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、声波功率、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优工艺条件。结果表明，在莲子淀粉乳浓度为45% ，声波功率为 300 W，声波处理时间为 55 min，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，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。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，能使食品呈现质地，甚至延长食品货架期。
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。根据抗性原理的不同，抗性淀粉可分为 5 类: 即ＲS1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; ＲS2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; ＲS3回生或结晶淀粉; ＲS4化学改性淀粉，交联淀粉是其中常见的一种; ＲS5直链淀粉－脂质复合淀粉，亦称淀粉脂。ＲS3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。虽然ＲS3与ＲS4都可以通过加工原淀粉大量制备，但ＲS4的制备过程中添加的化学试剂将会影响食品安全。由于ＲS3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。制备ＲS3方法多样: 热液法，物理挤压法，化学酶解法。微波、高压以及声波亦被应用于ＲS3制备中。
莲子营养价值高，并含有的药理成分，属于药食同源的食物。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( ran-dom 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。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，这为莲子抗性淀粉的制备提供了可靠的理论依据。声波是一种振动频率高于人耳接收范围的机械波。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作用。将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、声波功率、声波处理时间、压热时间和压热温度。运用正交获得优工艺参数，为促进莲子淀粉商品化生产提供参考。
1 材料与方法
1. 1 材料与试剂
新鲜冻莲，产自福建建宁; 葡萄糖淀粉酶( 100 000 U/mL); α-淀粉酶( 10 000 U/mL); 柠檬酸、磷酸氢二钠、乙酸、氢氧化钾、3，5-二硝基水杨酸、苯酚。
1. 2 仪器与设备
KQ2200DE 型声波清洗器; MJ －60BM01A 型美的榨汁机; 101－0ES 型数显电热鼓风干燥箱; DZQ400/2D 型单室真空包装机; GI54TW 型全自动立式高压灭菌锅; XCD－235H 型新飞卧式微冻冷冻箱; Starter 300 型便携式 pH计; THZ－82A 型水浴恒温振荡器; L－530 型台式大容量低速离心机; T6 型新世纪紫外可见分光光度计。
1. 3 实验方法
1. 3. 1 原淀粉提取
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，直至淀粉和水分层，弃去上清液。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%，取出密封保存。
1. 3. 2 抗性淀粉制备
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 12h，干燥粉碎，过筛后密封储藏备用。
1. 3. 3 抗性淀粉得率测定
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4 mol/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 12 min，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 5 mL 2 mol/L KOH 溶液，用搅拌器持续搅拌 30 min，使莲子抗性淀粉溶解。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/mL) ，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 10 min，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。将上清液混合，后定容至 100 mL。
DNS 法测定样品中葡萄糖含量。莲子抗性淀粉得率计算如式( 1) :莲子抗性淀粉得率 Y =( c' × V × N) /1 000W× 0. 9 × ， ( 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。
1. 4 实验设计
1. 4. 1 单因素实验
影响莲子抗性淀粉得率的主要因素有: 莲子淀粉乳浓度、声波功率、声波处理时间、压热时间和压热温度。以淀粉乳浓度为单因素实验时，固定声波功率为 210 W，声波处理时间为 25 min，压热温度为105 ℃ ，压热时间为 9 min。以声波功率为单因素实验时，固定莲子淀粉乳浓度为 25%，声波处理时间为 25 min，压热温度为 105 ℃，压热时间为 9min。以声波处理时间为单因素实验时，固定淀粉乳浓度为 25%，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%，声波功率为 210W，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% ，声波功率为 210 W，声波处理时间为 25min，压热时间为 9 min。
1. 4. 2 正交优化试验
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。声波作为前处理，其作用时间的长短直接影响制备的效率。
1. 4. 3 数据与统计
实验平行做 3 次; 以平值表示试验结果;运用 Excel 2013 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
2. 1 标准曲线的绘制
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Ｒ2=0. 999 9，如图 1。
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) 。
2. 2 单因素实验结果与分析
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。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膨胀，直链淀粉无法从颗粒中释放出来，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。因此，适宜的淀粉乳浓度有利于抗性淀粉的形成。
莲子抗性淀粉得率随着声波功率的增大而提高。在声波清洗器满功率 300 W时莲子抗性淀粉得率达到。这是因为高强度声波能破坏淀粉颗粒。莲子淀粉乳在声波的作用下，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，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。因此，适当强度的声作用可提高抗性淀粉得率。
莲子抗性淀粉得率随声波处理时间的增加其差异并不显著。声波功率和声波处理时间共同影响着淀粉的水解程度，声波处理时间对莲子抗性淀粉得率的影响小于声波功率。在抗性淀粉的制备过程中，适宜的声波处理有助于缩短抗性淀粉的制备时间。
随着压热时间的延长，莲子抗性淀粉得率先增大后变小，后趋于平稳。在压热时间为 9 min 时莲子抗性淀粉得率达到。压热时间为 9，12，15 min 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，直链淀粉将溶出。但当压热时间过短，将导致支链淀粉无法糊化，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。
莲子抗性淀粉得率在压热温度为 105 ℃时达到，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。
2. 3 正交试验结果与分析
根据单因素实验的结果: 抗性淀粉得率在声波低功率时处于较低水平，当声波功率达到仪器值 300 W 时，莲子抗性淀粉得率。故正交试验时选取淀粉乳浓度( %) 、声波处理时间( min) 、压热时间( min) 和压热温度( ℃) 为考察因素，采用 L9( 34) 正交表，进行正交试验设计，得出提取莲子抗性淀粉的工艺参数。因素对声波－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( 声波处理时间) 。由正交试验结果得出较佳水平组合为 A2B3C3D2。
即当声波功率为 300 W 时，淀粉乳浓度 45%，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可达 57. 27%。
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) 莲子抗性淀粉得率作用不显著。采用所得优化条件，即淀粉乳浓度 45%，声波功率 300 W，声波处理时间 55 min，压热时间 15min，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优工艺条件较为可靠，可在声波－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。
来源：惠合胶体磨研磨设备厂

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