超聲酶解法制備玉米抗性淀粉的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)

楊小玲，趙維，陳佑寧，孟小華

（咸陽師范學院化學與化工學院，陜西咸陽712000）

超聲酶解法制備玉米抗性淀粉的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)

楊小玲，趙維，陳佑寧，孟小華

（咸陽師范學院化學與化工學院，陜西咸陽712000）

探討超聲酶解聯(lián)合處理及添加劑對抗性淀粉（RS3）得率、結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的影響，研究以玉米淀粉為原料，采用超聲輔助酶解法制備抗性淀粉，考察超聲時間、加酶量及添加劑種類和用量對RS3得率的影響。通過掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）、差式掃描量熱法 （differential scanning calorimetry，DSC）、紅外線（Infrared Radiation，IR）及X-射線衍射（X-rory diffraction，XRD）對RS3的結(jié)構(gòu)表征，對其性質(zhì)測定。結(jié)果表明，當超聲處理原淀粉乳10 min，α-淀粉酶10 U/g，添加淀粉質(zhì)量2%的海藻酸鈉，RS3得率為11.92%。掃描電鏡分析表明，與原淀粉相比，RS3的形貌及結(jié)晶性均發(fā)生變化，原來的規(guī)則的多面體小顆粒粉末狀轉(zhuǎn)為表面布滿褶皺的粒徑明顯增大的雪片狀蓬松結(jié)構(gòu)；差熱分析表明RS3主要由直鏈淀粉重結(jié)晶而成，淀粉的熱穩(wěn)定性提高；原來的A型結(jié)晶變?yōu)榭剐缘矸鄣腂型，結(jié)晶度增加。性能測試表明，與原淀粉相比，RS3的含水率和透光率均降低，比容積減小，乳化性稍有增加?？剐缘矸鄣慕Y(jié)構(gòu)更緊密，熱穩(wěn)定性抗酶解性更高。為探索提高玉米抗性淀粉得率的新方法及其擴大在食品領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展提供參考。

玉米淀粉；抗性淀粉；超聲輔助酶解法；結(jié)晶性

抗性淀粉（Resistant Starch，RS）又稱抗酶解淀粉、抗消化淀粉，由英國生理學家Englyst等提出[1]，是指在健康人體小腸中不能被酶解，不能被健康人體消化吸收，但在結(jié)腸中可以與揮發(fā)性脂肪酸起發(fā)酵反應(yīng)形成短鏈脂肪酸乙酸、丙酸和丁酸等的一類淀粉結(jié)構(gòu)。具有類似膳食纖維、降脂減肥及對腸道疾病的防治作用。天然淀粉中固有的抗性淀粉含量低，采用酶解等方法可以提高抗性淀粉的含量。RS3，即回生淀粉、老化淀粉，是最主要的抗性淀粉，由于具有良好的熱穩(wěn)定性、抗酶解性和食用安全性，成為目前研究最多應(yīng)用最廣的一類抗性淀粉[2-5]。

制備RS3的主要方法有：壓熱處理法、酶解發(fā)、螺桿擠壓法、微波輻射法、超聲波輔助法、酸解法、蒸汽加熱法等。超聲波法是淀粉改性的一種新型物理方法，具有作用時間短、操作簡單易控制能耗低，降解后的淀粉分子量分布窄，分子大小更均勻等優(yōu)點[6-7]。酶解法具有反應(yīng)條件溫和、可控，不需要高壓、耐酸設(shè)備等優(yōu)點。

國內(nèi)外目前主要研究脂類、糖類等防老化劑及黃原膠、卡拉膠等親水膠體對淀粉回生的影響及作用機制[8-9]。在采用超聲或酶解法制備RS3過程中，鮮見關(guān)于添加劑對抗性淀粉形成的影響。本課題將兩種方法聯(lián)合使用制備玉米抗性淀粉，并探討超聲時間，加酶量，特別是添加劑的種類及用量對形成抗性淀粉形成的影響效果。

另外，目前對抗性淀粉的物理性質(zhì)研究尚不夠透徹。因此，本研究以玉米淀粉為原料，采用超聲波輔助酶解法制備玉米抗性淀粉，用IR、SEM、DSC、XRD對其結(jié)構(gòu)進行表征，用水分測定儀、光度分析儀等對其性能進行測定。

1 材料與方法

1.1 材料及設(shè)備

玉米淀粉（食品級）：市售；中溫α-淀粉酶（1萬U/g）：華邁科生物技術(shù)有限公司；糖化酶（10萬U/g）：華邁科生物技術(shù)有限公司；胃蛋白酶（1∶3 000）：依科生物有限公司；耐熱α-淀粉酶：上海金穗生物科技有限公司；海藻酸鈉：青島明月海藻集團有限公司。

IRPrestige-21型紅外光譜儀：日本島津公司；DSC Q100型差示掃描量熱儀：上海精密儀器有限公司；JSM-6460掃描電鏡：日本電子JEOL社；Mini Flex 600型X射線粉末衍射儀：日本理學株式會社。

1.2 制備方法

稱取5.0 g玉米淀粉，用pH 6.8的磷酸鹽緩沖液將淀粉調(diào)成一定濃度的淀粉乳，超聲處理一定時間，在85℃的恒溫水浴中糊化15 min，自然冷卻至55℃，然后加入一定量添加劑，一定量α-淀粉酶，60℃的水浴鍋中攪拌10 min，沸水中滅酶，冷卻，放入4℃冰箱中冷藏一定時間，冷凍干燥，研碎，待用。

1.3 結(jié)構(gòu)表征及性質(zhì)測定

1.3.1 紅外測試

將樣品制成KBr壓片，記錄500 cm-1～4 000 cm-1范圍的紅外掃描圖譜。

1.3.2 DSC曲線測定

稱取抗性淀粉樣品于氧化鋁坩堝中，在N2氣保護下，以10℃/min的升溫速率，30℃～180℃的溫度范圍進行掃描。

1.3.3 電鏡掃描

樣品噴金處理后，測試電壓20 kV，觀察并拍攝淀粉顆粒形貌。

1.3.4 X射線衍射測試

操作條件：CuKα輻射，掃描電壓40kV，電流40mA，掃描速度：8°/min，采樣寬度0.02°，掃描角度范圍為10 °～70 °。

1.3.5 比容積的測定

稱取原玉米淀粉和抗性淀粉各20.0 g，分別倒入兩個100 mL的干燥量筒內(nèi)，輕輕晃動量筒使得淀粉在量筒中平鋪均勻后，分別記錄兩種淀粉在量筒上的刻度，計算每克淀粉所占體積。

1.3.6 透光率的測定

稱取原玉米淀粉和抗性淀粉各2.0 g，分別配制成濃度為1%的淀粉乳于燒杯中，記錄此時的刻度讀數(shù)，再置于沸水中加熱40 min后，取出燒杯讓其降至室溫，用蒸餾水添加到加熱前的刻度值，在650 nm波長處測定淀粉透光率。

1.3.7 含水率的測定

稱取原玉米淀粉和抗性淀粉各5.0 g，放入坩堝中，在130℃～135℃的鼓風干燥箱中干燥大約90 min后取出，用玻璃皿蓋住，經(jīng)30 min～40 min的冷卻至室溫，稱重，計算含水量。

1.3.8 乳化性的測定

稱取2.0 g淀粉樣品分散在100 mL蒸餾水中，沸水浴中保溫攪拌30 min，冷卻至室溫后加入50 mL液體石蠟，攪拌2次，將乳化液轉(zhuǎn)移至15 mL離心管中，3 500 r/min離心15 min，離心后，乳化層高度占總液體總高度的百分比即乳化能力。

2 結(jié)果及討論

2.1 制備RS3的工藝條件探討

本試驗采用超聲波預(yù)先處理原淀粉乳。在超聲波處理淀粉乳時，超聲波促使水分子與淀粉分子的摩擦加劇，導致C-C鍵裂解，較高強度的超聲波降解支鏈淀粉的作用強，線性分子即直鏈淀粉數(shù)量增多[10]。RS3是由一定聚合度的直鏈淀粉相互間形成雙螺旋組成，提高一定聚合度范圍的直鏈淀粉的含量有利于抗性淀粉的形成[11]。本試驗考察超聲處理時間對RS3的得率的影響，結(jié)果如表1。

由表1可見，隨著超聲時間的延長RS3得率先增大后減小，超聲10 min時RS3的得率最高。因此，確定以下試驗超聲處理時間定為10 min。

本文選用α-淀粉酶酶解玉米淀粉，在超聲時間為10 min，淀粉乳濃度20%，冷藏時間24 h，考察α-淀粉酶用量對RS3得率的影響，結(jié)果如表2。

表1 超聲時間對RS3得率的影響Table 1 Effect on yield of RS3of ultrasound time

表2 加酶量對RS3得率的影響Table 2 Effect on yield of RS3of α-amylase amount

由表2可知，RS3的得率隨著α-淀粉酶用量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當α-淀粉酶的添加量為10 U/g時，抗性淀粉得率最高。因此，以下試驗選取α-淀粉酶添加量為10 U/g。

抗性淀粉主要是由直鏈淀粉通過雙螺旋結(jié)晶而成，那么晶體生長環(huán)境和條件對RS3的得率性質(zhì)均有很大影響。本實驗選取3種添加劑：海藻酸鈉、丙酸鈣和β-環(huán)糊精，考察其對RS3得率的影響。同樣在超聲時間10 min，淀粉乳濃度20%，冷藏時間24 h，α-淀粉酶10 U/g，及含有添加劑的條件下制備RS3，結(jié)果如表3。

表3 添加劑種類和用量對RS得率的影響Table 3 Effect of additive kinds and amounts on yields of RS3

當添加劑用量分布為淀粉用量的1%、2%、3%、4%、5%時，抗性淀粉得率結(jié)果見表3。與無添加劑時制備的RS3得率相比較，添加海藻酸鈉，抗性淀粉得率提高，添加β-環(huán)糊精或丙酸鈣，抗性淀粉得率降低。當海藻酸鈉添加量為淀粉質(zhì)量的2%時，RS3得率最高，為11.92%。這與海藻酸鈉的持水作用有關(guān)，一定量的水分提高直鏈淀粉的流動性，促進了直鏈淀粉與直鏈淀粉的有序締合老化。

丙酸鈣在水中解離為Ca2+以及酸根離子，水溶液呈弱堿性，抑制淀粉老化，所以丙酸鈣的添加降低了RS3得率[11]。β-環(huán)糊精的疏水端部分插入直鏈淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)中形成復合物，阻礙了直鏈淀粉的重排，抑制了老化，導致抗性淀粉得率降低[12]。

采用超聲輔助酶解法制備抗性淀粉，當工藝條件為，淀粉乳濃度20%，超聲處理10 min，α-淀粉酶用量10 U/g，冷藏時間為24 h，并添加淀粉質(zhì)量2%的海藻酸鈉時，抗性淀粉得率達11.92%。

2.2 結(jié)構(gòu)表征

通過掃描電鏡、紅外光譜分析、差熱分析及X-射線衍射對玉米原淀粉和抗性淀粉進行結(jié)構(gòu)表征，結(jié)果見圖1～圖5。

圖1 玉米淀粉和玉米抗性淀粉的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.1 SEM photographs of maize starch and maize resistant starch

由圖1中a和b可知，原玉米淀粉顆粒的基本形狀為規(guī)整的多面體形狀，表面光滑；超聲酶解處理，再冷藏凝沉后，形成的抗性淀粉的形貌變化顯著，規(guī)則的顆粒結(jié)構(gòu)消失，變?yōu)楸砻娲植诙嗫椎钠瑺?，粒徑明顯增大?？剐缘矸垲w粒的大塊片狀，是由于在超聲酶解法處理過程中，淀粉原顆粒被破壞，直鏈淀粉分子在冷藏陳化過程中重結(jié)晶，小晶體不斷長大成無數(shù)片狀晶體，然后在冷凍干燥過程中，溶劑直接升華，避免了顆粒的團聚，保證了晶體保持原有形狀，原來的規(guī)則的多面體小顆粒粉末狀轉(zhuǎn)為表面布滿褶皺的徑明顯增大的雪片狀蓬松結(jié)構(gòu)，如圖2。

圖2 玉米抗性淀粉產(chǎn)品外觀Fig.2 The appearance of maize resistant starch

由圖3可知，玉米淀粉及處理后提純的抗性淀粉均在3 400 cm-1附近出現(xiàn)-OH吸收峰，在2 930 cm-1附近出現(xiàn)-CH2的特征峰及928 cm-1處的C-O-C振動峰，表明淀粉官能團的特征峰基本沒有發(fā)生改變，可知淀粉在處理后，分子結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化；提純的抗性淀粉的紅外圖譜在1 022 cm-1處的峰減弱，1 047cm-1處的峰增強，表明處理后的玉米淀粉的不定型區(qū)比例減小，結(jié)晶區(qū)比例增加。

圖3 玉米淀粉及抗性淀粉的IR圖譜Fig.3 IR spectrums of maize starch and resistant starch

圖4 玉米原淀粉及抗性淀粉的DSC曲線Fig.4 The DSC curves of maize and resistant starch

圖5 玉米淀粉和抗性淀粉的X-射線衍射圖譜Fig.5 X-ray diffraction patterns of maize starch and maize resistant starch

直鏈淀粉含量不同造成淀粉結(jié)構(gòu)的差異，引起熱力學性質(zhì)不同。從圖4可以看出，玉米淀粉的DSC曲線在82℃出現(xiàn)一個寬而強的峰，主要為易揮發(fā)物質(zhì)的蒸發(fā)及少量支鏈淀粉熔融而引起的焓變所產(chǎn)生的吸熱峰，與之相應(yīng)的純RS3在89℃出現(xiàn)一個相似的吸熱峰，說明RS3熱穩(wěn)定性提高；另外，RS3還在143.5℃出現(xiàn)一個晶體相變吸熱峰。據(jù)文獻報道，支鏈淀粉在70℃左右熔融，直鏈淀粉在120℃～165℃左右熔融。說明RS3中存在兩種晶體，與文獻報道相吻合[13-14]。

從圖5a和b可以看出，玉米原淀粉在15、17.1、18.1、23.1°處出現(xiàn)較強衍射峰，說明玉米原淀粉為A型晶體；經(jīng)超聲酶解并糊化處理后，淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞，再經(jīng)冷藏處理，直鏈淀粉凝沉后形成新的結(jié)晶，因此玉米原淀粉轉(zhuǎn)化為抗性淀粉后結(jié)晶結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化，在 17.2、19.54、22.1、24 °處出現(xiàn)較強衍射峰，說明抗性淀粉的結(jié)晶類型轉(zhuǎn)為B型。

2.3 性質(zhì)測定

分別測試玉米原淀粉和RS的含水率、比容積、乳化性及透光率，其結(jié)果見表4。

表4 玉米淀粉和RS的性質(zhì)測定Table 4 Properties of maize starch and resistant starch

從表4可知，玉米淀粉轉(zhuǎn)化為抗性淀粉后，水分含量降低，這是由于抗性淀粉為水不溶性物質(zhì)?？剐缘矸鄣谋热莘e減小，即1 g抗性淀粉容積小于1 g玉米原淀粉容積，說明抗性淀粉結(jié)構(gòu)更緊密。乳化能力稍有增加。

抗性淀粉的透光率降低。直鏈淀粉的含量影響著淀粉糊的透明度，直鏈淀粉含量高更易促使淀粉糊回生，降低透光率[15]?？剐缘矸鄣男纬芍饕侵辨湹矸巯嗷ゾ奂沟矸勰恋慕Y(jié)果，因此光線照射到淀粉糊后發(fā)生散射，減少了光線穿過的概率，使得抗性淀粉的透明度下降。

3 結(jié)論

采用超聲酶解法制備RS3，當超聲處理原淀粉乳10 min，α-淀粉酶10 U/g，添加淀粉質(zhì)量2%的海藻酸鈉，RS3得率為11.92%。由SEM照片可知，抗性淀粉與原淀粉在形貌上發(fā)生了很大的變化，由原有結(jié)構(gòu)是光滑的規(guī)整的多面體形顆粒變?yōu)樘幚砗蟮目剐缘矸鄣牧矫黠@增大的表面粗糙的片狀。由X-衍射圖譜可知，超聲酶解處理后玉米淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，晶型由A型變?yōu)锽型；DSC曲線可知，處理后的抗性淀粉熱穩(wěn)定性提高。

性質(zhì)測定結(jié)果可知，形成抗性淀粉后，含水率、比容積和透光率均降低，乳化性稍有增加。

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Properties and Structural Characterization of Maize Resistant Starch by Ultrasound Assisted Enzyme Method

YANG Xiao-ling，ZHAO Wei，CHEN You-ning，MENG Xiao-hua
（Chemistry and Chemical Institute of Xianyang Normal University，Xianyang 712000，Shaanxi，China）

The influence of ultrasound assisted enzyme method and additive agents on the yields，structure and properties of resistant starch（RS3）was discussed.Resistant starch was synthesized by ultrasound assisted enzyme method.Effects such as ultrosound time，enzyme amount，kinds and amount of the additives were tested.Characters were tested by SEM，DSC，IR and XRD；then properties such as luminousness and water-holding capacity were tested.The results showed under the condition of ultrosound time 10 minutes，the amount of α-amylase 10 U/g，the amount of sodium alginate 2%of the amount of starch，the yield of RS3was 11.92%.The SEM results indicated，comparing with the native maize starch，surface morphology and crystallinity of RS3both changed，with sphere-like particles turning into large sheet with wrinkles and crystal of type A turning into Type B.The properties test results indicated water content and transmittance declined，specific volume lowered，and the emulsibility increased.The structure of RS3was closer，and the properties of heat resistance and enzyme resistant was higher.It may be a reference in investigating the method of raising the yield of maize resistant starch and of broadening the using of RS3in food industry.

maize starch；resistant starch；ultrasound assisted enzyme method；crystalline

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.24.003

陜西省教育廳專項科研計劃項目（15JK1782）；咸陽師范學院科研專項（13XSYK024）

楊小玲（1976—），女（漢），高級工程師，碩士，研究方向：天然高分子改性研究。

2017-05-08