普魯蘭酶酶解處理紅薯淀粉及其性質研究

劉程玲 胡煜瑩 王力翾 王魯峰,2

(華中農業大學食品科技學院1，武漢 430070) (環境食品學教育部重點實驗室；華中農業大學2，武漢 430070)

我國紅薯種植面積和產量分別占世界60%和80%左右。紅薯中淀粉含量高，一般塊根中淀粉質量分數占鮮重的15%～26%，高的可達30%。粉絲品質與淀粉中直鏈淀粉的含量密切相關，粉絲成型是淀粉分子在熱作用下直鏈淀粉分子發生重排形成熱不可逆凝膠的過程。由于天然存在的紅薯淀粉中直鏈淀粉含量偏低，制成的粉絲具有易斷條易糊湯等缺點，故從提高紅薯淀粉中直鏈淀粉含量的角度入手是改善紅薯粉絲品質的重要思路。普魯蘭酶是專一性的淀粉脫支酶，能夠專一性切開支鏈淀粉分支中的α-1,6糖苷鍵，與異淀粉酶不同，其能切下整個支鏈淀粉分支包括最小單位的分支，形成直鏈淀粉，最大限度地利用淀粉原料[1-2]，從而提高淀粉中直鏈淀粉含量。普魯蘭酶是一種在低pH條件下熱穩定的脫支酶，在pH值4.0～7.5范圍內穩定性較高，最適反應pH值為5.0～6.0；在溫度55～65 ℃范圍內活性較強，最適反應溫度為60 ℃[3]。目前我國對普魯蘭酶的研究還鮮見報道，但普魯蘭酶已被世界衛生組織推薦為食品級酶制劑，在食品中可以放心使用，所以普魯蘭酶的開發利用對食品加工領域具有重要的意義。重點研究了普魯蘭酶酶解處理對淀粉性質的影響，為改善紅薯粉絲品質的后續研究及應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅薯淀粉：安徽舒城大海淀粉有限公司；普魯蘭酶：1 000 ASPU/g：上海陸安生物科技有限公司。

直鏈淀粉、支鏈淀粉標準品：美國Sigma Alarich公司；檸檬酸、檸檬酸鈉、乙酸、95%乙醇、氫氧化鈉、碘、碘化鉀：分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 主要儀器與設備

PB-10型精密數顯pH計：德國Sartorius公司；MM40冷凍混合球磨機：德國萊馳公司5804R型高速冷凍離心機：德國Eppendorf股份公司；UV-180紫外分光光度計：艾本德中國有限公司；RVA-TecMASTER型快速黏度測定儀：瑞典Perten公司；DSC200F3差示掃描量熱儀：德國耐馳儀器制造有限公司；ADVNCE X衍射儀：D8英國馬爾文儀器有限公司；JSM-6390LV掃描電鏡：日本NTC公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 酶解淀粉的制備 稱取原紅薯淀粉各50 g于錐形瓶中，加入150 mL 0.1 mol/L檸檬酸—檸檬酸鈉緩沖液并攪拌均勻，將淀粉—水混合液pH調節至4.5左右，加入3 g(60ASPU/g)普魯蘭酶，搖勻，密封于55 ℃恒溫水浴振蕩器中反應15 h。

1.3.2 淀粉性質的測定

1.3.2.1 直鏈淀粉含量的測定 按GB/T 15683—2008 《大米直鏈淀粉含量的測定》方法測定。

1.3.2.2 淀粉掃描電鏡分析 將淀粉樣品研磨成粉末，于40 ℃下烘干48 h，均勻的涂抹于樣品臺上，并進行噴金處理，然后置于掃描電子顯微鏡下觀測，分別在2 000×，5 000×的放大倍數下觀察拍照。

1.3.2.3 淀粉X-射線衍射分析 采用X-射線衍射儀測定淀粉結晶性能，步進掃描法測量。X-衍射條件：Cukα輻射，管壓40 kV，管流50 mA，掃描范圍4°～60°，掃描速度8(°)/min。

1.3.2.4 淀粉溶解度和澎潤力的測定 稱取一定質量(m)的淀粉樣品加100 mL蒸餾水配制成1%(m/V)的淀粉—水懸液，分別在40、50、60、70、80、90 ℃不同溫度下中進行水浴，攪拌30 min，將淀粉糊倒入離心管，3 000 r/min轉速下離心20 min，將上層清液小心傾倒入平皿中，置于105 ℃烘箱中烘至恒重，稱得被溶解的淀粉的質量為A(g)，離心管中淀粉沉淀物質量為B(g)，溶解度為上清干燥物與總淀粉干重的比值，膨脹度為離心后淀粉糊重與糊中所含淀粉干重的比值。

式中：m為稱取淀粉樣品的質量；s為淀粉的溶解度。

1.3.2.5 淀粉透光率和凝沉性的測定

準確稱取一定量的淀粉，倒入燒杯，加入一定量蒸餾水，配制成1%(m/V)淀粉—水懸液，將燒杯置于沸水浴中攪拌30 min，使淀粉糊化，冷卻至室溫。以蒸餾水為空白對照，使用紫外分光光度計在620 nm波長下測定淀粉糊的透光率T。

準確稱取一定量的淀粉，倒入燒杯，加入一定量蒸餾水，配制成1%(m/V)的淀粉水懸液，將燒杯置于95 ℃水浴中保持攪拌30 min，使淀粉糊化，冷卻至室溫，把淀粉糊轉移至量筒中，每隔5 h觀測一次淀粉糊與上層清液的分層情況及界面的下降情況，以上層清液占淀粉糊總體積的百分比表示凝沉性。

1.3.2.6 淀粉凍融穩定性的測定 凍融穩定性的評判指標為析水率。稱取一定量的淀粉樣品，配制3.0%(m/V，以干基重計)的淀粉乳，在沸水浴中加熱30 min，并不時加入沸騰的蒸餾水保持原有體積，冷卻至室溫，轉入帶刻度的50 mL離心管中，放入-18 ℃的冰箱中冷凍，24 h后取出自然解凍，然后在3 000 r/min轉速下離心20 min，記錄析水的體積，每24 h循環一次。

1.3.2.7 淀粉糊化特性的測定 使用RVA快速黏度儀測定，根據GB 50093—2010，用105 ℃恒重法校正淀粉樣品的水分基。準確稱取3.0 g淀粉樣品放入RVA專用鋁盒內，用移液管加入25 mL蒸餾水，用旋轉攪拌器將淀粉和水攪拌均勻，放入RVA儀器進行測定，測定程序設置為升溫—降溫循環：先在50 ℃保持1 min，然后以12.16 ℃/min的速度在4 min內加熱至95 ℃，并保持5.5 min，再在4 min內冷卻至50 ℃，并保持4 min，旋轉漿的旋轉速度設定為在起始10 s內960 r/min,之后保持160 r/min至結束。

1.3.2.8 凝膠特性的測定

分別調配8%(m/V)的原紅薯淀粉和酶解紅薯淀粉乳，在沸水浴中糊化20 min后裝進50 mL的注射器中冷卻，在4 ℃下放置24 h后形成直徑4 cm的圓柱形凝膠。測試前將凝膠倒出切成直徑為4 cm高2 cm的小圓柱形體進行凝膠特性測定。具體測定參數如下：探頭：P36R型；感應力：0.196 2 N(20 g)；壓縮形變：50%；測試前速度：1.00 mm/s；測試速度：1.00 mm/s；測試后速度：1.00 mm/s。每次試樣重復6次，結果取平均值。

1.3.2.10 淀粉老化度的測定 將糊化后的淀粉樣品存放于4 ℃冰箱中，分別儲存1、28 d后再次進行DSC掃描，老化度為淀粉的老化焓與淀粉的糊化焓的比值。

1.4 數據處理

實驗數據采用Excel、Origin和SPSS 19.0軟件對數據進行相關性分析和逐步回歸分析，P<0.05為變化顯著，所有數據都是3次測試的平均值，數據的表示統一采用平均值±標準偏差(X±S)。表中同一列(行)中字母相同表示無顯著差異，字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

2 結果與討論

2.1 直鏈淀粉含量分析

參照GB/T 15683—2008進行直鏈淀粉標準曲線的繪制，制得直鏈淀粉標準曲線：y=0.987 1x+0.037 3，R2=0.995 9。y為不同濃度直鏈淀粉標準品在720 nm處的吸光值，x為不同濃度標準品中直鏈淀粉的含量。

由表1可知，原紅薯淀粉和酶解紅薯淀粉直鏈淀粉質量分數分別為24.06%和32.63%，淀粉經普魯蘭酶酶解處理后直鏈淀粉含量增加了8.57%。由于普魯蘭酶是專一性的淀粉脫支酶，在一定反應條件下能專一性切開支鏈淀粉分支中的α-1,6糖苷鍵，切下整個分支結構，形成直鏈淀粉，增加了紅薯淀粉中直鏈淀粉含量。淀粉的直鏈支鏈分子比例對酶解效率有很大影響，支鏈淀粉酶解脫支會產生短直鏈分子容易形成有序化重排，產生雙螺旋結構[4]，淀粉顆粒中的雙螺旋結構也對淀粉酶有一定的抵抗作用[5]，從而降低淀粉的酶解性，所以繼續酶解過程中由于產物短直鏈分子增多，會減緩酶解的速率，這是酶解過程較長一個重要原因，總體表現為原淀粉抗酶解。

表1 淀粉直鏈淀粉質量分數/%

注：同一列中均值數據后面的不同字母表示數據有顯著差異(P<0.05)，數據表示為樣本均值±標準差，下同。

2.2 掃描電鏡分析比較

由圖1可知，紅薯淀粉顆粒掃描電子顯微鏡下呈近似圓形或卵圓形，大小為直徑20 μm左右，大小和形狀均有一定的差別。原紅薯淀粉在電子顯微鏡下表面光滑，無破損痕跡；而酶解紅薯淀粉表面及內部結構出現了不同程度的損傷和侵蝕，表面變得不光滑，有裂痕，大部分呈現出不規則的多邊形，表明產生了酶解效果。

圖1 酶解紅薯淀粉與原淀粉電鏡圖

2.3 X-射線衍射分析比較

紅薯淀粉特有的晶體類型為C-型結構，由圖2可以看到原紅薯淀粉和酶解紅薯淀粉在15°和23°位置反射強烈，而且在17°和18°位置出現相連的雙峰，這是典型的Ca型晶體類型[6-7-8]。由酶解前后X-射線衍射曲線對比來看，可以明顯看出酶解紅薯淀粉比原紅薯淀粉峰強要強，在12°位置處，酶解紅薯淀粉比原紅薯淀粉峰減弱，表明普魯蘭酶在酶解過程中對紅薯淀粉的結構產生了作用。

通過對教學知識點及技能點的分析梳理，結合電商職業技能鑒定要求，擬建實踐教學基地建筑面積約200平方米，按照企業實際電商工作場景，引入企業真實工作沒項目，設置4個電商(商務秘書)職業場景實驗室，細分為19個具體項目，配置76個標準工作位，并依據企業真實項目靈活調整，以培養學生電商(商務秘書)實踐應用和創新創業能力為目標，將企業真實工作項目融入電商實踐課程。使教學內容具體化、任務化、場景化。每個項目任務都是電商(商務秘書)一項場景實驗室系列學習任務，教學內容安排圍繞電商場景實驗室任務來完成。

圖2 酶解淀粉與原淀粉X-射線衍射圖譜

2.4 淀粉溶解度和膨潤力的比較

淀粉溶解度和膨潤力在一定程度上反映了淀粉的持水能力和淀粉顆粒內部的鍵結合能力。由圖3可知，隨著溫度的升高，原紅薯淀粉和酶解紅薯淀粉的溶解度和膨潤力變化趨勢基本一致，兩者都隨著溫度的升高而增加。在熱作用下，淀粉顆粒間的相互作用被破壞，淀粉顆粒與水分子的相互作用增強，其溶解度和膨潤力增加。溫度低于70 ℃時，2種淀粉的溶解度和膨潤力區別不大；當溫度上升至70 ℃時，原紅薯淀粉的溶解度和膨潤力明顯高于酶解紅薯

圖3 淀粉在不同溫度下溶解度和膨潤力的對比

淀粉，說明酶解紅薯淀粉與原紅薯淀粉相比其淀粉顆粒內部的鍵結合力強。

2.5 淀粉透明度和凝沉性的比較

由表2可知經過普魯蘭酶酶解過的紅薯淀粉與原紅薯淀粉的透光率存在顯著差異，酶解紅薯淀粉透光率顯著增加，即透明度好。淀粉糊透明度的影響因素很多，主要與淀粉來源有關。一般來說，直鏈淀粉含量越高，淀粉的凝膠性越強，對光的透射能力越弱，透明度降低。此處酶解之后紅薯淀粉的透明度增加可能是由很多因素綜合作用的結果，不同來源的淀粉分子顆粒大小和結構不同，直支比也不同。此外，淀粉糊的介質及儲存時間對其透明度也有影響[9-10]。

表2 淀粉透明度/%

由圖4可知，隨著時間的推移酶解紅薯淀粉與原紅薯淀粉凝沉性均增加，且于30 h后趨于穩定。但酶解紅薯淀粉的凝沉性比原紅薯淀粉的凝沉性強，原因可能是原紅薯淀粉支鏈淀粉含量高，其分支結構多與水分子相互作用形成三維網狀結構，阻止了微晶束的形成，導致原淀粉的凝沉性較低。淀粉凝沉性的影響因素很多，淀粉的來源、直支比、顆粒結構、介質等都會有影響[11-12]。

圖4 淀粉凝沉性

2.6 淀粉凍融穩定性的比較

由表3可知，酶解紅薯淀粉與原紅薯淀粉吸水率之間存在顯著差異，淀粉隨著凍融次數的增加吸水率也增加，變化趨勢一致但酶解紅薯淀粉比原紅薯淀粉析水率要高，即凍融穩定性要差。目前大部分研究認為是因為淀粉中直鏈淀粉的含量會影響凍融穩定性，淀粉的凍融穩定性與直鏈淀粉含量呈負相關[13]，也有研究表明支鏈淀粉含量越高大米淀粉的總體凍融穩定性越高，高含量支鏈淀粉在凍融過程中會形成更多的空間位阻，減少了淀粉的老化重結晶并阻止水分子的析出從而降低吸水率[14-15]。淀粉凍融穩定性與淀粉的種類、淀粉凝膠的凍結速率以及淀粉凝膠體系中的其他組分有關[16]。綜合而言紅薯淀粉的凍融穩定性較差，不適合做冷凍食品。

表3 淀粉凍融穩定性

2.7 淀粉糊化特性的比較

由表4可知，原紅薯淀粉的峰值黏度顯著高于酶解紅薯淀粉，峰值黏度反映的是淀粉在糊化過程中淀粉顆粒的膨脹程度，由此說明原紅薯淀粉膨潤力較大，這與淀粉膨潤力的測定結果一致；酶解紅薯淀粉谷值黏度顯著高于原紅薯淀粉，表明酶解紅薯淀粉在高溫下的耐剪切能力比原紅薯淀粉強；酶解紅薯淀粉的衰減值與原紅薯之間存在顯著差異，顯著低于原紅薯淀粉，說明酶解紅薯淀粉的穩定性較好；酶解紅薯淀粉的最終黏度顯著高于原紅薯，表明酶解之后的紅薯淀粉糊硬度最大；回生值結果顯示酶解前后紅薯淀粉的回生值差異顯著，回生值的大小直接影響粉絲品質；酶解紅薯淀粉的糊化溫度升高，這是由于淀粉糊化溫度與直鏈淀粉含量呈正相關，而酶解后紅薯淀粉中直鏈淀粉含量增加。

2.8 淀粉凝膠特性的比較

由表5可知，酶解前后紅薯淀粉的凝膠特性的各參數均發生顯著變化，其中酶解紅薯淀粉與原紅薯淀粉相比硬度、咀嚼性和回復性均顯著增大，原因可能是淀粉酶解后直鏈淀粉含量增高，糊化后的淀粉凝膠在儲藏過程中更易重結晶，發生老化[17]。

2.9 淀粉熱力學性質的比較

由表6可知，酶解前后紅薯淀粉起始糊化溫度、峰值溫度、終止糊化溫度、糊化焓與原紅薯淀粉相比都發生了顯著變化，起始糊化溫度由63.70 ℃增加到71.75 ℃，峰值糊化溫度由72.35 ℃增加到76.20 ℃，終止糊化溫度由79.65 ℃增加到82.00 ℃，糊化焓(峰面積)由12.91 J/g增加到13.47 J/g。原紅薯淀粉中支鏈淀粉含量高，在較低溫度區間即可糊化，淀粉酶解后直鏈淀粉含量增加，在較高溫度區間糊化；直鏈淀粉含量的增加，會使淀粉分子間氫鍵作用增強，直鏈淀粉分子雙螺旋結構和微晶束的形成，使淀粉糊化所需能量增加，即糊化焓增加[18]，這表明酶解前后紅薯淀粉發生了一系列變化。淀粉糊化溫度的高低和糊化焓的大小與淀粉的來源、組成、顆粒結構、直支比等因素均有關。

表4 淀粉RVA譜特征值

表5 酶解淀粉與原淀粉凝膠特性

表6 紅薯淀粉酶解前后糊化熱力學參數

2.10 淀粉老化度的比較

由表7可知，淀粉在4 ℃條件下回生度與存放時間有很大的關系，存放1 d后并未出現吸熱峰，存放28 d之后酶解紅薯淀粉與原紅薯淀粉均發生老化且存在顯著差異，酶解紅薯淀粉比原淀粉的老化度顯著提高。這是因為是酶解之后紅薯淀粉中直鏈淀粉含量增加，糊化后更易發生老化。淀粉的老化特性與淀粉質食品的加工食用品質有密切關系[19]。

表7 淀粉老化熱力學參數

3 結論

紅薯淀粉經過普魯蘭酶酶解脫支處理后，直鏈淀粉含量增加，淀粉顆粒的微觀結構發生變化，表面出現空穴，比表面積增大，增加了潛在的反應位點，能加快化學反應速率；溶解度、膨潤力和凍融穩定性均發生不同程度降低，說明酶解后淀粉顆粒內部的鍵結合力增強，分子穩定性增加；透明度和凝沉性增強。淀粉的糊化特性和凝膠特性也發生一系列變化，峰值黏度和衰減值降低，說明酶解紅薯淀粉的穩定性較好；谷值黏度和最終黏度升高，表明酶解紅薯淀粉在高溫下的耐剪切能力比原紅薯淀粉強及酶解之后的紅薯淀粉糊硬度增大；凝膠參數顯示酶解紅薯淀粉的硬度、咀嚼性和回復性均增大。淀粉熱力學性質變化如下：糊化溫度、峰值溫度、終止糊化溫度和糊化焓都升高，4 ℃下存放28 d后淀粉老化度測試結果表明普魯蘭酶酶解后紅薯淀粉老化度的有所增加。經普魯蘭酶處理后的紅薯淀粉直鏈分子含量增加，其在紅薯粉絲品質提高方面具有應用前景。

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