小麥抗性淀粉最佳制備工藝參數(shù)的研究

苑會功,王琳,龐歡,李衛(wèi)華

(石河子大學農學院農學系/新疆兵團綠洲生態(tài)農業(yè)重點實驗室,石河子832003)

小麥抗性淀粉最佳制備工藝參數(shù)的研究

苑會功,王琳,龐歡,李衛(wèi)華

(石河子大學農學院農學系/新疆兵團綠洲生態(tài)農業(yè)重點實驗室,石河子832003)

以小麥淀粉為原料,采用壓熱法和酸解法提取抗性淀粉,通過單因素試驗對這2種方法中的影響因子進行研究,并通過正交試驗確定壓熱法和酸解法生產小麥抗性淀粉的最佳工藝條件,為抗性淀粉工業(yè)化生產提供參考依據(jù)。結果表明:壓熱法中影響抗性淀粉生產的因素主次為壓熱溫度>淀粉乳濃度>放置時間>壓熱時間;壓熱法生產小麥抗性淀粉的最佳工藝條件為淀粉乳濃度30%,120℃壓熱處理40 min,4℃放置24 h,小麥抗性淀粉的平均產率達7.26%;酸解法中影響抗性淀粉生產的因素主次為鹽酸用量>沸水浴時間>淀粉乳濃度>酸解時間;酸解法生產小麥抗性淀粉的最佳工藝條件為鹽酸用量2%,淀粉乳濃度為15%,酸解時間2 h,沸水浴時間2.5 h,小麥抗性淀粉的平均產率達7.74%。

小麥;抗性淀粉;壓熱法;酸解法

Abstract:In this study,wheat starch was used for the purpose of investigating resistant starch preparation technologies,which included the autoclaving method and the acid hydrolysis method.Optimal technical parameters of producing wheat resistant starch in these two methods with single factor test,and orthogonal test.The results showed that the primary and secondary sequence of influence factors in resistant starch production with autoclaving method was autoclaving temperature,starch concentration,retrogradation time and autoclaving time respectively.The optimal parameters for wheat resistant starch production were that 30%starch concentration,p H value 6.0,120℃heated temperature and last for 40 minutes,4℃placement temperature and last for 24 hours,the average yield of wheat resistant starch was 7.26%.The primary and secondary sequence of influence factors in resistant starch production with acid hydrolysis method was that acid dosage,boil treatment time,starch concentration and acid hydrolysis time.The optimal parameters for wheat resistant starch production were that,2%acid dosage,15%starch concentration,2 hours acid hydrolysis time,2.5 hours boil treatment time,4℃placement temperature and last for 24 hours,and the average yield of wheat resistant starch was 7.74%.

Key words:wheat;resistant starch;autoclaving method;acid hydrolysis method

抗性淀粉是指不被健康人體小腸所吸收的淀粉及其分解物的總稱[1]。其類似于膳食纖維,具有獨特的生理功能[2],其對腸道有調節(jié)和保護作用;可以控制餐后血糖,防止糖尿病;能夠促進鋅、鈣、鎂離子的吸收;還可以防止脂肪堆積。同時它還具有良好的食品加工特性[2]。

近年來,國外有關抗性淀粉的制備研究較多,一些國家已在玉米和馬鈴薯等抗性淀粉的制備上取得了相關專利,如美國專利US3、US729和US38及歐洲專利 EP-A-0564893和 E-A-0688872等均以高直鏈玉米淀粉為原料,將脫支酶作為主要手段,結合不同干燥方式制備高抗性淀粉含量的產品[3]。而我國對抗性淀粉的制備研究開展較晚,尚處于起步階段。楊光等[4]的研究表明,在70%水份、150℃維持60 min條件下,可得到較高抗性淀粉含量。劉亞偉等[5]采用酸變性-沸水浴法制備甘薯抗性淀粉,利用酸快速水解無定型區(qū)支鏈淀粉,產生了更多直鏈淀粉,有利于淀粉老化,形成抗性淀粉,該方法制得抗性淀粉得率為13.91%。賽華麗等[6]采用酶法制備抗性淀粉,在糊化時加入耐熱α-淀粉酶,然后加入普魯蘭酶進行脫支處理,通過工藝參數(shù)優(yōu)化,得出在p H為 5.5,普魯蘭酶相對加入量為 1.5～2.5 NPUN/g干淀粉,60℃反應12 h條件下,小麥抗性淀粉得率為19.02%。

本研究以小麥淀粉為原料,采用壓熱法和酸解法制備抗性淀粉,通過單因素試驗對2種方法中的影響因子進行研究,并通過正交試驗確定壓熱法和酸解法生產小麥抗性淀粉的最佳工藝參數(shù),以期為抗性淀粉工業(yè)化生產提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗材料與試劑

春小麥品種新春6號于2009年春種植于石河子大學農學院試驗站,收獲后在xjocean-017CD1磨粉機上制粉。試劑有鹽酸、氫氧化鉀、3,5-二硝基水楊酸等,均為分析純。

1.1.2 儀器

SS-325高溫滅菌鍋、SHA-C恒溫振蕩器、722S分光光度計、DHG-9240AS型電熱鼓風干燥箱等。

1.2 方法1.2.1 壓熱法

取5 g小麥淀粉,加入5～45 mL水后攪拌均勻,加熱至70～120 ℃恒溫保持20～90 min后取出,室溫冷卻,于4 ℃儲藏6～48 h,烘干粉碎,過百目篩,此方法所用淀粉乳濃度、淀粉乳p H值、壓熱溫度、壓熱時間、放置時間設計詳見表1。

表1 壓熱法單因素試驗的因素水平Tab.1 Factors and levels of single factorial experiment of autoclaving method

1.2.1.1 壓熱法單因素試驗

壓熱法制備抗性淀粉主要影響因素有:淀粉乳質量分數(shù)、淀粉乳pH值、壓熱溫度、壓熱時間、放置時間等。

1.2.1.2 壓熱法正交試驗

在壓熱法單因素試驗考察的基礎上分別進行正交試驗,對影響抗性淀粉得率的因素進行優(yōu)化,按照正交試驗的結果調整各個因素的具體參數(shù)。

1.2.2 酸解法

取小麥5 g淀粉,加入5～45 mL水后攪拌均勻,稀鹽酸水解0.5～5 h后加堿中和,密封于沸水浴中反應0.5～5 h(此法所用酸用量、淀粉乳質量分數(shù)、酸解時間、沸水浴時間設計詳見表2),室溫冷卻,于4 ℃儲藏24 h,烘干粉碎,過百目篩。

表2 酸解法單因素試驗的因素水平Tab.2 Factors and levels of single factorial experiment of acid hydrolysis method

1.2.2.1 酸解法單因素試驗

酸解法制備抗性淀粉主要影響因素有:酸用量、淀粉乳質量分數(shù)、酸解時間、沸水浴時間。

1.2.2.2 酸解法正交試驗

在酸解法的單因素試驗考察的基礎上分別進行正交試驗,對影響抗性淀粉得率的因素進行優(yōu)化,按照正交試驗的結果調整各個因素的具體參數(shù)。

1.2.3 抗性淀粉含量測定

小麥籽粒在旋風精密粉碎機上磨粉,過80目篩。稱取(100±5)mg小麥面粉,參考王琳等[7]的方法測定抗性淀粉含量。

式(1)中,A1為樣品重,A2為標準葡萄糖重,0.9為淀粉與葡萄糖的轉換系數(shù),10.3為溶液總體積,W為樣品干重。

2 結果與分析

2.1 壓熱法制備小麥抗性淀粉

2.1.1 壓熱法單因素試驗

2.1.1.1 淀粉乳質量分數(shù)對抗性淀粉得率的影響

將小麥淀粉配制成質量分數(shù)分別為10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、50%的淀粉乳,調pH值為6.0,120℃壓熱處理30 min,4℃放置24 h。干燥,過篩。測各樣品抗性淀粉的含量(圖1)。

由圖1a可以看出,在淀粉乳質量分數(shù)較低時,抗性淀粉的得率隨著淀粉乳質量分數(shù)的增加而增加,當?shù)矸廴橘|量分數(shù)達30%時,抗性淀粉的得率最高為8.62%,后又隨著淀粉乳質量分數(shù)的增加而降低。

2.1.1.2 淀粉乳p H值對抗性淀粉得率的影響

將淀粉配制成質量分數(shù)為30%的淀粉乳,分別調節(jié)p H 值為 5、6、7、8、9,120 ℃壓熱處理 30 min,4℃放置24 h。干燥,過篩。測各樣品抗性淀粉的含量,結果見圖1b。

由圖1b可以看出,p H值在6～7時,抗性淀粉產率較高。p H值過高或過低,抗性淀粉的產率均呈下降趨勢。其原因可能是在偏酸或偏堿的條件下不利于淀粉分子分子間氫鍵的形成。但p H值對抗性淀粉產率的影響并不顯著。

圖1 淀粉乳不同因素對抗性淀粉得率的影響Fig.1 Effect of different starch factors on yield of resistant starch

2.1.1.3 壓熱溫度對抗性淀粉得率的影響

將淀粉配制成質量分數(shù)為30%淀粉乳,pH值為6.0,分別在溫度為 70、80、90、100、110、120 ℃壓熱處理,保溫30 min,4℃靜置24 h,測定各樣品抗性淀粉含量。試驗中采用高壓滅菌鍋及恒溫水浴鍋加熱,最高可達121℃。因此,在70～120℃時設置了溫度梯度。不同糊化溫度對抗性淀粉產率的影響見圖2。

從圖2a可以看出,抗性淀粉的產率隨著壓熱溫度的提高而提高,初始階段增量明顯,隨著溫度繼續(xù)升高,其增量趨于平緩。在溫度低于90℃的條件下,抗性淀粉的產率很低,在120℃以上,幾乎所有的淀粉分子均從破裂的淀粉粒中游離出來。2.1.1.4 壓熱時間對抗性淀粉得率的影響

將淀粉配制成質量分數(shù)為30%的淀粉乳,調p H 值為 6.0,120 ℃壓熱處理 20、30、40、50、60、70、80、90 min,4 ℃放置24 h。烘干,過篩,測各樣品抗性淀粉的含量,結果見圖2b。

從圖2b可以看出,隨著壓熱時間的延長,抗性淀粉的產率增加,至40 min時達到最高產率,之后隨著壓熱時間的延長,抗性淀粉的產率開始下降。

圖2 壓熱不同條件對抗性淀粉得率的影響Fig.2 Effect of different autoclaving conditions on yield of resistant starch

2.1.1.5 放置時間對抗性淀粉得率的影響

將淀粉配制成質量分數(shù)為30%的淀粉乳,調p H值為6.0,120℃壓熱處理30 min,4℃條件下放置 2、6、12、24、36、48 h,烘干 ,過篩 ,測定各樣品抗性淀粉的含量,結果見圖3。

由圖4可知,抗性淀粉在靜置2 h時得率并不高,但在靜置到6 h后,抗性淀粉得率迅速提高。在靜置12～24 h,產率上升緩慢,然后隨著靜止時間的延長,抗性淀粉得率的增量趨于平緩。

圖3 放置時間對抗性淀粉得率的影響Fig.3 Effect of different incubation time on yield of resistant starch

2.1.2 壓熱法正交試驗

在單因素試驗的基礎上,采用L16(44)正交表進行4因素4水平正交試驗設計(由于p H值對抗性淀粉產率的影響不是十分顯著,因此沒有選擇p H值進行正交試驗),以期獲得最優(yōu)組合。

試驗因素與水平見表3,試驗結果見表4。

表3 壓熱法制備小麥抗性淀粉的因素水平Tab.3 Factors and levels of autoclaving method

由表4可以看出,壓熱法制備抗性淀粉中各因素對結果的影響主次順序為:壓熱溫度>淀粉乳質量分數(shù)>放置時間>壓熱時間,最佳因素的組合為A3B4C2D3,即淀粉乳質量分數(shù)為30%,壓熱溫度120℃,壓熱時間40 min,放置時間24 h。經過驗證試驗,小麥抗性淀粉的平均產率達到7.26%。

表4 L16(44)試驗方案及結果分析Tab.4 L16(44)test plan and result analysis

2.2 酸解法制備抗性淀粉

2.2.1 酸解法單因素試驗

2.2.1.1 酸用量對抗性淀粉得率的影響

將淀粉配制成質量分數(shù)為20%的淀粉乳,加入0.5%、1%、1.5%、2%、3%、4%、5%的稀鹽酸(占淀粉干重的百分比),酸解時間2 h,沸水浴2 h,4℃放置24 h。烘干,過篩,測各樣品抗性淀粉的含量,結果見圖4a。

由圖4a可知,隨著鹽酸用量的增加,抗性淀粉得率上升明顯,鹽酸用量為淀粉干重的1%時出現(xiàn)最大值,然后逐漸下降。用鹽酸酸解淀粉乳液時,可引起淀粉分子糖苷鍵的水解,分子變小,從而有利于分子的締合。

2.2.1.2 淀粉乳質量分數(shù)對抗性淀粉得率的影響

將小麥淀粉配制成質量分數(shù)為 5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%的淀粉乳 ,固定稀鹽酸用量為淀粉質量的2%,酸解時間2 h,沸水浴2 h,4℃放置24 h。烘干,過篩,測各樣品抗性淀粉的含量,結果見圖4。

由圖4b可以看出,淀粉乳質量分數(shù)不同,抗性淀粉得率變化明顯。當?shù)矸廴橘|量分數(shù)達到10%～15%時,抗性淀粉得率最高。淀粉乳質量分數(shù)過高或過低都不利于抗性淀粉的形成。當?shù)矸廴橘|量分數(shù)適宜時,經充分糊化后,可使分子容易締合,從而提高抗性淀粉得率。

圖4 酸用量和淀粉乳濃度對抗性淀粉得率的影響Fig.4 Effect of different acid dosage and starch concentration on yield of resistant starch

2.2.1.3 酸解時間對抗性淀粉得率的影響

將淀粉配制成質量分數(shù)為20%的淀粉乳,稀鹽酸用量為淀粉質量的2%,酸解處理0.5、1、1.5、2、3、4、5 h,沸水浴 2 h,4 ℃放置 24 h。烘干 ,過篩 ,測各樣品抗性淀粉的含量,結果見圖5a。

由圖5a可知,隨著酸解時間的延長,抗性淀粉得率先上升,出現(xiàn)最大值后逐步下降。一定的酸解時間有助于充分水解無定型淀粉,但如果酸解時間過長,淀粉分子鏈被水解的過短,反而了影響淀粉分子重新形成有序的排列。

2.2.1.4 沸水浴時間對抗性淀粉得率的影響

將淀粉配制成質量分數(shù)為20%的淀粉乳,稀鹽酸用量為淀粉質量的2%,酸解2 h,沸水浴處理0.5、1、1.5、2、3、4、5 h,4 ℃放置 24 h。烘干 ,過篩 ,測定各樣品抗性淀粉的含量,結果見圖5b。

由圖5b可知,隨著沸水浴時間的延長,抗性淀粉得率上升,但到達一定時間后,抗性淀粉得率隨著沸水浴時間的延長而下降。沸水浴時間影響著淀粉鏈充分伸展的程度,如果沸水浴時間過長,造成淀粉鏈過度斷裂,短淀粉鏈過多,從而影響淀粉鏈的有序排列,不利于抗性淀粉的形成。

圖5 酸解時間和沸水浴時間對抗性淀粉得率的影響Fig.5 Effect of different acid hydrolysis and boil time on yield of resistant starch

2.2.2 酸解法正交試驗

在單因素試驗的基礎上,采用L16(44)正交表進行四因素四水平正交試驗設計,以期獲得最優(yōu)組合。試驗因素與水平見表5,試驗結果見表6。

由表6可知,酸解法制備抗性淀粉中各因素對結果的影響主次順序為:C(酸用量)>A(沸水浴時間)>D(淀粉乳質量分數(shù))>B(酸解時間),最佳因素的組合為A2B3C3D2,即鹽酸用量2%,淀粉乳質量分數(shù)為15%,酸解時間2h,沸水浴時間2.5 h。驗證試驗結果顯示,小麥抗性淀粉的平均產率達到7.74%。

表5 酸解法制備小麥抗性淀粉的因素水平Tab.5 Factors and levels of acid hydrolysis method

3 討論

壓熱法制備抗性淀粉中壓熱溫度對抗性淀粉得率的影響最大,這是因為直鏈淀粉的特定部位能形成穩(wěn)定的雙螺旋結構從而形成對酶解具有極強抗性的抗性淀粉晶體,在人體的胃腸內不能被消化[8],所以必須在足夠高的溫度下,使原淀粉完全糊化,淀粉粒完全被破壞,同時釋放出直鏈淀粉分子。此外,在淀粉分子中,直鏈淀粉與脂類可形成直鏈淀粉-脂復合物,通常只有在95℃左右才能解離[9];其次是淀粉乳質量分數(shù)對抗性淀粉得率的影響,淀粉乳質量分數(shù)過高,淀粉粒難以充分膨脹、糊化,而且淀粉糊粘度很大,不利于直鏈淀粉分子相互接近,形成雙螺旋和結晶。淀粉乳質量分數(shù)過低,直鏈淀粉分子相互接近的概率減少,也不利于抗性淀粉的形成[10]。

在相同的壓熱溫度下,壓熱時間過短,可能使淀粉糊的粘度并未達到最佳的狀態(tài)或淀粉分子中的直鏈淀粉分子尚未完全游離出來,不利于抗性淀粉的形成;壓熱時間過長,造成淀粉分子發(fā)生過度降解,產生了一些小分子量、運動強烈、擴散速度大的短直鏈淀粉,較難聚集,也不利于形成抗性淀粉,從而影響了抗性淀粉產率的提高[11]。

抗性淀粉的形成是直鏈淀粉分子的重新結晶過程,根據(jù)結晶理論,直鏈淀粉結晶分2個階段[12]即晶核形成和晶體生長階段。晶核的形成是在較高的溫度范圍內進行的,當冷卻到一定溫度時,晶體開始生長。按結晶體成長理論,隨著靜置時間的延長,抗性淀粉的含量應該快速大量的增加。但淀粉糊在長時間的低溫靜置過程中,粘度也相應提高,使晶體的生長受到了阻礙,從而影響了抗性淀粉產量的提高。抗性淀粉形成與淀粉的老化有密切關系,一般認為p H在6～7時,淀粉老化速度較快有利于抗性淀粉產率的提高[13]。

酸解法制備抗性淀粉中酸用量對抗性淀粉得率的影響最大,用鹽酸酸解淀粉乳液時,可引起淀粉分子糖苷鍵的水解,分子變小,有利于分子的締合;其次是沸水浴時間對抗性淀粉得率的影響,如果沸水浴時間過長,會產生降解淀粉鏈的作用,造成淀粉鏈過度斷裂,短淀粉鏈過多,影響淀粉鏈的有序排列,不利于抗性淀粉的形成[14]。

采用酸變性和水熱處理相結合的方法制備抗性淀粉可以明顯提高抗性淀粉得率[15]。本研究通過壓熱法和酸解法制備抗性淀粉的對比,證明了酸解法可以提高抗性淀粉的產率。綜合生產成本、生產設備及使用壽命的條件,酸解技術具有成本低、投資少、產率高的優(yōu)點,在工業(yè)化生產抗性淀粉方面具有很好的應用開發(fā)前景。

本研究利用壓熱法制備抗性淀粉的最佳工藝參數(shù)與李光磊等[13]和劉愛華[11]在小麥和玉米上得到的結果大致相符。酸解法制備抗性淀粉參考阮少蘭等[14]在大米抗性淀粉制備上的方法,但結果不盡一致,主要是淀粉乳質量分數(shù)的差異,可能是由于小麥和大米淀粉中直/支鏈淀粉和抗性淀粉含量的差異所致。

4 結論

本研究采用壓熱法和酸解法制備小麥抗性淀粉,研究結果表明:

1)壓熱法制備小麥抗性淀粉的最佳工藝條件為:淀粉乳質量分數(shù)30%,120℃壓熱處理40 min,4℃放置24 h,小麥抗性淀粉的平均產率達到7.26%。

2)酸解法制備小麥抗性淀粉的最佳工藝條件為:鹽酸用量2%,淀粉乳濃度為15%,酸解時間2 h,沸水浴時間2.5 h,小麥抗性淀粉的平均產率達到7.74%。

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Optimal T echnical Parameters of Producing Wheat Resistant Starch

YUAN Huigong,WANG Lin,PANG Huan,LI Weihua
(Department of Agronomy,College of Agriculture,Shihezi University/The Key Laboratory of Oasis Eco-agriculture of Xinjiang Production and Construction Corps,Shihezi 832003,China)

S512;TS235.1

A

1007-7383(2010)04-0397-07

2009-09-21

新疆兵團博士基金項目(ZD2007JC05)

苑會功(1983-),男,碩士生,專業(yè)方向為小麥遺傳育種和品質生理;e-mail:yuanhuigong@163.com。

李衛(wèi)華(1968-),女,副教授,從事小麥遺傳育種和品質生理研究;e-mail:lwh_agr@shzu.edu.cn。