馬鈴薯抗性淀粉的微波預(yù)處理條件及性質(zhì)研究

李周勇，韓育梅，夏德冬

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010018；2.內(nèi)蒙古蒙牛乳業(yè)（集團）股份有限公司研發(fā)中心，內(nèi)蒙古呼和浩特011500；）

抗性淀粉（resistant starch，RS）是指健康人體小腸中不吸收的淀粉及其降解產(chǎn)物[1]。抗性淀粉是一種持水性低、無異味、多孔的白色粉末，根據(jù)淀粉來源和人體試驗結(jié)果，可以分為4個類型[2]：RS1物理包埋淀粉、RS2抗性淀粉顆粒、RS3老化淀粉以及RS4化學(xué)改性淀粉?？剐缘矸劬哂卸喾N生理功能，如減少血清中膽固醇和甘油三酸酯，控制餐后血糖，促進腸道內(nèi)有益菌的生長繁殖，減少結(jié)腸癌發(fā)病率等[3]。將抗性淀粉合理應(yīng)用在食品生產(chǎn)中，可以研制出具有多種保健功能的產(chǎn)品。

微波預(yù)處理用于輔助制備抗性淀粉的機理是：微波輻射使淀粉內(nèi)部水分汽化，同時淀粉糊化，形成多孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有利于酶的進一步作用。淀粉的分子結(jié)構(gòu)是淀粉理論的研究基礎(chǔ)。馬鈴薯抗性淀粉的流變學(xué)特性決定了它在食品領(lǐng)域的應(yīng)用前景，其粘度特性可用以分析抗性淀粉的糊化性質(zhì)和結(jié)晶性質(zhì)，抗酸性可用以分析其在酸性食品中的適用性[4]?；谝陨显?，在酶法的基礎(chǔ)上，將微波預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用于馬鈴薯抗性淀粉的制備，以期提高抗性淀粉的得率，并通過對馬鈴薯抗性淀粉的分子結(jié)構(gòu)、流變學(xué)特性、粘度特性及抗酸性進行測定，研究其具體的理化性質(zhì)以及在食品領(lǐng)域的應(yīng)用前景，具有一定的理論和實用價值。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

馬鈴薯精制淀粉：市售，呼和浩特華歐淀粉有限公司；大豆色拉油：市售，青島嘉里植物油有限公司；耐高溫α-淀粉酶（70 000 CU/mL）、普魯蘭酶（500 PUN（G）/mL）、葡萄糖淀粉酶（135 000 CU/mL）：諾維信生物技術(shù)有限公司；胃蛋白酶（1：12000）：北京奧博星生物技術(shù)有限公司。

1.2 設(shè)備

THZ-82（A）型數(shù)顯水浴恒溫振蕩器：江蘇金壇萊華儀器制造有限公司；Sigma1-14K冷凍離心機：德國SIGMA公司；紫外可見分光光度計：上海滬粵明科學(xué)儀器有限公司；格蘭仕G8023GL-K3微波爐：廣東格蘭仕電器廠；S-530掃描電子顯微鏡（SEM）：日本日立電氣公司；LG-Z680020布拉班德粘度儀：天津市布魯克科技有限公司；WZ-108手持式糖度計：浙江托普儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 微波-酶解復(fù)合法制備馬鈴薯抗性淀粉的工藝流程

馬鈴薯淀粉調(diào)乳→微波預(yù)處理→耐高溫α-淀粉酶液化→普魯蘭酶脫支→老化→干燥，粉碎，過篩→馬鈴薯抗性淀粉。

1.3.2 抗性淀粉含量的測定（Goni法[5]）

1）稱取抗性淀粉樣品5 g（100目）于100 mL燒杯中，加 HCl-KCl緩沖溶液（pH1.5）25mL，加 1mL 胃蛋白酶液（10g胃蛋白酶，用HCl-KCl緩沖液定容至200mL），40℃下恒溫振蕩1 h，除去樣品中的蛋白質(zhì)。

2）用2 mol/LHCl和 0.5 mol/L NaOH 調(diào)節(jié) pH 至5.8～6.5，加入耐溫 α-淀粉酶溶液（7 500 CU/mL）1 mL，在95℃下恒溫振蕩30 min，水解可消化淀粉。

3）調(diào)節(jié)溶液pH至4.0～4.5，加入葡萄糖淀粉酶溶液（15 000 CU/mL）1 mL，70℃恒溫振蕩 1 h，水解可消化淀粉為葡萄糖。冷卻，離心（4 000 r/min，15 min），棄掉上清夜，重復(fù)3次，洗掉其中的葡萄糖。

4）加入3mL5mol/L的KOH，水浴加熱并攪拌使抗性淀粉溶解。用5mL3mol/L的HCl中和KOH，調(diào)節(jié)pH至4.0～4.5，加入1mL葡萄糖淀粉酶溶液（15000CU/mL），60℃恒溫水浴并保持不斷振蕩1 h，水解溶出的淀粉成葡萄糖。室溫冷卻并離心（4 000 r/min，15 min）。收集上清夜，如此反復(fù)3次。離心結(jié)束后，合并上清夜，用蒸鎦水定容至100 mL。

5）DNS法測還原糖，并用下列公式計算抗性淀粉的含量。

式中：C為DNS法測得的還原糖量，mg；V為樣品提取液的體積，mL；W為樣品重，g；a為顯色用樣品液體積，mL。

1.3.3 微波條件的單因素試驗

1.3.3.1 淀粉乳質(zhì)量分數(shù)對RS3得率的影響

控制淀粉乳質(zhì)量分數(shù)分別為5%、10%、15%、20%、25%、30%，在微波功率800 W、微波作用時間120 s、耐高溫α-淀粉酶添加量10 CU/g干淀粉、耐高溫α-淀粉酶酶解時間30 min、普魯蘭酶添加量0.1 PUN（G）/g干淀粉、普魯蘭酶作用時間6 h、普魯蘭酶作用溫度55℃、老化溫度4℃、老化時間24 h的條件下，80℃干燥20 h，粉碎過100目篩，測定抗性淀粉的含量。

1.3.3.2 微波作用時間對RS3得率的影響

在淀粉乳質(zhì)量分數(shù)15%的條件下，控制微波作用時間分別為 0、30、60、90、120、150 s，其它條件和處理不變，測定抗性淀粉的含量。

1.3.3.3 微波功率對RS3得率的影響

在淀粉乳質(zhì)量分數(shù)15%、微波作用時間90 s的條件下，控制微波功率分別為 160、320、480、640、800 W，其它條件和處理不變，測定抗性淀粉的含量。

1.3.4 抗性淀粉的電鏡測定[6]

取少量優(yōu)化制得的樣品于25mL燒杯中，加入10mL乙醇，超聲波振蕩20 min后用鑷子取出，置于白熾燈下快速烘干。測定時將樣品均勻地分布在雙面膠上，并作噴金處理。將處理好的樣品置于電子顯微鏡下觀察，拍攝樣品中具有代表性的顆粒照片，了解其形貌特征。

1.3.5 抗性淀粉流變學(xué)特性的測定

1.3.5.1 持水性的測定[7]

準確稱取5.00 g樣品制成淀粉乳，80℃條件下水浴 1 h，自然冷卻后離心 10 min（3 000 r/min），并棄掉上清液。吸干離心管內(nèi)外壁上附著的水分，測沉淀的重量。

樣品持水性/%=（沉淀的重量/樣品的重量）×100

1.3.5.2 吸水率的測定[8]

樣品過75目篩后，平鋪在干燥的稱量瓶中，使之均勻分布，放入底部留有足量蒸餾水的干燥器中，密封后移至恒溫培養(yǎng)箱，35℃下放置50 h，取出，重復(fù)3次稱樣品的重量，取平均值。

式中：m1為干燥樣品的質(zhì)量，g；m2為吸水后樣品的質(zhì)量，g。

1.3.5.3 乳化性的測定[9]

準確稱取2.00 g樣品，加150 mL水制成淀粉乳，保溫15 min后加入50 mL大豆色拉油，2 000 r/min條件下均質(zhì)1 min，然后在3 000 r/min條件下離心5 min。

樣品乳化能力EA/%=離心管內(nèi)乳化層高度/離心管內(nèi)液體總高度×100

將測定過乳化能力的樣品于80℃條件下水浴30 min，取出后用冷水冷卻至室溫。再在3 000 r/min條件下離心5 min，可求出樣品的乳化穩(wěn)定性。

樣品乳化穩(wěn)定性ES/%=仍保持的乳化層高度/液體總高度×100

1.3.5.4 抗性淀粉Brabender黏度曲線的測定[10]

通過對抗性淀粉布拉班德粘度變化曲線進行測定，了解馬鈴薯抗性淀粉的糊化特性和粘度穩(wěn)定性。具體方法是，分別取馬鈴薯抗性淀粉和馬鈴薯原淀粉測水分含量，根據(jù)布拉班德粘度儀的提示配置成一定濃度的淀粉乳液。將淀粉乳倒入儀器中，啟動儀器，測定粘度曲線。布拉班德粘度儀的設(shè)定系數(shù)是，以1.5℃/min的速率從室溫升至95℃，然后在95℃下保持30 min，整個過程由儀器自動控制。

1.3.6 抗性淀粉的耐酸性測定[11]

分別稱取馬鈴薯抗性淀粉和馬鈴薯原淀粉各5.0 g，以pH分別為1、2、3、4的HCl溶液配制成濃度為5%的淀粉乳液。將淀粉乳放置于85℃的恒溫水浴振蕩器中，用手持式糖度計測定淀粉乳中可溶性固形物的含量。準確記錄淀粉乳可溶性固形物開始變化的時間，將此時間作為淀粉耐酸性的評價指標。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波條件單因素試驗結(jié)果

微波預(yù)處理條件中，抗性淀粉形成的影響因素包括淀粉乳質(zhì)量分數(shù)、微波作用時間、微波作用溫度、微波功率等。由于試驗條件的限制，試驗無法控制微波作用溫度。因此，主要對淀粉乳質(zhì)量分數(shù)、微波作用時間及微波功率進行了研究。具體結(jié)果如圖1～圖3所示。

圖1 淀粉乳質(zhì)量分數(shù)對抗性淀粉得率的影響Fig.1 Influence of powders concentration on RS yield

圖2 微波作用時間對抗性淀粉得率的影響Fig.2 Influence of microwave action time on RS yield

圖3 微波功率對抗性淀粉得率的影響Fig.3 Influence of microwave power on RS yield

由圖1～圖3可以看出，微波作用時間和微波功率對抗性淀粉形成的影響較大，淀粉乳質(zhì)量分數(shù)對抗性淀粉形成的影響相對較小。當?shù)矸廴橘|(zhì)量分數(shù)為15%時，抗性淀粉含量最高，大于或小于15%均不利于抗性淀粉的形成。當微波作用時間為90 s時，抗性淀粉的得率最高，若微波作用時間過短，淀粉糊化不充分，過長則水分損失較多，均不利于抗性淀粉的形成。當微波功率為800 W時，抗性淀粉得率最高，且通過圖3的變化趨勢可以看出，隨著微波功率增大，抗性淀粉得率還有繼續(xù)提高的空間。但是由于條件限制，試驗微波功率只能達到800W，大于800W的情況有待進一步研究。

試驗在酶條件固定的情況下，研究微波各因素對抗性淀粉得率的影響。結(jié)果表明，在淀粉乳質(zhì)量分數(shù)15%、微波作用時間90 s、微波功率800 W的條件下，抗性淀粉得率最高為17.2%。采用以上優(yōu)化微波預(yù)處理條件制得的馬鈴薯抗性淀粉，進行進一步的理化性質(zhì)檢測。

2.2 抗性淀粉的電鏡測定結(jié)果

對馬鈴薯原淀粉、酶法制得的馬鈴薯抗性淀粉以及微波-酶解復(fù)合法制得的馬鈴薯抗性淀粉分別進行電鏡測定，具體顆粒觀察結(jié)果如圖4所示。

圖4 馬鈴薯原淀粉（×800）、酶法制得的馬鈴薯抗性淀粉（×1 500）及微波酶解復(fù)合法制得的馬鈴薯抗性淀粉（×1 500）的電鏡掃描圖Fig.4 SEM-micrograph of potato starch（×800），potato resistant starch by enzymolysis and microwaveenzymolysis（×1 500）

由圖4可以看出，馬鈴薯原淀粉（A）的顆粒形態(tài)呈圓形或者橢圓形，顆粒表面光滑，結(jié)構(gòu)緊密。采用酶法制得的馬鈴薯抗性淀粉（B），顆粒形態(tài)產(chǎn)生了明顯變化，與原淀粉相比，其光滑的表面結(jié)構(gòu)消失，形成了粗糙且有凹陷的不規(guī)則形狀，結(jié)晶結(jié)構(gòu)明顯。采用微波-酶解復(fù)合法制得的馬鈴薯抗性淀粉（C），與馬鈴薯原淀粉相比，其顆粒形態(tài)同樣產(chǎn)生了明顯變化，其光滑表面消失，變得粗糙；與酶法制得的馬鈴薯抗性淀粉相比，其形狀更規(guī)則，表現(xiàn)出更強的結(jié)晶性。這是由于微波-酶法制備馬鈴薯抗性淀粉在酶解的基礎(chǔ)上，對淀粉進行了微波預(yù)處理，加強了淀粉的糊化程度，且膨化效應(yīng)促進了淀粉與酶的作用，直鏈淀粉含量增加，從而使抗性淀粉結(jié)晶性更強。

2.3 抗性淀粉流變學(xué)特性的測定結(jié)果

2.3.1 馬鈴薯抗性淀粉的持水性、吸水率、乳化能力及乳化穩(wěn)定性

馬鈴薯抗性淀粉與馬鈴薯原淀粉的持水性、吸水率、乳化能力及乳化穩(wěn)定性的測定結(jié)果，如表1所示。

表1 馬鈴薯抗性淀粉與原淀粉的持水性、吸水率及乳化特性測定結(jié)果Table 1 The results of water-holding capacity，bibulous rate and emulsification characteristics determination to potato resistant starch and potato starch

由表1可以看出，馬鈴薯抗性淀淀粉的持水性為302.4%，顯著高于原淀粉的230.0%。這是由于在抗性淀粉形成的過程中，經(jīng)耐高溫α-淀粉酶液化和普魯蘭酶脫支的淀粉分子老化，重新聚集成有序的結(jié)晶，形成類似于海綿狀的多孔結(jié)構(gòu)[12]。馬鈴薯抗性淀粉的吸水率為42.74%，明顯高于原淀粉的18.10%，這可能是由于抗性淀粉在形成的過程中，直鏈淀粉分子增多，葡萄糖單元外側(cè)的羥基使分子聚合物的親水性增加，從而使抗性淀粉表現(xiàn)出更強的吸水性[13]。馬鈴薯抗性淀粉良好的持水性和吸水性，使其應(yīng)用到焙烤類食品中時，不會對產(chǎn)品的口感產(chǎn)生不良影響，且抗性淀粉吸水后膨脹，使腸道內(nèi)的食物變軟，促進腸道的蠕動，有助于對食物的消化吸收[14]。

馬鈴薯抗性淀粉的乳化能力及乳化穩(wěn)定性都要低于原淀粉，這使馬鈴薯抗性淀粉在某些乳化食品中的應(yīng)用受到了限制。因此，在這些產(chǎn)品中使用時，通常要添加專門的乳化劑來輔助效果，以發(fā)揮抗性淀粉的生理保健功能。

2.3.2 馬鈴薯抗性淀粉的Brabender粘度曲線評價

馬鈴薯原淀粉與馬鈴薯抗性淀粉的Brabender粘度曲線評價如表2、表3所示。

表2 馬鈴薯原淀粉的Brabender粘度曲線評價Table 2 The evaluation of Brabender viscosity curve to potato starch

表3 馬鈴薯抗性淀粉的Brabender粘度曲線評價Table 3 The evaluation of Brabender viscosity curve to potato resistant starch

由表2和表3可以看出，馬鈴薯抗性淀粉的起始糊化溫度高于原淀粉，這說明在相同條件下，馬鈴薯抗性淀粉比原淀粉更難糊化，這與陳光、高俊鵬等的研究結(jié)果一致[15]。馬鈴薯抗性淀粉糊的黏度也遠低于原淀粉，這主要是因為抗性淀粉是由直鏈淀粉重結(jié)晶形成的，而直鏈淀粉形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)不易被融化，使得抗性淀粉顆粒對熱膨脹具有很強的抵抗能力[16]。馬鈴薯抗性淀粉的稠度高于原淀粉，說明其凝膠能力更強。從恒溫階段開始到恒溫階段結(jié)束，馬鈴薯抗性淀粉的粘度變化要遠遠小于原淀粉，說明馬鈴薯抗性淀粉的粘度熱穩(wěn)定性比較好。由此可見，馬鈴薯抗性淀粉具有較好的凝膠形成能力和黏度穩(wěn)定性。

2.4 抗性淀粉的耐酸性測定結(jié)果

淀粉在酸溶液中一旦水解，其可溶性固形物的含量就會發(fā)生變化。通過測定可溶性固形物變化的時間，就可以比較樣品的耐酸性。馬鈴薯抗性淀粉與原淀粉的耐酸性測定結(jié)果如表4所示。

由表4可以看出，馬鈴薯抗性淀粉具有較強的抗酸解性。當在pH＜2的強酸環(huán)境下時，抗性淀粉在第6 min時開始水解，所用時間較短；當pH＞2時，馬鈴薯抗性淀粉的抗酸性明顯強于原淀粉。

表4 馬鈴薯抗性淀粉與原淀粉的耐酸性測定結(jié)果Table 4 The results of acid resistance to potato resistant starch and potato starch

馬鈴薯抗性淀粉的抗酸性與其結(jié)晶結(jié)構(gòu)有關(guān)?？剐缘矸墼谛纬蛇^程中，直鏈淀粉分子互相接近，通過氫鍵連接形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，雙螺旋再互相疊加，從而形成直鏈淀粉晶體[17]。這種直鏈淀粉晶體對淀粉酶和酸都具有很強的抗性。雖然馬鈴薯抗性淀粉在強酸環(huán)境下能很快被水解，但是一般的食品物料很難達到這個酸度。因此，馬鈴薯抗性淀粉可以應(yīng)用于酸性食品中。

3 結(jié)論

試驗在酶作用條件固定的情況下，研究微波各因素對馬鈴薯抗性淀粉含量的影響。結(jié)果表明，在淀粉乳質(zhì)量分數(shù)15%、微波作用時間90 s、微波功率800 W的條件下，制得的樣品中馬鈴薯抗性淀粉的含量最高為17.2%。

采用掃描電鏡（SEM）觀察了馬鈴薯抗性淀粉的表面形態(tài)，發(fā)現(xiàn)與原淀粉相比，光滑表面變得粗糙不平，產(chǎn)生了凹陷的不規(guī)則形態(tài)；微波－酶法制得的抗性淀粉與單純酶法制得的抗性淀粉相比，其結(jié)晶性增強。對馬鈴薯抗性淀粉的流變學(xué)特性進行測定后發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯抗性淀粉的持水性、吸水性明顯高于原淀粉，而乳化能力及乳化穩(wěn)定性都要低于原淀粉。測定Brabender粘度曲線后發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯抗性淀粉比原淀粉更難糊化，糊粘度也遠低于原淀粉，但粘度穩(wěn)定性及凝膠能力明顯強于原淀粉。通過測定耐酸性發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯抗性淀粉具有較強的抗酸解性，可以應(yīng)用于酸性食品中。

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