木薯淀粉制備熱轉化糊精及其特性研究

楊亞鴿，劉 潔，劉亞偉

河南工業大學 糧油食品學院，河南 鄭州 450001

熱轉化糊精作為一種改性淀粉，具有低分子量[1-2]、高溶解度[2]以及低黏度[3]的特點，常用作包埋劑[1]、膠黏劑[4]以及抗性糊精的制備[5]。通常是在酸或其他催化劑存在的條件下，加熱預先干燥的淀粉進行熱解來制備熱轉化糊精。根據淀粉熱處理條件的不同，熱轉化糊精可以分為白糊精、黃糊精和英國膠等3種[6]。

淀粉在形成熱轉化糊精的過程中主要涉及水解反應、轉糖苷反應以及再聚合反應[7]。水解反應主要發生在轉化的初始階段，淀粉中的α-1，4糖苷鍵或α-1，6糖苷鍵都有可能發生水解，導致分子量和黏度的降低；隨著糊精化反應的進行，斷裂的α-1，4糖苷鍵與鄰近的游離羥基結合發生轉糖苷反應，產生新的分支結構；此外，葡萄糖和低聚糖在酸和高溫下也可以發生再聚合反應形成較大的分子，導致黏度略微升高和還原糖含量降低[7]。由于在熱轉化過程中淀粉產生了不能被酶消化的多糖成分[8]，因此具有膳食纖維的功能特性。

目前國內對熱轉化糊精的研究多數集中在制備與工業應用方面，已有的報道多以玉米淀粉為原料制備熱轉化糊精，使用薯類淀粉的報道還不多見。相比玉米淀粉的糊精化，木薯淀粉轉化更加容易。木薯淀粉幾乎不含會影響熱轉化過程的脂類，而且生產及控制更為容易，使得木薯熱轉化糊精在穩定性和顏色方面存在優勢[9]。因此作者以木薯淀粉為原料，采用酸熱處理的方法制備高纖維的熱轉化糊精，并對其理化特性進行測定，為深入探究熱轉化糊精的變化規律提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

木薯淀粉：河南恒瑞淀粉科技股份有限公司；膳食纖維測定試劑盒：愛爾蘭Megazyme公司；鹽酸、冰乙酸、氫氧化鈉、無水乙醇、3，5-二硝基水楊酸等均為分析純。

1.2 儀器與設備

EUROSTAR 40 digital攪拌器：德國IKA公司；HH-6 J數顯恒溫水浴鍋：上海維城儀器有限公司；HWCL-3磁力攪拌反應浴：鄭州長城科工貿有限公司；GSF6膳食纖維測定儀：意大利VELP公司；RE-52AA旋蒸儀：上海亞榮生化儀器廠；PHS-2F pH計：上海精密科學儀器有限公司；LC-20AT高效液相色譜儀、RID-10 A檢測器：日本SHIMADZU公司；CR-400色彩色差計：日本KONICA MINOLTA公司；50iPOL偏光顯微鏡：日本Nikon公司；D8 DVANCE X-射線衍射儀：德國Bruker公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 熱轉化糊精的制備及工藝優化

稱取一定量的木薯淀粉與質量分數1%鹽酸溶液混合，鹽酸溶液稀釋后加入淀粉(淀粉∶鹽酸=2∶1，g/mL)并于室溫下過夜平衡，使淀粉與鹽酸均勻混合。將混合物進行干燥(水分低于5%)后放入聚四氟乙烯反應瓶中于油浴中反應，反應過程中充入氮氣。待反應結束立即放入-20 ℃冰箱冷卻，之后將樣品研磨并用乙醇洗滌，再經干燥、研磨，過100目篩后放入雙層自封袋備用。

選取熱轉化溫度(100、120、140、160、180 ℃)、熱轉化時間(60、90、120、150、180、210、240 min)和鹽酸用量(8%、10%、12%、14%、16%)3個因素進行單因素試驗。在此基礎上，通過正交試驗設計確定最佳制備工藝。因素與水平見表1。

1.3.2 膳食纖維含量測定

參照GB/T 22224—2008《食品中膳食纖維的測定 酶重量法和酶重量法-液相色譜法》中第二法和GB 5009.88—2014《食品安全國家標準 食品中膳食纖維的測定》測定樣品中膳食纖維含量。

1.3.3 白度測定

使用色彩色差計測定樣品白度，數據以CIELAB表色系統(L*、a*、b*)表示。其中L*表示亮度，范圍為0～100(黑色—白色)；a*的范圍為-100～100(綠色—紅色)；b*的范圍為-100～100(藍色—黃色)，重復3次。樣品的白度計算見式(1)。

WI=100-[(100-L*)2+a*2+b*2]1/2，

(1)

式中：L*、a*、b*為樣品的色度空間值；WI為樣品的白度。

1.3.4 光學顯微鏡觀察

使用膠頭滴管吸取1%的樣品溶液滴至載玻片上，以甘油作為分散劑。加蓋玻璃片后在放大倍數為200X下觀察樣品的顆粒形態與偏光十字的變化。

1.3.5 溶解度測定

樣品溶解度測定參照Lovera等[10]的方法，略有改動。稱取0.2 g樣品于20 mL蒸餾水中，在室溫下磁力攪拌30 min，之后將樣品溶液在3 000 r/min下離心15 min，離心結束后取10 mL上清液于恒質量的燒杯中，然后在110 ℃烘箱中干燥4 h。樣品溶解度計算見式(2)。

(2)

1.3.6 X-射線衍射測定

樣品的結晶結構通過廣角X-射線衍射儀測定。樣品測定前置于50 ℃烘箱中過夜干燥，參數設置為工作電壓40 kV，工作電流30 mA，2θ衍射角5°～45 °，掃描速率4 °/min[11]。相對結晶度計算見式(3)。

相對結晶度=[Ac/(Ac+Aa)]×100%，

(3)

式中：Ac為結晶區面積；Aa為無定性區面積。

1.3.7 酸熱穩定性測定

稱取一定量樣品溶解于pH值分別為1、2、3、4、5、6、7的溶液中得到0.2%的樣品溶液，將樣品溶液于25 ℃下放置24 h，然后使用0.1 mol/L或1 mol/L的NaOH調pH值至7.0±0.1，進行pH值穩定性的測定；在熱穩定性測定中，將配制好的樣品溶液直接在85 ℃水浴中加熱30 min，結束后立即冷卻并中和[12-13]。采用DNS法[14]測定溶液中的還原糖含量(RSC)，通過RSC變化判斷其酸熱穩定性。

1.3.8 數據處理

使用Origin 8.5對數據進行繪圖，采用SPSS 20.0進行方差分析，結果取平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 熱轉化溫度對膳食纖維含量和白度的影響

固定熱轉化時間120 min、鹽酸用量10%不變，不同熱轉化溫度(100、120、140、160、180 ℃)對PD膳食纖維含量和白度的影響如圖1所示。隨著熱轉化溫度的升高，PD的膳食纖維含量顯著升高，與此同時，白度顯著降低。Weil等[15]的研究結果顯示，淀粉在高溫下更容易產生除α-1,4/α-1,6糖苷鍵之外的糖苷鍵，α-1,2、β-1,2、β-1,4、β-1,6等糖苷鍵的形成導致膳食纖維含量升高。另外，酸熱轉化初期產生的還原性端基使淀粉在高溫下發生一定程度的焦糖化反應[16]，引起白度下降。

注：曲線上不同的字母表示差異顯著(P<0.05)。圖2和圖3同。圖1 熱轉化溫度對膳食纖維含量和白度的影響Fig.1 Effect of pyroconversion temperature on dietary fiber content and whiteness

2.1.2 熱轉化時間對膳食纖維含量和白度的影響

固定熱轉化溫度160 ℃、鹽酸用量10%不變，不同熱轉化時間(60、90、120、150、180、210、240 min)對PD膳食纖維含量和白度的影響如圖2所示。膳食纖維含量隨熱轉化時間的延長而增加，到150 min后增加平緩。這是由于在干燥和轉化初階段，水解反應占主導。隨著反應的進行，淀粉分子鏈間的斷裂與再聚合反應基本完成[17]。繼續延長加熱時間，膳食纖維的含量有所增加但白度顯著降低。

圖2 熱轉化時間對膳食纖維含量和白度的影響Fig.2 Effect of pyroconversion time on dietary fiber content and whiteness

2.1.3 鹽酸用量對膳食纖維含量和白度的影響

固定熱轉化溫度160 ℃、熱轉化時間120 min，不同鹽酸用量(8%、10%、12%、14%和16%)對PD膳食纖維含量和白度的影響如圖3所示。PD的膳食纖維含量隨著鹽酸用量的增加而逐漸升高，在16%時達到最高，為49.69%。同時PD的白度最低，為55.75。有研究表明在熱轉化過程中，鹽酸的存在對酶抗性含量增加影響顯著[18]。Weil等[15]研究熱轉化糊精時發現鹽酸可以通過降低新生成糖苷鍵所需要的能量，產生更多的分支結構，導致膳食纖維含量的增加。

圖3 鹽酸用量對膳食纖維含量和白度的影響Fig.3 Effect of hydrochloric acid amount on dietary fiber content and whiteness

2.2 正交試驗結果

由表2可知，各因素對膳食纖維含量影響的順序為熱轉化溫度>鹽酸用量>熱轉化時間。方差分析(表3)結果顯示，3個因素均對膳食纖維含量影響顯著(P<0.05)。由表2中k1、k2和k3確定最佳制備條件為B3A3C2，即熱轉化溫度為170 ℃，熱轉化時間為150 min，鹽酸用量為14%，此時膳食纖維含量為60.65%。按照此條件進行驗證試驗，得到膳食纖維含量為60.79%，白度為45.27。驗證值與優化結果的誤差<0.2%，表示數據可靠。

表2 正交試驗設計與結果Table 2 Orthogonal test design and results

表3 膳食纖維含量方差分析Table 3 Variance analysis of dietary fiber content

2.3 光學顯微鏡分析

TS和PD在100%甘油中的顯微圖像如圖4所示，天然TS通常具有一個或多個圓斷面。與原淀粉(圖4A)相比，PD(圖4B)的顆粒形態無明顯變化，同時可以看到PD為黃色的顆粒，臍點清晰可見且顆粒完整性依舊保持。這與文獻[19-20]的報道結果一致。在偏振光下觀察TS(圖4a)和PD(圖4b)時，兩者都具有偏光十字現象。偏光十字現象與淀粉分子鏈的排列相關[21]。PD的偏光十字現象不明顯，說明酸熱處理在一定程度上破壞了淀粉的結晶結構，但顆粒內部的分子鏈依舊存在有序排列的結構。

注：A、a分別為木薯淀粉的光學和偏光圖像；B、b分別為熱轉化糊精的光學和偏光圖像。圖4 光學和偏光顯微鏡圖Fig.4 Characterization of TS and PD with bright-field and polarized light microscopy

2.4 溶解度分析

TS幾乎不溶于冷水，而PD在冷水中的溶解度為93.81%。相比TS的溶解度(0.50%)，PD的溶解度顯著提高。這是因為在熱轉化過程中，高溫引起淀粉分子鏈的斷裂與重聚，緊密的結晶區被破壞，使得PD幾乎能夠完全溶于水。相比甘油，水分子能夠進入到PD顆粒的內部并引起結晶結構的破壞[20]。已知淀粉顆粒的內部結構往往比其外殼脆弱得多[19]。因此，結合光學顯微鏡的結果可知，淀粉在熱轉化過程中顆粒的外部并未被破壞，但是其內部的結晶結構變得松散。當水分子介入時，其顆粒結構迅速被破壞并溶解。

2.5 X-射線衍射分析

由圖5可知，TS在2θ=15°和23°處出現強的衍射峰，在2θ=20°附近出現1個弱的衍射峰，在17°/18°出現1個雙峰，表明TS為A型結晶[22]。相比原淀粉，PD在2θ=15°、20°和23°處的衍射峰強度降低甚至消失，17°/18°處的雙峰變成一個峰。經計算得出TS的相對結晶度由29.41%降低到9.48%，說明酸熱處理對淀粉的結晶結構有破壞作用，進一步證實了2.3中的分析結果。Li等[23]的研究結果也顯示在200 ℃條件下制備的熱轉化糊精其結晶區仍未完全破壞。

圖5 TS和PD的X-射線衍射圖譜Fig.5 X-ray diffraction patterns of TS and PD

2.6 加熱穩定性和pH值穩定性分析

表4為PD在不同pH值溶液中加熱和貯藏的還原糖含量(RSC)變化，在85 ℃加熱條件下，隨著pH值的下降，PD的RSC從6.01%升高到13.25%。在25℃條件下貯藏24 h的PD溶液的RSC也具有類似的現象，RSC隨著pH值的降低呈現增長趨勢。通常情況下，加熱比室溫下貯藏可以獲得更高的RSC[13]。從表4可知，在同一pH值溶液中，加熱條件下PD的RSC大于室溫貯藏的。當pH=1時，加熱條件下的PD具有最高的RSC(13.25%)，而室溫貯藏PD的RSC(6.36%)略有升高但變化幅度較小。Glibowski等[12]研究菊粉在不同pH值下加熱不同時間RSC的變化發現，在酸性環境中，菊粉的RSC隨加熱溫度的升高也具有類似的變化規律。當在室溫下貯藏時，PD在所有pH值下的RSC變化均在1%左右；PD在pH值為1的溶液中加熱后具有最高的RSC，在pH值為2～7的溶液中RSC變化也在1%內。PD的高溶解度及在酸熱環境中的穩定性有助于其在飲料行業中的應用。

表4 酸熱條件對PD還原糖含量影響Table 4 Effect of acid-thermal on RSC of PD %

3 結論

通過單因素和正交優化試驗，確定木薯熱轉化糊精的最佳工藝條件為熱轉化溫度170 ℃、熱轉化時間150 min、鹽酸用量14%，在此條件下制備的熱轉化糊精的膳食纖維含量為60.79%，白度為45.27。將制備的熱轉化糊精與木薯淀粉的特性進行對比發現，酸熱處理破壞了木薯淀粉的結晶區，木薯淀粉的相對結晶度由29.41%降低到9.48%；此外，熱轉化糊精顆粒形態無明顯變化，有序結構仍然存在，但熱轉化糊精在冷水中的溶解度顯著提高。結合酸熱穩定性結果，熱轉化糊精可以應用于酸性食品或飲料行業(pH>1)中，以此來減少糖類的使用。