超高壓改性制備高抗性薏米粉的工藝優(yōu)化及其理化特性研究

肖志勇 -

薏米又名薏仁、薏苡仁，為1年生或多年生草本植物薏苡的種仁，營養(yǎng)價值高，富含人體必需氨基酸且氨基酸組成比例合理，與人體需求較為接近。

抗性淀粉是指不能在小腸酶解、消化、吸收，但可在結(jié)腸被微生物菌群發(fā)酵，繼而發(fā)揮有益生理功效，常被視為溶解性膳食纖維的組分之一[1]。抗性淀粉具有調(diào)節(jié)血糖、降膽固醇、預(yù)防結(jié)腸癌、促進礦物質(zhì)吸收、瘦身減肥等保健作用[2]。薏米中淀粉含量較高(40%以上)[3]。綜上，薏米是一種研制抗性淀粉高且兼具減肥、美容等保健功效食品的絕佳原料[4]。

超高壓加工技術(shù)是指利用壓力媒介(水或油)對置于密封容器中的物料進行加壓處理，以達到滅酶、殺菌以及改變食品功能性等目的[5]。超高壓已成功地用于小麥谷朊粉、糙米、紅薯渣不溶性膳食纖維等物料改性研究；部分學(xué)者[6-7]認(rèn)為超高壓處理能顯著提高物料功能特性、降低物料活性功效組分流失。

目前國內(nèi)外暫無利用超高壓技術(shù)對薏米粉進行改性制備高抗性淀粉的研究報道。包辰[8]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)壓熱處理后薏米溶解性和膨潤性優(yōu)于超聲、微波等處理。本試驗在壓熱法的基礎(chǔ)上，擬進一步采用超高壓技術(shù)對薏米進行改性來制備以減肥為主的功能性薏米粉，并對其制備工藝進行優(yōu)化，以期提高薏米粉中抗性淀粉含量、改善粉體性能和增強其減肥功效，為超高壓技術(shù)在提升薏米粉的加工性能和產(chǎn)品研發(fā)方面提供一定的理論支撐和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設(shè)備

1.1.1 試驗材料

浦城薏米：產(chǎn)自福建省浦城縣官路鄉(xiāng)；

高峰α-淀粉酶(1 000 U/g)、葡萄糖淀粉酶(10萬U/g)：美國Sigma公司；

95%乙醇、葡萄糖、苯酚、氫氧化鉀、氫氧化鈉、亞硫酸鈉、3,5-二硝基水楊酸、酒石酸鉀鈉：分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

超高壓處理裝置：5L-HPP-600MPa 型，包頭科發(fā)高壓科技有限責(zé)任公司；

真空包裝機：DZ-400-2F 型，溫州奔騰機械有限公司；

組織搗碎勻漿機：JJ-2型，江蘇天由有限公司；

低速離心機：TDL-5-A型，上海安亭科學(xué)儀器廠；

水浴恒溫振蕩器：THZ-82型，金壇市精達儀器制造有限公司；

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9000型，上海精宏試驗設(shè)備有限公司；

紫外可見分光光度計：UV-2000型，上海奧析科學(xué)儀器有限公司；

pH計：Sartorius普及型，合肥橋斯儀器設(shè)備有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品制備

(1) 薏米粉制備：根據(jù)文獻[9]，修改如下：用蒸餾水將洗凈薏米浸泡24 h后轉(zhuǎn)移至勻漿機中，加入適量蒸餾水濕磨勻漿，離心(4 000 r/min，10 min)去上清液，重復(fù)3～4次后將沉淀物轉(zhuǎn)移至培養(yǎng)皿中鋪平，于烘箱中45 ℃干燥24 h后粉碎，過100目篩，即得薏米粉。

(2) 超高壓改性薏米粉：根據(jù)文獻[10]18，修改如下：將薏米粉配制成一定質(zhì)量濃度薏米粉-水懸浮液，攪拌混勻后裝入聚丙烯袋，真空包裝(-100 kPa抽真空)后，根據(jù)試驗設(shè)計進行超高壓處理。樣品經(jīng)高壓處理后，4 ℃冷藏回生后于45 ℃干燥24 h后，粉碎過100目篩，即得超高壓改性薏米粉。

1.2.2 還原糖測定 采用3,5-二硝基水楊酸法[11]。

1.2.3 抗性淀粉得率測定 按式(1)計算抗性淀粉得率。

(1)

式中：

Y——抗性淀粉得率，%；

0.9——葡萄糖換算成淀粉的系數(shù)；

X1——薏米粉中還原糖含量，g；

X2——干薏米粉質(zhì)量，g。

1.2.4 單因素試驗設(shè)計

(1) 粉乳濃度：固定粉乳pH 7.0，壓力500 MPa，保壓時間10 min，老化時間 24 h，考察粉乳濃度(10%，20%，30%，40%，50%，60%)對薏米抗性淀粉得率的影響。

(2) pH：固定粉乳濃度20%，壓力500 MPa，保壓時間10 min，老化時間 24 h，考察粉乳pH(4，5，6，7，8，9)對薏米抗性淀粉得率的影響。

(3) 壓力：固定粉乳濃度20%，pH 7.0，保壓時間10 min，老化時間 24 h，考察處理壓力(100，200，300，400，500，600 MPa)對薏米抗性淀粉得率的影響。

(4) 保壓時間：固定粉乳濃度20%，pH 7.0，壓力500 MPa，老化時間 24 h，考察處理保壓時間(0，3，5，10，15 min)對薏米抗性淀粉得率的影響。

(5) 老化時間：固定粉乳濃度20%，pH 7.0，壓力500 MPa，保壓時間 10 min，考察處理老化時間(0，12，24，36，48，72 h )對薏米抗性淀粉得率的影響。

1.2.5 正交優(yōu)化試驗設(shè)計 在單因素試驗基礎(chǔ)上，以粉乳濃度、pH、壓力、保壓時間和老化時間為自變量，以薏米抗性淀粉得率為評價指標(biāo)，進行L16(45)正交試驗來優(yōu)化超高壓對薏米粉改性的工藝參數(shù)。

1.2.6 理化指標(biāo)測定

(1) 膨脹度和溶解度：參照文獻[12]。

(2) 透明度：參照文獻[13]。

(3) 凍融穩(wěn)定性：參照文獻[14]。

(4) 凝沉性：參照文獻[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 粉乳濃度對薏米抗性淀粉得率的影響 由圖1可知，薏米粉抗性淀粉得率隨薏米粉濃度的增加，先增加后降低。當(dāng)?shù)矸廴闈舛葹?0%時，其抗性淀粉含量達到最大值。這是由于薏米粉乳濃度較低時，直鏈淀粉分子間不易相互接近，糊化現(xiàn)象嚴(yán)重，不利于形成抗性淀粉；而當(dāng)薏米粉乳濃度較高時，薏米粉乳中水分含量較低，黏度較高，水分不易進入淀粉分子結(jié)晶區(qū)，淀粉顆粒難以充分糊化，分子間氫鍵難以破壞，導(dǎo)致直鏈淀粉締合程度低，使得抗性淀粉含量降低[20-21]。

圖1 粉乳濃度對薏米抗性淀粉得率的影響Figure 1 Effect of concentration on coix seed starch resistant starch yield

2.1.2 pH值對薏米抗性淀粉得率的影響 由圖2可知，薏米粉抗性淀粉得率隨pH值的增大而先增大后減小，當(dāng)pH為7時，抗性淀粉含量達到最大值。其原因可能為：淀粉在中性pH環(huán)境中老化速度快，有利于抗性淀粉的形成，而當(dāng)pH過高或過低，均不利于淀粉分子間氫鍵和空間結(jié)構(gòu)重組，直鏈淀粉間難以相互締合，從而使抗性淀粉含量降低[16-17]。此結(jié)論與阮思蓮等[18]利用熱壓法制備紫山藥抗性淀粉所得結(jié)果較為相似。

2.1.3 壓力對薏米抗性淀粉得率的影響 由圖3可知，壓力在100～300 MPa時，抗性淀粉含量變化不大，薏米粉乳幾乎不發(fā)生糊化，說明低壓對薏米淀粉分子破壞較小；在300～500 MPa時，薏米抗性淀粉含量先急劇增加，說明薏米淀粉分子逐漸被破壞并發(fā)生糊化；當(dāng)壓力>500 MPa后，抗性淀粉含量趨于穩(wěn)定，說明此時薏米淀粉分子間氫鍵基本充分暴露，體系中游離直鏈淀粉飽和，并相互締合，結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)完全破壞[16-17]。

圖2 pH值對薏米抗性淀粉得率的影響Figure 2 Effect of different pH value on resistant starch yield

圖3 壓力對薏米抗性淀粉得率的影響Figure 3 Effect of pressure on resistant starch yield

2.1.4 保壓時間對薏米抗性淀粉得率的影響 由圖4可知，隨保壓時間的延長，薏米抗性淀粉含量先增加(0～5 min)后趨于平緩(5～15 min)。說明高壓處理能顯著提高薏米粉中抗性淀粉含量；當(dāng)保壓時間較短時，壓力不能完全破壞薏米淀粉分子結(jié)構(gòu)，直鏈淀粉不能從薏米淀粉中釋放出來，其間相互接觸概率減少，限制了抗性淀粉的形成[19]；隨著保壓時間的延長，壓力能充分破壞淀粉分子結(jié)構(gòu)，直至直鏈淀粉分子完全釋放出來，抗性淀粉含量不再增加[17]。

2.1.5 老化時間對薏米抗性淀粉得率的影響 由圖5可知，當(dāng)老化時間為0～24 h時，抗性淀粉含量快速增加；超過24 h 后，抗性淀粉含量趨于穩(wěn)定。與對照組相比，老化能顯著提高抗性淀粉含量，這是由于在4 ℃環(huán)境中老化有利于被破壞的淀粉晶體重新結(jié)晶，形成較質(zhì)密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即淀粉分子晶核在開始的12 h內(nèi)快速增長，當(dāng)形成晶核接近總量的50%時，晶核增加速率放緩，與晶核形成理論吻合[16]。

圖4 保壓時間對薏米抗性淀粉得率的影響Figure 4 Effect of holding time on resistant starch yield

圖5 老化時間對薏米抗性淀粉得率的影響Figure 5 Effect of retrogradation times on resistant starch yield

2.2 正交優(yōu)化試驗

在單因素試驗基礎(chǔ)上，選取薏米粉乳濃度、壓力、pH、保壓時間和老化時間5個因素，以抗性淀粉含量為評價指標(biāo)，采用五因素四水平L16(45)正交試驗設(shè)計(表1)優(yōu)化薏米抗性淀粉的制備工藝。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Levels and factors of orthogonal design

由表2可知，各試驗因子對抗性淀粉得率影響的順序為：B>A>C>E>D；高壓改性制備薏米抗性淀粉的優(yōu)化工藝為：A2B4C2D4E3，即薏米粉乳濃度20%、壓力600 MPa、pH值6.0、保壓時間15 min、老化時間36 h。

由表3可知，壓力、薏米粉乳濃度和pH對薏米抗性淀粉得率影響顯著，其中壓力極顯著。由于優(yōu)化組合不在正交試驗序列之中，進行3次驗證實驗，薏米粉抗性淀粉含量均值(17.26%)，高于正交試驗設(shè)計中各組值，說明試驗結(jié)果合理。

2.3 理化性質(zhì)

2.3.1 膨脹度和溶解度 由圖6、7可知，薏米粉和改性薏米粉膨脹度和溶解度均隨溫度升高而升高，且薏米粉膨脹度大于改性薏米粉；在低溫范圍(<80 ℃)改性薏米粉溶解能力較強，當(dāng)溶解溫度高于80 ℃后，改性薏米粉溶解度反而低于普通薏米粉。這可能是在低溫環(huán)境下薏米粉中直連淀粉和脂類物質(zhì)易于形成復(fù)合物而抑制淀粉顆粒膨脹，阻礙水分子進入淀粉顆粒內(nèi)部與其結(jié)合；高壓處理則能在一定程度上破壞淀粉分子結(jié)構(gòu)，抑制復(fù)合物形成；此外，高壓處理使蛋白質(zhì)解聚成更小的亞型，內(nèi)部極性基團暴露，蛋白水化作用增強等導(dǎo)致改性薏米粉在低溫區(qū)溶解性優(yōu)于普通薏米粉，高溫區(qū)則剛好相反[20]。此外，高壓處理會抑制直鏈淀粉溶出，從而改變可溶性直鏈淀粉和支鏈淀粉含量來影響淀粉的膨脹度和溶解度[12,21]。

表2 正交試驗與結(jié)果Table 2 Experiment and results of orthogonal test

表3 方差分析?Table 3 Analysis of variance

?F0.05(3,3)=9.28，F(xiàn)0.01(3,3)=29.50。

圖6 薏米粉和改性薏米粉溶解度Figure 6 Solubility of modified coix seed and coix seed

圖7 薏米粉和改性薏米粉膨潤度Figure 7 Swelling capacity of modified coix seed and coix seed

2.3.2 透光率 由圖8可知，與薏米粉相比，改性薏米粉透光率降低1.36%。這可能是由于高壓處理在一定程度上破壞薏米淀粉顆粒晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致加熱糊化過程中未膨脹或膨脹未完全的淀粉顆粒較多，光線照射時發(fā)生散射所致[22]。

圖8 薏米粉和改性薏米粉的透光率Figure 8 Transmittance of modified coix seed and coix seed

2.3.3 凍融穩(wěn)定性 凍融穩(wěn)定性是指乳液經(jīng)受凍結(jié)和融化交替變化的穩(wěn)定性，通常用析水率為評價指標(biāo)，析水率越小，說明凍融穩(wěn)定性越好[22]。

由圖9所示，薏米粉和改性薏米粉糊凍融析水率均隨凍融次數(shù)增加而逐步增大，且改性薏米粉糊凍融析水率均較小，說明經(jīng)高壓處理后薏米粉凍融穩(wěn)定性增強。這是由于高壓處理導(dǎo)致淀粉分子間氫鍵作用加強，蛋白質(zhì)暴露出更多氫鍵和極性基團，薏米粉親水作用增強所致[10]50。

2.3.4 凝沉性 凝沉性是指糊化淀粉分子從無序狀態(tài)到有序重排并凝結(jié)沉降的過程，由淀粉回生所致，所以常用于評判淀粉回生情況[23]。由圖10可知，薏米粉和改性薏米粉在開始8 h內(nèi)較為穩(wěn)定，無上清液析出，基本不發(fā)生回生；隨時間的延長，上清液析出量迅速增加直至72 h后達平衡狀態(tài)，且改性薏米粉上清液體積始終小于薏米粉，說明超高壓改性使薏米粉凝聚沉降速率變緩、不易老化。其原因可能為：高壓處理使淀粉結(jié)晶區(qū)域結(jié)構(gòu)受到一定程度的破壞，回生處理后結(jié)晶度升高，并轉(zhuǎn)化成更穩(wěn)定的β晶型，直鏈淀粉含量降低，淀粉顆粒小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易發(fā)生重排、凝沉[24-25]。

圖9 薏米粉和改性薏米粉的凍融穩(wěn)定性Figure 9 Freeze-thaw stability of modified coix seed and coix seed

圖10 薏米粉和改性薏米粉的沉降曲線Figure 10 Sedimentation curve of modified coix seed and coix seed

與常見的壓熱處理相比，超高壓處理能使淀粉分子結(jié)構(gòu)變性更為完全，抗性淀粉含量增加，溶解性降低，但膨潤性變化較小[8]。因此，更利于研發(fā)以減肥等為目的保健產(chǎn)品。

3 結(jié)論

(1) 采用單因素、正交試驗設(shè)計優(yōu)化得超高壓改性制備抗性薏米粉的最佳工藝為：薏米粉乳濃度20%、壓力600 MPa、pH值 6.0、保壓時間15 min、老化時間36 h，在此條件下，薏米抗性淀粉得率為17.26%，與未處理對照薏米粉(抗性淀粉含量約為9%)相比，抗性淀粉含量提升90%左右。

(2) 經(jīng)超高壓改性后薏米粉析水性、凍融穩(wěn)定性和凝沉性均得到一定程度改善，且在低溫范圍內(nèi)溶解性增強；但膨潤力和透光率略有下降；在高溫區(qū)溶解性降低。所以，接下來可以進一步研究如何規(guī)避高壓處理對薏米粉理化特性帶來的負(fù)面影響，如膨潤度和透光率等。與壓熱法相比，超高處理使薏米淀粉變性更為徹底，抗性淀粉含量更高，溶解性更低。

(3) 就研制以減肥為主的保健薏米粉而言，超高壓技術(shù)不僅能使薏米粉中抗性淀粉含量增加、膨潤度降低，還能使其凍融穩(wěn)定性、凝沉性和溶解性在一定程度上得到顯著改善，因此，具有較好的運用前景。

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