CN101427803A - 经果胶改性的抗性淀粉、含其的组合物和制备抗性淀粉的方法 - Google Patents

经果胶改性的抗性淀粉、含其的组合物和制备抗性淀粉的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种经果胶改性的抗性淀粉，其是通过果胶酯酶反应将淀粉与果胶交联制备而成。所述抗性淀粉的淀粉酶消化程度低，且因此可用于包括营养补充剂之类的食品，以降低热量且提高纤维含量。本发明也涉及一种含有所述抗性淀粉的组合物和一种制备所述抗性淀粉的方法。

Description

经果胶改性的抗性淀粉、含其的组合物和制备抗性淀粉的方法
技术领域
本发明涉及一种经果胶改性的抗性淀粉，其是通过果胶酯酶反应将淀粉与果胶交联制备而成，以便降低淀粉的消化率。
背景技术
淀粉为植物中的储备营养物且为人类饮食中的重要组份，其中的消化作用是由α-淀粉酶来调节。一般而言，精制淀粉可经由酶快速水解且实质上消化，接着由肠吸收以充当能量来源或存储于体内。然而，某些淀粉可抵抗α-淀粉酶的消化。Englyst等人(1992，Eur.J.Clin.Nutr.46(增刊2)：S33-S50)根据所摄取淀粉在活体内的可能消化率而将其分类。他们提出三种食用淀粉类别：1)快速消化淀粉(RDS)，其可能在人类肠道中消化；2)缓慢消化淀粉(SDS)，其可能在小肠中缓慢但完全地消化；和3)抗性淀粉(RS)，其不可能在小肠内消化。
我们已认识可充当抗性淀粉的经改性淀粉，其可提供消费者低热量的碳水化合物产品。所述抗性淀粉因此可用作针对糖尿病和前期糖尿病个体之类的食品(包括医疗食品和膳食补充剂)中的极佳碳水化合物来源，或为健康个体用于降低食物热量或减慢淀粉消化速率的选择。所述抗性淀粉也可用于想要通过食物消耗来调节其葡萄糖反应或获得持续能量释放的个体。
文献已说明缓慢消化淀粉的健康相关作用，原因在于长时段内的缓慢葡萄糖释放。益处包括较长时段内的饱食感增加(其适用于体重控制)、持续能量释放(其适用于增强包括耐力的运动性能)和对于注意力维持和记忆力的改良。
所述缓慢消化淀粉或抗性淀粉也可用作药物，也就是如上文所述用于糖尿病或前期糖尿病个体以降低疾病风险。此外，所述淀粉可用于治疗高血糖症、抗胰岛素症、高胰岛素血症、血脂异常和其类似病症。其也可用于治疗肥胖症。
US 6,890,571揭示一种缓慢消化淀粉产品，其是通过以异淀粉酶将低直链淀粉去分枝且使所得直链短链接晶为高度结晶形式而制备。US 6,623,943揭示一种以物理方式和化学方式制备抗性淀粉的方法。US 6,890,571的缓慢消化淀粉和US 6,623,943的抗性淀粉皆未与果胶交联，因此其膳食纤维含量不如经果胶改性的淀粉高。
在US 6,670,470中的改性淀粉(其用于纸涂布和上浆)是以过氧化氢将淀粉氧化、将所述氧化淀粉酯化再将所述淀粉交联而制备。所述经化学改性的淀粉并非可食用的理想形式。
因此，需要可缓慢消化或抗消化的改性淀粉，且其可安全地添加到或取代食品或医疗用途中的常规碳水化合物产品。
发明内容
本发明涉及一种抗性淀粉，其是通过果胶酯酶的酶反应将果胶与淀粉交联制备而成，其中果胶和淀粉均为天然的且属于GRAS(普遍认为安全)物质。本发明的经酶改性可改变淀粉的物理化学特性，且产物不同于常规经化学改性的淀粉。所述抗性淀粉具有较低的消化率，因此可降低衍生自淀粉的碳水化合物中释放葡萄糖的速率。所述抗性淀粉具有高膳食纤维含量且为天然且安全物质，且可用作天然淀粉或常规经化学改性淀粉的替代品。因此，所述抗性淀粉可提供消费者持续能量释放的低热量碳水化合物产物。
本发明也涉及一种组合物，其包含通过果胶酯酶反应将淀粉与果胶交联制备而成的抗性淀粉。
本发明也涉及一种制备所述抗性淀粉的方法。
附图说明
无
具体实施方式
如本文中所用的术语“抗性淀粉”意指一种不易经α-淀粉酶完全消化的淀粉或其部分。
如本文中所用的术语“改性淀粉”为通过处理淀粉或淀粉颗粒从而部分改性淀粉的分子结构而制备的淀粉。改性淀粉在食品产品中用作增稠剂、稳定剂或乳化剂。除食品产品外，改性淀粉也可用于药品中。
如本文中所用的术语“酶反应”意指其中通过酶催化的反应将过程开始时的受质分子转化为不同分子的反应。
如本文中所用的术语“果胶”为一种复合多糖家族，且为高等植物的细胞间层和细胞壁的主要组份。果胶在水果的细胞壁中特别普遍，尤其在柑橘类水果和苹果泥中。果胶为杂多糖且其主要结构为半乳糖醛酸聚糖，其是由单体D-半乳糖醛酸组成且通过α-1，4糖苷键连接，其中半乳糖醛酸分子上超过一半的羧基与甲醇形成甲基酯键。果胶分子的酯化度(DE)视植物的物种、组织和成熟情况而定，其处于约60％至90％的范围内(Van Buren，1991，The Chemistry and Technology of Pectin，第1-5页)。
酯化度或甲基化度(DM)定义为经甲基化的半乳糖醛酸对于果胶分子中所有半乳糖醛酸的百分比。酯化度在理论上可处于0至100％的范围内。将具有大于50％的酯化度(DE)的果胶称为高甲氧基果胶(HMP)，且因此低甲氧基果胶(LMP)具有小于50％的DE(Lin，1976，Food Industry.8(4)：18-22)。酯化度和其在果胶分子上的电荷对于植物细胞壁中果胶分子的功能特性很重要。其也显着影响果胶制剂作为胶凝剂或增稠剂的商业用途。
果胶酯酶为一种果胶酶，其存在于多种高等植物的根、茎、叶、果实等中。果胶酯酶可将半乳糖醛酸的第六碳上的甲酯键水解，以得到游离羧基和甲醇，因此可降低果胶分子的酯化度。就此而言，具有高酯化度的果胶可变为具有较低酯化度的果胶或果胶酸(Sajjaanantakul和Pitifer，1991，The Chemistry and Technology of Pectin，第135-150页)。具有约60％DE值的果胶易于自天然植物来源获得。多数具有约30％DE值的市售果胶是通过天然果胶的部分脱酯化制造。
在由果胶酯酶催化果胶的反应中可能发生水解和转酰基反应。在水解反应中，果胶分子释出部分甲氧基以形成果胶酸和游离甲醇；而在转酰基反应中，果胶分子上的一些酰基与果胶酯酶分子通过第一步转酰基反应而结合以形成中间物，接着所述中间物与另一果胶分子或一些其它受体分子(诸如淀粉)上的羟基进行另一转酰基反应以彼此交联。所述反应的流程展示如下(Hou和Chang，1996.J.Food Biochem.20：397-416)：
如本文中所用的术语“转酰基”意谓一种涉及酰基转移的化学反应。果胶酯酶不仅催化果胶分子的甲氧基的水解，也催化转酰基反应，其中将半乳糖醛酸酰基转移至果胶或其它碳水化合物分子(诸如淀粉)的其它羟基。
在本发明中提供一种经酶改性的淀粉，其具有低热量和高纤维含量。通过果胶酯酶在淀粉与果胶之间的酶反应以使它们之间发生转酰基反应，进而使淀粉与果胶交联，从而制备所述改性淀粉。所述经酶改性的淀粉对于α-淀粉酶消化具有抗性。通过将α-淀粉酶和葡糖淀粉酶添加到淀粉或改性淀粉的稀释测试样品中，且在培养一段时间后测定溶液中游离葡萄糖的浓度，从而测量α-淀粉酶消化。
实际上任何淀粉均可根据本文中所述的方法来改性，其包括谷物淀粉、根淀粉、块茎淀粉、豆类淀粉、高直链淀粉和低直链淀粉。淀粉来源包括小麦、玉米、稻米、燕麦、木薯、绿豆、马铃薯、西米、甘薯、大麦、黑小麦、高粱、香蕉和其它植物来源。也可使用物理改性、化学改性或遗传改性形式的淀粉。改性技术包括：(1)物理转化，诸如回凝(再结晶)、热处理、部分胶凝、韧化和焙烧；(2)以化学品和/或酶进行的处理；(3)遗传改性，包括基因工程改造或染色体工程改造，诸如杂交、易位、转化和转形；和(4)以上技术的组合。
本发明的经酶改性抗性淀粉是通过一种涉及首先形成包含淀粉和果胶的溶液的方法而制造。关于形成包含淀粉和果胶的溶液的任何已知技术均可应用于本发明。在本发明的一优选实施例中，包含淀粉和果胶的溶液可由以下步骤制备：
(i)将淀粉与选自水和乙醇溶液的溶剂预混合以获得混合物；
(ii)将水或碱性溶液添加到所述混合物中以获得淀粉悬浮液；
(iii)加热所述淀粉悬浮液以溶解淀粉且获得淀粉溶液；
(iv)将水和果胶添加到所述淀粉溶液中以获得淀粉-果胶悬浮液；和
(v)加热所述淀粉-果胶悬浮液以溶解果胶且获得包含淀粉和果胶的溶液。
在步骤(i)中，溶剂对于淀粉的体积/重量比为约60:1，优选约20:1。若将乙醇溶液用作溶剂，则乙醇溶液可为任何浓度，优选为约60％至95％，且最优选为约95％。在步骤(ii)中添加的水/碱性溶液的体积相对于步骤(i)中所用溶剂的体积比为约3:1，优选为约5:1。根据本发明，所用的碱性溶液包括(但不限于)氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、碳酸钠溶液和碳酸氢钠溶液。在步骤(iii)中，在约60至100℃的温度下加热历时约5至60分钟，更优选为在约80至100℃的温度下历时约5至30分钟，且最优选为在约90至100℃的温度下历时约5至10分钟。在步骤(iv)中所添加的水的体积相对于步骤(ii)中所添加的水/碱性溶液的体积比为约3:1，优选约7:1。在步骤(v)中，在约60至100℃的温度下加热历时约10至60分钟，更优选在约80至100℃的温度下历时约10至45分钟，且最优选在约90至100℃的温度下历时约10至30分钟。在本发明的一最优选实施例中，是使用乙醇和/或碱性溶液促进果胶的溶解并加速后续交联反应。
接着将果胶酯酶添加到包含淀粉和果胶的溶液中以影响果胶的转酰基并使淀粉与果胶交联。对于包含淀粉和果胶的溶液可另外使用振荡步骤以促进酶反应。
酶反应的速率视此项技术中已知的因素而定，其包括酶浓度、受质浓度、反应混合物的pH值、温度和欲获得的改性程度(若有的话)。
本发明中所用溶液的pH值和温度应允许果胶酯酶有效地提供酶反应。一般而言，使用约20至80℃的温度，尤其为约25至60℃。一般而言，使用此项技术中已知的技术将pH值调节为约4.0至9.0，尤其为约6.0至8.0。
酶反应是在水溶液中进行。一般而言，在包含淀粉和果胶的溶液中淀粉与果胶的重量比为约20:1，优选为约10:1，且最优选为约1:1。所添加的果胶酯酶量为每毫升最终溶液约1至30个单位，优选为每毫升最终溶液约1至10个单位。
酶反应持续至抗性淀粉的获得，且其持续时间视淀粉改性的所要程度而定。反应时间也视所用淀粉和果胶的类型(尤其为果胶的酯化度)和反应参数(诸如pH值和温度)而定。一般而言，酶反应需要约0.5至120小时，更优选为约1至96小时。
所有酯化度的果胶均适用于本发明。然而，果胶酯化度越高，则反应产生抗性淀粉的潜力越高。在一实施例中，是以具有高于30％酯化度的果胶进行酶反应。在一优选实施例中，使用具有高于60％酯化度的果胶进行酶反应。
接着视情况通过离心且接着在常规烘箱、湿热加热器、蒸汽喷射蒸箱和/或喷雾干燥器中干燥沉淀物来回收溶液中的产物。
本发明的抗性淀粉也可在果胶与淀粉交联之前或之后经进一步改性。所述改性可为此项技术中已知的物理改性、酶改性或化学改性中的任一种。
本文中所揭示的抗性淀粉可用于具有高膳食纤维含量、低脂肪含量和/或低热量的组合物(诸如食品组合物)中。举例而言，可将抗性淀粉并入食品产品中，其包括(但不限于)小甜饼、饼干、面包、披萨、布丁、面食、面条、冰淇淋、优格、蛋糕和其类似物。将抗性淀粉并入食品产品中可获得最终产品的膳食纤维要求。可按照由所属领域的技术人员确定的程度并入改性淀粉，以制造具有低热量的食品。
除食品组合物外，所述抗性淀粉也可用于营养食品和饮料产品中，其包括膳食补充剂、糖尿病患者食品和饮料产品，和其类似物。
可按获得组合物的功能性所要或必需的任何量添加抗性淀粉。一般而言，可按照以组合物的重量计约0.01％至100％、尤其约1％至50％的量添加淀粉。可按照与任何其它淀粉相同的方式将抗性淀粉添加到食品或饮料中，通常是通过直接混合到产品中或将其添加到水溶液中。
以下实例阐述根据本文中所报道的手段特定经酶改性的抗性淀粉，以及制备所述改性淀粉的方法。应了解所述实例仅以说明的方式提供，且不应将其中任何内容视为对于随后权利要求书所界定的本发明范畴的限制。
实例
实例1经果胶改性的直链淀粉
1.样品制备
(1)直链淀粉溶液(直链淀粉，A)
将直链淀粉(50mg，III型，来自马铃薯，Sigma Chemical Co.，Germany)与1ml乙醇(95％)在圆底烧瓶中预混合，接着将5ml氢氧化钠溶液(0.5N)添加到烧瓶中。通过在95℃下加热5分钟使悬浮液中的直链淀粉溶解，接着将去离子水(Milli-QPF Plus，16.7至18百万欧/厘米，Millipore，France)添加到溶液中，达到50ml的最终体积。
(2)包含直链淀粉和果胶的溶液(直链淀粉+果胶，AP)
将直链淀粉(50mg)与1ml乙醇(95％)在圆底烧瓶中预混合，接着将5ml氢氧化钠溶液(0.5N)添加到烧瓶中。通过在95℃下加热5分钟使悬浮液中的直链淀粉溶解，接着将去离子水添加到溶液中，达到40ml的体积。将果胶(50mg，来自苹果，DE>60，Sigma Chemical Co.，Germany)添加到所述溶液中。通过在95℃下加热20分钟使溶液中的果胶溶解，接着将去离子水添加到所述溶液中，达到50ml的最终体积。
(3)直链淀粉、果胶和果胶酯酶的混合溶液(直链淀粉+果胶+果胶酯酶，APE)
将直链淀粉(50mg)与1ml乙醇(95％)在圆底烧瓶中预混合，接着将5ml氢氧化钠溶液(0.5N)添加到烧瓶中。通过在95℃下加热5分钟使悬浮液中的直链淀粉溶解，接着将去离子水添加到溶液中，达到40ml的体积。将果胶(50mg)添加到所述溶液中，接着通过在95℃下加热20分钟而溶解。通过添加0.1N盐酸溶液(37％，Merck，Germany)将所述溶液的pH值调节为约7.5。将果胶酯酶(801单位/毫升，0.1ml，EC3.1.1.11，来自橘皮，Sigma Chemical Co.，Germany)和去离子水添加到所述溶液中，达到50ml的最终体积。以150rpm的速率将混合物振荡24至72小时。
2.消化率测试
将去离子水添加到如上所制备的各样品中，达到250ml的体积，接着将各溶液的pH值调节为约5.8至6.5。将热稳定型α-淀粉酶(13000Lj/g，0.1ml，KLEISTASE T10S，DAIWA KASEI K.K.，Japan)添加到各溶液中，且将所述溶液在100℃水浴中加热5分钟以进行酶反应。在反应后，将溶液的pH值调节为约4，接着将去离子水添加到各溶液中，达到250ml的体积。接着将葡糖淀粉酶(225 GAU/ml，0.3ml，OPIMAX 7525HP，Genencor Division，Danisco US.Inc.，U.S.A.)添加到各溶液中，以在55至60℃的水浴中与受质反应10分钟。再次将去离子水添加到各溶液中，达到2000ml的体积。通过使用
Figure A200810096117D00101
 plus测试条(Merck，Germany)来测定各溶液中葡萄糖的浓度。通过将测试条中所读取的值乘以稀释倍数来计算各样品中葡萄糖的浓度。根据以下方程序来计算各样品的消化率，且在表1中展示结果。
Figure A200810096117D00102
表1：样品的消化率
Figure A200810096117D00103
A：直链淀粉
AP：直链淀粉+果胶
APE：直链淀粉+果胶+果胶酯酶
实例2经果胶改性的小麦淀粉
1.样品制备
(1)小麦淀粉溶液(小麦淀粉，S)
将小麦淀粉(50mg，顶级A1，Cropstar，Australia)与1ml水在圆底烧瓶中预混合，接着将5ml氢氧化钠溶液(0.5N)添加到烧瓶中。通过在95℃下加热5分钟使悬浮液中的小麦淀粉溶解，接着将去离子水添加到溶液中，达到40ml的体积。将所述溶液的pH值调节为约7.5。将去离子水添加到所述溶液中，达到50ml的最终体积。在使用前将所述溶液于30℃下静置1小时。
(2)小麦淀粉与果胶的混合溶液(小麦淀粉+果胶，SP)
(i)热处理和碱处理
将小麦淀粉(50mg，顶级A1，Cropstar，Australia)与1ml水在圆底烧瓶中预混合，接着将5ml氢氧化钠溶液(0.5N)添加到烧瓶中。通过在95℃下加热5分钟使悬浮液中的小麦淀粉溶解，接着将去离子水添加到溶液中，达到40ml的体积。将果胶(50mg，来自苹果，DE>60，Sigma Chemical Co.，Germany)添加到所述溶液中且通过在95℃下加热20分钟而溶解，接着将去离子水添加到所述溶液中，达到40ml的体积。将所述溶液的pH值调节为约7.5。将去离子水添加到所述溶液中，达到50ml的最终体积。在使用前将所述溶液于30℃下静置1小时。
(ii)热处理
将小麦淀粉(50mg)与1ml水在圆底烧瓶中预混合，接着将5ml水添加到烧瓶中。通过在95℃下加热5分钟使悬浮液中的小麦淀粉溶解，接着将去离子水添加到溶液中，达到40ml的体积。将果胶(50mg)添加到所述溶液中且通过在95℃下加热20分钟而溶解。将所述溶液的pH值调节为约7.5。将去离子水添加到所述溶液中，达到50ml的最终体积。在使用前将所述溶液于30℃下静置1小时。
(3)小麦淀粉、果胶和果胶酯酶的混合溶液(小麦淀粉+果胶+果胶酯酶，SPE)
(i)热处理和碱处理
将小麦淀粉(50mg)与1ml水在圆底烧瓶中预混合，接着将5ml氢氧化钠溶液(0.5N)添加到烧瓶中。通过在95℃下加热5分钟使悬浮液中的小麦淀粉溶解，接着将去离子水添加到溶液中，达到40ml的体积。将果胶(50mg)添加到所述溶液中且通过在95℃下加热20分钟而溶解。将所述溶液的pH值调节为约7.5。将去离子水添加到所述溶液中，达到50ml的最终体积。将果胶酯酶(801单位/毫升，0.1ml)添加到所述溶液中。在使用前将所述溶液于30℃下静置1小时。
(ii)热处理
将小麦淀粉(50mg)与1ml水在圆底烧瓶中预混合，接着将5ml水添加到烧瓶中。通过在95℃下加热5分钟使悬浮液中的小麦淀粉溶解，接着将去离子水添加到溶液中，达到40ml的体积。将果胶(50mg)添加到所述溶液中且通过在95℃下加热20分钟而溶解。将所述溶液的pH值调节为约7.5。将去离子水添加到所述溶液中，达到50ml的最终体积。在使用前将所述溶液于30℃下静置1小时。将果胶酯酶(801单位/毫升，0.1ml)添加到所述溶液中。在使用前将所述溶液于30℃下静置1小时。
2.消化率测试
将去离子水添加到如上所制备的各样品中，达到250ml的体积，接着将各溶液的pH值调节为约5.8至6.5。将热稳定型α-淀粉酶(13000Lj/g，0.1ml)添加到各溶液中，且将所述溶液在100℃水浴中加热5分钟以进行酶反应。在反应后，将溶液的pH值调节为约4，接着将去离子水添加到各溶液中，达到250ml的体积。接着将葡糖淀粉酶(225GAU/ml，0.3ml)添加到各溶液中，以在55至60℃的水浴中与受质反应10分钟。再次将去离子水添加到各溶液中，达到2000ml的体积。通过使用RQ 
Figure A200810096117D0011134453QIETU
plus测试条来测定各溶液中葡萄糖的浓度。通过将测试条中所读取的值乘以稀释倍数来计算各样品中葡萄糖的浓度。根据以下方程序来计算各样品的消化率，且在表2中展示结果。
Figure A200810096117D00121
表2：样品的消化率
Figure A200810096117D00122
S：小麦淀粉
SP：小麦淀粉+果胶
SPE：小麦淀粉+果胶+果胶酯酶
HA treatment：热处理和碱处理
H treatment：热处理。

Claims (19)

1.一种抗性淀粉，其是通过经果胶酯酶反应将淀粉与果胶交联制备而成。
2.一种组合物，其包含如权利要求1所述的抗性淀粉。
3.如权利要求2所述的组合物，其为食品组合物或医药组合物。
4.一种用于制备抗性淀粉的方法，其包含：
(a)制备包含淀粉和果胶的溶液；和
(b)通过果胶酯酶反应将淀粉与果胶交联。
5.如权利要求4所述的方法，其中步骤(b)中的交联反应是在约20至80℃的温度下进行。
6.如权利要求4所述的方法，其中步骤(b)中的交联反应是在约4.0至9.0的pH值下进行。
7.如权利要求4至6中任一权利要求所述的方法，其中所述包含淀粉和果胶的溶液是由以下步骤制备：
(i)将所述淀粉与选自水和乙醇溶液的溶剂预混合以获得混合物；
(ii)将水或碱性溶液添加到所述混合物中以获得淀粉悬浮液；
(iii)加热所述淀粉悬浮液以溶解所述淀粉且获得淀粉溶液；
(iv)将水和果胶添加到所述淀粉溶液中以获得淀粉-果胶悬浮液；
和
(v)加热所述淀粉-果胶悬浮液以溶解所述果胶且获得包含淀粉和果胶的溶液。
8.如权利要求7所述的方法，其中步骤(i)中所使用的溶剂为乙醇溶液。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述乙醇溶液的浓度为约95％。
10.如权利要求7所述的方法，其中在步骤(ii)中添加所述碱性溶液。
11.如权利要求7所述的方法，其中在步骤(iii)中的加热是在约60至100℃的温度下进行约5至60分钟。
12.如权利要求7所述的方法，其中所述果胶具有高于30的酯化度(DE)值。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述果胶具有高于60的DE值。
14.如权利要求7所述的方法，其中在步骤(v)中的加热是在约60至100℃的温度下进行约10至60分钟。
15.如权利要求7所述的方法，其进一步包含步骤(vi)以用于通过离心回收所述抗性淀粉。
16.如权利要求15所述的方法，其进一步包含步骤(vii)以用于干燥所述经回收的抗性淀粉。
17.一种抗性淀粉，其是通过如权利要求4至16中任一权利要求所述的方法而制备。
18.一种组合物，其包含如权利要求17所述的抗性淀粉。
19.如权利要求18所述的组合物，其为食品组合物或医药组合物。
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