韌化處理淀粉對(duì)直鏈淀粉溶出過程的研究

宮玉晶，趙　凱

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院，食品科學(xué)與工程省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150076）

韌化處理淀粉對(duì)直鏈淀粉溶出過程的研究

宮玉晶，趙凱

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院，食品科學(xué)與工程省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150076）

為研究韌化處理過程中直鏈淀粉溶出規(guī)律，以玉米淀粉為原料，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)曲面法對(duì)韌化處理時(shí)溫度和時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化.建立了兩個(gè)因素與直鏈淀粉溶出率之間的相關(guān)性，得到直鏈淀粉溶出過程的回歸方程，經(jīng)驗(yàn)證可以用得到的模型預(yù)測(cè)韌化處理時(shí)玉米淀粉的直鏈淀粉溶出過程.

韌化處理；直鏈淀粉溶出；響應(yīng)曲面；擬合模型

淀粉是綠色植物由二氧化碳和水經(jīng)光合作用合成的天然植物多糖，它以顆粒形式廣泛存在于植物的果實(shí)、塊根、塊莖、籽粒中，是食物的重要組成部分，目前廣泛應(yīng)用于食品、造紙、紡織、精細(xì)化工、包裝材料制造等工業(yè)［1-3］.淀粉主要由兩種類型的分子組成，分別為直鏈淀粉和支鏈淀粉.不同來源和種類的淀粉中，兩種分子的含量和比例不同.淀粉顆粒由結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)兩部分組成，結(jié)晶區(qū)主要由支鏈淀粉分子以雙螺旋結(jié)構(gòu)形成，結(jié)構(gòu)較為致密，不易被外力和化學(xué)試劑作用；無定形區(qū)主要由支鏈淀粉分子以松散的結(jié)構(gòu)形成，容易受外力和化學(xué)試劑作用［4］；根據(jù)結(jié)晶衍射的不同可將淀粉主要分成三種不同的結(jié)晶類型，一類是以谷類如玉米、小麥、稻米淀粉為特征的A型結(jié)構(gòu)；另一類是以塊莖、果實(shí)和莖淀粉如馬鈴薯、西米和香蕉淀粉為特征的B型結(jié)構(gòu)；還有一些根和豆類淀粉屬于C型結(jié)構(gòu)［5-6］.

淀粉改性主要包括物理改性、化學(xué)改性、酶改性和復(fù)合改性［7］，韌化處理屬于物理改性的一種，一般在過量水分含量（通?！?0%）的條件下，采用低于淀粉糊化溫度的條件對(duì)淀粉進(jìn)行的一種熱處理［8］.目前，對(duì)韌化處理淀粉研究較多的是韌化處理后淀粉的理化特性的改變以及韌化后淀粉消化速率的改變［9-11］，對(duì)韌化過程中直鏈淀粉的溶出情況研究較少；而測(cè)定韌化過程中直鏈淀粉的溶出對(duì)淀粉性質(zhì)具有很大的影響，可根據(jù)直鏈淀粉的溶出情況來判斷淀粉顆粒及糊性質(zhì)變化.本實(shí)驗(yàn)以直鏈淀粉溶出率為指標(biāo)，研究韌化處理對(duì)制備緩慢消化淀粉過程中直鏈淀粉溶出的影響.

1　材料與方法

1.1材料與試劑

玉米淀粉（黑龍江龍鳳玉米開發(fā)有限公司）；直鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)品、支鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)品（美國(guó)Sigma有限公司）；葡萄糖、3，5-二硝基水楊酸、氫氧化鈉、酒石酸鉀鈉、苯酚、亞硫酸鈉、鹽酸、碘、碘化鉀、氫氧化鉀等，以上試劑均為分析純.

1.2儀器與設(shè)備

722E型可見分光光度計(jì)，上海光譜儀器有限公司；HAD-HZS-H型水浴恒溫振蕩器，北京恒奧德科技有限公司；PHS-25pH計(jì)，上海精科；DHG-9203A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；80-2型離心機(jī)，上海浦東物理光學(xué)儀器廠.

1.3方法

1.3.1直鏈淀粉含量的測(cè)定

測(cè)定直鏈淀粉含量的方法參照GB/T15683-2008方法［12］.

1.3.2上清液中還原糖含量的測(cè)定

3，5-二硝基水楊酸（DNS）比色法：取1.0 mL上清液，加入DNS試劑1.5 mL、沸水浴中加熱5 min、定容放置20 min后在波長(zhǎng)550 nm處測(cè)量吸光值［13］.

1.3.3上清液中總糖含量的測(cè)定

苯酚-硫酸法：取1.0 mL上清液，加入1.0 mL蒸餾水，然后加入6%苯酚1.0 mL及濃硫酸5. 0 mL，搖勻冷卻，室溫放置20 min后在波長(zhǎng)490 nm處測(cè)量吸光度［14-15］.

1.3.4韌化處理濃度對(duì)直鏈淀粉溶出的影響

將玉米淀粉配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、4%、6%、8%、10%（干基，w/v）的淀粉乳，密封，在溫度為45℃時(shí)水浴恒溫振蕩6 h，離心，得到上清液和沉淀，考察韌化濃度對(duì)直鏈淀粉溶出的影響.

1.3.5韌化處理時(shí)間對(duì)直鏈淀粉溶出的影響

將玉米淀粉配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%（干基，w/ v）的淀粉乳，密封，在溫度為45℃時(shí)水浴恒溫振蕩4、6、8、10、12、14 h，離心，得到上清液和沉淀，考察韌化時(shí)間對(duì)直鏈淀粉溶出的影響.

1.3.6韌化處理溫度對(duì)直鏈淀粉溶出的影響

將玉米淀粉配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%（干基w/ v）的淀粉乳，密封，在溫度分別為30、35、40、45、50、55、60℃時(shí)水浴恒溫振蕩12 h，離心，得到上清液和沉淀，考察韌化溫度對(duì)直鏈淀粉溶出的影響.

1.3.7響應(yīng)曲面的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［16］

通過前面研究表明溫度、時(shí)間這兩個(gè)因素對(duì)韌化處理過程的直鏈淀粉溶出有顯著影響.采用中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)這兩個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化，以直鏈淀粉的溶出率變化為響應(yīng)值，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的因素及水平見表1.

表1　玉米淀粉實(shí)驗(yàn)因素水平編碼表

1.3.8數(shù)據(jù)處理

采用SPSS18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)分析，采用Origin 8.5軟件進(jìn)行繪圖.

2　結(jié)果與討論

2.1韌化處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)直鏈淀粉溶出的影響

由圖1可知，在韌化處理時(shí)，隨著淀粉乳濃度的增加，直鏈淀粉的溶出率增加，但當(dāng)?shù)矸廴橘|(zhì)量分?jǐn)?shù)大于4%時(shí)，直鏈淀粉的溶出率減少或基本保持不變；且隨著淀粉乳濃度的增加溶出的還原糖的量和溶出的總糖的量逐漸增多.

圖1　玉米淀粉韌化處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)直鏈淀粉溶出的影響

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可能是，水分含量對(duì)淀粉顆粒的結(jié)晶結(jié)構(gòu)影響較大，當(dāng)?shù)矸鄣暮枯^高時(shí)，水分子由淀粉的孔隙進(jìn)入顆粒內(nèi)部，水分對(duì)淀粉的溶脹作用使淀粉顆粒發(fā)生膨脹，加大了淀粉分子鏈間的距離，使部分直鏈淀粉溶出.隨著淀粉乳濃度的增加，直鏈淀粉的溶出量、還原糖的溶出量以及總糖的溶出量增加；但直鏈淀粉的溶出率出現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，可能是因?yàn)榈矸廴橘|(zhì)量分?jǐn)?shù)增高時(shí)淀粉顆粒分散不均勻，在低于糊化溫度下處理，水分滲透程度不同，導(dǎo)致直鏈淀粉的溶出率相對(duì)減少.所以，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的淀粉乳，便于后續(xù)的操作以及測(cè)定.

2.2韌化處理時(shí)間對(duì)直鏈淀粉溶出的影響

由圖2可以看出，玉米淀粉韌化時(shí)間在4～12 h時(shí)，直鏈淀粉的溶出率隨著時(shí)間的增加而增加，在12～14 h時(shí)，直鏈淀粉的溶出率隨著時(shí)間的增加而減少；而溶出的還原糖的量和總糖的量與其基本保持一致.

圖2　玉米淀粉韌化處理時(shí)間對(duì)直鏈淀粉溶出的影響

產(chǎn)生上述現(xiàn)象是因?yàn)榈矸廴樵诘陀诤瘻囟认绿幚?，水分通過淀粉顆粒表面進(jìn)入顆粒內(nèi)部，無定形區(qū)是由直鏈淀粉以及支鏈淀粉的分叉部分排列而成的，所以分子鏈結(jié)合松散，無定形區(qū)吸收水分膨脹，使直鏈淀粉溶出，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，溶出的直鏈淀粉淀粉互相纏繞聚集，導(dǎo)致上清液中直鏈淀粉的溶出率減少.

2.3韌化處理溫度對(duì)直鏈淀粉溶出的影響

由圖3可以看出，玉米淀粉中直鏈淀粉的溶出率隨著溫度的增加而增加；溫度達(dá)到55℃時(shí)直鏈淀粉的溶出率增加，是由于在該溫度下淀粉顆粒膨脹加??；而直鏈淀粉的溶出率在60℃突然增加較大，可能是在該溫度下部分淀粉顆粒開始糊化.而溶出的還原糖的量和總糖的量與其基本保持一致.

產(chǎn)生以上現(xiàn)象可能是因?yàn)榈矸廴樵诘陀诤瘻囟认绿幚恚矸垲w粒吸水膨脹，部分直鏈淀粉溶出淀粉顆粒，隨著反應(yīng)溫度的增加，淀粉顆粒膨脹度加大，分子鏈運(yùn)動(dòng)加劇，無定形區(qū)影響較大，分子間作用力減小，直鏈淀粉的溶出量增加；而繼續(xù)升溫，淀粉顆粒接近糊化狀態(tài)，水分進(jìn)入結(jié)晶區(qū)，直鏈淀粉的溶出率提高.

圖3　玉米淀粉韌化處理溫度對(duì)直鏈淀粉溶出的影響

2.4響應(yīng)曲面的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

通過前面研究表明，溫度和時(shí)間這兩個(gè)因素對(duì)韌化處理過程中直鏈淀粉的溶出率有顯著影響.采用響應(yīng)曲面分析對(duì)這兩個(gè)因素與直鏈淀粉溶出率的關(guān)系進(jìn)行預(yù)測(cè)，以韌化處理時(shí)上清液中直鏈淀粉的溶出率的變化為響應(yīng)值，用中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)兩因素五水平實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)的因素及水平見表1.利用Design Expert軟件來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和結(jié)果見表2.

表2　玉米淀粉的實(shí)驗(yàn)安排及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

利用Design Expert軟件，通過表2中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，獲得上清液中直鏈淀粉的溶出率對(duì)自變量溫度、時(shí)間的二次多項(xiàng)回歸方程為：Y =-0.025 822-0.037 805X1+0.150 06X2+3. 962 92×10-4X1X2+3.917 8×10-4X12-7.078 68 ×10-3X22.

對(duì)回歸模型作顯著檢驗(yàn)和方差分析，如表3：P值越小，說明影響越顯著［17］，P＜0.001，說明模型回歸效果是顯著的.玉米淀粉模型R2=0.947 2；說明有94.72%的變量可以用回歸模型預(yù)測(cè).失擬項(xiàng)不顯著，說明真實(shí)值和預(yù)測(cè)值擬合結(jié)果較好.通過對(duì)各回歸方程各項(xiàng)方差分析得到，玉米淀粉的回歸方程中一次項(xiàng)X1（溫度），二次項(xiàng)中的X12、X22對(duì)響應(yīng)值影響顯著.通過對(duì)預(yù)測(cè)值和真實(shí)值作圖得到的各個(gè)點(diǎn)基本在一條直線上，說明模型擬合很好.

通過分析，可以看出實(shí)驗(yàn)得到的二次方程能較好地預(yù)測(cè)在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)不同條件下的響應(yīng)值，即實(shí)驗(yàn)可以推測(cè)出在韌化過程中上清液中的直鏈淀粉的溶出率與韌化時(shí)所采用的溫度和時(shí)間的關(guān)系.為驗(yàn)證方程的可靠性，做兩組驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證可靠程度，實(shí)驗(yàn)安排見表4.

表3　玉米淀粉的二次多項(xiàng)模型方差分析表

表4　玉米淀粉驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

玉米淀粉的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的實(shí)際值和預(yù)測(cè)值的誤差均在0.5%～5%之間，實(shí)際值與預(yù)測(cè)值符合較好，所以可以用方程來預(yù)測(cè)在韌化過程中的直鏈淀粉的溶出率與韌化時(shí)所采用的溫度和時(shí)間的關(guān)系.

3　結(jié)語

通過單因素實(shí)驗(yàn)可以得到對(duì)韌化處理淀粉時(shí)對(duì)直鏈淀粉溶出的變化影響較大的因素包括溫度和時(shí)間.后將單因素實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)曲面結(jié)合對(duì)韌化處理淀粉的直鏈淀粉溶出過程進(jìn)行預(yù)測(cè)，得出韌化處理過程中玉米淀粉直鏈淀粉溶出的擬合模型為：Y =-0.025 822-0.037805X1+0.150 06X2+3.962 92×10-4X1X2+3.917 8×10-4X21-7.078 68× 10-3X22.通過響應(yīng)曲面的分析表明，基本可以用響應(yīng)曲面法預(yù)測(cè)韌化過程中直鏈淀粉的溶出過程.

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Study on effect of annealing treatment on am ylose leaching process of starch

GONG Yu-jing，ZHAO Kai
（Heilongjiang Province Key Laboratory of Food Science and Engineering，School of Food Engineering，Harbin University of Commerce，Harbin 150076，China）

To investigate themechanism of amylose leaching during annealing treatment，with corn starch as the raw material，based on the single factor experiment，the effect of temperature and time were optimized with response surface methodology.A correlation was established between the two factors and the amylose leaching，and the regression equation was obtained.Confirmation experiment showed that themodel could be used to predict the process of amylose leaching during the corn starch annealing treatment.

annealing treatment；amylose leaching；response surface methodology；fitting model

TS231

A

1672-0946（2016）02-0216-04

2015-09-17.

哈爾濱市科技局科技創(chuàng)新人才基金（2014RFXXJ068）

宮玉晶（1992-），女，碩士，研究方向：淀粉化學(xué)與工藝學(xué).

趙凱（1974-），男，博士，教授，研究方向：淀粉化學(xué)與加工機(jī)理.