超声波-压热法制备莲子抗性淀粉工艺研究

摘要： 通过湿磨法获得莲子原淀粉,运用超声波对原淀粉进行预处理,并结合压热法制备抗性淀粉.以淀粉乳浓度、超声波功率、超声波处理时间、压热时间以及压热温度为单因素,研究其对莲子抗性淀粉得率的影响.通过正交优化分析获得最优工艺条件.结果表明,在莲子淀粉乳浓度为45%,超声波功率为300W,超声波处理时间为55min,压热时间为15 min,压热温度为115℃的条件下,莲子抗性淀粉得率较高,达到56.12%.

抗性淀粉(resistant starch,RS)是一类在健康者小肠中无法被吸收利用的淀粉 [1-2] ,但可在结肠中被大肠菌群发酵或部分发酵,具有类似可溶性膳食纤维的生理功能,包括预防胃肠疾病和心血管疾病;降低溃疡性结肠炎和结肠癌的风险;促进细菌生长和矿质元素的吸收,增强疾病抵抗力等 [3] .抗性淀粉由于能通过降低血糖指数来减少血浆胰岛素和血糖反应,且具有饱腹感,而被视为控制体重的良好选择.它除拥有未改性淀粉所不具有的生理功能外,具有更好的食用口感.把抗性淀粉添加于食品中,能使食品呈现特殊质地,甚至延长食品货架期 [4-5] .近年来,人们对健康的关注,使得对功能性保健食品的要求日趋提高,抗性淀粉也成为人们新的研究对象 [6] .根据抗性原理的不同,抗性淀粉可分为5类 [7] :即RS 1 物理包埋淀粉,其蛋白质与细胞壁的包埋作用是引起抗性的主要原因;RS 2 抗性淀粉颗粒,包括具有抗性的天然淀粉颗粒和未糊化的淀粉颗粒;RS 3 回生或结晶淀粉;RS 4 化学改性淀粉,交联淀粉是其中常见的一种;RS 5 直链淀粉-脂质复合淀粉,亦称淀粉脂.RS 3 是淀粉糊经过糊化后,其中的直链淀粉经过低温冷却,结晶形成的难以被淀粉酶酶解的老化淀粉 [8] .虽然RS 3 与RS 4 都可以通过加工原淀粉大量制备,但RS 4 的制备过程中添加的化学试剂将会影响食品安全.由于RS 3 具有营养特性、加工稳定性及食用安全性,其应用前景良好,成为近几年研究的热点 [9] .制备RS 3 方法多样:热液法,物理挤压法,化学酶解法.微波 [10] 、超高压 [11] 以及超声波 [12-13] 亦被应用于RS 3 制备中.

莲子营养价值高,并含有特殊的药理成分 [14-16] ,属于药食同源的食物 [17] .莲子中的直链淀粉与抗性淀粉的形成有关.压热法制备抗性淀粉是通过高温、高压使淀粉颗粒膨胀破裂,糊化形成淀粉凝胶.在此过程中,无规则状态的直链淀粉(random coil)从颗粒中溶出.在冷却回生过程中,直链淀粉迁移,游离的直链淀粉链通过氢键重新结合形成双螺旋结构(junction zones),之后进一步折叠盘绕形成结晶(crystallites),产生抗性.此过程淀粉分子经历了从杂乱无章状态到紧凑有序的结晶结构 [18] .研究表明,随着直链淀粉含量的提高,其淀粉糊在低温环境下越容易老化形成抗性淀粉 [19] ,这为莲子抗性淀粉的制备提供了可靠的理论依据.超声波是一种振动频率高于人耳接收范围的机械波 [20] .这种声波在溶液中传播时,能够加速溶剂分子与溶质分子之间的摩擦,切断聚合物分子连接键形成长度较短的分子链.其振动的能量在传播过程中会被聚合物吸收,从而使分子所含的能量提高,这对直链淀粉的重结晶具有积极作用 [21-22] .将超声波运用于压热法制备抗性淀粉的研究未见报道.

本文通过湿磨法获得莲子原淀粉,运用超声波对原淀粉进行预处理,并结合压热法制得抗性淀粉.研究的单因素为:淀粉乳浓度、超声波功率、超声波处理时间、压热时间和压热温度.运用正交获得最优工艺参数,为促进莲子淀粉商品化生产提供参考 [23] .

1 材料与方法

新鲜冻莲,绿田(福建)食品有限公司,产自福建建宁;葡萄糖淀粉酶(100000 U/mL),阿拉丁试剂公司;α-淀粉酶(10 000 U/m L),美国ANKOM科技公司;柠檬酸、磷酸氢二钠、乙酸、氢氧化钾、3,5-二硝基水杨酸、苯酚,分析纯,国药集团上海化学试剂有限公司.

KQ2200DE型超声波清洗器,昆山市超声仪器有限公司;MJ-60BM01A型美的榨汁机,广东美的生活电器制造有限公司;101-0ES型数显电热鼓风干燥箱,济南金光仪器设备制造有限公司;DZQ400/ 2D型单室真空包装机,温州市新达包装机械有限公司;GI54TW型全自动立式高压灭菌锅,南京庚辰科学仪器有限公司;XCD-235H型新飞卧式微冻冷冻箱,河南新飞电器有限公司;Starter300型便携式pH 计,美国奥豪斯(上海)有限公司;THZ-82A型水浴恒温振荡器,江苏荣华仪器制造有限公司;L-530型台式大容量低速离心机,湖南湘仪实验室仪器开发有限公司;T6型新世纪紫外可见分光光度计,北京普析通用仪器有限责任公司.

以一定质量的新鲜冻莲隔绝空气解冻后,加入2倍质量的蒸馏水置于榨汁机中搅碎成莲子浆,浆液过100目筛纱布,加2倍蒸馏水稀释搅拌后,20～ 25℃静置沉淀8 h.淀粉完全沉降分层后弃去上澄清液,用蒸馏水冲洗沉淀表面,再次用足量的蒸馏水溶解沉淀,在同样的温度下静置,直至淀粉和水完全分层,弃去上清液.最后用蒸馏水清洗沉淀表面,平铺于托盘中,50℃烘干至淀粉水分含量为11.8% [18] ,取出密封保存.

称取不同质量的莲子淀粉加入蒸馏水配制成不同浓度的淀粉乳溶液,充分搅拌后装入真空包装袋中抽真空包装.将淀粉乳超声波处理后于高压灭菌锅中隔层放置.在高压灭菌锅的作用下,使淀粉糊化.之后取出淀粉糊冷却至室温,在4℃下冷藏12 h,干燥粉碎,过筛后密封储藏备用.

未纯化的莲子抗性淀粉中加入3倍体积的蒸馏水,配制成抗性淀粉溶液.往该溶液中加入适量柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液,充分搅拌.移取足量液体α-淀粉酶(10 000 U/mL)于溶液中,在温度为90℃的恒温振荡器中作用至使碘液不变蓝,之后自然冷却.将4mol/L的柠檬酸加入至冷却的溶液中,调节pH值4.2左右后再加入过量液体葡萄糖淀粉酶(100 000 U/mL),在温度为60℃ 的恒温振荡器中作用1 h后,自然冷却.将所得溶液4 000 r/min离心12min,缓慢取出离心管,防止抖动.倒出上清液后,以蒸馏水溶解沉淀.再次离心,重复上述过程3 次.往沉淀中加入5mL 2mol/L KOH溶液,用搅拌器持续搅拌30 min,使莲子抗性淀粉完全溶解.碱性溶液中加入1 mol/L的乙酸溶液使pH为4.2左右,加入过量液体葡萄糖淀粉酶(100 000 U/m L),60℃恒温振荡器中作用1 h.之后,溶液在4 000 r/min转速下作用10min,收集上层液体,用少量蒸馏水洗涤沉淀.溶解沉淀,再次离心,重复3次.将所有上清液混合,最后定容至100mL.DNS法 [25] 测定样品中葡萄糖含量.莲子抗性淀粉得率计算如式(1):

式(1)中,W为莲子淀粉质量,g;c＇为样品葡萄糖质量浓度,mg/mL;V为抗性淀粉溶解液体积,mL;N为抗性淀粉溶解液稀释倍数.

影响莲子抗性淀粉得率的主要因素有:莲子淀粉乳浓度、超声波功率、超声波处理时间、压热时间和压热温度.为确定各因素最佳范围,按表1进行单因素实验.

表1 单因素水平设计
Tab.1 Factors and levels of single factors

以淀粉乳浓度为单因素实验时,固定超声波功率为210W,超声波处理时间为25min,压热温度为105℃,压热时间为9min.以超声波功率为单因素实验时,固定莲子淀粉乳浓度为25%,超声波处理时间为25 min,压热温度为105℃,压热时间为9 min.以超声波处理时间为单因素实验时,固定淀粉乳浓度为25%,超声波功率为210 W,压热温度为105℃,压热时间为9 min.以压热时间为单因素实验时,固定淀粉乳浓度为25%,超声波功率为210 W,超声波处理时间为25 min,压热温度为105℃.以压热温度为单因素实验时,固定淀粉乳浓度为25%,超声波功率为210 W,超声波处理时间为25 min,压热时间为9min.

单因素实验结果表明,淀粉乳浓度、压热时间、压热温度对得率影响较大.超声波作为前处理,其作用时间的长短直接影响制备的效率.故以以上4个因素进行正交优化,设计方案见表2.

表2 正交试验L 9 (3 4 )因素水平与编码
Tab.2 Factors levels and codes in orthogonal test L 9 (3 4 )

所有实验平行做3次;以平均值表示试验结果;运用Excel2013和DPSv 7.05数据处理软件进行数据处理和分析.

2 结果与分析

由吸光度对质量浓度进行回归,求得葡萄糖标准溶液曲线Y=0.478 0X+0.004 4,相关系数R 2 = 0.999 9,如图1.

图1中,Y为在480 nm波长处测定的吸光度值;X为葡萄糖标准液的质量浓度(mg/mL).

由图2(a)可知,在淀粉乳浓度低于45%条件下,莲子抗性淀粉的得率随着淀粉乳浓度的提高而增加.在淀粉浓度达到45%时,此时得率达最高.在淀粉乳浓度高于45%条件下,莲子抗性淀粉的得率却随着淀粉乳浓度的升高而减少.实验结果表明:淀粉乳浓度的不同影响着抗性淀粉含量的高低.莲子原淀粉晶体是由直链淀粉和支链淀粉构成的,经过超声波预处理后,原淀粉颗粒破裂,直链淀粉被切割成长度较短的分子链并部分溶出.在糊化时,支链淀粉结构瓦解,直链淀粉从颗粒中溢出.当淀粉乳浓度适宜时,溶出的直链淀粉能较充分地结合,促进回生,有利抗性淀粉形成.当淀粉乳溶液浓度过高时,体系中的水不足以使淀粉颗粒完全膨胀,直链淀粉无法完全从颗粒中释放出来,体系黏度变大,进而限制其相互接近形成重结晶,降低了抗性淀粉的得率;当淀粉乳溶液浓度过低,虽然充足的水分能使直链淀粉完全溢出,但是直链淀粉分子在低温回生过程中,相互接近形成双螺旋结构的概率降低,导致抗性淀粉得率下降 [11] .因此,适宜的淀粉乳浓度有利于抗性淀粉的形成.

图2 淀粉乳浓度、超声波功率、超声波处理时间、压热时间以及压热温度对莲子抗性淀粉得率的影响
Fig.2 Effects of starch concentration,ultrasonic power, ultrasonic time,autoclaving time,and autoclaving temperature on yield of lotus seed resistant starch

由图2(b)可知,莲子抗性淀粉得率随着超声波功率的增大而提高.在超声波清洗器满功率300W时莲子抗性淀粉得率达到最高.这是因为高强度超声波能破坏淀粉颗粒.莲子淀粉乳在超声波的作用下,水分子与淀粉分子之间摩擦加快,从而引起淀粉分子C—C键断裂 [26] ,生成大量较短的C—C分子链.较短的C—C分子链更有利于通过氢键形成双螺旋结构 [27] .因此,适当强度的超声作用可提高抗性淀粉得率.

由图2(c)可知,莲子抗性淀粉得率随超声波处理时间的增加其差异并不显著.超声波功率和超声波处理时间共同影响着淀粉的水解程度,但从图2 (b)和图2(c)的曲线变化来看,超声波处理时间对莲子抗性淀粉得率的影响小于超声波功率.在抗性淀粉的制备过程中,适宜的超声波处理有助于缩短抗性淀粉的制备时间 [28] .

由图2(d)可知,随着压热时间的延长,莲子抗性淀粉得率先增大后变小,最后趋于平稳.在压热时间为9min时莲子抗性淀粉得率达到最高.压热时间为9,12,15min对抗性淀粉得率并无显著差异影响.短时间的压热处理不利于抗性淀粉的形成,然而过长时间的压热处理并没有显著提高莲子抗性淀粉的得率.相关研究显示,压热时间的长短对抗性淀粉的形成有一定影响.在超声波预处理作用下,虽然淀粉颗粒中部分直链淀粉溢出,但支链淀粉中的α-1,6-糖苷键的存在会阻碍直链淀粉相互接近.经过压热处理过程,支链淀粉溶解膨胀,直链淀粉将完全溶出.但当压热时间过短,将导致支链淀粉无法完全糊化,直链淀粉的溢出受到抑制且此时其聚合度较高,分子间斥力较大,分子链之间不容易聚集形成晶体.然而,压热时间太长会导致直链淀粉过度降解,使其长度偏短,分子量偏小.这种被过度降解的淀粉分子,长度偏短、分子量偏小,因而无法通过氢键的作用形成双螺旋结构,从而影响抗性淀粉的形成.可见莲子淀粉的压热时间以9 min为宜.

由图2(e)可知,莲子抗性淀粉得率在压热温度为105℃时达到最高,且相对于其他压热温度影响显著.当压热温度处于85～95℃时,只有部分直链淀粉溢出,淀粉只发生部分糊化;当压热温度达95℃以上时,大量的直链淀粉分子从淀粉颗粒中溢出,支链淀粉完全糊化,此时溶液呈凝胶状态.当温度进一步升高至105℃时,此时体系的黏度要比淀粉刚糊化的时候低,这对直链结合形成稳定结晶结构有帮助.而当温度进一步升高时,直链淀粉过度降解,难以形成直链淀粉集聚区.此时晶核无法结合直链淀粉,晶体的进一步增长受到限制,不利于抗性淀粉的形成 [29] .

根据单因素实验的结果:抗性淀粉得率在超声波低功率时均处于较低水平,当超声波功率达到仪器最高值300W时,莲子抗性淀粉得率最高.故正交试验时选取淀粉乳浓度(%)、超声波处理时间(min)、压热时间(min)和压热温度(℃)为考察因素,采用L 9 (3 4 )正交表,进行正交试验设计,得出提取莲子抗性淀粉的最佳工艺参数.每个处理重复3次取平均值,正交试验结果如表3和表4.

表3 L 9 (3 4 )正交试验结果
Tab.3 Results of L 9 (3 4 )orthogonal text

A 2 B 3 C 3 D 2 理论最高得率(%)=47.64+4.06+0.70+3.22+ 1.65=57.27

由表3可知,各因素对超声波-压热法制备的莲子抗性淀粉得率的作用大小为:C(压热时间)＞A(淀粉乳浓度)＞D(压热温度)＞B(超声波处理时间).由正交试验结果得出较佳水平组合为A 2 B 3 C 3 D 2 .即当超声波功率为 300 W 时,淀粉乳浓度45%,超声波处理时间55 min,压热时间15 min,压热温度115℃时,计算得出莲子抗性淀粉理论得率最高可达57.27%.

由表4方差分析中显著性(P值)可知,压热时间(P=0.02)、淀粉乳浓度(P=0.03)对莲子淀粉得率的作用显著,压热温度(P=0.05)对莲子抗性淀粉得率作用不显著.

表4 正交试验的方差分析
Tab.4 Variance analysis of orthogonal test

采用所得优化条件,即淀粉乳浓度45%,超声波功率300W,超声波处理时间55min,压热时间15 min,压热温度115℃,进行验证性实验,得出该条件下莲子抗性淀粉实际得率为56.12%,与理论预测值57.27%相差2.01%.因此通过正交优化后所得的最优工艺条件较为可靠,可在超声波-压热法制备莲子抗性淀粉的过程获得较高的抗性淀粉含量.

3 结论

通过试验及数据分析得到制备莲子抗性淀粉的较优工艺参数:淀粉乳浓度45%,超声波功率300 W,超声波处理时间55 min,压热时间15 min,压热温度115℃.在此条件下莲子抗性淀粉得率为56.12%.

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Research on Preparation of Resistant Starch from Lotus Seed by Ultrasonic-Autoclaving

WU Xiaoting, ZHANG Yi, WU Qingyin, WANG Ying, ZHENG Baodong *
(College of Food Science,Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou 350002,China)

Abstract： Lotus seed native starch was obtained by the wetmilling method,and the ultrasonic pretreatment combining autoclavingmethod was applied to prepare resistant starch.The influence of starch concentration,ultrasonic power,ultrasonic time,autoclaving temperature,and autoclaving time on the yield of lotus seed resistant starch was explored.The technology parameters of preparing resistant starch were optimized by orthogonal optimization analysis.The results revealed that the best conditions for lotus seed resistant starch preparation by ultrasonic-autoclaving were starch concentration 45%,ultrasonic power 300W,ultrasonic treatment time 55min,autoclaving time 15min,and autoclaving temperature 115℃. Under the conditions,the yield of lotus seed resistant starch was approximated to 56.12%.

引用格式： 吴小婷,张怡,吴清吟,等.超声波-压热法制备莲子抗性淀粉工艺研究.食品科学技术学报,2014,32(4):50-55. WU Xiaoting,ZHANG Yi,WU Qingyin,et al.Research on preparation of resistant starch from lotus seed by ultrasonicautoclaving.Journal of Food Science and Technology,2014,32(4):50-55.

基金项目： 国家自然科学基金资助项目(31301441);福建省自然科学基金资助项目(2011J01080).

作者简介： 吴小婷,女,硕士研究生,研究方向为农产品贮藏及加工;*郑宝东,男,教授,博士生导师,主要从事食品加工技术方面的研究.通讯作者.

超声波-压热法制备莲子抗性淀粉工艺研究

1 材料与方法

2 结果与分析

3 结 论

3 结论