鷹嘴豆抗性淀粉制備工藝優化及其結構特性的研究

徐 鑫，毛紅艷，于 明

(新疆農業科學院糧食作物研究所，烏魯木齊 830091)

鷹嘴豆抗性淀粉制備工藝優化及其結構特性的研究

徐 鑫，毛紅艷，于 明

(新疆農業科學院糧食作物研究所，烏魯木齊 830091)

目的以Box-Behnken試驗設計結合響應面分析法，優化鷹嘴豆抗性淀粉的制備工藝，并研究其結構特性。方法采用響應面法優化壓熱-酶法制備鷹嘴豆抗性淀粉的工藝參數，利用掃描電子顯微鏡、紅外光譜及X-射線衍射分析方法，研究鷹嘴豆抗性淀粉的結構特性。結果鷹嘴豆抗性淀粉制備工藝條件如下：淀粉漿質量濃度為21 %、壓熱時間41 ℃、酶解時間6.2 h、普魯蘭酶添加量3.9 U/g，此條件下平均得率為23.07 %；鷹嘴豆原淀粉顆粒呈橢球形，而抗性淀粉呈方形或多角形；X-射線衍射圖譜顯示鷹嘴豆抗性淀粉的晶型為C型；紅外光譜分析表明，抗性淀粉分子中未出現新的基團。結論優化的鷹嘴豆抗性淀粉制備工藝合理、可行，為鷹嘴豆抗性淀粉的生產提供了理論基礎。

鷹嘴豆；抗性淀粉；響應面；結構特性

0 引 言

【研究意義】鷹嘴豆，維吾爾語稱其為諾胡提，在新疆民族醫院及民間主要用來治療糖尿病、高脂血癥、便秘、消化不良等[1]。現代藥理研究表明，鷹嘴豆具有降血糖、降血脂、清除自由基抗氧化等作用[2-4]。鷹嘴豆在新疆已有2500多年的種植歷史，主要分布于新疆北部木壘、烏什等地[5]。鷹嘴豆耐干旱，耐貧瘠又豐產，富含多種植物蛋白、淀粉、黃酮類物質以及皂苷等，其中蛋白質含量達22.50%[5]，特別是淀粉含量達40%～60%[6]。通過開發鷹嘴豆淀粉產品來增加農民收入，提高鷹嘴豆的附加值對促進新疆經濟的發展有實際意義。【前人研究進展】近年來，抗性淀粉因其具有獨特的生理功能和優良的食品加工特性逐漸成為食品科學研究的熱點之一，而天然淀粉中的抗性淀粉含量低，需要改進制備方法以提高抗性淀粉含量。章麗琳等[7]研究獲得纖維素酶-壓熱法制備馬鈴薯抗性淀粉得工藝參數即淀粉乳含量25%、淀粉乳pH 5.0、酶用量30 U/mL、酶解時間50 min、壓熱溫度125 ℃、壓熱時間30 min、老化溫度4 ℃、老化時間18 h。姜志杰等[8]研究用壓熱酸解法制備木薯抗性淀粉，其最佳制備工藝條件為淀粉乳質量分數30%,壓熱溫度120 ℃、壓熱時間30 min、磷酸添加量2.0 %和糊化時間30 min。【本研究切入點】目前市場上銷售的主要以膨化食品、鷹嘴豆粉和鷹嘴豆原豆居多，產品的開發處于粗加工階段, 急需加大對其研究及開發力度。采用壓熱-酶法制備鷹嘴豆抗性淀粉，研究其抗性淀粉的結構特性。目前有對鷹嘴豆淀粉性質的研究，但對鷹嘴豆抗性淀粉的研究較少。【擬解決的關鍵問題】通過響應面設計優化壓熱-酶法制備的工藝，獲得鷹嘴豆抗性淀粉的最佳工藝參數，為鷹嘴豆抗性淀粉產品的開發奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 鷹嘴豆

鷹嘴豆由新疆農業科學院糧食作物研究所提供。

1.1.2 儀器

設備：D8ADVANCE X 射線粉末衍射儀：德國布魯克公司；LDZX-30KBS立式壓力蒸汽滅菌器：上海申安醫療器械廠；XMTD-4000型電熱恒溫水浴鍋：北京市永光明醫療儀器有限公司；PhenomXL臺式掃描電鏡儀：荷蘭Phenom公司；TDL-40B低速臺式大容量離心機：上海安亭科學儀器廠；耐馳STA449F3型同步熱分析儀：德國； 6700型傅里葉紅外光譜儀：美國Nicolet； SHA-C水浴恒溫振蕩器：金壇市醫療儀器廠。

1.2 方 法

1.2.1 鷹嘴豆抗性淀粉制備的單因素試驗

以鷹嘴豆抗性淀粉提取率為響應值，研究普魯蘭酶添加量、酶解溫度、不同淀粉漿質量濃度、酶解時間和壓熱時間對鷹嘴豆抗性淀粉提取率的影響，考察各因素條件對提取效果的影響，確定各因素的適宜范圍。

1.2.2 響應面法優化鷹嘴豆抗性淀粉工藝

根據單因素試驗結果，選擇淀粉漿質量濃度、酶解時間、壓熱時間和普魯蘭酶添加量為主要因素，采用Design-Expert 8.0軟件，按表1的因素水平設計29組試驗。表1

表1 響應面法設計因素和水平
Table 1 Response surface methodology design factors and levels

因素Factor水平 Level-101淀粉漿質量濃度(%)Starchslurryconcentration152025壓熱時間(min)Holdingtime354045酶解時間(h)Pullulanaseenzymolysis567普魯蘭酶添加量(U/g)Pullulanaseamount345

1.2.3 電子掃描顯微鏡觀察

樣品粉碎過100目篩，將其粘于樣品盤的導電雙面膠上，在IB-5離子濺射器上處理30 min，鍍一層Pt，然后用掃描電鏡觀察、拍照。

1.2.4 X-射線衍射

淀粉和抗性淀粉樣品進行充分干燥，在測定室中放置過夜。測定條件：X射線管參數設置為40 kV電壓和30 mA電流，X衍射源特征線是Cu-Kα輻射，2θ的掃描范圍是5～70℃。

1.2.5 紅外光譜

稱取3 mg樣品于瑪瑙研缽中研磨，采用溴化鉀壓片法，置于樣品架上，用紅外光譜儀波長為4 000～400 cm-1掃描，得到紅外光譜圖。

1.3 數據處理

數據采用SPSS 16.0軟件進行統計分析，所有實驗重復3次。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

研究表明，鷹嘴豆淀粉漿質量濃度為20%時提取的抗性淀粉較多。隨著淀粉漿質量濃度的增加，鷹嘴豆抗性淀粉的提取率增加緩慢，這是由于鷹嘴豆淀粉漿質量濃度不同會直接影響淀粉是否可以充分分散，從而影響抗性淀粉的形成[9]。隨著時間的逐漸延長，抗性淀粉提取率會逐漸上升，在40 min時提取率最高，時間繼續延長而鷹嘴豆抗性淀粉的提取率增加緩慢。這可能是由于熱處理時間過長，淀粉分子發生過度降解不利于抗性淀粉的行成[10]。因此，選擇40 min為最佳壓熱時間進行優化試驗。c、d、e可以得出普魯蘭酶添加量為4 U/g，酶解溫度為55℃，酶解時間為6 h時鷹嘴豆抗性淀粉的提取率最高，酶解溫度過高或者過低對普魯蘭酶的活性影響很大[11]。圖1

2.2 響應面

2.2.1 響應面

根據Box-Behnken中心組合原理對鷹嘴豆抗性淀粉提取率設計四因素三水平的響應面分析試驗，研究表明，再用Design-Expert軟件對試驗結果進行回歸分析。表2

2.2.2 模型的建立及顯著性檢驗

以鷹嘴豆抗性淀粉的提取率為響應值，經過多元回歸擬合，得到回歸方程表示為：Y=23.04+1.02A+1.01B+0.33C-0.051D+0.87AB-0.06AC+0.11AD+2.07BC+0.072BD-1.50CD-3.02A2-3.74B2-2.36C2-1.67D2。由表3可知，該模型效應極顯著(P<0.000 1)，失擬項不顯著(P>0.05)，因變量與自變量之間的線性關系顯著(R2=0.997 5)，R2Adj=0.995 0，說明該模型擬合程度較好，試驗的二次回歸方程可以用于對鷹嘴豆抗性淀粉的提取率進行預測。各因素之間存在一定的交互作用，其中一次項A、B、C、二次項A2、B2、C2、D2以及交互項AB、AC、BC、CD都是極顯著的。表3

2.2.3 響應面優化分析

研究表明，交互項AB、AC、BC、CD極顯著。等高線圖呈橢圓形，曲面圖比較陡峭，說明兩兩因素交互作用對鷹嘴豆抗性淀粉的提取率的影響顯著。對所得方程進行逐步回歸，得到優化后的最佳工藝參數為壓熱時間41 min、鷹嘴豆淀粉漿質量濃度21%，普魯蘭酶解添加量3.9 U/g、酶解時間6.2 h。圖2，表3

2.3 顆粒形貌

鷹嘴豆原淀粉顆均呈光滑的卵圓形，表面光滑；抗性淀粉顆粒呈多角形、立方形。這是由于淀粉顆粒處于高溫、濕熱和強堿條件下，淀粉顆粒開始糊化。反應結束后，淀粉顆粒從高溫驟變到常溫，膨脹的淀粉顆粒來不及恢復原貌而坍塌[12]。圖3

圖1 淀粉漿質量濃度、壓熱時間、普魯蘭酶添加量、酶解溫度及酶解時間下鷹嘴豆抗性淀粉提取率變化
Fig.1 Effect of starch slurry concentration，Holding time，Pullulanase enzymolysis time Pullulanase enzymolysis temperature and Pullulanase amount on chickpea resistant starch m formation

表2 響應面試驗設計及結果
Table 2 Response surface design and results

試驗序號TestcodeA：淀粉漿質量濃度Starchslurryconcentration(%)B：壓熱時間Holdingtime(min)C：酶解時間Pullulanaseenzymolysistime(h)D：普魯蘭酶添加量Pullulanaseamount(U/g)RS提取率Yieldofresistancestarch(%)110011946211001908300002289401011876500002315601-10153670-10-11674800-1-117349001117681010-10187111-1010168412-10-101625130110203214-1001172115-11001562160-11014261700002307181-100152019010-11862200-10116592100-1119962200002295230000231224-100-1173525-1-1001521260-1-10175927100-1191728001-121052910101906

圖2 四因素交互影響的響應面
Fig.2 The response surface interaction map affected by four factors

表3 回歸方程方差
Table 3 The variance analysis of regression equation

方差來源Sourcesofvariance平方和Sumofsquares自由度Degreeoffreedom均方MeansquareFvaluePvalue模型Model1946214139039804<00001A12401124035515<00001B12341123435340<00001C13311333818<00001D00311003108903620AB30113018619<00001AC00141001404100032AD00461004613202692BC17181171849195<00001BD00211002106004507CD897189725684<00001A2590015900168934<00001B2908419084260090<00001C2360813608103304<00001D218081180851577<00001殘差049140035失擬項Lackoffititems04410004435201184純誤差Pureerror005040012總和CorTotal1951128

圖3 鷹嘴豆原淀粉和抗性淀粉的顆粒形貌
Fig.3 Particle morphology of chickpea starch and resistant starch

2.4 X-射線衍射

鷹嘴豆原淀粉在衍射角2θ為15°、17°、19°、23°呈現強的衍射峰，抗性淀粉在2θ為17°、20°、22°呈現強的衍射峰，與原淀粉相比，少了尖銳的衍射峰，這是典型的C型結晶結構。

2.5 紅外光譜

鷹嘴豆原淀粉和鷹嘴豆抗性淀粉的紅外圖譜顯示，鷹嘴豆原淀粉的-OH對稱伸縮振動峰出現在3 500 cm-1處，2 938 cm-1處的吸收峰對應著C-H不對稱伸縮振動峰；1 672 cm-1是H-O-H彎曲振動，1 410 cm-1是-CH2-彎曲振動，1 367 cm-1是-CH-彎曲振動，1 160 cm-1、995 cm-1是C-O-C的伸縮振動產生的。927 cm-1是C-O-C的對稱伸縮振動，852 cm-1是D-吡喃糖苷鍵特征吸收。鷹嘴豆抗性淀粉的-OH對稱伸縮振動峰出現在3 565 cm-1處，2 930 cm-1處的吸收峰對應的是c-H不對稱伸縮振動峰；1 652 cm-1是H-O-H彎曲振動。圖5

圖4 鷹嘴豆原淀粉和抗性淀粉的X-射線衍射譜
Fig.4 X-ray diffraction patterns of chickpea starch and resistant starch

圖5 鷹嘴豆原淀粉和抗性淀粉的紅外譜
Fig.5 Infrared spectra of chickpea starch and resistant starch

3 討 論

隨著鷹嘴豆的價值逐漸被認識，以及對其營養成分的進一步研究，鷹嘴豆已有廣闊的應用前景，但鷹嘴豆的加工特性很大程度上取決于鷹嘴豆中淀粉的功能性質和消化性，雖然對鷹嘴豆淀粉和抗性淀粉結構的研究已取得一定進展，但還需深入研究：(1)對鷹嘴豆淀粉的糊化、回生和酶解過程結構變化的深入研究；(2)加工方法對鷹嘴豆抗性淀粉結構、營養消化性及鷹嘴豆的添加對食品狀態和性質產生的影響；(3)從分子水平探討原淀粉及抗性淀粉的性質差異，考察其適宜的食品應用領域，為其應用提供理論支持。

4 結 論

研究采用響應面法優化了鷹嘴豆抗性淀粉的制備工藝，研究了淀粉漿質量濃度、壓熱時間、酶解時間、普魯蘭酶添加量對鷹嘴豆抗性淀粉提取率的影響，并得到鷹嘴豆抗性淀粉制備的最佳條件:淀粉漿質量濃度21%，壓熱時間41 min、酶解時間6.2 h、普魯蘭酶解添加量3.9 U/g。此條件下鷹嘴豆抗性淀粉的提取率為23.21%，與理論預測值比較接近，這表明回歸模型能夠很好的預測鷹嘴豆抗性淀粉的提取率，并且優化的效果較為明顯。

掃描電子顯微鏡表明，鷹嘴豆抗性淀粉顆粒結構發生明顯的變化，原淀粉顆粒為卵圓形，而鷹嘴豆抗性淀粉呈不規則結構，具有更穩定的晶體結構。X-射線衍射圖譜顯示，鷹嘴豆抗性淀粉的晶型為C型。紅外光譜分析表明，鷹嘴豆原淀粉及抗性淀粉的紅外光譜圖沒有顯著差異，具有相似的主要特征吸收峰。

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StudyonOptimizationofChickpeaResistantStarchPreparationandItsStructuralProperties

XU Xin, MAO Hong-yan, YU Ming

(InstituteofCerealCrops，XinjiangAcademyofAgriculturalSciences，Urumqi830091，China)

ObjectivePreparation technology of the chickpea resistant starch was optimized by employing response surface methodology based on Box-Behnken, and its structural characteristics were studied.MethodResponse surface methodology was employed to study the reaction conditions for chickpea resistant starch (RS) content by enzymatic pressure-heating preparation and meanwhile the structural properties of chickpea resistant starch were investigated by the methods of scanning electron microscopy，infrared spectroscopy and X-ray diffraction patterns.ResultThe result showed that the optimal reaction conditions obtained were starch slurry concentration 21%, holding time 41 min, pullulanase enzymolysis time 6.2 h, pullulanase amount 3.9 U/g，the average extraction yield was 23.06%. Scanning electron microscopy (SEM) images showed that the starch shape changed significantly, that chickpea starch granules were in ellipsoid, while the resistant starch granules were in cuboid or polyhedra. X-ray diffraction patterns revealed resistant starches remained C-type. Infrared spectrogram showed the chemical structure of two kinds starch was similar.ConclusionThe optimization of chickpea resistant starch extraction process technology was reasonable and feasible and its results can provide a theory basis for the industrialized production of chickpea starch.

chickpea; resistant starch; response surface methodology; structural properties

YU Ming(1973-),male, native place: Inner Mongolia, associate professor, postgraduate，research field: Agrotechny, (E-mail)2435742497@qq.com

A

1001-4330(2017)10-1847-09

10.6048/j.issn.1001-4330.2017.10.010

2017-08-18

新疆科技興新項目“新疆特色糧豆功能食品開發”(2012017B10)；新疆農業科學院青年基金項目“鷹嘴豆抗性淀粉的制備方法及其理化性質的研究”(xjnkq-2015026)；新疆農業科學院青年基金項目“鷹嘴豆抗性淀粉對高脂小鼠腸道菌群結構的影響”(xjnkq-2017001)

徐鑫(1986-)，女，新疆人，助理研究員，碩士，研究方向為農產品加工，(E-mail)cindy1105013 @qq.com

于明(1973-)，男，內蒙古通遼人，副研究員，碩士，研究方向為農產品加工，(E-mail)2435742497@qq.com

Supported by: Supported by New Projects of Xinjiang Science and Technology "The functional food development of characteristic grain and bean of xinjiang"(2012017B10)； Youth Fund of Xinjiang Academy of Agricultural Sciences"Study on preparation methods and physicochemical property of chickpea resistant starch" (xjnkq-2015026)； Youth fund of Xinjiang Academy of Agricultural Sciences"Effects of resistant starch of chickpea on intestinal microflora in mice Fed High-fat Diet"(xjnkq-2017001)