響應面法優化甘薯慢消化淀粉制備工藝

陳聰莉 王學東 葉 鵬 彭思源 王洋洋 劉 瓊

(武漢輕工大學食品科學與工程學院,武漢 430023)

響應面法優化甘薯慢消化淀粉制備工藝

陳聰莉 王學東 葉 鵬 彭思源 王洋洋 劉 瓊

(武漢輕工大學食品科學與工程學院,武漢 430023)

利用濕熱-有機酸復合法提高甘薯淀粉中慢消化淀粉的產率。以甘薯淀粉為原料，探究了慢消化淀粉形成的工藝，在單因素試驗基礎上采用Box-Behnken中的響應面分析法，以甘薯慢消化淀粉產率為響應值，以含水量、酸反應時間、月桂酸添加量3個因素為響應因子，建立了二次回歸實際方程模型，獲得了制備甘薯慢消化淀粉的最佳工藝條件，即：含水量47 %、反應溫度100 ℃、月桂酸添加量25%、熱處理時間4 h，按此最佳工藝條件制備的慢消化淀粉質量分數達13.03%，較處理前提高了8.85%。

甘薯慢消化淀粉 工藝條件 月桂酸 響應面

Englyst[1]按照淀粉在人體內的消化特點將淀粉分為快速消化淀粉(Rapidly Digestible Starch, RDS)、慢消化淀粉(Slowly Digestible Starch, SDS)和抗性淀粉(Resistant Starch, RS)。RDS是指在小腸中被快速消化吸收的淀粉(<20 min)，SDS指那些在小腸中能被完全消化吸收但速度較慢的淀粉(20～120 min)；RS指在人體小腸內無法被消化吸收的淀粉(>120 min)[2]。RDS能夠迅速地釋放葡萄糖，攝入過多，會引起各種并發癥，如糖尿病和心血管疾病。而SDS能夠緩慢的釋放葡萄糖，使血糖生成指數(Glycemic Index，GI)和胰島素維持在較低水平，幫助控制和預防糖尿病等相關疾病[3]。2015年最新統計顯示，目前全球共有成年糖尿病患者4.15億，其中中國糖尿病成人患病者數已達1.096億[4]。這引起了人們對健康飲食的高度重視，因而，當前研究開發低GI高SDS含量的淀粉制品具有重要意義。SDS的制備成為近年來學界研究的熱點。物理法(濕熱處理[5]和韌化方法)、酶法(α-淀粉酶[6]、普魯蘭酶[7])、化學法[8,9]和復合法[10]均可制備SDS，復合法一般是物理法與酶法相結合或化學法與物理法結合。

我國是世界上的主要甘薯主產國，常年種植面積在550萬公頃左右，占世界種植量的60%以上[11]。甘薯淀粉是甘薯加工的主要產品之一，也是重要的食品原料。然而，對甘薯中SDS的研究還鮮見報道。為此，本研究綜合考慮成本、食品安全等因素，利用濕熱和月桂酸相結合處理甘薯淀粉，提高其SDS含量，以為將來開發低GI值保健型甘薯食品提供技術依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甘薯淀粉：湖北隕府薯業有限公司；豬胰α-淀粉酶、糖化酶：美國Sigma公司；月桂酸、無水乙醇、葡萄糖、3,5-二硝基水楊酸等試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

不銹鋼密閉反應器：鄭州博科儀器設備有限公司；DHG-9053A型電熱恒溫鼓風干燥箱：上海一恒科學儀器有限公司；SHZ-DⅢ型予華牌循環水真空泵：鞏義市英峪予華儀器廠；80-1電動離心機：金壇市白塔新寶儀器廠；HHS-2S電子恒溫不銹鋼水浴鍋：上海虞龍儀器設備有限公司；XH-C渦旋混合器：金壇市醫療器械廠；T6新世紀紫外可見分光光度計：北京普析通用儀器有限責任公司；SHA-C數顯恒溫水浴振蕩器：常州賽普實驗儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 SDS的制備流程

甘薯淀粉→調整含水量→于不銹鋼密閉反應器中靜置24 h→在設定好溫度的烘箱中反應一定時間→加月桂酸攪拌均勻→反應到規定時間→50%熱乙醇洗滌3次、抽濾→50 ℃烘干粉碎→過120目篩→SDS樣品。

1.3.2 含水量對甘薯SDS含量的影響

設定含水量5個水平，即20%，30%，40%，50%，60%，調整淀粉含水量到上述某一水平，靜置24 h后，于密閉反應器中100 ℃反應12 h，添加25%(占淀粉干基質量百分比)的月桂酸，攪拌均勻，于密閉反應器中100 ℃反應4 h，用50%熱乙醇洗滌，以除去未反應的月桂酸，烘干后過100目篩。

1.3.3 熱處理溫度對甘薯SDS含量的影響

設定熱處理溫度5個水平，即80 ℃、90 ℃、100 ℃、110 ℃、120 ℃，調整淀粉含水量至40%，靜置24 h后，于密閉反應器中反應12 h，添加25%(占淀粉干基質量百分比)的月桂酸，攪拌均勻，于密閉反應器中100 ℃反應4 h，用50%熱乙醇洗滌，以除去未反應的月桂酸，烘干后過100目篩。

1.3.4 月桂酸添加量對甘薯SDS含量的影響

設定月桂酸添加量5個水平，即15%，20%，25%，30%，35%(占淀粉干基質量百分比)，調整淀粉含水量至40%，靜置24 h后，于密閉反應器中100 ℃反應12 h，調整月桂酸添加量到上述某一水平，攪拌均勻，于密閉反應器中100 ℃反應4 h，用50%熱乙醇洗滌，以除去未反應的月桂酸，烘干后過100目篩。

1.3.5 酸反應時間對甘薯SDS的影響

設定酸反應時間5個水平，即2 h，3 h，4 h，5 h，6 h，調整淀粉含水量至40%，靜置24 h后，于密閉反應器中100 ℃反應12 h，添加25%(占淀粉干基質量百分比)的月桂酸，攪拌均勻，于密閉反應器中100 ℃反應上述某一水平，用50%熱乙醇洗滌，以除去未反應的月桂酸，烘干后過100 目篩。

1.4 甘薯SDS消化性的測定[12]

準確稱取200 mg淀粉樣品置于測試管中，添加15 mL pH 5.2的0.2 mol/L的醋酸鈉緩沖液，渦旋混勻5 min，并置于95 ℃水浴中均勻糊化10 min。反應結束后立即置于37 ℃水浴中，待溫度平衡后加入5顆玻璃珠，水平放入恒溫振蕩器，加入10 mL的豬胰α-淀粉酶(290 U/mL)和糖化酶(15 U/mL)，置于37 ℃恒溫水浴下振蕩，轉速150 r/min，在振蕩反應20 min和120 min后，沸水浴滅酶10 min，離心后采用3,5-二硝基水楊酸(DNS)比色法于540 nm處測定吸光度并計算葡萄糖含量[13]，每一樣品平行測定3次，取均值。SDS含量計算公式如下：

式中：G20為消化反應20 min后產生的葡萄糖含量；G120為消化反應120 min后產生的葡萄糖含量；TS為樣品中總淀粉含量[14]。

1.5 響應面法因素水平表的確定

根據單因素試驗優化的結果，采用Box-Benhnken試驗設計，進行三因素三水平的響應面分析試驗。選擇對形成SDS有利的3個因素A、B、C，通過中心組合試驗確定最佳參數。然后采用響應面分析方法對試驗結果進行分析。

1.6 數據處理

單因素試驗數據應用Excel進行數據統計分析。響應面試驗數據通過Design-Expert8.0.6分析軟件進行回歸分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 含水量對甘薯SDS含量的影響

原甘薯淀粉中SDS的含量僅為4.18%。由圖1可以看出，隨著含水量的增加，SDS含量呈先上升后下降的趨勢。在含水量為40%時，SDS的含量最高，達11.91%，這是因為水分對淀粉的結晶結構影響較大，促進了淀粉原有結構的崩解和淀粉分子鏈的遷移，形成更多結晶體[15]。當含水量在50%時，因過量水分破壞了淀粉結晶[16]，導致α-淀粉酶快速進入淀粉顆粒內部，淀粉被水解，SDS含量降低。

2.1.2 反應溫度對甘薯SDS含量的影響

由圖1可以看出，起初隨著反應溫度的升高，SDS含量增加，這是由于溫度升高，加速了淀粉顆粒膨脹，月桂酸能夠更快地與淀粉復合，形成淀粉脂質復合物[17]。SDS含量在100 ℃時達到最大值，當溫度繼續提高時SDS含量反而減少，這可能是因為高溫破壞了淀粉顆粒結構，使結構無序排列[18]，不能與月桂酸很好地結合。故該實驗條件下100 ℃為最佳反應溫度。

2.1.3 酸反應時間對甘薯SDS含量的影響

由圖1可以看出，起初反應時間越長，SDS越高，超過4 h后再增加反應時間，SDS含量反而減少。隨著加酸反應時間的延長，各反應物間接觸的時間也充分[19]，月桂酸與淀粉復合程度提高，降低了酶解速率，消化速率也隨之降低，故SDS含量增加；但隨著反應時間的增加，SDS含量減少，檢測RS發現其含量有所增加，這與相關文獻的結論一致[20]。

2.1.4 月桂酸添加量對甘薯SDS含量的影響

由圖1可以看出，隨著月桂酸添加量的增加，SDS含量呈現先上升后下降的趨勢，原因是隨月桂酸用量增加，月桂酸在反應體系中的濃度增大，促進脂質復合物的形成，抗酶解性增強，SDS含量在25%的月桂酸添加量時達到最大值。但是含當月桂酸添加量過高時，SDS含量減少，可能是因為更多的月桂酸包裹在淀粉顆粒表面，使淀粉的抗酶解性進一步增強，增加了抗性淀粉RS的含量，使得SDS含量減少[21]。

圖1 各單因素對甘薯SDS含量的影響

2.1.5 響應面法優化甘薯SDS制備工藝參數

根據單因素試驗結果，選取水分含量、酸反應時間、月桂酸添加量對甘薯SDS含量影響顯著的3個因素，通過三因素三水平的響應面分析方法，確定SDS制備工藝的最佳條件。反應溫度則選取單因素試驗中的最佳值100 ℃。試驗因素與水平設計見表1。

表1 響應面分析因素水平表

2.2 響應面優化甘薯SDS制備工藝

2.2.1 Box-Behnken試驗設計及結果

以表1中3項因素作為響應面試驗因素，以SDS含量為考察指標，進行三因素三水平的Box-Behnken試驗，選出最優試驗條件。響應面實驗設計及數據結果見表2。

表2 Box-Behnken試驗設計及結果

2.2.2 回歸模型顯著性檢驗及方差分析

通過Design-Expert8.0.6軟件對上表數據進行分析并進行回歸擬合，得到甘薯SDS含量與A、B、C的二次回歸模型方程：Y=12.74-0.91A-0.3B-0.23C+0.97AB-0.57AC+0.24BC-1.53A2-2.15B2-2.29C2。對回歸方程進行顯著性檢驗及方差分析，結果見表3。

表3 回歸模型的方差分析表

注：P<0.01，差異極顯著；P<0.05，差異顯著。

表4 模型數據分析

由表3中回歸模型的方差分析可知，試驗模型的P值<0.000 1，說明此模型非常顯著。其中一次項含水量(A)、酸反應時間(B)與含水量二次項(A2)、酸反應時間二次項(B2)、月桂酸添加量(C2)及含水量與酸反應時間的交互項(AB)、含水量與月桂酸添加量的交互項(AC)對甘薯SDS含量的影響極顯著(P<0.01)；月桂酸添加量(C)對甘薯SDS含量影響顯著；反應時間與月桂酸添加量的交互項(BC)對甘薯SDS含量沒有顯著性的影響。

圖2 殘差的正態概率分布圖

2.2.3 各因素交互作用對SDS含量的影響及其分析

由圖3可以看出，當含水量一定時，隨著酸反應時間的延長，SDS含量先增加后又減少；當酸反應時間一定時，隨著含水量的增加，SDS含量也是先增加后減少。等高線呈橢圓形，說明兩因素的交互作用較強，影響顯著。

圖3 含水量和酸反應時間對SDS的影響

由圖4可以看出，當含水量一定時，隨著月桂酸添加量的增加，SDS含量先增加，隨后又減少；當月桂酸添加量一定時，隨著水分含量的增加，SDS含量也是先增加后減少；在含水量50%，月桂酸添加量25%附近有最大值。等高線呈橢圓形，說明兩因素的交互作用較強，影響顯著。

圖4 含水量和月桂酸添加量對SDS的影響

由圖5可以看出，當含水量一定時，酸反應時間和月桂酸添加量對SDS含量的影響有著相同的趨勢，都是先增加后減少。等高線接近圓形，說明酸反應時間和月桂酸交互作用對SDS含量影響不顯著。

圖5 酸反應時間和月桂酸添加量對SDS的影響

2.2.4 驗證試驗

通過Design-Expert 8.0.6軟件分析得知，制備甘薯SDS的最佳條件為：含水量46.61%，酸反應時間3.85 h，月桂酸添加量24.92%，在此最優條件下SDS得率為12.92%。結合實際操作，將最佳制備工藝條件調整為含水量47%，酸反應時間4 h，月桂酸添加量25%，進行3次驗證試驗，得到SDS含量平均值為(13.03±0.12)%，該值與理論預測值基本吻合，說明運用響應面得到的最佳工藝參數可靠。

3 結論

采用月桂酸結合濕熱處理法來提高甘薯中SDS含量，通過此方法制備的甘薯SDS是一種淀粉-脂質復合物，其消化速率低，在機體中能量釋放緩慢，具有低GI值特性。

在單因素試驗基礎上，初步確定了SDS制備工藝參數，通過Box-Behnken試驗進一步優化了甘薯SDS的制備工藝。以SDS得率為響應值，得出最佳工藝條件為：含水量47%，酸反應時間4 h，月桂酸添加量25%。在此條件下，SDS含量可達最大值為：13.03%±0.12%，較處理前絕對值提高了8.85%，相對值提高了211.72%。

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Optimization of Preparation Process for Sweet Potato Slowly Digestible Starch with Response Surface Methodology

Chen Congli Wang Xuedong Ye Peng Peng Siyuan Wang Yangyang Liu Qiong

(College of Food Science and Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023)

The yield of slowly digestible starch was improved by the heat-moisture-organic acid complex method in sweet potato. This study explored the best process condition of slowly digestible starch formation with sweet potato starches as raw materials. Based on single factor experiments, a quadratic regression actual equation model was established to obtain the optimum technological conditions for preparing sweet potato slowly digestible starches by the response surface methodology, using the yield of sweet potato slowly digestible starch as the response value and the moisture content, acid reaction time and lauric acid addition as response factors. The optimum preparing conditions were obtained as follows: moisture content of 47%, reaction temperature of 100 ℃, lauric acid addition of 25% and heating treatment time of 4 h. Under the optimized conditions, the content of sweet potato slowly digestible starch was 13.03% and increased by 8.85% compared to that of untreated sweet potato starch.

sweet potato slowly digestible starch，technological conditions，lauric acid，response surface methodology

國家創新基金14c26214 202398，“鄖產紅薯系列產品深加工關鍵技術研究與開發”隕府薯業省重點新產品新工藝項目(2013bb a024)

2016-01-27

陳聰莉，女，1991年出生，碩士，食品工程

王學東，男，1974年出生，教授，博士，糧食加工

TS235.2

：A

：1003-0174(2017)08-0057-06