环糊精改性淀粉制备慢消化淀粉及其性质研究

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慢消化淀粉(SDS)作为一种新型的维持餐后血糖稳态,改善葡萄糖耐量的功能性碳水化合物,引起了国内外学者的广泛关注。目前SDS的形成途径局限于A-型原淀粉和B-型回生淀粉制备,由此制备的目标产品SDS含量低,耐热稳定性和加工性能差,使其应用范围大幅受限。前期研究表明,环状低聚糖—β-环糊精(β-CD)能够与大米淀粉分子形成络合物,使淀粉结晶成核模式由瞬间成核向零散式成核转化,这种成核途径转化为高热稳定性V-型慢消化淀粉形成的重要特征。因此,环糊精及其衍生物改善大米淀粉的慢消化性能具有可行性。本文采用三种代表性环糊精及其衍生物(β-环糊精(β-CD)、麦芽糖基-β-环糊精(Mal-β-CD)、羟丙基-β-环糊精(HP-β-CD)),基于环糊精与淀粉分子通过氢键与范德华力作用形成络合物原理,对大米淀粉进行物理改性制备高热稳定性和高SDS含量的慢消化淀粉产品。在建立并验证SDS含量体外模拟测定方法的可行性和适用性的基础上,从糯米淀粉、粳米淀粉与籼米淀粉三类大米淀粉原料中筛选得出,籼米淀粉最适合用于环糊精物理改性制备SDS。以籼米淀粉为原料,通过单因素实验对SDS制备工艺进行优化,得到最佳工艺为:环糊精添加量为3%,水分含量为80%,结晶温度为25℃和结晶时间为2h;在此条件下,β-CD、Mal-β-CD和HP-β-CD物理改性籼米淀粉的SDS最高含量分别为52.1%、48.9%和45.8%。采用差示扫描量热法(DSC)、热重分析(TGA)等技术,考察了所制备慢消化淀粉样品的热稳定性。结果表明,三种环糊精与淀粉分子均形成了环糊精-淀粉络合物,热分解峰值温度(Tp)均达到100℃以上,比通常B-型结晶慢消化淀粉热稳定性提高20℃~30℃。晶体转化温度范围(TC-T0)与SDS含量密切正相关,表明SDS主要组分为淀粉亚微晶(不完美晶体)组成。TGA分析结果亦显示环糊精-淀粉络合物的形成,且具有较高的耐热稳定性。采用傅里叶红外(FT-IR)、X-射线衍射(XRD)等技术,考察了环糊精-淀粉络合物稳定性的主导驱动力及其晶型特征。结果显示,样品表层结晶区随SDS含量增加而增多,维持环糊精与淀粉分子络合物稳定性主导驱动力为氢键、范德华力等次级键作用力。此外,慢消化淀粉样品中无定型结构均减少,亚微晶结构增多,样品呈弱V-型结晶形态。分析环糊精空腔和淀粉螺旋尺寸可知,环糊精与淀粉分子作用方式属VIIb-型,即环糊精夹杂在淀粉分子螺旋与螺旋之间,而非螺旋空腔内部包埋。采用体外模拟、扫描电子显微镜(SEM)等手段,考察了环糊精-淀粉络合物的消化过程及其慢消化机理。结果表明,SDS含量越高,水解速率越慢,预测血糖生成指数(pGI)越低,即β-CD、Mal-β-CD和HP-β-CD物理改性的籼米淀粉pGI分别为57.2、67.9和69.4,均为中血糖生成指数(GI)食品。SEM观察发现,SDS含量越高,酶解过程形态保留越完整,即消化速率越慢。综上,在排除环糊精分子抑制体外模拟酶水解活性,导致环糊精-淀粉络合物表象慢消化的基础上,该络合物形成的零散结晶区对酶的抗性是环糊精物理改性淀粉具有显著慢消化特性的重要原因。考察了干/湿热加工处理对该慢消化淀粉耐热残留率的影响。结果表明,β-CD、Mal-β-CD和HP-β-CD物理改性籼米淀粉样品,经100℃干热处理15min后,SDS残留量分别为78.2%、72.3%和70.6%;经90℃水处理15min后,SDS残留量分别73.7%、69.5%和67.8%。即表明该SDS样品热稳定性高,适合用作功能性配料用于食品热加工。
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