抗性糊精的吸湿性及其对水稻淀粉老化的抑制作用

《Journal of Stored Products Research》：Hygroscopicity of resistant dextrins and their inhibiting the aging of rice starch

　　

陈瑞军|唐秋玲|常世宇|戴冰|李行军

武汉理工大学食品科学与工程学院，中国武汉，430048

摘要

基于谷物淀粉的食品在水分可溶性膳食纤维的作用下抗老化现象尚缺乏深入研究，因为测量粉末样品的平衡含水量（EMC）需要长时间严格控制温度和湿度条件。本研究首先使用动态水分吸附装置，在10–90%的平衡相对湿度（ERH）和20–40°C的范围内，测定了三种抗性糊精（RD）粉末（BL1、BL2和LGT）的吸附等温线和等容热。这三种RD的吸附和脱附等温线均呈II型S型曲线，并在50%、70%和80%的ERH处有三个拐点。在10–70%的ERH范围内，RD的吸附和脱附等温线之间存在较大的滞后现象。通过比较八种方程式：Caurie、Boquet、Guggenheim-Anderson-de Boer（GAB）、改良Chung-Pfost（MCPE）、改良GAB（MGAB）、Li-Schmidt、Peleg以及我们开发的多项式方程式，发现多项式方程式和MGAB方程式最适合描述RD样品的吸附等温线；而对于脱附等温线，多项式方程式、Peleg方程式和Boquet方程式更为适用。Boquet和Peleg方程式无法区分温度对等温线的影响，而多项式方程式可以区分。RD样品的平均吸附和脱附单层含水量（M_o）分别为4.46%（湿基）和5.88%（湿基）。当含水量约为27%（湿基）时，RD的水分吸附热接近纯水的吸附热。傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示，RD中的吸收峰位于1013、1057、1104和3341 cm^?1波长处，这些峰分别代表非晶结构（初级醇C-OH）、C-O基团、CH₂OH和羟基官能团。微观结构分析表明，中国的BL颗粒形状更圆，且相互粘连，导致其具有吸湿性和粘性，最大EMC为46.8%（湿基）。相比之下，法国的LGT颗粒形状不规则，最大EMC为41.5%（湿基）。添加3–10%的BL1或LGT可降低米淀粉糊的峰值、最低粘度和最终粘度，而添加7–10%的BL1或LGT可减缓回退米淀粉糊的支链淀粉老化。结果表明，抗性糊精具有很强的吸湿性，可用于抑制基于淀粉的食品老化。本研究为RD产品的干燥、储存和功能性食品设计提供了参考。

引言

抗性糊精（RD）是通过酶解或酸热处理从淀粉中提取的，具有分支结构，包含多种糖苷键，如α-1,2、α-1,3、β-1,2、β-1,3、β-1,4和β-1,6糖苷键（Trithavisup等，2019；Qin等，2020；Li等，2023a；Li等，2023a；Li等，2023b）。它具有多种营养价值，如约70%的纤维含量、低血糖指数和低热量值（0.5 kcal/g）（Lin和Lee，2005）。美国食品药品监督管理局（FDA）将RD归类为公认安全物质（GRAS），建议每日摄入量不超过45克（Gok等，2020；Kuzey等，2025）。RD中的独特糖苷键，包括α-1,2和β-1,6糖苷键，使其在胃肠道中难以消化，从而能够调节餐后饱腹感和血糖反应（Yu等，2022）。因此，它可以用于健康零食、乳制品、蛋糕、饮料、肉类产品和糖果制品（Li等，2023a；Li等，2023b；Wu等，2024；Kuzey等，2025）。2021年中国抗性糊精的产量为6万吨，预计到2026年将达到8万吨，应用范围广泛，包括保健品（占总应用的38.7%）和功能性食品（18%）（Li等，2022）。然而，白色或类白色的无定形RD粉末在运输和储存过程中可能出现团聚和结块现象，因此需要适当的湿度条件来储存RD产品。

储存过程中，食品粉末的质量会受到温度、相对湿度和氧气水平等环境因素的影响（Tan等，2015）。水分吸附等温线表明，食品的平衡含水量（EMC）与其在特定温度下的水分活度有关（Li等，2021）。低消化性碳水化合物（LDC）聚合物，如聚葡萄糖和菊粉，是高分子量多糖，可在食品中提供粘度；近年来已确定了它们的水分吸附行为（Wong等，2022）。Zimeri和Kokini（2002）采用饱和盐溶液法测定了25°C下菊粉（Raftiline HP，DP≥25）的水分吸附等温线。Jirayucharoensak等（2019）使用六种饱和盐溶液测定了0°C、10°C和30°C下菊粉粉末的吸附等温线。Liu等（2024）利用最新开发的动态水分吸附仪测定了20–35°和10–90% ERH范围内五种聚葡萄糖样品的吸附和脱附等温线。储存聚葡萄糖、菊粉和抗性糊精时，需特别注意温度、湿度、密封和防止光氧化；聚葡萄糖和菊粉尤其需要密封储存，而抗性糊精则需要保持容器清洁干燥（Ansari等，2022；Parlan等，2026）。应了解RD的单层含水量和安全的储存相对湿度（RH）。然而，目前尚缺乏关于RD粉末脱附等温线的研究。

对于主要谷物和油脂的测量EMC/ERH数据，美国农业与生物工程师协会（ASABE）通常推荐五种方程式，如Guggenheim-Anderson-de Boer（GAB）、改良GAB（MGAB）、改良Henderson（MHE）和改良Chung-Pfost（MCPE）以及改良Halsey（MHAE），因为这些方程式是三参数的且可逆，可用于预测颗粒间空气的ERH（ASABE，2012）。但对于果寡糖、菊粉和聚葡萄糖等可溶性膳食纤维的水分吸附等温线，人们使用了Boquet、Ferro-Fontan、General D'Arcy和Watt（GDW）、Peleg、Iglesias、Lewicki和Li-Schmidt等方程式来拟合具有显著拐点的吸附等温线，并说明表面吸附和体积吸附情况（Li和Schmidt，2011；Liu等，2024；Dai等，2025）。然而，仍需确定RD粉末的水分吸附和脱附等温线。

传统的手动重量法采用标准饱和盐溶液维持恒定蒸汽压，用于在10–35°C和11.3–96% ERH范围内测量极低（≤5.0%湿基）和极高（≥21%湿基）含水量的样品的水分吸附等温线，方法是将颗粒样品放入铜丝纱制成的小桶中（Li等，2011），但这种方法不适用于粉末样品。为了克服测量食品粉末样品水分吸附和脱附等温线的困难，本研究使用高纯度氮气作为干燥气体和防霉剂，通过饱和水蒸气控制样品室的ERH，并采用动态重量法确定RD粉末样品的水分吸附和脱附曲线。动态水分吸附装置可将样品的初始含水量降低到设定的最低EMC值，然后通过逐渐加湿完成吸附等温线的测定，再通过逐渐脱水完成脱附等温线的测定（Afrassiabian和Saleh，2020）。此外，我们认为抗性糊精可以抑制淀粉颗粒在糊化过程中的相变，类似于低温和低湿度条件下颗粒间空气延缓了储存谷物的老化，并通过添加抗性糊精的米淀粉和其吸湿性验证了这一观点。本研究的目的是分析RD的单层含水量和吸附等容热，确定RD产品的适当储存条件，并建议在基于谷物的功能性食品中添加RD。

小节片段

样品

三种抗性糊精样品（BL1、BL2和LGT）由中国上海的Runloy生物技术有限公司提供（表1）。BL1和BL2粉末符合中国轻工业标准QBT5947–2024，DP值为12–17（中国轻工业标准，2024）。样品的初始含水量通过AOAC方法测定（AOAC，2000）。

水分吸附等温线及其拟合

样品的水分吸附等温线使用动态水分吸附仪（SPS11-10μ，ProUmid GmbH & Co. KG，德国乌尔姆）测定。

抗性糊精样品的实验EMC/ERH数据

为了保持其物理性质（如低粘度和水溶性）和生理功能（如膳食纤维功能），抗性糊精通常储存在室温下，一般建议低于25°C，或在5–30°C的凉爽通风环境中储存（中国轻工业标准，2024）。由于动态水分吸附仪在10–15°C运行时经常关闭，因此本研究测定了20–40°C范围内的水分吸附等温线。

结论

本研究首次确定了20–35°C和10%–90% ERH范围内RD样品的吸附和脱附等温线，时间跨度为22–39天。RD样品表现出IIa型等温线曲线。在10% ERH下，脱附和吸附等温线之间的较大滞后可能是因为半结晶态RD比无定形RD具有更强的吸湿性。对于吸附过程，多项式方程式、MGAB方程式和Peleg方程式最适合描述RD的等温线。

资金支持

本研究得到了机构-企业合作研究基金（H24051）的支持。

CRediT作者贡献声明

陈瑞军：数据整理、调查、方法论、初稿撰写。唐秋玲：数据整理、方法论、监督。常世宇：数据整理、数据分析、方法论。戴冰：数据整理、方法论。李行军：概念构思、调查、方法论、监督、审稿及编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

致谢

我们感谢中国上海Runloy生物技术有限公司的Guoqing Ning提供了这三种抗性糊精样品。