传统烹饪方式和绿原酸对马铃薯淀粉消化的影响——基于微观结构变化及肠道菌群视角

摘要

马铃薯（Solanum tuberosum L）为茄科茄属一年生草本植物，因具有耐干旱、产量高等优良品质而在世界范围内被广泛种植，是继小麦、水稻、玉米后的第四大粮食作物。2015年，中国政府启动了马铃薯主粮化战略，将马铃薯列为与小麦、玉米、水稻同等重要的地位，这对于保障中国的粮食安全具有重要意义。然而烹饪后的马铃薯快消化淀粉含量高，摄入后易引起餐后血糖的快速上升，对健康产生不利影响。有研究表明马铃薯消化速率的快慢与烹饪方式及其酚酸含量有关，但是这些因素是如何影响到马铃薯的消化仍缺乏完善的研究。因此，本文通过两条主线来系统研究马铃薯消化速率的影响因素:一是研究在不同烹饪条件下马铃薯营养成分、微观结构及消化速率的变化，结合人体餐后血糖实验和大鼠饲喂实验，探究不同烹饪方式对马铃薯消化会产生何种影响。二是研究马铃薯中存在的主要酚酸（绿原酸）与α-淀粉酶及淀粉之间存在的可能相互作用关系，揭示绿原酸影响马铃薯消化速率的机制，并通过构建肥胖模型的小鼠，系统研究绿原酸的摄入对其肝脏转录组及肠道菌群的影响，为后续安全科学的摄入马铃薯提供科学理论依据，其主要研究结论如下:
　　1)不同品种的马铃薯营养成分存在差异，在所选的4个品种中，总酚含量最高的为黑美人品种，其次为中薯八号、荷兰十五，最低为夏洎蒂品种。而类胡萝卜素含量最高的为中薯八号，其次为荷兰十五、黑美人，最低的为夏泊蒂品种。在不同的马铃薯品种中，不同的烹饪方式对营养成分的影响不同，但整体上总酚、总类胡萝卜素和维生素C等的含量表现为烹饪后降低的趋势，且不同的烹饪方式降低程度存在显著差异。从营养成分保留的角度考虑，蒸和微波是较为合适的马铃薯烹饪方式。对紫色马铃薯的DPPH自由基清除能力与不同烹饪后总酚、酚酸、总花色苷、维生素C等的含量进行相关性分析，结果表明其抗氧化活性与某一类成分含量的高低相关性不高，分析其DPPH自由基清除能力可能是多因素共同决定的。
　　2)烹饪方式对马铃薯的微观结构影响较大，进而影响烹饪后马铃薯的消化速率。生的马铃薯淀粉X-衍射表现为典型的B型结构，在煮后晶型结构消失，而在低温贮藏一段时间后，由于淀粉老化的原因，使得其糊化的无序结构淀粉重新形成了部分的结晶。这些变化也同时表现为低温贮藏等处理马铃薯的热力学性质及消化性质的变化上。在体外模拟消化的基础上，进行了人体餐后血糖实验，结果表明不同烹饪处理后的马铃薯其餐后血糖存在显著差异，煮马铃薯的餐后血糖最高，为103±6，其次为微波复热后的马铃薯（93±5），而低温贮藏及油炸、炒等方式处理后的餐后血糖值较低，分别为86±7、69±5、74±6。
　　3)饲喂不同烹饪的马铃薯对大鼠的体重有显著影响，油炸组大鼠体重增加最多，其次是煮组，而炒组和对照组大鼠体重增加在整个饲喂周期内无显著差异。不同烹饪饲喂组大鼠的血糖血脂指标在整个实验周期内并无显著差别，但不同组间大鼠粪便菌群结构存在显著差异。对拟杆菌门与厚壁菌门比值进行分析可以发现，相比于饲喂初始阶段，炒组和对照组中该比例变化不大，煮组则略微上升，而油炸组则明显降低，表明油炸马铃薯会对大鼠粪便中拟杆菌门与厚壁菌门的比值产生显著影响。此外，对比不同时间点大鼠粪便菌群结构可以发现，不同饲喂组大鼠的粪便菌群是随着饲喂时间的延长而逐渐改变的，其菌群的结构是一个动态的变化过程，这也从侧面说明了以往研究大鼠菌群变化时只考虑饲喂开始和结束时的差异存在一定的局限性，并不能完整反映出不同饲喂方式对粪便菌群的变化影响。
　　4)马铃薯细胞壁的存在对淀粉颗粒糊化过程的微观结构及热力学性质有一定的影响，带有细胞壁的马铃薯淀粉其起始温度（To）、峰值温度（TP）、终止温度（Tc）较纯淀粉颗粒高，而热焓值（△H）则偏低，且细胞壁的存在可以部分的阻碍淀粉的老化进程。然而在完全糊化后的淀粉样品中，有无细胞壁的存在，并未对其消化速率产生显著影响。绿原酸的添加降低了马铃薯热力学参数(To，Tp，Tc，△H)，且△H随着绿原酸添加量的增加而显著降低。绿原酸的添加显著的抑制了糊化马铃薯淀粉的老化进程，且随着绿原酸含量的增加，其抑制效率也逐渐提高。此外，绿原酸对α-淀粉酶具有良好的抑制效果，其抑制类型为混合型抑制类型（竞争型和非竞争型），通过分子模拟对接可以发现，绿原酸特异性的结合在α-淀粉酶的活性区域，这表明绿原酸对α-淀粉酶的抑制在一定程度上是通过与活性区域相结合而起作用的。
　　5)绿原酸能较好抑制高脂饲喂过程中小鼠体重的增加，改善其血糖血脂水平，并有效抑制脂肪在肝脏和脂肪组织中的积累。对不同实验组小鼠的肝脏转录本进行分析，结果表明对照组相比于高脂组上调表达2，022条转录本，下调990条。而对照组相对于绿原酸组上调的转录本为2，741条，下调转录本总数为1，736条。对绿原酸组和高脂组进行对比发现，绿原酸组上调869条，下调1，113条。此外，对所获取的转录本进行KEGG代谢通路注释，并对其中涉及糖代谢的相关通路进行分析，发现对照组和绿原酸组间具有差异表达的代谢通路总共有14条，含有80条差异表达的基因。对照组和高脂组具有差异表达的代谢通路15条，含有100条差异表达的基因。而绿原酸组和高脂组具有差异表达的代谢通路6条，含有18条差异表达的基因。
　　6)在不同的微生物分类水平上，绿原酸均显著改善了高脂饲喂小鼠的粪便菌群结构，使高脂组小鼠的菌群结构趋向于对照组。拟杆菌门与厚壁菌门的比值在绿原酸组和对照组中显著高于高脂组，表明绿原酸可以有效缓解高脂饲喂带来菌群结构变化，从而对小鼠的生理健康起着一定的积极促进作用。此外还发现在绿原酸组中存在一些菌群的比例显著高于对照组和高脂饲喂组（如拟杆菌科微生物在绿原酸灌胃组所占比例最高显著高于对照组和高脂饲喂组），其变化机制有待进一步研究。

目录

声明

论文说明

摘要

缩略词

第一章 绪论

1．1 马铃薯产量及国内外消费情况

1．2 我国Ⅱ型糖尿病现状

1．3 餐后血糖概念及与糖尿病的关系

1．4 马铃薯餐后血糖研究进展

1．4．1 马铃薯品种差异等对餐后血糖的影响

1．4．2 烹饪方式对马铃薯餐后血糖的影响

1．5 烹饪方式对马铃薯营养成分变化的研究进展

1．5．1 烹饪方式对酚类等物质的影响

1．5．2 烹饪方式对抗氧化的影响

1．6 淀粉类食物微观结构及其消化特性的研究进展

1．6．1 分子层面变化对淀粉消化的影响

1．6．2 亚细胞结构层面对淀粉消化的影响

1．7 本研究技术线路图

1．8 本研究的意义

第二章 烹饪方式对马铃薯植物化学素及抗氧化特性的影响

2．1 目的和意义

2．2 材料与仪器

2．2．1 材料

2．2．2 主要试剂

2．2．3 仪器

2．3 烹饪过程及烹饪样品制备

2．3．1 马铃薯烹饪前处理

2．3．2 马铃薯不同烹饪方式的确定

2．3．3 不同烹饪后样品的处理

2．4 方法

2．4．1 马铃薯基础营养指标的测定

2．4．2 总酚含量的测定

2．4．3 酚酸含量的测定

2．4．4 类胡萝卜素含量测定

2．4．5 花色苷含量的测定

2．4．6 DPPH自由基清除实验

2．4．7 数据统计与分析

2．5 结果与分析

2．5．1 烹饪方式对马铃薯基础营养物质的影响

2．5．2 烹饪方式对马铃薯总酚含量的影响

2．5．3 烹饪方式对马铃薯主要酚酸含量的影响

2．5．4 烹饪方式马铃薯类胡萝卜素含量的影响

2．5．5 烹饪方式对马铃薯花色苷含量的影响

2．5．6 烹饪方式对马铃薯DPPH自由基消除能力的影响

2．5．7 马铃薯DPPH抗氧化活性与酚类物质含量相关性分析

2．6 本章小结

第三章 不同烹饪方式对马铃薯微观结构及消化特性的影响

3．1 目的和意义

3．2 材料与仪器

3．2．1 材料

3．2．2 仪器

3．3 方法

3．3．1 不同烹饪处理后马铃薯微观结构变化

3．3．2 不同烹饪后马铃薯淀粉体外模拟消化

3．3．3 模拟消化体系的构建

3．3．4 不同烹饪后马铃薯消化过程结构变化

3．3．5 低温贮藏及复热对煮马铃薯淀粉晶型的影响

3．3．6 低温贮藏及复热对煮马铃薯热力学变化的影响

3．3．7 低温贮藏及复热对马铃薯淀粉消化特性的影响

3．3．8 油炸和空气炸对马铃薯热力学变化的影响

3．3．9 不同烹饪马铃薯的餐后血糖变化研究

3．4 结果与讨论

3．4．1 马铃薯微观结构的表征

3．4．2 不同烹饪后马铃薯消化过程微观结构变化

3．4．3 不同烹饪马铃薯的模拟消化速率方程

3．4．4 低温及微波复热对马铃薯淀粉结晶度的影响

3．4．5 不同处理后马铃薯热力学的变化

3．4．6 不同烹饪后的马铃薯餐后血糖变化

3．4．7 不同烹饪处理的马铃薯餐后血糖变化

3．5 本章小结

第四章 不同烹饪马铃薯对大鼠生理及肠道菌群的影响

4．1 目的和意义

4．2．1 材料

4．2．2 主要试剂及耗材

4．2．3 仪器

4．3 实验设计

4．3．1 大鼠实验流程图

4．3．2 大鼠常规指标的测定

4．3．3 不同实验组大鼠粪便样品的收集及保存

4．3．4 粪便菌群DNA的提取及质量鉴定

4．3．5 粪便菌群的生物信息学分析

4．4 数据统计与分析

4．5 结果与讨论

4．5．1 不同实验组大鼠体重变化

4．5．2 不同实验组大鼠血糖变化

4．5．3 不同实验组大鼠血脂变化

4．5．4 大鼠粪便菌群DNA提取及质量分析

4．5．5 测序后Reads拼接结果分析

4．5．6 OTU统计分析及注释

4．5．7 AIpha多样性分析

4．5．8 Beta多样性分析

4．5．9 物种丰度统计及群落组成分析

4．5．11 样品中微生物在门分类水平上的差异

4．5．12 样品中微生物在纲分类水平上的差异

4．5．13 样品中微生物在目分类水平上的差异

4．5．14 样品中微生物在科分类水平上的差异

4．5．15 样品中微生物在属分类水平上的差异

4．5．16 不同饲喂组之间拟杆菌门和厚壁菌门比值变化

4．6 本章小结

第五章 细胞壁及绿原酸对马铃薯淀粉消化影响的机制

5．1 目的和意义

5．2 材料及仪器

5．2．1 材料

5．2．2 仪器

5．3 马铃薯细胞壁对淀粉消化的影响

5．3．1 有无细胞壁的马铃薯淀粉颗粒的制备

5．3．2 不同温度处理后马铃薯微观颗粒结构变化

5．3．3 有无细胞壁结构对马铃薯淀粉热力学性质的影响

5．3．4 有无细胞壁结构马铃薯淀粉颗粒的体外水解

5．4 绿原酸对淀粉性质的影响

5．4．1 绿原酸对淀粉热力学性质的影响

5．4．2 绿原酸对马铃薯淀粉糊化凝胶微观结构的影响

5．5 绿原酸对淀粉颗粒消化特性的影响

5．5．1 绿原酸对α-淀粉酶抑制作用

5．5．2 酶动力学和抑制模型的构建

5．5．3 绿原酸与酶分子的分子模拟对接

5．6 结果与讨论

5．6．1 有无细胞壁的马铃薯淀粉颗粒微观结构

5．6．2 有无细胞壁的马铃薯淀粉颗粒受热过程中微观结构变化

5．6．3 有无细胞壁结构对马铃薯淀粉晶形的影响

5．6．4 细胞壁结构对淀粉热力学性质的影响

5．6．5 细胞壁对马铃薯淀粉颗粒消化速率的影响

5．6．6 绿原酸对淀粉热力学性质的影响

5．6．7 绿原酸对淀粉老化性质的影响

5．6．8 绿原酸-淀粉复合膜的微观结构

5．6．9 绿原酸对淀粉消化的抑制作用

5．6．10 酶动力学及抑制类型

5．6．11 基于分子对接模拟的绿原酸抑制α-淀粉酶活性的机理探究

5．7 本章小结

第六章 绿原酸对高脂饲喂小鼠肝脏转录组的影响

6．1 目的和意义

6．2 材料与仪器

6．2．1 材料

6．2．2 仪器

6．3 研究方法

6．3．1 不同组小鼠的饲喂

6．3．2 小鼠生理指标的测定

6．3．3 小鼠血糖血脂变化的测定

6．3．4 小鼠的解剖及脏器指数的测定

6．3．5 小鼠肝脏与脂肪切片

6．3．6 小鼠肝脏转录组水平变化研究

6．4 结果与讨论

6．4．1 不同饲喂组小鼠体重变化

6．4．2 不同饲喂组小鼠空腹血糖变化

6．4．3 不同饲喂组小鼠血脂变化

6．4．4 不同实验组小鼠脏器指数变化

6．4．5 不同饲喂组小鼠肝脏组织形态变化

6．4．6 不同饲喂组小鼠脂肪组织形态变化

6．4．7 小鼠肝脏RNA质量分析

6．4．8 数据拼接结果

6．4．9 己知转录本的差异表达火山图

6．4．10 样本间差异基因表达分析火山图

6．4．11 差异功能基因Gene Ontology的基因功能富集分析

6．4．12 差异基因的KEGG生物通路富集分析

6．4．13 基于KEGG代谢通路的糖代谢相关基因表达水平的初步分析

6．4．14 不同组样品间的相关性分析

6．5 本章小结

第七章 绿原酸对高脂饲喂小鼠粪便菌群结构的影响

7．1 目的和意义

7．2 材料与仪器

7．2．1 材料与试剂

7．2．2 仪器

7．3 方法与技术线路

7．3．1 小鼠粪便的获取及DNA的提取检验

7．3．2 小鼠粪便菌群16S rDNA信息分析流程

7．4 实验结果

7．4．1 上机测序原始数据统计

7．4．2 Clean数据的优化与统计

7．4．3 OTU分布Venn图

7．4．4 物种累积曲线

7．4．5 Alpha多样性分析

7．4．6 Beta多样性分析

7．4．7 样品主坐标分析分析

7．4．8 样品中微生物在门水平上的差异性分析

7．4．9 样品中微生物在纲水平上的差异性分析

7．4．10 样品中微生物在目水平上的差异性分析

7．4．11 样品中微生物在科水平上的差异性分析

7．4．12 样品中微生物在属水平上的差异性分析

7．4．13 不同组小鼠粪便菌群中拟杆菌门与厚壁菌门比值差异分析

7．5 本章小结

8．1 结论

8．2 创新点

8．3 展望

参考文献

作者简介

博士在学期间取得科研成果

致谢