挤压改性影响大米淀粉冻融稳定性和体外消化性的研究

发布时间：2020-08-27 22:18

【摘要】：冻融稳定性差、消化性过高分别是冷冻米制品和普通米制品的主要问题。挤压技术作为一种新型米制品加工手段,不仅可用来生产上述两种米制品,还能有效利用碎米等农副产物。然而,挤压加工对米制品冻融稳定性和消化性的影响尚不清楚。因此,本论文以挤压加工为手段,采用单独挤压、挤压联合化学改性、挤压联合酶改性三种方式来改善米制品的冻融稳定性和消化性。为拓展挤压技术的应用提供理论基础,为主食功能和营养优化提供技术方案。围绕上述目标,本文开展了以下几部分研究工作。首先,针对冷冻米制品品质变差的问题,利用挤压改性就能提高大米淀粉冻融稳定性,可作为改善淀粉冻融稳定性的新型方法;另一方面,改良了米粒模拟体外方法,对挤压质构化米粒的消化性进行测定,发现其消化性比精白米略低;接着,评估了大米中内源性成分对淀粉消化性的影响,试图解释挤压质构化米降低消化性原因,但发现内源性成分降低淀粉消化性的幅度仍有限;最后,采用了挤压联合柠檬酸化学改性以及挤压联合酶法改性来降低淀粉消化性,以期通过系统的研究指导制备一种慢消化挤压质构米,为满足糖尿病人主食需求提供技术方案。通过开展上述几部分研究内容得到以下主要结论。采用改良挤压技术(IECT)对冷冻米制品的大米淀粉进行物理改性,探究IECT改性对大米淀粉冻融稳定性的影响。经1次冻融循环后,析水率从原淀粉的31.4%降到IECT改性后的27.5%。此外,IECT改性后其微观网络结构孔洞更小,孔壁更薄;并且冻融循环过程的流变学参数的变化小于原淀粉。这些结果表明IECT改性的大米淀粉比原淀粉具有更好的冻融稳定性。X-射线衍射(XRD)和碘结合力分析显示,IECT处理抑制了大米淀粉的重排。另外,在IECT改性大米淀粉的XRD图谱中约20~o处有衍射峰,其证实了在IECT改性过程中形成了直链淀粉-脂质复合物。这些结果表明,IECT改性可以提高大米淀粉的冻融稳定性,归因于IECT处理抑制淀粉老化回生,尤其是直链淀粉老化。针对普通米制品,大部分通常是以米粒形式食用。基于此,初步建立一种适合米粒消化的模拟体外胃肠道(GIT)消化的新方法,包括模拟的口腔、胃和小肠相三步消化。在GIT结束时,质构米饭的淀粉最终水解程度(%)略低于普通米饭,可能是因为其较高的抗性淀粉含量。此外,在小肠相中质构米的淀粉水解速率明显慢于普通大米(低约2倍)。质构分析表明挤压质构米有着更紧实的的结构。SDS-PAGE和微观结构分析还表明,质构米米粒中的蛋白质在淀粉周围形成交联网络。该网络结构可能延迟了消化酶接触淀粉的能力,从而降低了水解速率。基于挤压质构米的消化性可能受到食物基质和组成的影响,探究了内源蛋白质和脂质对大米粉中淀粉消化率的影响,重点是阐明其潜在的理化机制。去除蛋白质、脂质或脂质和蛋白质后,观察到淀粉消化率显著增加。尽管蛋白质含量是脂质含量的10倍左右,但去除蛋白质的大米粉的淀粉消化率略低于去除脂质的大米粉。微观结构分析表明蛋白质和脂质通常附着在天然大米粉中淀粉的颗粒表面上,从而抑制它们与消化酶的接触。另外,蛋白质和脂质限制了淀粉颗粒的溶胀,这可能通过减少其表面积而降低了淀粉的消化。此外,在大米粉中检测到了直链淀粉-脂质复合物,也能减缓淀粉消化。虽然研究发现内源性组分能降低淀粉消化性,但其作用效果仍有限,因此本文继续采用了挤压联合化学改性以及挤压联合酶法改性进一步降低淀粉的消化性。首先,使用一步反应挤压法合成柠檬酸淀粉酯,然后测量柠檬酸酯化淀粉的消化率、结构变化以及理化性质。体外消化研究表明,酯化显著提高了样品中抗性淀粉(RS)含量。红外光谱(FT-IR)图在1730 cm~(-1)附近出现新的峰,证实了柠檬酸和淀粉之间发生了酯化。XRD表明柠檬酸酯化会降低淀粉的结晶度。另外,柠檬酸淀粉酯的溶胀能力和溶解度均低于未加柠檬酸处理的挤压淀粉。浊度结果表明,在储存期间柠檬酸淀粉酯分子间重新结合速率较慢。这些结果表明,柠檬酸酯化促进了淀粉内的交联,显著降低了其消化率。另一方面,使用了挤压联合酶法改性来降低大米淀粉消化性。淀粉颗粒先在不同喂料水分含量下通过挤压活化,然后进行β-淀粉酶水解处理。研究发现挤压过程中喂料水分含量的增加会增加淀粉糊化度,导致更完全的β-淀粉酶水解。对于β-淀粉酶水解后的样品,其体外淀粉消化率显著降低,归因于β-淀粉酶处理后抗性淀粉(RS)含量增加。XRD结果表明,在β-淀粉酶处理之后,挤压淀粉中的晶体结构部分或完全消失。FTIR分析显示,β-淀粉酶处理后的挤压淀粉中存在更高含量的无定形区。总之,用β-淀粉酶对挤压淀粉进行酶处理增加了无定形区的比例以及抗性淀粉含量,从而减缓了淀粉消化。这些结果对于开发更健康的淀粉类食品具有重要意义。综上所述,挤压技术可提高冷冻米制品的冻融稳定性以及联合其它改性技术降低普通米制品淀粉的消化性,以期生产出慢消化挤压质构米。本论文对于提高产品品质、改善产品营养特征以及开发具有较低血糖指数的淀粉类食品具有重要意义。
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TS235.1
【图文】：

颗粒形态,大米,三级

1.1 大米概述1.1.1 大米分类及分布大米（Oryza sativa L.）作为主要的谷类作物，是世界一半人口的主要食物来源，为人类提供了约 21%的能量[1]。截至 2018 年 12 月，全球各地有 132,000左右的大米品种被国际大米研究机构（IRRI，International Rice Research Institute）收录。在众多的大米品种中，有两个栽培稻种，即源自亚洲湿润热带的栽培稻（Oryza sativa）和源自西非的非洲栽培稻（O.glaberrima）。亚洲栽培稻又可分为两个生态地理品种（籼稻 indica 和粳稻 japonica）。这两个亚种又可分为多种亚群，亚群通常又根据表观特性进行分类：按基因型可分为籼米、粳米和糯米；按颗粒形态可分为长粒型和短粒型；按颗粒颜色分类可分为白米、红米、紫米等；按收获季节可分为早米和晚米；按储藏时间长短可分为新米和陈米。目前，科学研究和生产销售中最常用的大米分类方法如图 1.1 所示[2]。

分布情况,种类分布,稻谷,世界

第 1 章前言稻（稻属 Oryza）耐荒漠、炎热、湿润、水淹、干旱和凉爽条件，能在盐、碱和酸性土壤中生长。除了南极洲之外，世界上几乎大部分地方都有稻米生长。美国农业部（USDA）统计了南极洲外六大洲的 421 个主要品种的大米分布情况（图 1.2）。如图所示，大米品种在亚洲、北美地区分布丰富多样，低纬度地区以籼米为主，而粳米则主要生长于高纬度地区。

总体分布,稻谷产量,总体分布,世界

图 1.3 2017 年世界稻谷产量总体分布（来源 FAO）Figure 1.3 Overall distribution of world rice yield in 2017 (Source from FAO)1.1.2 大米主要组成成分1.1.2.1 淀粉淀粉，大米的最主要组成成分，占大米干重的 90%左右，是由直链淀粉和支链淀粉两种不同的 D-葡萄糖高聚物所组成的 -葡聚糖。大多数天然原淀粉中，直链淀粉含量为 20-30%[3]。直链淀粉的相对分子量（Mw，Weight-averagemolecular weight）范围约为 1×105-1×106g/mol[4]，平均聚合度（DP，Degree opolymerization）为 1500-6000[5]。直链淀粉被定义为线形链状分子，其 -D-吡喃葡萄糖基单元通过 -1,4 糖苷键连接，但现在研究认识到一些直链淀粉分子被少量（0.1%）的 -1,6 键轻微支化[6]。支链淀粉作为大多数淀粉的主要成分，是一种高度树形分支结构的大分子多糖。支链淀粉相对分子量较大，其分子量（Mw）范围约为 1×107-1×109g/mol[4]，平均聚合度（DP）为 3×105-3×106 [5]。支链淀粉

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