微波聯(lián)合干燥制備錐栗抗性淀粉*

蘭冬梅，林曉嵐，顏誼穎，張嬌玲，許平，胡樹國

(福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福建 福州，350002)

抗性淀粉能夠與揮發(fā)性脂肪酸發(fā)生發(fā)酵反應(yīng)?？剐缘矸鄄荒鼙晃眨悄軌蜻M(jìn)入結(jié)腸，具有重要的生理功效，被認(rèn)為是膳食纖維的組成部分［1］。Englyst等人［2］根據(jù)淀粉消化時間的不同，將淀粉分為抗性淀粉、快速消化淀粉和慢消化淀粉?？剐缘矸劭捎糜谘泳彶秃笱撬缴仙?］，預(yù)防糖尿?。?］，促進(jìn)腸道有益微生物生長繁殖，預(yù)防結(jié)腸癌、冠心病等疾?。?］，具有促進(jìn)健康［6］和良好的保健作用［7］。

微波改性加熱效率高、滲透性強(qiáng)，能夠改善淀粉的物化性質(zhì)，自 1994 年以來，Muzimbaranda［8］，Grazyuna［9］等人陸續(xù)研究微波輻射對淀粉的影響，經(jīng)過微波改性的淀粉具有比容體積大、溶脹性低、糊化溫度高、反應(yīng)活性大和對酶敏感性強(qiáng)等特點(diǎn)［10］。我國錐栗野生資源以建甌等地的產(chǎn)量和質(zhì)量最優(yōu)［11］，謝濤等人研究了錐栗抗性淀粉的理化性質(zhì)［12］及消化前后的益生元特性［13］，本研究采用微波聯(lián)合熱風(fēng)干燥、冷凍真空干燥、真空干燥的方法，并利用響應(yīng)面優(yōu)化制備錐栗抗性淀粉。

1 材料與儀器

1.1 材料、試劑及儀器

新鮮錐栗:采購于南平市建甌。

抗性淀粉檢測試劑盒，Megazyme公司;直鏈淀粉檢測試劑盒;Megazyme公司;順丁烯二酸鈉(馬來酸鈉)，美國Sigma公司;醋酸鈉，冰醋酸，乙醇(體積分?jǐn)?shù)95%)，CaCl2·2H2，NaN3，KOH，均為國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

R5型微波爐，格蘭仕微波爐電器有限公司;HYCD-205型冰箱青島，海爾特種電器有限公司;JH-200型標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)篩，新鄉(xiāng)市金禾機(jī)械有限公司;UV754N型紫外分光光度計(jì)，上海儀電分析儀器有限公司;TDL-5-A型離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠;SHA-B型恒溫振蕩器，常州國華電器有限公司;DZF-6050真空干燥機(jī)，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;FDU-1000真空冷凍干燥機(jī)，TOKYORIKAKIKAI CO.LTD;DHG-9070恒溫電熱鼓風(fēng)干燥機(jī)，上海一恒科技有限公司;A11BS25粉碎機(jī)，德國IKA公司;VG3S25渦旋混勻器，德國 IKA公司;CMAGHS4S25磁力攪拌器，德國IKA公司;BSA224S分析天平，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司;REF 720060 SN 14565467;100 μL移液槍，德國 IKA公司;REF 705110 SN 06M17409連續(xù)分配器，德國IKA公司;MA35M-000230V1型水分含量測定儀，廣州儀科實(shí)驗(yàn)室技術(shù)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 錐栗抗性淀粉制備

新鮮錐栗→切口→凍藏→微波處理→脫殼→干燥處理→磨粉→過篩→檢測

1.2.2 操作要點(diǎn)

(1)切口。為防止微波處理時錐栗爆開產(chǎn)生危險(xiǎn)，對錐栗體表進(jìn)行切口，切口深度為2～3 mm，長度為1 cm。

(2)凍藏。實(shí)驗(yàn)中每10顆錐栗用自封袋分裝，放置于恒溫-20℃中凍藏。

(3)磨粉。脫殼后錐栗切片至5 mm厚，經(jīng)干燥后磨粉并過200目篩。

1.2.3 抗性淀粉檢測

抗性淀粉含量的測定:根據(jù)美國分析化學(xué)家學(xué)會推薦的 AOAC2002.02標(biāo)準(zhǔn)方法，采用愛爾蘭Megazyme公司出品抗性淀粉分析試劑盒測定抗性淀粉含量。

水分含量測定:將微波處理過的錐栗脫殼后，切片厚度為2 mm，稱取一定質(zhì)量進(jìn)行水分含量檢測。

1.2.4 單因素實(shí)驗(yàn)

在凍藏時間 0、1、2、3、4、5 d，微波輸出功率為240、320、400、480、560、640 W，微波處理時間 2、3、4、5、6、7 min，熱風(fēng)干燥、真空干燥和冷凍干燥，真空干燥時間為 6、12、18、24、30、36 h，真空干燥溫度為 45、50、55、60、65、70 ℃ 條件下，按照 1.2.2 節(jié)方法分別探討凍藏時間、微波輸出功率、微波處理時間、干燥方式、干燥時間、干燥溫度對微波聯(lián)合干燥對錐栗抗性淀粉含量的影響。

1.2.5 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選取微波輸出功率、微波處理時間、真空干燥時間、真空干燥溫度4個影響因子，以抗性淀粉含量為考察指標(biāo)，進(jìn)行響應(yīng)面分析試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)表見表。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels in the response surface design

2 結(jié)果與分析

2.1 響應(yīng)面法優(yōu)化微波聯(lián)合干燥制備錐栗抗性淀粉工藝

2.1.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及其抗性淀粉含量的測定

利用Design-Expert8.0.6軟件，根據(jù)Box-behnken中心組合設(shè)計(jì)原理，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，選取微波功率、微波時間、真空干燥溫度、真空干燥時間4個因素所確定的水平范圍，以抗性淀粉含量為響應(yīng)值，對以上工藝參數(shù)進(jìn)行響應(yīng)面分析，優(yōu)化制備工藝，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)及測量結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及抗性淀粉含量測定結(jié)果Table 2 Experimental design and results for the resistant starch content

2.1.2 回歸模型與方差分析

利用Design-Expert8.0.6軟件對表2中29組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，抗性淀粉含量的數(shù)學(xué)回歸模型如下:

R1=6.48+0.14×A+0.45×B+0.29×C-0.40×D-0.15×A×B+0.14×A×C-0.42×A×D+0.17×B×C+0.11×C×D-0.79×A2-0.75×B2-0.30×C2-0.44×D2

模型利用Design-Expert 8.0.6軟件的ANOVA分析響應(yīng)面的回歸參數(shù)，由表3可知擬合模型 P＜0.01，說明回歸模型極顯著。模型中的 B、C、D、A2、B2極顯著(P ＜0.01)，A、D、C2、D2顯著(P ＜0.05)。該方程的失擬項(xiàng)P＞0.05，說明模型的擬合度良好，試驗(yàn)無其他影響因素。由表3方差分析可得，各因素對抗性淀粉含量的影響大小不同，主次順序?yàn)锽＞D＞C＞A。

表3 回歸模型方差分析結(jié)果Table 3 Analysis of variance of the developed regression model

2.1.3 響應(yīng)面分析及工藝條件優(yōu)化

利用Design-Expert8.0.6軟件分析因素交互作用響應(yīng)圖面，通過該組圖可對任何2個因素交互影響抗性淀粉含量進(jìn)行分析與評價(jià)。由圖1～圖5可以看出，微波處理時間對錐栗抗性淀粉含量的影響最為顯著，表現(xiàn)為曲面較陡，真空干燥溫度和真空干燥時間次之，微波功率影響最小，其表面比較平滑，這與回歸分析結(jié)果吻合。

圖1 微波功率和微波時間對抗性淀粉含量影響的響應(yīng)面圖Fig.1 Response surface and contour plots showing the effects of microwave power and microwave time on the resistant starch content

由圖1和圖4可以看出，當(dāng)微波輸出功率和真空干燥時間一定時，抗性淀粉含量隨著微波處理時間迅速增加，達(dá)到最高值后開始降低，這說明微波處理時間會對錐栗抗性淀粉含量產(chǎn)生較大的影響。物質(zhì)對微波的吸收能力主要由介電常數(shù)和損耗正切來決定，在一般情況下，物質(zhì)的含水量越大，其介電損耗也越大，有利于加大微波的加熱效率，通過檢測，錐栗水分含量約為49%，隨著微波處理時間的增加，錐栗內(nèi)部的中心溫度迅速升高，導(dǎo)致水分迅速蒸發(fā)，從而提高微波加熱效率。而在微波交變電場下，大分子鏈由較大的空間阻礙作用和分子間的摩擦作用，使大分子鏈側(cè)基斷裂和主鏈上苷鍵斷裂［10］，處理時間的增長在一定范圍內(nèi)可以增加短直鏈淀粉的數(shù)量，而通過冷卻時的老化過程可以使相鄰的短直鏈淀粉相互之間以氫鍵結(jié)合，從而能夠有效地增加抗性淀粉的含量［14］，在本研究中，通過檢測原錐栗和經(jīng)過微波400 W處理4.2 min的錐栗，其直鏈淀粉含量由22.6%上升至26.0%，這與潘元風(fēng)等的觀點(diǎn)是一致的［15］，但當(dāng)溫度過高，短直鏈淀粉分子繼續(xù)分解產(chǎn)生大量小的短鏈分子，同時微波輻射的能量能夠一定程度破壞氫鍵，反而降低抗性淀粉的生成量。

圖5和圖6所示，當(dāng)微波處理時間和真空干燥時間一定時，錐栗抗性淀粉的含量隨真空干燥溫度的增大先增大然后迅速降低，這說明真空干燥溫度過高會對錐栗抗性淀粉的含量產(chǎn)生較大的不利影響。對比圖3和圖4等高線圖可以看出，兩者等高線圖均為橢圓形，但圖3微波功率和真空干燥溫度的離心率大于圖4中微波時間和真空干燥時間交互影響等高線圖，這說明微波功率和真空干燥溫度的交互影響大于微波時間和真空干燥時間，這點(diǎn)可以直觀的在回歸方程中的AD系數(shù)的絕對值大于BC系數(shù)的絕對值看出。

圖2 微波功率和真空干燥時間對抗性淀粉含量影響的響應(yīng)面圖Fig.2 Response surface and contour plots showing the effects of microwave power and vacuum drying time on the resistant starch content

圖3 微波功率和真空干燥溫度對抗性淀粉含量影響的響應(yīng)面圖Fig.3 Response surface and contour plots showing the effects of microwave power and vacuum drying temperature on the resistant starch content

圖4 微波時間和真空干燥時間對抗性淀粉含量影響的響應(yīng)面圖Fig.4 Response surface and contour plots showing the effects of microwave time and vacuum drying time on the resistant starch content

圖5 微波時間和真空干燥溫度對抗性淀粉含量影響的響應(yīng)面圖Fig.5 Response surface and contour plots showing the effects of microwave time and vacuum drying temperature on the resistant starch content

圖6 真空干燥溫度和真空干燥時間對抗性淀粉含量影響的響應(yīng)面圖Fig.6 Response surface and contour plots showing the effects of vacuum drying temperature and vacuum drying time on the resistant starch content

2.1.4 最優(yōu)制備工藝的確定

利用Design-Expert 8.0.6軟件的優(yōu)化功能對模型進(jìn)行優(yōu)化，得出微波聯(lián)合干燥制備錐栗抗性淀粉的最優(yōu)工藝為微波輸出功率為417.8 W，微波時間4.28 min，真空干燥時間21.19 h，真空干燥溫度57.86℃，在此條件下錐栗抗性淀粉含量理論為6.72 g/100 g。

2.1.5 驗(yàn)證試驗(yàn)

考慮到實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作條件，將最優(yōu)工藝條件修改為:微波輸出功率為400 W，微波時間4.20 min，真空干燥時間21.2 h，真空干燥溫度57.9℃。在此條件下進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，得到錐栗抗性淀粉含量的平均值為6.67 g/100 g，與理論值相比其相對誤差約為0.7%，由此可見，使用響應(yīng)面法所得的優(yōu)化提取錐栗抗性淀粉工藝條件準(zhǔn)確可靠，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)論

通過單因素實(shí)驗(yàn)確定了各因素對微波聯(lián)合干燥對錐栗抗性淀粉含量的影響規(guī)律，應(yīng)用響應(yīng)面分析法對各因素的最佳水平范圍及其交互作用進(jìn)行研究和探討，建立了預(yù)測微波聯(lián)合干燥對錐栗抗性淀粉含量影響的二次多項(xiàng)式數(shù)學(xué)模型。

通過實(shí)驗(yàn)得出影響主次順序?yàn)槲⒉ㄌ幚頃r間＞真空干燥溫度＞真空干燥時間＞微波輸出功率，并得到最佳工藝參數(shù)為微波輸出功率為400 W，微波時間4.20 min，真空干燥時間21.2 h，真空干燥溫度57.9℃，在此條件下，錐栗抗性淀粉含量為6.67 g/100 g，與模型預(yù)測值吻合。

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