一种具有高产丁酸的淀粉-脂质复合物抗性淀粉的制备方法

1.本发明属于食品加工领域，具体涉及一种具有高产丁酸的淀粉-脂质复合物抗性淀粉的制备方法及其应用。


背景技术：

2.近年来，随着社会和经济的发展，那些与代谢综合征如肥胖、2型糖尿病和心血管病等相关的慢性病患者数量逐年上涨，各类饮食对相关慢性病的预防调控受到人们的广泛关注。作为人类碳水化合物主要来源之一的淀粉，其生物利用度是引起餐后血糖反应的重要因素。煮熟的淀粉被人体中上消化道的消化酶快速消化，导致葡萄糖快速释放并被吸收到血液中，可以认为与饮食相关的慢性疾病(如2型糖尿病)的风险增加有关。未在小肠消化而进入结肠的淀粉(抗性淀粉-rs)通过调节肠道菌群平衡产生短链脂肪酸，能更好促进人体健康，调节血糖反应。
3.抗性淀粉作为新型膳食纤维，具有比传统膳食纤维更好的外观、质地、口感以及更优异的消化性等营养功能特性。目前，抗性淀粉一般分为5大类：rs1、rs2、rs3、rs4和rs5。淀粉和任何客体分子(如脂类)相互作用，能形成一种抗性淀粉(rs5)即淀粉-脂质复合物。这类抗性淀粉具有紧密的v型晶体结构，对消化酶具有很高的抗性。一般来说，rs5受不同因素的影响(如：加工方式、直链淀粉聚合度、脂质链长等)可以形成ⅰ型复合物和ⅱ型复合物。ⅰ型复合物的熔融温度一般在95℃～105℃之间，而ⅱ型复合物的熔点大于110℃。ⅱ型复合物又分为ⅱa型和ⅱb型，分别在115℃和120℃左右熔化。相比于ⅰ型复合物，ⅱ型复合物有更有序的晶体结构，更高的酶抗性，以及更好地潜在调控肠道菌群的功能。研究表明，相比于rs2和rs3，rs5能更好地促进产丁酸菌的增殖进而促进丁酸的生成。然而，如何制备结构更稳定、更有利于丁酸生成的淀粉-脂质复合物抗性淀粉是食品加工领域亟待解决的关键技术问题。
4.天然淀粉由于大量支链淀粉的存在不利于淀粉-脂质复合物的形成，而对淀粉进行脱分支处理是一种提高淀粉与脂质形成复合物的方法。之前的研究表明，由于淀粉脱分支后形成分子量分布很宽的线性葡聚糖，使其在促进复合物形成的同时加大了淀粉本身的回生现象，导致复合物的结构和发酵特性还有待提高。如果对脱支后线性葡聚糖进行分级可以获得具有不同聚合度的线性链，能研究不同聚合度的线性葡聚糖对淀粉-脂质复合物形成的影响。但是目前已有的酶切法制备线性葡聚糖链形成不同结构淀粉-脂质复合物，该方法成本高并不适合大批量生产，而不同梯度乙醇沉淀是一种操作简单、价格低廉且快速获得不同聚合度线性葡聚糖链，从而可以更好地促进结构单一且稳定的淀粉-脂质复合物抗性淀粉的生成，并筛选出具有潜在良好发酵特性及高产丁酸的淀粉-脂质复合物抗性淀粉。


技术实现要素：

5.本发明主要解决的技术问题是提出一种能够利用不同聚合度线性葡聚糖链与脂
质制备出结构更有序、含量更多的ⅱb型抗性淀粉(rs5)的方法，使该抗性淀粉具有很好的发酵特性，达到对肠道和人体营养的调节作用。因此，本发明专利中，我们先将玉米淀粉进行脱分支处理，然后使用不同量的无水乙醇对脱分支淀粉进行梯度沉淀，得到不同聚合度的线性葡聚糖链与脂质复合，最终在dmso-水混合体系中制备出一种稳定性高且高产丁酸的淀粉-脂质复合物抗性淀粉(rs5)。
6.为了达到上述目的，本发明创造的技术方案是如下这样的：
7.一种具有高产丁酸的淀粉-脂质复合物抗性淀粉的制备方法，包括如下步骤：
8.(1)线性葡聚糖的制备：将常规玉米淀粉用乙酸-醋酸钠缓冲溶液调制成淀粉糊；沸水浴使其凝胶化，降低温度后加入普鲁兰酶进行脱分支处理；沸水浴灭酶活终止反应；然后在部分脱分支后的淀粉糊中加入无水乙醇进行醇沉处理，离心后取得沉淀；所得沉淀冷冻干燥、研磨制得线性葡聚糖；
9.(2)淀粉-脂质复合物抗性淀粉的制备：将上述制备的线性葡聚糖加入dmso-水混合溶液中，搅拌配制淀粉悬浮液，沸水浴使淀粉充分溶解；降低水浴锅温度加入脂质，淀粉与脂质的质量比为20:1，搅拌使两者混匀；加热一段时间后冷却3h至室温，离心、洗涤、冷冻干燥研磨，即得到不同结构的淀粉-脂质复合物抗性淀粉。
10.优选的，所述步骤(1)中玉米淀粉用乙酸-醋酸钠缓冲溶液调制成7wt％的淀粉糊。
11.优选的，普鲁兰酶酶活为1498npun/ml，添加量为80npun/g淀粉。
12.优选的，所述步骤(1)线性葡聚糖的制备：将常规玉米淀粉用乙酸-醋酸钠缓冲溶液调制成淀粉糊；沸水浴使其凝胶化，降低温度后加入普鲁兰酶进行脱分支处理；沸水浴灭酶活终止反应；然后在部分脱分支后的淀粉糊中加入无水乙醇进行醇沉处理，无水乙醇与淀粉糊的体积比为1:2，在50℃条件下搅拌1min，离心后取得沉淀；将得到的沉淀冷冻干燥、研磨制得线性葡聚糖。
13.优选的，所述步骤(1)不同聚合度的线性葡聚糖的制备：将常规玉米淀粉用乙酸-醋酸钠缓冲溶液调制成淀粉糊；沸水浴使其凝胶化，降低温度后加入普鲁兰酶进行脱分支处理；沸水浴灭酶活终止反应；然后在部分脱分支后的淀粉糊中加入无水乙醇进行醇沉处理，无水乙醇无水乙醇与淀粉糊的体积比为1:2，在50℃条件下搅拌1min，离心后取得沉淀；在上清液中再次加入无水乙醇溶液，乙醇与上清液的体积比为1:1，在50℃条件下搅拌1min，离心得沉淀；将最后得到的沉淀研磨制得线性葡聚糖。
14.优选的，所述步骤(1)不同聚合度的线性葡聚糖的制备：将常规玉米淀粉用乙酸-醋酸钠缓冲溶液调制成淀粉糊；沸水浴使其凝胶化，降低温度后加入普鲁兰酶进行脱分支处理；沸水浴灭酶活终止反应；然后在部分脱分支后的淀粉糊中加入无水乙醇进行醇沉处理，无水乙醇与淀粉糊的体积比为1:2，在50℃条件下搅拌1min，离心后取得沉淀；在上清液中再次加入无水乙醇溶液，乙醇与上清液的体积比为1:1，在50℃条件下搅拌1min，离心得沉淀；上清液中再次加入无水乙醇溶液，乙醇与上清液的体积比为2:1，在50℃条件下搅拌1min，离心得沉淀；将最后得到的沉淀冷冻干燥、研磨制得线性葡聚糖。
15.优选的，玉米淀粉用浓度为0.1m、ph值为5的乙酸-醋酸钠缓冲液配置成淀粉糊；将玉米淀粉100℃凝胶化30min；在水浴锅温度为50℃条件下，在淀粉糊中加入普鲁兰酶，搅拌24h，搅拌速率200rpm；然后进行20min沸水浴，终止脱分支反应；淀粉加入无水乙醇，搅拌使其混匀，随后进行离心，每次离心力为5000g，时间为5min；将沉淀冷冻干燥24h后，使用冷冻
研磨过100目筛网，即得到不同聚合度的线性葡聚糖。
16.优选的，所述的脂质为月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸和亚油酸。
17.优选的，所述步骤(2)中dmso-水混合液中dmso含量为5％，线性葡聚糖链用dmso-水混合液配置成1wt％的淀粉悬浮液；将制备的不同聚合度线性葡聚糖链分散在dmso-水混合液中，100℃水浴锅里搅拌30min使淀粉完全溶解，搅拌速率为200rpm；将淀粉溶液与月桂酸等脂肪酸在90℃水浴中搅拌1小时，搅拌速率为200rpm；然后水浴锅温度设置为25℃，使其缓慢冷却至25℃，用时3h；对冷却后的溶液进行离心，离心力为8000g，时间为20min；对离心得到的沉淀用50％的乙醇洗涤三次，离心力为5000g，时间为10min；将沉淀进行冷冻干燥24h；使用冷冻研磨仪研磨后过100目筛网，得到不同结构的淀粉-脂质复合物抗性淀粉。
18.本发明与传统方法相比有以下优点：
19.本发明通过添加不同体积乙醇得到不同聚合度线性葡聚糖链，在dmso-水体系中经过升温反应阶段和降温形成阶段与月桂酸等脂肪酸形成抗性淀粉(rs5)。相比于使用常规淀粉，该方法得到的是一种晶体结构更有序、含量更多、酶抗性更高的ⅱb型rs5。由于其良好的晶体结构，使它在结肠中能够缓慢发酵，产生更多对人体有益的短链脂肪酸，尤其是丁酸含量得到显著提升。例如在发酵48h后，这种复合物的产丁酸量为1.24mmol/g，远高于未脱分支玉米淀粉-月桂酸复合物的丁酸产量(0.68mmol/g)。这一发明使该类抗性淀粉可以作为一种食品添加剂，为肥胖或2型糖尿病患者提供更健康的功能性食品。因此，本发明对调节人体营养和肠道健康有着潜在应用。
附图说明
20.图1：不同聚合度线性葡聚糖链及原玉米淀粉hpsec图谱。
21.图2：不同结构的淀粉-脂质复合物的dsc热特征曲线图谱。
22.图3：不同结构的淀粉-脂质复合物的x-射线衍射图谱。
23.图4：不同结构的淀粉-脂质复合物的短链脂肪酸产量曲线图。
具体实施方式
24.实例1
25.(1)脱分支玉米淀粉(dms)的制备
26.将玉米淀粉用浓度为0.1m、ph值为5的乙酸-醋酸钠缓冲液配置成7wt％的淀粉糊；沸水浴30min将玉米淀粉完全凝胶化；在水浴锅温度为50℃条件下，在淀粉糊中加入80npun/g淀粉的普鲁兰酶，搅拌24h，搅拌速率200rpm；然后进行20min沸水浴，终止脱分支反应；将脱分支淀粉进行冷冻干燥24h后，使用高通量液氮冷冻研磨仪研磨后过100目筛网，即得到dms。
27.(2)淀粉-脂质复合物抗性淀粉的制备
28.将第一步样品分散在5％dmso(1％，w/v)中，100℃水浴锅里搅拌30min使淀粉完全溶解，搅拌速率为200rpm；将淀粉溶液与月桂酸(5％，淀粉基)在90℃水浴中搅拌1小时，搅拌速率为200rpm；然后水浴锅温度设置为25℃，使其缓慢冷却至25℃，用时3h；对冷却后的溶液进行离心，离心力为8000g，时间为20min；对离心得到的沉淀用50％的乙醇洗涤三次，离心力为5000g，离心时间为10min；将沉淀放置于-80℃冰箱过夜，后进行冷冻干燥24h；使
用高通量液氮冷冻研磨仪研磨后过100目筛网，得到淀粉-脂质复合物抗性淀粉(dms-la)。
29.实例2
30.(1)聚合度383-2950的线性葡聚糖链(am
383-2950
)的制备
31.将玉米淀粉用浓度为0.1m、ph值为5的乙酸-醋酸钠缓冲液配置成7wt％的淀粉糊；沸水浴30min将玉米淀粉完全凝胶化；在水浴锅温度为50℃条件下，在淀粉糊中加入80npun/g淀粉的普鲁兰酶，搅拌24h，搅拌速率200rpm；然后进行20min沸水浴，终止脱分支反应；取部分脱分支后淀粉加入无水乙醇，无水乙醇和淀粉糊体积比为1:2；50℃下搅拌1min使其混匀；随后进行离心，离心力为5000g，时间为5min；将沉淀粉进行冷冻干燥24h后，使用高通量液氮冷冻研磨仪研磨后过100目筛网，即得到am
383-2950
。
32.(2)淀粉-脂质复合物抗性淀粉的制备
33.复合物制备方法与实例1相同，得到淀粉-脂质复合物抗性淀粉(am
383-2950-la)。
34.实例3
35.(1)聚合度30～80的线性葡聚糖链(am
30-80
)的制备
36.前操作同实例2中步骤(1)，取离心后的上清液再次加入无水乙醇，无水乙醇和上清液体积比为1:1；50℃下搅拌1min使其混匀后进行离心；离心力为5000g，时间为5min，取得沉淀；将沉淀进行冷冻干燥24h后，使用高通量液氮冷冻研磨仪研磨后过100目筛网，即得到am
30-80
。
37.(2)淀粉-脂质复合物抗性淀粉的制备
38.复合物制备方法与实例1相同，得到淀粉-脂质复合物抗性淀粉(am
30-80-la)。
39.实例4
40.(1)聚合度＜30的线性葡聚糖链(am
＜30
)的制备
41.前操作同实例3中步骤(1)，之后取离心后的上清液加入无水乙醇，无水乙醇与上清液体积比为2:1；50℃下搅拌1min使其混匀；离心力为5000g，时间为5min，取得沉淀；将沉淀进行冷冻干燥24h后，使用高通量液氮冷冻研磨仪研磨后过100目筛网，即得到am
＜30
。
42.(2)淀粉-脂质复合物抗性淀粉的制备
43.复合物制备方法与实例1相同，得到淀粉-脂质复合物抗性淀粉(am
＜30-la)。
44.对比例1
45.将常规玉米淀粉分散在5％dmso(1％，w/v)中，100℃水浴锅里搅拌30min使淀粉完全溶解，搅拌速率为200rpm；将淀粉溶液与月桂酸(5％，淀粉基)在90℃水浴中搅拌1小时，搅拌速率为200rpm；然后水浴锅温度设置为25℃，使其缓慢冷却至25℃，用时3h；对冷却后的溶液进行离心，离心力为8000g，时间为20min；对离心得到的沉淀用50％的乙醇洗涤三次，离心力为5000g，离心时间为10min；将沉淀放置于-80℃冰箱过夜，后进行冷冻干燥24h；使用高通量液氮冷冻研磨仪研磨后过100目筛网，得到淀粉-脂质复合物抗性淀粉(ms-la)。
46.本发明方法制备的实施例与对比例的相关检测结果：
47.(1)采用美国waters公司的高效凝胶排阻色谱(e2695)和示差检测器(ri2414)，以及美国wyatt公司的多角度激光散射(dawn8)检测玉米淀粉和线性葡聚糖链分子量(如图1、表1)。结果表明与玉米淀粉相比，脱支醇沉后淀粉分子量明显减小，并且得到四种不同聚合度的线性葡聚糖链。去分支后玉米淀粉的f1峰(图1a)消失，说明分子量大的支链已完全降解，导致线性葡聚糖链的形成比例较大(图1a中的f3和f4)。在1:2醇沉条件下，f3处的分子
量占比最多，达到61.3％。随着乙醇添加量的增加，短线性葡聚糖链(f4)的比例从25.0％增加到100％，数均分子量(mn)从11920减少到2336。图1b表明，脱分支乙醇梯度沉淀后，am
383-2950
、am
30-80
和am
＜30
的分子量差异较大，聚合度(dp)分别集中在383-2950、37-75和8～32范围内。此外，根据不同样品中不同组分的占比，得到每个样品中占比最多的部分数均聚合度(dpn)分别为744(am
383-2950
)、49(am
30-80
)和14(am
＜30
)。这些结果表明，随着乙醇添加量的增加，高到低分子量的线性葡聚糖链依次沉淀，得到不同聚合度的线性葡聚糖链。
48.表1玉米淀粉(ms)及不同聚合度线性葡聚糖链的不同组分的分子量数据
[0049][0050]
(2)采用德国bruker公司的x-射线衍射仪(d8 advance)检测不同结构的淀粉-脂质复合物长程分子有序性(如图2)。根据测定结果得到，ms-la复合物在7.6
°
、13.2
°
和20.1
°
有三个衍射峰，表明形成了典型的v型-淀粉-脂质复合物。与原玉米淀粉、am
30-80
和am
＜30
制备的复合物相比，dms-la和am
383-2950-la在13.3
°
和20.1
°
展示出更强的衍射峰，表明由dms和
am
383-2950
制备的淀粉-脂质复合物具有更加有序的晶体结构。
[0051]
(3)采用德国netzsch公司的高灵敏度示差扫描量热仪(200f3)分析不同结构的淀粉-脂质复合物的热力学性质(如图3、表2)。测试结果分析表明，ms-la和dms-la复合物有两个吸热峰，在较低温度(tp1＝99.0℃)和较高温度(tp2＝118℃)下分别归因于ⅰ型和ⅱ复合物的解离，且到dms-la焓值(δh＝4.9j/g)明显大于ms-la的焓值(δh＝2.2j/g)。am
383-2950-la复合物在120℃左右仅呈现单一的吸热峰，即am
383-2950
与la之间仅形成结构稳定的ⅱb型复合物，并且有更大的焓值(δh＝6.2j/g)。相比于其他样品am
383-2950-la热稳定性最好，复合物含量最多。综上我们选取了结构较好、含量较多的ⅱb型复合物(dms-la和am
383-2950-la)，以及对照例ms-la进行体外发酵实验。
[0052]
表2淀粉-脂质复合物的熔融参数
[0053][0054][0055]
(4)体外发酵实验短链脂肪酸含量测定：选6名健康志愿者的粪便样本(三女三男，年龄24～30岁，18.5kg/m2＜bmi＜23.5kg/m2)。接种前，粪便用0.9％的厌氧无菌生理盐水稀释(0.9g nacl溶于100ml超纯水中，一直通入co2)得到16.7％的悬浮液，然后通过四层薄纱布过滤，准备接种。将等量的接种物(5ml)加入150ml血清瓶中，血清瓶中预先加好0.5g的淀粉-脂质复合物和无菌厌氧的培养基82ml，在37℃水浴环境中培养，收集培养0h、6h、12h、24h和48h的发酵液。用低聚果糖(fos)作为阳性对照，全程在无菌环境下操作。采用日本shimadzu公司的气相色谱仪(gc-2010pro)和美国j&w scientific公司的熔融石英毛细管柱(zebron,zb-ffap,30m
×
0.25mm
×
0.25μm)测定发酵液中不同时间点的短链脂肪酸含量(scfas)。测定结果(图4)可以看出，在最初发酵12h内am
383-2950-la产生少量的乙酸、丙酸和
总短链脂肪酸，说明其发酵速度较慢，这是因为结构稳定的ⅱb型复合物在发酵初期很难被利用。在24h～48h的发酵过程中，am
383-2950-la产生的总短链脂肪酸(7.89mmol/g)和丁酸(1.24mmol/g)高于fos和其他两种复合物，表明含量更多、更有序的ⅱb型淀粉-脂质复合物能够很好的满足远端结肠能量需求的可能性，并且更有利于总短链脂肪酸和丁酸的生成。
[0056]
实例5
[0057]
(1)线性葡聚糖链制备方法与实施例2相同
[0058]
(2)淀粉-脂质复合物抗性淀粉的制备方法与实例1相同，所用脂肪酸为肉豆蔻酸。
[0059]
实例6
[0060]
(1)线性葡聚糖链制备方法与实施例2相同
[0061]
(2)淀粉-脂质复合物抗性淀粉的制备方法与实例1相同，所用脂肪酸为亚油酸。
[0062]
实例7
[0063]
(1)线性葡聚糖链制备方法与实施例2相同
[0064]
(2)淀粉-脂质复合物抗性淀粉的制备法与实例1相同，所用脂肪酸为棕榈酸。
[0065]
以上5-7实施例所得到的淀粉-脂质复合物抗性淀粉(rs5)经过检测，其丁酸产量均优于未脱分支的淀粉和其它聚合度淀粉制备的淀粉-脂质复合物抗性淀粉。而且本发明发明操作简单，制备成本较低且适合大批量生产。
[0066]
通过上述测试数据及结果分析，本发明提供了一种具有高产量丁酸的淀粉-脂质复合物抗性淀粉的制备方法。相比于传统方法使用普通玉米淀粉制备的淀粉-脂质复合物，本方法实现了利用脱分支醇沉后的线性葡聚糖链与月桂酸制备出ⅱb型复合物，此类型复合物结构有序性、热稳定性以及含量均优于ⅰ型或ⅱa型复合物。此外，通过体外发酵实验证实带有ⅱb型的am
383-2950-la能够在结肠中缓慢发酵，被菌群充分利用，从而更利于产生短链脂肪酸，尤其是丁酸。这一发明使得该复合物可以作为一种很好的抗性淀粉，来调节肠道内生态环境，并且对提高肥胖或糖尿病患者的功能性食品营养性有着潜在应用。
[0067]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
[0068]
一切从本发明的构思出发，不经过创造性劳动所作出的结构变换均落在本发明的保护范围之内。