原文
，卷:12(3)

γ辐射淀粉作为凝集素失活剂的模糊模型

*通信:

艾萨克·W·奥佛苏，加纳库马西科大理学院食品科学与技术系高级讲师，电话:233 3220 60352;电子邮件: (电子邮件保护)

摘要

抗热凝集素在食品中的持久性造成严重的危害健康这促使研究寻找合适的方法来降低豆类等高含量食物中可能存在的风险。凝集素的许多不利影响可归因于它们与具有独特结构的特定膜结合碳水化合物的结合。因此，本研究的目的是确定在作为生物反应器的挤出机中，使用ïÂ。§-辐射淀粉灭活五NULs面粉中的凝集素的效果。首先，利用辐射剂量从3 kGy到42 kGy制备辐射淀粉。脱脂NULs面粉按10%的辐射淀粉量合成，相对于本地淀粉的数量。复合材料在2°C到12°C的内在温度变化范围内的挤出机中搅拌。通过酶联免疫吸附法(ELISA)对挤出物中残留凝集素进行定量分析。采用Mamdani型模糊逻辑推理系统模型这两个输入变量预测最佳凝集素失活的准确率为100%。来自Canavalia sp.的凝集素记录了83.1%的失活，而来自Vigna sp.的凝集素则增强了44%。因此，ïÂ。§-辐射淀粉，掺入NULs面粉期间低温度挤压处理，NULs凝集素在不同程度上失活，模型充分预测。

关键字

模糊逻辑;凝集素失活;辐射淀粉;挤压蒸煮

简介

凝集素是植物和动物体内大量存在的糖蛋白[1］．它们在豆类、小麦粉和坚果中含量丰富，已知能在胃肠道中抵抗消化[2］．由于烹调不当而食用含有凝集素的食物，已知会导致肠道渗漏等情况[3.]、细菌及原生动物感染[4]以及小肠增生和肥厚[5］．在食用前去除含有凝集素的饮食，可以避免或尽量减少由凝集素引起的这种病理[6］．人们已经尝试过许多灭活凝集素的方法，例如发酵［7并析出金属离子，如Ca^{2 +}和锰^{2 +}，已知与豆类凝集素有关[8］．大豆凝集素的化学衍生化[9]和热加工，其次是有限的蛋白质水解[7］．

已知碳水化合物与凝集素结合，特定碳水化合物与凝集素结合作用的机制已得到解释[10］．他们的解释表明，碳水化合物-凝集素复合物是失活过程的基础。据报道[11］．在85°C左右的挤压烹饪过程中，由于蛋白质链的展开，蛋白质结构会发生一定程度的破坏[12］．虽然这些热方法在一定程度上使凝集素失活，但它们也会产生不安全的副产物，如美拉德反应产物和先进的糖基化最终产物[13］．此外，蛋白质和氨基酸的降解是挤压过程中通常使用的高温的直接结果[14］．植物中的β (1,3)- d -葡聚糖是可与某些凝集素结合的碳水化合物[15］．有强有力的证据表明，大豆和大豆中β(1-3)和β(1-4)结合淀粉含量增加玉米在辐射过程中，面粉的产生与剂量有关[16］．β-淀粉产生的机理包括自由基反应，自由基反应导致分子解聚[17］．其他研究表明，不同分子量的解聚淀粉产物的形成与剂量有关[17，18］．从这些研究中发现，天然淀粉从2 kGy照射到40 kGy，产生中等分子量的解聚产物，然后是直链淀粉样片段，最终是水溶性低聚糖。碎片范围从2 kDa到400 kDa玉米在这些研究中，大豆中也有1kda到300kda的含量。因此，不确定多大的辐射剂量才足够，以生产出分子量合适的淀粉，含有合适水平的β-淀粉，使凝集素失活。

在挤压过程中使用的特定温度是不确定的，以实现所需的蛋白质失活，同时保持食品功能蛋白质，甚至避免有害的副产物。首先，即使在豆类中也有不同的凝集素来源和水平，这将需要不同的操作温度来灭活它们。其次，可以从研究中推断[16]当它们受到2 - 40千吉的辐射剂量时，会产生各种分子大小和物理化学性质的淀粉。在辐射的使用中，是否必须使用低、中或高辐射剂量来处理淀粉，以产生具有特定结构的β-淀粉，以使凝集素失活，也存在不确定性。在做出决定之前，必须同时研究不精确的变量，这种情况通常会给时间和资源带来压力。因此，模糊逻辑成为合适的，因为它能够在没有精确的数学模型的情况下做出决定。因此，基于模糊逻辑的模糊推理系统被用作决策工具，以及时做出决策[19］．模糊逻辑扩展了经典集合论的原理[20.]，并使用了脆集的交集，进而使用了“if-then”规则。在模糊逻辑中，由于集合中元素的不精确性质，脆集被转换为模糊集[21］．因此，模糊集包含在这些集合中具有不同程度的隶属度的元素。虽然它提供了在一个集合中具有强隶属度的元素，但它同时在另一个集合中显示了弱隶属度，范围从0到1 [20.］．利用交点的经典集合算子;和“∪”和或“∩”[22]，模糊变量以“如果-那么”规则关系映射到输出，以便做出决策。因此，模糊逻辑是一种更接近于人类思维的数据和知识表示过程[23］．挤压蒸煮的温度要求是模糊的[24]但据报道，在中高温下挤压烹饪可使凝集素失活高达98% [25］．事实上，85°C的挤压烹饪已被报道[11来去除一些凝集素。然而，其他研究表明，凝集素失活所需的高温可能会潜在地使挤出物不安全[26］．因此，不确定什么温度是足够的，只是灭活凝集素，同时确保挤出物的安全。

辐射已用于淀粉，以生产不同分子量的淀粉[27]和独特的碳水化合物结构，然而，这些淀粉的优势并没有被用来灭活凝集素。这种淀粉可以通过简单的辐射技术快速生产。虽然单独的挤压烹饪可以使凝集素在高温下失活，但也有可能形成不安全的挤压物。这项工作背后的主要驱动力是为一些局部消耗的NULs进化适当的凝集素失活技术低温度驱动挤压处理和辐射产生β-淀粉。为了能够快速可靠地监测本研究的处理条件，使用模糊逻辑作为工具来预测实现凝集素失活过程所需的不精确输入变量的结果。这项研究分为两部分;利用辐射获得的β-淀粉与面粉挤压复合，生产凝集素灭活NULs面粉。其次，构建预测模型对凝集素失活过程进行了模糊建模。

材料与方法

豆科面粉的制备

五种豆科植物(Canavalia sp.， Vigna sp.， Phaseolus sp.， Mucuna sp.和Cajanus sp.。)来自加纳中西部地区的六个地点;具体地说,Abofuor, Techiman, Drobo, Mampong, Ejura而且Amantin．豆科植物在太阳能帐篷烘干机中干燥(36小时)，温度范围为40°C至60°C。然后对咖啡豆进行分选、清洗，然后在配有1 μm筛/筛网的Tecator cyclotec锤磨机(1093，瑞典)中磨成面粉。面粉用塑料袋包装，密封，贴标签，并在4°C保存，等待进一步使用。

淀粉辐照

食品级原生木薯淀粉(标记为木薯淀粉)从Ayensu淀粉有限公司(加纳)获得。使用钴60 γ辐照设施(RTC, GAEC, Kwabenya，阿克拉)进行辐照，采用乙醇氯苯(ECB)剂量法。将每一公斤淀粉分别称重装入塑料容器，并在容器上洒上100毫升蒸馏水并密封。三组密封淀粉，每组重1公斤，被标记为共9个样本，并暴露于以下语言辐射剂量变量低(3 kGy, 5 kGy, 8 kGy)，中等(13 kGy, 15 kGy, 18 kGy)和高(35 kGy, 38 kGy, 42 kGy)。放射剂量率为2.14 kGy/h。因此，根据所需的剂量，样品在辐射室中保持不同的比例时间，以达到所需的辐射剂量。

豆科面粉样品淀粉含量的测定

五种面粉样品的淀粉含量均采用Megazyme协议，基于原始的[28总淀粉测定。淀粉总含量为:菜豆sp．(46.1%),黎豆属sp．(27.9%),Cajanus sp．(35.3%),豇豆属sp．(46.7%)和Canavalia sp．(44.3%)。

对NULs面粉进行调理

如淀粉分析报告所述，通过向每个低、中、高辐射淀粉样品中添加相当于每个NULs面粉淀粉含量10%的淀粉来实现NULs面粉的调理。该条件处理的方法与其他研究相似，其中样品的条件处理范围为0.5%-5.0% [29，30.］．为了使NULs面粉中可能存在的所有可用凝集素有利地失活，条件调节最多可超过10%。

挤压蒸煮

五种单独的NULs面粉，每一种重约5公斤，使用45%正己烷(意大利比托利亚)进行冷脱脂(10% w/v，三次重复)。脱脂面粉被风干，包装在塑料容器中，并在-20°C保存，直到进一步使用。实验使用Clextral BC 45(法马通，法国)双螺杆挤出机进行，该挤出机有两个部分(机筒的前部和后部)由感应线圈加热。循环水在挤出机筒周围流动，以保持恒定的操作温度。

含有10%辐射淀粉的复合NULs面粉总共有15个样品，不包括天然的未经处理的面粉。这些复合材料分别被送入进料容器。处理过的水以标记75的流速注入到复合面粉中，当进料到达螺旋或剪切区域时。在确定饲料转速为200转/分和双螺杆转速为900转/分之前进行了初步运行。挤压筒有两个独立的加热点(前和后)，其外部温度设置为进料50°C，当挤出物离开直径为4毫米的模具时为70°C。当外部温度在进入点达到50℃时，当它们在外部温度为70℃时退出模具时，挤出物呈现特定的内在温度。当挤出物排出时，立即取样品并密封在塑料容器中进行进一步分析。内禀温度变化计算为两个温度传感器上记录的初始和最终内禀温度之间的算术差。第一个传感器记录初始内在温度，因为初始外在温度登记为50°C。然后在挤出物的出口点记录第二个固有温度，最终外部温度最终登记为70°C。

豆科植物凝集素的ELISA测定

称量每种挤出物面粉样品的5(5)克，并混合到总共30毫升磷酸盐缓冲盐水中，定量转移到50毫升Falcon管中。然后在Pro Digital Orbital Shaker (SK-O330, US)上以250 rpm的转速在室温下搅拌过夜。在10000rpm离心5min后，将500 μl上清液收集到1.5 ml Eppendorf管中。凝集素的测定与其他研究一样，采用ELISA法，以植物大豆凝集素(Gentaur Molecular Products, BVBA (Belgium))为标准[31，32］．

基于模糊逻辑模型的数据分析

首先是输入变量单元，与模糊化接口相连，该接口将清晰的数值输入变量转换为语言模糊变量。一个模糊推理过程由一系列的4个教学单元(图1)，以执行概述所述的独特功能(乐动体育在线图2)．接着是数据库单元，其中出现每个模糊集的选择隶属函数。然后，利用包含模糊if-then规则的规则库进行决策推理。

因此，得到一个模糊真值参考表，表示所有可能输入的所有可能输出。最后，通过解模糊化界面将模糊输出结果转换为清晰的数值输出结果。在模糊逻辑工具箱中[33]，模糊建模的初始步骤是模糊化过程，其中研究中获得的数值数据集(表1)表示为模糊数据(表1 b)．

表1:从两个脆变量处理中获得的凝集素失活百分比;挤出机中淀粉的辐射和内在温度的变化。

在下一步中，清晰输入的范围(表2一个)和输出(表2 b)变量，以及它们的隶属函数(图2)．范围是指基于它们的话语宇宙(泛集)的相应清晰的输入和输出值。

表1 b:从两个脆变量处理中获得的凝集素失活百分比;辐射淀粉和内在温度变化表现为模糊语言反应。

隶属函数以图形形式描述，以表征模糊集中语言变量中每个元素的模糊程度(在0到1之间)[21］．存在的选项可以从几个成员函数中进行选择，例如;三角形，高斯和梯形。在本研究中，三角隶属函数(图3)，根据相对于其他隶属函数的表现，为每个输入和输出变量选择[34］．

由于辐射剂量在β-淀粉的剂量反应生产中的应用，因此选择了3 ~ 42 kGy的辐射剂量范围[16］．三辐射剂量模糊集，具体定义为;低(3 kGy、5 kGy、8 kGy)、中等(15 kGy、18 kGy、20 kGy)和高(35 kGy、38 kGy、42 kGy) (表2一个)。然而，辐射剂量也与淀粉部分重叠，分别代表中间部分、淀粉样部分和水溶性低聚糖[16］．在挤压蒸煮过程中所需要的内在温度变化，也以类似的语言定义;小(2-3°C)、适中(4-10°C)和大(8-12°C) (表2 b)．处理后残留的凝集素的不同水平被任意分为四个模糊语言学术语。模糊语言集;增强作用(+1到+44%)是基于凝集素活性的增加而不是失活。模糊语言集;略低降低(0到-19%)，是基于最小失活率高达20%。另一方面，模糊语言集;在凝集素失活达到50%的基础上，选择适度降低(-20至-49%)。强烈减少(-50到-83.1%)模糊语言集，是基于超过50%的失活。

表2:模糊集和输入的语言学以及它们的特定范围。

表2 b:模糊集语言学的输出响应范围。

增强作用据说发生在热处理后，凝集素的活性比其天然状态增加了几倍[35］．在Mamdani模糊推理中，输入和输出变量都转化为模糊命题[20.]，详见(图2)．高木-苏根野(TS)模糊模型是另一种类型，但通常在输入变量是模糊命题而输出变量是清晰函数时选择[20.］．

其次是建立模糊规则关系，使用if-then命令生成15条规则(表3)，连同他们的模拟和关系图。对输入变量的模拟能够预测到100%的准确性，当固有温度变化适中而辐射淀粉剂量较高时，凝集素的最佳失活率为83.1% (图4)．从规则关系中，可以观察到“与”函数，也称为代数积函数[22]，作为模糊算子对两个输入进行聚合，得到输出;凝集素失活值。就像输入和输出的crisp数据最初被转换为模糊数据集，经过处理并推断输出一样，为了得到crisp值，还需要对输出进行去模糊化。去模糊化是从模糊隶属度函数的聚合域中选择一个最优点。在执行去模糊化步骤时，在几种方法中使用maximum mean-of-maximum (MOM)作为去模糊器[22，36］．

表3:if - then ?规则显示15条规则真值参考表。

在MOM过程中，模糊逻辑控制器识别并确定隶属度最大的隶属函数，并确定该隶属函数的数值[20.］．尽管COAM是Mamdani类型模糊推理系统的流行选择，但当使用MOM而不是算术均值中心(COAM)时，预测的准确率最高为100%。在COAM过程中，模糊控制器确定聚集模糊隶属函数下面积的算术均值中心的y坐标，并将其作为最优点[20.］．

结果与讨论

复合挤出物的残留凝集素活性

据说，如果经过热处理，凝集素的活性比其天然状态增加了几倍，就会发生增强作用。本研究得到的残馀凝集素活性分为四种残馀凝集素，其残馀凝集素活性定义为增强作用,略低减少，适度减少剧烈下降。三个渗出;Caj_莫，Caj_嗨而且中收取_莫, (表4)在中等辐射剂量和较大的内在温度变化下，其剩余凝集素活性增强率可达44%。研究表明，某些凝集素，如相素(从红芸豆中获得)具有致命毒性[35]即使在5毫克/公斤体重的水平。因此，报告的增强是一个严重的问题。从研究中，有一些证据表明凝集素来自Cajanus sp．都有可能增强。增强的原因被归因于凝集素多肽亚基结构的三级和四级结构，使它们能够与特定的糖结合[37］．有时，凝集素的聚合和寡聚结构的破坏可能导致展开，从而暴露额外的结合位点，以抵抗热处理。例如，已知大豆凝集素含有四聚体亚基[37]从而提供更高的稳定性和弹性[38］．在这项研究中，凝集素在50°C至70°C的外部温度下增强高达44%，而相素在80°C时增强了5倍[35］．

表4:挤出处理条件及残留凝集素活性。

温和的剂量辐射淀粉，可能产生直链淀粉样产物，显示出适度降低凝集素活性Cajanus sp．（表4)．值得注意的是小来适度的内在温度不利于凝集素的失活Cajanus sp．面粉的时候温和的来高剂量辐射淀粉(可能产生淀粉样片段和可溶性低聚糖)被用来代替天然淀粉。

这一观察的前提是Cajanus sp．已知凝集素对α-甘露糖和α-葡萄糖有特异性[39]而不是淀粉辐照产生的β-淀粉[16］．

本研究的复合挤出物中残留的凝集素从14.4 mg/g面粉到Cajanus sp．复合面粉，以83.9毫克/克在Canavalia sp．混合的面粉。然而，此前已经确定，本地NULs面粉中凝集素的含量从菜豆面粉中的64毫克/克到414毫克/克不等Canavalia sp．合成前的面粉。在本研究中，豆科粉的处理记录了约83.1%的减少(图5一个而且5 b)的凝集素活性。

这些观察是在Canavalia sp．挤压与高剂量辐射淀粉，具有适度的内在温度变化和黎豆属sp．挤出时具有较小的内禀温度范围低辐射淀粉。的高辐射剂量淀粉，可能含有较小的淀粉样片段和可溶性低聚糖[16),意味着Canavalia sp．凝集素具有亲和力低分子大小β-淀粉。另一方面，低剂量辐射淀粉意味着黎豆属sp．凝集素可能对相对较大分子尺寸的β-淀粉有亲和作用。

这也可能意味着来自这些NULs的凝集素不是低聚的，它们的凝集素在原生状态下被埋藏，而是在它们的结构在内在温度搅拌下展开时暴露出来。仔细观察就会发现这一点Canavalia sp．凝集素，最初浓度为83.9 mg/g，在11.6 mg/g至22.5 mg/g之间迅速失活。似乎有一些凝集素的特征Canavalia sp．这可以证明这种看法是正确的。这可能是由于对聚集在凝集素多肽结合位点的可溶性低聚糖具有很强的亲和力[40]以灭活它们。因此，可以推断，特定淀粉的分子大小对凝集素失活贡献不大，而是与这些特定淀粉低聚物结合的亲和力产生了预期的影响。

挤出物等Caj_罗, PhaL_罗中收取,_罗,民大_罗,民大_莫（表4)表现出温和的豆科植物凝集素活性降低20%到50%然而，似乎低来温和的辐射淀粉(可能含有淀粉样和可溶性低聚糖)加上适度的内在温度会使凝集素活性适度降低，无论豆类凝集素的来源如何。豇豆属sp．凝集素似乎很难灭活。治疗方法豇豆属sp．面粉可引起凝集素活性的中度下降，但也可引起增强作用(表4)．综述了蛋白质数据库中凝集素分子结构的研究进展豇豆属sp．显示信息缺乏[41］．但从其凝集素活性的抗性来看，可能与花生凝集素类似[42］．如果特定的淀粉由于空间位阻而不适合，或者互补氨基酸具有疏水性，也可能产生凝集素抗性(Weis和Drickamer, 1996)。也有可能暴露之前部分埋藏的凝集素多肽，然后赋予碳水化合物结合活性[43，44］．

结论

对于外部温度范围在50至70摄氏度之间，Canavalia sp．而且黎豆属sp．凝集素在室温下可灭活80%以上低使淀粉在短到中等的内在温度内发生中等辐射。其他复合面粉在不同分子量的β-淀粉和不同的内在温度下，凝集素的失活程度不同。但是，来自Vigna sp.的凝集素可能与辐射淀粉的程度或应用的固有温度无关。因此，必须注意用这种方法灭活豆类凝集素，因为NULs的所有凝集素的行为并不相似。Mamdani型模糊逻辑的预测准确率为100%，表明本研究采用的模糊逻辑推理系统能够用于预测凝集素失活反应。

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