超高壓改性制備高抗性薏米粉的工藝優(yōu)化及其理化特性研究

肖志勇 -

薏米又名薏仁、薏苡仁，為1年生或多年生草本植物薏苡的種仁，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，富含人體必需氨基酸且氨基酸組成比例合理，與人體需求較為接近。

抗性淀粉是指不能在小腸酶解、消化、吸收，但可在結(jié)腸被微生物菌群發(fā)酵，繼而發(fā)揮有益生理功效，常被視為溶解性膳食纖維的組分之一[1]。抗性淀粉具有調(diào)節(jié)血糖、降膽固醇、預(yù)防結(jié)腸癌、促進(jìn)礦物質(zhì)吸收、瘦身減肥等保健作用[2]。薏米中淀粉含量較高(40%以上)[3]。綜上，薏米是一種研制抗性淀粉高且兼具減肥、美容等保健功效食品的絕佳原料[4]。

超高壓加工技術(shù)是指利用壓力媒介(水或油)對(duì)置于密封容器中的物料進(jìn)行加壓處理，以達(dá)到滅酶、殺菌以及改變食品功能性等目的[5]。超高壓已成功地用于小麥谷朊粉、糙米、紅薯渣不溶性膳食纖維等物料改性研究；部分學(xué)者[6-7]認(rèn)為超高壓處理能顯著提高物料功能特性、降低物料活性功效組分流失。

目前國(guó)內(nèi)外暫無(wú)利用超高壓技術(shù)對(duì)薏米粉進(jìn)行改性制備高抗性淀粉的研究報(bào)道。包辰[8]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)壓熱處理后薏米溶解性和膨潤(rùn)性優(yōu)于超聲、微波等處理。本試驗(yàn)在壓熱法的基礎(chǔ)上，擬進(jìn)一步采用超高壓技術(shù)對(duì)薏米進(jìn)行改性來(lái)制備以減肥為主的功能性薏米粉，并對(duì)其制備工藝進(jìn)行優(yōu)化，以期提高薏米粉中抗性淀粉含量、改善粉體性能和增強(qiáng)其減肥功效，為超高壓技術(shù)在提升薏米粉的加工性能和產(chǎn)品研發(fā)方面提供一定的理論支撐和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1.1 試驗(yàn)材料

浦城薏米：產(chǎn)自福建省浦城縣官路鄉(xiāng)；

高峰α-淀粉酶(1 000 U/g)、葡萄糖淀粉酶(10萬(wàn)U/g)：美國(guó)Sigma公司；

95%乙醇、葡萄糖、苯酚、氫氧化鉀、氫氧化鈉、亞硫酸鈉、3,5-二硝基水楊酸、酒石酸鉀鈉：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

超高壓處理裝置：5L-HPP-600MPa 型，包頭科發(fā)高壓科技有限責(zé)任公司；

真空包裝機(jī)：DZ-400-2F 型，溫州奔騰機(jī)械有限公司；

組織搗碎勻漿機(jī)：JJ-2型，江蘇天由有限公司；

低速離心機(jī)：TDL-5-A型，上海安亭科學(xué)儀器廠；

水浴恒溫振蕩器：THZ-82型，金壇市精達(dá)儀器制造有限公司；

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9000型，上海精宏試驗(yàn)設(shè)備有限公司；

紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)：UV-2000型，上海奧析科學(xué)儀器有限公司；

pH計(jì)：Sartorius普及型，合肥橋斯儀器設(shè)備有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品制備

(1) 薏米粉制備：根據(jù)文獻(xiàn)[9]，修改如下：用蒸餾水將洗凈薏米浸泡24 h后轉(zhuǎn)移至勻漿機(jī)中，加入適量蒸餾水濕磨勻漿，離心(4 000 r/min，10 min)去上清液，重復(fù)3～4次后將沉淀物轉(zhuǎn)移至培養(yǎng)皿中鋪平，于烘箱中45 ℃干燥24 h后粉碎，過(guò)100目篩，即得薏米粉。

(2) 超高壓改性薏米粉：根據(jù)文獻(xiàn)[10]18，修改如下：將薏米粉配制成一定質(zhì)量濃度薏米粉-水懸浮液，攪拌混勻后裝入聚丙烯袋，真空包裝(-100 kPa抽真空)后，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行超高壓處理。樣品經(jīng)高壓處理后，4 ℃冷藏回生后于45 ℃干燥24 h后，粉碎過(guò)100目篩，即得超高壓改性薏米粉。

1.2.2 還原糖測(cè)定 采用3,5-二硝基水楊酸法[11]。

1.2.3 抗性淀粉得率測(cè)定 按式(1)計(jì)算抗性淀粉得率。

(1)

式中：

Y——抗性淀粉得率，%；

0.9——葡萄糖換算成淀粉的系數(shù)；

X1——薏米粉中還原糖含量，g；

X2——干薏米粉質(zhì)量，g。

1.2.4 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1) 粉乳濃度：固定粉乳pH 7.0，壓力500 MPa，保壓時(shí)間10 min，老化時(shí)間 24 h，考察粉乳濃度(10%，20%，30%，40%，50%，60%)對(duì)薏米抗性淀粉得率的影響。

(2) pH：固定粉乳濃度20%，壓力500 MPa，保壓時(shí)間10 min，老化時(shí)間 24 h，考察粉乳pH(4，5，6，7，8，9)對(duì)薏米抗性淀粉得率的影響。

(3) 壓力：固定粉乳濃度20%，pH 7.0，保壓時(shí)間10 min，老化時(shí)間 24 h，考察處理壓力(100，200，300，400，500，600 MPa)對(duì)薏米抗性淀粉得率的影響。

(4) 保壓時(shí)間：固定粉乳濃度20%，pH 7.0，壓力500 MPa，老化時(shí)間 24 h，考察處理保壓時(shí)間(0，3，5，10，15 min)對(duì)薏米抗性淀粉得率的影響。

(5) 老化時(shí)間：固定粉乳濃度20%，pH 7.0，壓力500 MPa，保壓時(shí)間 10 min，考察處理老化時(shí)間(0，12，24，36，48，72 h )對(duì)薏米抗性淀粉得率的影響。

1.2.5 正交優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì) 在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以粉乳濃度、pH、壓力、保壓時(shí)間和老化時(shí)間為自變量，以薏米抗性淀粉得率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行L16(45)正交試驗(yàn)來(lái)優(yōu)化超高壓對(duì)薏米粉改性的工藝參數(shù)。

1.2.6 理化指標(biāo)測(cè)定

(1) 膨脹度和溶解度：參照文獻(xiàn)[12]。

(2) 透明度：參照文獻(xiàn)[13]。

(3) 凍融穩(wěn)定性：參照文獻(xiàn)[14]。

(4) 凝沉性：參照文獻(xiàn)[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 粉乳濃度對(duì)薏米抗性淀粉得率的影響 由圖1可知，薏米粉抗性淀粉得率隨薏米粉濃度的增加，先增加后降低。當(dāng)?shù)矸廴闈舛葹?0%時(shí)，其抗性淀粉含量達(dá)到最大值。這是由于薏米粉乳濃度較低時(shí)，直鏈淀粉分子間不易相互接近，糊化現(xiàn)象嚴(yán)重，不利于形成抗性淀粉；而當(dāng)薏米粉乳濃度較高時(shí)，薏米粉乳中水分含量較低，黏度較高，水分不易進(jìn)入淀粉分子結(jié)晶區(qū)，淀粉顆粒難以充分糊化，分子間氫鍵難以破壞，導(dǎo)致直鏈淀粉締合程度低，使得抗性淀粉含量降低[20-21]。

圖1 粉乳濃度對(duì)薏米抗性淀粉得率的影響Figure 1 Effect of concentration on coix seed starch resistant starch yield

2.1.2 pH值對(duì)薏米抗性淀粉得率的影響 由圖2可知，薏米粉抗性淀粉得率隨pH值的增大而先增大后減小，當(dāng)pH為7時(shí)，抗性淀粉含量達(dá)到最大值。其原因可能為：淀粉在中性pH環(huán)境中老化速度快，有利于抗性淀粉的形成，而當(dāng)pH過(guò)高或過(guò)低，均不利于淀粉分子間氫鍵和空間結(jié)構(gòu)重組，直鏈淀粉間難以相互締合，從而使抗性淀粉含量降低[16-17]。此結(jié)論與阮思蓮等[18]利用熱壓法制備紫山藥抗性淀粉所得結(jié)果較為相似。

2.1.3 壓力對(duì)薏米抗性淀粉得率的影響 由圖3可知，壓力在100～300 MPa時(shí)，抗性淀粉含量變化不大，薏米粉乳幾乎不發(fā)生糊化，說(shuō)明低壓對(duì)薏米淀粉分子破壞較小；在300～500 MPa時(shí)，薏米抗性淀粉含量先急劇增加，說(shuō)明薏米淀粉分子逐漸被破壞并發(fā)生糊化；當(dāng)壓力>500 MPa后，抗性淀粉含量趨于穩(wěn)定，說(shuō)明此時(shí)薏米淀粉分子間氫鍵基本充分暴露，體系中游離直鏈淀粉飽和，并相互締合，結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)完全破壞[16-17]。

圖2 pH值對(duì)薏米抗性淀粉得率的影響Figure 2 Effect of different pH value on resistant starch yield

圖3 壓力對(duì)薏米抗性淀粉得率的影響Figure 3 Effect of pressure on resistant starch yield

2.1.4 保壓時(shí)間對(duì)薏米抗性淀粉得率的影響 由圖4可知，隨保壓時(shí)間的延長(zhǎng)，薏米抗性淀粉含量先增加(0～5 min)后趨于平緩(5～15 min)。說(shuō)明高壓處理能顯著提高薏米粉中抗性淀粉含量；當(dāng)保壓時(shí)間較短時(shí)，壓力不能完全破壞薏米淀粉分子結(jié)構(gòu)，直鏈淀粉不能從薏米淀粉中釋放出來(lái)，其間相互接觸概率減少，限制了抗性淀粉的形成[19]；隨著保壓時(shí)間的延長(zhǎng)，壓力能充分破壞淀粉分子結(jié)構(gòu)，直至直鏈淀粉分子完全釋放出來(lái)，抗性淀粉含量不再增加[17]。

2.1.5 老化時(shí)間對(duì)薏米抗性淀粉得率的影響 由圖5可知，當(dāng)老化時(shí)間為0～24 h時(shí)，抗性淀粉含量快速增加；超過(guò)24 h 后，抗性淀粉含量趨于穩(wěn)定。與對(duì)照組相比，老化能顯著提高抗性淀粉含量，這是由于在4 ℃環(huán)境中老化有利于被破壞的淀粉晶體重新結(jié)晶，形成較質(zhì)密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即淀粉分子晶核在開(kāi)始的12 h內(nèi)快速增長(zhǎng)，當(dāng)形成晶核接近總量的50%時(shí)，晶核增加速率放緩，與晶核形成理論吻合[16]。

圖4 保壓時(shí)間對(duì)薏米抗性淀粉得率的影響Figure 4 Effect of holding time on resistant starch yield

圖5 老化時(shí)間對(duì)薏米抗性淀粉得率的影響Figure 5 Effect of retrogradation times on resistant starch yield

2.2 正交優(yōu)化試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取薏米粉乳濃度、壓力、pH、保壓時(shí)間和老化時(shí)間5個(gè)因素，以抗性淀粉含量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用五因素四水平L16(45)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)(表1)優(yōu)化薏米抗性淀粉的制備工藝。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Levels and factors of orthogonal design

由表2可知，各試驗(yàn)因子對(duì)抗性淀粉得率影響的順序?yàn)椋築>A>C>E>D；高壓改性制備薏米抗性淀粉的優(yōu)化工藝為：A2B4C2D4E3，即薏米粉乳濃度20%、壓力600 MPa、pH值6.0、保壓時(shí)間15 min、老化時(shí)間36 h。

由表3可知，壓力、薏米粉乳濃度和pH對(duì)薏米抗性淀粉得率影響顯著，其中壓力極顯著。由于優(yōu)化組合不在正交試驗(yàn)序列之中，進(jìn)行3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，薏米粉抗性淀粉含量均值(17.26%)，高于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中各組值，說(shuō)明試驗(yàn)結(jié)果合理。

2.3 理化性質(zhì)

2.3.1 膨脹度和溶解度 由圖6、7可知，薏米粉和改性薏米粉膨脹度和溶解度均隨溫度升高而升高，且薏米粉膨脹度大于改性薏米粉；在低溫范圍(<80 ℃)改性薏米粉溶解能力較強(qiáng)，當(dāng)溶解溫度高于80 ℃后，改性薏米粉溶解度反而低于普通薏米粉。這可能是在低溫環(huán)境下薏米粉中直連淀粉和脂類物質(zhì)易于形成復(fù)合物而抑制淀粉顆粒膨脹，阻礙水分子進(jìn)入淀粉顆粒內(nèi)部與其結(jié)合；高壓處理則能在一定程度上破壞淀粉分子結(jié)構(gòu)，抑制復(fù)合物形成；此外，高壓處理使蛋白質(zhì)解聚成更小的亞型，內(nèi)部極性基團(tuán)暴露，蛋白水化作用增強(qiáng)等導(dǎo)致改性薏米粉在低溫區(qū)溶解性優(yōu)于普通薏米粉，高溫區(qū)則剛好相反[20]。此外，高壓處理會(huì)抑制直鏈淀粉溶出，從而改變可溶性直鏈淀粉和支鏈淀粉含量來(lái)影響淀粉的膨脹度和溶解度[12,21]。

表2 正交試驗(yàn)與結(jié)果Table 2 Experiment and results of orthogonal test

表3 方差分析?Table 3 Analysis of variance

?F0.05(3,3)=9.28，F(xiàn)0.01(3,3)=29.50。

圖6 薏米粉和改性薏米粉溶解度Figure 6 Solubility of modified coix seed and coix seed

圖7 薏米粉和改性薏米粉膨潤(rùn)度Figure 7 Swelling capacity of modified coix seed and coix seed

2.3.2 透光率 由圖8可知，與薏米粉相比，改性薏米粉透光率降低1.36%。這可能是由于高壓處理在一定程度上破壞薏米淀粉顆粒晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致加熱糊化過(guò)程中未膨脹或膨脹未完全的淀粉顆粒較多，光線照射時(shí)發(fā)生散射所致[22]。

圖8 薏米粉和改性薏米粉的透光率Figure 8 Transmittance of modified coix seed and coix seed

2.3.3 凍融穩(wěn)定性 凍融穩(wěn)定性是指乳液經(jīng)受凍結(jié)和融化交替變化的穩(wěn)定性，通常用析水率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，析水率越小，說(shuō)明凍融穩(wěn)定性越好[22]。

由圖9所示，薏米粉和改性薏米粉糊凍融析水率均隨凍融次數(shù)增加而逐步增大，且改性薏米粉糊凍融析水率均較小，說(shuō)明經(jīng)高壓處理后薏米粉凍融穩(wěn)定性增強(qiáng)。這是由于高壓處理導(dǎo)致淀粉分子間氫鍵作用加強(qiáng)，蛋白質(zhì)暴露出更多氫鍵和極性基團(tuán)，薏米粉親水作用增強(qiáng)所致[10]50。

2.3.4 凝沉性 凝沉性是指糊化淀粉分子從無(wú)序狀態(tài)到有序重排并凝結(jié)沉降的過(guò)程，由淀粉回生所致，所以常用于評(píng)判淀粉回生情況[23]。由圖10可知，薏米粉和改性薏米粉在開(kāi)始8 h內(nèi)較為穩(wěn)定，無(wú)上清液析出，基本不發(fā)生回生；隨時(shí)間的延長(zhǎng)，上清液析出量迅速增加直至72 h后達(dá)平衡狀態(tài)，且改性薏米粉上清液體積始終小于薏米粉，說(shuō)明超高壓改性使薏米粉凝聚沉降速率變緩、不易老化。其原因可能為：高壓處理使淀粉結(jié)晶區(qū)域結(jié)構(gòu)受到一定程度的破壞，回生處理后結(jié)晶度升高，并轉(zhuǎn)化成更穩(wěn)定的β晶型，直鏈淀粉含量降低，淀粉顆粒小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易發(fā)生重排、凝沉[24-25]。

圖9 薏米粉和改性薏米粉的凍融穩(wěn)定性Figure 9 Freeze-thaw stability of modified coix seed and coix seed

圖10 薏米粉和改性薏米粉的沉降曲線Figure 10 Sedimentation curve of modified coix seed and coix seed

與常見(jiàn)的壓熱處理相比，超高壓處理能使淀粉分子結(jié)構(gòu)變性更為完全，抗性淀粉含量增加，溶解性降低，但膨潤(rùn)性變化較小[8]。因此，更利于研發(fā)以減肥等為目的保健產(chǎn)品。

3 結(jié)論

(1) 采用單因素、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化得超高壓改性制備抗性薏米粉的最佳工藝為：薏米粉乳濃度20%、壓力600 MPa、pH值 6.0、保壓時(shí)間15 min、老化時(shí)間36 h，在此條件下，薏米抗性淀粉得率為17.26%，與未處理對(duì)照薏米粉(抗性淀粉含量約為9%)相比，抗性淀粉含量提升90%左右。

(2) 經(jīng)超高壓改性后薏米粉析水性、凍融穩(wěn)定性和凝沉性均得到一定程度改善，且在低溫范圍內(nèi)溶解性增強(qiáng)；但膨潤(rùn)力和透光率略有下降；在高溫區(qū)溶解性降低。所以，接下來(lái)可以進(jìn)一步研究如何規(guī)避高壓處理對(duì)薏米粉理化特性帶來(lái)的負(fù)面影響，如膨潤(rùn)度和透光率等。與壓熱法相比，超高處理使薏米淀粉變性更為徹底，抗性淀粉含量更高，溶解性更低。

(3) 就研制以減肥為主的保健薏米粉而言，超高壓技術(shù)不僅能使薏米粉中抗性淀粉含量增加、膨潤(rùn)度降低，還能使其凍融穩(wěn)定性、凝沉性和溶解性在一定程度上得到顯著改善，因此，具有較好的運(yùn)用前景。

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