紫薯抗性淀粉的制備工藝及物理學特性研究

馬林元，李 璐，孫洪蕊，劉香英，田志剛，康立寧

（1.吉林省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，吉林長春 130033；2.吉林農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院，吉林長春 130118）

0 引言

紫薯別名黑薯，屬甘薯屬，紫薯肉顏色為深紫色，含有豐富的營養(yǎng)成分，對人體具有多種功效，如抗腫瘤、防衰老、治療和預防心血管疾病[1-3]，深受人們的喜愛。

抗性淀粉是淀粉經(jīng)糊化、脫支、老化后形成的淀粉，同時也是一種不能夠被人體消化酶所消化的淀粉[4]，具有預防胃腸疾病、降低血糖反應、促進無機鹽吸收和促進腸道有益菌群繁殖的作用[5]，加入到食品中基本不會影響食品的感官品質(zhì)，所以廣泛應用于保健食品領域[6-7]。

當前，紫薯的功能僅僅限于直接食用，其深加工制品十分少見，從而限制了紫薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。將紫薯進行深加工，可以延長產(chǎn)業(yè)鏈、提高附加值，同時可為消費者提供更豐富的食品種類，提高營養(yǎng)和健康水平[8-9]。紫薯淀粉的直鏈淀粉含量、糊化的溫度和熱穩(wěn)定性都較其他種類淀粉相比更高更強[10]。Miles M J等人[11]通過對淀粉的相關研究表明，淀粉中的直鏈淀粉含量越高，越容易發(fā)生老化回生現(xiàn)象，越容易形成抗性淀粉，這為制備紫薯抗性淀粉提供了理論依據(jù)。

以紫薯淀粉為原料，利用壓熱法制備紫薯抗性淀粉，在單因素試驗的基礎上進行正交優(yōu)化，得到最佳的制備工藝條件。為今后制備紫薯抗性淀粉更加深入的研究提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫薯淀粉，上海即通國際貿(mào)易有限公司提供；α-淀粉酶，西安天利生物科技有限公司提供；葡萄糖苷酶，山東德順生物科技有限公司提供；葡萄糖、磷酸二氫氨、乙醇、氫氧化鉀、檸檬酸、鹽酸，均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設備

T6型紫外分光光度計，上海譜元儀器股份有限公司產(chǎn)品；CG-32L型高壓蒸汽滅菌鍋，山東博科生物產(chǎn)業(yè)有限公司產(chǎn)品；GZX-9340 MGE型數(shù)顯鼓風干燥箱，蘇州澳爾利烘箱電熱設備制造有限公司產(chǎn)品；SIGMA 300型掃描電子顯微鏡，荷蘭Philips-FEI公司產(chǎn)品；Brucker AXS型X-射線衍射儀，德國BRUKER公司產(chǎn)品；HS-DSC-101型差示掃描量熱儀，上海和晟儀器科技有限公司產(chǎn)品；AVATAR360型傅立葉紅外光譜儀，美國Nicolet Instrument Corporation公司產(chǎn)品。

1.3 試驗方法

1.3.1 紫薯抗性淀粉的制備

取適量的紫薯淀粉并加入蒸餾水，配置成一定質(zhì)量分數(shù)的紫薯淀粉溶液，放入高壓滅菌鍋中，在一定溫度一定時間下進行壓熱處理。取出后于65℃條件下干燥16 h，粉碎，過100目篩。

1.3.2 抗性淀粉含量的測定

稱取1 g紫薯抗性淀粉，加入20 mL pH值為6磷酸鹽緩沖液，加入1 mL耐熱α-淀粉酶溶液，100℃下振蕩30 min，用檸檬酸緩沖液調(diào)節(jié)pH值至4.0～4.5，加入1 mL淀粉葡萄糖苷酶，于60℃條件下振蕩60 min，以轉(zhuǎn)速5 000 r/min離心5min，棄去上清液，用蒸餾水洗滌沉淀2～3次；將所得沉淀溶于5 mL 4 mol/L氫氧化鉀溶液，于100℃條件下振蕩30 min；加入 2 mol/L HCl調(diào)節(jié) pH 值為 4.0～4.5，加入1 mL淀粉葡萄糖苷酶，于60℃條件下振蕩60 min；再次離心，取上清液，蒸餾水洗滌沉淀，收集上清液，容量瓶定容至100 mL，利用DNS法測定葡萄糖的含量，所測結果乘0.9即為抗性淀粉得率。

1.3.3 制備紫薯抗性淀粉的工藝優(yōu)化

（1）單因素試驗。①紫薯淀粉乳質(zhì)量分數(shù)。分別配置紫薯淀粉乳質(zhì)量分數(shù)為20%，25%，30%，35%，40%的溶液，放入高壓滅菌鍋中，于120℃條件下壓熱處理30 min，取出后冷卻至室溫，于4℃條件下儲存24 h，取出烘干粉碎?？疾榈矸廴榈馁|(zhì)量分數(shù)對紫薯抗性淀粉得率的影響。②壓熱時間。配置質(zhì)量分數(shù)為35%的紫薯淀粉溶液，于120℃條件下分別處理10，20，30，40，50 min，取出冷卻至室溫，然后放入4℃中儲存24 h，取出后烘干粉碎?？疾閴簾岬臅r間對紫薯抗性淀粉得率的影響。③壓熱溫度。配置質(zhì)量分數(shù)為35%紫薯淀粉溶液，于105，110，115，120，125℃條件下分別處理30 min，取出冷卻至室溫，然后放入4℃中儲存24 h，取出后烘干粉碎，考查反應溫度對紫薯抗性淀粉得率的影響。

（2）正交試驗。在單因素試驗基礎上，以紫薯淀粉乳質(zhì)量分數(shù)、壓熱時間及壓熱溫度為正交試驗因素，紫薯抗性淀粉得率為指標，確定三因素三水平的正交試驗，確定制備紫薯抗性淀粉的最佳工藝條件。

正交因素與水平設計見表1。

表1 正交因素與水平設計

2 結果與分析

2.1 淀粉乳質(zhì)量分數(shù)對制備紫薯抗性淀粉得率的影響

紫薯淀粉乳質(zhì)量分數(shù)對抗性淀粉得率的影響見圖1。

由圖1可知，隨著淀粉乳的質(zhì)量分數(shù)升高，抗性淀粉得率呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，當乳質(zhì)量分數(shù)達到35%時，抗性淀粉得率達到8.17%為最大值。當乳質(zhì)量分數(shù)過低時淀粉中的直鏈淀粉之間不能相互靠近，分子間難以形成氫鍵。當乳質(zhì)量分數(shù)過高時，淀粉中水分含量較少，淀粉顆粒不能完全膨脹和糊化，難以形成穩(wěn)定雙螺旋結構，不利于抗性淀粉的形成[12]。

2.2 壓熱時間對制備紫薯抗性淀粉得率的影響

壓熱時間對抗性淀粉得率的影響見圖2。

由圖2可知，隨著壓熱時間的延長，抗性淀粉得率呈先增加后下降的趨勢。當壓熱時間為30 min時，抗性淀粉得率最高為8.57%。當壓熱時間從10 min上升到30 min時，紫薯淀粉中直鏈淀粉的含量逐漸升高，有利于分子間氫鍵的形成，所以抗性淀粉得率也會逐漸升高，壓熱時間達到30 min時抗性淀粉得率達到最大值；大于30min時，淀粉分子會被過度分解，分子結構會被破壞，抗性淀粉便不利于形成[13]。

2.3 壓熱溫度對制備紫薯抗性淀粉得率的影響

壓熱溫度對抗性淀粉得率的影響見圖3。

由圖3可知，抗性淀粉得率呈現(xiàn)先升高在降低的趨勢，這是因為壓熱溫度在逐漸升高。當壓熱溫度為120℃時，抗性淀粉得率達到最大值8.44%，已知紫薯淀粉的糊化溫度為67～87℃[14]，所以當壓熱溫度達到120℃時就已糊化完全；壓熱溫度大于120℃時紫薯淀粉會過度糊化，二級螺旋結構遭到破壞，形成分子量較小的直鏈淀粉，不利于抗性淀粉的形成[15]，所以隨著溫度的升高，抗性淀粉得率呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。

2.4 抗性淀粉最佳工藝的正交試驗優(yōu)化結果

正交試驗結果見表2。

由表2可知，影響抗性淀粉得率的因素主次順序為A＞B＞C，即紫薯淀粉乳質(zhì)量分數(shù)＞壓熱時間＞壓熱溫度，獲得抗性淀粉得率的最佳組合為A2B3C1，即最佳工藝條件為紫薯淀粉乳質(zhì)量分數(shù)35%，壓熱時間40 min，壓熱溫度115℃。在此條件下抗性淀粉得率為9.15%。

2.5 原淀粉和紫薯抗性淀粉顆粒形態(tài)的觀察

原淀粉和紫薯抗性淀粉的電鏡掃描圖見圖4。

由圖4可以看出，紫薯原淀粉顆粒（a）表面光滑，呈球形、卵形或橢圓形，形狀較規(guī)則，表面光滑緊致，無瑕疵和缺痕。而通過壓熱法（b）制備的抗性淀粉的顆粒結構不完整，失去了淀粉的原有形態(tài)，且粒徑變大，原有的球形、卵形和橢圓形消失，顆粒形態(tài)嚴重破壞，呈不規(guī)則形狀，表面粗糙且有明顯的深度不等的溝壑狀，這是因為在淀粉顆粒老化過程中直鏈淀粉重新排列，形成了新的晶體。顆粒外表的變化可以直觀地反映出淀粉顆粒受濕熱處理的情況[16]。分析認為淀粉形成抗性淀粉過程中會經(jīng)歷糊化和老化等過程，改變原有的顆粒形態(tài)[17-18]。壓熱使淀粉發(fā)生糊化和膨脹，直鏈淀粉分解使淀粉顆粒遭到破壞，經(jīng)歷老化和冷卻后，淀粉短分子鏈會相互靠近并重新排列，形成新的不規(guī)則晶體結構，導致淀粉顆粒形態(tài)發(fā)生改變。

表2 正交試驗結果

2.6 紫薯原淀粉和抗性淀粉的熱力學分析

淀粉分子鏈之間相互作用會影響淀粉的熱特性，同時淀粉的顆粒直徑的大小及直鏈淀粉含量也會對淀粉顆粒的熱特性造成影響。

熱力學參數(shù)見表3。

表3 熱力學參數(shù)

紫薯抗性淀粉較原淀粉相比，To，Tp，Tc，Tc-To都有一定程度的提高，To上升了47.05℃，Tp上升了27.53℃，Tc上升了66.75℃。在糊化過程中伴隨著晶體結構和雙螺旋結構的變化，糊化使晶體結構消失，也會使原來存在的雙螺旋結構破壞，糊化溫度就是結晶程度的體現(xiàn)。Tp越高說明晶體結構越完整，破壞時需要的能量越大。破壞雙螺旋結構所需的能量則用熱焓值來表示，ΔH越高說明雙螺旋結構越緊致，達到熔融態(tài)時需要的能量越多。淀粉無定型區(qū)的不同，會使淀粉物態(tài)改變時的起始溫度、峰值溫度和終止溫度都發(fā)生對應的變化。紫薯原淀粉經(jīng)過糊化后支鏈淀粉會變短，同時在老化過程中淀粉分子間會相互結合，淀粉內(nèi)部的雙螺旋結構也會變得更加緊密，形成新的晶體，新的晶體較原來的結構更加緊致，相應的To，Tp，Tc，ΔH更高，這樣抗性淀粉的熱穩(wěn)定性就會變得更強。

2.7 原淀粉和紫薯抗性淀粉的結晶性分析

淀粉顆粒結晶結構有4種類型，分別是A，B，C，V型。不同晶型的淀粉都會具有相應明顯的特征峰，A型的強峰是在2θ角分別為15.01，17.12，18.24，23.03°處；B型的強峰在2θ角分別為5.6，17，22，24°處，C型是A型和B型的綜合，但其與A型相比2θ角為5.61°處有一個中強峰，干燥過程可能會使這個峰消失，與B型相比其2θ角為23°顯示的是一個單峰；V型的峰出現(xiàn)在2θ角為12.5°和19.5°[19-20]。

原淀粉和紫薯抗性淀粉的X-射線衍射圖譜見圖5。

紫薯原淀粉在衍射角2θ為15.096 7，17.154 9，19.671 8，22.291°的衍射峰強度較大，在2θ角為25.181°和28.364°處存在中強峰，這是典型的C型晶體，結構中同時存在A型晶體和B型晶體。掃描結果與Luis F P等人[21]研究相一致。而紫薯抗性淀粉2θ角為17.203°時存在較強的單吸收衍射峰，且2θ角為25.37°附近處出現(xiàn)了肩峰，而晶體的抗性與抗消化特性是成正比的，這屬于典型的B型晶體結構。紫薯原淀粉在經(jīng)過壓熱處理后，形成抗性淀粉，晶體由C型轉(zhuǎn)變?yōu)榱薆型，沒有A型晶體特征存在。

2.8 原淀粉和紫薯抗性淀粉的紅外光譜分析

植物淀粉顆粒以半晶態(tài)的形式存在，分為結晶區(qū)和無定型區(qū)。傅里葉紅外圖譜的衰減全反射和透射模式對淀粉分子的螺旋結構、結晶度及分子鏈的改變十分敏感。

原淀粉和紫薯抗性淀粉的紅外圖譜見圖6。

由圖6可知，在壓熱法制備的紫薯抗性淀粉分別在3 380，3 433 cm-1出現(xiàn)0-H伸縮振動吸收峰，在3 076，3 090 cm-1處出現(xiàn)C-H的伸縮振動吸收峰，而C=O不對稱的伸縮振動吸收峰分別出現(xiàn)在了1 593，1 585 cm-1處。有研究報道，一般在1 047 cm-1處會出現(xiàn)淀粉結晶區(qū)的紅外吸收峰結構特征，而無定型區(qū)的結構特征的紅外吸收峰一般出現(xiàn)在1 022 cm-1處，兩者的比值可反應淀粉顆粒的結晶程度，其強度用 R1047/1022值來表示[22]。1 022 cm-1和 995 cm-1的R1022/995值可反映出淀粉顆粒雙螺旋結構的程度。紫薯原淀粉和紫薯抗性淀粉的R1047/1022值分別為0.636，0.741，R1022/995值分別為1.031，1.053?？剐缘矸鄣腞1047/1022值和R1022/995值都較原淀粉有所升高，這說明抗性淀粉的結晶程度和雙螺旋結構的含量都較原淀粉有所升高，表明構成抗性淀粉的分子鏈規(guī)則有序。淀粉在進行壓熱處理的過程中淀粉原有的結構遭到了破壞，所以紫薯原淀粉的R1047/1022值和R1022/995值較抗性淀粉小，并在老化的過程中形成了雙螺旋結構更為緊密的晶體[23]，在紫薯淀粉制備紫薯抗性淀粉的過程中基團及特征吸收峰都未發(fā)生變化。

3 結論

試驗結果表明，紫薯淀粉底物質(zhì)量分數(shù)為35%，115℃下壓熱處理40 min。在此條件下抗性淀粉得率為9.15%。影響抗性淀粉含量的因素主次為A＞B＞C，即紫薯淀粉乳質(zhì)量分數(shù)＞壓熱時間＞壓熱溫度，并且抗性淀粉得率的最佳組合為A2B3C1。紫薯原淀粉顆粒利用掃描電鏡觀察后發(fā)現(xiàn)，顆粒呈球形、卵形或橢圓形，表面光滑，經(jīng)壓熱法制備的抗性淀粉顆粒變大，原有的形狀消失，形成有溝壑狀表面粗糙的顆粒；利用差示掃描量熱儀測得的紫薯抗性淀粉熱力學參數(shù)較原淀粉都有所升高，熱穩(wěn)定性增強；利用X-射線衍射儀測得淀粉的晶體結構發(fā)生了變化，由原淀粉的C型晶體轉(zhuǎn)變?yōu)榱丝剐缘矸鄣腂型晶體；利用紅外光譜儀分析紫薯抗性淀粉的官能團特征吸收峰基本沒有發(fā)生變化，原有基團也未發(fā)生變化，也沒有新的基團出現(xiàn)。