微波-酶法制備甘薯抗性淀粉的工藝研究

朱木林，梁雯霏，李玉龍，李 歡，王 穎，陸國(guó)權(quán)

（浙江農(nóng)林大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品科學(xué)學(xué)院，浙江臨安311300）

微波-酶法制備甘薯抗性淀粉的工藝研究

朱木林，梁雯霏，李玉龍，李 歡，王 穎，陸國(guó)權(quán)

（浙江農(nóng)林大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品科學(xué)學(xué)院，浙江臨安311300）

以甘薯淀粉為原料，用微波輔助加熱酶法制備甘薯抗性淀粉，通過(guò)單因素和響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，確定其最佳工藝條件為：淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%，微波時(shí)間為300s，微波功率800W，普魯蘭酶添加量為78ASPU/g（淀粉干基），脫支處理時(shí)間為24h。在該實(shí)驗(yàn)條件下，抗性淀粉得率最高值為31.25%，可為今后甘薯抗性淀粉的制備及在食品工業(yè)中的應(yīng)用提供參考。

甘薯，抗性淀粉，普魯蘭酶，微波，工藝

抗性淀粉是指在小腸內(nèi)不能被消化，但在大腸中能部分發(fā)酵或完全發(fā)酵的淀粉或淀粉降解產(chǎn)物的總稱，是一種具有類似膳食纖維的功能性物質(zhì)[1]。近年來(lái)，抗性淀粉逐漸成為食品科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一，已有研究表明：其可酸化腸道環(huán)境，增加腸道有益菌群的數(shù)量，降低血清中血糖、血脂和膽固醇水平，對(duì)于預(yù)防心血管類疾病、降低結(jié)腸癌和痔瘡發(fā)病率等[2-6]方面均具有一定作用。

據(jù)世界糧農(nóng)組織（FAO）統(tǒng)計(jì)，2009年世界甘薯總產(chǎn)量超過(guò)1.065億噸，而近幾年來(lái)幾乎80%甘薯產(chǎn)自我國(guó)[7-8]。甘薯在我國(guó)已有400多年的種植歷史，其產(chǎn)量高、品質(zhì)好，品種資源豐富，為我國(guó)第四大農(nóng)作物。但目前對(duì)甘薯的開(kāi)發(fā)利用還處于初級(jí)階段，因此對(duì)甘薯淀粉進(jìn)行深加工，有必要進(jìn)行提高其生產(chǎn)利用價(jià)值的研究。甘薯淀粉產(chǎn)量大、品質(zhì)好、價(jià)格低廉，不失為一種理想制備抗性淀粉的原料。因而，本文將采用微波酶法制備甘薯抗性淀粉，通過(guò)響應(yīng)面設(shè)計(jì)優(yōu)化工藝參數(shù)，為甘薯抗性淀粉產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

甘薯淀粉 市售（食品級(jí)）；無(wú)水乙酸鈉（分析純） 溫州潤(rùn)華化工實(shí)業(yè)公司；冰乙酸、無(wú)水乙醇（分析純） 天津市永大化學(xué)試劑有限公司；氫氧化鉀、氫氧化鈉、氯化鈣（分析純） 西隴化工股份有限公司；疊氮化鈉、順丁烯二酸 阿拉丁試劑（上海）有限公司；普魯蘭酶（1000ASPU/m L，食品級(jí)） 江蘇銳陽(yáng)生物科技有限公司；抗性淀粉試劑盒（分析純） 愛(ài)爾蘭Megazyme公司。

DHG型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海申捷數(shù)碼科技有限公司；數(shù)顯水浴恒溫振蕩器 常州普天儀器制造有限公司；電子恒溫不銹鋼水浴鍋 上海宜昌儀器紗篩廠；渦旋混合器 VOSHIN-無(wú)錫沃信儀器有限公司；PHS-3C型pH計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司；電子分析天平 丹佛儀器（北京）有限公司；CMAG HS4型恒溫磁力攪拌器 德國(guó)IKA集團(tuán)公司；752PC型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì) 上海光譜儀器有限公司；TDL-40B型臺(tái)式離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠；粉碎機(jī) 溫嶺市林大機(jī)械有限公司；微波爐 廣

東美的微波爐制造有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 抗性淀粉的制備流程 甘薯淀粉乳→微波糊化→冷卻室溫→普魯蘭酶脫支→4℃冷藏12h→烘干粉碎→過(guò)100目篩→制得抗性淀粉樣品。

1.2.2 抗性淀粉含量測(cè)定方法 根據(jù)美國(guó)分析化學(xué)家協(xié)會(huì)（AOAC.2002.02）推薦的抗性淀粉試劑盒來(lái)測(cè)定樣品中抗性淀粉的含量[9]。

1.2.3 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 取適量的甘薯淀粉用pH5.2的醋酸/醋酸鈉緩沖液配成10%的淀粉乳液，微波加熱使其充分糊化。待其冷卻至室溫后，加入80ASPU/g的普魯蘭酶，在55℃恒溫水浴條件下，對(duì)甘薯淀粉進(jìn)行脫支反應(yīng)1d，取出并將其酶滅活，再放置在4℃冰柜中儲(chǔ)存12h。最后將所有樣品放在50℃烘箱中烘干，最后粉碎、過(guò)篩并測(cè)定其RS的含量。主要分別考察微波功率、微波時(shí)間、淀粉乳濃度、普魯蘭酶添加量及其作用時(shí)間等單一因素對(duì)甘薯抗性淀粉得率的影響。

1.2.4 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 在微波處理制備甘薯抗性淀粉的單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇了微波時(shí)間、甘薯淀粉乳濃度、普魯蘭酶添加量三個(gè)因素，研究其對(duì)微波制備甘薯RS得率的影響。通過(guò)采用響應(yīng)面設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)表1），確定其最佳制備工藝。

表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)Table 1 Factors and levels of response surfacemethod design

1.3 數(shù)據(jù)處理

每組實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次，采用DX7-Trial軟件設(shè)計(jì)，利用Origin7.0和WPS2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 微波功率對(duì)微波處理制備抗性淀粉含量的影響 從圖1可看出，甘薯抗性淀粉含量隨微波功率的增大一直增加，并在最大功率（800W）時(shí)抗性淀粉有較高的含量。與在640W的微波功率加熱條件（14.97%）相比，最大功率的抗性淀粉（26.81%）含量大大提升，約為其1.8倍。若加熱的功率過(guò)小，不足以達(dá)到使淀粉漿糊化或完全糊化，淀粉晶體結(jié)構(gòu)未遭到破壞從而對(duì)酶解脫支過(guò)程造成顯著的影響使RS難以形成，如80W時(shí)RS得率僅為8.38%?？剐缘矸酆孔兓S微波功率的增加不斷增大，因?yàn)楦吖β蕰?huì)產(chǎn)生更高的溫度，淀粉粒容易脹裂，淀粉結(jié)晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可能被破壞，在一定的時(shí)間范圍可以促進(jìn)RS含量的增加。

圖1 微波功率對(duì)制備甘薯RS含量的影響Fig.1 Effectofmicrowave power to sweetpotato RS content

2.1.2 微波時(shí)間對(duì)抗性淀粉得率的影響 由圖2可知，抗性淀粉得率隨微波時(shí)間的變化在4～6m in內(nèi)，甘薯RS含量達(dá)最大值32.29%，且RS得率隨時(shí)間的增加先增大后減小，并在加熱5m in左右時(shí)達(dá)最高值32.93%。微波加熱暴露出更多淀粉末端，冷卻后與普魯蘭酶進(jìn)行反應(yīng)。但若加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，淀粉粒過(guò)度裂解導(dǎo)致形成的淀粉鏈分子偏小，體系的粘度也增加，從而影響甘薯抗性淀粉的形成；如果加熱時(shí)間過(guò)短，淀粉漿糊化不完全，吸水膨脹不充分進(jìn)而減小其與酶反應(yīng)作用面積，也不利于甘薯RS形成。因此，選擇微波時(shí)間4、5、6m in為優(yōu)化水平中心值。

圖2 微波時(shí)間對(duì)抗性淀粉得率的影響Fig.2 Effect ofmicrowave time to RS content

2.1.3 淀粉乳濃度對(duì)微波處理制備抗性淀粉得率的影響 從圖3可看出，微波處理制備甘薯RS含量隨淀粉乳濃度的增加，先增大，后減小，并在淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%時(shí)達(dá)最大值（29.78%）。淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，淀粉濃度過(guò)低導(dǎo)致脫支程度低，形成的淀粉分子鏈過(guò)短，不利于RS的形成；而淀粉乳濃度過(guò)高（如16%），由于反應(yīng)體系粘度偏高，限制了普魯蘭酶與淀粉分

子充分接觸，從而影響得率。

圖3 淀粉乳濃度對(duì)微波處理制備RS含量的影響Fig.3 Effectof starch concentration to RS contentof microwave processing

2.1.4 普魯蘭酶添加量對(duì)抗性淀粉得率的影響 從圖4可看出，添加普魯蘭酶組抗性淀粉得率明顯高于未添加酶組（8.71%），且在酶用量為60ASPU/g時(shí)RS得率值達(dá)最高，為30.89%。在10～40ASPU/g范圍內(nèi)，RS增加量較小，可能是由于體系中的糊化淀粉塊體積不均且有少部分結(jié)塊過(guò)大，導(dǎo)致酶與淀粉反應(yīng)有效接觸面積減小所致，其具體原因有待進(jìn)一步研究。而用量從40ASPU/g增加到60ASPU/g時(shí)，RS含量明顯上升，可能是體系滲透壓增大，酶分子與淀粉塊作用的厚度增加，淀粉脫支更加充分，最終RS含量提高。但酶用量超過(guò)60ASPU/g時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的短直鏈淀粉分子過(guò)多且鏈長(zhǎng)過(guò)短，不利于形成長(zhǎng)直鏈淀粉，最后使抗性淀粉含量降低。

圖4 普魯蘭酶添加量對(duì)抗性淀粉得率的影響Fig.4 Effectof pullulanase enzyme adding amount to RS content

2.1.5 普魯蘭酶脫支時(shí)間對(duì)抗性淀粉得率的影響 將甘薯淀粉用微波處理糊化后，添加適量的普魯蘭酶進(jìn)行脫支反應(yīng)。從圖5可知，甘薯抗性淀粉含量隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，含量先增加后減少，并在脫支24h出現(xiàn)峰值（31.85%）。反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短均不利于抗性淀粉的生成，過(guò)短支鏈淀粉脫支度不夠，產(chǎn)生的短直鏈淀粉少；過(guò)長(zhǎng)形成的短直鏈淀粉濃度過(guò)高且聚合度過(guò)低，對(duì)回生淀粉分子的延長(zhǎng)有明顯影響，進(jìn)而影響甘薯抗性淀粉形成。因此，選擇較適宜的反應(yīng)時(shí)間對(duì)于抗性淀粉的制備很有必要。

圖5 普魯蘭酶脫支時(shí)間對(duì)抗性淀粉得率的影響Fig.5 Effect of pullulanase debranching time to sweetpotato RS content

2.2 制備工藝參數(shù)響應(yīng)面優(yōu)化

2.2.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用Box-Behnken設(shè)計(jì)，選取微波時(shí)間、普魯蘭酶用量、酶脫支時(shí)間為自變量，將抗性淀粉得率作為響應(yīng)值設(shè)計(jì)3因素3水平共17組實(shí)驗(yàn)（每組重復(fù)3次），以此研究所選因素對(duì)甘薯抗性淀粉得率的影響，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)編碼值及結(jié)果分別見(jiàn)表2和表3。

表2 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Results of response surface experiment design

以微波時(shí)間（m in）、酶用量（ASPU/g）、淀粉濃度（%）為考察因素，利用響應(yīng)面分析軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到甘薯抗性淀粉得率的二次多項(xiàng)回歸方程為：Y=31.06-0.71×A+0.93×B+0.80×C+0.78×A× B+0.38×A×C+0.96×B×C-1.78×A2-0.81×B2-1.66×C2。2.2.2 方差分析 從表3可知，普魯蘭酶用量和淀粉

乳濃度一次項(xiàng)顯著，微波時(shí)間和淀粉乳濃度的平方項(xiàng)極顯著，其余項(xiàng)均不顯著。模型的p值（p=0.0064＜0.01）差異極顯著，模型的變異系數(shù)R2為0.9095，其值越較接近1，表明該模型預(yù)測(cè)響應(yīng)值的效果較好[9]；變異系數(shù)C.V.%等于3.00＜10，表明其重復(fù)性、可靠性良好[10]；Adeq Precision=8.295＞4，表明該模型信噪比高，響應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度大，能夠用于擬合實(shí)驗(yàn)結(jié)果[11-12]。因此可利用該模型來(lái)確定微波酶法制備甘薯抗性淀粉得率的最佳工藝參數(shù)，且根據(jù)其p值的大小，可知各實(shí)驗(yàn)因素對(duì)其結(jié)果影響程度由大到小依次為酶用量、淀粉乳濃度和微波時(shí)間。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regressionmodel

2.2.3 各因素之間交互作用結(jié)果 根據(jù)Design expert 7.0分析得出，各因素之間交互作用圖（見(jiàn)圖6～圖8）。交互項(xiàng)均不具有顯著性。

圖6 微波時(shí)間與酶用量對(duì)RS得率的響應(yīng)面圖Fig.6 Response surface ofmicrowave time and pullulanase enzyme adding amounton RS content

圖7 微波時(shí)間與淀粉乳濃度對(duì)RS得率的響應(yīng)面圖Fig.7 Response surface ofmicrowave time and starch concentration on RS content

圖8 酶用量與淀粉乳濃度對(duì)RS得率的響應(yīng)曲面圖Fig.8 Response surface of enzyme adding amountand starch concentration on RS content

2.3.4 最優(yōu)條件驗(yàn)證 根據(jù)回歸方程可得理論最優(yōu)工藝條件，在微波時(shí)間303.08s，普魯蘭酶用量77.9ASPU/g，淀粉乳濃度11.01%時(shí)，甘薯抗性淀粉得率最高，且在該反應(yīng)條件下RS的理論值為31.6595%。考慮實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作，選擇微波時(shí)間300s，酶用量78ASPU/g，淀粉乳濃度11%分別進(jìn)行5次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，得出甘薯抗性淀粉得率均值為31.25%，與模型預(yù)測(cè)最優(yōu)條件下的理論值相當(dāng)接近，故微波酶法制備甘薯抗性淀粉工藝預(yù)測(cè)模型的可行性較好。

3 結(jié)論

通過(guò)微波輔助酶法單因素實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，得出微波酶法制備甘薯抗性淀粉最佳工藝條件為：在淀粉乳濃度為11%、微波功率為800W、微波時(shí)間300s、普魯蘭酶添加量78ASPU/g、脫支反應(yīng)24h時(shí)，甘薯抗性淀粉得率最高為31.25%。

在采用微波酶法處理制備甘薯抗性淀粉的過(guò)程中，除了本文考查的因素以外，還有一些其他的因素可能會(huì)影響甘薯抗性淀粉得率。如甘薯品種、淀粉提取工藝、反應(yīng)介質(zhì)pH及樣品烘干方式等對(duì)抗性淀粉的形成均有一定的影響，其具體作用還需要進(jìn)一步研究。另外，提高甘薯抗性淀粉得率，不僅可以增加甘薯淀粉的利用價(jià)值，而且可以為將來(lái)食品工業(yè)和保健品行業(yè)提供良好原料。

[1]Englyst HN，Kingman SM，Cummings JH.Classification and measurement of nutritionally important starch fractions[J]. European Journal of Clinical Nutrition，1992，46（2）：33-50.

[2]Kay MB，Daniel JS，Judith GH，et al.Consumption of both resistant starch and[beta]-glucan improves postprandial plasma glucose and insulin in women[J].Diabetes Care 2006，29（5）：976-981.

[3]Hassan Y，Charles C，Jacques B，et al.Effects of two fermentable carbohydrates（inulin and resistant starch）and their combination on calcium and magnesium balance in rats[J].The British Journal of Nutrition，2001，86（4）：479-485

[4]Lopez HW，Levrat-Verny MA，Coudray C，et al.Class 2 resistant starches lower plasma and liver lipids and improve mineral retention in rats[J].The Journal of Nutrition，2001，131（4）：1283-1289.

[5]別同玉，許加生，別同德，等.抗性淀粉衛(wèi)生保健功能及膳食應(yīng)用研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代預(yù)防醫(yī)學(xué)，2011，38（23）：4845-4848

[6]馮鑠涵，騫宇，闞建權(quán)，等.抗性淀粉種類對(duì)大鼠腸道代謝產(chǎn)物和血脂的影響[J].食品科學(xué)，2012，33（19）：289-294

[7]Food and Agriculture Organization of the United Nations. 2010.FAO Statistics.http：//faostat.org.Accessed Dec 16，2010.

[8]Harrison HF Jr，Jackson，DM.Greenhouse Assessment of Differences in Clomazone Tolerance among Sweetpotato Cultivars [J].Weed Technology，2011，25（3）：501-505.

[9]AOACMethods 2002.02.Resistant starch in starch and plant materials：enzymatic digestion[S].Association ofOfficial AnalyticalChemists（AOAC）OfficialMethods，2002.

[10]劉北平，全昌云，黃小兵，等.響應(yīng)面法優(yōu)化醇法提取茶皂素工藝研究[J].油脂加工，2013，38（6）：84-86

[11]Muralidhar，RV，Chirumamilla，R R，Marchant R，et al.A response surface approach for the comparison of lipase production by Candida cylindracea using two differrernt carbon sources[J]. Biochemical Engineering Journal，2001，9：17-23.

[12]汪穎，鄭寶東，張怡，等.響應(yīng)面法優(yōu)化壓熱法制備蓮子抗性淀粉工藝的研究[J].熱帶作物學(xué)報(bào)，2012，33（7）：1303-1308.

Study on microwave-enzymatic production of sweetpotato resistantstarch process parameters

ZHU M u-lin，LIANG W en-fei，LIYu-long，LIHuan，WANG Ying，LU Guo-quan
（Agricultural and Food Science Institute of Zhejiang A&FUniversity，Linan 311300，China）

The sweetpatato starch was used as raw material，in order to determine the optimum technologicalconditions of sweetpotato resistant starch by microwave-enzyme method ，the single factor experiment andresponse surface experiment were carried out. Results showed that best technological conditions were asfollows：starch quality score 11%，microwave time 300s，microwave effect power 800W，pullulan enzyme addingamount of 78ASPU/g dry starch，debranching processing time 24h，Under such conditions to repeat validation，RS yield was up to 31.25%，it might provide certain reference for resistant starch of sweet potato preparationand application in the food industry.

sweetpotato；resistant starch；pullulan enzyme；microwave；process

TS235.2

：A

：1002-0306（2014）16-0180-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.16.032

2013－11－08 *通訊聯(lián)系人

朱木林（1988-），男，在讀碩士研究生，研究方向：食品加工與安全。

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金資助（CARS-11-B-18）。