微波濕熱-循環冷凍對小麥淀粉結晶特性的影響

謝巖黎 南永遠 郝振宇

(河南工業大學糧油食品學院，鄭州 450001)

微波濕熱-循環冷凍對小麥淀粉結晶特性的影響

謝巖黎 南永遠 郝振宇

(河南工業大學糧油食品學院，鄭州 450001)

以小麥淀粉為原料，采用微波濕熱-循環冷凍的方法制備抗性淀粉。利用掃描電鏡(SEM)、紅外光譜儀(IR)、X-衍射儀、差式掃描量熱儀(DSC)研究了抗性淀粉的顆粒形貌、結晶結構、熱力學性質。試驗結果表明：在淀粉乳質量分數25%，微波功率700 W，微波時間2 min，循環凍融6次(-18 ℃冷凍4 h，解凍1 h為1次凍融處理)，抗性淀粉得率為15.85%。掃描電鏡顯示抗性淀粉由原來光滑球形變為表面粗糙的不規則片層結構；X-射線衍射圖譜顯示抗性淀粉的結晶結構由原淀粉的A型轉變為更加穩定的B+V型；紅外圖譜表明(1 045/1 022) cm-1峰強度比值增大，抗性淀粉顆粒內有序度增加；DSC圖譜表明在115 ℃由于直鏈淀粉晶體熔融時吸熱而造成1個較大的吸熱峰，其熱焓值為2 231 J/g，與原淀粉相比明顯增大，表明抗性淀粉因直鏈淀粉重結晶形成，淀粉抗酶解作用增強。

抗性淀粉 微波 反復凍融 DSC X-射線衍射 結晶

抗性淀粉是指在健康者小腸中不被消化和吸收的淀粉及其降解產物的總和，卻能在大腸中被發酵或部分發酵，生成短鏈的脂肪酸[1-2]。其在控制體重、防治Ⅱ型糖尿病和一些腸道疾病、促進脂質代謝等方面有著重要作用[3-4]。抗性淀粉作為一類新型的功能性食品配料，其制備及應用成為近年來食品科學領域研究的熱點[5]。其中RS3型淀粉是抗性淀粉中最重要的一類淀粉，其具有可再生、易于控制、高溫條件下穩定等優點，是最具有工業化生產和應用前景的。RS3型抗性淀粉的形成機理是糊化后的淀粉顆粒，在冷卻過程中形成重結晶，這些重結晶區的存在不僅使得淀粉酶不能夠和區域內部的α-1,4葡萄糖苷鍵發生作用，而且也阻礙了淀粉酶活性中心部位與淀粉分子發生相互結合，使其產生抗酶解性[6-8]。

目前，制備RS3型抗性淀粉的方法主要有濕熱處理法、酶脫支法、微波輻射法、擠壓法、超聲波處理法等。這些制備方法對RS3型淀粉的結晶性質都有不同的影響。不同淀粉的種類和濕熱處理條件對淀粉晶型的影響不同。濕熱處理使馬鈴薯淀粉和山藥淀粉從A型轉變成B型[9]，而其他的研究報道表明，濕熱處理沒有改變木薯、谷物淀粉的晶型結構[10]。微波處理后蓮子淀粉的晶型從C型轉變為B型。淀粉的晶型的轉變只與淀粉的回生方式有關。試驗以小麥淀粉為原料，通過微波濕熱處理和反復凍融，研究制備淀粉的結晶性質，為研究加工條件對淀粉消化特性和營養特性提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

小麥淀粉：實驗室自制；耐高溫α-淀粉酶、胃蛋白酶、葡萄糖淀粉酶：上海源葉生物科技有限公司；葡萄糖：天津市瑞金特化學品有限公司；3,5-二硝基水楊酸：國藥集團化學試劑有限公司；其他化學試劑均為分析純。

1.2 主要儀器與設備

格蘭仕微波爐：廣東格蘭仕電器廠；101型電熱鼓風干燥箱：北京市永光明醫療儀器廠；Quanta 200環境掃描電鏡：美國FEI公司；E-1010離子濺射儀：日立有限公司；X’Pert PRO：荷蘭 PANalytical；K20差式掃描量熱儀：美國TA公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 抗性淀粉的含量測定

采用TSA法[11-12]并做一定修改，測定抗性淀粉含量，具體操作步驟：精準稱取樣品2.000 g，添加HCI-KCI溶液15 mL(pH 2.0～4.0)，添加一定量的胃蛋白酶于40 ℃恒溫振蕩水浴鍋中振蕩1 h；反應結束后取出，冷卻至室溫，調整pH至6.0～6.2，加入過量的耐高溫α-淀粉酶，95 ℃恒溫水浴中水浴振蕩30 min；待樣品重新冷卻至室溫后，調節溶液的pH值為4.5，加入適量的葡萄糖淀粉酶，放入58 ℃恒溫振蕩器中振蕩1 h；向其中添加4倍體積的95%乙醇，在4 000 r/min條件下離心15 min；倒掉上清液，沉淀醇洗3遍；用4 mol/L KOH溶解沉淀，調節 pH至4.5，加入過量葡萄糖淀粉酶，58 ℃恒溫水浴水解1 h并不斷振蕩；水浴加熱，不斷攪拌使沉淀全部溶解，4 000 r/min離心15 min，把上清液倒入容量瓶中，用蒸餾水洗滌沉淀3次；合并上清液，用蒸餾水定容至100 mL。通過DNS法測定上清液中還原糖的含量，并用下列公式計算RS的得率。測定重復3次，取平均值。

抗性淀粉得率=還原糖質量分數×0.9

式中：C為標準曲線測得的還原糖質量/mg；V為提取液的總體積/mL；m為抗性淀粉制備品的質量/g；V1為DNS測還原糖所用體積/mL。

1.3.2 抗性淀粉制備工藝

首先配制成一定質量分數的淀粉乳，調節微波作用的功率和時間對淀粉乳進行微波處理，待其冷卻至室溫后對其進行反復凍融處理(在-18 ℃冷凍室中凍結4 h，融解1 h為1次凍融處理)，在60 ℃條件下烘干，粉碎并過100目篩，得小麥抗性淀粉制備品。

1.3.3 小麥抗性淀粉制備工藝優化

選擇淀粉乳質量分數、微波作用功率、微波作用時間、反復凍融次數4個因素，以小麥抗性淀粉的得率為考察指標，利用正交表L9(34)對微波-反復凍融工藝進行優化，試驗因素水平設計見表1。

表1 正交試驗因素水平表

1.3.4 淀粉顆粒掃描電鏡

用SEM掃描經過干燥并過200目篩的小麥淀粉和純RS3，首先把處理過的樣品用導電膠粘在樣品座上，用洗耳球吹去未黏附的樣品(目的是使樣品盡可能分布均勻且稀薄，便于觀察樣品的表觀形態)，利用離子濺射儀對樣品進行噴金處理，在不同放大倍數下觀察樣品的表觀形態并拍攝具有代表性的照片。

1.3.5 X-射線衍射分析

小麥淀粉和純RS3過200目篩后進行X-衍射分析，取少量樣品，置于樣品盤中，用玻片將樣品粉末壓實鋪平，形成一個平面，把樣品盤放到X-射線衍射儀的樣品測試臺上進行測試。測試條件為：電壓40 kV，電流40 mA，衍射角(2θ)掃描范圍5°～40°，掃描速度2(°)/min[13]。

1.3.6 差示掃描量熱儀分析

稱取約2.5 mg淀粉放入鋁鉗鍋中，用微量進樣器向坩堝中加入一定量的蒸餾水(淀粉∶水=1∶2m/m)，對其進行壓蓋密封處理，室溫條件下靜置平衡24 h，測試條件：溫度范圍30～180 ℃，升溫速率10 ℃/min，液態氮冷卻，空鋁盒作參比[14]。

2 結果和分析

2.1 正交試驗結果分析

表2和表3分別為正交試驗的直觀分析和方差分析的結果。由表2的極差分析結果可知，RS3得率A、B、C、D4個因素影響的先后順序是D>B>A>C，D對結果的影響極顯著，C對結果影響相對最小。由各因素k值的大小確定了各因素的最佳水平組合為A2B3C2D2，即淀粉乳質量分數25%，微波作用功率700 W，微波作用時間2 min，反復凍融次數6次。由表3方差分析結果可知微波功率和反復凍融次數對RS3的得率有顯著影響。

表2 正交試驗設計與結果

表3 方差分析

注：**表示在0.01的顯著水平，*表示在0.05的顯著水平。

對最佳組合進行驗證試驗。配制淀粉乳質量分數為25%，在微波功率700 W，時間2 min的條件下微波處理，反應結束后反復凍融6次，干燥得到RS3樣品，重復3次測定平均得率15.85%，比6號試驗得率13.14%高，且具有很好的重復性。因此確定A2B3C2D2為最佳組合。

2.2 掃描電鏡分析結果

從圖1掃描電鏡結果可以看出，小麥RS3的表觀結構與原小麥淀粉相比呈現出不同的表觀結構。原淀粉顆粒結構完整、表面光滑，呈圓形或卵圓形。而小麥RS3形成了不規則的塊狀形狀，顆粒表面粗糙，呈現出緊密的片層結構。這是由于淀粉發生糊化破壞了其顆粒結構，直鏈淀粉溶出并通過分子間的氫鍵形成穩定有序的重結晶結構，從而使其結晶結構密度增加，導致淀粉具有抗酶解特性[15]。

圖1 小麥淀粉及抗性淀粉SEM圖

2.3 抗性淀粉的結晶結構

淀粉是一種多晶聚合物，通過X-射線衍射研究淀粉的結晶性，根據X-射線衍射圖譜將淀粉分為 A型、B型、C型。禾谷類淀粉大多數屬A型，其在衍射角15°、17°、18°、23°處有較強衍射峰；馬鈴薯等塊莖淀粉顆粒顯示B型圖譜，在衍射角5.6°、15°、17°、22°和24°處出現較強衍射峰，而豆類淀粉顆粒則大多呈現出C型圖譜。另外還有V型，其在衍射角度為7.4°、13°和 20°有較強衍射峰，此形式的晶型在天然的淀粉中并不存在，只在糊化后的淀粉與類脂物及相關化合物形成復合物以后才產生[16]。

從圖2中可以看出小麥淀粉在衍射角2θ=15.3°、17.3°、18.1°、23.3°處有較強吸收峰，屬于典型的A型結晶結構；而小麥抗性淀粉的衍射峰位和峰值都發生明顯變化，其在衍射角2θ=17.1°、22°、24.1°出現特征峰，表現為B型結晶。同時在2θ=19.8°出現了V型衍射峰的特征，因此小麥抗性淀粉結晶結構是B型和V型混合型結構。

圖2 小麥抗性淀粉和原淀粉的X-射線衍射圖譜

2.4 紅外光譜分析

紅外光圖譜中，在3 400 cm-1處出現的1個較強且寬的吸收峰，反映的是淀粉中的羥基(O-H)的伸縮振動；在2 930 cm-1附近出現的吸收峰，歸屬為CH2反對稱伸縮振動；15 800～1 200 cm-1是蛋白質和多糖的混合振動吸收區；1 400 cm-1附近的吸收峰歸屬為C-H剪式振動吸收；1 153～950 cm-1是多糖的混合振動區，1 150 cm-1附近的譜峰歸屬為淀粉中C-O和C-C鍵的伸縮振動；1 024 cm-1左右的吸收峰歸屬為淀粉中C-O伸縮振動及C-OH鍵的彎曲振動；570 cm-1附近的譜峰歸屬為淀粉的骨架模式振動。

從圖3可以看出抗性淀粉與原淀粉相比在的3 400 cm-1處峰形變寬，相對強度增大，說明形成了更多的氫鍵，也證明了抗性淀粉結構的穩定、牢固。有文獻表明(1 045/1 022) cm-1和(995/1 022) cm-1峰強度比值被看作是淀粉有序結構的指標[17]，其中(1 045/1 022) cm-1峰強度比值表示淀粉分子結構中的有序結構和無定形結構的比例關系，其比值越大，顆粒內有序度越高；淀粉有序結構對水解酶具有較高的抗性。測定結果表明抗性淀粉中有序結構比原淀粉增加。另外小麥抗性淀粉譜圖的基本輪廓與原淀粉相似近似，主要特征峰大致相同，仍然保留了小麥淀粉的特征吸收峰，說明RS的制備過程中沒有新的基團形成其化學結構并沒有發生改變，屬于物理變化。

圖3 小麥淀粉和抗性淀粉的紅外光譜圖

2.5 差式熱量掃描分析結果

差式掃描量熱儀(DSC)分析技術是通過程序來控制溫度條件，連續地測定物質發生物態轉化過程中的熱效應，在測試過程中要保持待測物質跟參照物的溫差為零，根據所得到的曲線不僅可以確定出物質發生相轉化條件，如相轉化的初始溫度和終止溫度，還可以研究物質在發生相變化過程中的熱效應和物態變化的規律，是常用的研究高分子聚合物物態變化情況的分析方法。可以用其分析淀粉在物理化學變化過程中的相變及熱力學特征。

圖4 小麥抗性淀粉和原淀粉的DSC曲線

一般來說，在DSC圖譜中存在3個主要吸熱峰，即淀粉糊化的吸熱峰通常低于100 ℃，和直鏈淀粉回生后的吸熱峰其高于110 ℃，以及直鏈淀粉和脂類的混合物的熔融造成的吸熱峰，其發生在80～100 ℃之間[18]。從圖4中可以看出小麥原淀粉的DSC曲線在55～75 ℃有1個主要的吸收峰， 認為淀粉—水體系發生熔融轉變即淀粉糊化吸熱而造成的，在85 ℃左右的狹小的峰是由于淀粉與脂類的混合物引起的，其在110 ℃的吸熱峰是由于直鏈淀粉結晶區熔融造成的；小麥RS3的DSC圖片與原淀粉相比發生巨大變化，其只存在1個115 ℃左右的由于直鏈淀粉晶體熔融時吸熱而造成的吸熱峰，熱焓值為2 231 J/g，并且其峰面積與原淀粉相比明顯增大，說明小麥抗性淀粉的主要是由直鏈淀粉重結晶形成的有序結構增大，其晶體結構更緊密，淀粉抗酶解作用增強。

3 結論

采用微波-反復凍融制備抗性淀粉的最佳工藝為：淀粉乳質量分數25%，微波作用功率700 W，微波時間2 min，反復凍融6次，抗性淀粉得率最大為15.85%；掃描電鏡結果顯示小麥抗性淀粉與原淀粉相比，小麥RS3形成了不規則的塊狀行狀，顆粒表面粗糙，呈現出緊密的片層結構；X-射線衍射分析表明抗性淀粉顆粒的結晶結構從A 型變為B型和V型的復合體；DSC的測定結果表明，抗性淀粉是直鏈淀粉重結晶形成的其具有較大的吸熱峰，峰值溫度為115 ℃，熱焓值為2 231 J/g，直鏈淀粉重結晶形成的，使淀粉抗酶解作用增強。

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Effect of Microwave Heat-Moisture and Cycle Freezing on Crystallization of Wheat Starch

Xie Yanli Nan Yongyuan Hao Zhenyu

(Henan University of Technology，Grain College, Zhengzhou 450001)

Resistant starch was prepared under a combination of microwave and heat-moisture treatments and cycle freezing of wheat starch. Granule morphology, crystal structure, thermodynamic properties of resistant starch were studied by scanning electron microscopy (SEM), infrared spectrometer (IR), X-diffraction, differential scanning calorimetry (DSC). The experimental results showed that the yield of resistant starch was 15.85% at the condition of the mass fraction of starch solution 25%，the power of microwave 700 W，the time of microwave 2 min，the cycles of freezing and thawing 6 (freezing 4 h at -18 ℃，thawing 1 h . Scanning electron microscopy showed that the resistant starch increased from smooth spherical surface roughness becomes lamellar structure. X-ray diffraction pattern showed that the original crystalline structure of starch resistant starch type A converted to a more stable type B+V. IR spectra showed that (1 045/1 022) cm-1peak intensity ratio increased, the increase in resistant starch granule degree of order.DSC spectra showed that due amylose crystal melting endotherm caused when a large endothermic peak at 115 ℃,the enthalpy value of RS was 2 231 J/g and the value increased significantly as compared to native starch, indicated that the recrystallization increased of RS and enzymatic stability enhancement.

resistant starch, microwave, freezing and thawing, differential scanning calorimetry, X-ray diffraction, crystallization

TS234

A

1003-0174(2017)10-0049-05

國家重點研發計劃課題 (2016YFD0400203)，河南省科技攻關(162102210039)

2016-08-02

謝巖黎，女，1971年出生，教授，食品營養與安全