水溶性阿拉伯木聚糖调控小麦淀粉糊化和回生行为的机理研究

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作为小麦麸皮非淀粉多糖的重要组成成分,阿拉伯木聚糖(Arabinoxylan,AX)主要分为水溶性AX(WEAX)和水不溶性AX(WUAX)。其中WEAX具有降低癌症、心血管疾病、Ⅱ型糖尿病等多种慢性疾病发生率的功效。在淀粉质食品加工和储藏中,WEAX能显著影响淀粉糊化和老化行为,对淀粉质食品的品质调控具有重要意义。针对WEAX与淀粉相互作用机制不明这一科学问题,本文首先从溶胀力、糊化粘度、微观结构和结晶度等方面研究不同分子量WEAX对小麦淀粉糊化和回生的影响,再用α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶修饰WEAX得到不同结构WEAX,并对其进行化学结构、流变和热特性鉴定。在此基础上,研究不同结构WEAX对小麦淀粉糊化和回生的影响,阐明WEAX调控淀粉糊化和回生的机制,为调控淀粉基制品品质和货架期提供更为全面的理论依据和技术支撑。具体研究内容和结论如下:用快速粘度分析仪(RVA)、流变仪、差式扫描量热仪(DSC)、激光共聚焦电子显微镜(CLSM)和X-射线衍射仪(XRD)研究添加WEAX对小麦淀粉糊的粘度、粘弹性、热特性和结晶度的影响。结果表明:添加WEAX的小麦淀粉糊体系的溶胀力、溶解度、峰值粘度、回生值和粘弹性低于对照(CK),这主要归因于WEAX降低了直链淀粉的浸出,降低淀粉颗粒的溶胀程度,并阻碍了直链淀粉的重结晶,其中以添加低分子量WEAX(L-WEAX)效果更显著。添加WEAX后小麦淀粉回生动力学参数中Avrami指数n>1、结晶速率常数k降低,结晶度降低,反映了 WEAX主要是通过改变支链淀粉重结晶的成核方式,降低淀粉结晶速率来抑制支链淀粉的重结晶,其中以高分子量WEAX(H-WEAX)作用更显著。用核磁共振氢谱(1H-NMR)、傅里叶红外光谱(FTIR)、液相色谱、流变仪和热重分析仪研究α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶修饰前后WEAX化学结构、粘度和热特性的变化。结果表明,用α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶AXH-m和AXH-d3酶解WEAX,分别得到侧链只有双取代和单取代的WEAX,两者取代度均显著降低。定向脱除阿拉伯糖(Ara)侧链基团的WEAX溶液粘度较CK低,这主要是由于WEAX分子不对称性下降所致。脱侧链单取代Ara后,WEAX分子的热分解温度较CK无显著变化,但失重率降低,热稳定性增加;而脱去双取代上C-3位Ara后,WEAX的热分解温度和失重率比CK显著降低,表明WEAX侧链双取代C-3位Ara基对WEAX的热特性贡献更显著。用RVA、流变仪、DSC、CLSM和1H-NMR研究添加不同结构WEAX对小麦淀粉糊化粘度、流变特性、微观结构和水分分布等的影响。结果表明,WEAX侧链Ara的取代模式及分布对小麦淀粉的糊化参数、淀粉糊的流动性具有重要作用,对AX进行脱侧链Ara基团后,减少了 AX侧链基团数量,导致分子链柔性降低,不易插入淀粉三维网络结构中,并且脱支后的WEAX与小麦淀粉分子间交缠作用降低,分子链间氢键作用减弱,产生非共价交联的链缔合和颗粒聚集,影响了小麦淀粉颗粒的膨胀和溢出,导致修饰后的WEAX对淀粉糊化的作用效果显著低于修饰前的WEAX。WEAX侧链基团越多且结构越复杂,对小麦淀粉糊化过程的影响越大,且WEAX侧链双取代C-3位Ara基团对淀粉糊化影响更大。用DSC、XRD、FTIR和1H-NMR研究添加不同结构WEAX对小麦淀粉回生焓、回生动力学参数、长程结晶度、短程结晶度和水分分布等的影响。结果表明,WEAX侧链Ara的取代模式及分布对小麦淀粉的回生热特性、结晶度和水分分布具有重要作用;WEAX脱侧链Ara后,其侧链取代模式改变,去掉单取代Ara基团的WEAX分子构象较密集,未取代Xyl分子间聚集,与淀粉间氢键作用较强;去掉双取代C-3位Ara基团的WEAX分子构象较修饰前的WEAX几乎无改变,但分子间氢键减少,导致与小麦淀粉的协同作用减弱,且脱侧链Ara的WEAX限制淀粉中水分子的自由运动效果不及修饰前的WEAX,促进了游离水的析出,使修饰后的WEAX对淀粉回生的作用显著弱于修饰前的WEAX。WEAX的侧链基团越多且结构越复杂,对小麦淀粉回生过程的影响越大,WEAX侧链双取代C-3位Ara基团对淀粉回生行为的作用更强。
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