木薯淀粉制備熱轉(zhuǎn)化糊精及其特性研究

楊亞鴿，劉 潔，劉亞偉

河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001

熱轉(zhuǎn)化糊精作為一種改性淀粉，具有低分子量[1-2]、高溶解度[2]以及低黏度[3]的特點(diǎn)，常用作包埋劑[1]、膠黏劑[4]以及抗性糊精的制備[5]。通常是在酸或其他催化劑存在的條件下，加熱預(yù)先干燥的淀粉進(jìn)行熱解來(lái)制備熱轉(zhuǎn)化糊精。根據(jù)淀粉熱處理?xiàng)l件的不同，熱轉(zhuǎn)化糊精可以分為白糊精、黃糊精和英國(guó)膠等3種[6]。

淀粉在形成熱轉(zhuǎn)化糊精的過(guò)程中主要涉及水解反應(yīng)、轉(zhuǎn)糖苷反應(yīng)以及再聚合反應(yīng)[7]。水解反應(yīng)主要發(fā)生在轉(zhuǎn)化的初始階段，淀粉中的α-1，4糖苷鍵或α-1，6糖苷鍵都有可能發(fā)生水解，導(dǎo)致分子量和黏度的降低；隨著糊精化反應(yīng)的進(jìn)行，斷裂的α-1，4糖苷鍵與鄰近的游離羥基結(jié)合發(fā)生轉(zhuǎn)糖苷反應(yīng)，產(chǎn)生新的分支結(jié)構(gòu)；此外，葡萄糖和低聚糖在酸和高溫下也可以發(fā)生再聚合反應(yīng)形成較大的分子，導(dǎo)致黏度略微升高和還原糖含量降低[7]。由于在熱轉(zhuǎn)化過(guò)程中淀粉產(chǎn)生了不能被酶消化的多糖成分[8]，因此具有膳食纖維的功能特性。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)熱轉(zhuǎn)化糊精的研究多數(shù)集中在制備與工業(yè)應(yīng)用方面，已有的報(bào)道多以玉米淀粉為原料制備熱轉(zhuǎn)化糊精，使用薯類淀粉的報(bào)道還不多見(jiàn)。相比玉米淀粉的糊精化，木薯淀粉轉(zhuǎn)化更加容易。木薯淀粉幾乎不含會(huì)影響熱轉(zhuǎn)化過(guò)程的脂類，而且生產(chǎn)及控制更為容易，使得木薯熱轉(zhuǎn)化糊精在穩(wěn)定性和顏色方面存在優(yōu)勢(shì)[9]。因此作者以木薯淀粉為原料，采用酸熱處理的方法制備高纖維的熱轉(zhuǎn)化糊精，并對(duì)其理化特性進(jìn)行測(cè)定，為深入探究熱轉(zhuǎn)化糊精的變化規(guī)律提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

木薯淀粉：河南恒瑞淀粉科技股份有限公司；膳食纖維測(cè)定試劑盒：愛(ài)爾蘭Megazyme公司；鹽酸、冰乙酸、氫氧化鈉、無(wú)水乙醇、3，5-二硝基水楊酸等均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

EUROSTAR 40 digital攪拌器：德國(guó)IKA公司；HH-6 J數(shù)顯恒溫水浴鍋：上海維城儀器有限公司；HWCL-3磁力攪拌反應(yīng)浴：鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；GSF6膳食纖維測(cè)定儀：意大利VELP公司；RE-52AA旋蒸儀：上海亞榮生化儀器廠；PHS-2F pH計(jì)：上海精密科學(xué)儀器有限公司；LC-20AT高效液相色譜儀、RID-10 A檢測(cè)器：日本SHIMADZU公司；CR-400色彩色差計(jì)：日本KONICA MINOLTA公司；50iPOL偏光顯微鏡：日本Nikon公司；D8 DVANCE X-射線衍射儀：德國(guó)Bruker公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 熱轉(zhuǎn)化糊精的制備及工藝優(yōu)化

稱取一定量的木薯淀粉與質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%鹽酸溶液混合，鹽酸溶液稀釋后加入淀粉(淀粉∶鹽酸=2∶1，g/mL)并于室溫下過(guò)夜平衡，使淀粉與鹽酸均勻混合。將混合物進(jìn)行干燥(水分低于5%)后放入聚四氟乙烯反應(yīng)瓶中于油浴中反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中充入氮?dú)?。待反?yīng)結(jié)束立即放入-20 ℃冰箱冷卻，之后將樣品研磨并用乙醇洗滌，再經(jīng)干燥、研磨，過(guò)100目篩后放入雙層自封袋備用。

選取熱轉(zhuǎn)化溫度(100、120、140、160、180 ℃)、熱轉(zhuǎn)化時(shí)間(60、90、120、150、180、210、240 min)和鹽酸用量(8%、10%、12%、14%、16%)3個(gè)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)確定最佳制備工藝。因素與水平見(jiàn)表1。

1.3.2 膳食纖維含量測(cè)定

參照GB/T 22224—2008《食品中膳食纖維的測(cè)定 酶重量法和酶重量法-液相色譜法》中第二法和GB 5009.88—2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中膳食纖維的測(cè)定》測(cè)定樣品中膳食纖維含量。

1.3.3 白度測(cè)定

使用色彩色差計(jì)測(cè)定樣品白度，數(shù)據(jù)以CIELAB表色系統(tǒng)(L*、a*、b*)表示。其中L*表示亮度，范圍為0～100(黑色—白色)；a*的范圍為-100～100(綠色—紅色)；b*的范圍為-100～100(藍(lán)色—黃色)，重復(fù)3次。樣品的白度計(jì)算見(jiàn)式(1)。

WI=100-[(100-L*)2+a*2+b*2]1/2，

(1)

式中：L*、a*、b*為樣品的色度空間值；WI為樣品的白度。

1.3.4 光學(xué)顯微鏡觀察

使用膠頭滴管吸取1%的樣品溶液滴至載玻片上，以甘油作為分散劑。加蓋玻璃片后在放大倍數(shù)為200X下觀察樣品的顆粒形態(tài)與偏光十字的變化。

1.3.5 溶解度測(cè)定

樣品溶解度測(cè)定參照Lovera等[10]的方法，略有改動(dòng)。稱取0.2 g樣品于20 mL蒸餾水中，在室溫下磁力攪拌30 min，之后將樣品溶液在3 000 r/min下離心15 min，離心結(jié)束后取10 mL上清液于恒質(zhì)量的燒杯中，然后在110 ℃烘箱中干燥4 h。樣品溶解度計(jì)算見(jiàn)式(2)。

(2)

1.3.6 X-射線衍射測(cè)定

樣品的結(jié)晶結(jié)構(gòu)通過(guò)廣角X-射線衍射儀測(cè)定。樣品測(cè)定前置于50 ℃烘箱中過(guò)夜干燥，參數(shù)設(shè)置為工作電壓40 kV，工作電流30 mA，2θ衍射角5°～45 °，掃描速率4 °/min[11]。相對(duì)結(jié)晶度計(jì)算見(jiàn)式(3)。

相對(duì)結(jié)晶度=[Ac/(Ac+Aa)]×100%，

(3)

式中：Ac為結(jié)晶區(qū)面積；Aa為無(wú)定性區(qū)面積。

1.3.7 酸熱穩(wěn)定性測(cè)定

稱取一定量樣品溶解于pH值分別為1、2、3、4、5、6、7的溶液中得到0.2%的樣品溶液，將樣品溶液于25 ℃下放置24 h，然后使用0.1 mol/L或1 mol/L的NaOH調(diào)pH值至7.0±0.1，進(jìn)行pH值穩(wěn)定性的測(cè)定；在熱穩(wěn)定性測(cè)定中，將配制好的樣品溶液直接在85 ℃水浴中加熱30 min，結(jié)束后立即冷卻并中和[12-13]。采用DNS法[14]測(cè)定溶液中的還原糖含量(RSC)，通過(guò)RSC變化判斷其酸熱穩(wěn)定性。

1.3.8 數(shù)據(jù)處理

使用Origin 8.5對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，采用SPSS 20.0進(jìn)行方差分析，結(jié)果取平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 熱轉(zhuǎn)化溫度對(duì)膳食纖維含量和白度的影響

固定熱轉(zhuǎn)化時(shí)間120 min、鹽酸用量10%不變，不同熱轉(zhuǎn)化溫度(100、120、140、160、180 ℃)對(duì)PD膳食纖維含量和白度的影響如圖1所示。隨著熱轉(zhuǎn)化溫度的升高，PD的膳食纖維含量顯著升高，與此同時(shí)，白度顯著降低。Weil等[15]的研究結(jié)果顯示，淀粉在高溫下更容易產(chǎn)生除α-1,4/α-1,6糖苷鍵之外的糖苷鍵，α-1,2、β-1,2、β-1,4、β-1,6等糖苷鍵的形成導(dǎo)致膳食纖維含量升高。另外，酸熱轉(zhuǎn)化初期產(chǎn)生的還原性端基使淀粉在高溫下發(fā)生一定程度的焦糖化反應(yīng)[16]，引起白度下降。

注：曲線上不同的字母表示差異顯著(P<0.05)。圖2和圖3同。圖1 熱轉(zhuǎn)化溫度對(duì)膳食纖維含量和白度的影響Fig.1 Effect of pyroconversion temperature on dietary fiber content and whiteness

2.1.2 熱轉(zhuǎn)化時(shí)間對(duì)膳食纖維含量和白度的影響

固定熱轉(zhuǎn)化溫度160 ℃、鹽酸用量10%不變，不同熱轉(zhuǎn)化時(shí)間(60、90、120、150、180、210、240 min)對(duì)PD膳食纖維含量和白度的影響如圖2所示。膳食纖維含量隨熱轉(zhuǎn)化時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，到150 min后增加平緩。這是由于在干燥和轉(zhuǎn)化初階段，水解反應(yīng)占主導(dǎo)。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，淀粉分子鏈間的斷裂與再聚合反應(yīng)基本完成[17]。繼續(xù)延長(zhǎng)加熱時(shí)間，膳食纖維的含量有所增加但白度顯著降低。

圖2 熱轉(zhuǎn)化時(shí)間對(duì)膳食纖維含量和白度的影響Fig.2 Effect of pyroconversion time on dietary fiber content and whiteness

2.1.3 鹽酸用量對(duì)膳食纖維含量和白度的影響

固定熱轉(zhuǎn)化溫度160 ℃、熱轉(zhuǎn)化時(shí)間120 min，不同鹽酸用量(8%、10%、12%、14%和16%)對(duì)PD膳食纖維含量和白度的影響如圖3所示。PD的膳食纖維含量隨著鹽酸用量的增加而逐漸升高，在16%時(shí)達(dá)到最高，為49.69%。同時(shí)PD的白度最低，為55.75。有研究表明在熱轉(zhuǎn)化過(guò)程中，鹽酸的存在對(duì)酶抗性含量增加影響顯著[18]。Weil等[15]研究熱轉(zhuǎn)化糊精時(shí)發(fā)現(xiàn)鹽酸可以通過(guò)降低新生成糖苷鍵所需要的能量，產(chǎn)生更多的分支結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致膳食纖維含量的增加。

圖3 鹽酸用量對(duì)膳食纖維含量和白度的影響Fig.3 Effect of hydrochloric acid amount on dietary fiber content and whiteness

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，各因素對(duì)膳食纖維含量影響的順序?yàn)闊徂D(zhuǎn)化溫度>鹽酸用量>熱轉(zhuǎn)化時(shí)間。方差分析(表3)結(jié)果顯示，3個(gè)因素均對(duì)膳食纖維含量影響顯著(P<0.05)。由表2中k1、k2和k3確定最佳制備條件為B3A3C2，即熱轉(zhuǎn)化溫度為170 ℃，熱轉(zhuǎn)化時(shí)間為150 min，鹽酸用量為14%，此時(shí)膳食纖維含量為60.65%。按照此條件進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到膳食纖維含量為60.79%，白度為45.27。驗(yàn)證值與優(yōu)化結(jié)果的誤差<0.2%，表示數(shù)據(jù)可靠。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Orthogonal test design and results

表3 膳食纖維含量方差分析Table 3 Variance analysis of dietary fiber content

2.3 光學(xué)顯微鏡分析

TS和PD在100%甘油中的顯微圖像如圖4所示，天然TS通常具有一個(gè)或多個(gè)圓斷面。與原淀粉(圖4A)相比，PD(圖4B)的顆粒形態(tài)無(wú)明顯變化，同時(shí)可以看到PD為黃色的顆粒，臍點(diǎn)清晰可見(jiàn)且顆粒完整性依舊保持。這與文獻(xiàn)[19-20]的報(bào)道結(jié)果一致。在偏振光下觀察TS(圖4a)和PD(圖4b)時(shí)，兩者都具有偏光十字現(xiàn)象。偏光十字現(xiàn)象與淀粉分子鏈的排列相關(guān)[21]。PD的偏光十字現(xiàn)象不明顯，說(shuō)明酸熱處理在一定程度上破壞了淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，但顆粒內(nèi)部的分子鏈依舊存在有序排列的結(jié)構(gòu)。

注：A、a分別為木薯淀粉的光學(xué)和偏光圖像；B、b分別為熱轉(zhuǎn)化糊精的光學(xué)和偏光圖像。圖4 光學(xué)和偏光顯微鏡圖Fig.4 Characterization of TS and PD with bright-field and polarized light microscopy

2.4 溶解度分析

TS幾乎不溶于冷水，而PD在冷水中的溶解度為93.81%。相比TS的溶解度(0.50%)，PD的溶解度顯著提高。這是因?yàn)樵跓徂D(zhuǎn)化過(guò)程中，高溫引起淀粉分子鏈的斷裂與重聚，緊密的結(jié)晶區(qū)被破壞，使得PD幾乎能夠完全溶于水。相比甘油，水分子能夠進(jìn)入到PD顆粒的內(nèi)部并引起結(jié)晶結(jié)構(gòu)的破壞[20]。已知淀粉顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)往往比其外殼脆弱得多[19]。因此，結(jié)合光學(xué)顯微鏡的結(jié)果可知，淀粉在熱轉(zhuǎn)化過(guò)程中顆粒的外部并未被破壞，但是其內(nèi)部的結(jié)晶結(jié)構(gòu)變得松散。當(dāng)水分子介入時(shí)，其顆粒結(jié)構(gòu)迅速被破壞并溶解。

2.5 X-射線衍射分析

由圖5可知，TS在2θ=15°和23°處出現(xiàn)強(qiáng)的衍射峰，在2θ=20°附近出現(xiàn)1個(gè)弱的衍射峰，在17°/18°出現(xiàn)1個(gè)雙峰，表明TS為A型結(jié)晶[22]。相比原淀粉，PD在2θ=15°、20°和23°處的衍射峰強(qiáng)度降低甚至消失，17°/18°處的雙峰變成一個(gè)峰。經(jīng)計(jì)算得出TS的相對(duì)結(jié)晶度由29.41%降低到9.48%，說(shuō)明酸熱處理對(duì)淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)有破壞作用，進(jìn)一步證實(shí)了2.3中的分析結(jié)果。Li等[23]的研究結(jié)果也顯示在200 ℃條件下制備的熱轉(zhuǎn)化糊精其結(jié)晶區(qū)仍未完全破壞。

圖5 TS和PD的X-射線衍射圖譜Fig.5 X-ray diffraction patterns of TS and PD

2.6 加熱穩(wěn)定性和pH值穩(wěn)定性分析

表4為PD在不同pH值溶液中加熱和貯藏的還原糖含量(RSC)變化，在85 ℃加熱條件下，隨著pH值的下降，PD的RSC從6.01%升高到13.25%。在25℃條件下貯藏24 h的PD溶液的RSC也具有類似的現(xiàn)象，RSC隨著pH值的降低呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。通常情況下，加熱比室溫下貯藏可以獲得更高的RSC[13]。從表4可知，在同一pH值溶液中，加熱條件下PD的RSC大于室溫貯藏的。當(dāng)pH=1時(shí)，加熱條件下的PD具有最高的RSC(13.25%)，而室溫貯藏PD的RSC(6.36%)略有升高但變化幅度較小。Glibowski等[12]研究菊粉在不同pH值下加熱不同時(shí)間RSC的變化發(fā)現(xiàn)，在酸性環(huán)境中，菊粉的RSC隨加熱溫度的升高也具有類似的變化規(guī)律。當(dāng)在室溫下貯藏時(shí)，PD在所有pH值下的RSC變化均在1%左右；PD在pH值為1的溶液中加熱后具有最高的RSC，在pH值為2～7的溶液中RSC變化也在1%內(nèi)。PD的高溶解度及在酸熱環(huán)境中的穩(wěn)定性有助于其在飲料行業(yè)中的應(yīng)用。

表4 酸熱條件對(duì)PD還原糖含量影響Table 4 Effect of acid-thermal on RSC of PD %

3 結(jié)論

通過(guò)單因素和正交優(yōu)化試驗(yàn)，確定木薯熱轉(zhuǎn)化糊精的最佳工藝條件為熱轉(zhuǎn)化溫度170 ℃、熱轉(zhuǎn)化時(shí)間150 min、鹽酸用量14%，在此條件下制備的熱轉(zhuǎn)化糊精的膳食纖維含量為60.79%，白度為45.27。將制備的熱轉(zhuǎn)化糊精與木薯淀粉的特性進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，酸熱處理破壞了木薯淀粉的結(jié)晶區(qū)，木薯淀粉的相對(duì)結(jié)晶度由29.41%降低到9.48%；此外，熱轉(zhuǎn)化糊精顆粒形態(tài)無(wú)明顯變化，有序結(jié)構(gòu)仍然存在，但熱轉(zhuǎn)化糊精在冷水中的溶解度顯著提高。結(jié)合酸熱穩(wěn)定性結(jié)果，熱轉(zhuǎn)化糊精可以應(yīng)用于酸性食品或飲料行業(yè)(pH>1)中，以此來(lái)減少糖類的使用。