射频处理调控大米淀粉消化性能的研究

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射频(RF)加热技术作为一种新型物理加工技术,具有加热速度快、体积加热、穿透深度大等优点,被认为是一种具有应用潜力的淀粉改性新技术。大米作为主食的一个重要原因是其含有丰富的淀粉,满足了世界上大部分人口的基本能量和营养需求,但过量和长期食用这类谷物会导致血糖水平升高,增加患糖尿病、肥胖、心血管疾病等风险。因此,如何降低大米淀粉及其制品的消化特性成为当前研究热点。本论文采用射频加热技术,以不同品种的大米及淀粉为研究对象,系统地研究了射频处理对大米淀粉多尺度结构的影响,阐明淀粉多尺度结构变化与其消化特性的关系;探讨了射频加热协同蛋白质复合处理对大米淀粉消化特性的调控作用与机制,以期为设计和生产具有特定性质和理想营养功能的大米淀粉基食品提供理论指导和技术支撑。主要研究内容和结果如下:(1)以籼米、粳米和糯米为原料,探究了射频处理对不同品种大米微观结构、理化性质和消化特性的影响。微观结构分析表明,随着射频处理时间的增加,米粒中淀粉部分发生糊化,蛋白质发生变性。射频处理后籼米和粳米仍保持其A型晶体结构,并形成淀粉-脂质复合物;而糯米的晶体结构被破坏。射频处理后籼米和粳米的糊化温度(To、Tp和Tc)提高、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)含量增加,表明射频处理可降低籼米和粳米的消化特性。相较于对照组,籼米和粳米的峰值粘度(PV)随射频处理时间的增加而降低,而糯米的PV随射频处理时间的增加而提高。射频处理提高了所有样品的储能模量(G’)和损耗模量(G?)。此外,还发现不同形态的大米(颗粒和粉状)在射频处理过程中升温速率不同,造成射频处理后样品的结构变化存在一定差异。因此需要进一步分析射频处理对米粉理化性质和消化特性的影响。(2)基于上述研究,探究了射频处理对不同品种大米粉理化性质和消化性能的影响。结果表明,射频处理导致米粉颗粒聚集,使得米粉粒径增大。通过X-射线衍射仪(XRD)和傅里叶红外光谱仪(FTIR)分析,发现射频处理促进了籼米粉和粳米粉中淀粉-脂质复合物的形成,提高了糯米粉的短程有序结构。这些结构上的变化能够影响米粉与水的相互作用,从而影响了米粉的糊化特性和流变性质。体外消化试验表明射频处理后籼米粉、粳米粉和糯米粉中RS含量提高,分别为39.04%~42.02%、39.95%~45.12%和36.26%~43.61%。(3)为了进一步说明射频加热技术对大米淀粉消化性能的调控机制,以籼米淀粉、粳米淀粉和糯米淀粉为原料,系统地研究射频处理对大米淀粉多尺度结构及其消化性能的影响。扫描电子显微镜观察发现,射频处理10 min对淀粉颗粒无影响,但射频处理20min会造成淀粉颗粒表面侵蚀、压痕和凹陷出现。借助XRD、FTIR和小角X射线散射仪分析了淀粉的结晶结构和层状结构,结果表明射频处理后大米淀粉仍呈现出A型结晶结构,但其相对结晶度降低;促进籼米淀粉和粳米淀粉中淀粉-脂质复合物的形成,使其片层结构中结晶层厚度降低而无定形层厚度增加;射频处理使得糯米淀粉的短程有序度提高和结晶层厚度增加。差示扫描量热仪分析结果表明,射频处理后形成了热稳定性较高的淀粉序列,这有利于降低淀粉酶对淀粉颗粒的可及性。射频处理提高了籼米淀粉中直链淀粉的含量。射频处理导致淀粉链断裂,使其A链含量增加,B1链含量降低,因而降低其分子量。射频处理后籼米淀粉、粳米淀粉和糯米淀粉的RS含量分别由38.02%、33.29%和31.13%提高到49.35%、43.65%和42.92%。(4)进而,为探索淀粉基食品中淀粉与蛋白质间相互作用对淀粉消化特性的影响,以糯米淀粉(WRS)、乳清分离蛋白(WPI)、大豆分离蛋白(SPI)和豌豆分离蛋白(PPI)为原料,探究了射频加热协同蛋白质复合处理对糯米淀粉消化性能的调控作用,并与传统的热水加热处理进行对比。结果表明,与热水处理相比,射频处理协同蛋白质复合后糯米淀粉的快消化淀粉(RDS)含量降低,RS含量增加。蛋白质在糯米淀粉消化过程起到物理屏障作用。射频处理由于加热速度快,耗时短,使得糯米淀粉-蛋白质复合物呈现典型的三维网络结构,而热水加热制备的复合物呈现片状结构。在射频处理过程中,淀粉与蛋白质主要通过非共价键相互作用,WRS与WPI间存在较强的氢键作用和疏水相互作用,WRS与PPI间相互作用主要是疏水相互作用,而WRS与SPI间存在较弱的氢键、疏水和静电相互作用。低场核磁共振分析表明,射频处理后复合物中不易流动水含量更高,自由水含量降低,降低了酶对淀粉的可及性。(5)基于射频处理协同蛋白质可降低糯米淀粉的消化特性,探究了不同Ca Cl2添加量(0~2%)对糯米淀粉-蛋白质复合物结构和消化性的影响。结果表明,适当的Ca2+添加量(0.5%)有利于提高复合物的短程有序度和层状结构有序化程度,形成更致密均匀的微观结构。Ca2+的添加降低了复合物自由水含量,提高了不易流动水和结合水的含量。Ca2+协同射频处理可以显著(P<0.05)降低复合物的RDS含量,提高RS含量;随着Ca2+添加量的增加(0~2%),复合物中RS含量显著增加。相比于RF-WRS含有31.24%RS,RF-WRS-WPI-2%含有51.05%RS,RF-WRS-SPI-2%含有52.82%RS,RF-WRS-PPI-2%含有55.93%RS。
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