不同直鏈含量玉米淀粉結晶結構及其消化性研究*

張斌，羅發興，黃強，黃旭日，關基香

(華南理工大學輕工與食品學院，廣東廣州，510640)

不同直鏈含量玉米淀粉結晶結構及其消化性研究*

張斌，羅發興，黃強，黃旭日，關基香

(華南理工大學輕工與食品學院，廣東廣州，510640)

對4種不同直鏈/支鏈淀粉含量玉米淀粉的結晶結構和形態學進行研究，并采用Englyst法對4種淀粉進行體外消化模擬試驗，探索了淀粉結構與消化性質的關系。高支(蠟質和普通)和高鏈(HylonⅤ和HylonⅦ)玉米淀粉分別屬于A型和B型結晶結構，其消化機理對應為“由內向外(inside-out)”和“由外向內(exo-pitting)”消化類型。高支玉米的慢消化淀粉(SDS)含量較高，而高鏈玉米淀粉的抗性淀粉(RS)含量遠高于高支淀粉。

玉米淀粉，直鏈淀粉，體外消化，結晶結構

淀粉在自然界分布廣泛，是碳水化合物的主要貯藏形式。通常以顆粒的形式貯藏在大多數高等植物的器官及某些原生動物、藻類、以及細菌中。Katz和Italli根據X衍射圖譜表征淀粉顆粒的結晶結構并可分為A型、B型、C型3種。谷物淀粉大多數屬A型，根莖類的淀粉大多數屬B型，而豆類淀粉則以C型居多［1］。

英國生理學家 Englyst［2－3］根據淀粉在人體內消化速度把淀粉分成易消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)。近年來臨床研究發現，淀粉的消化性與人體的許多疾病密切相關。餐后血糖應答很大程度上取決于易消化淀粉的含量?？剐缘矸酆吐矸酆扛叩氖澄锿瑢俚脱巧芍笖?GI)食品，可維持餐后血糖穩定，有效改善餐后血糖負荷，提高機體對胰島素的敏感性［4］。這對控制糖尿病患者的病情十分有利，并可以作為肥胖人群的減肥產品［5－6］。因此，這兩類淀粉的研究已引起國內外學者的廣泛關注，其制備、性質和結構研究已成為碳水化合物營養學領域的研究熱點。本文利用X-射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、熱臺偏光顯微鏡等現代分析手段，探索4種不同玉米淀粉顆粒結構對消化特性的影響以及結構與消化性質的關系，為慢消化淀粉及抗性淀粉的生產和應用提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蠟質玉米淀粉，河北驪驊公司。普通玉米淀粉，吉林天成公司。高鏈玉米淀粉(HylonⅤ，HylonⅦ)，美國 National Starch公司。豬胰酶(Cat.No.P7545，活力8×USP/mg)和淀粉葡萄糖苷酶(Cat.No.A7095，活力300 U/mL):美國 Sigma-Aldrich公司。標準馬鈴薯直鏈淀粉(Cat.No.A0512):美國Sigma-Aldrich公司。其他化學試劑均為分析純。

721型分光光度計，上海菁華科技公司;電子分析天平(d=0.1 mg)，德國Startorius公司;BX51型熱臺偏光顯微鏡，日本Olympus公司;S3700N型掃描電子顯微鏡，日本Hichi公司;D/Max2200型X-射線衍射分析儀，日本Rigaku公司。

1.2 直鏈淀粉含量測定

標準樣品的配制:準確稱取100 mg標準馬鈴薯直鏈淀粉，加幾滴無水乙醇潤濕，再加入1 mol/L NaOH溶液10 mL，在沸水浴中加熱溶解，用0.1mol/L的HCl調制中性后定容至100 mL。準確吸取直鏈淀粉標準溶液 2 mL，加去離子水50 mL，再加入0.2%碘試劑2 mL，定容至100 mL后放置20 min，在630 nm波長處測得吸光度為a。

直鏈淀粉含量的測定:準確稱取100 mg淀粉樣品，加無水乙醇潤濕，再加入1 mol/L NaOH溶液10 mL，在沸水浴中加熱溶解后定容至100 mL。吸取此液20 mL，用正己烷脫脂。吸取脫脂液5 mL，加去離子水50 mL，用0.1mol/L的HCl調制中性后再加入0.2%碘試劑2 mL，定容至100 mL后放置20 min，在630 nm波長處測得吸光度為b。

1.3 X-射線衍射分析

樣品在100%相對濕度下平衡24 h后進行X-射線衍射分析。實驗采用Rigaku公司D/Max2200型X-射線衍射分析儀，衍射條件為銅靶，電壓44 kV，電流27mA，CuKα 輻射。測量角度 2θ=5～35°，步長0.05°，掃描速度5°/min。

1.4 淀粉的顆粒形態

(1)熱臺偏光顯微鏡:將樣品放入熱臺偏光顯微鏡載物臺。選擇的目鏡和物鏡放大倍數分別為10×和50×，拍攝淀粉顆粒在偏振光下的形態結構，并使用Olympus附帶軟件對不同直鏈淀粉含量玉米淀粉的平均粒徑進行分析。

(2)掃描電子顯微鏡:用導電雙面膠將絕干后的淀粉固定在樣品臺上，在真空下噴金后，置于SEM中放大3 000倍拍攝有代表性的淀粉顆粒形貌照片。

1.5 淀粉體外消化性測定

1.5.1 天然淀粉

淀粉消化性測定參照Englyst［2］提出的體外模擬酶水解法，并有所改進。準確稱取600 mg淀粉樣品于50 mL帶旋轉蓋的離心管中，添加20 mL pH值5.2的0.1mol/L乙酸鈉緩沖液和5粒玻璃珠，渦旋混勻后加入含有豬胰酶(3×103USP)和淀粉葡萄糖苷酶(40 U)的混酶5 mL，置于37℃恒溫水浴下振蕩并準確計時。水解20和120 min后分別取出1.00 mL水解液用3，5-二硝基水楊酸(DNS)法測定葡萄糖含量。具體計算如下:

RDS/%=［(G20－ FG)×0.9］/TS SDS/%=［(G120－ G20)×0.9］/TS RS/%=［TS － (RDS+SDS)］/TS

式中:G20，淀粉酶水解20 min后產生的葡萄糖含量(mg);FG，酶水解處理前淀粉中游離葡萄糖含量(mg);G120，淀粉酶水解120 min后產生的葡萄糖含量(mg);TS，樣品中總淀粉含量(mg)。

1.5.2 蒸煮淀粉

準確稱取600 mg淀粉樣品于50 mL帶旋轉蓋的離心管中，加10 mL去離子水，渦旋混勻后在沸水浴中保持30 min。冷卻至室溫后，添加10 mL pH值5.2的0.1 mol/L乙酸鈉緩沖液和5粒玻璃珠，混勻后置于在37℃恒溫水浴下振蕩，其余步驟同1.5.1。

1.6 數據統計分析

各組實驗數據均重復2次，用SPSS 13.0進行統計分析，用Origin 7.0進行作圖。

2 結果與討論

2.1 支鏈淀粉含量對玉米淀粉結晶結構和相對結晶度的影響

淀粉顆粒是由結晶區和非結晶區交替構成的多晶體系，并能呈現一定的X射線衍射圖樣。結晶區呈現出尖峰特征，而非晶區呈現出彌散特征。不同直鏈淀粉含量玉米淀粉的X-射線衍射圖見圖1。從圖1中可以看出，蠟質和普通玉米淀粉淀粉在15°、17°、18°和23.5°處有強衍射峰，這是典型的 A 型淀粉特征。而高鏈玉米(HylonⅤ和HylonⅦ)淀粉在5.6°、17°、22°和24°有較強的衍射峰出現，屬于 B 型淀粉結構。

非結晶區大部分由直鏈淀粉構成，結晶區多數是由支鏈淀粉形成的，支鏈淀粉決定了淀粉顆粒的晶體結構。Wong等［7］用配備有在線酶反應器和脈沖電流檢測器的高效陰離子交換色譜(HPAEC-ENZPAD)測得A型支鏈淀粉有較多的短側鏈(A鏈和B1鏈);B型支鏈淀粉則有較多的長側鏈(B2鏈和更長鏈)，這些長側鏈可貫穿2～3個或更多“簇”結構［8］。C型淀粉是A和B型淀粉的混合物，因此C型支鏈淀粉既有長側鏈也有短側鏈。從X射線衍射圖樣可以看出4種玉米淀粉的相對結晶度按照支鏈淀粉的含量依次降低:蠟質玉米淀粉＞普通玉米淀粉＞HylonⅤ＞HylonⅦ。

圖1 不同直鏈/支鏈淀粉含量的玉米淀粉的X衍射圖譜

2.2 不同直鏈淀粉含量的玉米淀粉顆粒形態

淀粉顆粒在偏振光場下觀察，可以觀察到偏光十字，在結晶區淀粉分子鏈是有序排列的，而在非結晶區淀粉分子鏈是無序排列的，由此產生各向異性現象，從而在偏振光通過淀粉顆粒時形成了偏光十字。淀粉顆粒的這種雙折射是由于球晶的存在而產生的。表明顆粒結晶部分呈有序排列，這種雙折射現象的強度取決于顆粒的大小以及結晶度和微晶取向［9］?？梢詮谋?和圖2中看出，由于淀粉顆粒的平均粒徑和結晶度從高支到高鏈逐漸減小，雙折射現象的強度逐漸減弱。

表1 四種不同玉米淀粉的直鏈淀粉含量、平均粒徑和結晶度表

高支玉米淀粉的顆粒外形為多角形，顆粒表面具有多個平面和棱角，顆粒較大而均勻，中間有臍眼。高鏈玉米淀粉顆粒外形為圓形和橢圓形。顆粒較小，臍眼不明顯，偏光十字較小并且發暗。高鏈玉米淀粉有些還呈長條形，這是它的特征形態，是由兩個或多個淀粉顆粒相接而成(elongation)，如圖2中C2和D2所示。

圖2 蠟質(A1、A2)，普通(B1、B2)，高鏈 Hylon Ⅴ(C1、C2)和 Hylon Ⅶ(D1、D2)玉米淀粉顆粒的偏光顯微和掃描電鏡圖

2.3 不同直鏈淀粉含量玉米淀粉的消化性

不同直鏈含量玉米淀粉的消化性質見表2。從表2中可看出，不管是天然淀粉還是蒸煮后的淀粉，SDS含量最高的是普通玉米，其次是蠟質玉米，最后是2種高鏈玉米淀粉。原淀粉的RS含量隨著直鏈淀粉含量的增高而增大，HylonⅦ生淀粉RS高達69.7%，蒸煮后RS含量也有20.7%。

顆粒內部的直鏈淀粉分子嵌入支鏈淀粉晶粒的緊密程度決定了顆粒內核的結構。一般而言，B型馬鈴薯淀粉顆粒的內核呈現堅實的結構，而A型普通玉米淀粉顆粒核心結構松散［8］。Zhang［10］報道 A 型淀粉顆粒表面有一些小孔，且在顆粒內部有大量通道，所以酶可以沿著孔道進入顆粒中心向外水解淀粉，屬于“由內向外(inside-out)”消化類型;但B型淀粉顆粒卻沒有這些特征，酶只能作用淀粉表面，屬于“由外向內(exo-pitting)”消化類型。所以A型淀粉顆粒比B型淀粉顆粒更易水解。Hellman等發現，A型玉米淀粉顆粒的總表面積比淀粉顆粒的表面積大，而馬鈴薯淀粉顆粒的總表面積與淀粉顆粒的表面積大致相同 ，同樣證明了A型淀粉表面有小孔結構。由于A型的谷物淀粉顆粒表面天然存在孔洞或通道，酶可以沿著孔道進入中心水解，因此從淀粉原料上看，A型天然淀粉是理想的SDS材料，而高鏈淀粉屬于RS2(抗性淀粉顆粒)，這與Zhang等［10］人報道的結論相一致。

淀粉顆粒表面的直鏈淀粉含量比內部要多［12］。顆粒外部的直鏈淀粉可以加強與支鏈淀粉的結合作用。在糊化過程中，淀粉顆粒表面的直鏈淀粉與支鏈淀粉緊密締合成的網狀結構，這種結構能抵抗酶解。所以蠟質玉米淀粉比普通玉米淀粉等更易消化。而在糊化過程中，高鏈淀粉顆粒表面直鏈淀粉和支鏈淀粉形成的網狀結構更加緊密，使得它們的糊化溫度升高，更不易消化。

表2 四種不同玉米淀粉的體外消化性結果 %

3 結論

利用X-射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、熱臺偏光顯微鏡等現代分析手段，對4種不同直鏈淀粉含量玉米淀粉結晶結構和形態學進行研究，并采用Englyst法對不同直鏈淀粉含量玉米淀粉進行體外消化性模擬，探索了對淀粉結構與消化性質的關系。高支(蠟質和普通)和高鏈(HylonⅤ和HylonⅦ)玉米淀粉分別屬于A型和B型結構。普通玉米和蠟質玉米的SDS含量較高，而高鏈玉米淀粉的RS含量大大高于高支淀粉。從淀粉原料上看，A型天然淀粉是制備SDS的理想材料，而高鏈淀粉屬于RS2(抗性淀粉顆粒)。

［1］ 黃強，羅發興，楊連生.淀粉顆粒結構的研究進展［J］.高分子材料科學與工程，2004，20(5):19－23.

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Crystalline Structures and Digestibility of Cornstarches with Different Amylose/Amylopectin Content

Zhang Bin，Luo Fa-xing，Huang Qiang，Huang Xu-ri，Guan Ji-xiang
(College of Light Industry and Food Sciences，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)

Crystalline structures and morphology of four different cornstarches with different amylose/amylopectin content were investigated.The vitro digestibility of four cornstarches was tested according to Englyst method.The relationship between starch structure and digestion mechanism was discussed.High-amylopectin(waxy and normal)and high-amylose(HylonⅤ and HylonⅦ)cornstarches belong to A-and B-type structures，respectively.A-type starches are“inside-out”digestion mechanism，while the B-type starches produce a different hydrolysis pattern observed as“exo-pitting”.The level of slow digestion in high amylopectin cornstarch was higher than high-amylose cornstarch，while the Resistant Starch(RS)content of high-amylose cornstarches is much higher than high amylopection conrstarch.

cornstarch，amylose，in vitro digestibility，crystalline structure

碩士研究生(黃強副教授為通訊作者，E-mail:fechoh@scut.edu.cn)。

*廣東省高校優秀青年創新人才培養計劃項目資助(x2qsN9100250);華南理工大學中央高?；究蒲袠I務費資助項目(2009ZM0058)

2010－03－25，改回日期:2010－07－08