水溶性大豆多糖對馬鈴薯淀粉理化性能的影響

焦昆鵬，馬麗蘋，張曉宇，羅磊，向進樂,2，樊金玲，杜琳

1(河南科技大學 食品與生物工程學院，河南 洛陽,471023) 2(河南省食品綠色加工與質量安全控制國際聯合實驗室，河南 洛陽,471023)3(食品加工與安全國家級實驗教學示范中心，河南 洛陽,471023)

馬鈴薯淀粉是一種重要的植物淀粉，其生產量和商品量僅次于玉米淀粉[1-2]。馬鈴薯淀粉具有顆粒大、易膨脹、黏度高、糊化透明度高等獨特特性，因此常被用作穩定劑、增稠劑和黏結劑廣泛地應用于香腸、面包和膨化食品等淀粉基食品中[3]。水溶性大豆多糖是指從大豆或豆漿、豆腐、發酵豆等大豆制品加工的副產物豆渣中分離提取出的一種高度支化的天然聚陰離子多糖[4]，水溶性大豆多糖除具有膳食纖維所具有的功能特性以外，還具有諸如乳化性、酸性條件下對蛋白顆粒的穩定作用、抗黏結性、抗氧化性、成膜性能及泡沫穩定性等特性，是一種應用廣泛的功能性食品添加劑[5]。

大量研究表明，茶多糖、普魯蘭多糖、亞麻多糖、黃原膠、瓜爾膠、果膠、菊糖以及葡聚糖等非淀粉多糖能影響淀粉的熱力學和流變學特性，改變和控制淀粉基食品的質構，改善保水性和凍融穩定性，抑制貯藏期間淀粉的老化以及保持貯藏期間產品質量等功能特性[6-11]。有研究表明β-葡聚糖可顯著降低燕麥淀粉的消化速度和程度[12]，瓜爾膠能顯著降低蠟質玉米淀粉的消化速度和程度[13]。此外，針對普魯蘭多糖、果膠、黃原膠、菊糖、果膠、海藻酸鈉及阿拉伯木聚糖等開展的相關研究也發現這些非淀粉多糖均具有一定程度的抑制淀粉消化性的特點[14-20]。

目前，有關水溶性大豆多糖對馬鈴薯淀粉性質如淀粉糊化、溶解性和膨脹力、透明度和消化性的影響尚未見報道，本實驗研究水溶性大豆多糖對馬鈴薯淀粉理化性能的影響，以期為水溶性大豆多糖在馬鈴薯淀粉加工工業中的應用提供一些理論依據和技術參數。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬鈴薯淀粉,山東金城股份有限公司；水溶性大豆多糖(純度為80 %),安徽中旭生物科技有限公司；高溫α-淀粉酶(40 000 U/g)、糖化酶(100 000 U/g),江蘇銳陽生物科技有限公司。

差示掃描量熱儀(DSC1型),瑞士Mettler-Toledo公司；黏度儀(Viscograph-E 803 302型),德國Brabender公司；紫外可見分光光度計(722N型),上海精密科學儀器有限公司；分析天平(FA1 004型),上屏儀器公司；高速臺式離心機(TGL-18C型),上海安亭科學儀器廠；數顯恒溫水浴鍋(HH-4型),常州普天儀器制造有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 水溶性大豆多糖-淀粉混合物的制備

用去離子水將水溶性大豆多糖配制成一定濃度的膠體溶液(以干基計，水溶性大豆多糖的質量分數分別為0%、0.5%、1.0%、3.0%、5.0%、7.0%)，用磁力攪拌器使之充分溶解分散。再稱取適量的馬鈴薯淀粉加入到上述配制好的膠體溶液中以制成質量分數5.0%的馬鈴薯淀粉膠體混合物(干基)，攪拌至均勻，備用。

1.2.2 淀粉理化性質的測定

1.2.2.1 糊化特性測定

稱取一定量1.2.1中不同含量的水溶性大豆多糖與馬鈴薯淀粉混合物，置于Brabender黏度儀的測量杯中對馬鈴薯淀粉的糊化特性進行測定。設置測量盒扭矩為700 cmg，測量轉速為75 r/min，從30 ℃開始升溫，升溫速率為1.5 ℃/min，升溫到95 ℃后保溫30 min，再以1.5 ℃/min的降溫速率降至50 ℃，保溫30 min，得到黏度隨時間和溫度變化的Brabender黏度曲線[21]。

1.2.2.2 差示掃描量熱儀分析

稱取一定量1.2.1中不同含量的水溶性大豆多糖-淀粉-混合物，用差示掃描量熱儀專用塑料移液管從攪拌的樣品中取出適量樣品，放置差示掃描量熱儀專用的鋁高壓坩堝中，然后用精密天平(精度d=0.01 mg)稱量坩堝中的樣品質量，用坩堝蓋子將樣品壓緊并制成片狀，最后將壓好的樣品進行熱掃描并記錄糊化焓值。測定溫度為25～100 ℃，加熱速度為10 ℃/min。記錄初始糊化溫度，峰值糊化溫度，最終糊化溫度和糊化焓。用空白作為參照，每個樣品重復3次。糊化焓值以樣品中的干基淀粉計。重復實驗2次，取平均值。

1.2.2.3 透明度測定

取上述制備的50 mL混合樣品于100 mL的燒杯中，并在95 ℃的磁力攪拌水鍋鍋中攪拌糊化20 min。為了減少誤差，用熱蒸餾水將淀粉調至原來的體積，然后冷卻至室溫。取適量樣品置于1 cm比色皿中，在650 nm處用分光光度計測定樣品透明度[8]，重復3次，結果取平均值。

1.2.2.4 溶解度和膨脹力測定

取適量上述制備的樣品，在90 ℃水浴中攪拌15 min，冷卻至室溫，將糊狀物置于100 mL離心管中， 在3 000 r/min離心20 min，除去上清液，稱取管中剩余物質質量(P)及管中剩余物烘干后質量(C)，分別按公式(1)和公式(2)計算溶解度(S)和膨脹度(B)，結果取3次的平均值。

(1)

(2)

式(1)、(2)中：W為淀粉干基質量，g；P為離心后沉淀物質量，g；C為離心后沉淀物干基質量，g。

1.2.2.5 體外消化率測定

參考汪名春等[20]的體外消化酶解法測定水溶性大豆多糖-淀粉混合物的體外消化特性。稱取200 mg的馬鈴薯淀粉(干基)和一定質量的水溶性大豆多糖(水溶性大豆多糖分別占馬鈴薯淀粉干重的0、5%、10%、15%、20%)，置于裝有轉子的50 mL 燒杯中，然后加入制備好的5 mL 0.2 mol/L醋酸鈉緩沖溶液(pH 5.2)，在95 ℃的水浴中振蕩15 min，取出至冷卻至室溫，再置于37 ℃恒溫振蕩浴中10 min，然后加入在37 ℃下預熱的20 mL α-淀粉酶和葡糖淀粉酶混合物(用醋酸鈉緩沖溶液配制酶溶液，α -淀粉酶和葡糖淀粉酶用量分別為2 290 U和150 U)，然后置于37 ℃恒溫振蕩水浴鍋中水解，反應溶液分別經過不同時間(0、20、40、90、120、180 min)水解后從中取出1 mL，然后加入5 mL無水乙醇使之停止反應。樣品在4 000 r/min離心15 min后，取上清液，通過DNS比色法[22]測定樣品中還原糖的含量，按公式(3)計算其水解率，結果取2次的平均值。

(3)

式中：Gt為水溶性大豆多糖-淀粉混和物在酶水解t時間后產生的葡萄糖質量，mg。

1.3 數據處理

實驗數據均重復3次，用Excel整理數據，用SPSS 19.0軟件進行實驗數據方差分析，數據以X±s表示，差異顯著性水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 水溶性大豆多糖對馬鈴薯淀粉糊化特性的影響

不同添加量的水溶性大豆多糖(水溶性大豆多糖添加量是指水溶性大豆多糖占干馬鈴薯淀粉質量百分比)對馬鈴薯淀粉糊化特性的影響見圖1，其特征值變化如表1所示。。由圖1可以看出，在糊化起始階段，淀粉顆粒不溶于水，所有樣品體系黏度值均很低。而隨著體系溫度的升高，淀粉顆粒受熱吸水膨脹，其分子間和分子內的氫鍵強度減弱，淀粉顆粒大量吸水膨脹，體系黏度逐漸升高并達到最大值，繼續受熱，引起氫鍵斷裂，顆粒破裂，直鏈淀粉析出，黏度下降，而在隨后的冷卻降溫過程中，直鏈淀粉分子重排，重新形成氫鍵，黏度上升[23]，馬鈴薯淀粉和水溶性大豆多糖/馬鈴薯淀粉混合體系均表現出上述類似的黏度曲線，但水溶性大豆多糖/馬鈴薯淀粉混合體系的黏度曲線整體下移，且水溶性大豆多糖添加量越高，曲線下移幅度越大。表1數據也表明，一定量水溶性大豆多糖的添加(當添加量大于3%時)使水溶性大豆多糖/馬鈴薯淀粉混合體系的峰值黏度顯著下降(P<0.05)，類似結果也出現在FUNAMI等[24]、LIU等[25]和SHENG等[26]的研究中。水溶性大豆多糖屬于陰離子多糖，在其半乳糖醛酸主鏈上分布著阿拉伯糖等中性糖側鏈，具有毛刷狀一樣網絡支架結構，這一特點使其能夠對淀粉顆粒進行不同程度的包被，從而抑制了淀粉顆粒的吸水膨脹，造成了峰值黏度的下降[27]。

表1 水溶性大豆多糖對馬鈴薯淀粉糊化特性曲線特征值的影響Table 1 The effect of soluble soybean polysaccharides on the characteristic value of potato starch gelatinization curves

圖1 添加水溶性大豆多糖對馬鈴薯淀粉糊化特性的影響Fig.1 Effect of adding soluble soybean polysaccharides on gelatinization characteristics of potato starch

由表1可知，水溶性大豆多糖對馬鈴薯淀粉糊化初始溫度影響不大，這與王思遠等[28]和譚永輝等[29]研究結果相一致。另外，不同添加量的水溶性大豆多糖對馬鈴薯淀粉糊的崩解值和回生值影響程度不同?；厣捣从沉说矸酆蠓肿渔湹倪w移重排能力和短期老化程度[30]?；厣翟降痛淼矸鄱唐诶匣潭仍降蚚31]。當水溶性大豆多糖添加量從3%增加到7%，馬鈴薯淀粉回生值顯著下降(P<0.05)，降幅最大達到21%。這可能是水溶性大豆多糖與滲透出的直鏈淀粉以氫鍵結合，抑制淀粉分子移動重排造成的[30]。崩解值反映了淀粉顆粒在加熱過程中的穩定性[21]。崩解值越低，淀粉水合作用和膨脹能力越低，其耐剪切能力則越強[31]。當水溶性大豆多糖添加量為3%時，復合體系的崩解值下降了12%，之后隨著水溶性大豆多糖添加量繼續增加，崩解值不斷下降，水溶性大豆多糖添加量為7%時，下降幅度最大，為65%。水溶性大豆多糖的添加致使水溶性大豆多糖/馬鈴薯淀粉復合體系崩解值和回生值的下降，說明水溶性大豆多糖能夠使得馬鈴薯淀粉糊熱穩定性增加，并且抑制了馬鈴薯淀粉凝膠的短期老化，這與LIU等[25]和王思遠等[28]的研究結果一致。

2.2 水溶性大豆多糖對馬鈴薯淀粉差示掃描量熱曲線特征參數的影響

淀粉糊化時，淀粉顆粒高溫受熱吸水膨脹，致使其分子間和分子內的氫鍵斷裂，過程中伴有能量變化。因此，可以通過差示量熱掃描測定[32]。糊化焓變與斷裂淀粉顆粒結構所需的能量相關；糊化溫度反映了淀粉有序結構消失的溫度范圍[28]。表2為水溶性大豆多糖添加對馬鈴薯淀粉糊化起始溫度、峰值溫度、終止溫度和焓變的影響。

表2 水溶性大豆多糖對馬鈴薯淀粉差示掃描熱量曲線特征參數的影響Table 2 Effect of soluble soybean polysaccharides on characteristic parameters of differential sanning calorimetry curves of potato starch

由表2可以得出，隨著水溶性大豆多糖添加量的增加，馬鈴薯淀粉的糊化起始溫度、峰值溫度以及終止溫度基本保持不變，這與布拉班德黏度儀測定的起始糊化溫度不變相一致。差示掃描量熱法所測得的糊化起始溫度低于黏度儀所測的混合體系的糊化起始溫度，說明不同比例混合體系的熔融進程早于黏度增加的開始進程[33]。水溶性大豆多糖添加量在3%以下時，對馬鈴薯淀粉吸熱焓沒有明顯影響(P>0.05)，而當水溶性大豆多糖添加量繼續增加，馬鈴薯淀粉焓變也緩慢增加，這可能由于馬鈴薯淀粉顆粒在升溫過程中受熱吸水膨脹，淀粉分子擴散，氫鍵斷裂，而足夠量的水溶性大豆多糖在淀粉表面形成水化層，使得淀粉外層得到保護，要使氫鍵斷裂則需要更多熱量，具體表現為焓變增加[34]。研究發現不同水膠體的添加會提高淀粉糊化終值溫度，而糊化起始溫度、糊化峰值溫度或者升高，或者不變，在多數情況下，糊化焓值下降。同時也有研究表明，水膠體對淀粉糊化溫度及焓值沒有影響[35]，而李遠等[33]和BILIADERIS等[36]卻發現水膠體能增加淀粉糊化焓值。這可能是因為膠體結構導致淀粉與水膠體之間的相互作用不同所造成，比如不同支化度、分子質量、分子柔性、陰離子電荷的存在和類型等[35]?？傊?，水膠體對淀粉糊化的影響規律不一。本研究結果與王思遠等[28]研究大豆多糖對大米淀粉糊化影響時的結果類似。

2.3 水溶性大豆多糖對馬鈴薯淀粉糊透明度的影響

馬鈴薯淀粉糊透明度非常高，這一特點有利于食品加工過程中形成更好的色澤。淀粉糊化后，其分子重新排列、相互締合的程度是影響淀粉糊透明度的重要因素。如果淀粉顆粒在吸水和受熱時能夠完全膨脹，并且糊化后淀粉分子也不發生相互締合，則淀粉糊中無殘存的淀粉顆粒，也無回生后形成的凝膠束，淀粉糊非常透明[37]。而淀粉糊的透明度通常也會受到淀粉本身的成分以及外來添加物等因素的影響。圖2為水溶性大豆多糖對馬鈴薯淀粉糊透明度的影響。由圖2可知，0.5%～1%水溶性大豆多糖對馬鈴薯淀粉糊的透光率沒有顯著影響(P>0.05)，3%水溶性大豆多糖使馬鈴薯淀粉糊的透光率顯著下降了21.22%(P<0.05)，之后隨著水溶性大豆多糖的增加，馬鈴薯淀粉糊的透光率趨于平緩。這可能因為水溶性大豆多糖附著在馬鈴薯淀粉顆粒表面，阻礙淀粉顆粒完全膨脹糊化，導致淀粉糊中存在殘存淀粉顆粒，從而造成淀粉糊透明度下降[38]。

圖2 添加水溶性大豆多糖對馬鈴薯淀粉糊透明度的影響Fig.2 Effect of adding soluble soybean polysaccharides on the transparency of potato starch paste

2.4 水溶性大豆多糖對馬鈴薯淀粉膨脹力的影響

淀粉顆粒的膨脹力反映了淀粉樣品的水合能力，與支鏈淀粉含量和淀粉顆粒大小相關[39]。馬鈴薯淀粉在糊化過程中，其分子被切割，晶體結構被破壞，然后游離水進入淀粉分子內部，使淀粉顆粒的體積膨脹。圖3為添加水溶性大豆多糖對馬鈴薯淀粉膨脹力的影響。由圖3可以看出，0.5%～1%水溶性大豆多糖對馬鈴薯淀粉膨脹力沒有明顯的影響(P>0.05)。而3%～5%水溶性大豆多糖能夠顯著抑制馬鈴薯淀粉的膨脹(P<0.05)，但沒有明顯的濃度效應(P>0.05)。多糖如魔芋葡聚糖、瓜爾豆膠和刺槐豆膠的存在能延緩淀粉顆粒膨脹，這是由于多糖能夠使連續相增厚或與水結合以限制水的有效性或流動性，從而防止顆粒膨脹[40]。水溶性大豆多糖溶液黏度較低，因此不大可能通過使連續相增厚而限制淀粉的水分供應。一個可能的解釋就是水溶性大豆多糖在淀粉顆粒周圍形成多糖層，與淀粉競爭自由水，降低淀粉顆粒與水相互作用的機會，從而抑制淀粉膨脹。

圖3 添加水溶性大豆多糖對馬鈴薯淀粉膨脹力的影響Fig.3 Effect of adding soluble soybean polysaccharides on swelling power of potato starch

2.5 水溶性大豆多糖對馬鈴薯淀粉溶解度的影響

當淀粉與水共熱時，氫鍵發生斷裂，晶體結構被破壞，水分子通過氫鍵與直鏈淀粉和支鏈淀粉的羥基相連，導致顆粒膨脹和溶解度增加[41]。圖4為添加水溶性大豆多糖對馬鈴薯淀粉溶解度的影響。

圖4 添加水溶性大豆多糖對馬鈴薯淀粉溶解度的影響Fig.4 Effect of adding soluble soybean polysaccharides on solubility of potato starch

由圖4可以看出，0.5%～1%水溶性大豆多糖對馬鈴薯淀粉的溶解度沒有顯著影響(P>0.05)，而當多糖添加量從1.0%增加到3.0%，馬鈴薯淀粉溶解度下降非常顯著(P<0.05)，之后淀粉溶解度趨于恒定。淀粉的溶解主要是直鏈淀粉和小的支鏈淀粉從膨脹的顆粒中溢出[42]。水溶性大豆多糖的添加致使馬鈴薯淀粉膨脹力下降(圖3)，再加上水溶性大豆多糖可能對馬鈴薯淀粉的物理包裹作用，而使淀粉顆粒中直鏈淀粉和小的支鏈淀粉溶出率下降，表現為溶解度下降。

2.6 水溶性大豆多糖對馬鈴薯淀粉消化特性的影響

水溶性大豆多糖對馬鈴薯淀粉消化特性的影響如圖5所示。由圖5可知，0～20 min淀粉的水解速度快速升高，20～180 min內淀粉的水解速度相對緩慢。在相同水解時間內，與原淀粉相比，加入水溶性大豆多糖后淀粉的水解率顯著下降(P<0.05)，且水解速率隨著水溶性大豆多糖添加量的增加而逐漸降低。水解180 min后，水溶性大豆多糖占馬鈴薯淀粉干基的20%時淀粉反應體系的水解率由原淀粉的20.18%下降至16.24%。說明水溶性大豆多糖可以在一定程度上抑制淀粉的水解速度，且這種抑制作用隨著水溶性大豆多糖添加量的增加而增加，這與汪名春等[20]研究的菊糖可以減少馬鈴薯淀粉的體外消化率和消化程度的結果一致。淀粉顆粒受熱膨脹后會發生糊化，且糊化程度與淀粉消化性成正比[43]。水溶性大豆多糖的添加導致馬鈴薯淀粉消化性下降，可能是水溶性大豆多糖抑制馬鈴薯淀粉的膨脹，從而導致其糊化程度下降所造成的。另外，水溶性大豆多糖還可能與馬鈴薯淀粉相互作用，形成空間位阻，阻礙消化酶與底物的接觸，從而降低酶解效率。有研究表明，非淀粉多糖具有抑制淀粉消化酶酶活的作用[44-45]，這也可能是其導致淀粉消化率下降的原因之一。而水溶性大豆多糖導致馬鈴薯淀粉消化性下降的具體原因則有待進一步研究。

圖5 添加水溶性大豆多糖對馬鈴薯淀粉水解率的影響Fig.5 Effect of adding soluble soybean polysaccharides on hydrolysis rate of potato starch

3 結論

當水溶性大豆多糖添加量大于1%時，能降低馬鈴薯淀粉糊黏度，提高馬鈴薯淀粉黏度熱穩定性，抑制馬鈴薯淀粉的老化，且能導致馬鈴薯淀粉的透明度、溶解度和膨脹力降低。水溶性大豆多糖還能在一定程度上可以延緩馬鈴薯淀粉的消化，而其對馬鈴薯淀粉的糊化溫度基本無影響。