壓熱法制備甘薯抗性淀粉的工藝優化

亢靈濤，宋 瑩，劉思含，崔桂娟，李高陽，2，*

(1.湖南大學研究生院隆平分院，湖南長沙410125;2.湖南省農業科學院，農產品加工研究所，湖南長沙410125)

在我國糧食作物中，甘薯的產量僅次于水稻、小麥、玉米，居于第四位［1－2］。甘薯營養極其豐富，含有大量的蛋白、淀粉、纖維素、β－胡蘿卜素、花青素、賴氨酸及各種礦物質元素［3］。甘薯全粉是以新鮮的甘薯為原料，通過清洗、去皮、切片、護色、蒸煮、干燥、粉碎等工藝處理而制得的顆粒狀、片屑狀或粉末狀產品［4］。與甘薯淀粉相比，甘薯全粉保留了除薯皮以外的全部干物質，既減少了部分具有保健功能成分的損失，又極大的保留了甘薯原有的營養物質和風味。

抗性淀粉(resistant starch，RS)是指在健康人的小腸中不能被消化吸收的淀粉及其分解物的總稱［5］。抗性淀粉是以氫鍵連接形成的可抵抗酶解的線性多糖物質，其基本特性與淀粉相似，是白色無異味的多孔性粉末［6］。由于在代謝特性方面抗性淀粉類似于膳食纖維，所以抗性淀粉具有許多原淀粉所不具有的功能。大量研究結果表明，抗性淀粉可用于延緩餐后血糖水平上升，預防糖尿病［7］，可以降低膽結石的發病率［8］，降低大腸或結腸的pH，有益大腸或結腸健康［9］，作為腸道益生菌的能量來源，還能夠降低肥胖風險、解決結腸問題［10］，具有良好的保健作用［11］。

目前，甘薯抗性淀粉主要采用的制備方法有:物理法、化學法及其他方法(酶法、微波處理法、超聲波處理法等)［12］。其中，物理法為最常用的方法，包括濕熱處理、韌化處理及壓熱處理等［13－14］。近年來，對甘薯抗性淀粉制備的工藝研究主要集中在壓熱處理法結合其他方法。相比較化學方法和其他方法，物理法工藝簡單，成本低且安全，更適合應用于食品領域。研究表明，高溫、高壓和高濕度有利于甘薯抗性淀粉的形成，而壓熱處理作為一種物理改性方法，可以提高淀粉的抗酶解性、降低淀粉的膨脹度，因此，壓熱處理可作為一種非常有潛力的反應條件來生產甘薯抗性淀粉［14］。在目前的相關報道中，一般研究的是采用壓熱法處理甘薯淀粉以期得到抗性淀粉。對于直接采用壓熱法處理甘薯全粉來研究其中抗性淀粉的變化規律，目前鮮有報道。

因此，本研究以甘薯全粉為原料，采用壓熱法結合響應面分析法來優化甘薯抗性淀粉的制備工藝，提高抗性淀粉得率，為制備含抗性淀粉的甘薯全粉產品以及相關應用提供理論及數據支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

甘薯(湘薯98) 湖南省農業科學院作物研究所提供;纖維素酶(≥400 U/mg) 上海瑞永生物科技有限公司;胃蛋白酶(≥10000 U/mg) 合肥博美生物科技有限責任公司;耐高溫α－淀粉酶(10000 U/g) 邢臺萬達生物工程有限公司;糖化酶(≥100000 U/g) 南京奧多福尼生物科技有限公司;葡糖糖、3，5－二硝基水楊酸、氯化鉀、鹽酸、檸檬酸、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、氫氧化鈉 均為國產分析純。

DHG－9053A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏實驗設備廠;多功能粉碎機750T型 鉑歐五金廠;PL602－L型分析天平 梅特勒－托利多儀器(上海)有限公司;PB－10型pH計 賽多利斯科學儀器(北京)有限公司;SYQDSX－280B型高壓滅菌鍋 上海申安醫療器械廠;UV－2000型紫外分光光度計 尤尼柯(上海)儀器有限公司;SHA－B型水浴恒溫振蕩器 常州國華電器有限公司;L－530型臺式大容量低速離心機 湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 甘薯全粉的制備 甘薯制全粉工藝:鮮薯→去皮→切片→干燥(70℃，36 h)→粉碎→過80目的篩子→甘薯全粉

1.2.2 甘薯抗性淀粉的制備 稱取25 g甘薯全粉，與水以一定比例混合，調到一定的p H，經沸水浴預糊化8 min，一定的高溫高壓下處理一定時間，自然冷卻，在4℃下冷藏老化一定時間，70℃烘干，粉碎過80目篩，密閉保存。

1.2.3 甘薯抗性淀粉含量的測定 參照Goni等的方法［15］，稍作改進:稱取200 mg壓熱處理后的甘薯全粉樣品于50 mL離心管中，加入5 mL p H1.5的KCl－HCl溶液，加入胃蛋白酶溶液1 mL(2 g/100 mL)，40℃恒溫振蕩60 min，8 000 r/min離心5 min，棄上清液，重復水洗離心3次;向沉淀中加入5 mL檸檬酸－磷酸氫二鈉緩沖液(pH=5.0)，加入纖維素酶溶液1 mL(1 g/100 mL)，50℃恒溫振蕩60 min，冷卻至室溫后調pH至6.0，再加入耐高溫α－淀粉酶1 mL(2 g/100 mL)，在90℃振蕩60 min，冷卻至室溫后調p H至4.0～4.5，加入糖化酶1 mL(2 g/100 mL)，在60℃振蕩60 min，以8 000 r/min離心5 min，棄上清液，重復水洗離心3次。往沉淀中加入2 mL 2 mol/L的KOH，室溫振蕩30 min，抗性淀粉充分溶解于KOH溶液中。調 pH至4.0～4.5，加糖化酶1 mL(2 g/100 mL)，在60℃恒溫水浴振蕩60 min。自然冷卻后，以8000 r/min離心5 min，收集上清液于100 mL容量瓶中，用水重復洗滌沉淀3次，離心，合并上清液，用蒸餾水定容至100 mL，搖勻后備用。用DNS法測定還原糖含量。抗性淀粉得率按下式計算:

抗性淀粉得率(%)=(m1×0.9×100)/m2

式中，m1為還原糖質量(mg);m2甘薯全粉干基質量(mg);0.9為葡萄糖與脫水葡萄糖基之間的換算系數。

1.2.4 甘薯抗性淀粉制備的單因素實驗

1.2.4.1 全粉乳質量分數對抗性淀粉含量的影響 將甘薯全粉配制成不同質量分數的乳液:15%、20%、25%、30%、35%，用 pH1.5 的 KCl－HCl溶液調節p H至6.0，120℃壓熱處理30 min，4℃冷藏24 h，70℃烘干24 h，粉碎過80目篩，測定各樣品中抗性淀粉的含量。

1.2.4.2 p H對抗性淀粉含量的影響 配制質量分數為25%的甘薯全粉乳液，用pH1.5的KCl－HCl溶液和0.1 mol/LNaOH溶液分別調成不同pH:5.0、6.0、7.0、8.0、9.0，120 ℃壓熱處理 30 min，4 ℃冷藏 24 h，70℃烘干24 h，粉碎過80目篩，測定各樣品中抗性淀粉的含量。

1.2.4.3 壓熱溫度抗性淀粉含量的影響 配制質量分數為25%的甘薯全粉乳液，用pH1.5的KCl－HCl溶液調節pH至6.0，在不同溫度下壓熱處理30 min:105、110、115、120、125 ℃，4 ℃冷藏 24 h，70 ℃ 烘干24 h，粉碎過80目篩，測定各樣品中抗性淀粉的含量。

1.2.4.4 壓熱時間 配制質量分數為25%的甘薯全粉乳液，用 p H1.5的 KCl－HCl溶液調節 pH至6.0，120 ℃壓熱處理不同時間:20、30、40、50、60 min，4 ℃冷藏24 h，70℃烘干24 h，粉碎過80目篩，測定各樣品中抗性淀粉的含量。

1.2.4.5 冷藏時間 配制質量分數為25%的甘薯全粉乳液，用 p H1.5的 KCl－HCl溶液調節 pH至6.0，120℃壓熱處理30 min，4℃冷藏不同時間:12、24、36、48、60 h，70 ℃烘干 24 h，粉碎過 80 目篩，測定各樣品中抗性淀粉的含量。

1.2.5 響應面優化試驗設計 由單因素試驗分析可知，選擇全粉乳質量分數、pH、壓熱時間對甘薯抗性淀粉得率影響較大的3個因素，進行了Box－Behnken設計及響應面分析試驗，其因素水平見表1。壓熱溫度選擇120℃，冷藏時間選擇24 h。

表1 Box－Behnken設計試驗因素水平及編碼Table 1 Box－Behnken design experimental factor levels and coding

1.3 數據處理

試驗數據為3次平均實驗的平均值，采用Excel軟件進行數據統計，SPSS 17.0對數據進行單因素方差分析和最小顯著性檢驗(LSD)，顯著性水平為0.05，當p＜0.05時表示差異顯著，最后用Origin 8.1軟件作圖。在響應面試驗的分析中，應用 Design Expert 8.0.6統計分析軟件對17個試驗點的響應值進行回歸分析擬合。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 全粉乳質量分數對甘薯抗性淀粉得率的影響 由圖1可知，甘薯全粉乳質量分數在15%～25%范圍內，隨著全粉乳質量分數的增大，抗性淀粉得率明顯增大。當全粉乳質量分數為25%時，抗性淀粉得率達到最大值為9.39%。但隨著濃度的進一步增大，抗性淀粉得率降低明顯(p＜0.05)。這說明，全粉乳質量分數過高或過低都不利于抗性淀粉的生成。當甘薯全粉乳質量分數較小時，直鏈淀粉分子間相互接近的概率減少，分子間不容易締和，從而在重結晶的過程中不利于抗性淀粉的生成。當甘薯全粉乳質量分數較大時，整個體系的粘度較大，其中的水分含量較低，淀粉粒無法充分膨脹，使得直鏈淀粉分子不易接近，難以形成結晶和雙螺旋，不利于抗性淀粉的形成［16］。因此，全粉乳質量分數選擇在20%～30%范圍內，進行后續響應面優化試驗。

圖1 甘薯全粉乳質量分數對抗性淀粉得率的影響Fig.1 Effect of sweet potato whole powder concentration on yield of resistant starch注:不同小寫字母表示不同水平之間有顯著性差異(p＜0.05);圖2～圖5同。

2.1.2 pH對甘薯抗性淀粉得率的影響 由圖2可知，抗性淀粉得率隨著pH呈現先增大后減小的趨勢，在 pH為6時，抗性淀粉得率達到最大值為9.55%。在偏酸或偏堿的條件下，對淀粉分子之間的氫鍵影響較大，直鏈淀粉分子大量被分解成短鏈分子。在重結晶的過程中，短鏈分子移動劇烈，難以接近形成晶體結構，從而導致抗性淀粉的不易生成［17］。因此，選擇pH為6.0、7.0、8.0三個水平進行后續響應面優化試驗。

圖2 pH對抗性淀粉得率的影響Fig.2 Effect of pH on yield of resistant starch

2.1.3 壓熱溫度對甘薯抗性淀粉得率的影響 由圖3可知，壓熱溫度在105～115℃范圍內，抗性淀粉得率隨著溫度的升高而明顯增大，在壓熱溫度120℃時達到最大(9.42%)，但與115℃時無顯著性差異。繼續升溫至125℃，抗性淀粉得率稍有減少，但變化不顯著(p＞0.05)。這是由于溫度較低時，難以破壞淀粉中由范德華力、氫鍵等作用形成的穩定雙螺旋結構，直鏈淀粉得不到充分的釋放，會影響抗性淀粉的生成。而溫度過高會導致淀粉分子過度降解，使淀粉分子的分子質量變小，從而不利于抗性淀粉的生成［18］。綜合考慮，在響應面優化試驗中，壓熱溫度選擇120℃。

圖3 壓熱溫度對抗性淀粉得率的影響Fig.3 Effect of thermal－press temperature on yield of resistant starch

2.1.4 壓熱時間對甘薯抗性淀粉得率的影響 由圖4可知，抗性淀粉得率隨著壓熱時間的增加呈現先增加后降低的趨勢，在壓熱時間30 min時抗性淀粉的得率達到最大為9.35%。在壓熱時間由20 min增加到30 min時，抗性淀粉增加的原因，可能是由于直鏈淀粉逐漸釋放，利于直鏈淀粉分子之間相互接近，更易于形成抗性淀粉。壓熱處理時間繼續延長，抗性淀粉得率下降顯著(p＜0.05)，這可能是由于壓熱處理時間過長致使淀粉分子結構遭到破壞，降解成小分子量糊精，不利于抗性淀粉的形成［19］。因此，壓熱時間選擇在20～40 min范圍內，進行后續響應面優化試驗。

圖4 壓熱時間對抗性淀粉得率的影響Fig.4 Effect of thermal－press time on yield of resistant starch

2.1.5 冷藏時間對甘薯抗性淀粉得率的影響 由圖5可知，在冷藏時間小于24 h時，隨著冷藏時間的增加，抗性淀粉增加較為顯著(p＜0.05)，24 h抗性淀粉得率最大為9.43%。24 h之后，抗性淀粉得率變化不顯著(p＞0.05)。因為抗性淀粉的形成是直鏈淀粉分子的重新結晶過程，根據結晶理論［20］，淀粉分子晶核在開始的12 h之內增長最快，當形成的晶核接近總形成量的一半時，晶核增加就變得異常緩慢。而24 h之后，結晶基本形成，抗性淀粉得率幾乎不再增加。綜合考慮，在響應面優化試驗中，冷藏時間選擇24 h。

圖5 冷藏時間對抗性淀粉得率的影響Fig.5 Effect of refrigerating time on yield of resistant starch

2.2 響應面法優化甘薯抗性淀粉的制備工藝條件

2.2.1 Box－Behnken響應面試驗結果 按照Box－Behnken試驗設計的統計學要求，根據試驗因素和水平的要求，設計17次試驗，試驗結果如表2所示。

表2 Box－Behnken試驗設計及結果Table 2 Box－Behnken experimental design and corresponding results

2.2.2 建立模型方程與方差分析 對表2中的數據進行回歸分析，得到三元二次多項回歸方程為:

抗性淀粉率=－32.8525+1.7782A+4.7050B+0.1606C+5.5000E－003AB－2.0000E－004AC+0.0363BC－0.0356A2－0.4075B2－6.7500E－003C2

由表3可看出，模型p＜0.0001，說明模型建立為極顯著，有合理性，失擬項p=0.1918＞0.05，說明模型失擬項不顯著，因此二次模型成立。由方差分析得知，模型的決定系數R2=0.9830，R2越接近1，說明模型越能預測其響應值;變異系數C.V.%=1.61＜10，變異系數的大小說明試驗的可重復性，其值越小說明實驗越精確、可靠性越高［21］。信噪比=16.768＞4，即表明模型的響應信號足夠強，可以用來擬合試驗結果。

表3 方差分析Table 3 Analysis of variance

該模型的一次項 A顯著(p＜0.05)、B極顯著(p ＜0.01);二次項 A2、B2、C2極顯著(p ＜0.01);交互項BC極顯著(p＜0.01)，表明p H和壓熱時間兩因素對抗性淀粉的得率交互作用顯著(p＜0.05)。影響抗性淀粉得率的因素主次為B＞A＞C，即p H＞全粉乳質量分數＞壓熱時間。

2.2.3 甘薯抗性淀粉得率響應面分析 響應面圖形是響應值抗性淀粉得率對應于試驗因素A、B、C所構成的在二維平面上的等高線圖及其三維空間的曲面圖。等高線的形狀反映出交互作用的強弱，橢圓形和馬鞍形表示交互作用顯著，而圓形則表示交互作用不顯著［21］。響應曲面的陡峭程度反映出該因素對響應值影響的強弱，響應曲面隨因素水平變化幅度較大，表明該因素對響應值的影響顯著，反之則不顯著［22］。壓熱法制備甘薯抗性淀粉工藝條件的等高線與響應曲面圖見圖6～圖8。

圖6 全粉乳質量分數與pH對甘薯抗性淀粉得率的等高線圖(a)與響應面圖(b)Fig.6 Contour map(a)and response surface map(b)showing the effects of sweet potato powder concentration and pH on resistant starch yield

圖7 全粉乳質量分數與壓熱時間對甘薯抗性淀粉得率的等高線圖(a)與響應面圖(b)Fig.7 Contour map(a)and response surface map(b)showing the effects of sweet potato powder concentration and thermal－press time on resistant starch yield

圖8 pH與壓熱時間對甘薯抗性淀粉得率的等高線圖(a)與響應面圖(b)Fig.8 Contour map(a)and response surface map(b)showing the effects of pH and thermal－press time on resistant starch yield

由圖6(a)可知，等高線圖呈近圓形，表明全粉乳質量分數與pH的交互作用不顯著。圖6(b)可以看出，隨著全乳粉質量分數的增加，響應曲面有明顯的變化，響應值先升高后降低，表明全粉乳質量分數對抗性淀粉得率的影響較大。全粉乳質量分數在24%～28%之間，抗性淀粉得率較高;隨著p H的變化，響應值也是先升高后降低，響應曲面有明顯的變化，表明p H對抗性淀粉得率的影響較大。p H在6.8～8.0之間，抗性淀粉得率較高。

由圖7(a)可知，等高線圖呈近圓形，表明全粉乳質量分數與壓熱時間的交互作用不顯著。圖7(b)可以看出，隨著壓熱時間的增加，響應曲面有明顯的變化，表明壓熱時間對抗性淀粉得率的影響較大。壓熱時間在28～36 min之間時，抗性淀粉得率較高;在壓熱時間較短時，全粉乳質量分數在20%～26%之間變化時，響應曲面有明顯的變化。

由圖8(a)可知，等高線圖呈橢圓形，表明pH與壓熱時間的交互作用顯著。圖8(b)可以看出，壓熱時間在20～32 min之間時，隨著p H的增大，響應值的變化不明顯;而壓熱時間在32～40 min之間時，隨著pH的增大，響應值有明顯的變化。當pH較大時，隨著壓熱時間的增加，響應值有減小的趨勢。壓熱時間處于28～36 min之間時，p H處于6.8～7.6之間時，響應曲面可取得最高點。

2.2.4 最優工藝條件的確定及驗證試驗 利用Design Expert 8.0.6軟件的優化功能對模型進行優化，得出壓熱法制備甘薯抗性淀粉的最優工藝為:全粉乳質量分數25.45%，p H7.33，壓熱時間31.21 min，在該條件下的抗性淀粉理論得率為9.54%。

考慮到實際操作條件，最優工藝條件修改為全粉乳質量分數為25.50%，pH7.30，壓熱時間31.20 min，壓熱溫度選擇120℃，冷藏時間24 h。在此條件下進行3次平行試驗，得到甘薯抗性淀粉平均得率為9.41%，與理論值的偏差為0.13%。由此可見，使用響應面法優化壓熱法制備甘薯抗性淀粉的工藝條件準確可靠，有實際應用價值。

3 討論與結論

甘薯全粉與甘薯淀粉相比，除了淀粉之外，還含有蛋白質、脂類、總糖、維生素C等其他營養成分。在湘薯98鮮薯中:淀粉含量23.1 g/100 g，總糖含量為3.4 g/100 g，維生素C含量為0.06 mg/100 g，蛋白1.08 g/100 g［23］。抗性淀粉的形成機理，在淀粉糊化過程中，晶體結構遭破壞，直鏈分子溶出，呈現不規則狀態，在老化過程中，淀粉分子鏈遷移，淀粉分子鏈末端區域相互纏繞形成雙螺旋結構，使原本游離無序的淀粉分子鏈進一步延伸，發生折疊卷曲，分子鏈上羥基更易相互作用形成氫鍵，從而形成穩定的雙螺旋結構的聚合體，導致致密的六面體結晶區的形成［24］。在此過程中，直鏈淀粉也會與蛋白質、脂類等物質結合形成復合物，繼而會降低抗性淀粉的生成［25－26］。張麗娜等［27］研究了甘薯抗性淀粉的制備，在最優條件下甘薯抗性淀粉的得率為16.26%。而在本實驗中，甘薯抗性淀粉的理論得率為9.54%，明顯低于壓熱法處理甘薯淀粉所得的抗性淀粉。雖然在本實驗中對甘薯全粉中的蛋白質和纖維進行了消化處理，但由于其含量相對于純淀粉來講比較高，難做到完全消化，因此甘薯全粉中的其他營養物質會影響抗性淀粉的生成。

本研究應用Box－Behnken中心組合設計，對甘薯抗性淀粉的工藝條件進行了優化。制備過程中，經分析壓熱溫度在115～125℃范圍內對抗性淀粉的得率影響相對不顯著，冷藏時間超過24 h后，抗性淀粉的得率也無明顯變化。在響應面實驗分析中，對抗性淀粉得率影響最大的是pH，其次是全粉乳質量分數，最后是壓熱時間。3個因素的二次項對抗性淀粉得率的影響極顯著，交互項只有pH和壓熱時間兩因素對抗性淀粉得率的影響顯著。理論最佳工藝條件為:全粉乳質量分數為25.45%，p H7.33，壓熱時間31.21 min，在該條件下的抗性淀粉理論得率為9.54%。根據實際操作條件，選取最佳工藝條件:全粉乳質量分數為25.50%，p H7.30，壓熱溫度120℃，壓熱時間31.20 min，冷藏時間24 h，經驗證性實驗，得到甘薯全粉中抗性淀粉得率為9.41%，與理論值的偏差為0.13%，證明該模型合理可靠。本試驗探究了在壓熱條件下，甘薯全粉中抗性淀粉的變化規律，為制備含抗性淀粉的甘薯全粉產品以及相關應用提供理論及數據支持，對于甘薯的深加工和應用有一定的意義。