酸解-微波法制備RS3型玉米抗性淀粉工藝參數優化

張 鐘，夏丹丹，王 麗（.廣東石油化工學院化學與生命科學學院，廣東茂名55000；.安徽科技學院食品與藥學院，安徽鳳陽3300）

酸解-微波法制備RS3型玉米抗性淀粉工藝參數優化

張 鐘1，夏丹丹2，王 麗2
（1.廣東石油化工學院化學與生命科學學院，廣東茂名525000；2.安徽科技學院食品與藥學院，安徽鳳陽233100）

以普通玉米淀粉為原料，經鹽酸水解后進行微波處理，制備RS3型玉米抗性淀粉，采用單因素實驗和響應曲面法相結合的方法對其工藝參數進行優化。以RS3型玉米抗性淀粉的產率作為評價指標，確定最佳的工藝參數。結果表明最佳工藝參數為：淀粉糊濃度29.1%，酸濃度1.5%，酸解時間2.4h，微波功率785.0W，作用時間18.0s，按以上工藝參數制備的RS3型玉米抗性淀粉的產率為12.3%。

酸法-微波，玉米抗性淀粉，工藝參數

玉米抗性淀粉又稱為老化淀粉（Retrograded Starch，RS3），是由糊化后的淀粉在冷卻或儲存過程中得到的，它有很好的熱穩定性，經100℃蒸煮后仍然具有抗酶解特性，它只有在溶解于KOH溶液或DMSO（二甲基亞砜）后，才能被淀粉酶水解[1]，RS3屬于物理變性淀粉，在食品安全性上沒有問題，具有很大的商業價值，工業生產的抗性淀粉即為此種類型。淀粉或含淀粉類食物在加工過程中，通過控制水分、pH、加熱溫度及時間、冷凍及干燥條件等因素可以產生RS3抗性淀粉[2]。

玉米抗性淀粉的制備方法有酶法[3]、壓熱法和酸解法[4-5]、微波-酶法[6]、水解-壓熱法制備[7]等，微波改性淀粉的原理是以淀粉作為電介質材料，當微波作用時，一部分能量被材料吸收，于是材料因吸收能量而溫度升高，淀粉被加熱而改性[8]。酸法-微波制備RS3型玉米抗性淀粉的研究還未見報道。利用酸法的水解作用和微波法的加熱作用，促進淀粉的轉化。本文以普通玉米淀粉為原料，用酸法-微波制備RS3型玉米抗性淀粉，通過單因素實驗和響應曲面法相結合的方法對其工藝參數進行優化，以抗性淀粉的產率作為評價指標，最大限度地提高抗性淀粉的產率，為實際生產提供一定的參考價值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

普通玉米淀粉 河北華辰淀粉糖有限公司；耐熱α-淀粉酶（200U/mL）、淀粉葡萄糖苷酶（1000U/g） 無錫市博立生物制品有限公司；氫氧化鈉、pH為6.0的磷酸緩沖溶液、檸檬酸、氫氧化鉀、3，5-二硝基水楊酸 均為分析純。

101-3-S型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海躍進醫療器械廠；AnkeTDL-5型離心機 上海安亭科學儀器廠；pH-3TC精密數顯酸度計 上海天達儀器有限公司；G70D20CN1P-D2格蘭仕微波爐 格蘭仕集團；搖擺式粉碎機 廣州市旭朗機械設備有限公司。

1.2 抗性淀粉制備工藝流程

配制一定濃度的玉米淀粉糊，加一定量的鹽酸至所需濃度，在室溫下酸解一段時間，加堿調pH為7，微波處理一段時間，4℃冷藏24h，再在40℃烘干，用粉碎機粉碎至200目，測定抗性淀粉含量。

1.3 抗性淀粉含量和產率的測定

取1g樣品溶于20mL pH為6.0的磷酸緩沖溶液中，加入1mL耐熱α-淀粉酶（200U/mL），置于沸水浴中振蕩30min；然后用檸檬酸調整其pH至4～4.5，再加入1mL（1000U/mL）的淀粉葡萄糖苷酶，60℃水浴振蕩60min；離心（3000r/min）10min，除去上清液，水洗離心（重復兩次）；向沉淀中加入4mol/L的氫氧化鉀溶液5mL，置于沸水浴中5min；加2mol/L鹽酸10mL中和氫氧化鉀，調節pH至4～4.5，再加1mL淀粉葡萄糖苷酶，60℃水浴振蕩60min；將樣品全部轉移至10mL容量瓶，用蒸餾水定容，搖勻。采用3，5-二硝基水楊酸法測定還原糖含量，然后乘以0.9，即為抗性淀粉含量[9]。

玉米抗性淀粉（RS3）含量（%）=葡萄糖含量（%）×0.9

1.4 單因素實驗

1.4.1 淀粉糊濃度的確定 分別配制10%、20%、30%、40%和50%的玉米淀粉糊，各加2mol/L的鹽酸使質量分數達到1%，室溫下酸解并攪拌2h，再加2mol/L的氫氧化鈉中和至pH為7，經850W的微波處理10s，冷卻至室溫后于4℃的冰箱內冷藏24h，再于40℃烘箱中烘干，粉碎后測定抗性淀粉含量，確定最佳淀粉糊濃度。

1.4.2 酸濃度的確定 配制最佳濃度的玉米淀粉糊，加入2mol/L的鹽酸使質量分數分別達到0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%，室溫下酸解并攪拌2h，加2mol/L的氫氧化鈉中和至pH為7，經850W的微波處理10s，冷卻至室溫后于4℃的冰箱內冷藏24h，再于40℃烘箱中烘干，粉碎后測定抗性淀粉含量，確定最佳酸濃度。

1.4.3 酸解時間的確定 配制最佳濃度的玉米淀粉糊，加入2mol/L的鹽酸使質量分數達到最佳酸濃度，在室溫下分別酸解并攪拌0.5、1.5、2.5、3.5、4.5h，加2mol/L的氫氧化鈉中和至pH為7，經850W的微波處理10s，冷卻至室溫后于4℃冰箱內冷藏24h，再于40℃烘箱中烘干，粉碎后測定抗性淀粉含量，確定最佳酸解時間。

1.4.4 微波功率的確定 配制最佳濃度的玉米淀粉糊，加入2mol/L的鹽酸使質量分數達到最佳酸濃度，室溫下酸解并攪拌最佳酸解時間，加2mol/L的氫氧化鈉中和至pH為7，分別經210、350、560、700、850W的微波處理10s，冷卻至室溫后于4℃冰箱內冷藏24h，再于40℃烘箱中烘干，粉碎后測定抗性淀粉含量，確定最佳微波功率。

1.4.5 微波時間的確定 配制最佳濃度的玉米淀粉糊，加入2mol/L的鹽酸使質量分數達到最佳酸濃度，室溫下酸解并攪拌最佳酸解時間，加2mol/L的氫氧化鈉中和至pH為7，經最佳功率的微波分別處理10、20、30、40、50s，冷卻至室溫后于4℃冰箱內冷藏24h，再于40℃烘箱中烘干，粉碎后測定抗性淀粉含量，確定最佳作用時間。

1.5 響應面實驗

在單因素實驗結果的基礎上，以淀粉糊濃度、酸濃度、酸解時間、微波功率和微波時間作為五個因素，以RS3型玉米抗性淀粉的產率為響應值，設計一個5因素3水平的Box-Behnken實驗，因素及水平選取見表1。

表1 實驗因素水平及編碼Table 1 Factor lever and coding of the test

1.6 數據處理

采用SAS 6.12統計方法，所有數據以（x±SD）表示，用F檢驗法，并進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 淀粉糊濃度對RS3產率的影響 由圖1可以看出，抗性淀粉的產率隨著淀粉糊濃度的增加先增加后減少，當淀粉糊濃度為30%時抗性淀粉的產率最大。這說明淀粉糊濃度過高或過低都不利于抗性淀粉的形成。當淀粉糊濃度過低時，整個體系的粘度過低，淀粉分子彼此分離，直鏈淀粉分子間相互接近的概率減少，從而不利于抗性淀粉的生成。當淀粉糊濃度過高時，即使經微波處理后，淀粉糊的粘度依然很大，沒有足夠的水分子進入淀粉的結晶區，不能將淀粉分子間的氫鍵完全破壞，淀粉粒難以充分膨脹、糊化，阻礙了直鏈淀粉分子相互接近和形成結晶[9]。

圖1 淀粉糊濃度對RS3產率的影響Fig.1 The effect of the concentration of the starch paste on RS3 productivity

2.1.2 酸濃度對RS3產率的影響 由圖2可以看出，抗性淀粉的產率隨著酸濃度的增加先增加后減少，當酸濃度達到1.5%時抗性淀粉的產率最大。酸濃度過高或過低時抗性淀粉的產率都下降。酸濃度過低，不能完全將淀粉水解，直鏈淀粉分子不能完全釋放出來，從而影響抗性淀粉的形成。酸濃度過高，淀粉水解過度，產生了過短的直鏈淀粉分子，也不利用抗性淀粉的形成。

圖2 酸濃度對RS3產率的影響Fig.2 The effect of the concentration of the acid on RS3 productivity

2.1.3 酸解時間對RS3產率的影響 由圖3可以看出，抗性淀粉的產率隨酸解時間的延長先增加后減少，當酸解時間達到2.5h時抗性淀粉的產率達到最大。鹽酸水解玉米淀粉，可以減小淀粉的分子量，淀粉分子量變小有利于淀粉分子的重新聚合、結晶，形成更多的抗性淀粉顆粒。酸解淀粉主要水解支鏈淀粉的短直鏈淀粉形成的雙螺旋，故可生成更多的直鏈淀粉，直鏈淀粉可提高淀粉分子間的運動速率，有利于抗性淀粉的形成，因為抗性淀粉是由直鏈淀粉形成的雙螺旋，故而直鏈淀粉的含量越高抗性淀粉的含量越大。同時，玉米淀粉中的支鏈淀粉經酸解后可更快地聚合成淀粉晶體，也有利于抗性淀粉的形成。結合以上原因，可以分析出，酸解過度，淀粉分子鏈過短，小分子運動過快，不利于結晶的形成，而酸解程度不夠，則無法將淀粉水解為合適的分子鏈長度，不利于直鏈淀粉分子間雙螺旋結構的生成[10]。

圖3 酸解時間對RS3產率的影響Fig.3 The effect of hydrolysis time on RS3 productivity

2.1.4 微波功率對RS3產率的影響 由圖4可以看出，抗性淀粉的產率隨微波功率的增加而增加。由于條件所限，本實驗所用的微波爐最高功率只能達到850W。所以在現有功率范圍內，該結論正確。微波加熱速度極快，使得物料中的水分在短時間內迅速汽化，并在內部積累形成壓力梯度，形成膨化效應。同時膨化內動力是水蒸汽，在此過程中淀粉分子氫鍵斷開，淀粉充分糊化，淀粉粒完全破壞，同時釋放出直鏈淀粉分子，直鏈淀粉分子接觸的概率增加，有利于直鏈淀粉分子間雙螺旋結構的形成，從而有利于抗性淀粉的形成[6]。

圖4 微波功率對RS3產率的影響Fig.4 The effect of the microwave efficiency on RS3 productivity

2.1.5 微波時間對RS3產率的影響 由圖5可以看出，在一定范圍內，抗性淀粉產率隨著微波作用的時間的增加而減少。由于實驗室提供的微波爐設置的時間最低為10s，因此在實驗范圍內該結論正確。微波時間過長，使淀粉分子發生過度降解，產生一些小分子量的短直鏈淀粉，從而影響抗性淀粉的形成。

圖5 微波時間對RS3產率的影響Fig.5 The effect of the microwave time on RS productivity

2.2 響應面實驗

根據Box-Behnken設計進行了46組實驗，其結果見表2，回歸模型及各項的方差分析如表3所示。

利用Design Expert軟件對表2實驗數據進行多元回歸擬合，獲得微波-酸法制備RS3型玉米抗性淀粉編碼淀粉糊濃度、酸濃度、酸解時間、微波功率和作用時間的二次多項回歸方程為：RS3產率=12.21-0.22A-0.061B-0.057C+0.11D-1.14A2-0.60B2-0.34C2，相關系數為95.12%，說明該回歸方程具有高度的顯著性，能夠很好地描述各因素與響應值之間的真實關系，可以利用該回歸方程確定最佳的工藝參數為：淀粉糊濃度29.1%，酸濃度1.5%，酸解時間2.4h，微波功率785.0W，微波作用時間18.0s，此時抗性淀粉的產率為12.3%。

表2 Box-Behnken實驗設計及其實驗結果Table 2 Box-Behnken design and results

從該模型的方差分析表3可見，本實驗所選用的二次多項模型具有極顯著性（p＜0.0001），其中極顯著的因素A、B、C、A2、B2、C2，顯著的因素為D；失擬項在α=0.05水平上不顯著（p=0.4325＞0.05）。其校正決定系數為91.22%，表明此模型擬合度較好，僅有8.78%不能由此模型解釋。

2.3 驗證實驗

在響應面實驗取得的最佳工藝條件下制備的抗性淀粉的產率為12.2%，與回歸方程的預測值（12.3%）基本吻合，說明模型能夠較好地預測抗性淀粉的實際產率。

3 討論

當淀粉糊濃度增加到一定限值后，抗性淀粉的含量反而下降，這與淀粉顆粒的水化溶脹有關[11]，本實驗結果與游曼潔等[12]的研究結果不同。食物中直鏈淀粉/支鏈淀粉的比率大小也對抗性淀粉的形成有顯著的影響，一般說來，比值越大，抗性淀粉含量越高，這是因為直鏈淀粉比支鏈淀粉更易老化[13]。淀粉糊pH過低也不利于抗性淀粉的生成。因為酸會破壞了淀粉的分子結構，使淀粉分解為短鏈的小分子，在壓熱過程中不適合形成晶體，因而當淀粉糊pH低于4.5時對抗性淀粉的形成也不利[4]。對于酸解條件而言，酸濃度過大、酸解時間過長，都會導致酸解過度，產生較小分子量的直鏈淀粉，從而不利于抗性淀粉的形成；而酸濃度過小、酸解時間過短時，酸解程度不夠，不能產生適合分子量的直鏈淀粉分子，從而也不利于抗性淀粉的形成。在本實驗范圍內，微波功率增加，淀粉糊糊化完全，能產生更多的直鏈淀粉雙螺旋結構，而微波作用時間過長，糊化過度，又不利于抗性淀粉的形成。

4 結論

本文探討了酸法-微波制備RS3型玉米抗性淀粉的方法，并運用SAS軟件和響應面法對其工藝參數進行優化，其優化值為：淀粉糊濃度29.1%，酸濃度1.5%，酸解時間2.4h，微波功率785.0W，微波作用時間18.0s。按以上工藝參數制備的RS3型玉米抗性淀粉，其產率為12.3%。

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Optimization of parameters for preparation of maize retrograded starch by acid-microwave method

ZHANG Zhong1，XIA Dan-dan2，WANG Li2
（1.College of Chemistry and Life Science，Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China；2.College of Engineering，Anhui Science and Technology University，Fengyang 233100，China）

Maize starch was used as raw material，and partial hydrolyzed and treated with microwave in the experiment to prepare maize retrograded starch.The processing parameters and conditions for maize resistant starch were optimized by the single-factor test and response surface methodology（RSM）.With the yield of retrograded starch as evaluation index，the optimum processing parameters were obtained：the concentration of the starch paste was 29.1%which was hydrolyzed by 1.5%HCl for 2.4h，the optimal pasting parameters with microwave were 785.0W for 18.0s.The productivity of retrograded starch reached 12.3%with the optimal processing method.

acid-microwave method；maize resistant starch；processing parameters

表3 方差分析結果Table 3 Regression variance analysis of regression coefficient

TS202.3

B

1002-0306（2014）12-0282-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.12.053

2013－09－16

張鐘（1962-），男，大學本科，教授，研究方向：農產品貯藏與加工。

廣東省高等學校人才引進項目（201192）；廣東石油化工學院人才引進項目（2010r2）。