壓熱法制備綠豆抗性淀粉工藝的優(yōu)化*

劉以娟，楊曉惠，王芳兵，唐書澤

(暨南大學(xué)食品科學(xué)與工程系，廣東廣州，510632)

壓熱法制備綠豆抗性淀粉工藝的優(yōu)化*

劉以娟，楊曉惠，王芳兵，唐書澤

(暨南大學(xué)食品科學(xué)與工程系，廣東廣州，510632)

研究了壓熱法制備綠豆抗性淀粉(MRS)的工藝參數(shù)。采用單因素實驗比較了不同淀粉乳濃度、壓熱溫度、壓熱時間、貯藏溫度、貯藏時間對MRS得率的影響。在此基礎(chǔ)上采用Box-Behnken的中心組合實驗設(shè)計，優(yōu)化MRS制備參數(shù)，建立了各因子與MRS得率關(guān)系的數(shù)學(xué)回歸模型，確定了最佳的制備條件，即淀粉乳濃度為27.31%，貯藏溫度為4.77℃，壓熱時間40 min時，MRS的產(chǎn)率為12.63%，與預(yù)測的理論值12.41%極為接近，與抗性淀粉含量為4.04%的綠豆原淀粉相比，MRS含量增加8.59%。

綠豆，抗性淀粉，壓熱處理，響應(yīng)面

抗性淀粉(RS)是指健康者小腸中不被吸收的淀粉及其降解產(chǎn)物的總稱。RS在小腸內(nèi)不能被消化吸收，但在大腸中部分能被腸道微生物菌群發(fā)酵，產(chǎn)生多種短鏈脂肪酸如丁酸等［1］，刺激有益菌群生長，同時丁酸能抑制癌細(xì)胞生長［2］。RS因在預(yù)防II型糖尿病、結(jié)(直)腸癌和一些飲食相關(guān)的慢性病方面的作用比膳食纖維強(qiáng)［3－4］，它克服了傳統(tǒng)膳食纖維顏色深、口感粗、風(fēng)味差等缺陷，同時還保持淀粉特有的感官品質(zhì)如細(xì)膩、無色、無味等［5］，而成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。

RS 分為 4 種類型［6］:RS1、RS2、RS3、RS4，其中RS3對熱十分穩(wěn)定且抗酶解性極強(qiáng)，是國內(nèi)外研究的重點(diǎn)。目前較為公認(rèn)的RS3生成理論是直鏈淀粉的再結(jié)晶，形成雙螺旋結(jié)構(gòu)所致，所以可在高溫濕熱的條件下破壞淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)，使淀粉充分糊化，然后采取能使淀粉最大程度老化(尤其直鏈淀粉老化)的措施來制備RS3［7－8］。壓熱法就是根據(jù)此原理發(fā)展起來的，也是制備RS最普遍采用的方法，操作簡單，經(jīng)濟(jì)性好。直鏈淀粉含量是決定RS得率的主要原因［9－10］，篩選直鏈淀粉含量高的淀粉原料制備RS已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。我國綠豆資源豐富，全國大部分地區(qū)均有生產(chǎn)。綠豆淀粉通常含有20%～30%直鏈淀粉，具有直鏈淀粉含量高、容易回生等特點(diǎn)［11］，因此，據(jù)RS3形成理論，綠豆淀粉是制備RS3的良好原料。實驗以綠豆淀粉為原料，通過對各種壓熱條件的探索，提高綠豆抗性淀粉(MRS)得率。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

綠豆淀粉，衡水福橋淀粉有限公司;葡萄糖、氫氧化鉀、鹽酸、氯化鉀、乙酸、乙酸鈉、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉，均為分析純，廣州化學(xué)試劑公司;胃蛋白酶(P7000)，美國Sigma公司;高溫α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶，丹麥Novozyme公司提供。

KDC－1042低速離心機(jī)，科大創(chuàng)新股份有限公司中佳分公司;EL104電子分析天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;YQX.SG41.280手提式壓力蒸汽滅菌鍋，上海華線醫(yī)用核子儀器有限公司;UV－9600型紫外-可見分光光度計，北京瑞利分析儀器公司;PHS－3C數(shù)字式pH計，上海精密科學(xué)儀器有限公司;DFT－100粉碎機(jī)，浙江大德中藥機(jī)械有限公司。

1.2 方法

1.2.1 抗性淀粉的制備

稱取一定量的綠豆淀粉，與水以一定比例混合，經(jīng)沸水浴預(yù)糊化5 min，高溫高壓下處理一定時間，自然冷卻，在不同的貯藏溫度下老化一定時間，80℃烘干，碾磨過100目篩，密閉保存。

1.2.2 抗性淀粉含量的測定

參照 Champ的測定法［12］。稱取0.1 g壓熱處理后的淀粉于50 mL的離心管中，加入pH值為2的HCl-KCl緩沖溶液，加入200 μL胃蛋白酶溶液(l g胃蛋白酶/10 mL KCl-HCl溶液)，在37℃下水浴振蕩30 min，室溫冷卻，調(diào)節(jié)pH值為中性，加入3 000 U/mL的耐熱a-淀粉酶100 μL，置于100℃恒溫振蕩器中振蕩30 min，取出，冷卻至室溫，離心(4 000 r/min，15 min)，棄去上清液，重復(fù)3次。加入3 mL KOH溶液(4 mol/L)和3 mL蒸餾水，振蕩使沉淀中的抗性淀粉充分溶解，用2 mol/L的HCl中和，調(diào)節(jié)pH值為7，加入5 000 U/mL 糖化酶80 μL，60℃恒溫振蕩60 min，冷卻，離心(4 000 r/min，15 min)，收集上清液，水洗，重復(fù)3次，合并上清液，用蒸餾水定容至50 mL，用3，5-二硝基水楊酸法測定還原糖的含量。

RS/%=0.9×(m1/m2)×25×l00

其中:m1，從葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線上找出對應(yīng)的葡萄糖含量 (g);m2，淀粉樣品的質(zhì)量 (g);25，從50 mL葡萄糖溶液中取2 mL;0.9，葡萄糖與脫水葡萄糖基之間的換算系數(shù)。

1.2.3 單因素影響試驗

以MRS得率為指標(biāo)，分別以淀粉乳濃度、壓熱時間、壓熱溫度、貯藏時間、貯藏溫度為因素，進(jìn)行單因素實驗。

1.2.4 響應(yīng)曲面法試驗設(shè)計

根據(jù)Box-Behnken的中心組合實驗設(shè)計原則，選用3因素3水平的響應(yīng)面分析方法，以壓熱時間、淀粉濃度及貯藏溫度為主要考察因素，各因素水平及編碼如表1所示。

表1 響應(yīng)面試驗因素水平表

2 結(jié)果與分析

2.1 壓熱法制備MRS的單因素試驗

2.1.1 淀粉乳濃度對MRS得率的影響

如圖1所示，在其他條件相同的情況下，淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，MRS的得率也不同。淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%增大至40%，MRS得率呈現(xiàn)出先升高后降低再升高的趨勢，在淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時，MRS含量達(dá)最大值12.06%。

水與淀粉的比例，影響著淀粉鏈?zhǔn)欠窨沙浞稚煺沟目臻g作用。當(dāng)?shù)矸蹪舛忍停趾窟^高時，雖然運(yùn)動阻力很小，但伸展的淀粉分子難于相互接觸，不易形成有序排列，分子之間不易締合，則回生速度變慢。當(dāng)?shù)矸蹪舛仍谝欢ǚ秶鷥?nèi)逐漸增大達(dá)到35%時，淀粉粒難以充分膨脹，不能將淀粉分子之間的氫鍵完全破壞，而且淀粉糊黏度很大，不利于直鏈淀粉分子相互接近、形成雙螺旋和結(jié)晶［13］。如果淀粉濃度過高，由于體系中水分過少，溫度過高，淀粉結(jié)晶區(qū)可能發(fā)生部分熔融，導(dǎo)致分子降解更為劇烈，回升時更易形成 RS［14］。

圖1 淀粉乳濃度對MRS得率的影響

2.1.2 壓熱時間對MRS得率的影響

由下圖2可見，隨著壓熱時間的延長，開始時MRS的產(chǎn)率增加，至30 min時達(dá)到最高產(chǎn)率12.23%，再繼續(xù)延長壓熱時間超過40 min，MRS的產(chǎn)率開始下降。

圖2 壓熱時間對MRS產(chǎn)率的影響

在相同壓熱溫度下，壓熱時間過短，淀粉糊的黏度并未達(dá)到最佳的狀態(tài)，不利于直鏈淀粉分子接近，也可能是由于淀粉分子中的直鏈淀粉分子尚未完全游離出來。但繼續(xù)延長時間至40 min以上時，MRS產(chǎn)率又開始下降，這是由于壓熱時間過長造成淀粉分子發(fā)生過度降解，產(chǎn)生了一些小分子量的短直鏈淀粉，它們的分子運(yùn)動比較強(qiáng)烈，擴(kuò)散速度較大，較難聚集，不利于形成MRS或形成的MRS的抗酶解性也不強(qiáng)，從而影響了MRS產(chǎn)率的提高。

2.1.3 壓熱溫度對MRS得率的影響

壓熱溫度對MRS的產(chǎn)率有很大影響，高溫條件比低溫條件更有利于MRS的形成，在一定范圍內(nèi)MRS的產(chǎn)率隨著壓熱溫度的升高而提高。這是因為必須有足夠高的、能使淀粉完全糊化的溫度，使淀粉粒完全破壞，才能釋放出直鏈淀粉分子。高糊化溫度使淀粉糊的黏度與最初糊化時的黏度相比有較大幅度的降低，這使游離的直鏈淀粉分子更容易接近，在分子間形成氫鍵［15］，有利于MRS形成。此外，直鏈淀粉與脂類形成的直鏈淀粉-脂復(fù)合物在95℃左右才能解離，釋放出直鏈淀粉分子。因此，在溫度低于90℃的條件下，MRS的產(chǎn)率較低，當(dāng)溫度在90℃以上壓熱處理淀粉樣品時，MRS產(chǎn)率有較明顯的升高。但據(jù)資料顯示，MRS在低于150℃時，隨著溫度的升高，MRS含量逐漸提高，在150℃時達(dá)到最高值，超過此溫度后，含量反而下降。溫度過高也會導(dǎo)致淀粉分子過度降解，使產(chǎn)生的淀粉聚合度太小，不利于MRS的形成［16］。

2.1.4 貯藏時間對MRS得率的影響

圖4 貯藏時間對MRS得率的影響

從圖4可以看出，在前24 h內(nèi)，MRS得率隨著貯藏時間的延長而迅速上升，且上升速度比較快，24 h后MRS得率增加不再明顯，上升速度非常緩慢，曲線趨于平穩(wěn)。因為MRS的形成是直鏈淀粉分子的重新結(jié)晶過程，直鏈淀粉回生過程比較短，一般在幾小時至幾十小時內(nèi)完成。而淀粉乳在長時間的低溫環(huán)境下，由于水分的析出和分子運(yùn)動的減慢，使晶體的生長受到阻礙，所以，過長時間的靜置并沒有使得MRS含量無限增加。

2.1.5 貯藏溫度對MRS得率的影響

貯藏溫度影響MRS得率，如圖5所示，在－18～4℃內(nèi)，隨著溫度的升高M(jìn)RS得率上升，且在4℃時達(dá)到最高值12.07%;4～40℃內(nèi)，隨著回生溫度的升高，MRS產(chǎn)率迅速下降;40℃后，產(chǎn)率隨著溫度的升高逐漸上升，但是在60℃時MRS產(chǎn)率仍然沒有4℃時的高。

圖5 貯藏溫度對MRS得率的影響

根據(jù)淀粉玻璃態(tài)理論，淀粉水體系只有在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg和熔融溫度Tm之間時才能發(fā)生結(jié)晶生成RS，在晶體的熔融溫度范圍內(nèi)，成核速率為零。當(dāng)△T(△T=T－Tg)最大時，直鏈淀粉晶體的成核速率最高，RS的含量隨著儲存溫度(T)的逐漸降低而增加。當(dāng)降至淀粉的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度Tg(約4℃)時，體系的黏度很高，晶核的增大受到限制，所以盡管有許多核的生成，但很難在晶核的基礎(chǔ)上增長完善。晶體生長速率的情況正好相反，它隨著溫度的上升而增大。在低于4℃時RS得率隨著溫度的升高而上升，高于4℃時RS得率隨著溫度的降低而升高，因此4℃時RS得率最高。

2.2 響應(yīng)面分析法工藝優(yōu)化試驗

2.2.1 模型方程的建立與顯著性檢驗

按照Box-Behnken試驗設(shè)計的統(tǒng)計學(xué)要求，根據(jù)試驗因素和水平的要求，設(shè)計17次試驗，實驗結(jié)果如表2所示。

表2 響應(yīng)面實驗設(shè)計與結(jié)果

續(xù)表2

應(yīng)用Design Expert軟件，對表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，可得壓熱時間A、淀粉濃度B、貯藏時間C與MRS得率之間的二次多項回歸方程:Y=12.18+0.55A+0.66B+0.11C+0.44AB+0.23AC－0.15BC－0.58 A2－1.19 B2－2.25 C2。由表3可以看出，F(xiàn)模型 =131.95＞F0.01(9，3)，且 P＜0.000 1，表明二次多元回歸模型回歸效果極顯著，不同處理間的差異極顯著，失擬項P=0.43＞0.05不顯著;該模型的決定系數(shù)為0.994 1，表明99.41%的實驗數(shù)據(jù)的可變性可用此模型解釋，僅有總變異的0.59%不能用此模型來解釋;回歸模型的擬合度良好，預(yù)測值與實驗值高度相關(guān)。

表3 回歸模型的方差分析

二次多項式的回歸方程系數(shù)的顯著性檢驗(表4)表明，因素A、B對響應(yīng)值的線性效應(yīng)極顯著，因素C對響應(yīng)值的線性效不顯著;因素A2、B2、C2對響應(yīng)值的曲面效應(yīng)極顯著;因素AB、AC對響應(yīng)值的交互影響顯著，BC對響應(yīng)值的交互影響不顯著;說明3個因素均不同程度的對響應(yīng)值產(chǎn)生顯著或極顯著的影響，本實驗設(shè)計的因素選擇是成功的。

表4 二次多項式回歸方程系數(shù)顯著性檢驗

2.2.2 RS得率響應(yīng)曲面的分析

根據(jù)回歸方程得出不同因素的響應(yīng)面分析圖及相應(yīng)等高線圖，見圖6～圖8。由此可對任何2因素交互影響綠豆RS得率進(jìn)行分析與評價，以確定最佳因素水平范圍。

由圖6可知，淀粉乳濃度與壓熱時間相互作用對MRS得率有極顯著影響。在淀粉乳濃度不變的條件下，隨著壓熱時間的延長，MRS得率出現(xiàn)上升的趨勢，在淀粉乳濃度小于22.5%條件下，MRS得率變化不大。在壓熱時間不變的條件下，隨著淀粉濃度的增加，MRS得率出現(xiàn)先上升后下降的趨勢。圖7顯示，貯藏溫度與壓熱時間相互作用對MRS得率有顯著影響。在貯藏溫度不變的條件下，隨著壓熱時間的延長，MRS得率出現(xiàn)上升的趨勢，貯藏溫度在較低水平或較高水平下，MRS得率變化不大。在壓熱時間不變的條件下，隨著貯藏溫度的增加，MRS得率出現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在3.5℃左右達(dá)到最高值。從圖8看出，淀粉乳濃度與貯藏溫度相互作用對MRS得率無顯著影響，在淀粉乳濃度不變的條件下，隨著貯藏溫度的升高，MRS得率出現(xiàn)先上升后下降的趨勢。

在貯藏溫度不變的條件下，隨著淀粉濃度的增加， MRS得率出現(xiàn)先上升后下降的趨勢。

圖6 淀粉乳濃度和壓熱時間對MRS得率影響的響應(yīng)面與等高線

圖7 貯藏溫度和壓熱時間對MRS得率影響的響應(yīng)面與等高

圖8 貯藏溫度和淀粉乳濃度對MRS得率影響的響應(yīng)面與等高線

由Design-Expert軟件得到優(yōu)化條件的處理，確定最優(yōu)工藝參數(shù)為:淀粉乳濃度27.31%、壓熱時間40 min、貯藏溫度4.77℃，預(yù)測值為12.41%。在相應(yīng)的條件下，實驗測得值為12.63%，與理論預(yù)測值的相對誤差為0.22%。因此，采用響應(yīng)面法優(yōu)化得到的淀粉增抗最優(yōu)條件符合實際。

3 結(jié)論

淀粉乳濃度，壓熱時間及溫度，回生時間及溫度在壓熱法制備MRS中對MRS最終產(chǎn)率都有顯著影響。壓熱法制取MRS的最佳工藝參數(shù)為:淀粉乳濃度為27.31%，貯藏溫度為4.77℃，壓熱時間40 min，MRS得率理論值為12.41%，實驗值為12.63%。

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Optimization of Autoclave Processing Technology for Preparation of Mung Bean Resistant Starch

Liu Yi-juan，Yang Xiao-hui，Wang Fang-bing，Tang Shu-ze
(Department of Food Science and Engineering，Jinan University，Guangzhou 510632，China)

Autoclave processing parameters for preparing Mung bean resistant starch(MRS)were investigated.The influence of starch pastes concentration，autoclave time，autoclave temperature，storage time and storage temperature on yield was compared by single factor experiment.The mathematical model describing the relationship between the output of MRS and each factor was developed in order to optimize the autoclave processing parameters by Box-Behnken center combination experimental design.The optimum values of the above process conditions were obtained as:starch slurry 27.13%，autoclaving 40 min and storage at 4.77℃.Under such conditions，the yield of MRS was up to 12.63%，very close to the theoretical prediction value of 12.41%and increased by 8.59%compared with the content of 4.04%in the raw Mung bean starch.

mung bean，resistant starch，autoclave processing，response surface

碩士研究生(唐書澤教授為通訊作者)。

*廣州市重點(diǎn)科技公關(guān)項目2006Z2－E0201。

2010－10－19，改回日期:2010－12－30