《食品科学》：广西大学黄崇杏教授等：直链淀粉聚合度对无籽面包

　　无籽面包果树（Artocarpus artilis (Parkinson) Fosberg）是重要的桑科木本粮食作物，原产北美和非洲。近年来，我国香料饮料研究所培育出多种具有高直链淀粉的无籽面包果新资源，这些面包果形状为椭圆形，表皮为墨绿色，生果肉中含有近76.7%的淀粉。但成熟果实裂解率高、货架期短，因此将这些面包果转化为淀粉可以最大限度地发挥其价值。本课题组前期对香料饮料研究所1号面包果进行研究，结果表明，相比于伊巴丹和马达加斯加品种，其具有较高的淀粉纯度、凝胶强度、分子均一度、凝胶化温度，较低的回转半径（Rg）、表面粗糙度。研究发现面包果淀粉在改性过程中会产生少量淀粉-脂质-蛋白质三元复合物，从而改善其消化性。

　　适度调节淀粉直链淀粉的聚合度可以降低与饮食相关疾病的风险。但工业化提取淀粉的纯度较低（＜80%），通常在淀粉颗粒表面吸附蛋白质和脂肪，使直链淀粉分子、脂质和蛋白质在热处理后形成三元复合物，从而改变淀粉基食品的质地特性、冻融稳定性、消化性。因此，直链淀粉结构对三元复合体消化机理的影响逐渐成为研究热点。低不饱和度的短链脂肪酸和高等电点的蛋白质（如月桂酸（LA）和β-乳球蛋白（β-LG）等）有利于淀粉三元复合体的形成。

　　广西大学轻工与食品工程学院的李博，张彦军，赵媛，黄崇杏*等人从5种无籽面包果中提取具有最高聚合度的支链淀粉和不同聚合度的直链淀粉并制备重组淀粉，将其与月桂酸（LA）和β-乳球蛋白（β-LG）络合，制备重组淀粉-LA-β-LG三元复合物，研究直链淀粉聚合度对重组淀粉三元复合物斜率对数（LOS）模式消化动力学的影响，旨在为淀粉基多组分食品的工业化生产提供新的理论指导。

　　5 种无籽面包果（高直链变种香料饮料研究所1号软果品种（GJS）、香料饮料研究所1号嫁接菠萝蜜果树品种（FSS）、石梅山庄品种（SMS）、科摩罗品种（SS）和萨摩亚品种（CS））均选自中国热带农业科学院香料饮料研究所。

　　图2为三元复合物样品的一阶消化动力学拟合曲线计算二阶差分LOS线段，每条线段代表一个消化动力学阶段，如图3所示，每个样品均具有两条斜率与截距完全不同的LOS线，表明每个样品的消化过程中均经历了两个完全不同的酶解动力学阶段，存在两种酶解位点，因此均具有两个C∞与k值，分别对应C1∞、C2∞、k1、k2。这两种酶解位点可能分别位于无定形区以及结晶区与无定性区之间的缺陷晶层。

　　如表1所示，随着复合物直链淀粉聚合度的增加，样品的C1∞、C2∞分别由69.02%、70.97%降低至60.33%、61.97%；k2从1.00×10－2min－1升高至2.92×10－2 min－1，k1则无明显变化规律。根据Kim等的报道，随着直链淀粉聚合度的增加，在复合过程中直链淀粉对游离配体的缔合能力和直链淀粉的重结晶能力逐渐增强，导致抗酶解能力增强，因此复合物直链淀粉聚合度与C1∞、C2∞呈负相关。Rahaman等报道，随着复合物直链淀粉聚合度的增加，缺陷微晶基质内消化酶对相应支链淀粉侧链α-糖苷键的可及性被加强，使淀粉颗粒更迅速地从C1∞酶解至C2∞，这与本研究中复合物直链淀粉聚合度与k2呈正相关的结果一致。此外，三元复合物样品的t1（150 min）和t2（540 min）均相同，且k1（4.02×10－2～8.27×10－2min－1）与直链淀粉聚合度呈弱相关，此结果可能与样品无定形区非线性直链淀粉链的异质性较大有关。

　　如表1所示，5种三元复合物的HI为69.73～82.47、GI为78.83～85.71。本研究5种样品均属于高GI食物（GI＞70），且随着直链淀粉聚合度的增加，三元复合物的HI和GI降低。这可能归因于复合物直链淀粉聚合度的升高会增加直链-支链分子交联网络的紧密度、表面微结构的致密性，导致形成更强的物理屏障，从而降低了消化酶对底物的可及性，延缓了血糖代谢使C∞、HI和GI降低。

　　FTIR和XRD图谱可以用于评估重组淀粉复合体的半晶结构。如图4所示，5种复合物样品的在FTIR全谱均在1540 cm－1和2846 cm－1处观察到振动峰，这些峰与脂肪酸亚甲基上的羰基和C—H键的不对称伸缩振动以及蛋白质内部氨基酸酰胺II带的形变振动相关，表明重组淀粉与脂肪酸和蛋白质成功复合。如图5所示，支链淀粉链的支化方式、直链-支链淀粉微晶单元的堆积方式为偏序型，使复合物最终呈现V型结晶反射，均在2θ为13°、20°处存在衍射峰。如表2和图6所示，随着直链淀粉聚合度的增加，1540 cm －1 和2846 cm －1 处峰强度、CI（68.81%～83.55%）、短程有序性（I1047 cm－1/I1022 cm－1 0.44～0.63）、R c （21.10%～28.35%）均增加。结合三元复合物CI和消化动力学结果分析发现，随着直链淀粉聚合度的升高，三元复合物CI和GI同时增加，这可能是由于三元复合物直链淀粉聚合度的升高会增加线性直链葡聚糖最佳络合位点的数量，使直链淀粉螺旋空腔中的(4→1)-α、(1→4)-α-CH2O桥基结合脂肪酸疏水尾部和蛋白质多肽极性侧链的能力提高，增加了晶核成核速度，促进了更多V型结晶复合物的形成。此现象会进一步导致三元复合物晶体结构中的羟基体积增大、支链淀粉簇的纳米结节致密度增加，因而增加了淀粉精细结构的空间位阻密集度，导致酶分子的结合率降低，从而降低GI。综上所述，随着复合物直链淀粉聚合度增加，样品的CI、颗粒内部有序结构数量增加，导致了C2∞、GI的降低。

　　如图7所示，5种复合物样品均具有3个热力学特征峰，峰1为游离脂肪酸熔融峰（39.78～42.05℃）、峰2为I型复合物的凝胶化峰（56.68～60.11℃）、峰3为IIb型复合物（98.52～103.71℃）。图中并未显示IIa型复合物峰，这可能是由于IIa型复合物与未复合的凝沉淀粉有相似的凝胶化温度从而汇聚成一条宽截面曲线所示，随着复合物直链淀粉聚合度的增加，样品的凝胶化温度范围、Tp、ΔHg分别从19.42℃、98.52℃、13.95J/g增加到26.69℃、103.71℃、18.73J/g。结果表明，复合物直链淀粉聚合度的增加可以增加晶格单元在无形性介质中交联的有序性、晶胞内V6/7/8型双螺旋（一个螺旋单元有6/7/8个脱水葡萄糖单元）单元的有序性、晶胞内双螺旋单元的数量。高直链淀粉复合物直链淀粉聚合度的升高可使复合物具有较高的CI、短程有序性和Rc，从而引起更多更有序的晶胞交联结构聚集，导致复合物更难熔融以及被酶解。此外，直链淀粉聚合度与I型复 合物的凝胶化温度范围、Tp、ΔHg呈现较弱的相关性。

　　淀粉的多尺度超分子结构常用SAXS、动态分子质量以及AFM等手段评估。如图8所示，所有样品中均在约0.5 nm－1处显示出不明显的宽峰，可能与周期长度约13 nm的未复合质量分形结构相关，而样品的强峰q1位于3.71～3.72 nm－1处，表明所有络合物样品都有V 100-B型螺旋间反射。然而，XRD分析并未检测到V＋B型峰，这可能是因为V 100-B型螺旋晶胞间距较小、布拉格间距过大导致。2D散射图（图9）表明出复合物样品均具有不均匀的环状近晶相非周期结构，这种分形聚集体又被称为“两相非颗粒体系分子结构”，此结果与上述复合物样品具有两种酶解位点互相印证。

　　如表4所示，随着复合物直链淀粉聚合度的增加，片层结构参数d（3.20～4.82 nm）、da（1.60～2.62 nm）、dc（1.60～2.20 nm）、Dm（1.28～1.81）、ξ（4.54～5.53 Å）、ξc（6.33～7.01 Å）均降低。此结果表明复合物直链淀粉聚合度的增加可以加强复合物球晶边缘之间的超共轭效应，进而增加分子间的静电吸附力，使整个半晶片层体系电子云密度和片层结构内容物的均匀性升高、微晶单元致密性增加。

　　如图10和表5所示，折射率色谱图显示出明显的三元复合物峰（106～107 Da），这与FTIR和DSC图谱的结果一致。此外，分子质量曲线导数拟合后发现，分子自旋态达到最终态时样品呈现的有效构象指数（νf）接近于1，表明复合物样品均为蓬松棒状分子构型，说明高摩尔质量的球晶核主要随机分布在两相非颗粒体系分子结构的外部，这与复合物直链淀粉聚合度对样品中I型复合物热力学参数以及k1影响较弱相关。

　　分子构型参数结果表明，随着复合物直链淀粉聚合度的增加，mn（1.02×106～3.67×106Da）、mw（2.90×106～8.02×106Da）、ρ（3.50～23.07 g/（mol·nm3））均增大，Rg（70.31～93.94 nm）、PI（2.18～2.85）则减小（表5）。上述结果可能归因于，在络合过程中随着直链淀粉聚合度的增加，支链淀粉糖苷键构象旋角的角度减小、V8直链淀粉单螺旋包合物含量增加，导致d、Dm、ξ、ξc减少，Rc、CI增加。

　　Rq表示形成于颗粒表面并连接至淀粉颗粒内部的“止水塞”突起结构尺寸。如图11和表5所示，随着复合物直链淀粉聚合度的增加，样品Rq和Ra分别由15.03 nm和12.93 nm降低至7.05 nm和4.88 nm。基于此推测复合过程中直链淀粉聚合度的升高使直链淀粉链间相邻糖苷氧O6与O2/O3之间形成更多的氢键，导致“止水塞”突起结构尺寸降低。这一变化还可能引起d、ξc、Rg减少、mw、CI、Rc、)短程有序性增加，导致颗粒表面空腔数量、粗糙度、分形维数、海绵状结构减少（图11），使Tp增加和C∞降低。

　　为进一步筛选对体外消化动力学有极显著影响的结构因素（相关性系数（r）大于0.99或小于－0.99，P＜0.01），本实验基于邻接矩阵和Fruchterman-Reingold算法进行神经网络分析。如 图12 所示，神经网络主要包含两个区域，内部区连接点包括C 1∞ 、C 2∞ 、k 2 、GI、CI、R c 、R、T p 、ΔH g 、d、d a 、D m 、ξ、m w 、R g 、PI、R q ，表明这些参数在P＜0.01水平上极显著相关。而神经网络区由外部散点组成，包括k 1 、ρ、I1047 cm－1/I1022 cm－1 、ξ c 、d c ，表明这些参数之间在P＜0.01水平上无显著相关性，但ρ、I1047 cm－1/I1022 cm－1 、ξ c 、d c 与C 1∞ 、C 2∞ 、k 2 、GI在P＜0.05水平上呈显著相关，本研究发现复合物具有“两相非颗粒体系”以及多消化位点，说明ρ、I1047 cm－1/I1022 cm－1 、ξ c 、d c 在复合物直链淀粉聚合度对消化动力学的影响机制中只对“单相非颗粒体系”以及专一消化位点有显著影响，其他极显著结构因素则对复合物两种酶解位点均具有显著影响。综上所述，复合物直链淀粉聚合度的变化可以极显著地改变复合物消化性。

　　本实验探究了直链淀粉聚合度对重组无籽面包果淀粉-β-LG-LA复合物消化性的影响机制。研究发现，复合物样品均呈现V型结晶结构、棒状分子构型，均具有较高的三元复合率。随着直链淀粉聚合度的增加，样品的d、da、Dm、ξ、ξc、dc、Rq减少，CI、I1047 cm－1/I1022 cm－1 、Rc、mw、PI、ρ、R、Tp、ΔHg增加，导致消化动力学参数C1∞、C2∞、GI降低，k2增加。结合神经网络分析发现，复合物颗粒内、外部超显微结构对消化性有极显著影响（r＞0.99或r＜－0.99、P＜0.01）。进一步分析发现，复合物直链淀粉聚合度的增加可以增强在螺旋内、螺旋间、晶胞单元内、纳米片层结构内的分子间、分子内相互作用，导致多层级超结构有序度、致密性增加，使颗粒表层纳米“止水塞”突起尺寸、空腔数量、分形维数显著减少，导致颗粒热溶胀能力下降，从而使LOS消化动力学降低。本研究结论可为针对不同营养需求人群的多组分食品研发提供新的理论参考。

　　黄崇杏，女，博士，教授，博士生导师。广西大学轻工与食品工程学院副院长，轻技术与工程学科骨干，包装工程专业和学科负责人，中国振动工程学会包装动力学专委会副秘书长、教育部轻工类专业教学指导委员会包装工程组委员、《包装工程》编委，《Food Hydrocolloids》、《Food Control》、《Food Packaging and Shelf Life》、《International Journal of Biological Macromolecules》等SCI杂志审稿人。从事绿色包装材料、食品包装安全、农产品保鲜包装的研究。主持国家自然科学基金3 项，广西科技厅项目4 项。发表学术论文70多篇，其中30 篇被SCI收录。获授权专利11 项。

　　本文《直链淀粉聚合度对无籽面包果淀粉三元复合物体外一阶消化动力学的影响》来源于《食品科学》2023年44卷第20期8-19页，作者：李博，张彦军，赵媛，黄崇杏。DOI:10.7506/spkx1114-155。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

　　实习编辑；云南农业大学食品科技学院 李曦明；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及。

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