楊小玲 趙 維 陳佑寧 孟小華

(咸陽師范學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，咸陽 712000)

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(xué)家Englyst提出[1]?？剐缘矸凼且环N新型低熱量功能性食品基料，其生理功能類似膳食纖維，具有降低膽固醇濃度，調(diào)節(jié)血糖，改善胰島素的敏感性，影響脂質(zhì)代謝，改善腸道菌群以及預(yù)防結(jié)腸癌和防止糖尿病，促進(jìn)維生素和礦物質(zhì)離子的吸收等作用，在國內(nèi)外受到廣泛關(guān)注[2-4]。

根據(jù)淀粉來源和抗酶解性，將抗性淀粉分為五類[5]，其中第三類抗性淀粉RS3，即回生淀粉，是指糊化后淀粉在凝沉過程中部分分子重新聚集成新的結(jié)晶體而難以被酶消化，主要存在于冷食物、油炸土豆片和面包等食品。因其抗酶解性最強(qiáng)，對熱穩(wěn)定性好且產(chǎn)品安全性高，應(yīng)用前景廣闊。RS3的制備方法主要有：壓熱處理法、螺桿擠壓法、微波輻射法、支鏈淀粉懸浮液脫支法、蒸汽加熱法等。超聲技術(shù)應(yīng)用于淀粉領(lǐng)域，具有作用時間短、降解非隨機(jī)性、操作簡單易控制及能耗較低等優(yōu)點(diǎn)，是淀粉改性的一種新型物理方法。

本研究采用的是超聲波輔助酸解法制備RS3(以下簡稱RS)。主要研究了超聲作用時間、酸的種類和濃度、淀粉乳濃度、酸解時間對RS含量的影響效果。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紅薯淀粉(食品級)：市售；葡萄糖(分析純)：天津市津北精細(xì)化工有限公司；胃蛋白酶：美國Ark公司；耐高溫α-淀粉酶：上海金穗生物科技有限公司；糖化酶：華邁科生物技術(shù)有限責(zé)任公司。

JSM-6460型掃描電鏡：日本電子JEOL社；Q100型差示掃描量熱儀：美國TA公司；Mini Flex 600型X射線粉末衍射儀：日本理學(xué)株式會社；KQ-5200DE型超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 抗性淀粉的制備

空白實(shí)驗(yàn)及超聲條件的確定：稱取紅薯原淀粉5等份，分別加入到淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的5份懸浮液中，在工作頻率40 kHz，超聲功率200 W，溫度40 ℃的恒溫水浴條件下超聲處理一定時間，然后升溫至95 ℃糊化30 min，自然冷卻后，在5 ℃下冷藏24 h，干燥。

酸的種類和濃度、淀粉濃度、冷藏時間的確定：稱取紅薯原淀粉若干等份，分別加入到不同濃度各種溶液種配成一定淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的懸浮液，在工作頻率為40 kHz，超聲功率為200 W，溫度為40 ℃的恒溫水浴條件下超聲處理一定時間，自然冷卻后，置于25 ℃的恒溫振蕩器中振蕩一定時間，再用0.25 mol/L的NaOH中和，然后升溫至95 ℃糊化30 min，自然冷卻后，在5 ℃下冷藏24 h，干燥。

1.2.2 Goni-DNS法測定抗性淀粉含量[6]

稱取2.1制備的樣品100 mg，加入10 mL的KCl-HCl pH為1.5的緩沖液和胃蛋白酶溶液(1 g胃蛋白酶溶于10 mL的pH 1.5的KCl-HCl緩沖液)0.2 mL，在38 ℃的恒溫60 min，自然冷卻至室溫，調(diào)節(jié)pH為6.0～6.4，加入7.5 mg的α-耐高溫淀粉酶，在95 ℃下振蕩30 min，冷卻至室溫，調(diào)pH值至4.5，向其中加入5 mg的糖化酶于60 ℃恒溫振蕩1 h,冷卻至室溫后，以3 000 r/min離心15 min，倒掉上清液，沉淀用80%的乙醇和蒸餾水分別清洗1次，在沉淀中加入4 mol/L的KOH 2 mL溶解沉淀，以濃度為37%的HCl調(diào)節(jié)pH至4.5，加入5 mg的葡糖淀粉酶在60 ℃下恒溫振蕩30 min，以3 000 r/min離心10 min，將上清液倒入容量瓶，水洗沉淀重復(fù)3次，合并上清液，用蒸餾水定容至100 mL，待用。

還原糖的含量計算，使用DNS法。取1 mL的上清液于25 mL的具塞試管中，向其中加入1 mL蒸餾水，2 mL DNS試劑，分別使其混合均勻，煮沸5 min，取出后用流水迅速冷卻，再用蒸餾水將其定容至25 mL，分別測定各溶液的吸光度，利用標(biāo)準(zhǔn)曲線計算出還原糖含量，根據(jù)公式計算抗性淀粉含量。

抗性淀粉含量=還原糖含量×0.9×100%

1.2.3 抗性淀粉的提純

稱取2.1制備的樣品10 g，加入KCl-HCl緩沖液1 L和胃蛋白酶溶液20 mL，38 ℃水浴保溫1 h，待其冷卻至室溫，用磷酸鹽緩沖液調(diào)節(jié)pH至6.8，加入耐高溫的α-淀粉酶0.75 g，95 ℃恒溫振蕩30 min，冷卻至室溫后，用醋酸鈉緩沖液調(diào)節(jié)pH到4.5左右，加入糖化酶0.5 g，在60 ℃下振蕩60 min，冷卻到室溫后，在3 500 r/min條件下離心20 min，棄上清液，用無水乙醇洗沉淀3次，收集沉淀，冷凍干燥。

1.2.4 結(jié)構(gòu)表征及性質(zhì)測定

1.2.4.1 DSC熱分析

稱取淀粉樣品1～3 mg于鋁坩堝中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，10 ℃/min的升溫速率，40～300 ℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行掃描。記錄樣品的DSC圖譜。

1.2.4.2 掃描電鏡

測定條件為：工作電壓20 kV；加速電流15 mA，觀察并拍攝淀粉顆粒形貌。

1.2.4.3 X射線衍射測試

操作條件：Cu Kα輻射，掃描電壓40 kV，電流40 mA，掃描速度:8°/min，采樣寬度0.02°，掃描角度范圍為10°～60°。

2 結(jié)果與討論

2.1 淀粉的超聲處理及產(chǎn)物干燥方式的選擇

超聲波輔助淀粉酸解有兩方面作用[7]，一是經(jīng)超聲作用導(dǎo)致淀粉分子發(fā)生降解，淀粉鏈斷裂，直鏈淀粉含量增加，聚合度降低；二是超聲作用破壞了淀粉的顆粒表面及結(jié)晶結(jié)構(gòu)，淀粉化學(xué)反應(yīng)活性增加[8-9]，據(jù)文獻(xiàn)報道，聚合度在100～610之間時，抗性淀粉含量隨淀粉鏈長增加而增大[10-11]。因此，超聲時間長短決定了淀粉聚合度大小，而聚合度大小又影響直鏈淀粉分子重排能力及RS含量。從表1可見，經(jīng)超聲處理的RS含量均較未超聲的RS含量(4.531%)提高，而且隨著超聲時間延長，RS含量先增大后減小。因此，選定超聲15 min預(yù)處理淀粉乳。

表1 超聲波處理時間對RS含量的影響

采用兩種干燥方式：一種是在40～50 ℃烘箱烘干，干燥后的產(chǎn)品表面發(fā)黃易結(jié)塊；另一種是在-60～-65 ℃低溫下冷凍干燥，干燥后的產(chǎn)品為分散性良好的白色粉末(未提純的抗性淀粉)和白色片狀(提純的抗性淀粉)。因此，實(shí)驗(yàn)采用冷凍干燥法處理產(chǎn)物。

2.2 酸的種類及濃度對抗性淀粉含量的影響

固定超聲時間15 min，淀粉乳濃度15%，酸解時間8 h，改變酸的種類及濃度，RS含量結(jié)果見表2。

表2 不同種類及濃度的酸對RS含量的影響

由表2可看出，RS含量均隨著酸的濃度的增大先升高后降低，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的丙酸酸解的RS質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，為20.27%，其次是1.5%丙酸酸解的RS質(zhì)量分?jǐn)?shù)18.268%，再次是1%的乳酸酸解的RS質(zhì)量分?jǐn)?shù)16.403%，而0.5%的鹽酸酸解的RS質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，為6.886%。袁臘梅[12]進(jìn)行酸水解法制備抗性淀粉，結(jié)果表明酸水解能有效提高大薯抗性淀粉的產(chǎn)率，且影響效果為檸檬酸>鹽酸>醋酸。吳亨[13]探討了抗性淀粉的制備工藝，發(fā)現(xiàn)在鹽酸、檸檬酸體系中制備抗性淀粉的效果優(yōu)于醋酸體系，表明酸的種類和酸解體系中的pH值均影響抗性淀粉的生成?？梢姡琑S含量與酸的種類及濃度都有關(guān)。

2.3 淀粉乳質(zhì)量濃度的選擇

固定超聲時間15 min，1%丙酸溶液，酸解時間8 h，改變淀粉乳濃度，其RS含量見表3。

表3 淀粉乳濃度對RS含量的影響

從表3可見，在其他條件相同的情況下，隨著淀粉質(zhì)量濃度從5%增大至25%，RS含量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，且當(dāng)?shù)矸圪|(zhì)量濃度為20%時，RS含量最高。說明淀粉乳濃度過高或過低都不利于抗性淀粉的形成。當(dāng)?shù)矸廴闈舛容^低時，產(chǎn)生的直鏈淀粉分子碰撞幾率低，因而不利于抗性淀粉的生成，RS含量低；當(dāng)?shù)矸廴闈舛容^高時，淀粉顆粒難以充分膨脹、糊化，糊液黏度、流動性差，不利于直鏈淀粉分子相互接近，形成雙螺旋和結(jié)晶，亦不利于抗性淀粉形成，因而RS含量下降。

2.4 酸解時間對抗性淀粉含量的影響

固定超聲時間15 min，淀粉乳質(zhì)量濃度20%，以1%的丙酸溶液酸解淀粉乳，所制備的RS含量結(jié)果見表4。

表4 酸解時間對RS含量的影響

從表4可見，在其他條件不變的情況下，隨著酸解時間的延長，RS含量呈現(xiàn)先增后減趨勢。當(dāng)酸解4 h時，RS含量達(dá)到最大值。酸解時間太短，淀粉長鏈分子沒有充分降解，直鏈淀粉分子沒有完全游離出來，因而RS含量低；酸解時間太長，淀粉分子過度降解，造成直鏈淀粉分子聚合度太小，亦不利于抗性淀粉形成，RS含量降低。

2.5 結(jié)構(gòu)表征

由圖1可見，處理前后淀粉顆粒形貌發(fā)生很大變化，紅薯原淀粉為表面光滑的多面體顆粒狀，粒徑小；形成抗性淀粉后，顆粒狀消失，變?yōu)榱酱蠓黾拥谋砻娌紳M褶皺的片狀。這是因?yàn)榧t薯淀粉經(jīng)超聲、酸解、糊化、冷藏一系列處理后，結(jié)晶結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化，在抗性淀粉的形成過程中，自由卷曲的直鏈淀粉分子相互靠近，通過分子間氫鍵形成雙螺旋，許多雙螺旋相互疊加形成許多微小的晶核，晶核不斷生長、成熟，成為更大的直鏈淀粉結(jié)晶。

圖1 紅薯原淀粉及抗性淀粉的掃描電鏡圖(×1 000)

由圖2可以看出，與原淀粉相比，超聲酸解處理后得到的抗性淀粉樣品的熱學(xué)特性有較大差異。紅薯原淀粉在86.6 ℃有一個寬而強(qiáng)的峰，為水分蒸發(fā)及支鏈淀粉熔融產(chǎn)生的吸收峰；抗性淀粉在96.7 ℃出現(xiàn)了一個寬而強(qiáng)的吸收峰。這是由于超聲酸解處理后，抗性淀粉的結(jié)構(gòu)比原淀粉的結(jié)構(gòu)整齊且緊密，相變溫度升高，也說明淀粉的熱穩(wěn)定性升高了。另外，抗性淀粉在147 ℃還出現(xiàn)了一個強(qiáng)而尖銳的晶體相變吸熱峰，說明了抗性淀粉主要是由直鏈淀粉通過氫鍵形成致密的雙螺旋結(jié)構(gòu)，因此破壞這種結(jié)構(gòu)需要更多的熱量的結(jié)果。與文獻(xiàn)報道相吻合[14-15]。

圖2 紅薯原淀粉及RS的DSC曲線

圖3 紅薯原淀粉及RS的XRD圖譜

從圖3可以看出，紅薯原淀粉在15.2°、17.1°、18.1°、23.1°處出現(xiàn)較強(qiáng)衍射峰，晶型為A型；得到的抗性淀粉在17.2°、22.2°、24.1°處出現(xiàn)較強(qiáng)衍射峰，說明超聲酸解法處理后的淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，RS晶型為B型。

3 結(jié)論

以紅薯淀粉為原料，采用超聲波輔助酸解法制備RS，確定了制備抗性淀粉的工藝條件為：以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的丙酸溶液酸解質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的淀粉乳，依次經(jīng)過超聲處理15 min，恒溫振蕩4 h，冷藏24 h，冷凍干燥，其抗性淀粉的含量為24.827%。由掃描電鏡、差示掃描量熱分析及X-射線衍射分析結(jié)果表明，經(jīng)超聲酸解處理后，淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和表面形貌均發(fā)生轉(zhuǎn)變，其粒徑明顯增大，形貌由原來表面光滑的多面體顆粒狀變?yōu)楸砻嬗旭薨櫟钠瑺罱Y(jié)構(gòu)，晶型由A型轉(zhuǎn)變?yōu)锽型。

[1]ENGLYST H N,TROWEL H,SOUTHGATE D，et al.Dietary fiber and resistant starch[J].The American Journal of Clinical Nutrition,1987(46):873-874

[2]WANG Jing,JIN Zhengyu,YUAN Xiaoping.Preparation of resistant starch from starch-guar gum extrudates and their properties[J].Food Chemistry,2007,101(1):20-25

[3]謝濤,張淑遠(yuǎn),王美桂.馬鈴薯抗性淀粉消化前后的益生作用與結(jié)構(gòu)變化[J].食品科學(xué),2014,35(15):105-108

XIE Tao,ZHANG Shuyuan,WANG Meigui.Probiotic functions and structural changes of potato resistant starch before and after digestion[J].Food Science,2014,35(15):105-108

[4]FUENTES-ZARAGOZA E,RIQUELME-NAVARRETE M J,SNCHEZ-ZAPATA E,et al.Resistant starch as functional ingredient:A review[J].Food Research International,2010,43(4):931-942.

[5]方長云,胡賢巧,盧林,等.稻米抗性淀粉的研究進(jìn)展[J].核農(nóng)學(xué)報,2015,29(3):0513-0520

FANG Changyun,HU Xianqiao,LU Lin,et al.Advances in study on rice resistant starch[J].Journal of Nuclear Agricultural Sciences,2015,29(3):0513-0520

[6]薛慧,張國治,呂飛杰,等.抗性淀粉測定方法的研究[J].河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,33(4):57-60

XUE Hui,ZHANG Guozhi,LYU Feijie,et al.Study on Resistant Starch Determination Methods[J].Journal of Henan University of Technology (Natural Science Edition ),2012,33(4):57-60

[7]趙奕玲，廖丹葵，張友全，等.超聲波對木薯淀粉性質(zhì)及結(jié)構(gòu)的影響[J].過程工程學(xué)報,2007,7(6):1138-1143

ZHAO Yiling,LIAO Dankui,ZHANG Youquan,et al.Effects of ultrasonic wave on the properties and structure of cassava starch[J].The Chinese Journal of Process Engineering,2007,7(6):1138-1143

[8]王振斌,趙帥,邵淑萍,等.超聲波輔助淀粉雙酶水解技術(shù)及其機(jī)理[J].中國糧油學(xué)報,2014,29(5):42-47,57

WANG Zhenbin,ZHAO Shuai,SHAO Shuping,et al.Effect of ultrasound treatment on the double-enzyme hydrolysis of starch and its mechanism[J].Journal of the Chinese Cereals and Oils Association,2014,29(5):42-47,57

[9]黃祖強(qiáng),陳淵，錢維金,等.機(jī)械活化對玉米淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)與化學(xué)反應(yīng)活性的影響[J].化工學(xué)報,2007,58(5):1307-1313

HUANG Zuqiang,CHEN Yuan,QIAN Weijin,et al.Mechanical activation effects on crystal structure and chemical reaction activity of maize starch[J].Journal of Chemical Industry and Engineering,2007,58(5):1307-1313

[10]趙奕玲.超聲處理對淀粉性能的影響及磷酸酯淀粉的制備與應(yīng)用研究[D].南寧:廣西大學(xué),2007

ZHAO Yiling.Study on effects of ultrasonic treatment on starch properties and preparation of starch phosphate and its application[D].Nanning:Guangxi University,2007

[11]呂思伊.米發(fā)糕的老化機(jī)理和抗老化研究[D].武漢:華中農(nóng)業(yè)大學(xué),2010

Lü Siyi.Study on staling mechanism and anti-staling of fermented rice cake[D].Wuhan:Huazhong Agricultural University,2010

[12]袁臘梅.大薯抗性淀粉制備工藝及特件研究[D].海口:海南大學(xué),2012

YUAN Lamei.Research of preparation and characteristics of resistant starch from dioscorea alata linn[D].Haikou:Hainan University,2012

[13]吳亨.抗性淀粉的制備工藝比較及其形成影響因素研究[D].南寧:廣西大學(xué),2014

WU Heng.Research on the different preparation methods of resistant starch and its influential factors of formation[D].Nanning:Guangxi University,2014

[14]余煥玲,曾凱宏,楊參,等.抗性淀粉研究方法[J].糧食與油脂,2001,9:32-33

YU Huanling,ZENG Kaihong,YANG Shen,et al.Method of study for resistant starch[J].Cereals & Oils

[15]冷志富.玉米抗性淀粉的制備及其理化性質(zhì)研究[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2014

LENG Zhifu.Preparation of corn resistant starch and research of its physicochemical properties[D].Yangling:Northwest Agriculture and Forestry University,2014