒并产生黏附聚集现象，且HMT-35中淀粉颗粒的聚集程度大于HMT-30。由图1可知，湿热处理对油莎豆淀粉颗粒形貌影响情况与湿热处理含水量成正相关，湿热处理导致淀粉链间互作，产生致密结构，使颗粒表面更于易形成凹陷；同时它也改变了颗粒凝聚程度，使得淀粉颗粒黏附成团[12]。

图1 湿热处理前后油莎豆淀粉扫描电镜图像(5 000×)

湿热处理对油莎豆淀粉颗粒粒径分布的影响如表1所示，油莎豆淀粉经过湿热处理，淀粉颗粒粒径呈现逐渐增大趋势，并随着湿热处理含水量提高，其颗粒粒径分布范围不断扩大。这可能是由于湿热处理促使水分子进入淀粉结构内部，导致淀粉颗粒表面膨胀或局部糊化，从而使淀粉颗粒粒径增大[13]。

表1 湿热处理前后油莎豆淀粉颗粒的粒径分布

2.2 淀粉结晶结构和相对结晶度

图2为湿热处理前后油莎豆淀粉X-射线衍射图谱。油莎豆淀粉在2θ约为15°、17°、18°以及23°处显现比较强特征衍射峰，说明油莎豆淀粉为典型的A型结晶结构。经湿热处理后，油莎豆淀粉的A型特征衍射峰仍清晰可见，仍主要表现为A型结晶结构。所有淀粉样品的衍射图谱中20°(2θ)处附近显现一个小衍射峰，该峰可能是由脂质和直链淀粉相互作用形成的无定形峰，该峰在玉米淀粉的湿热处理过程中也被发现[14]。表2列出了湿热处理前后油莎豆淀粉相对结晶度的变化情况，可知随着湿热处理含水量的提高，油莎豆淀粉样品的相对结晶度呈现逐渐降低的变化趋势。湿热处理中热能与水分子的运动破坏了淀粉颗粒中原有氢键，使淀粉分子链双螺旋结构、有序排列和致密性发生变化，导致淀粉分子结构中双螺旋结构解旋，致使油莎豆淀粉结晶结构遭到破坏，结晶度下降[15]。

图2 湿热处理前后油莎豆淀粉X-射线衍射图谱

表2 湿热处理前后油莎豆淀粉相对结晶度与短程有序程度

2.3 淀粉短程有序结构

图3为湿热处理前后油莎豆淀粉红外光谱，3 400 cm-1处吸收峰归因于O—H的伸缩振动；2 900 cm-1处的吸收峰归因于C—H的伸缩振动；1 647 cm-1处的吸收峰归因于H—O—H的弯曲振动；576 cm-1处吸收峰归因于C—O—C骨架振动，为淀粉特征峰[16]。由图3可知，湿热处理前后油莎豆淀粉特征基团吸收峰出现位置几乎没有发生改变，表明湿热处理没有引起油莎豆淀粉产生新的分子基团或化学键。

图3 湿热处理前后油莎豆淀粉红外光谱

图4为湿热处理前后油莎豆淀粉红外光谱去卷积图谱，红外光谱中1 045 cm-1与1 022 cm-1处吸收峰强度比值的大小能够代表淀粉分子结构中短程有序结构的变化情况[17]，结果如表1所示。湿热处理前后油莎豆淀粉R1 045 cm-1/1 022 cm-1的比值呈现先上升后下降趋势，即油莎豆淀粉短程有序程度呈现为先上升后下降的变化趋势。HMT-25前淀粉短程有序化程度呈现上升的原因可能是由于无定形区域的淀粉分子链排列杂乱无序，致密性低，在较低含水量的湿热处理中，淀粉分子链受到水和热协同作用导致原有排列方式被破坏。与此同时，自由运动的分子链又重新聚集和取向，形成新的双螺旋有序结构，从而提高无定形区的短程有序化程度[18]。HMT-25后淀粉短程有序化程度呈现下降的原因可能是高水分的湿热处理造成了淀粉分子内部原有氢键的破坏，致使淀粉分子结构内双螺旋结构遭到破坏，并且高含水量的湿热处理，更能够促使淀粉分子和水分子二者相结合形成新的氢键，造成淀粉颗粒结构中结晶结构和无定型区域内螺旋结构的破坏，使其短程有序化程度呈现下降趋势[19]。

图4 湿热处理前后油莎豆淀粉红外光谱去卷积图谱

2.4 淀粉热力学特性

由表3可知，与油莎豆原淀粉相比，湿热改性后淀粉样品有较高的T0、Tp和较低的ΔH。T0和Tp较原淀粉均有所提高，表明湿热处理引起了淀粉分子中部分支链淀粉分子发生降解，加强了淀粉内部分子链间相互作用，形成了新的双螺旋结构，使晶体结构变得更为致密，淀粉结构刚性增加，从而需要更多热量才可以让淀粉糊化。ΔH能够表示糊化过程中解开并融化淀粉颗粒中双螺旋结构的数量[20]。湿热处理导致油莎豆淀粉ΔH不断减小，说明湿热处理造成了淀粉颗粒结晶区域和非晶区域内双螺旋结构的破坏，从而导致淀粉结晶结构破坏[21]，并且随着湿热处理含水量的增加，淀粉的双螺旋结构破坏程度呈现上升趋势，这与X射线衍射的实验结果保持一致。

表3 湿热处理前后油莎豆淀粉热力学参数

2.5 淀粉中直链淀粉的含量

淀粉中直链淀粉的含量是影响其理化性质的重要因素之一，图5为不同含水量下湿热处理油莎豆淀粉中直链淀粉含量。油莎豆原淀粉的直链淀粉质量分数为17.33%，经过湿热处理过后的油莎豆淀粉直链淀粉含量较原油莎豆淀粉均有提高，以HMT-35时直链淀粉的质量分数最高，为19.88%。在湿热处理过程中，油莎豆淀粉分子可能是在水分子和热能协同作用下，促使部分支链淀粉的分支结构断裂或较长直链淀粉形成短链直链淀粉分子，从而提高了整体的直链淀粉质量分数[22]。

图5 湿热处理前后油莎豆淀粉中直链淀粉含量

2.6 淀粉溶解度与膨润力

溶解度与膨润力能够代表油莎豆淀粉的持水能力与颗粒内部结合能力。图6为湿热改性前后油莎豆淀粉在50～90 ℃条件下溶解度和膨润力的变化情况。由图可知油莎豆淀粉经湿热处理其溶解度和膨润力呈逐渐下降趋势。湿热处理使油莎豆淀粉颗粒内部部分支链淀粉降解，生成较多直链淀粉，并引起淀粉内部结构重新排列，直链淀粉与直链淀粉、支链淀粉间相互作用，从而形成更有序的淀粉簇，使得淀粉分子内部键能变强，双螺旋结构变得更加紧密，使淀粉的致密化程度提高，颗粒内部的淀粉分子不易溶出，降低淀粉颗粒与水结合能力，所以使淀粉得溶解度与膨润力降低[23]。

图6 湿热处理前后油莎豆淀粉溶解度与膨润力

2.7 淀粉体外消化特性

图7为湿热处理前后油莎豆淀粉的体外消化特性。由图可知油莎豆原淀粉中RDS质量分数为89.55%，SDS质量分数为8.97%，RS质量分数为1.48%。随着湿热处理含水量的不断增加，油莎豆淀粉的体外消化特性呈现先下降后上升的趋势，在HMT-25时淀粉中RDS的质量分数最低，为74.52%，SDS和RS质量分数最高，分别为18.72%和6.76%。

图7 湿热处理对油莎豆淀粉体外消化特性影响

适宜含水量的湿热处理有利于淀粉分子中原有结构破坏与淀粉分子链迁移，增强无定型区域中分子链间互作，提高淀粉的抗消化性能[24]。HMT-25之前，淀粉中SDS和RS的含量逐渐增加，RDS逐渐减少，这可能是因为随着湿热处理过程中含水量的增加，进入淀粉颗粒中的水分子增多，淀粉颗粒中原有的氢键结构受到破坏，使得无定形区域和结晶区域内的淀粉分子链自由度增加并进一步相互交织，促使破裂的晶体结构更加完美与RDS向SDS和RS的转变，使得油莎豆淀粉SDS与RS含量增加[25]。HMT-25时油莎豆淀粉的抗消化能力最强，得益于此时湿热处理恰当的含水量，使淀粉颗粒内分子链排列的更为有序，分子结构更为完美。HMT-25之后，高温高湿的湿热处理条件使得油莎豆淀粉颗粒膨胀，淀粉分子链破坏程度变大，短程有序化程度降低，导致淀粉酶更容易水解淀粉，从而使得油莎豆淀粉的SDS和RS含量降低[26]。这与上述淀粉短程有序化结构变化趋势相同。

3 结论

以不同含水量的湿热处理对油莎豆淀粉进行湿热改性，研究湿热处理对油莎豆淀粉理化性质、结构及体外消化特性的影响。结果表明：湿热处理后油莎豆淀粉颗粒表面的凹陷不断增多并伴有糊化团聚现象的发生，淀粉的颗粒粒径和直链淀粉含量呈现不断增大趋势；湿热处理并没有改变油莎豆淀粉原有A型晶体结构，随着湿热处理水分质量分数的不断提高，油莎豆淀粉的相对结晶度、糊化焓值(ΔH)、溶解度和膨润力呈现逐渐降低的变化趋势；油莎豆淀粉的体外消化特性呈现先上升后下降趋势并在HMT-25时油莎豆的易消化淀粉达到最低为74.52%。湿热处理对油莎豆淀粉理化性质产生一定影响，能够提高油莎豆淀粉的热稳定性，降低淀粉的体外消化率。