魔芋膠提高擠壓山藥淀粉中抗性淀粉含量的工藝研究

摘要：抗性淀粉作為一種健康成分，對人體健康有著諸多積極影響，包括控制血糖和胰島素水平、促進腸道健康、控制體重。擠壓技術作為一種高溫、短時、連續的多功能熱機械技術，集混合、攪拌、剪切、加熱、熟化和成型于一體，且具有高效環保的特點。水分含量、擠壓溫度和螺桿轉速是影響擠壓效果的重要因素。該研究以抗性淀粉（RS）含量為響應值，采用Box-Behnken響應面分析法，通過單因素實驗和響應面實驗確定了水分含量、擠壓溫度和螺桿轉速的最佳組合。研究結果顯示，在山藥淀粉和魔芋膠的擠壓過程中，水分含量為30%、擠壓溫度為90℃、螺桿轉速為180 r/min時，抗性淀粉含量高達42.58%。該研究為山藥淀粉的利用和產品開發提供了重要的理論依據。

關鍵詞：魔芋膠；山藥淀粉；抗性淀粉；擠壓技術

中圖分類號：TS234 文獻標志碼：A 文章編號：1000-9973（2025）01-0041-05

Study on Process of Using Konjac Gum to Increase Resistant Starch Content in Extruded Yam Starch

HAO Meng-shuang， JI Xiao-long， SHI Miao-miao， YAN Yi-zhe^*

（College of Food and Bioengineering， Zhengzhou University of Light Industry， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： As a healthy component， resistant starch has many positive effects on human health， including controlling blood sugar and insulin level， promoting gut health and controlling weight. As a high-temperature， short-time， continuous multi-functional thermomechanical technology， extrusion technology integrates mixing， stirring， shearing， heating， curing and forming， and has the characteristics of high efficiency and environmental protection. Moisture content， extrusion temperature and screw speed are important factors affecting the extrusion effect. In this study， with resistant starch （RS） content as the response value， Box-Behnken response surface analysis method is used to determine the optimal combination of moisture content， extrusion temperature and screw speed through single factor experiment and response surface experiment. The results show that during the extrusion process of yam starch and konjac gum， the content of resistant starch is as high as 42.58% when the moisture content is 30%， the extrusion temperature is 90℃ and the screw speed is 180 r/min. This study has provided an important theoretical basis for the utilization and product development of yam starch.

Key words： konjac gum; yam starch; resistant starch; extrusion technology

收稿日期：2024-07-28

基金項目：國家自然科學基金（32202110）；河南省科技研發計劃青年科學家項目（225200810122）

作者簡介：郝夢爽（1997—），女，碩士，研究方向：淀粉改性及功能。

*通信作者：閆溢哲（1987—），男，教授，博士，研究方向：碳水化合物改性及功能。

山藥，屬于薯蕷科薯蕷屬，是世界上僅次于木薯、馬鈴薯和紅薯的第四大塊莖和根莖作物^[1]。山藥在中國具有悠久的食用和藥用歷史，它不僅營養豐富，而且含有一些次級代謝產物，可以帶來額外的健康益處，如調節血糖水平、控制膽固醇、脂肪攝入和高血壓^[2]。山藥是一種富含淀粉的植物，其淀粉含量占總鮮重的18%～25%。山藥淀粉的顆粒尺寸在15～30 μm之間，呈圓形或橢圓形，表面光滑、無裂痕^[3]。山藥淀粉在食品和醫藥領域具有廣泛的應用潛力，如山藥淀粉中支鏈淀粉含有高比例的長鏈，適用于酥脆食品、沙拉醬和現成甜點的生產。山藥淀粉富含抗性淀粉（RS），也可以作為原材料或輔助材料應用于功能性食品加工^[4]，這些特性使得山藥淀粉在食品工業中具有重要的開發和應用價值。

魔芋膠是來源于魔芋屬植物塊莖中的一種高分子量多糖，其主要成分是魔芋葡甘聚糖（KGM）^[5]。 KGM也是一種常用的食品添加劑，具有親水性、增稠性、乳化性和凝膠性等多種特性。同時，KGM具有多種健康益處，如緩解便秘、促進減肥、降低血脂、促進結腸中健康細菌的繁殖^[6]。

擠壓是一種重要的生產工藝，涉及各種操作的組合，包括混合、輸送、加熱、捏合、剪切和成型。在食品行業中，擠出技術已經被廣泛應用于食品和食品配料的生產^[7]。通過擠出，可以生產各種形狀和口感的食品，如膨化食品、肉制品、谷物食品等。擠壓技術不僅可以滿足消費者對食品多樣性的需求，而且可以提高生產效率，降低生產成本。此外，擠壓技術還可以實現食品的功能性定制，如添加營養成分、改善口感等，從而滿足不同消費群體的需求^[8]。

課題組前期研究發現，擠壓過程中魔芋膠的添加能顯著降低擠壓山藥淀粉的消化性，提高其抗性淀粉含量。本文旨在利用單因素實驗和響應面法，研究擠壓條件對山藥淀粉-魔芋膠擠出物中抗性淀粉含量的影響，以獲得最佳擠壓工藝。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鐵棍山藥：河南省焦作市溫縣；魔芋膠（黏度≥15 000 mPa·s）：上海源葉生物技術有限公司；無水乙醇（分析純）：天津市富宇精細化工有限公司；氫氧化鈉（分析純）：天津市大茂化學試劑廠；豬胰酶（8×USP，P7545）、淀粉葡萄糖苷酶（260 U/mL）：美國Sigma公司；GOPOD葡萄糖試劑盒（生物試劑）：愛爾蘭Megazyme公司。

1.2 儀器與設備

哈克Process 11臺式同向雙螺桿擠出實驗機 德國賽默飛世爾科技公司；LC-OES-200SH懸臂式電動攪拌機 上海力辰邦西儀器科技有限公司；DHG-9123A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司；1000A多功能粉碎機 永康市紅太陽機電有限公司；SHZ-82水浴恒溫振蕩器 江蘇金怡儀器科技有限公司；KQ-800DM高速離心機 四川蜀科儀器有限公司；752型紫外可見光分光光度計 上海菁華科技儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 山藥淀粉的提取

參照Jiang等^[9]的方法分離山藥淀粉。首先，將新鮮的山藥洗凈、去皮、切成薄片，用攪拌機粉碎。隨后，將勻漿置于100目篩上，并用去離子水反復洗滌。使濾液沉淀4 h后，棄去上清液。使用0.2%氫氧化鈉溶液4 L去除蛋白質。用去離子水洗滌沉淀物直至無色，并用無水乙醇（500 mL）除去殘留的雜質。將洗滌后的沉淀物過濾、干燥并通過100目篩篩分以獲得山藥淀粉。

1.3.2 擠壓工藝流程

在山藥淀粉中添加5%的魔芋膠，通過調節水分含量、擠壓溫度和螺桿轉速來制備所需樣品。

1.3.3 單因素實驗

以抗性淀粉含量為指標，進行單因素實驗，研究水分含量、擠壓溫度和螺桿轉速3個因素對擠出物抗性淀粉含量的影響。具體操作：以抗性淀粉含量為指標，在擠壓溫度為90℃、螺桿轉速為180 r/min的條件下，考察水分含量（25%、30%、35%、40%、45%）對抗性淀粉含量的影響；以抗性淀粉含量為指標，在水分含量為30%、螺桿轉速為180 r/min的條件下，考察擠壓溫度（80，90，100，110，120℃）對抗性淀粉含量的影響；以抗性淀粉含量為指標，在水分含量為30%、擠壓溫度為90℃的條件下，考察螺桿轉速（140，160，180，200，220 r/min）對抗性淀粉含量的影響。

1.3.4 響應面優化設計

在單因素實驗的基礎上，根據Box-Behnken實驗設計原理，以水分含量（A）、擠壓溫度（B）、螺桿轉速（C）為自變量，以抗性淀粉含量為響應值，設計響應面實驗，確定最佳擠壓工藝。響應面實驗因素與水平見表1。

1.3.5 抗性淀粉含量的測定

抗性淀粉含量的測定參照課題組之前的方法^[10]。取200 mg（干基）樣品置于50 mL離心管中，加入4 mL乙酸鈉緩沖溶液（0.1 mol/L，pH 5.2），充分混合后，將樣品置于水浴恒溫振蕩器中（100℃，30 min）進行糊化處理。處理完成后，將樣品冷卻至37℃，并加入1 mL混合酶溶液進行水解。在水解過程中，分別在20 min和120 min時取出0.1 mL水解溶液，與70% 4 mL的乙醇溶液充分混合，以滅活溶液中的酶。隨后，在5 000 r/min條件下離心10 min后，取出0.1 mL上清液與3 mL GOPOD混合，在45℃水浴顯色20 min。最后，用紫外分光光度計在510 nm處測定吸光度。同時，取0.1 mL空白溶液、0.1 mL標準葡萄糖溶液和0.1 mL去離子水分別作為樣品空白、標準和標準空白。通過下式計算快速消化淀粉（RDS）、慢消化淀粉（SDS）和抗性淀粉（RS）的含量：

RDS（%）=（G₂₀-FG）×0.9。

SDS（%）=（G₁₂₀-G₂₀）×0.9。

RS（%）=1-RDS-SDS。

式中：G₂₀和G₁₂₀分別表示水解20 min和120 min時的葡萄糖含量；FG表示水解前樣品中葡萄糖的含量。

1.3.6 數據處理

所有實驗重復3次，采用SPSS進行數據處理；采用Design-Expert 13進行Box-Behnken實驗設計；采用Origin 2022軟件繪圖。

2 結果分析

2.1 單因素實驗結果分析

2.1.1 水分含量對RS含量的影響

在擠壓過程中水分含量對淀粉的凝膠化程度、結晶度以及直鏈淀粉和支鏈淀粉的降解有著顯著影響^[11]。研究結果表明，水分含量對淀粉的可消化片段和分子結構也有一定影響^[12]。由圖1可知，隨著體系中水分含量的增加，抗性淀粉的含量呈現先升高后降低的趨勢，當水分含量為30%時，抗性淀粉含量最高。當水分含量較低時，單位物料吸收的熱能較多，淀粉降解程度大，導致淀粉的消化性升高^[13]；當水分含量較高時，淀粉顆粒吸水更加充分，更易糊化，其結晶結構被破壞得更加嚴重，因此導致抗性淀粉含量降低^[14]。因此，在進行響應面優化實驗時，選擇水分含量范圍為25%～35%。

2.1.2 擠壓溫度對RS含量的影響

擠壓溫度是影響淀粉消化性的重要因素之一。研究表明，擠壓溫度的變化顯著影響淀粉的結構和性質，進而影響其消化性能^[8]。一般來說，較高的擠壓溫度會導致淀粉顆粒破壞和凝聚，使其在消化過程中更容易被酶類分解。另一方面，較低的擠壓溫度可能使淀粉顆粒保持較完整的結構，從而降低其消化速度。因此，在食品加工過程中，控制好擠壓溫度對于調控淀粉的消化性能至關重要。此外，不同類型的淀粉對擠壓溫度的敏感程度也有所不同。

由圖2可知，當擠壓溫度為80～100℃時，抗性淀粉含量呈現先上升后下降的趨勢。當擠壓溫度為100～120℃時，抗性淀粉含量先降低后緩慢升高。淀粉糊化需要適宜的溫度，溫度過低，淀粉受熱不足；溫度過高，淀粉的降解程度大于糊化程度，淀粉結構可能會被過度破壞。由Zhang等^[15]的研究可知蕎麥淀粉的結晶度隨著擠出溫度的升高而降低。結晶結構的破環會增加淀粉與消化酶之間的可及性，從而提高消化率^[16]。擠壓溫度為120℃時的抗性淀粉含量高于110℃時，可能是因為魔芋膠與淀粉之間的相互作用在一定程度上限制了淀粉與酶的作用。Fan等^[17]的研究結果顯示，KGM可以減緩發酵小麥淀粉的水解，導致慢消化淀粉和抗性淀粉的含量增加。因此，在進行響應面優化實驗時，選擇擠壓溫度范圍為85～95℃。

2.1.3 螺桿轉速對RS含量的影響

雙螺桿擠壓機的螺桿結構包括混料區段、熔融區段、捏合區段和擠出區段，這些區段的設計和運行對于擠出物的性質和質量具有重要影響。通過螺桿轉速的改變，可使擠出物在腔體內的混合效果和滯留時間發生變化，從而引起淀粉結構的改變，影響最終產品的物理和化學特性^[18]。在工業生產中，了解螺桿轉速對抗性淀粉含量的影響對產品的生產和質量控制至關重要。通過調整螺桿轉速，在生產過程中可以更好地控制產品的抗性淀粉含量，從而實現產品品質的穩定和提升。此外，對螺桿轉速與淀粉結構破壞之間的關系進行深入研究，有助于優化生產工藝，提高生產效率，降低生產成本。

由圖3可知，當螺桿轉速在140～180 r/min時，隨著轉速的增加，樣品的抗性淀粉含量隨之升高。當轉速超過180 r/min時，抗性淀粉含量逐漸降低，這可能是因為在擠壓溫度和水分含量相同的條件下，當轉速較低時，淀粉在螺旋腔體內滯留的時間較長；當轉速較高時，淀粉受到的剪切應力增大，這兩種情況均可能導致淀粉結構被過度破環，易被消化。因此，合適的螺桿轉速有利于改善產品的品質。因此，在進行響應面優化實驗時，選擇螺桿轉速范圍為170～190 r/min。

2.2 響應面優化擠壓條件實驗結果分析

2.2.1 模型構建與方差分析

響應面實驗設計結果見表2。

采用Design-Expert 13軟件對表2中數據進行擬合，得到回歸方程：Y=42.94+4.20A-0.534 5B-1.08C-1.63AB-2.16AC-0.986 4BC-11.25A²-6.60B²-4.77C²。

回歸模型方差分析見表3。該回歸模型的P值lt;0.000 1，說明該模型極顯著，系數R²為0.991 1，失擬項不顯著（P＞0.05），說明模型誤差較小，校正決定系數R_Adj²為0.979 6，接近系數R²的值，說明模型的相關性和解釋度都很好，該分析結果表明模型具有較高的可靠性和預測能力。一次項C、交互項AB對抗性淀粉含量的影響顯著（P＜0.05），一次項A、交互項AC、二次項A²、B² 、C²對抗性淀粉含量的影響極顯著（P＜0.01）。由F值可知，3個影響因素中，水分含量對抗性淀粉含量的影響最大，螺桿轉速和擠壓溫度次之。

2.2.2 交互作用和響應面分析

采用Design-Expert 13軟件對實驗結果進行響應面圖的繪制，通過繪制3D響應面圖，可以清晰地觀察到不同因素之間的關系，而響應面圖的陡峭程度和等高線的偏離程度可以反映出交互作用的顯著程度。當響應面越陡峭、等高線越密集且越偏離圓形時，說明各因素之間的交互作用越顯著^[19]。響應面和等高線分析結果見圖4。

根據各因素交互作用的響應面圖和等高線圖可以看出水分含量和螺桿轉速的交互作用最強，對抗性淀粉含量的影響最大，其次是水分含量和擠壓溫度，最后是擠壓溫度和螺桿轉速，與方差分析結果一致。

2.2.3 最佳工藝條件驗證

根據Design-Expert 13軟件的分析，最佳工藝參數為水分含量31.028%、擠壓溫度89.728℃、螺桿轉速178.453 r/min，在此條件下，理論上抗性淀粉含量的預測值為43.475%。為了驗證實驗的可行性，采用優化后的參數進行驗證試驗，擠壓參數設定為水分含量30%、擠壓溫度90℃、螺桿轉速180 r/min，在此條件下進行3次重復試驗，測得抗性淀粉含量的平均值為42.58%，與預測值的誤差為0.895%，與模型的預測值沒有明顯差異，表明模型優化得到的擠壓工藝參數具有一定的可靠性。

3 結論

本文通過擠壓處理山藥淀粉和魔芋膠混合物，在單因素實驗的基礎上進行響應面分析，得出抗性淀粉含量最高的擠壓工藝：擠壓溫度為90℃，水分含量為30%，螺桿轉速為180 r/min。該研究結果對于魔芋膠提高擠壓山藥淀粉中抗性淀粉含量的工藝具有重要的指導意義，也為山藥基功能性食品的開發提供了理論依據。

參考文獻：

[1]WU Z G， AMEER K， HU C C， et al. Particle size of yam flour and its effects on physicochemical properties and bioactive compounds[J].Food Science and Technology，2022，42：43921.

[2]史苗苗，董雪娜，程艷秋，等.雙螺桿擠壓對山藥淀粉與大豆分離蛋白復合物結構和性能的影響[J].中國調味品，2023，48（4）：55-59，72.

[3]LAN X H， LI Y F， XIE S C， et al. Ultrastructure of underutilized tuber starches and its relation to physicochemical properties[J].Food Chemistry，2015，188：632-640.

[4]ZOU J H， LI Y， SU X J， et al. Structure and processing properties of nine yam （Dioscorea opposita Thunb） starches from South China： a comparison study[J].Molecules，2022，27（7）：2254.

[5]FANG W X， WU P W. Variations of konjac glucomannan （KGM） from Amorphophallus konjac and its refined powder in China[J].Food Hydrocolloids，2004，18（1）：167-170.

[6]MAO Y H， XU Y X， LI Y H， et al. Effects of konjac glucomannan with different molecular weights on gut microflora with antibiotic perturbance in in vitro fecal fermentation[J].Carbohydrate Polymers，2021，273（3）：118546.

[7]李博，譚樂和，張彥軍，等.擠壓改性對菠蘿蜜種子淀粉精細結構的影響[J].中國調味品，2019，44（5）：130-134，139.

[8]YE J P，HU X J， LUO S J， et al. Properties of starch after extrusion： a review[J].Starch-Strke，2018，70（11-12）：1700110.

[9]JIANG Q Q， GAO W Y， LI X， et al. Comparative susceptibilities to alkali-treatment of A-， B- and C-type starches of Dioscorea zingiberensis， Dioscorea persimilis and Dioscorea opposita[J].Food Hydrocolloids，2014，39：286-294.

[10]YAN Y Z， FENG L L， SHI M M， et al. Effect of plasma-activated water on the structure and in vitro digestibility of waxy and normal maize starches during heat-moisture treatment[J].Food Chemistry，2020，306：125589.

[11]LIU Y F， CHEN J， WU J Y， et al. Modification of retrogradation property of rice starch by improved extrusion cooking technology[J].Carbohydrate Polymers，2019，213：192-198.

[12]ZHANG Y T， XU F， WANG Q F， et al. Effects of moisture content on digestible fragments and molecular structures of high amylose jackfruit starch prepared by improved extrusion cooking technology[J].Food Hydrocolloids，2022，133（24）：108023.

[13]韓玲玉.多谷物共擠壓加工對其物化及消化特性影響研究[D].哈爾濱：東北農業大學，2019.

[14]侯景瑤，邢佳悅，尹紱聿，等.擠壓處理對玉米粉微觀結構及理化特性的影響[J].食品科學，2024，45（10）：217-223.

[15]ZHANG Z， ZHU M L， XING B， et al. Effects of extrusion on structural properties， physicochemical properties and in vitro starch digestibility of tartary buckwheat flour[J].Food Hydrocolloids，2023，135（10）：108197.

[16]SANDHU K S， SIROHA A K， PUNIA S， et al. Effect of heat moisture treatment on rheological and in vitro digestibility properties of pearl millet starches[J].Carbohydrate Polymer Technologies and Applications，2020，1（2）：100002.

[17]FAN X， LI X P， HU J W， et al. Physicochemical and in vitro digestibility properties on complexes of fermented wheat starches with konjac gum[J].International Journal of Biological Macromolecules，2021，188：197-206.

[18]王晨，吳衛國，趙俊杰，等.螺桿轉速與加水量對方便粥品質的影響[J].中國食品學報，2023，23（8）：296-305.

[19]陳坤林，張文莉，吳少福，等.響應面法優化擠壓膨化芡實工藝及結構表征分析[J].中國調味品，2022，47（10）：22-28.