螺桿擠壓對馬鈴薯淀粉消化性及血糖指數的影響

發布時間：2022-04-09所屬分類：農業論文瀏覽：1次

摘 要： 摘 要: 目的 研究螺桿擠壓對馬鈴薯淀粉消化特性的影響。方法 馬鈴薯淀粉經過螺桿擠壓后(過程中淀粉未膨化), 采用酶重量法測定擠壓后抗性淀粉的含量變化情況, 并通過模擬體外消化和動物實驗評價擠壓后淀粉的消化性能和餐后血糖上升速率。結果 螺桿擠壓后馬鈴薯淀粉中抗

　　摘 要: 目的 研究螺桿擠壓對馬鈴薯淀粉消化特性的影響。方法 馬鈴薯淀粉經過螺桿擠壓后(過程中淀粉未膨化), 采用酶重量法測定擠壓后抗性淀粉的含量變化情況, 并通過模擬體外消化和動物實驗評價擠壓后淀粉的消化性能和餐后血糖上升速率。結果 螺桿擠壓后馬鈴薯淀粉中抗性淀粉的含量增加了 1.08%, 酶解時間為 0~1.5 h 時, 馬鈴薯淀粉快速消化淀粉的含量減少, 酶解時間為 1.5~6.5 h 時, 抗性淀粉和慢消化淀粉的含量增加。擠壓后的馬鈴薯淀粉在一定程度上可以降低小鼠的餐后血糖指數。結論 螺桿擠壓技術可以提高抗性淀粉和慢消化淀粉的含量, 減緩餐后血糖上升速率, 為馬鈴薯食品的深度開發提供一定的參考。

　　關鍵詞: 螺桿擠壓; 馬鈴薯淀粉; 動物實驗; 血糖指數; 抗性淀粉; 緩慢消化淀粉

　　1 引 言

　　馬鈴薯(Solanum tuberosum)是一年生草本植物, 公元前 8000 到 5000 年的南美秘魯南部地區最早出現人工栽培, 并于 17 世紀左右傳入中國。由于馬鈴薯的栽培要求很低且產量和其他主糧相比較高, 所以很快在內蒙、河北、山西、陜西北部普及, 成為當地人們的主要食品之一, 對維持中國人口的迅速增加起到了重要作用。馬鈴薯含有豐富的賴氨酸和色氨酸, 其所含的蛋白質與動物蛋白接近, 這是其他主糧所無法比擬的。另外, 馬鈴薯幾乎不含脂肪, 其鉀含量是蔬菜中最高的, 因此適合水腫型肥胖者的食用[1]。和其他國家相比, 我國的耕地面積和人口比例嚴重偏小, 保障糧食安全成為中國現代化過程一個較為關鍵的問題。介于馬鈴薯的產量高、可種植面積廣、氣候和土壤要求低等特點, 2010 年兩會上全國人大常委會委員郭鳳蓮的提案揭開了我國馬鈴薯主糧化戰略的序幕。此后, 農業部于 2015 年把馬鈴薯主糧化工作列入重要議程。該戰略實施不僅有助于種植業結構調整以實現農業可持續發展, 保障我國糧食安全, 而且可以滿足居民膳食營養結構的轉型和升級[2]。從農業, 特別是糧食生產和加工層面, 實施側向改革。在馬鈴薯主糧化戰略實施過程中存在以下障礙: (1)傳統飲食習慣。馬鈴薯僅在少數地區被當作主糧食用, 在國內絕大部分區域, 馬鈴薯主要用作蔬菜食用[3]; (2)餐后血糖上升過快。和其他傳統主糧相比, 馬鈴薯的升糖指數高達 90, 遠高于大米、小麥粉和玉米的值(~60)[4], 長期大量攝入馬鈴薯還會帶來糖尿病[5]、高血壓[6]等副作用。雖然現在有學者注意到此問題, 并試圖通過微波技術[7]、熱壓技術[8]、烹飪方式[9]等解決馬鈴薯升糖指數過高的問題, 但效果甚微。

　　研究證明抗性淀粉(resistant starch, RS)和慢消化淀粉 (slowly digestible starch, SDS)能很好的解決餐后血糖快速上升問題。一般的化學方法雖然可以大大提高淀粉中 RS 和 SDS 的占比, 但處理后的淀粉存在化學試劑殘留、產品成分難控制等問題故大多用于工業材料的制造。為了規避化學方法的缺點, 運用有效的物理方法加工淀粉以降低淀粉產品的血糖指數成為當務之急。擠壓技術能規避化學方法的缺點, 通過高溫高壓處理淀粉提以高變性淀粉含量是目前較為常見的手段[8,10], 和其他傳統的食品生產工藝相比, 有生產工藝簡單、能耗低、三廢排放少等優點[11], 還能夠滿足食品對于安全性的要求。因此, 該技術在食品、材料、工程、醫藥、生物化學、農學、環境等領域得到廣泛應用。從文獻檢索得知, 目前國內利用螺桿擠壓技術改變淀粉中 RS 和 SDS 的含量研究僅針對玉米[12]和大米[13] 體系, 國外研究者的研究對象則較廣, 如小麥粉[14]、高粱和大麥的混合物[15]、全谷物燕麥[16]等。利用擠壓技術改變馬鈴薯的抗性淀粉含量結果存在爭議[17]。使用螺桿擠壓技術對馬鈴薯淀粉進行處理, 在高溫高壓和一定濕度(0%~ 20%)的條件下, 產品外觀艷麗, 柔韌性和耐咀嚼性好, 可以克服常規加工中存在的低粘彈、不易聚團等的問題。在螺桿擠壓的過程中摒棄了傳統擠壓技術中的膨化工序, 馬鈴薯淀粉顆粒在高溫、高壓、高剪切的作用下發生降解、聚集、交聯等物理化學變, 淀粉顆粒密度變大, RS 和 SDS 成分增加。由于 RS 和 SDS 在馬鈴薯淀粉中占比的增加, 在消化的過程中能夠達到持續釋放還原糖, 故螺桿擠壓后的馬鈴薯淀粉產品可作為十分安全的食品原材料應用于食品制造業, 并能夠明顯改善馬鈴薯淀粉食用后血糖上升過快的問題。本研究對螺桿擠壓與馬鈴薯淀粉消化性及血糖指數間的關系進行研究, 以期促進了馬鈴薯種植業的發展, 推動馬鈴薯主糧化進程。

　　2 材料與方法

　　2.1 材料與試劑

　　馬鈴薯淀粉由浙江邁峰寵物用品有限公司提供; ICR 小白鼠購于杭州師范大學實驗動物中心。

　　耐高溫 α-淀粉酶(40000 U/g)、淀粉葡萄糖苷酶 (100000 U/g) (江蘇銳陽生物技術有限公司); α-豬胰蛋白酶(50 U/mg, 美國 Sigma 公司); 3,5-二硝基水楊酸(98%, 阿拉丁試劑(上海)有限公司); 葡萄糖、酒石酸鉀鈉、苯酚、無水亞硫酸鈉、檸檬酸鈉、檸檬酸、氫氧化鈉(分析純, 國藥集團化學試劑有限公司)。

　　2.2 儀器與設備

　　UV-2600 紫外分光光度計(日本島津公司); SHZ82A 水浴恒溫振蕩器(天津廣豐科技有限公司); FE20pH 計(美國 Mettlertoledo 公司); ROTINA 380 R 臺式高速離心(德國 Hettice 公司); SSE 100 單螺桿膨化機(濟南鼎潤機械設備有限公司); UltraEasy 型血糖儀(強生醫療器材有限公司)。

　　2.3 實驗方法

　　2.3.1 螺桿擠壓工藝參數

　　螺桿轉速: 8.5 r/s; 喂料速度: 2.9 r/s; 物料含水量: 馬鈴薯淀粉含水量要達到 10%~15%; 螺桿擠壓機溫度設定: 一區: 95 ℃, 二區 110 ℃, 三區 125 ℃, 四區 75 ℃。

　　2.3.2 螺桿擠壓產品難消化成分的測定

　　采用美國分析化學家學會(Association of Official Analytical Chemists, AOAC)[10]推薦的酶—重量法稍加修改測定螺桿擠壓后馬鈴薯淀粉中抗性淀粉的含量。測定方法如下:

　　取適量過 100 目篩子后的螺桿擠壓樣品, 加蒸餾水并用玻璃棒攪拌均勻, 檸檬酸調節 pH 至 6.0。加入耐高溫 α-淀粉酶(500 U/g 螺桿擠壓過篩樣品), 90 ℃下水浴加熱 30 min, 并不斷攪拌。待混合溶液冷卻至室溫, 用檸檬酸調節 pH 至 4.5, 加入淀粉葡萄糖苷酶(5000 U/g 螺桿擠壓過篩樣品), 在 60 ℃下水浴振蕩 24 h。60 ℃水浴過后, 待混合溶液冷卻至室溫, 反復離心(3000 r/min, 20 min), 取沉淀。將沉淀溶于 2 mol/L NaOH 溶液充分溶解, 用 HCl 溶液調節 pH 至 6.5, 加入耐高溫 α-淀粉酶 (500 U/g 螺桿擠壓過篩樣品), 在 90 ℃下水浴加熱 30 min, 不斷攪拌。冷卻至室溫, 用檸檬酸調節 pH 至 4.5, 加入淀粉葡萄糖苷酶(5000 U/g 螺桿擠壓過篩樣品), 在 60 ℃下水域振蕩反應 1 h。冷卻至室溫后, 蒸餾水水洗后 3000 r/min 反復離心, 取上清液定容至 100 mL。采用 3,5-二硝基水楊酸(DNS)法測定還原糖�？剐缘矸鄣暮�量依據公式(1) [18,19]計算得出:

　　RS(%)=100G(%)×0.9 (1)

　　式中, RS—抗性淀粉的含量; G—還原糖的含量; 0.9—還原糖換算成淀粉的換算系數。

　　2.3.3 螺桿擠壓產品消化性能的測定

　　(1) 葡萄糖標準曲線的制作

　　準確稱取 80 ℃烘至恒重的分析純葡萄糖 100 mg, 加蒸餾水溶解定容至 100 mL, 放置于 4 ℃冰箱中保存備用。按照 0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 mg/mL 的梯度取樣配置溶液。取出的樣品加入 1 倍的 DNS 試劑充分混勻, 沸水浴 5 min 再加 8 倍的水于 540 nm 下測吸光度[20]。以吸光值為縱坐標, 葡萄糖濃度為橫坐標作圖, 制作標準曲線。

　　(2) 樣品消化性能的測定

　　準確稱取 0.6 g 桿擠壓后的馬鈴薯淀粉產品, 溶于 70 mL 去離子水中, 加入 α-豬胰淀粉酶(10000 U/g 螺桿擠壓后的馬鈴薯淀粉)搖勻。置于 37 ℃的恒溫震蕩水浴鍋中并且按照 0、0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5、6.5 h 的時間間隔取樣。取出的樣品經沸水浴 5 min 滅酶處理后以 5000 r/min 離心 5 min。取上清液稀釋 10 倍后, 取一定量稀釋后的溶液加 1 倍的 DNS 試劑沸水浴 5 min, 再加 8 倍的蒸餾水于 540 nm 下測吸光度[21,22](整個過程以 56 ℃糊化后的馬鈴薯淀粉為對照)。

　　2.3.4 小鼠攝入馬鈴薯淀粉后血糖濃度的變化

　　(1) 小鼠的分組與飼養

　　選用 18~22 g 的 ICR 雄性小白鼠, 小白鼠要事先在實驗室飼養 3 d 以適應環境, 飼養室的溫度保持在 22~25 ℃, 相對濕度保持在 50%左右, 并且通風狀況良好[23]。飼養小白鼠的籠具應該事先用酒精消毒處理, 并且鼠籠里應該有干凈干燥的木屑。

　　實驗用小鼠隨機分為 A、B 2 組, 每組各 6 只并分別編號。小白鼠在適應環境期間正常喂食、喂水, 待小白鼠適應飼養室的環境后, 先對小白鼠進行時長為 1 d 斷食不斷水處理, 然后分別給小白鼠喂食, A 組小白鼠喂食糊化后的淀粉, B 組下白鼠喂食螺桿擠壓后的馬鈴薯淀粉。

　　(2) 小白鼠飼料的配置方法

　　稱取一定量的馬鈴薯淀粉按照 1:20 的比例加水 56 ℃糊化, 待糊化完全后, 將糊化后的馬鈴薯淀粉平鋪于蒸發皿中, 50 ℃于真空干燥箱中干燥至恒重。將糊化后烘干的馬鈴薯淀粉用中草藥粉碎機粉碎過 100 目篩。過篩后的淀粉加入 2 倍的溫開水充分攪拌。

　　螺桿擠壓處理后的馬鈴薯淀粉用中草藥粉碎機粉碎過 100 目篩, 過篩后的馬鈴薯淀粉加入 2 倍的溫開水充分攪拌。

　　(3) 實驗方法及測定指標

　　實驗周期為 10 d, 對斷食不斷水處理后的 B 組小白鼠喂食螺桿擠壓后的淀粉, A 組小鼠喂糊化后的馬鈴薯淀粉樣品。早上 10:00~11:00 喂食 1 h, 晚上 20:00~22:00 喂食 2 h。在喂食時間段外對小白鼠進行斷食不斷水處理, 小白鼠的飲水采用新鮮的涼白開, 加 0.9%的鹽。

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　　實驗以小白鼠的血糖為測定指標, 每天測定 1 次。血糖測定選用 ONETOUCH Ultra 穩豪型血糖試紙和 OneTouch Ultraeasy 血糖儀。喂食后 1 h 對小鼠進行采血處理。小白鼠取血之前, 先對小鼠尾部用碘酒消毒, 采血針(為了避免小鼠出現交叉感染采血針都為一次性使用)對消毒部位進行采血, 血滴進入試紙頂部邊緣的窄道中, 等待 5 s 后讀取小白鼠的血糖, 再次用碘酒對小鼠采血部位進行消毒止血。

　　3 結果與分析

　　3.1 螺桿擠壓后馬鈴薯淀粉中抗性淀粉(RS)含量的測定

　　借鑒抗性淀粉測量方法專利[10], 測出經螺桿擠壓后的馬鈴薯淀粉中抗性淀粉的含量由圖 1 可知, 未經螺桿擠壓處理的馬鈴薯淀粉中 RS 產率為 0.759%, 而經螺桿擠壓處理后馬鈴薯淀粉的 RS 產率顯著增加, 達到了 1.84%。經螺桿擠壓處理后的馬鈴薯淀粉中 RS含量增加 1.08%, 從占比上來看馬鈴薯淀粉中 RS 含量的提高十分有限, 但是對于大批量的馬鈴薯淀粉這種單純的物理加工方式所產生的效果已經十分可觀。馬鈴薯淀粉在螺桿擠壓過程中僅僅經歷擠壓過程中的高溫、高壓、高剪切等多重作用, 而沒有經過傳統擠壓技術的膨化工序, 故淀粉顆粒發生了部分降解、聚集、交聯等物理化學變化, 在這個過程中這不僅僅形成了能夠降低升糖指數的 RS, 而且還產生了很大一部分的 SDS。RS 和 SDS 的存在導致馬鈴薯淀粉吸水性降低, 酶解速度減弱。

　　3.2 螺桿擠壓產品消化性能的測定

　　3.2.1 葡萄糖標準曲線按照 2.3.3 的(1)中葡萄糖標準曲線的制作方法所得的標準曲線如圖 2 所示。

　　3.2.2 擠壓產品消化性能測定

　　在相同條件下對馬鈴薯淀粉(未經過糊化處理)和螺桿擠壓后的馬鈴薯淀粉消化特性進行了研究(圖 3), 按照 2.3.3的(2)中的方法測定了馬鈴薯淀粉(未經過糊化處理)和螺桿擠壓后的馬鈴薯淀粉在不同時間下的還原糖含量。

　　一般情況下, 定義在 1.5 h 前可以釋放還原糖的淀粉稱之為快速消化淀粉(RSD), 1.5 h 以后釋放還原糖的淀粉都可以認為是緩慢消化淀粉(SDS)和難消化淀粉(RS)[24]。在螺桿擠壓的過程中, 經過高溫、高壓、高剪切力的作用, 馬鈴薯淀粉分子降解變成小分子的單糖和多糖等, 這些小圖 3 樣品的消化曲線(n=3) Fig. 3 Digestion curve of the sample (n=3) 分子物質在高溫高壓的作用下又重新發生了聚集、交聯等物理化學變化, 組成新的物質。由圖 3 知, 未開始消化實驗時由于擠壓后的馬鈴薯淀粉中存在著一部分未進行聚集交連的小分子單糖, 故螺桿擠壓后馬鈴薯淀粉中的還原糖含量大于未經螺桿擠壓淀粉中的還原糖含量。隨著酶解實驗的開始, 由于馬鈴薯原淀粉中 RDS含量多于經過螺桿擠壓后馬鈴薯淀粉中 RDS的含量, 這些淀粉分子能夠在酶溶液中迅速分解為單糖分子, 故在酶解時間 0~1.5 h 的時間內, 未經螺桿擠壓的淀粉的還原糖含量增加的速度明顯高于經螺桿擠壓淀粉。當酶解時間從 1.5 h 增加到 6.5 h, 此時 RDS 消化完全, SDS 和 RS 先后開始與 α-豬胰淀粉酶作用降解為小分子的還原糖, 由于螺桿擠壓后的馬鈴薯淀粉中 SDS 和 RS 的含量多于馬鈴薯的原淀粉中 SDS 和 RS 的含量, 故螺桿擠壓后的馬鈴薯淀粉釋放的還原糖含量大于馬鈴薯原淀粉釋放的還原糖含量。由結果顯示: 一方面在螺桿擠壓的過程中馬鈴薯淀粉中的一些不消化的成分在高溫高壓高剪切的作用下, 變成可消化的小分子物質, 所以在整個消化的過程中所釋放的還原糖的含量大于馬鈴薯原淀粉釋放的還原糖的含量。另一方面, 螺桿擠壓后的馬鈴薯淀粉進入機體后首先釋放一部分還原糖為機體補充能量防止機體饑餓, 然后其中的 RS 和 SDS 發揮作用, 使其達到持續釋放能量, 防止血糖上升過快的目的。

　　3.3 小鼠攝入馬鈴薯淀粉后血糖濃度變化分析

　　經 10 d 的針對性飼養后小鼠血糖濃度測定結果如表 1。顯著性差異分析的過程中, 有不同的顯著性水平包括 0.01、0.05、0.1、0.2 等, 根據實驗性質的不同顯著性水平也會各有不同。小鼠實驗結果顯示: 喂食 2 種不同的淀粉小鼠的平均血糖在 P<0.2 和 P<0.1 的水平上有差異性。因為螺桿擠壓后的馬鈴薯淀粉中 RS 和 SDS 的占比馬鈴薯原淀粉高, 故在一定程度上可以減緩餐后血糖指數的升高。

　　4 結 論

　　螺桿擠壓技術能規避化學方法的缺點, 通過高溫、高壓、高剪切力使馬鈴薯淀粉顆粒發生降解、聚集、交連等一系列變化。和其他傳統的食品生產工藝相比, 有生產工藝簡單、能耗低、三廢排放少等優點, 還能夠滿足食品對于安全性的要求。體外模擬酶解實驗證明螺桿擠壓后馬馬鈴薯淀粉中 RDS 含量少于馬鈴薯原淀粉中 RDS 的含量, SDS 和 RS 的含量高于馬鈴薯原淀粉。動物實驗顯示小鼠攝入經螺桿擠壓的馬鈴薯淀粉后血糖濃度與攝入馬鈴薯原淀粉小鼠的血糖濃度的實驗結果在 P<0.2 和 P<0.1 的水平上有差異性差異, 故螺桿擠壓后的馬鈴薯淀粉對餐后血糖存在著一定的降低作用。這一實驗說明螺桿擠壓技術可以有效的改變馬鈴薯淀粉中各組分的占比, 提高 RS 和 SDS 的含量, 這一結果期望可以降低食用馬鈴薯淀粉后的升糖指數, 為馬鈴薯食品的深度開發提供一定的參考。——論文作者：樊佳玫, 俞東寧, 韓備競, 寇夢璇, 牛付閣, 顧振宇, 潘偉春

　　參考文獻

　　[1] 曾凡逵, 許丹, 劉剛. 馬鈴薯營養綜述[J]. 中國馬鈴薯, 2015, 29(4): 233243. Zeng FK, Xu D, Liu G. Potato nutrition review [J]. Chin Potato J, 2015, 29(4): 233243.

　　[2] 聶濤. 馬鈴薯主糧化戰略分析[J]. 現代農業科技, 2016, (6): 302303. Nie T. Strategic analysis of main grain for potato [J]. Mod Agric Sci Technol, 2016, (6): 302303.

　　[3] 盧肖平. 馬鈴薯主糧化戰略的意義、瓶頸與政策建議[J]. 華中農業大學學報(社會科學版), 2015, (3): 17. Lu XP. Significance, bottlenecks and policy recommendations of staple food strategy in potato [J]. J Huazhong Agric Univ, 2015, (3): 17.

　　[4] Liljebergh, Björck I, Ostman E. Low glycaemic-index foods [J]. Br J Nutr, 2000, 83(S1): 149155.

　　[5] 馬海, 馬寶成. 農村糖尿病患者的飲食和用藥指導[J]. 內蒙古中醫藥, 2013, 32(24): 129. Ma H, Ma BC. Diet and medication guidance for patients with diabetes in rural areas [J]. Nei Mongol J Tradit Chin Med, 2013, 32(24): 129.

　　[6] Lea B, Eric BR, Walter CW, et al. Potato intake and incidence of hypertension: results from three prospective US cohort studies [J]. British Med J, 2016, 353: i2351.

　　[7] 李周勇, 韓育梅, 夏德冬. 馬鈴薯抗性淀粉的微波預處理條件及性質研究 [J], 食品研究與開發, 2014, 35(2): 16. Li ZY, Han YM, Xia DD. Study on microwave pretreatment conditions and properties of potato resistant starch [J]. Food Res Dev, 2014, 35(2): 16.

　　[8] 聶凌鴻. 馬鈴薯抗性淀粉壓熱制備條件的研究[J]. 安徽農業科學, 2008, 36(1): 314315. Nie LH. Study on the preparation conditions of potato resistant starch [J]. Anhui Agric Sci, 2008, 36(1): 314315.

　　[9] 孟天真. 中式烹飪對馬鈴薯抗性淀粉的影響研究[D]. 杭州: 浙江大學, 2012. Meng TZ. Effect of Chinese cooking on potato resistant starch [D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2012.

　　[10] Mccleary BV, Mcnally M, Rossiter P. Measurement of resistant starch by enzymatic digestion in starch and selected plant materials: collaborative study [J]. J Aoac Int, 2002, 85(5): 11031111.

　　[11] Van de Voort FR. Drying technology [J]. Food Extrus Sci Technol, 1993, 11(2): 417418.

　　[12] 任海斌, 肖志剛, 趙妍, 等. 擠壓一酶解聯用抗性淀粉制備工藝的優化研究[J]. 中國糧油學報, 2017, 32(2): 3036. Ren HB, Xiao ZG, Zhao Y, et al. Optimization of preparation technology of resistant starch by extrusion and enzymatic hydrolysis [J]. J Cere Oils Ass, 2017, 32(2): 3036.

　　[13] 李俊偉, 唐書澤, 張志森, 等. 擠壓法制備大米抗性淀粉中系統參數控制與目標參數的關系[J]. 食品科學, 2008, 29(12): 381384. Li JW, Tang SZ, Zhang ZS, et al. Relationship between system parameter control and target parameters in rice resistant starch prepared by extrusion method [J]. Food Sci, 2008, 29(12): 381384.