糯性低葡萄糖當量麥芽糊精的制備及結(jié)構表征

常江濤，劉 潔，劉亞偉

河南工業(yè)大學 糧油食品學院，河南 鄭州 450001

麥芽糊精是淀粉不完全降解產(chǎn)物，通過α-1,4糖苷鍵連接α-D-吡喃葡萄糖殘基形成線性長鏈,分支處通過α-1,6糖苷鍵連接。麥芽糊精的葡萄糖當量(DE)小于20，摩爾質(zhì)量介于淀粉和淀粉糖之間[1]。淀粉經(jīng)水解后，DE小于6，稱為低DE麥芽糊精，其組分中幾乎為四糖以上的較大分子，性質(zhì)與原淀粉相接近，黏度大，吸濕性小[2-3]。低DE麥芽糊精具有良好的溶解性、增稠性，能抑制糖結(jié)晶，也可加工成直徑1～3 μm的微凝膠[4]，與脂肪顆粒的大小相似，因此具有類似脂肪的行為和特征，多被作為脂肪替代品[5-7]。

目前制備麥芽糊精的方法主要有酸法、酶法或二者結(jié)合。其中酶法工藝最大優(yōu)點在于反應可控[8]，多用來生產(chǎn)低DE麥芽糊精。低DE麥芽糊精，含有較多的線性分子，摩爾質(zhì)量分布不均勻。同時，在低DE麥芽糊精中，溶膠-凝膠的轉(zhuǎn)變是一個緩慢的過程，伴隨著脫水，高聚合度的長鏈螺旋結(jié)構被一些短鏈、無序區(qū)干擾[9]。低DE麥芽糊精與低聚糖共混，低濃度時表現(xiàn)為類牛頓流體特性[10]；與阿拉伯膠作用，起到增稠穩(wěn)定效果[11]。然而，低DE麥芽糊精產(chǎn)品質(zhì)量并不穩(wěn)定，受體系中低分子量糖的類型和含量影響。研究表明，影響麥芽糊精制備的因素有水解類型和條件[12]，DE是表征麥芽糊精流變和功能特性的主要參數(shù)，淀粉的來源(玉米、燕麥片、木薯粉、大米或土豆)、酶的作用方式也會影響麥芽糊精分子的鏈長分布[13]。因此，即使相同DE的麥芽糖糊精也可能表現(xiàn)出不同的理化性質(zhì)。顯然，DE作為參數(shù)不能完全描述麥芽糊精的性質(zhì)[7]，而麥芽糊精黏度取決于體系中分子鏈的長短，分子鏈長度越大，流動阻力增加，黏度越大，越有利于促進凝膠結(jié)構的形成[5]。

相比其他谷物淀粉，糯米淀粉中支鏈淀粉含量可達到95%以上。此外，糯米淀粉具有抗老化、高透明度、消化緩慢以及良好凍融穩(wěn)定性等特性[14-15]。選用糯米淀粉為原料，以DE和黏度為指標，利用耐高溫α-淀粉酶對糯米淀粉進行改性，通過正交試驗設計優(yōu)化，制備低DE和高黏度的麥芽糊精，并對其結(jié)構進行表征，以期為獲得物化性質(zhì)穩(wěn)定的低DE麥芽糊精提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

糯米粉(蛋白5.53%、脂肪1.04%、灰分0.24%、淀粉87.17%)：河南裕豐糧業(yè)有限責任公司；耐高溫α-淀粉酶：64.17 U/mL，白銀賽諾生物公司；氫氧化鈉、鹽酸：天津市科密歐化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

RW20攪拌器：德國艾卡(IKA)公司；Rapid Visco Analyzer：美國perten公司；SHZ-D3型循環(huán)水式真空泵：鞏義予華儀器有限責任公司；pH 計：梅特勒-托利多儀器公司；噴霧干燥器：GEA Niro，Soeborg，丹麥；TA Q20差示掃描熱量儀、TA Q50熱重分析儀：美國TA公司；Nicolet FT-IR紅外光譜儀：賽默飛世爾科技公司；D8-ADVANCE X射線衍射儀：美國布魯克公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 糯米淀粉提取

采用堿法分離工藝[16]提取糯米淀粉，制得的糯米淀粉組成為蛋白0.49%、脂肪0.14%、灰分0.12%、淀粉92.95%。

1.3.2 麥芽糊精制備

取75 g糯米淀粉加入蒸餾水中，調(diào)節(jié)至pH 6.0，制成一定濃度的均勻乳液，移入500 mL圓底燒瓶，置于一定溫度水浴中，開始攪拌，預熱2 min，立即添加耐高溫α-淀粉酶，開始計時(5～15 min)。結(jié)束后立即加HCl調(diào)節(jié)使pH≤3，滅酶，終止反應。冷卻至室溫后，加NaOH調(diào)節(jié)pH至中性。經(jīng)噴霧干燥，收集粉末，制備出麥芽糊精(MD)。干燥參數(shù)：入口溫度180 ℃、出口溫度90 ℃、霧化氣壓0.3 MPa。

1.3.3 DE測定

根據(jù)Lane-Eynon方法測定還原糖，并將結(jié)果用于計算DE，以總淀粉含量的百分比表示[17-18]。

1.3.4 黏度測定[19-20]

將麥芽糊精與去離子水混合，制備質(zhì)量分數(shù)為15%的乳液，使用Rapid Visco Analyzer，參考GB 24852—2010，測定其黏度。

1.3.5 單因素試驗

以DE和黏度為指標，基礎條件：酶添加量100 μL，酶解時間7.5 min，酶解溫度95 ℃，底物濃度20%。選取酶添加量(50、100、150、200、250 μL)，酶解時間(5.0、7.5、10.0、12.5、15.0 min)，酶解溫度(80、85、90、95、100 ℃)，底物濃度(10%、15%、20%、25%、30%)進行單因素試驗。

1.3.6 正交試驗設計

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，以樣品DE和黏度為指標，選取酶添加量、酶解時間、酶解溫度、底物濃度進行4因素3水平的正交試驗。

1.3.7 基本理化指標測定

樣品水分含量測定采用快速水分測定儀。粗脂肪含量測定參照GB/T 22427.3—2008 索氏抽提法；蛋白含量測定參照GB 5009.5—2016；灰分含量測定參照GB/T 22427.1—2008；淀粉含量測定參照GB/T 20378—2006旋光法。

1.3.8 熱力學特性測定

參照Tang等[21]使用的方法，使用TA Instruments Universal Analysis軟件分析熱焓圖以獲得糊化焓。

1.3.9 熱降解特性的測定

稱取10 mg樣品置于熱重分析儀(TGA)吊籃，進行測試。程序設定：以10 ℃/min升溫，升溫范圍40～600 ℃，氮氣吹掃速率為40 mL/min[22]。

矯正之后的失重率=校正前高聚物的失重率/(1-水的失重率)。

1.3.10 紅外光譜分析

采用傅里葉變換紅外光譜測定[23]。結(jié)果通過OMNIC 8.0去卷積，去卷積條件：半峰寬度為19 cm-1，增強因子為1.6。使用在1 047、1 022 cm-1處的吸光度的比值來代表樣品的短程有序結(jié)構。

1.3.11 晶型結(jié)構的分析測定

結(jié)晶結(jié)構測定采用X-射線衍射儀，掃描步長0.02°，掃描速率4°/min，2θ為5°～50°，計算結(jié)晶度[24]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

對試驗數(shù)據(jù)進行3次測定，結(jié)果以平均值±標準差表示。采用Origin 9.6軟件作圖，采用IBM SPSS Statistics 20.0進行統(tǒng)計學分析，使用Duncan方法進行方差分析(ANOVA，α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 酶用量對DE和黏度的影響

由圖1可以看出，DE隨著高溫α-淀粉酶用量增加，呈現(xiàn)線性增加趨勢，黏度呈相反趨勢。隨酶用量的增加，酶分子與糯米淀粉的碰撞概率增加，促進糯米淀粉鏈水解產(chǎn)生短鏈糊精等低聚糖，反應體系的黏度迅速下降，同時反應過程中斷裂的α-1，4糖苷鍵含量增加，因此還原糖含量增加，DE增大。這與文獻[12，25]的結(jié)果相似。

2.1.2 酶解時間對DE和黏度的影響

由圖2可以看出，麥芽糊精的DE隨著酶解時間的延長而呈現(xiàn)顯著升高趨勢。7.5 min時，淀粉的黏度急劇下降。相比其他谷物淀粉，糯米淀粉具有顆粒直徑小、結(jié)構疏松的特點[26]，α-淀粉酶作為內(nèi)切酶快速作用，產(chǎn)生低分子量聚合物。隨著反應時間的延長，更多的酶與淀粉發(fā)生接觸，還原糖含量增加，同時反應體系中低分子量的聚合物增多，黏度降低[25]。

2.1.3 酶解溫度對DE和黏度的影響

由圖3可以看出，麥芽糊精的DE隨著溫度升高呈現(xiàn)顯著下降趨勢，黏度呈現(xiàn)先降低后升高趨勢。溫度升高，α-淀粉酶活性受到抑制，同時還原端與氨基端發(fā)生羰氨反應，從而導致還原糖含量減少[27-28]。95～100 ℃，酶繼續(xù)作用，淀粉鏈被水解，黏度不再顯著升高，這與分子鏈水解轉(zhuǎn)化為分子量不均勻的聚合物有關[12]。

2.1.4 底物濃度對DE和黏度的影響

由圖4看出，麥芽糊精的DE隨著底物濃度增加而呈現(xiàn)降低趨勢，體系黏度隨底物的濃度增加而呈現(xiàn)升高趨勢。DE在底物濃度為15%～20%時沒有顯著性差異。隨著底物濃度的增加，在淀粉糊化過程中糯米淀粉中支鏈淀粉被完全釋放，體系的黏度顯著升高。同時隨底物濃度的增加，體系中干物質(zhì)含量增加，阻礙酶有效擴散，對底物-復合物的締合和解離均不利，體系黏度升高，也會阻礙酶與底物的充分作用，這與Kong等[18]的研究結(jié)果類似。

2.2 低DE麥芽糊精正交試驗結(jié)果與分析

由表1可以看出，影響DE的因素依次為酶用量>酶解時間>底物濃度>溫度，影響?zhàn)ざ鹊囊蛩匾来螢槊赣昧?底物濃度>酶解時間>溫度。表2和表3方差分析結(jié)果顯示各因素對結(jié)果均有極顯著影響。得出優(yōu)化低DE的水平組合為A1B1D3C3，優(yōu)化黏度的水平組合為A1D3B1C3，兩個水平組合為相同處理。制備低DE麥芽糊精的最佳工藝條件為酶用量50 μL，酶解時間7.5 min，底物濃度25%，溫度95 ℃。在此條件下制備的樣品DE為1.6，黏度為104.96 mPa·s。

表1 正交試驗結(jié)果與分析

表2 DE方差分析

表3 黏度方差分析

2.3 麥芽糊精熱力學特性分析

DSC可以表征淀粉分子內(nèi)晶體的完整程度以及雙螺旋結(jié)構的損失[29]。如圖5所示，糯米粉和糯米淀粉分別在65.95、69.85 ℃左右出現(xiàn)吸熱峰，麥芽糊精DSC曲線呈略微下降趨勢，沒有觀察到明顯的吸熱峰。表明經(jīng)過糊化，淀粉分子鏈雙螺旋結(jié)構被打開，酶與淀粉鏈作用，進一步水解α-1，4糖苷鍵，經(jīng)噴霧干燥后(180 ℃/90 ℃)形成麥芽糊精，有序的內(nèi)部結(jié)晶結(jié)構被破壞，轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定型結(jié)構[30]。

如圖6所示，第1階段(40～150 ℃)與麥芽糖糊精自身的脫水有關，第2階段樣品發(fā)生分解，為重量損失的區(qū)域，這種質(zhì)量損失歸因于長分子鏈的熱分解[30]。糯米粉的分解速率比麥芽糊精大，隨著DE的增加，分解速度變慢。降解溫度可以反映麥芽糊精的耐熱性能。由圖6可以看出，不同麥芽糊精在250 ℃均未發(fā)生降解，降解溫度范圍比糯米粉和糯米淀粉小，最大降解溫度也均低于糯米粉和糯米淀粉。在分解過程中，糯米粉減少初始重量的85.33%，麥芽糖糊精減少了其初始重量的80%～83%。DE增加，最大分解溫度降低和失重率減小，這與淀粉水解程度增加導致麥芽糊精中含有較多的低聚糖有關。陳穎欽等[31]研究發(fā)現(xiàn)低聚糖的最大分解溫度降低，葡萄糖分解溫度最低。

2.4 傅里葉紅外光譜及結(jié)晶度分析

DSC熱分析時，分子雙螺旋的短程有序的損失可以通過FT-IR進行表征。通常以1 047、1 022 cm-1處的吸光度比值衡量淀粉中有序結(jié)構含量，比值越大，分子的短程有序程度越高[32-33]。由圖7和表4可知，4種麥芽糊精相比糯米粉和糯米淀粉未出現(xiàn)新的紅外吸收峰，但IR1 047/1 022隨著DE的增加而減小，表明分子短程有序程度增加。

表4 樣品失重率、結(jié)晶度和IR1 047/1 022 統(tǒng)計分析

由圖8和表4可知，糯米粉和糯米淀粉為典型的A型結(jié)構，結(jié)晶度分別為35.63%、36.56%。麥芽糊精的結(jié)晶峰均消失，呈現(xiàn)彌散狀，表明結(jié)晶結(jié)構被破壞，轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定型結(jié)構。

3 結(jié)論

以DE和黏度為指標，通過正交設計優(yōu)化低DE、高黏度麥芽糊精的制備工藝，得到最優(yōu)制備工藝參數(shù)：酶用量50 μL，底物濃度25%，酶解時間7.5 min，溫度95 ℃。驗證試驗表明，在此條件下制備樣品的DE為1.6，黏度為104.96 mPa·s。通過熱力學特性分析，麥芽糊精DSC曲線沒有明顯的吸熱峰；紅外光譜顯示，麥芽糊精的IR1 047/1 022均高于糯米粉和糯米淀粉，隨著DE的增加，IR1 047/1 022減小。X-射線衍射圖譜表明，糯米粉和糯米淀粉為典型的A型結(jié)構，麥芽糊精的結(jié)晶峰消失,呈現(xiàn)彌散狀，表現(xiàn)為無定型結(jié)構。TG曲線表明糯米粉的分解速率比麥芽糊精快，隨著DE的增加，麥芽糊精的分解速度變慢，最大降解溫度降低。麥芽糊精的重量損失率均低于糯米粉和糯米淀粉，熱穩(wěn)定性增加。同時，麥芽糊精在250 ℃均未發(fā)生降解，表明具有較強的耐熱性，可以滿足多數(shù)食品的加工需求。