纖維素酶-壓熱法制備馬鈴薯抗性淀粉工藝參數(shù)優(yōu)化

章麗琳，葉　陵，張　喻*（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科技學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.食品科學(xué)與生物技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

纖維素酶-壓熱法制備馬鈴薯抗性淀粉工藝參數(shù)優(yōu)化

章麗琳1，2，葉陵1，2，張喻1，2*
（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科技學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.食品科學(xué)與生物技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

為了提高抗性淀粉的得率，并獲得抗性淀粉制備方法的最佳工藝參數(shù)，該試驗(yàn)以馬鈴薯淀粉為原料，抗性淀粉得率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用纖維素酶-壓熱法制備馬鈴薯抗性淀粉。研究淀粉乳濃度、酶添加量、酶解時(shí)間、壓熱溫度、壓熱時(shí)間5個(gè)因素對(duì)馬鈴薯抗性淀粉得率的影響，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化得出馬鈴薯抗性淀粉的最佳制備工藝條件，即淀粉乳含量25%、淀粉乳pH 5.0、酶用量30 U/mL、酶解時(shí)間50 min、壓熱溫度125℃、壓熱時(shí)間30 min、老化溫度4℃、老化時(shí)間18 h，在此條件下抗性淀粉的得率為30.33%。

馬鈴薯抗性淀粉；纖維素酶；壓熱法；工藝優(yōu)化

抗性淀粉（resistant starch，RS）是指不能在健康人體小腸中消化吸收，而能在大腸中被發(fā)酵分解的一類淀粉及其降解物，是一種具有良好生理功能和食品加工特性的原料［1］。其具有降低甘油三酯和膽固醇含量、預(yù)防直腸癌和腸道疾病、改善腸道菌群、預(yù)防糖尿病、促進(jìn)維生素和礦物質(zhì)的吸收等生理功能［2-4］。根據(jù)其來(lái)源和抗酶解性的不同可將其分為4類：物理包埋淀粉（RS1）、抗性淀粉顆粒（RS2）、老化淀粉（RS3）、化學(xué)改性淀粉（RS4）［5］。其中，RS3是淀粉糊化后發(fā)生老化，直鏈淀粉和支鏈淀粉的線性部分發(fā)生重結(jié)晶得到的一種難以消化的淀粉，該類淀粉對(duì)熱十分穩(wěn)定，具有很高的商業(yè)價(jià)值［6］。

目前抗性淀粉的制備方法有壓熱法［7］、酶解法［8］、擠壓法［9］、微波結(jié)合酶法［10］等。其中，酶解法因其具有較高的安全性而被廣泛研究，所選用的酶主要有α-淀粉酶、普魯蘭酶、纖維素酶等［11］。纖維素酶處理可破壞纖維素等阻礙淀粉分子聚集的非淀粉物質(zhì)，從而可大大提高回生抗性淀粉的得率［11］。壓熱法是制備回生抗性淀粉較為常用的方法，通過(guò)高溫高壓作用使一定濃度的淀粉乳充分糊化，再利用淀粉的老化特性，在低溫條件下靜置一定時(shí)間，使淀粉糊慢速冷卻形成老化淀粉，即回生抗性淀粉［12］。

馬鈴薯在國(guó)內(nèi)種植面積廣、產(chǎn)量高，但至今仍處于加工利用初級(jí)階段。馬鈴薯淀粉比其他淀粉純度高、質(zhì)量好、易轉(zhuǎn)化，適宜生產(chǎn)抗性淀粉［13］。本試驗(yàn)將纖維素酶處理與壓熱法相結(jié)合制備RS3型馬鈴薯抗性淀粉，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以確定最佳的酶解-壓熱工藝，具有一定的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

馬鈴薯淀粉（其中淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為83.5%，含水率為16.5%）：甘肅興達(dá)淀粉工業(yè)有限公司；纖維素酶（15000U/g）、胃蛋白酶（1 200 U/g）：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；葡萄糖淀粉酶（100 U/mg）、α-淀粉酶（4 000 U/g）：上海柏卡化學(xué)技術(shù)有限公司；3，5-二硝基水楊酸（3，5-dinitrosa1icy1ic acid，DNS）、鹽酸、氫氧化鈉、氫氧化鉀、苯酚等（均為分析純）：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2儀器與設(shè)備

ZHWY-C2102恒溫培養(yǎng)振蕩器：上海智城分析儀器制造有限公司；LMQ.J立式滅菌器：山東新華醫(yī)療器械股份有限公司；101-2AB電熱鼓風(fēng)干燥箱：天津市泰斯特儀器有限公司；DL-1電子可調(diào)電爐：北京中興偉業(yè)儀器有限公司；TDZ5-WS臺(tái)式低速離心機(jī)：湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開(kāi)發(fā)有限公司；WFJ-7200可見(jiàn)分光光度計(jì)：尤尼柯（上海）儀器有限公司；MDJ-D4072磨豆機(jī)：廣東小熊電器有限公司。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1馬鈴薯抗性淀粉制備的工藝流程

馬鈴薯淀粉→溶解→調(diào)pH值→糊化→加酶酶解→壓熱處理→自然冷卻→回生（4℃）→烘干→粉碎→過(guò)篩

1.3.2酶法-壓熱處理工藝操作要點(diǎn)

稱取一定質(zhì)量的馬鈴薯淀粉，與水以一定比例混合，調(diào)pH至5.0，在80℃水浴中進(jìn)行糊化，冷卻至適宜溫度，加入一定量纖維素酶進(jìn)行酶解，放入高壓滅菌鍋中進(jìn)行壓熱處理，一定時(shí)間后取出冷卻至室溫，于4℃靜置18 h，取出后于室溫放置4 h，后放入60℃烘箱中烘干，粉碎，過(guò)100目篩，得到成品。

1.3.3馬鈴薯抗性淀粉的測(cè)定方法

參考GO?I I等［14］研究方法，將抗性淀粉轉(zhuǎn)換為葡萄糖進(jìn)行測(cè)定。稱取所制樣品5 g于100 mL燒杯中，加入pH值為1.5的HC1-KC1緩沖溶液25 mL，加入1 mL胃蛋白酶溶液，40℃恒溫振蕩1 h。用2 mo1/L HC1和0.5 mo1/L NaOH調(diào)節(jié)pH值為6.0，加入耐高溫α-淀粉酶溶液1 mL，在95℃恒溫振蕩30 min，水解可消化淀粉。調(diào)節(jié)pH值為4.0，加入1 mL葡萄糖淀粉酶溶液，70℃恒溫振蕩1 h，水解可消化淀粉為葡萄糖，冷卻、離心、棄去上清液，重復(fù)3次。加入5 mL 5 mo1/L 的KOH，水浴加熱并攪拌使抗性淀粉溶解，并用5mL5 mo1/L 的HC1進(jìn)行中和，加入1mL葡萄糖淀粉酶溶液，60℃恒溫水浴并保持不斷振蕩1 h。室溫冷卻并離心，合并上清液，用蒸餾水定容至100 mL。

采用3，5-二硝基水楊酸（dinitrosa1icy1ic acid，DNS）法測(cè)定還原糖含量（以葡萄糖計(jì)），馬鈴薯抗性淀粉得率計(jì)算公式如下：

馬鈴薯抗性淀粉得率=還原糖含量×0.9

式中：0.9為葡萄糖與脫水葡萄糖基之間的換算系數(shù)。

1.3.4單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在淀粉乳含量10%、淀粉乳pH 5.0、纖維素酶用量20U/mL、酶解溫度40℃、酶解時(shí)間60min、壓熱溫度120℃、壓熱時(shí)間30 min、老化溫度4℃、老化時(shí)間18 h的基礎(chǔ)上，相應(yīng)變換某因素的水平：淀粉乳含量5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%；纖維素酶用量20U/mL、30U/mL、40U/mL、50 U/mL、60 U/mL、70 U/mL；酶解時(shí)間20 min、30 min、40 min、50 min、60 min、70 min；壓熱溫度110℃、115℃、120℃、125℃、130℃、135℃；壓熱時(shí)間20 min、30 min、40 min、50 min、60 min、70 min。按1.3.1的方法制備抗性淀粉，1.3.3的方法測(cè)定抗性淀粉得率，考察各因素對(duì)抗性淀粉得率的影響。

1.3.5正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇淀粉乳含量、壓熱溫度、酶解時(shí)間為影響因素，以馬鈴薯抗性淀粉得率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行L9（33）正交試驗(yàn)，探索最佳工藝條件，正交試驗(yàn)因素與水平如表1所示。

2　結(jié)果與分析

2.1單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1淀粉乳含量對(duì)抗性淀粉得率的影響

圖1　淀粉乳含量對(duì)抗性淀粉得率的影響Fig.1 Effect of starch milk content on resistant starch yield

由圖1可知，抗性淀粉得率隨淀粉乳含量增加而上升，當(dāng)?shù)矸廴楹繛?0%時(shí)抗性淀粉得率最高，為22.6%，隨后逐漸降低，淀粉乳含量過(guò)高或過(guò)低都不利于抗性淀粉的形成。淀粉乳含量過(guò)低，水分含量過(guò)高，直鏈淀粉分子相互接近的概率減少，難以接近形成結(jié)晶；而淀粉乳含量過(guò)高，淀粉顆粒難以充分膨脹、糊化，淀粉糊黏度很大，分子鏈之間相互影響較大，不利于直鏈淀粉分子相互接近，形成抗雙螺旋和結(jié)晶［15］。故選擇淀粉乳含量為20%最佳。

2.1.2纖維素酶用量對(duì)抗性淀粉得率的影響

圖2　纖維素酶用量對(duì)抗性淀粉得率的影響Fig.2 Effect of cellulase addition on resistant starch yield

由圖2可知，纖維素酶用量對(duì)抗性淀粉得率的影響較小?？剐缘矸鄣寐孰S纖維素酶用量的增加而上升，當(dāng)纖維素酶用量為30～40 U/mL時(shí)，抗性淀粉得率較高，隨后緩慢降低，纖維素酶用量過(guò)高或者過(guò)低都不利于抗性淀粉的形成。酶用量過(guò)低，分子被切斷程度不夠，分子鏈過(guò)長(zhǎng)，不易形成晶體；酶用量過(guò)高，分子鏈被切的過(guò)短，小分子運(yùn)動(dòng)過(guò)快，不利于結(jié)晶的形成，同時(shí)伴隨生成的小分子糖類也會(huì)阻礙抗性淀粉的生成，同時(shí)也會(huì)使淀粉糊的黏度增大，不利于直鏈淀粉分子相互接近形成結(jié)晶［16］。因此選擇纖維素酶用量30 U/mL為宜。

2.1.3酶解時(shí)間對(duì)抗性淀粉得率的影響

圖3　酶解時(shí)間對(duì)抗性淀粉得率的影響Fig.3 Effect of enzymolysis time on resistant starch yield

由圖3可知，隨著酶解時(shí)間的增加，抗性淀粉得率逐漸增大，在酶解時(shí)間為50 min時(shí)，抗性淀粉得率最大，為16.9%，酶解時(shí)間繼續(xù)增加，抗性淀粉得率下降。其原因是纖維素酶的作用時(shí)間過(guò)短，釋放的直鏈淀粉分子太少，不利于結(jié)晶，而且淀粉糊中直鏈分子的鏈過(guò)長(zhǎng)，太長(zhǎng)的鏈分子間斥力增大；纖維素酶的作用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，直鏈分子過(guò)短，分子質(zhì)量小的直鏈分子則運(yùn)動(dòng)較快，分子運(yùn)動(dòng)比較劇烈，而運(yùn)動(dòng)快的鏈碰撞在一起及穩(wěn)定的幾率相對(duì)較小，因此較難聚集，所以酶解時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，直鏈分子過(guò)短，也不利于晶體的形成［17］。因此選擇酶解時(shí)間50 min為宜。

2.1.4壓熱溫度對(duì)抗性淀粉得率的影響

圖4　壓熱溫度對(duì)抗性淀粉得率的影響Fig.4 Effect of autoclaving temperature on resistant starch yield

由圖4可知，壓熱溫度過(guò)高和過(guò)低都不利于抗性淀粉的形成，壓熱溫度在125℃時(shí)，抗性淀粉的得率較高，為17.2%。淀粉糊中抗性淀粉的形成可以看作是高聚物的結(jié)晶過(guò)程，高聚物的結(jié)晶過(guò)程與小分子類似，也包括晶核的形成和晶粒的生長(zhǎng)兩個(gè)步驟，結(jié)晶的速度是由成核速度，晶體生長(zhǎng)速度共同決定的［18］。壓熱溫度低時(shí)，淀粉糊黏度增大會(huì)抑制晶體的生成，使抗性淀粉的生成受阻；當(dāng)壓熱溫度過(guò)高時(shí)，淀粉晶核遭到破壞，晶核不能夠正常形成，從而抑制了抗性淀粉的形成。因此選擇壓熱溫度125℃為宜。

2.1.5壓熱時(shí)間對(duì)抗性淀粉得率的影響

圖5　壓熱時(shí)間對(duì)抗性淀粉得率的影響Fig.5 Effect of autoclaving time on resistant starch yield

由圖5可知，壓熱時(shí)間對(duì)抗性淀粉得率的影響較小。隨著壓熱時(shí)間增加，抗性淀粉得率增大，當(dāng)壓熱時(shí)間為30～50 min時(shí)抗性淀粉得率相對(duì)較高，壓熱時(shí)間繼續(xù)增加，抗性淀粉的得率會(huì)下降。壓熱時(shí)間過(guò)短，淀粉未充分吸水釋放出足夠的直鏈淀粉，直鏈淀粉分子尚未完全游離出來(lái)，不利于直鏈淀粉分子間相互接近形成結(jié)晶；壓熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成淀粉分子發(fā)生過(guò)度降解，產(chǎn)生一些相對(duì)分子質(zhì)量小的短鏈直鏈淀粉，這也不利于抗性淀粉的形成。因此選擇壓熱時(shí)間30℃為宜。

2.2優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，固定纖維素酶用量為30 U/mL、壓熱時(shí)間為30 min，選擇淀粉乳含量、壓熱溫度、酶解時(shí)間進(jìn)行L9（33）正交試驗(yàn)確定制備馬鈴薯抗性淀粉的最佳工藝條件，正交試驗(yàn)結(jié)果與分析見(jiàn)表2，方差分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表2　馬鈴薯抗性淀粉制備工藝條件優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果與分析Tab 2 Results and analysis of orthogonal experiments for preparation processing conditions of potato resistant starch optimization

表3　正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析Tab 3 Variance analysis of orthogonal experiments results

由表2可知，各試驗(yàn)因素對(duì)抗性淀粉得率影響大小順序?yàn)椋好附鈺r(shí)間＞淀粉乳含量＞壓熱溫度，最佳工藝組合為A3B2C2。在此工藝條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，重復(fù)3次，得到抗性淀粉得率為30.42%、30.25%、30.33%，平均值為30.33%，高于正交試驗(yàn)結(jié)果中最高得率，說(shuō)明此正交優(yōu)化得出的制備工藝條件可行。故采用纖維素酶-壓熱協(xié)同方法制備馬鈴薯抗性淀粉的最佳工藝組合為淀粉乳含量25%、纖維素酶用量30 U/mL、酶解時(shí)間50 min、壓熱溫度125℃、壓熱時(shí)間30 min。

由表3可知，淀粉乳含量、壓熱溫度、酶解時(shí)間對(duì)抗性淀粉得率具有顯著性影響（P＜0.05），且影響大小順序?yàn)槊附鈺r(shí)間＞淀粉乳含量＞壓熱溫度。

3　結(jié)論

本研究以馬鈴薯淀粉為原料，抗性淀粉得率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行正交試驗(yàn)，確定纖維素酶-壓熱法制備馬鈴薯抗性淀粉的最佳工藝條件為淀粉乳含量25%、淀粉乳pH 5.0、纖維素酶用量30 U/mL、酶解溫度40℃、酶解時(shí)間50 min、壓熱溫度125℃、壓熱時(shí)間30 min、老化溫度4℃、老化時(shí)間18 h。在此工藝條件下，馬鈴薯抗性淀粉的得率可達(dá)到30.33%。連喜軍等［7］單獨(dú)利用纖維素酶處理制備馬鈴薯抗性淀粉，其最高得率為17.748%；宋洪波等［12］單獨(dú)利用壓熱法制備淮山藥抗性淀粉，其最高得率為25.27%。說(shuō)明纖維素酶處理與壓熱法結(jié)合能夠提高抗性淀粉制備得率。

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Optimization of ce11u1ase-autoc1ave method process parameters for preparation of potato resistant starch

ZHANG Li1in1，2，YE Lin1，2，ZHANG Yu1，2*
（1.Co11ege of Food Science and Techno1ogy，Hunan Agricu1tura1 University，Changsha 410128，China；2.Hunan Province the Key Laboratory of Food Science and Biotechno1ogy，Changsha 410128，China）

In order to improve the yie1d of resistant starch and obtain the optimum process parameters for potato resistant starch preparation，using the potato starch as raw materia1，resistant starch yie1d as eva1uation indexes，potato resistant starch was manufactured by ce11u1ose-autoc1ave method. The effects of starch mi1k content，enzyme addition，enzymo1ysis time，autoc1aving temperature and time on potato resistant starch yie1d were researched.By sing1e factor experiments and orthogona1 experiments，the optimum process parameters for preparation of potato resistant starch were starch mi1k content 25%，starch mi1k pH 5.0，enzyme 30 U/m1，enzymo1ysis time 50 min，autoc1aving temperature 125℃，autoc1aving time 30 min，aging temperature 4℃and aging time 18 h.Under the conditions，the yie1d of resistant starch was 30.33%.

potato resistant starch；ce11u1ase；autoc1ave method；process optimization

TS210.9

A

0254-5071（2015）12-0105-04

10.11882/j.issn.0254-5071.2015.12.023

2015-10-27

湖南省教育廳優(yōu)秀青年項(xiàng)目（11B061）

章麗琳（1991-），女，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏。

張喻（1972-），女，教授，博士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏。