福州大学汪少芸教授施晓丹副教授团队：豆薯非淀粉多糖与燕麦淀粉的多尺度结构和消化性质

2023-06-29 22:30:18

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Abstract

天然淀粉在工业中的广泛应用往往会遇到易合成、pH敏感性和加热不稳定性等问题。本文研究了添加10%不同分子结构的豆薯非淀粉多糖（PEP-3P和PEP-6P）对燕麦糊化淀粉（OS）多尺度结构、糊化特性和体外消化性的影响。与OS相比，其溶胀力、溶解度、短程有序结构、结晶形态和表观黏度均无显著性差异。添加PEPs后，直链淀粉浸出率、无定形区比例、热阻和凝胶强度均有不同程度的增加，但快速消化淀粉（RDS）含量降低。此外，不同化学成分和分子量的PEP-3P和PEP-6P在两个主要方面表现不同。首先，OS/PEP-3P和OS/PEP-6P的溶胀能力和溶解性存在明显差异。其次，由于RDS、慢消化淀粉（SDS）和抗性淀粉（RS）的含量不同，OS/PEPs的体外消化行为表现出不同的规律。根据上述结果，对PEPs消化率的抑制作用可能归因于糊化过程中和糊化后淀粉凝胶的增强。当PEPs与OS结合时，PEPs的分子结构的确会影响其功能特性。这些发现可能为非淀粉性多糖与淀粉的相互作用提供了更多的基础信息。

Introduction

天然淀粉作为食品增稠剂、脂肪替代品、稳定剂和胶凝剂在食品工业中应用广泛。然而，由于天然淀粉的一些不良特性，如脱水收缩、回生、pH敏感性和加热不稳定等，其利用往往受到限制。为了消除或减少这些不良特性，可以采用不同的改性方法对天然淀粉进行改性，其中之一是添加非淀粉多糖（NSPs）。该方法相对简单，成本较低，可以替代化学改性或其他昂贵的物理改性。之前有许多研究报道，在淀粉悬浮液中添加NSPs可以提高黏度、凝胶特性、水结合能力、乳液稳定性，并防止冰重结晶、成膜和泡沫稳定。这些淀粉-NSPs复合物可用于各种食品，如番茄酱、蛋黄酱、沙拉酱、脂肪模拟物、冰淇淋等。

裸燕麦（六倍体裸燕麦）是我国北方地区广泛种植和消费的2个重要栽培燕麦品种之一。它具有很高的营养和药用价值，被认为是一种低或中等血糖指数的食物。淀粉通常位于燕麦的胚乳中，周围环绕有β-葡聚糖和一层富含蛋白质的麸皮，占50%～65%。与其他常见谷物淀粉相比，燕麦淀粉（OS）具有突出的结构特征和独特的功能特性，包括成膜性、起泡性、乳化性和持水性等。然而，天然OS的应用通常还伴随着一些问题，如热稳定性低、糊的澄清度和抗剪切性以及糊的黏度升高等。为了克服这些缺点，引入了物理和化学修饰。例如，高静水压力（400 MPa以上）处理破坏了结晶，降低了OS的再结晶速率。通过亚临界乙醇-水处理，可以改善OS的冷水溶胀性能。据报道，最初存在于裸燕麦粉中的非淀粉成分（NSCs），包括蛋白质、脂质和β-葡聚糖，在很大程度上影响了OS的消化率。迄今为止，关于外源性NSPs对OS结构和理化性质影响的研究鲜有报道。

豆薯是一种广泛种植的作物，起源于亚马逊地区和墨西哥半干旱地区。其广泛应用于沙拉、鲜果组合、果条、汤等熟食菜肴中。NSPs是豆薯根提取淀粉后残渣中重要的碳水化合物组分。本课题组在前期研究中，采用梯度醇沉法提取分离得到2个亚组分（PEP-3P和PEP-6P），即豆薯非淀粉多糖（命名为PEP）。PEP-3P和PEP-6P的相对重均分子量分别为78.4和26.5 kDa。PEP、PEP-3P和PEP-6P被证实在糊化过程中通过氢键和静电作用促进直链淀粉的浸出并与淀粉形成凝胶网络。三种NSPs-淀粉复合物中抗性淀粉的含量均有不同程度的降低。为了进一步阐明NSPs与淀粉的相互作用，本文对不同分子结构的PEP-3P和PEP-6P与燕麦淀粉的相互作用进行了研究。简而言之，将PEP-3P和PEP-6P与OS共凝胶化，探究两种NSP对OS多尺度结构特征、理化性质和体外消化性的影响，可能是克服天然OS上述问题的另一种途径。研究结果也可能促进对糊化燕麦淀粉分子结构与消化性关系的理解。

Results and Discussion

溶胀力（SP）、溶解度（SOL）和浸出直链淀粉含量的变化

溶胀力和溶解度可以表征淀粉颗粒的吸水能力和溶胀过程中直链淀粉的浸出程度。如表1所示，OS在95 ℃时的SOL低于OS/PEP-6P，但与OS/PEP-3P无明显差异。PEP-6P的促进作用可能与相对较低的分子量有关。

淀粉的两种主要成分是直链淀粉和支链淀粉，它们的性质和功能存在显著差异。直链淀粉具有很高的逆行倾向，产生坚韧的凝胶和坚固的薄膜。相比之下，支链淀粉分散在水中更稳定，并产生软凝胶和弱膜。在糊化过程中，淀粉的结晶结构被破坏，颗粒继续膨胀，直链淀粉渗出到水晶间相中。在表1中，OS/PEPs混合物的直链淀粉浸出含量显著高于OS。

表1 糊化燕麦淀粉及其与豆薯非淀粉多糖混合物的溶解度、溶胀力、浸出直链淀粉和体外消化率

多尺度结构的变化
通过FT-IR和拉曼光谱研究了其短程有序结构
图1a为燕麦淀粉及其混合物的FT-IR图谱。位于3415 cm^-1和2927 cm^-1左右的谱带分别归属于－OH伸缩振动和－CH2不对称伸缩振动。在PEP-3P和PEP-6P存在的情况下，OS样品的重叠宽峰从3000～3600 cm^-1（－OH伸缩）蓝移到3415～3422 cm^-1（图1a），反映了氢键密度和强度的降低。1638 cm^-1附近的谱带与淀粉无定形区吸收的水有关。1154 cm^-1附近的振动对应于C－O的伸缩振动，而1080 cm^-1附近的振动是C－O的伸缩振动和C－C的框架振动的复合表现。931 cm^-1和761 cm^-1处的吸收表明存在α-(1,6)-D-葡萄糖苷键和α-(1,4)-D-葡萄糖苷键。与PEPs共混的淀粉在1735 cm^-1处有一个新的峰，这是由于PEP-3P和PEP-6P中存在糖醛酸，具有酯基的特征。

在1200～900 cm^-1（淀粉指纹）范围内的FT-IR光谱被解卷积（图1b）。在1047 cm^-1和1022 cm^-1附近的吸光度已被证明分别与淀粉的结晶和无定形结构有关。1047/1022 cm^-1的红外吸光度比值是评价淀粉短程有序性（DO）的指标，995/1022 cm^-1的比值与双螺旋度（DD）有关。3个组分的DO值没有表现出显著性差异，表明PEPs的掺入并没有改变短程有序性的程度（表2）。添加PEP-3P后，DD值显著降低（表2），表明直链淀粉的浸出或PEP-3P部分破坏了原有的双螺旋结构，形成了较少的双螺旋结构。

表2 糊化燕麦淀粉及其与豆薯非淀粉多糖混合物的红外光谱、拉曼光谱、XRD和¹³C CP/MAS NMR参数

拉曼光谱中大于480 cm^-1的特征谱带代表C－O－C环键的伸缩振动，该谱带的半峰全宽（FWHM）可用于测量和比较淀粉样品的结构变化。即在480 cm^-1处的FWHM值越小，淀粉的分子有序度越高。如图1c和表2所示，OS/PEP-3P的FWHM值高于其他2个组分，但无显著性差异，表明淀粉有序结构的程度略有破坏。此结果与FT-IR结果一致。

图1 糊化燕麦淀粉及其与豆薯非淀粉多糖混合物的FT-IR光谱（a）、反卷积FT-IR光谱（b）、拉曼光谱（c）和XRD图谱（d）

通过XRD和¹³C NMR表征晶体结构
图1d为原燕麦淀粉、糊化燕麦淀粉及其混合物的XRD图谱。天然燕麦淀粉由于在2θ为15°、17°、18°和23°处有明显的峰，呈现A型模式。糊化OS及其与PEP的混合物呈现半结晶结构，有无定形结构和部分结晶结构，在13.2°和19.8°（2θ）处出现峰（V型），这是由于淀粉-PEP包合物的缘故。淀粉颗粒内部由一个结晶区和一个无定形区组成，在NMR谱上具有不同的化学位移。采用固体¹³C CP/MAS NMR技术评价OS及其与PEP混合物的螺旋结构。光谱如图2所示。δ 94～106、80～84、65～78、56～65处的谐振分别对应C₁、C₄、C_2,3,5、C₆。根据之前的数据，在天然OS中可以观察到明显的三重峰，集中在C1区域的δ 101、100和98附近。在图2中，由于糊化后螺旋结构的破坏，三重峰明显消失，并在δ 102.5处观察到一个宽信号。表2列出了OS及其与PEP复合物的螺旋和无定型信息。与OS相比，OS/PEP-3P和OS/PEP-6P的单螺旋结构比例下降，表明直链淀粉的溶出对其重组成螺旋结构有抑制作用。对于双螺旋的比例，PEP-6P与PEP-3P表现出相反的趋势，这是因为PEP-6P的糖醛酸含量较低，可以促进氢键和电子相互作用的形成。无定形区面积的显著增加可能与浸出直链淀粉含量的增加有关。

图2 ¹³C CP/MAS NMR谱（a）和糊化燕麦淀粉及其与豆薯非淀粉多糖混合物在δ 88～110范围内扩大的端粒区（b）

微观结构的SEM结果
采用SEM对添加PEPs的燕麦淀粉微观形态变化进行观察，样品在1.0%下放大200倍（图3a～c）。所有样品均呈现三维多孔网状结构，这是由于燕麦淀粉分子在冷藏过程中重团聚后水分蒸发导致的快速冻结脱水、重新有序和重结晶造成的。由于直链淀粉的浸出，OS中出现了许多细丝。然而，在另外两个样品中观察到的细丝较少。OS/PEP-3P的凝胶网络呈现脆性的片状结构，而OS/PEP-6P呈现光滑的表面，具有可见的凝胶网络。这种现象在豆薯淀粉中添加PEPs时也被观察到。因此，PEP-3P和PEP-6P可能会促进直链淀粉分子的聚集，这与直链淀粉浸出量的增加是一致的。

热性能的变化
通过图3d～f中的热重曲线比较了燕麦淀粉及其与PEPs混合物的热性质。三个样品均表现出典型的三步失重过程。第一阶段的失重发生在60～155 ℃（OS/PEP-3P为60～170 ℃）的温度范围内，这是由于吸收的水蒸发造成的。第二阶段在155～330 ℃（OS/PEP-3P为170～330 ℃）是所有样品中最大的重量损失，这是由于PEPs和淀粉的分解。OS的最大分解速率和分解温度分别为-2.71%/℃和309 ℃，OS/PEP-3P的最大分解速率和分解温度分别为-2.31%/℃和310 ℃，OS/PEP-6P的最大分解速率和分解温度分别为-2.36%/℃和311 ℃。结果表明，在燕麦淀粉中添加PEPs可获得具有较高耐热性的生物复合材料。

图3 糊化燕麦淀粉及其与豆薯非淀粉多糖混合物的SEM图像（a～c）和热重曲线（d～f）

流变学性质的变化
淀粉糊的流变特性被认为是影响食品食用质量和消费者接受度的最重要的理化特性。一般来说，淀粉凝胶的流变行为是由淀粉分子链的重解和重排来决定的。图4分别为OS浆体及其复合物的黏度、弹性模量（G'）和黏性模量（G''）随剪切速率和角频率的测量曲线。如图4a所示，三种样品在浓度为5%时的黏度均随剪切速率的增加呈下降趋势，且无显著性差异。图4b中，在0.1～100 rad/s的振荡频率范围内，3个样品的G''值均低于G'值。这两个参数都依赖于频率，没有确定交叉点，表现出典型的弱凝胶流变行为。此外，OS的G'和G''值明显低于OS/PEP-3P和OS/PEP-6P，表明PEP的分子链可能与浸出的直链淀粉交织在一起，形成SEM图像中观察到的网状结构。

图4 糊化燕麦淀粉及其与豆薯非淀粉多糖混合物的黏度-剪切速率曲线（a）和模量-角频率曲线（b）

体外消化特性的变化
OS和OS/PEPs混合物的体外消化参数包括RDS、SDS和RS如表1所示。与OS相比，RDS含量从OS的55.95%显著降低到OS/PEP-3P的40.36%和OS/PEP-6P的46.50%。相反，RS水平升高。OS/PEP-3P比OS具有更高的SDS含量，但OS/PEP-6P具有更低的SDS含量。因此，两个PEPs对OS的消化表现出明显的抑制作用，并可能有助于控制血糖。体外消化体系通常含有酶、淀粉和非淀粉成分（NSCs）。这些化学物质之间的相互作用都可能影响淀粉的消化。根据以往的研究，非淀粉成分（NSCs）对消化的抑制可能与以下几个原因有关。第一种是NSCs可以在淀粉分子周围形成薄膜等物理屏障，从而降低消化酶与底物之间的亲和力，降低酶的可及性。其次，NSCs与淀粉之间的分子缠结和重叠以及NSCs在水中的自组装显著增加了反应混合物的黏度，从而限制了水的流动性，减少了包括葡萄糖在内的淀粉水解产物的释放和扩散。第三，NSCs和水解酶之间的分子吸附可能会促进淀粉消化率的降低。最后，随着NSPs添加量的增加，由于生物大分子之间的分子间相互作用，复合凝胶的微观结构强化可能导致淀粉消化的减少。在我们之前的研究中，PEP促进了豆薯淀粉的体外消化，这可能是它们能够被淀粉酶和淀粉-葡萄糖苷酶水解。不同的是，PEPs抑制了OS的消化率，这很可能是由于PEPs分子链与燕麦淀粉引起的凝胶网络和凝胶强度略有增加。

Conclusion
本研究研究了豆薯淀粉NSPs与燕麦淀粉的相互作用。结果表明，PEPs的引入对复合物的溶胀力、溶解度、有序度和双螺旋程度均无显著影响。未发现糊化燕麦淀粉的结晶类型发生改变，也未产生新的基团。OS/PEPs复合体系的微观结构变得均匀致密，凝胶强度略有增加。此外，PEPs降低了RDS的含量，这可能是由于凝胶强度的增强，而不是有序微观结构的改变。此外，PEP-3P和PEP-6P的化学组成和分子量的差异对直链淀粉的浸出、糊化过程中淀粉凝胶网络结构的形成以及体外消化性等方面的影响不同。总之，PEPs与燕麦淀粉的新组合不仅有助于控制淀粉的糊化和消化行为，而且有助于促进PEPs处理在功能性食品中的应用。

Multiscale structures, physicochemical properties, and in vitro digestibility of oat starch complexes co-gelatinized with jicama non-starch polysaccharides
Xiaodan Shi^a,*, Manling Yu^b, Hongmei Yina, Lianxin Peng^c, Shaoyun Wang^b,*
^a School of Health, Jiangxi Normal University, Nanchang, Jiangxi, 330022, China
^b Institute of Food and Marine Bio-Resources, College of Biological Science and Technology, Fuzhou University, Fuzhou, 350108, China
^c Key Laboratory of Coarse Cereal Processing, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Sichuan Province Engineering Technology Research Center of Coarse Cereal Industrialization, School of Food and Biological Engineering, Chengdu University, Chengdu, 610106, China
*Corresponding authors.
Abstract
The wide applications of natural starches in industries often encounter problems such as easy syneresis, pH sensitivity, and heating instability. The influences of an addition of 10% (w/w) jicama non-starch polysaccharides (PEP-3P & PEP-6P) with different molecular structures on the multiscale structure, gelatinization properties, and in vitro digestibility of gelatinized oat starch (OS) were investigated. Compared to OS, the swelling power, solubility, short-range ordered structure, crystalline shape, and apparent viscosities did not show significant differences. The contents of amylose leaching, proportions of amorphous area, thermal resistance, and gel strength increased to some extents, but contents of rapidly digestible starch (RDS) decreased after PEPs were added. Moreover, PEP-3P and PEP-6P with different chemical components and molecular weights performed differently in two main aspects. Firstly, the swelling power and solubility were markedly different between OS/PEP-3P and OS/PEP-6P. Secondly, the in vitro digestible behaviours of OS/PEPs showed different patterns as the contents of RDS, slowly digestible starch (SDS), and resistant starch (RS) were different. Based on the above results, the inhibition effects on digestibility of PEPs were probably attributed to the enhancement of starch gels during and after gelatinization. Molecular structures of PEPs did affect the functional properties when PEPs were combined with OS. These findings may provide more fundamental information about interactions between non-starch polysaccharides and starch.
Reference:
SHI X D, YU M L, YIN H M, et al. Multiscale structures, physicochemical properties, and in vitro digestibility of oat starch complexes co-gelatinized with jicama non-starch polysaccharides[J]. Food Hydrocolloids, 2023, 144: 108983. DOI:10.1016/j.foodhyd.2023.108983.

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