葡萄籽原花色素對馬鈴薯饅頭中淀粉消化特性的影響

張子睿，田金虎，張惠玲，葉興乾，陳士國*

（1浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院 杭州 310058 2智能食品加工技術(shù)與裝備國家地方聯(lián)合工程實驗室 杭州 310058 3浙江省農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)研究重點實驗室 杭州 310058 4 浙江省食品加工技術(shù)與裝備工程實驗室 杭州 310058 5 寧夏食品微生物應(yīng)用技術(shù)與安全控制重點實驗室 銀川 750000）

為保障我國的糧食安全，改善我國居民的膳食營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，農(nóng)業(yè)部在2015年提出馬鈴薯主糧化的戰(zhàn)略性政策，其實現(xiàn)手段是把馬鈴薯加工成饅頭、面條、米粉等傳統(tǒng)主食[1]。馬鈴薯饅頭的基本原料為小麥粉、水、酵母以及馬鈴薯。馬鈴薯饅頭的基本加工工藝是將這些基本成分按一定比例混合，揉制成面團，經(jīng)發(fā)酵后蒸制。以精磨的小麥粉為原料制作的饅頭，通常具有較高的血糖生成指數(shù)（Glycemic index，GI）[2]，而馬鈴薯淀粉中的快消化淀粉（Rapidly digested starch，RDS）含量較高，將馬鈴薯作為原料制備則會進一步增加饅頭的GI 值[3-4]。若能降低馬鈴薯饅頭的GI 值，不僅可以滿足我國對新型馬鈴薯健康主食的需求，還能滿足二型糖尿病患病人群的飲食需求[5]。

近年來，一系列“健康成分”被添加至饅頭中以降低饅頭的GI 值，如奇亞籽[6]、水溶性膠體[7]等。添加多酚類物質(zhì)也被認為是控制饅頭GI 值的一種有效方法[8]。綠原酸、綠茶提取物和槲皮素被證明能在體外模擬消化試驗中降低饅頭中淀粉的水解速率[9-11]。這類植物提取物可能會通過抑制淀粉酶的活性或是阻礙淀粉與淀粉酶的接觸來降低饅頭中淀粉的消化性質(zhì)[8]。

葡萄籽原花色素（Grape seed proanthocyanidins，GSP）是植物的次生代謝產(chǎn)物[12]。GSP 能抑制淀粉酶（α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶）的活性，降低淀粉水解速率[13]。Amoako 等[14]發(fā)現(xiàn)原花色素與淀粉通過氫鍵結(jié)合，改變淀粉的長程有序結(jié)構(gòu)，阻止淀粉酶與淀粉的接觸，抑制淀粉的消化。另外，原花色素通常會改變蛋白的結(jié)構(gòu)特性，從食品基質(zhì)角度影響淀粉的消化特性[15-18]。

目前較少有研究關(guān)注GSP 對馬鈴薯饅頭中淀粉消化特性的影響。本試驗研究目的是探討不同GSP 添加量對馬鈴薯饅頭中淀粉消化特性的影響，同時通過快速黏度分析、X-射線衍射以及傅里葉紅外光譜探究GSP 對馬鈴薯饅頭中淀粉流變特性、結(jié)晶特性以及分子間作用的影響，為低GI 馬鈴薯主食產(chǎn)品的開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

馬鈴薯全粉，寧夏薯味鮮食品科技有限公司。葡萄籽原花色素（原花色素含量≥95%），天津市尖峰天然產(chǎn)物研究開發(fā)有限公司。小麥粉（蛋白含量11.4%），揚州名佳食品有限公司；高活性干酵母，安琪酵母股份有限公司。豬胃粘膜胃蛋白酶（≥500 U/mg）、豬胰腺胰酶（4×USP）、面包酵母轉(zhuǎn)化酶（VII 級，≥300 U/mg），上海西格瑪奧德里奇貿(mào)易有限公司；淀粉葡萄糖苷酶（液化型，10 000 U/mL），上海阿拉丁生化科技股份有限公司。KTASA-100A 總淀粉測定試劑盒、D-葡萄糖測定試劑盒，愛爾蘭Megazyme 國際貿(mào)易有限公司。本研究中使用的其它化學(xué)試劑均為分析純級，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

UV-2600 型紫外-可見分光光度計，蘇州島津儀器有限公司；MCR302 智能型高級旋轉(zhuǎn)流變儀，奧地利安東帕有限公司；X-pert Powder X-射線衍射儀，荷蘭PANalytical B.V.有限公司；AVA TAR370 傅里葉變換紅外光譜，美國尼高力儀器有限公司；HC-3018R 高速冷凍離心機，安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司；HH-J2 水浴磁力攪拌器，常州市精達儀器制造有限公司；cm-1200 家用廚師機、CF-6000 家用發(fā)酵箱，中山卡士電器有限公司；SCD26-01 蒸箱，寧波方太廚具有限公司；MIX-25 漩渦混勻器，杭州米歐儀器有限公司；BJ-300 型高速多功能粉碎機，德清拜杰電器有限公司；GB204 分析天平、S210 型pH 計，上海梅特勒-托利多國際貿(mào)易有限公司。

1.3 方法

1.3.1 馬鈴薯饅頭的制作

1）將小麥粉與馬鈴薯全粉按質(zhì)量比10∶3 的比例混合，以小麥粉的質(zhì)量為基礎(chǔ)分別添加0%，1%，2%，3%的GSP，得混合粉樣品；

2）稱取200 g 的混合粉，按其中小麥粉質(zhì)量的0.8%以及70%分別添加酵母和水，在廚師機中和面10 min，揉制成面團；

3）將面團用軋面機軋面4 次至面團表面光滑，內(nèi)部無大氣孔，面團手工整型，切割成50 g 小份；

4）將成型后的面團放于發(fā)酵箱中發(fā)酵，發(fā)酵溫度為38 ℃，相對濕度為80%，發(fā)酵時間為60 min；

5）將發(fā)酵后的面團放于蒸箱中，100 ℃蒸15 min，關(guān)火1 min 后開蓋，取出饅頭放于保溫箱中緩慢冷卻，得饅頭成品。

根據(jù)Liu 等[19]的方法，將冷卻后的饅頭用液氮冷凍、干燥并研磨，過60 目篩，制成小顆粒，獲得馬鈴薯饅頭粉。

1.3.2 馬鈴薯饅頭混合粉糊化特性測定 根據(jù)《小麥、黑麥及其粉類和淀粉糊化特性測定快速粘度儀法》（GB/T 24853-2010）標(biāo)準方法2[20]和Zheng 等[21]的方法，使用高級旋轉(zhuǎn)流變儀快速粘度分析元件測定1.3.1 節(jié)中混合粉的糊化特性。

1.3.3 X-射線衍射分析 根據(jù)Yang 等[22]的方法，獲得1.3.1 節(jié)中的馬鈴薯饅頭粉末的X-射線衍射圖譜。采用Cu-Kα 輻射源（40 ma，40 kv），記錄樣品和GSP 在0.154 nm 波長下的X-射線衍射圖譜，散射范圍（2θ）為4°～40°，步長為2°/min。

1.3.4 傅里葉變換紅外光譜分析 根據(jù)Yang 等[23]的方法，獲得1.3.1 節(jié)中的馬鈴薯饅頭粉末的FTIR 圖譜。樣品用KBr 研磨，然后壓制成片狀，在4 000～400 cm-1的波長范圍內(nèi)進行32 次掃描，獲得分辨率為4 cm-1的FTIR 圖譜。

1.3.5 體外模擬消化 根據(jù)Tian 等[24]的方法，將1.3.1 節(jié)中的馬鈴薯饅頭粉末用于體外靜態(tài)胃腸模擬消化。根據(jù)儀器以及總淀粉試劑盒制造商提供的使用說明，測量馬鈴薯饅頭粉中的水分含量以及總淀粉含量，準確稱量含有6.8 g 總淀粉的樣品，放置于玻璃燒杯中，并補充蒸餾水使其總重達到170 g，將玻璃燒杯放于37 ℃水浴鍋中，磁力攪拌。加入HCl 溶液（3 mol/L）將體系的pH 值調(diào)整至1.20 后，立即加入19 mL 胃模擬消化液，開始胃模擬消化。胃模擬消化30 min 后，在消化液中加入NaOH 溶液（3 mol/L），將體系的pH 值調(diào)整至6.80，立即加入23 mL 腸模擬消化液，開始腸模擬消化，小腸模擬消化時間為180 min。分別在胃模擬消化的0，30 min 以及腸模擬消化的5，10，15，20，60，90，120，180 min 取樣0.5 mL，并用2.5 mL 無水乙醇滅酶，將滅酶后的樣品離心（2 000×g，10 min）。從離心管中吸取0.1 mL 上清液，加入0.5 mL 淀粉葡萄糖苷酶/轉(zhuǎn)化酶混合溶液，在37℃水浴10 min，將所有水解后的淀粉轉(zhuǎn)化為葡萄糖。從離心管中吸取0.1 mL 上清液至試管中，使用D-葡萄糖測定試劑盒測量樣品中葡萄糖的含量。

根據(jù)Englyst 等[25]的方法，通過公式（1）～（3）計算快消化淀粉（Rapidly digested starch，RDS）、慢消化淀粉（Slowly digested starch，SDS）和抗性淀粉（Resistant starch，RS）的相對含量，其中0.9為淀粉與葡萄糖質(zhì)量的轉(zhuǎn)換系數(shù)；G20和G120分別為20 min 和120 min 時的葡萄糖含量（g）；TS 代表總淀粉含量（g）。

根據(jù)Go?i 等[26]的方法，通過一級反應(yīng)速率方程模擬淀粉水解過程，計算反應(yīng)速率常數(shù)k，反應(yīng)速率方程見公式（4），式中，t——淀粉水解時間（min）；C——不同時間點淀粉水解的百分比；C∞——淀粉水解的平衡百分比；k——反應(yīng)動力學(xué)常數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

測定結(jié)果用“平均值±標(biāo)準差”表示。數(shù)據(jù)由IBM SPSS statistics 23（美國萬國商業(yè)機器公司）進行分析，采用Tukey’s honestly 顯著性差異分析區(qū)分數(shù)據(jù)間的差異，顯著性水平為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 GSP 對混合粉的糊化特性的影響

在饅頭蒸制過程中，饅頭內(nèi)的淀粉會在高溫作用下發(fā)生糊化[27]。為研究GSP 對混合粉糊化特性的影響，使用快速黏度分析混合粉在不同GSP添加量下的糊化特性。添加GSP 顯著影響了淀粉的糊化特性，各糊化特性參數(shù)見表1。隨著GSP 添加量的增加，混合粉的峰值黏度（Peak viscosity，PV）、最低黏度（Minimum viscosity，MV）和最終黏度（Final viscosity，F(xiàn)V） 顯著增加，同時崩解值（Breakdown，BD）與回生值（Setback，SB）也顯著增加；配粉的糊化溫度（Pasting temperature，Tp）、糊化時間（Pasting time，PT）則顯著降低。從Tp降低以及PT 延長可以看出，混合粉的成糊能力隨著GSP 添加量的增加而增大。PV 反映體系中淀粉顆粒的膨脹能力[28]。混合粉中的面筋蛋白在糊化過程中會形成面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包裹住淀粉顆粒，保持顆粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[29]。而GSP 則能通過氫鍵或疏水相互作用與面筋蛋白中的氨基酸殘基結(jié)合，提升面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的黏彈性[30]，從而保持淀粉顆粒的穩(wěn)定，提高PV 值。這與Girard 等[31]的研究結(jié)果相似。BD 表示溶脹至極限的淀粉顆粒被破壞，淀粉分子溶出后體系黏度降低的程度，能反映體系中淀粉在高溫下的耐剪切能力。淀粉顆粒的膨脹能力隨著GSP 添加量的增加而增強，其內(nèi)部分子間作用力逐漸減弱，對剪切力的敏感性增強，淀粉顆粒容易破裂，從而導(dǎo)致BD 值增加[32]。當(dāng)混合粉糊冷卻時，淀粉聚合物通過氫鍵作用形成凝膠網(wǎng)絡(luò)[33]。FV 以及SB 的增加說明GSP 會增強混合粉內(nèi)部分子間的相互作用，從而提高凝膠網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

表1 GSP 對混合粉糊化特性的影響Table 1 Effects of GSP on pasting properties of mixed powders

2.2 不同GSP 添加量下馬鈴薯饅頭粉的X-射線衍射分析

不同GSP 添加量下馬鈴薯饅頭粉的X-射線衍射圖譜如圖1所示。所有樣品都呈現(xiàn)一個寬峰，說明饅頭在蒸制后其內(nèi)部淀粉的有序結(jié)構(gòu)幾乎消失[34]。表明高溫及高水分含量的加工條件會破壞淀粉的長程有序結(jié)構(gòu)[35]。值得注意的是，當(dāng)向馬鈴薯饅頭中添加3%的GSP 后，在2θ=9.0°以及2θ=31.4°處出現(xiàn)了新的小峰，而GSP 在這兩個位置并未出現(xiàn)明顯的峰形。這說明GSP 與淀粉之間可能存在相互作用，從而形成了新的有序結(jié)晶結(jié)構(gòu)。Wang 等[36]發(fā)現(xiàn)荷葉黃酮會與淀粉發(fā)生相互作用形成多酚-淀粉復(fù)合物，在X-射線衍射圖譜上出現(xiàn)新峰。復(fù)合物的結(jié)構(gòu)對淀粉消化速率以及活性物質(zhì)在消化過程中的釋放的影響有待進一步研究。

圖1 不同GSP 添加量下馬鈴薯饅頭粉的X-射線衍射圖Fig.1 X-ray diffraction patterns of potato steamed bread with different proportion of GSP

2.3 不同GSP 添加量下馬鈴薯饅頭粉的傅里葉紅外光譜分析

不同GSP 添加量下馬鈴薯饅頭粉的紅外光譜如圖2所示，其特征吸收峰包括：3 500～3 100 cm-1的寬峰（O-H 基團的伸縮振動、淀粉間的氫鍵結(jié)合作用），2 927 cm-1（CH2的不對稱拉伸振動），1 653 cm-1（水充斥在淀粉無定形區(qū)產(chǎn)生的吸收峰），1 455 cm-1（CH2的彎曲振動），1 417 cm-1（CH2的變形振動和C-O-O 伸縮振動），1 385 cm-1（CH2剪切振動和C-H、C-O-H 的變形振動）[37]，1 240 cm-1（與-CH2OH 相關(guān)），1 155 cm-1（C-C、C-O 拉伸振動），1 080 cm-1（C-O-H 彎曲振動），1 024 cm-1（C-O 拉伸振動），928 cm-1（α-1，4 糖苷鍵骨架振動），858 cm-1（CH2變形振動），762 cm-1（C-C 拉伸振動），707 cm-1（C-C 拉伸骨架振動），574 cm-1和526 cm-1（吡喃糖環(huán)骨架振動）[36]。不同GSP 添加量下紅外光譜圖的峰形沒有發(fā)生變化，說明添加GSP 不會造成化學(xué)鍵的形成或破壞。隨著GSP 添加量的增加，3 500～3 100 cm-1的O-H 伸縮振動的峰寬增加，這表明馬鈴薯饅頭分子間氫鍵作用加強[36]。因此，GSP 可能是通過氫鍵這種非共價作用力與饅頭中淀粉產(chǎn)生相互作用的。

圖2 不同GSP 添加量下馬鈴薯饅頭粉的紅外光譜圖Fig.2 FTIR patterns of potato steamed bread with different proportion of GSP

2.4 GSP 對馬鈴薯饅頭中淀粉消化特性的影響

為比較不同GSP 添加量對馬鈴薯饅頭中淀粉消化特性的影響，采用體外靜態(tài)胃腸模擬消化模型進行試驗。淀粉的水解曲線如圖3所示。在模擬胃消化階段，所有樣本中的淀粉幾乎均未被消化，這是由于胃中缺乏淀粉消化酶所致。含有0%，1%，2%，3%GSP 的馬鈴薯饅頭在模擬小腸消化5 min 后，淀粉的水解百分比分別為56.25%，49.70%，48.9%，45.34%，隨GSP 添加量的增加而降低。

圖3 不同GSP 添加量下馬鈴薯饅頭中淀粉的水解曲線Fig.3 Hydrolysis curves of starch in potato steamed bread with different proportion of GSP

通過非線性一級反應(yīng)速率方程擬合計算得到的水解動力學(xué)常數(shù)k 與平衡水解量C∞如表2所示。經(jīng)過180 min 的消化后，未添加GSP 組淀粉的平衡水解百分比C∞上升至96.83%，其次分別是1%添加量（95.60%）、2%添加量（92.97%）和3%添加量（92.69%）。水解動力學(xué)常數(shù)k 與淀粉的水解速率成正相關(guān)[26]。隨著GSP 添加量的增加，k 值顯著降低，說明GSP 能降低馬鈴薯饅頭中淀粉的水解速率。另外，根據(jù)在小腸中被消化的時間，淀粉被分為快消化淀粉、慢消化淀粉和抗性淀粉[25]，其相對含量如圖4所示，隨著GSP 添加量的增加，馬鈴薯饅頭的快消化淀粉顯著降低，慢消化淀粉和抗性淀粉的含量則顯著增加。

圖4 不同GSP 添加量下馬鈴薯饅頭中快消化淀粉、慢消化淀粉與抗性淀粉的相對含量Fig.4 RDS，SDS and RS contents of starch in potato steamed bread with different proportion of GSP

表2 不同GSP 添加量下馬鈴薯饅頭中淀粉的體外模擬消化動力學(xué)常數(shù)Table 2 In vitro kinetics of starch in potato steamed bread with different proportion of GSP

GSP 是一種以表兒茶素為結(jié)構(gòu)單元的黃烷醇類聚合體，分子體積較大[38]。在饅頭制作過程中，GSP 可能會與饅頭中的淀粉或是蛋白質(zhì)產(chǎn)生相互作用[39]。這些作用會改變饅頭的食品基質(zhì)，從而對GSP 產(chǎn)生一定的保護作用[40]。GSP 能抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的活性[13]。在體外模擬消化過程中，GSP 會隨著饅頭基質(zhì)結(jié)構(gòu)的溶脹和水解，緩慢釋放至消化液中，抑制淀粉酶的活性，降低淀粉的水解速率。另外，GSP 與饅頭中淀粉形成的有序結(jié)構(gòu)也可能會阻止淀粉與淀粉酶之間的接觸，從而降低淀粉的水解速率[41]。

3 結(jié)論

GSP 可能會通過氫鍵等非共價作用力與馬鈴薯饅頭中的淀粉結(jié)合，在淀粉消化的過程中，GSP可能會從饅頭基質(zhì)中釋放，降低淀粉的水解速率。另外，GSP 能增強馬鈴薯饅頭內(nèi)部凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。GSP 是一種潛在的可以用于降低馬鈴薯饅頭淀粉消化速率的功能型添加劑，應(yīng)用于新型功能性淀粉食品加工。此外，饅頭等食品基質(zhì)對GSP 這類多酚類活性物質(zhì)在消化過程中穩(wěn)定性的影響有待進一步研究。