馬鈴薯抗性淀粉的微波-濕熱制備工藝優(yōu)化及結(jié)構(gòu)表征

劉 敏,韓育梅,何 君,黃 歡,王紹帆

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和和特 010018)

抗性淀粉(Resistant starch)被認(rèn)為是一種能在結(jié)腸中部分或完全發(fā)酵的纖維組分,經(jīng)過(guò)結(jié)腸微生物群的利用,能夠形成短鏈脂肪酸等代謝產(chǎn)物,降低腸道pH,有益于腸道健康[1-2]。抗性淀粉大部分由老化/重結(jié)晶的短直鏈淀粉構(gòu)成,可通過(guò)物理改性的方法制備。主要有以下幾種方法:水熱處理法、脫支處理法、微波處理法、擠壓處理法、超聲波處理法等[3-4]。

濕熱處理(Heat-moisture treatment,HMT)制備抗性淀粉過(guò)程中,淀粉顆粒結(jié)構(gòu)被破壞,部分分子鏈被解聚。處理前有選擇的進(jìn)行酸解或熱解，可提高抗性淀粉得率[5]。Hung等[6]采用酸解-HMT法制備甘薯及山藥抗性淀粉,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,酸解-HMT較HMT法制備抗性淀粉得率更高,且兩者結(jié)構(gòu)之間存在明顯差異。利用微波法對(duì)淀粉進(jìn)行水解處理的報(bào)道較少。微波處理較傳統(tǒng)的水熱處理具有升溫短、高效節(jié)能、操作簡(jiǎn)單、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn),微波效應(yīng)在淀粉乳糊化的前期,可以顯著影響淀粉顆粒內(nèi)部水分分布,并能夠促進(jìn)該階段淀粉的內(nèi)氫鍵破壞,從而導(dǎo)致淀粉顆粒內(nèi)雙螺旋鏈減少,使淀粉更容易糊化[7]。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)微波-濕熱法制備馬鈴薯抗性淀粉,研究微波處理對(duì)抗性淀粉得率及結(jié)構(gòu)的影響,并利用正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,以期為微波-濕熱法制備馬鈴薯抗性淀粉提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬鈴薯精制淀粉 呼和浩特華歐淀粉有限公司;胃蛋白酶(≥3000 U/g) 上海金畔生物科技有限公司;耐高溫α-淀粉酶(120 KNU/g) 諾維信生物技術(shù)有限公司;葡萄糖淀粉酶(10000 U/g) 北京生瑞太科技有限公司;其他試劑 均為分析純。

MCR-3E常壓微波合成萃取儀 功率范圍:0～750 W,鄭州世紀(jì)雙科實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;SX-500高壓蒸汽滅菌鍋 日本TOMY公司;SHZ-88-1水浴恒溫振蕩器 上海雅榮生化設(shè)備儀器有限公司;T6紫外可見(jiàn)分光光度計(jì) 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;PL303電子天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;HC-3018離心機(jī) 安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司;PB-10型pH計(jì) 賽多利斯科學(xué)儀器有限公司;GCX-9076數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱 上海啟威電子有限公司;Phenom Pro掃描電子顯微鏡 復(fù)納科學(xué)儀器(上海)有限公司;IRSffinity-1傅里葉變換紅外分光光度計(jì) 日本島津公司;Empyresn型X-射線粉末衍射儀 荷蘭PANalytical公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 馬鈴薯抗性淀粉的制備與純化 用蒸餾水將馬鈴薯淀粉(MY)制備成不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的淀粉乳,攪拌均勻后，用不同微波功率及微波時(shí)間對(duì)淀粉乳進(jìn)行預(yù)處理,然后在120 ℃下濕熱處理30 min,冷卻至室溫后，在4 ℃下靜置24 h,置于60 ℃烘箱干燥36 h,粉碎并過(guò)80目篩,得到微波-濕熱法處理的馬鈴薯抗性淀粉(WH)。

結(jié)合曹力心[8]、劉雷[9]、謝濤[10]等人的方法并做適當(dāng)修改。將老化后的淀粉中加入pH為1.5的HCl-KCl緩沖溶液,然后加入過(guò)量(≥20 μL/g干抗性淀粉)胃蛋白酶,40 ℃水浴振蕩1 h,冷卻至室溫;將乳液pH調(diào)至5.5～6.5,加入適量(≥50 μL/g干抗性淀粉)耐高溫α-淀粉酶,95 ℃水浴振蕩30 min,冷卻至室溫;將乳液pH調(diào)至4.0～4.5,加適量(≥50 μL/g干抗性淀粉)葡萄糖淀粉酶,60 ℃水浴振蕩12 h,冷卻至室溫;在3000 r/min下離心30 min后,用95%乙醇洗滌，離心(3000 r/min,30 min)2～3次,再經(jīng)干燥、粉碎、過(guò)80 目篩,得純抗性淀粉。

1.2.2 單因素與正交實(shí)驗(yàn) 按照上述濕熱、老化及干燥條件,以馬鈴薯抗性淀粉得率為考察指標(biāo),進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。在微波功率750 W、淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%條件下,考察微波時(shí)間(0、60、120、180、240 s)對(duì)抗性淀粉得率的影響;在微波時(shí)間180 s、淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%條件下,考察微波功率(550、600、650、700、750 W)對(duì)抗性淀粉得率的影響;在微波時(shí)間180 s、微波功率750 W條件下,考察淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(5、10、15、20、25%)對(duì)抗性淀粉得率的影響。根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,按表1進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素與水平

得率(%)=還原糖(%)×0.9

式中,C為還原糖量,mg;V為樣品提取液體積,mL;W為樣品重量,g;a為顯色用樣品液體積,mL。

1.2.4 掃描電鏡、紅外光譜和X-射線衍射 掃描電鏡分析參考石海信[13]的方法,放大2000倍進(jìn)行觀察;紅外光譜分析采用吳小婷[14]的方法;X-射線衍射分析按陳龍[15]的方法進(jìn)行。

1.3 數(shù)據(jù)分析

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 微波時(shí)間對(duì)抗性淀粉得率的影響 微波時(shí)間對(duì)抗性淀粉得率的影響見(jiàn)圖1。

圖1 微波時(shí)間對(duì)抗性淀粉得率的影響

由圖1可知,微波時(shí)間對(duì)馬鈴薯抗性淀粉得率的影響呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)微波時(shí)間為180 s時(shí),馬鈴薯抗性淀粉得率達(dá)到最大，為8.69%。朱木林等[16]研究發(fā)現(xiàn),微波作用時(shí)間顯著(p<0.01)影響微波-酶法制備甘薯抗性淀粉的得率。探究其原因可能是:微波時(shí)間過(guò)短，會(huì)造成淀粉分子內(nèi)氫鍵不能完全破壞,淀粉顆粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)完好,致使淀粉不能有效的糊化;微波時(shí)間過(guò)長(zhǎng),淀粉分子發(fā)生一定程度上的降解,導(dǎo)致直鏈淀粉形成的分子鏈偏小,不利于冷卻老化過(guò)程中新結(jié)晶結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生[16-17]。對(duì)微波時(shí)間分別為0、180 s時(shí)的得率進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)單獨(dú)HMT(微波時(shí)間=0 s)與微波-HMT(微波時(shí)間=180 s)存在顯著性差異(p=0.000<0.05),證明在HMT法制備馬鈴薯抗性淀粉前進(jìn)行有效的微波處理是有利的。且適宜的微波時(shí)間為180 s。

2.1.2 微波功率對(duì)抗性淀粉得率的影響 微波功率對(duì)抗性淀粉得率的影響見(jiàn)圖2。

圖2 微波功率對(duì)抗性淀粉得率的影響

由圖2可知,微波功率在550～750 W范圍時(shí),馬鈴薯抗性淀粉得率隨著微波功率的增加而增大。當(dāng)微波功率為750 W時(shí),馬鈴薯抗性淀粉得率達(dá)到最大值9.14%。Zhang等[18]研究發(fā)現(xiàn)，在微波處理法制備芭蕉芋抗性淀粉過(guò)程中,微波功率對(duì)淀粉結(jié)構(gòu)的影響顯著(p<0.05),功率在400～1000 W范圍內(nèi)能夠破壞淀粉結(jié)構(gòu)，并增加直鏈淀粉的浸出程度。而直鏈淀粉得率與抗性淀粉得率呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,抗性淀粉得率會(huì)隨著直鏈淀粉得率的增加而增大[19]。因此,微波功率選擇為750 W。

2.1.3 淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)抗性淀粉得率的影響 淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)抗性淀粉得率的影響見(jiàn)圖3。

圖3 淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)抗性淀得率的影響

由圖3可知,淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)馬鈴薯抗性淀粉得率的影響,呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)。在淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%時(shí),得率達(dá)到最高，為9.21%。抗性淀粉是由老化的短直鏈淀粉互相通過(guò)氫鍵結(jié)合而成,該階段淀粉氫鍵的個(gè)數(shù)與淀粉乳體系中水分含量有關(guān),隨水分含量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)[20]。淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)低,則表示體系中水分含量高,影響直鏈淀粉分子間氫鍵的生成,阻礙淀粉的老化回生,不利于抗性淀粉產(chǎn)生;淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高,意味著體系中水分含量低,黏度相對(duì)較大,淀粉分子不能夠充分的膨脹糊化,致使直鏈淀粉不易相互靠近形成抗性淀粉[21]。因此,適宜的淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化

由表2可以看出,影響抗性淀粉得率的因素主次順序?yàn)?C(淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù))>A(微波時(shí)間)>B(微波功率);制備抗性淀粉的最優(yōu)因素水平組合為:A3B3C2,即淀粉微波時(shí)間240 s、微波功率750 W、淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%。該實(shí)驗(yàn)組已在表2中出現(xiàn),為第7組,所得抗性淀粉得率可達(dá)到9.77%。

表2 L9(33)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

由表3正交實(shí)驗(yàn)方差分析表可以看出,淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)馬鈴薯抗性淀粉得率的影響顯著(p<0.05),而微波功率和微波時(shí)間對(duì)馬鈴薯抗性淀粉得率的影響不顯著(p>0.05)。

表3 正交實(shí)驗(yàn)方差分析

2.3 顆粒形態(tài)分析、紅外光譜分析及X-射線衍射分析

觀察圖4掃描電鏡結(jié)果可知,馬鈴薯淀粉顆粒完整,整體呈現(xiàn)不規(guī)則橢圓形,表面較為光滑,顆粒直徑約為20～80 μm;而經(jīng)微波-濕熱工藝處理的馬鈴薯淀粉,顆粒完整性被破壞,直徑約為10～30 μm,多為不規(guī)則的碎石狀,表面粗糙且有明顯的層狀起伏。導(dǎo)致這一結(jié)果的原因是:經(jīng)微波-濕熱法處理后馬鈴薯淀粉糊化,使顆粒結(jié)構(gòu)吸水膨脹破裂,直鏈淀粉溶出,在老化階段逐漸有序重排,形成穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu),因此抗性淀粉呈現(xiàn)為顆粒形態(tài)不規(guī)則和表面粗糙。研究發(fā)現(xiàn),微波處理可以破壞支鏈淀粉晶體的層狀排列,引起淀粉結(jié)晶區(qū)中的水分子振動(dòng),增強(qiáng)淀粉分子的破裂[22]。而濕熱處理也會(huì)促進(jìn)淀粉分子中心部位的結(jié)構(gòu)發(fā)生重排或轉(zhuǎn)移,并使圍繞中心部位的分子鏈結(jié)晶度增大[23]。

圖4 馬鈴薯淀粉(MY)及抗性淀粉(WH)掃描電鏡照片(2000×)

由圖5紅外光譜可知,3408.22、3367.71 cm-1處為分子間氫鍵O-H伸縮振動(dòng)吸收峰;2929.87 cm-1處為飽和C-H鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰;1644.53、1651.07 cm-1為碳水化合物中的COO-鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰;972.12、1082.07、1170.79、1002.98、1078.21、1155.36 cm-1為吡喃環(huán)的非對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)吸收峰和連接伯、仲醇羥基的C-O鍵伸縮振動(dòng)吸收峰;854.47、864.11 cm-1處為D-吡喃葡萄糖α吸收帶[24-27]。抗性淀粉和馬鈴薯淀粉各主要特征峰基本重合,證明微波-濕熱處理沒(méi)有引入新的基團(tuán),微波-濕熱處理為物理改性方法。

圖5 馬鈴薯原淀粉(MY)及抗性淀粉(WH)紅外光譜

與原淀粉相比,抗性淀粉在3367.71 cm-1處的吸收峰變得較為高窄,這是因?yàn)槲⒉?濕熱處理降解淀粉大分子鏈,改變分子間的氫鍵所形成的[14]。研究認(rèn)為1047 cm-1處的吸收峰主要反映了淀粉中有序結(jié)構(gòu)(結(jié)晶區(qū))的振動(dòng)吸收,1022 cm-1吸收峰則反映了淀粉中無(wú)序結(jié)構(gòu)(非晶區(qū))的振動(dòng)吸收[28]。1047與1022 cm-1的吸收峰面積比值被稱(chēng)為強(qiáng)度比,可以反映淀粉顆粒的結(jié)晶程度[29]。馬鈴薯原淀粉的強(qiáng)度比(R=1047/1022 cm-1)為0.64,經(jīng)微波-濕熱處理后增加至0.75,這可能是由于微波-濕熱工藝處理后破壞了淀粉的原結(jié)構(gòu),在老化過(guò)程中形成的新晶體,雙螺旋結(jié)構(gòu)平行排列更緊密所造成的[30]。

由圖6及表4可以看出,馬鈴薯淀粉表現(xiàn)出典型的B型結(jié)晶結(jié)構(gòu),衍射角2θ在5.6、14.9、17.3、19.6、22.4、24.0 °出現(xiàn)衍射峰,這與Chang等人的研究結(jié)果相似。2θ角為5.6 °存在的特征峰(B型晶體的典型衍射峰)和2θ角22～24 °范圍內(nèi)存在的雙肩峰也能夠證實(shí)這一觀點(diǎn)。經(jīng)微波-濕熱法制備的抗性淀粉的X-射線衍射圖譜有所改變,2θ角為5.6 °時(shí)的特征峰值消失,且22.4、24.0 °處的衍射峰分別轉(zhuǎn)移至21.5、23.6 °,這表示淀粉晶體由原來(lái)的B型晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)镃型結(jié)構(gòu),這種晶型的轉(zhuǎn)變已有研究報(bào)道[32]。馬鈴薯淀粉的B型晶體結(jié)構(gòu),呈現(xiàn)左手雙螺旋平行聚集,構(gòu)成六方體形,中心部位充滿(mǎn)36個(gè)結(jié)構(gòu)水,而微波-HMT處理淀粉會(huì)使其脫水失去中心部位的36個(gè)水分子,并且一對(duì)雙螺旋結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到最初由水分子占據(jù)的中心部位,導(dǎo)致了這種多晶型結(jié)構(gòu)的形成[33-34]。Varatharajan[35]等研究發(fā)現(xiàn),在HMT處理過(guò)程中,晶體的重新定向和/或晶體中較大的有序晶束的損失,導(dǎo)致了淀粉2θ角為5.5 °時(shí)的衍射峰會(huì)有所降低。由表4可知,淀粉的結(jié)晶度也發(fā)生了變化,由原淀粉的25.16%轉(zhuǎn)變?yōu)?9.09%,變化趨勢(shì)與R1047/1022一致。

表4 R1047/1022、峰值強(qiáng)度和結(jié)晶度

圖6 馬鈴薯淀粉(MY)及抗性淀粉(WH)X-射線衍射圖

3 結(jié)論

微波-濕熱法制備馬鈴薯抗性淀粉的最佳工藝參數(shù)為:微波時(shí)間240 s、微波功率750 W、淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%。在此工藝條件下,馬鈴薯抗性淀粉得率為9.77%。淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)微波-濕熱法制備馬鈴薯抗性淀粉的得率影響顯著(p<0.050)。

馬鈴薯淀粉顆粒完整,表面光滑,整體呈現(xiàn)不規(guī)則橢圓形,而馬鈴薯抗性淀粉顆粒不完整,多為不規(guī)則的碎石狀,表面粗糙且有明顯的層狀起伏;抗性淀粉和原淀粉的紅外光譜圖沒(méi)有明顯差異,主要特征吸收峰相似,但對(duì)比馬鈴薯淀粉,馬鈴薯抗性淀粉分子間氫鍵發(fā)生了變化,且R1047/1022從0.64增加至0.75;馬鈴薯淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)為B型,而馬鈴薯抗性淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)為C型,馬鈴薯淀粉和馬鈴薯抗性淀粉結(jié)晶度分別為25.16%、29.09%,變化趨勢(shì)與R1047/1022一致。