超聲波輔助酸法制備紅薯抗性淀粉及其結構表征

楊小玲 趙 維 陳佑寧 孟小華

(咸陽師范學院化學與化工學院，咸陽 712000)

抗性淀粉(Resistant Starch，RS)又稱抗酶解淀粉、抗消化淀粉，由英國生理學家Englyst提出[1]。抗性淀粉是一種新型低熱量功能性食品基料，其生理功能類似膳食纖維，具有降低膽固醇濃度，調節血糖，改善胰島素的敏感性，影響脂質代謝，改善腸道菌群以及預防結腸癌和防止糖尿病，促進維生素和礦物質離子的吸收等作用，在國內外受到廣泛關注[2-4]。

根據淀粉來源和抗酶解性，將抗性淀粉分為五類[5]，其中第三類抗性淀粉RS3，即回生淀粉，是指糊化后淀粉在凝沉過程中部分分子重新聚集成新的結晶體而難以被酶消化，主要存在于冷食物、油炸土豆片和面包等食品。因其抗酶解性最強，對熱穩定性好且產品安全性高，應用前景廣闊。RS3的制備方法主要有：壓熱處理法、螺桿擠壓法、微波輻射法、支鏈淀粉懸浮液脫支法、蒸汽加熱法等。超聲技術應用于淀粉領域，具有作用時間短、降解非隨機性、操作簡單易控制及能耗較低等優點，是淀粉改性的一種新型物理方法。

本研究采用的是超聲波輔助酸解法制備RS3(以下簡稱RS)。主要研究了超聲作用時間、酸的種類和濃度、淀粉乳濃度、酸解時間對RS含量的影響效果。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紅薯淀粉(食品級)：市售；葡萄糖(分析純)：天津市津北精細化工有限公司；胃蛋白酶：美國Ark公司；耐高溫α-淀粉酶：上海金穗生物科技有限公司；糖化酶：華邁科生物技術有限責任公司。

JSM-6460型掃描電鏡：日本電子JEOL社；Q100型差示掃描量熱儀：美國TA公司；Mini Flex 600型X射線粉末衍射儀：日本理學株式會社；KQ-5200DE型超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 抗性淀粉的制備

空白實驗及超聲條件的確定：稱取紅薯原淀粉5等份，分別加入到淀粉質量分數為15%的5份懸浮液中，在工作頻率40 kHz，超聲功率200 W，溫度40 ℃的恒溫水浴條件下超聲處理一定時間，然后升溫至95 ℃糊化30 min，自然冷卻后，在5 ℃下冷藏24 h，干燥。

酸的種類和濃度、淀粉濃度、冷藏時間的確定：稱取紅薯原淀粉若干等份，分別加入到不同濃度各種溶液種配成一定淀粉質量分數的懸浮液，在工作頻率為40 kHz，超聲功率為200 W，溫度為40 ℃的恒溫水浴條件下超聲處理一定時間，自然冷卻后，置于25 ℃的恒溫振蕩器中振蕩一定時間，再用0.25 mol/L的NaOH中和，然后升溫至95 ℃糊化30 min，自然冷卻后，在5 ℃下冷藏24 h，干燥。

1.2.2 Goni-DNS法測定抗性淀粉含量[6]

稱取2.1制備的樣品100 mg，加入10 mL的KCl-HCl pH為1.5的緩沖液和胃蛋白酶溶液(1 g胃蛋白酶溶于10 mL的pH 1.5的KCl-HCl緩沖液)0.2 mL，在38 ℃的恒溫60 min，自然冷卻至室溫，調節pH為6.0～6.4，加入7.5 mg的α-耐高溫淀粉酶，在95 ℃下振蕩30 min，冷卻至室溫，調pH值至4.5，向其中加入5 mg的糖化酶于60 ℃恒溫振蕩1 h,冷卻至室溫后，以3 000 r/min離心15 min，倒掉上清液，沉淀用80%的乙醇和蒸餾水分別清洗1次，在沉淀中加入4 mol/L的KOH 2 mL溶解沉淀，以濃度為37%的HCl調節pH至4.5，加入5 mg的葡糖淀粉酶在60 ℃下恒溫振蕩30 min，以3 000 r/min離心10 min，將上清液倒入容量瓶，水洗沉淀重復3次，合并上清液，用蒸餾水定容至100 mL，待用。

還原糖的含量計算，使用DNS法。取1 mL的上清液于25 mL的具塞試管中，向其中加入1 mL蒸餾水，2 mL DNS試劑，分別使其混合均勻，煮沸5 min，取出后用流水迅速冷卻，再用蒸餾水將其定容至25 mL，分別測定各溶液的吸光度，利用標準曲線計算出還原糖含量，根據公式計算抗性淀粉含量。

抗性淀粉含量=還原糖含量×0.9×100%

1.2.3 抗性淀粉的提純

稱取2.1制備的樣品10 g，加入KCl-HCl緩沖液1 L和胃蛋白酶溶液20 mL，38 ℃水浴保溫1 h，待其冷卻至室溫，用磷酸鹽緩沖液調節pH至6.8，加入耐高溫的α-淀粉酶0.75 g，95 ℃恒溫振蕩30 min，冷卻至室溫后，用醋酸鈉緩沖液調節pH到4.5左右，加入糖化酶0.5 g，在60 ℃下振蕩60 min，冷卻到室溫后，在3 500 r/min條件下離心20 min，棄上清液，用無水乙醇洗沉淀3次，收集沉淀，冷凍干燥。

1.2.4 結構表征及性質測定

1.2.4.1 DSC熱分析

稱取淀粉樣品1～3 mg于鋁坩堝中，在氮氣保護下，10 ℃/min的升溫速率，40～300 ℃的溫度范圍內進行掃描。記錄樣品的DSC圖譜。

1.2.4.2 掃描電鏡

測定條件為：工作電壓20 kV；加速電流15 mA，觀察并拍攝淀粉顆粒形貌。

1.2.4.3 X射線衍射測試

操作條件：Cu Kα輻射，掃描電壓40 kV，電流40 mA，掃描速度:8°/min，采樣寬度0.02°，掃描角度范圍為10°～60°。

2 結果與討論

2.1 淀粉的超聲處理及產物干燥方式的選擇

超聲波輔助淀粉酸解有兩方面作用[7]，一是經超聲作用導致淀粉分子發生降解，淀粉鏈斷裂，直鏈淀粉含量增加，聚合度降低；二是超聲作用破壞了淀粉的顆粒表面及結晶結構，淀粉化學反應活性增加[8-9]，據文獻報道，聚合度在100～610之間時，抗性淀粉含量隨淀粉鏈長增加而增大[10-11]。因此，超聲時間長短決定了淀粉聚合度大小，而聚合度大小又影響直鏈淀粉分子重排能力及RS含量。從表1可見，經超聲處理的RS含量均較未超聲的RS含量(4.531%)提高，而且隨著超聲時間延長，RS含量先增大后減小。因此，選定超聲15 min預處理淀粉乳。

表1 超聲波處理時間對RS含量的影響

采用兩種干燥方式：一種是在40～50 ℃烘箱烘干，干燥后的產品表面發黃易結塊；另一種是在-60～-65 ℃低溫下冷凍干燥，干燥后的產品為分散性良好的白色粉末(未提純的抗性淀粉)和白色片狀(提純的抗性淀粉)。因此，實驗采用冷凍干燥法處理產物。

2.2 酸的種類及濃度對抗性淀粉含量的影響

固定超聲時間15 min，淀粉乳濃度15%，酸解時間8 h，改變酸的種類及濃度，RS含量結果見表2。

表2 不同種類及濃度的酸對RS含量的影響

由表2可看出，RS含量均隨著酸的濃度的增大先升高后降低，以質量分數為1%的丙酸酸解的RS質量分數最高，為20.27%，其次是1.5%丙酸酸解的RS質量分數18.268%，再次是1%的乳酸酸解的RS質量分數16.403%，而0.5%的鹽酸酸解的RS質量分數最低，為6.886%。袁臘梅[12]進行酸水解法制備抗性淀粉，結果表明酸水解能有效提高大薯抗性淀粉的產率，且影響效果為檸檬酸>鹽酸>醋酸。吳亨[13]探討了抗性淀粉的制備工藝，發現在鹽酸、檸檬酸體系中制備抗性淀粉的效果優于醋酸體系，表明酸的種類和酸解體系中的pH值均影響抗性淀粉的生成。可見，RS含量與酸的種類及濃度都有關。

2.3 淀粉乳質量濃度的選擇

固定超聲時間15 min，1%丙酸溶液，酸解時間8 h，改變淀粉乳濃度，其RS含量見表3。

表3 淀粉乳濃度對RS含量的影響

從表3可見，在其他條件相同的情況下，隨著淀粉質量濃度從5%增大至25%，RS含量呈現先升高后降低的趨勢，且當淀粉質量濃度為20%時，RS含量最高。說明淀粉乳濃度過高或過低都不利于抗性淀粉的形成。當淀粉乳濃度較低時，產生的直鏈淀粉分子碰撞幾率低，因而不利于抗性淀粉的生成，RS含量低；當淀粉乳濃度較高時，淀粉顆粒難以充分膨脹、糊化，糊液黏度、流動性差，不利于直鏈淀粉分子相互接近，形成雙螺旋和結晶，亦不利于抗性淀粉形成，因而RS含量下降。

2.4 酸解時間對抗性淀粉含量的影響

固定超聲時間15 min，淀粉乳質量濃度20%，以1%的丙酸溶液酸解淀粉乳，所制備的RS含量結果見表4。

表4 酸解時間對RS含量的影響

從表4可見，在其他條件不變的情況下，隨著酸解時間的延長，RS含量呈現先增后減趨勢。當酸解4 h時，RS含量達到最大值。酸解時間太短，淀粉長鏈分子沒有充分降解，直鏈淀粉分子沒有完全游離出來，因而RS含量低；酸解時間太長，淀粉分子過度降解，造成直鏈淀粉分子聚合度太小，亦不利于抗性淀粉形成，RS含量降低。

2.5 結構表征

由圖1可見，處理前后淀粉顆粒形貌發生很大變化，紅薯原淀粉為表面光滑的多面體顆粒狀，粒徑小；形成抗性淀粉后，顆粒狀消失，變為粒徑大幅增加的表面布滿褶皺的片狀。這是因為紅薯淀粉經超聲、酸解、糊化、冷藏一系列處理后，結晶結構發生很大變化，在抗性淀粉的形成過程中，自由卷曲的直鏈淀粉分子相互靠近，通過分子間氫鍵形成雙螺旋，許多雙螺旋相互疊加形成許多微小的晶核，晶核不斷生長、成熟，成為更大的直鏈淀粉結晶。

圖1 紅薯原淀粉及抗性淀粉的掃描電鏡圖(×1 000)

由圖2可以看出，與原淀粉相比，超聲酸解處理后得到的抗性淀粉樣品的熱學特性有較大差異。紅薯原淀粉在86.6 ℃有一個寬而強的峰，為水分蒸發及支鏈淀粉熔融產生的吸收峰；抗性淀粉在96.7 ℃出現了一個寬而強的吸收峰。這是由于超聲酸解處理后，抗性淀粉的結構比原淀粉的結構整齊且緊密，相變溫度升高，也說明淀粉的熱穩定性升高了。另外，抗性淀粉在147 ℃還出現了一個強而尖銳的晶體相變吸熱峰，說明了抗性淀粉主要是由直鏈淀粉通過氫鍵形成致密的雙螺旋結構，因此破壞這種結構需要更多的熱量的結果。與文獻報道相吻合[14-15]。

圖2 紅薯原淀粉及RS的DSC曲線

圖3 紅薯原淀粉及RS的XRD圖譜

從圖3可以看出，紅薯原淀粉在15.2°、17.1°、18.1°、23.1°處出現較強衍射峰，晶型為A型；得到的抗性淀粉在17.2°、22.2°、24.1°處出現較強衍射峰，說明超聲酸解法處理后的淀粉的結晶結構發生轉變，RS晶型為B型。

3 結論

以紅薯淀粉為原料，采用超聲波輔助酸解法制備RS，確定了制備抗性淀粉的工藝條件為：以質量分數為1%的丙酸溶液酸解質量分數為20%的淀粉乳，依次經過超聲處理15 min，恒溫振蕩4 h，冷藏24 h，冷凍干燥，其抗性淀粉的含量為24.827%。由掃描電鏡、差示掃描量熱分析及X-射線衍射分析結果表明，經超聲酸解處理后，淀粉的結晶結構和表面形貌均發生轉變，其粒徑明顯增大，形貌由原來表面光滑的多面體顆粒狀變為表面有褶皺的片狀結構，晶型由A型轉變為B型。

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