兩種改性與鮮提液浸泡處理對粉葛淀粉性質的影響

馬玉琦，滿建民

(貴州大學生命科學學院 / 農業生物工程研究院 / 山地植物資源保護與種質創新教育部重點實驗室 / 山地生態與農業生物工程協同創新中心，貴州 貴陽 550025)

葛根是一味常見的傳統中藥材，取自葛屬植物野葛Puerariamontanavar.lobata或甘葛藤(粉葛)Puerariamontanavar.thomsonii的干燥塊根，在我國的食用歷史悠久，是衛生健康委員會承認的藥食兩用植物。葛根中主要的藥用活性物質為葛根素[1]。除藥用活性物質外，淀粉也是葛根應用研究中的主要成分，不同品種的淀粉含量有所差異[2]。粉葛是人工栽培較普遍的品種。粉葛的黃酮類組分與野葛相似，但其含量較低。然而，粉葛淀粉含量高于野葛，具有更高的食用價值[3]。

長期以來，國內企業對葛根相關產品的加工利用程度較低，并且在生產過程中，大量葛根素流失于生產廢水之中，造成環境污染的同時也導致異黃酮資源的浪費[4]。目前，市場上常見的葛根淀粉產品多是葛根全粉或簡單提取的葛根淀粉，均存在雜質多口感較差的問題，但經純化的葛根淀粉中活性成分含量又極低。近些年，人們對葛根淀粉的生產應用以及對其生產廢水中異黃酮成分的回收都逐漸重視，但在生產富含葛根素的純制或改性葛根淀粉方面的研究仍不成熟。高曉路等[5]利用淀粉對親水性小分子具有良好的收貯能力，開發出將葛根淀粉與異黃酮溶液混合浸泡后制備功能性葛根淀粉的工藝。此工藝中可貯存異黃酮的量主要與葛根原淀粉的結構吸附性有關。有些天然淀粉顆粒的表面存在許多細小的孔洞結構使其具有較強的吸附能力，對天然淀粉進行改性處理，可改變其顆粒表面結構以增強吸附能力[6]。改性處理的方式包括物理改性、化學改性、酶促改性，以及多種方法復合改性。其中，酶催化改性因其反應條件溫和、催化效率高、底物專一性好等優點，在生產實踐中被廣泛應用；而不同酶的協同作用則可以改善單一酶改性存在的局限性[7]。除此之外，在物理改性方法中，在過量水中以低于糊化溫度的條件進行退火處理也可以使淀粉顆粒表面變粗糙或出現褶皺，提高淀粉顆粒吸附能力[8]。

本研究選用粉葛為材料，對提取的粉葛淀粉進行不同改性處理以增加粉葛淀粉粒的吸附性能；之后再與澄清絮凝后的提取液進行共混浸泡使淀粉吸附葛根素，以制得富含葛根素的粉葛淀粉；并用未經處理的粉葛淀粉作為參照，對制備得到的淀粉樣品進行理化性質與消化特性的測定與比較，以期為制備富含葛根素的純制葛根淀粉的開發與應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鮮粉葛，購買自廣西藤縣。差示掃描量熱儀(Q 2000)，美國TA；高效液相色譜儀(e 2695)，美國Waters。

1.2 粉葛汁液浸泡淀粉制備

1.2.1 粉葛淀粉提取

采用勻漿法提取粉葛淀粉。將鮮粉葛洗凈去皮后切塊，按固液比1:3 (m/v)加入蒸餾水，于研磨機中粉碎勻漿30 s 后浸泡1 h，分別用四層紗布、200目篩、400 目網篩進行篩分，以轉速5000 r·min-1離心10 min，分離提取液與沉淀，將沉淀去除雜質后即為粉葛淀粉。將粉葛淀粉置于40 ℃烘箱烘干至恒重，研磨過100 目篩后保存備用。

1.2.2 鮮提液制備

以質量濃度為1%的乙酸溶液溶解殼聚糖(脫乙酰度90%，上海Adamas-beta)，制成質量濃度為1%的殼聚糖溶液。向1.2.1 所得提取液中加入配制的殼聚糖溶液，使提取液中殼聚糖質量濃度為1 mg·mL-1，之后置于70 ℃水浴加熱，緩慢攪拌10 min，靜置絮凝30 min 后取出于室溫下靜置24 h，抽濾除去絮狀物沉淀，所得澄清液即為鮮提液[9]。

1.2.3 復合酶處理

參考江慧娟等[10]的方法對粉葛淀粉進行復合酶處理。用質量比為1:3 的α-淀粉酶(12 U·mg-1，德國默克Sigma)與糖化酶(100000 U·mL-1，上海Aladdin)配制復合酶液，添加量為粉葛淀粉用量的2%，處理14 h 后加入2 mol·L-1NaOH 溶液1 mL 終止反應。于5000 r·min-1離心10 min，沉淀物用蒸餾水洗滌離心3 次后于40 ℃干燥至恒重，研磨后過 100 目篩，得到酶改性淀粉，備用。

1.2.4 退火處理

稱取一定量粉葛淀粉加入蒸餾水調制成5%淀粉乳，置于磁力攪拌水浴鍋中65 ℃渦育30 min，之后以5000 r·min-1轉速離心10 min，將離心后的沉淀于40 ℃烘干至恒重，研磨后過100 目篩，得到退火淀粉，備用。

1.2.5 鮮提液浸泡

參照高曉路等[5]的方法稍作改動。取一定量上述鮮提液，按照1 mg·mL-1的質量濃度分別加入兩種改性處理的淀粉樣品，于磁力攪拌器上混勻浸泡2 h 后，以5000 r·min-1離心10 min，得到的沉淀用蒸餾水洗滌重復離心，之后于40 ℃烘干至恒重，研磨后過100 目篩，分別制得酶改性-浸泡淀粉和退火-浸泡淀粉，備用。

1.3 淀粉理化性質測定

直鏈淀粉含量(Amylose content，AC)、膨脹力(Swelling power，SP)與溶解度(Solubility，SOL)測定參照Man 等[11]的方法。水溶性指數(Water solubility index，WSI)與吸水性指數(Water absorption index，WAI)測定參照邵子晗等[12]的方法。

差示掃描熱量法(Differential scanning calorimetry，DSC)測定參照Man 等[11]的方法，稍作改動。精確稱取3 mg 淀粉樣品置于鋁鍋中，加入9 μL 超純水，密封，冰箱4℃冷藏過夜。取出后于室溫下平衡1 h，將樣品在25～130 ℃溫度范圍以10 ·℃min-1速率加熱，以空坩堝為對照。測得參數：起始溫度(T0)、峰值溫度(Tp)、最終溫度(Tc)和糊化焓(ΔH)。

淀粉中葛根素含量測定采用高效液相色譜(High performance liquid chromatography，HPLC)法[13]。精密稱取20 mg 淀粉樣品，加入5 mL 純甲醇(色譜純)，超聲處理30 min 后于5000 r·min-1離心10 min，吸取上清液，用0.22 μm 微孔濾膜過濾后，進行HPLC 分析。測試條件：色譜柱250 mm×4.6 mm×5 μm (Hypersi 1 ODS-2，美國ThermoFisher)，以純甲醇和水作為流動相，采用25 %甲醇等度洗脫，洗脫20 min，流速1.0 mL·min-1，檢測波長260 nm，柱溫40 ℃，進樣量10 μL。

1.4 淀粉消化特性測定

淀粉消化特性參照王建宇等[14]的方法測定，略做改動。配制0.2 mol·L-1磷酸鹽緩沖液(pH=5.8)，精密稱取豬胰腺來源的α-淀粉酶(12 U·mg-1) 0.725 g，加入5 mL 磷酸鹽緩沖液，磁力攪拌30 min 后于1500 g 離心5 min，取上清液加入2.55 μL 葡萄糖苷酶(100000 U·mL-1)，充分混勻，備用。

精確稱取100 mg 樣品于錐形瓶中，分別加入磷酸鹽緩沖液15 mL 及5 mL 混合酶液，混合均勻，置于35 ℃恒溫水浴振蕩器中，保持160 r·min-1振蕩。分別于20 min 與120 min 時，吸取0.5 mL 酶解液于10 mL 離心管中，加入4.5 mL 無水乙醇終止反應，然后以3000 g 離心10 min。采用DNS 法測定上清液中的還原糖含量，根據下列公式分別計算樣品中快消化淀粉(Rapid digestible starch，RDS)、慢消化淀粉(Slowly digestible starch，SDS)、抗性淀粉(Resistant starch，RS)含量。

式中，G20為酶解20 min 所釋放的還原糖含量(mg)，G120為酶解120 min 所釋放的還原糖含量(mg)，0.9為還原糖質量與淀粉質量的換算系數。

1.5 數據統計分析

采用SPSS 25.0 軟件對數據進行單因素方差分析，Origin 9.8 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同改性方式對粉葛淀粉性質的影響

為了比較不同處理方式對粉葛淀粉理化性質的影響，分別從直鏈淀粉含量、膨脹力、溶解度、水溶性指數、吸水性指數五個指標進行比較(表1)。不同處理方式對粉葛淀粉的直鏈淀粉含量、膨脹力、溶解度、水溶性指數有不同程度的影響。與原淀粉比較，退火-浸泡處理使得粉葛淀粉的直鏈淀粉含量顯著降低；酶改性-浸泡淀粉膨脹力顯著降低，而溶解度顯著升高；退火-浸泡淀粉則膨脹力與溶解度均有所升高。從表1 可看出，兩種處理方式均使粉葛淀粉的水溶性指數顯著上升，其中退火-浸泡淀粉的WSI 最高，但對吸水性指數沒有顯著影響。

表1 粉葛改性淀粉理化性質比較Table 1 Comparison of physical and chemical properties of modified Pueraria starches

2.2 不同改性方式對粉葛淀粉熱力學性質的影響

從三種淀粉的DSC 圖譜中可以看到，兩種經過改性后浸泡處理的淀粉樣品吸熱峰均右移且糊化溫度范圍變窄(圖1)。三種淀粉的糊化特性參數如表2 所示。與粉葛原淀粉相比，酶改性-浸泡淀粉與退火-浸泡淀粉的糊化起始溫度(T0)均顯著上升，糊化溫度范圍(ΔT)則明顯降低；退火-浸泡淀粉的峰值溫度(Tp)、終止溫度(Tc)均顯著高于粉葛原淀粉。

圖1 粉葛改性淀粉的DSC 圖譜Fig. 1 DSC spectra of modified Pueraria starches

表2 粉葛改性淀粉的熱特性參數Table 2 Thermal properties of modified Pueraria starches

2.3 不同改性方式對粉葛淀粉消化特性及葛根素含量的影響

快速消化淀粉(RDS)、慢速消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)含量是表征淀粉消化特性的主要指標。三種淀粉的消化特性及葛根素含量測定結果如表3所示。經改性后浸泡處理的兩種淀粉樣品中RDS 含量均顯著降低，SDS 含量顯著升高。其中，退火-浸泡處理對粉葛淀粉的RDS 含量和RS 含量的影響較酶改性后浸泡處理更為顯著。從三種處理的淀粉葛根素含量比較來看，原淀粉中未檢測出含有葛根素；而退火-浸泡淀粉中葛根素含量高于酶改性-浸泡淀粉。

表3 粉葛改性淀粉的消化特性與葛根素含量比較Table 3 Comparison of digestive characteristics and Puerarin content in modified Pueraria starches

3 討論與結論

3.1 粉葛淀粉改性后浸泡處理的結構組分變化

在進行復合酶改性處理時，淀粉粒表面會因酶水解作用形成許多裂隙直通顆粒結構內部，使淀粉顆粒無定形區的直鏈淀粉更易溶出，溶出的直鏈淀粉在改性處理過程中更容易被淀粉酶水解[15]。Han等[16]分別對α-淀粉酶和糖化淀粉酶改性處理的玉米淀粉的性質進行研究，發現經酶改性處理后的玉米淀粉粒結構受到酶解破壞，導致膨脹力降低，溶解度升高。粉葛淀粉在酶改性處理時淀粉粒結構也受到破壞，受熱吸水膨脹容易使淀粉粒破碎，從而導致其與水的結合能力受限，膨脹力降低；同時水分子更易進入淀粉粒內部，釋放內部可溶性物質，從而導致其溶解度升高，這與Han 等[16]的結論一致。

淀粉的退火過程是淀粉顆粒在過量的水中受熱發生吸水膨脹，顆粒內部的氫鍵斷裂，直鏈淀粉從內部溶出量逐漸增加并在分離過程中大量流失，從而導致退火-浸泡淀粉的直鏈淀粉含量降低。這與Doblado-maldonado 等[17]研究玉米淀粉在60～90 ℃溫度范圍內的直鏈淀粉浸出結果一致，即在此溫度進行退火處理可使直鏈淀粉浸出分離量增加，導致剩余淀粉中的直鏈淀粉含量降低。粉葛退火-浸泡淀粉的膨脹力升高可能是由于直鏈淀粉含量降低，導致支鏈淀粉占比升高，有利于促進淀粉顆粒吸水膨脹[18]；并使得糊化時淀粉顆粒內部的可溶性物質能夠更大程度溶出，使其溶解度升高。

3.2 粉葛淀粉改性后浸泡處理的沖調性能

WSI 和WAI 這兩個指標是對淀粉在低溫水中的溶解性與吸水能力的反映，可以用來衡量粉葛淀粉的沖調性能。WSI 是反映水向淀粉顆粒內部滲透的速率與顆粒內部可溶性物質溶出情況的衡量參數；WAI 是用來反映淀粉在低溫條件下于過量水中吸水膨脹形成凝膠所占的體積，主要取決于親水基團的數量及形成凝膠的能力[19]。經過改性后浸泡處理的粉葛淀粉WSI 升高可能是由于淀粉粒在改性處理時其顆粒結構受到一定程度的破壞，導致淀粉顆粒內部的可溶性物質低溫水中也更易溶出；而WAI 變化較小說明改性后浸泡處理對粉葛淀粉在低溫水中形成凝膠的能力無顯著影響。這說明兩種改性后浸泡的處理方式均可使粉葛淀粉更易溶解，且對水溫條件的要求更低，沖調性能得到一定程度的改善。這與時忠烈[20]利用雙滾筒干燥法開發速食葛粉效果相似，均使處理后的粉葛淀粉用溫水即可沖調，從而達到可速食的目的。

3.3 粉葛淀粉改性后浸泡處理的糊化特性

經過改性后浸泡處理的粉葛淀粉在DSC 圖譜中的糊化溫度范圍均向右移動，這可能與預處理過程中對淀粉顆粒中的結晶區和雙螺旋結構的破壞程度有關[8]。由于兩種淀粉中結構相對不穩定的淀粉顆粒在改性處理時首先被破壞，使其顆粒結構的穩定性差異有所減小，淀粉粒均勻性更高，從而使其T0、Tp、Tc均升高。這說明兩種經過改性后浸泡處理的粉葛淀粉在中低溫條件下的穩定性更高。同時，酶改性-浸泡淀粉與退火-浸泡淀粉的ΔH降低，說明兩種淀粉在高于T0的溫度下糊化時所需的能量更低，更易被糊化。

3.4 粉葛淀粉改性后浸泡處理的消化特性

淀粉消化特性的差異通常是由于多種因素的相互作用導致的，例如淀粉分子的精細結構、直鏈淀粉/支鏈淀粉的比例、表面孔隙、內部通道等[21]。Miao 等[21]和Zhu 等[22]的研究報道，酚類化合物可以通過抑制α-淀粉酶和葡萄糖苷酶活性從而使淀粉的水解度被減弱；或者因疏水作用進入淀粉粒內部，并形成氫鍵與淀粉復合成V 型晶體結構，導致淀粉消化率降低[23]。多酚類化合物中以異黃酮最為豐富，占總酚類化合物的60%[24]。Wang 等[25]研究表明，異黃酮對淀粉的消化有抑制作用，RDS 隨異黃酮含量增大而降低，SDS 與RS 則隨之升高。

粉葛淀粉經改性后浸泡處理，雖然直鏈淀粉含量均顯著下降，且淀粉顆粒已經被不同程度的破壞使之更易被水解，但其RDS 含量仍顯著降低，SDS含量升高，這與Wang 等[25]的研究結果一致。因此，改性浸泡處理后的粉葛淀粉可能是由于吸附有葛根素分子，所以對其消化性能有抑制作用。而酶改性-浸泡淀粉與退火-浸泡淀粉消化特性的差異則可能是受淀粉顆粒結構被破壞程度及葛根素含量均不相同所共同影響的。

淀粉在體內被消化的過程中，不同組分被水解所需的時間不同，對機體也有不同的影響。其中RDS可以被快速水解釋放葡萄糖為集體提供能量，短時間內就可以引起機體的血糖與胰島素水平的急劇升高；SDS 主要在小腸中被緩慢分解，持續為機體提供葡萄糖，反應時間較長，對血糖以及胰島素水平影響不明顯；RS 在機體內無法被進一步消化，被認為是膳食纖維的一種，對增加飽腹感、降低血糖、保護腸道健康等方面有益[126]。因此，經過改性后浸泡處理的粉葛淀粉RDS 顯著降低、SDS 含量升高，這表明其更不易被水解消化，對機體的血糖和胰島素水平波動影響更??；并且退火-浸泡淀粉中RS 含量顯著升高，說明其對增加飽腹感、延長消化時間可能會有一定作用。

綜上所述，兩種改性后浸泡的處理方式均可使粉葛淀粉的直鏈淀粉含量降低，溶解度與水溶性指數升高，說明這兩種處理方式可使得粉葛淀粉的沖調性能更好。酶改性-浸泡淀粉和退火-浸泡淀粉的T0、Tp、Tc均有所升高，而ΔT與ΔH均降低，表明這兩種處理方式可以使粉葛淀粉在中低溫條件的穩定性增強，但高溫條件下比原淀粉更易被糊化。兩種改性后浸泡的處理方式均使得粉葛淀粉中的葛根素含量顯著增加，并使其消化性降低，說明兩種處理方式均在使粉葛淀粉增加飽腹感、降低血糖、保護腸道健康等方面可能具有一定的積極作用。