壓熱法制備鷹嘴豆抗性淀粉的研究

徐鑫，于明，毛紅艷，吳新鳳

(新疆農業科學院糧食作物研究所，烏魯木齊 830091)

壓熱法制備鷹嘴豆抗性淀粉的研究

徐鑫，于明，毛紅艷，吳新鳳

(新疆農業科學院糧食作物研究所，烏魯木齊 830091)

【目的】利用壓熱提取技術結合響應面分析法，優化鷹嘴豆中抗性淀粉的提取工藝。【方法】以鷹嘴豆淀粉為原料，采用壓熱法制備鷹嘴豆抗性淀粉的最佳工藝參數。研究淀粉漿質量濃度、壓熱溫度、壓熱時間、冷藏時間四個因素對鷹嘴豆抗性淀粉提取率的影響，并采用Box-Behnken試驗設計優化鷹嘴豆抗性淀粉的最佳提取工藝。【結果】鷹嘴豆抗性淀粉的最佳提取工藝條件為：淀粉漿質量濃度21%、壓熱溫度120 ℃、壓熱時間41 min。在此條件下，鷹嘴豆抗性淀粉的提取率為13.76%。【結論】鷹嘴豆抗性淀粉的提取率與理論值比較接近，響應面模型與實際情況擬合良好，為鷹嘴豆抗性淀粉的工業化生產提供了基礎。

鷹嘴豆；抗性淀粉；壓熱法；響應面

0 引 言

【研究意義】鷹嘴豆，為豆科(Leguminosae)鷹嘴豆屬(Cicer)植物，維吾爾語俗稱諾胡提，其豆質堅硬，尖如鷹嘴，故名鷹嘴豆，別名雞豆、桃豆等。鷹嘴豆栽培歷史悠久，起源于亞洲西部和近東地[1]，主要分布在溫暖而較干旱的地區，是世界上栽培面積較廣的食用豆類品種之一，目前在豆科作物中居第二位[2]。鷹嘴豆在新疆的資源較為豐富，是我國鷹嘴豆外貿出口的重要產地，鷹嘴豆營養成分種類多，含量高，其中碳水化合物和蛋白質約占籽粒干重的80%，特別是淀粉含量達40%～60%[3]。國內外研究表明，抗性淀粉具有吸收慢的代謝特點，可明顯降低空腹和餐后血糖、胰島素反應，通過增加胰島素敏感性可以起到干預控制糖尿病病情的作用[4]。響應面試驗是采用多元二次回歸方程來擬合因素與響應值之間的函數關系，通過對回歸方程進行分析獲得最優工藝參數的統計方法[5]，該方法比正交試驗變量分析更全面。張爽等[6]用響應面試驗設計優化了蘋果渣總三萜，沈丹等[7]用響應面優化了擠壓膨化鷹嘴豆淀粉的工藝條件，但是目前少有利用響應面試驗優化鷹嘴豆抗性淀粉提取工藝的研究。由于淀粉漿質量濃度、壓熱溫度、壓熱時間對鷹嘴豆抗性淀粉的提取工藝影響顯著，研究在單因素試驗的基礎上，采用響應面試驗設計，利用Design-Expert得出鷹嘴豆抗性淀粉的最佳工藝，為鷹嘴豆加工技術方面提供一定的理論依據。【前人研究進展】近年來，國內學者采用玉米淀粉、大米淀粉等制備抗性淀粉并對其進行研究，而目前有對鷹嘴豆淀粉性質的研究，但對鷹嘴豆抗性淀粉的研究較少。繆銘等[8]研究Kabuli和Desi兩種鷹嘴豆淀粉的理化性質。顧楠等[9]對鷹嘴豆淀粉與玉米淀粉的顆粒形態、持水性、溶解度等性質進行了比較，得出鷹嘴豆淀粉比玉米淀粉的溶解性好，更易糊化。【本研究的切入點】研究以鷹嘴豆淀粉為原料，采用壓熱法來提高鷹嘴豆抗性淀粉的提取率。【擬解決的關鍵問題】在單因素試驗的基礎上，應用Box-Behnken試驗設計和響應面分析法對鷹嘴豆抗性淀粉工藝進行優化，以期為生產營養價值高、保健功能強的鷹嘴豆產品提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 鷹嘴豆

鷹嘴豆由新疆農業科學院糧食作物研究所提供。“α-淀粉酶：上海寶曼生物科技有限公司，酶活力, 4×103U/g；葡萄糖淀粉酶：上海寶曼生物科技有限公司，105U/g；胃蛋白酶：上海寶曼生物科技有限公司，酶活力，1.2×103U/g。

1.1.2 儀 器

XMTD-4000型電熱恒溫水浴鍋：北京市永光明醫療儀器有限公司；SHA-C水浴恒溫振蕩器：金壇市醫療儀器廠；TDL-40B低速臺式大容量離心機：上海安亭科學儀器廠；LDZX-30KBS立式壓力蒸汽滅菌器：上海申安醫療器械廠；FA2004N型電子天平：上海民橋精密科學儀器有限公司；101電熱鼓風干燥箱：北京市永光明醫療儀器廠。

1.2 方 法

1.2.1 鷹嘴豆淀粉提取工藝

挑選飽滿的鷹嘴豆，在室溫下浸泡過夜，將適量的水加入粉碎機粉碎，經膠體磨打漿，勻漿反復多次加水過濾，濾液靜置4～6 h后傾去上清液，刮去表面的蛋白質，沉淀物在50℃下烘干，過100目篩即得鷹嘴豆淀粉。

1.2.2 鷹嘴豆抗性淀粉含量的測定

參照L．Goni法[10]，進行適當改進，具體測定步驟如下：準確稱取待測的抗性淀粉的樣品，加入HCI-KCI緩沖溶液和胃蛋白酶，40℃保持60 min，自然冷卻至室溫,以除去樣品中的蛋白質。用磷酸緩沖溶液調pH至 6.0～6.4，加入耐熱α-淀粉酶溶液，95 ℃恒溫30 min，冷卻至室溫。用乙酸鈉緩沖溶液調整pH至 4.0～4.5后，加入5 mL淀粉葡萄糖苷酶溶液，在60 ℃下保持60 min，自然冷卻至室溫。加入4倍體積乙醇，離心，醇洗重復3次。將沉淀物用KOH溶液溶解于，用HCI溶液調pH至4.0～4.5值后，加入淀粉葡萄糖苷酶溶液，60℃恒溫60 min，離心20 min，收集上清液，同時作淀粉葡萄糖苷酶溶液空白試驗。離心，上清液用蒸餾水定容至100 mL，后用3，5-二硝基水楊酸法測還原糖，乘以0.9，即為抗性淀粉。

1.2.3 鷹嘴豆抗性淀粉制備的單因素試驗1.2.3.1 淀粉漿質量濃度

在鷹嘴豆淀粉漿質量濃度分別為5%、10%、15%、20%、25%、30%的條件下，120℃壓熱30 min，冷卻后4℃冷藏24 h。

1.2.3.2 壓熱溫度

淀粉淀粉漿質量濃度20%，壓熱時間分別為110、120、130、140、150和160℃的條件下壓熱30 min，冷卻后置于4℃貯藏24 h。

1.2.3.3 壓熱時間

淀粉淀粉漿質量濃度20%，120℃壓熱時間分別為10、20、30、40、50和60 min的條件下。冷卻后4℃冷藏24 h。

1.2.3.4 冷藏時間

其他條件和處理保持不變，淀粉淀粉漿質量濃度20%，120℃壓熱時間為30 min，在4℃條件下分別冷藏12、24、36、48和60 h。

1.2.4 響應面法優化鷹嘴豆抗性淀粉工藝

在對淀粉漿質量濃度、壓熱溫度、壓熱時間和冷藏時間進行單因素試驗的基礎上，選擇對鷹嘴豆抗性淀粉含量影響較大的3個因素，采用Design-Expert 8.0.6軟件，因素水平設計17組試驗，分別測定鷹嘴豆抗性淀粉含量。表1

表1 響應面法設計因素和水平

Table 1 Response surface methodology design factors and levels

因素Factor水平Level-101淀粉漿質量濃度(%)Starchslurryconcentration152025壓熱溫度(℃)Autoclavingtemperature115120125壓熱時間(min)Holdingtime304050

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 淀粉漿質量濃度對鷹嘴豆抗性淀粉提取率的影響

研究表明，鷹嘴豆淀粉漿質量濃度不同，直接影響著淀粉是否可以充分分散。抗性淀粉因淀粉漿質量濃度過高，黏度會很大，糊化后的淀粉分子相互影響，難以形成有序排列，抗性淀粉生成量低；水分多，淀粉分子不能充分相互接觸，從而影響抗性淀粉的形成[11]。鷹嘴豆淀粉漿質量濃度為20%時提取的抗性淀粉較多。圖1

圖1 不同淀粉漿質量濃度下鷹嘴豆抗性淀粉提取率變化

Fig.1 Effects of starch slurry concentration on yield of chickpea resistance starch

2.1.2 壓熱溫度對鷹嘴豆抗性淀粉提取率的影響

研究表明，壓熱處理溫度對鷹嘴豆抗性淀粉的提取率有很大影響，在一定溫度范圍內提高溫度有助于抗性淀粉的形成，溫度過高或過低都不利于鷹嘴豆抗性淀粉的形成。壓熱處理的目的就是高溫使淀粉充分糊化，再經過低溫老化來制備鷹嘴豆抗性淀粉[12-13]。120℃左右可以使淀粉分子從破裂的淀粉顆粒中游離出來，高溫使淀粉糊的粘度降低，游離的直鏈淀粉分子相互接近，溫度降低時，晶核形成，隨后晶體開始增長，形成抗性淀粉，溫度過高也不利于抗性淀粉的形成。因此，選擇120℃為最佳壓熱溫度進行優化試驗。圖2

圖2 不同壓熱溫度下鷹嘴豆抗性淀粉提取率變化

Fig.2 Effects of autoclaving temperature on yield of chickpea resistance starch

2.1.3 壓熱時間對鷹嘴豆抗性淀粉提取率的影響

研究表明，當壓熱溫度為120℃，鷹嘴豆淀粉漿質量濃度為20%的條件下，時間由10 min逐漸延長，抗性淀粉得率會逐漸上升，在40 min時提取率最高，隨著時間延長鷹嘴豆抗性淀粉的提取率下降。這可能是由于熱處理時間過長，淀粉分子發生過度降解不利于抗性淀粉的形成。因此，選擇40 min為最佳壓熱時間進行優化試驗[12]。圖3

圖3 不同壓熱時間下鷹嘴豆抗性淀粉提取率變化

Fig.3 Effect of holding time on yield of chickpea resistance starch

2.1.4 冷藏時間對鷹嘴豆抗性淀粉提取率的影響

研究表明，抗性淀粉含量會隨著冷藏時間的延長而增多，冷藏24 h時的抗性淀粉含量達到最高。抗性淀粉主要是由直鏈淀粉形成的結晶老化淀粉，直鏈淀粉分子需要經歷分子自動取向重排形成雙螺旋結構這一緩慢的過程[11]。冷藏24 h后，抗性淀粉的含量增加變化不大。因此，選擇冷藏24 h為宜。圖4

圖4 冷藏時間下鷹嘴豆抗性淀粉提取率變化

Fig.4 Effect of cold storage time on chickpea resistant starch

2.2 響應面分析

2.2.1 響應面

根據單因素試驗結果，采用Box-Behnken模型，以淀粉漿質量濃度 (A)、壓熱溫度(B)、壓熱時間(C)為響應因素，以鷹嘴豆抗性淀粉提取率為響應值，由三因素三水平的響應面試驗設計而得到的試驗結果。采用統計軟件Design-Expert進行數據處理。表2

表2 響應面試驗設計及結果

Table 2 Response surface design and results

試驗序號TestcodeA:淀粉漿質量濃度Starchslurryconcentration(%)B:壓熱溫度Autoclavingtemperature(℃)C:壓熱時間Holdingtime(min)RS提取率Yieldofresistancestarch(%)10-1110.55211010.32300013.7941-1010.815-10-17.616-1018.897-1-108.32800013.72900013.651001112.561101-19.871200013.581310110.4714-1108.531500013.861610-110.28170-1-112.41

2.2.2 模型的建立及顯著性檢驗

以鷹嘴豆抗性淀粉的提取率為響應值，根據表2的試驗結果，用Design-Expert 8.0.6軟件對數據進行二次回歸分析，得到回歸方程表示為：

抗性淀粉得率=+13.72+1.07A-0.10B+0.29C-0.18AB-0.27AC+1.14BC-3.13A2-1.09B2-1.28C2.

回歸統計分析結果見表明，該模型效應極顯著(P<0.01)，因變量與自變量之間的線性關系顯著(R2=0.998 5)，模型調整確定系數為R2Adj=0.996 6，說明該模型能模擬99.66%響應值的變化，擬合程度較好，失擬項不顯著(P>0.05)，說明試驗的二次回歸方程可以用于對鷹嘴豆抗性淀粉的提取率進行預測。各因素中一次項A(淀粉漿質量濃度)、C(作用時間)、二次項A2(淀粉漿質量濃度)、B2(壓熱溫度)、C2(壓熱時間)、交互項AC、BC都是極顯著的，交互項AB表現為顯著，說明它們對響應值抗性淀粉的提取率影響極大。表3

2.2.3 響應面優化分析

通過軟件分析得到響應面及等高線圖，等高線均呈橢圓形，兩兩因素交互作用顯著，說明淀粉漿質量濃度、壓熱溫度和壓熱時間對鷹嘴豆抗性淀粉的提取率的影響顯著。為確定鷹嘴豆抗性淀粉的最佳制備工藝參數，對所得方程進行逐步回歸，可得優化后的最佳工藝參數為鷹嘴豆淀粉漿質量濃度21%，壓熱溫度119.9℃，壓熱時間40.9 min。圖5

表3 回歸方程的方差分析

Table 3 The variance analysis of regression equation

方差來源Sourcesofvariance平方和Sumofsquares自由度Degreeoffreedom均方MeansquareFvaluePvalue模型Model73.0798.12525.61<0.0001A9.1019.10588.82<0.0001B0.08210.0825.310.0546C0.6610.6642.810.0003AB0.1210.127.930.0259AC0.3010.3019.230.0032BC5.1815.18335.07<0.0001A241.25141.252670.53<0.0001B25.0515.05326.84<0.0001C26.8716.87444.87<0.0001殘差0.1170.015失擬項Lackoffititems0.05930.020純誤差Pureerror0.04940.0121.610.3208CorTotal73.1810

圖5 三因素交互影響的響應面

Fig.5 The response surface interaction map affected by three factors

2.2.4 優化工藝條件驗證

根據軟件分析得到鷹嘴豆抗性淀粉提取的最佳工藝條件為：淀粉漿質量濃度21%，壓熱溫度119.9℃，壓熱時間40.8 min，在此最佳工藝條件下制備抗性淀粉得率為13.82%。考慮到實際操作中的條件控制，上述工藝參數改進為：淀粉漿質量濃度21%，壓熱溫度120℃，壓熱時間41 min，在此條件下，進行3次驗證試驗，測得鷹嘴豆抗性淀粉的提取率為13.76% ，與理論預測值較為接近，且與模型預測值的偏差為0.06%，表明該模型對鷹嘴豆抗性淀粉提取工藝條件的優化是可行的。

3 討 論

新疆鷹嘴豆種植面積15 hm2，主要分布在昌吉州東三縣、阿克蘇地區烏什和拜城，其主要種植品種為木鷹1號和科鷹1號。鷹嘴豆在國內市場處于待開發狀態，有很大的市場發展空間[14]。現針對鷹嘴豆展開的研究有張軍倉等[15]將鷹嘴豆與小麥面粉按比例搭配研制營養馕的生產工藝，金爽等[16]采用固載納豆菌技術來發酵鷹嘴豆產品，傅櫻花等[17]將嗜酸乳桿菌接種于鷹嘴豆豆漿中來發酵鷹嘴豆乳，金爽等[18]將藍莓粉與發酵鷹嘴豆凍干粉混合，添加合適的食品添加劑，用制藥壓片技術來研制咀嚼片。目前市場上銷售的主要以膨化食品和鷹嘴豆原豆居多，產品的開發仍處于粗加工階段，產品種類少，高技術含量低，急需加大其開發力度，生產優質新產品。在深加工方面鷹嘴豆可開發成鷹嘴豆乳系列飲料、方便營養粥以及保健食品，鷹嘴豆是一種值得對其進一步研究、開發、應用的豆類。

4 結 論

研究采用Box-Behnken中心組合設計試驗，研究了壓熱處理后淀粉漿質量濃度、壓熱溫度、壓熱時間對鷹嘴豆抗性淀粉提取率的影響，建立了各因子與鷹嘴豆抗性淀粉提取率相關的數學回歸模型，采用Design-Expert 8.0.6軟件對數據進行二次回歸分析，得到鷹嘴豆抗性淀粉制備的最佳條件:淀粉漿質量濃度21%，壓熱溫度120℃，壓熱時間41 min。在此條件下，鷹嘴豆抗性淀粉的提取率為13.76%，與理論預測值較為接近，說明在試驗范圍內建立的二次回歸模型準確有效，對試驗的擬合較好，具有一定的實用價值。

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XU Xin, YU Ming, MAO Hong-yan, WU Xin-feng

(ResearchInstituteofCerealCrops,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences，Urumqi830091，China)

【Objective】 This project aims to optimize the autoclaving treatment extraction of resistant starch from chickpea with response surface methodology.【Method】Chickpea resistant starch as raw material was prepared by autoclaving treatment to obtain the optimum technology parameter and explore the starch concentration, hot press temperature, hot press time, storage time of four factors affecting the yield of chickpea resistant starch. And the optimum extraction process of chickpea starch was obtained though box-behnken experimental design. And the optimum extraction technology of box - Behnken test design optimization of chickpea resistant starch.【Result】The results showed that the optimum extracting process of chickpea starch was 21 g/mL of starch slurry concentration, 120℃ of autoclaving temperature, 41 min of holding time. Under these conditions, the extracted yield of chickpea resistant starch was 13.76%.【Conclusion】The extraction rate of resistant starch was close to the theoretical value, which indicates that the response surface model has good prediction ability for the extraction of resistant starch from the chickpea. The results can provide a basis for the industrialized production of chickpea starch.

chickpea; resistant starch; autoclaving treatment; response surface methodology

2016-09-18

新疆科技興新項目(2012017B10)；新疆農業科學院青年基金項目(xjnkq-2015026)

徐鑫(1986-)，女，助理研究員，碩士研究生，研究方向為農產品加工，(E-mail)cindy1105013 @qq.com

于明(1973-)，男，副研究員，碩士研究生，研究方向為農產品加工，(E-mail)2435742497@qq.com

10.6048/j.issn.1001-4330.2016.12.012

S520；S509.9

：A

：1001-4330(2016)12-2250-08