玉米抗性淀粉的制备工艺研究

玉米抗性淀粉的制备工艺研究

乔长晟　穆彩云　王茜　王雪莲　贾士儒

（天津科技大学生物工程学院天津市工业微生物重点实验室　天津　300222）

摘要：以普通玉米淀粉为原料，对抗性淀粉的制备工艺进行了研究。采用酸水解-压热法，以抗性淀粉得率作为评价指标，研究了在不同淀粉乳浓度、盐酸用量、酸解时间、压热时间条件下，玉米淀粉形成抗性淀粉得率的变化情况；并研究了储藏温度、储藏时间、干燥温度对抗性淀粉得率的影响，得到制备玉米抗性淀粉的最佳工艺条件，即盐酸用量2.5%，酸解时间0.5h，淀粉乳浓度15%，压热时间60min，储藏温度4℃、储藏时间24h、干燥温度60℃。在此条件下抗性淀粉含量为16.81%。

关键词：抗性淀粉；制备工艺；

淀粉是植物合成的重要的能量物质，是人体重要的营养来源。长期以来，淀粉被认为可为人体完全消化、吸收［1］。然而，科研人员对膳食纤维进行定量分析时，在不溶性膳食纤维（IDF）中发现有淀粉成分。Englyst等学者在1982年首先将这部分淀粉定义为抗酶解淀粉（Resistant-Enzyme Starch） ，简称抗性淀粉（Resistant Starch）^[2]，英文缩写为RS。

抗性淀粉RS本身几乎不含热量，作为低热量添加剂添加到食物中，可起到与膳食纤维相似的生理功能。它可作为焙烤食品优良的膳食纤维营养强化剂，还可提高挤压谷物和小吃食品的膨化系数。由于其具有较好的黏度稳定性、流变性及低持水性，也可作为食品的增稠剂使用。

RS₃类抗性淀粉最具开发应用价值。本课题以我国北方产量最高的玉米淀粉为原料，对RS₃的制备工艺进行了研究。

1　材料与方法

1.1　实验材料

玉米原淀粉，市售；耐高温α-淀粉酶、糖化酶，丹麦诺维信公司；胰蛋白酶，天津市诺奥科技发展有限公司。

1.2　实验方法

1.2.1　抗性淀粉的制备方法

将淀粉调成一定浓度的淀粉乳，添加不同量（占淀粉干重百分比）的2mol/L盐酸，30℃酸解不同时间，之后调pH值至中性，停止酸解；密封，放入高压蒸汽灭菌锅中进行压热处理，充分糊化后，取出，自然冷却至室温，采用不同方式（冷冻或冷藏）处理不同时间，得到含RS的淀粉凝胶；于不同温度下烘干16h，粉碎，过筛，最后得到粉末状抗性淀粉。

1.2.2　抗性淀粉的测定方法

根据AACC （1983）测定膳食纤维的方法，并加以改进^[3]。具体步骤如下：

加压后淀粉样品→调pH值6.5～8.0→加入胰蛋白酶（55℃水浴振荡60min，振荡转速为150r/min）→离心（3000r/min，15min）→弃上清液→调pH至5.3→加入耐高温α-淀粉酶（沸水浴中振荡30min）→离心→弃上清液→调pH至4.5→加入糖化酶（60℃水浴振荡60min）→离心→水洗（至少2次）→弃上清液→加入2mol/L KOH溶液充分分散→调pH至4.5左右→加入过量糖化酶（60℃水浴振荡60min）→离心→水洗（至少二次）→收集上清液→定容至100ml→采用DNS法测定还原糖→结果乘以0.9即为抗性淀粉含量。

2　结果与讨论

2.1　单因素实验分析

2.1.1　盐酸用量对RS含量的影响

配制20%的淀粉乳，添加2mol/L的盐酸，盐酸用量安排6个水平： 0.5%、1%、2%、3%、4%、5% （占淀粉干重百分比） ，30℃下酸解1h，之后调pH值至中性，停止酸解；密封，放入高压蒸汽灭菌锅中121℃压热处理30min。充分糊化后，取出，冷却至室温，4℃下静置24h，60℃烘干16h，粉碎，过筛（100目） ，得到抗性淀粉样品。

图1　盐酸用量对抗性淀粉含量的影响

从图1中可见，随着盐酸用量的增加，抗性淀粉得率先上升，出现最大值后又急剧下降。酸水解分两步进行，第一步是快速水解无定形区域的支链淀粉。第二步是水解结晶区域的直链淀粉和支链淀粉，速度较慢^[4]。本实验主要利用酸解作用的第一步，盐酸用量为3%较为理想。当盐酸用量过大时，会使淀粉乳中H^＋浓度过高，水解速度加快，副反应也会随之加快，所以应尽量降低酸的有效浓度。

2.1.2　酸解时间对RS含量的影响

配制20%的淀粉乳，添加2mol/L的盐酸，盐酸用量3%。酸解时间安排6个水平：0.5h，1h，2h，3h，4h，5h。其余操作同上。

图2　酸解时间对抗性淀粉含量的影响

从图2中可见，随着酸解时间的延长，抗性淀粉含量出现最大值后又急剧下降。在酸催化水解的过程中，淀粉分子逐渐变小，聚合度下降，产生较多的直链状分子水解物，凝沉性增强。抗性淀粉的形成机理是由于淀粉分子在凝沉过程中重新聚集成有序的晶体结构，因此直链淀粉的聚合度影响着抗性淀粉的得率。但酸解时间过长，淀粉分子链被水解得过短，也不利于淀粉分子重新形成有序排列，所以酸解时间确定为1h较为理想。

2.1.3　水分含量对RS含量的影响

淀粉乳浓度安排5个水平： 10%、20%、30%、40%、50% （质量分数） ，添加2mol/L的盐酸，盐酸用量3%，30℃酸解1h。其余操作同上。

图3　水份含量对抗性淀粉含量的影响

从图3中可知，随着水份含量的增加，抗性淀粉含量逐渐减小。当水份含量低于50%时，淀粉已经不能形成淀粉乳。而随着水份含量的增加，所形成的淀粉乳的浓度降低，整个体系的粘度也随之减小，这就造成了直链淀粉分子相互接近的概率大幅度降低，从而降低了抗性淀粉的含量。但考虑到高浓度的淀粉乳的高粘度，造成成本的提高，也带来操作的困难，同时考虑原料的投入比例，因此选择水份含量为90%。

2.1.4　压热时间对RS含量的影响

配制10%淀粉乳，添加2mol/L的盐酸，盐酸用量3%，30℃酸解1h。121℃下进行压热处理，压热时间安排6个水平： 20min、30 min、40 min、50 min、60 min。其余操作同上。

图4　压热时间对抗性淀粉含量的影响

从图4可知，在压热温度为121℃，淀粉乳浓度为10%的条件下，随着热处理时间的延长，抗性淀粉的含量先升高，在60min时达到最高，随后缓慢下降。压热时间过长也会造成淀粉分子发生过渡降解，产生一些小分子量的短链直链淀粉，影响抗性淀粉的生成。因此，确定压热时间为60min。

2.2　正交试验分析

根据单因素实验结果，设计了4因素3水平L₉ （3⁴）的正交实验。正交实验的因素、水平选择及实验结果见表1和表2。

表1　因素水平表L₉（3⁴）

表2　L₉（3⁴）实验结果

通过正交试验极差分析可得影响抗性淀粉形成条件中各因素的主次为C （淀粉乳浓度） >D （压热时间） > A（盐酸用量） >B （酸解时间） ，最好的因素水平组合为A₁B₁C₃D₂，即盐酸用量为2.5%，酸解时间为0.5h，淀粉乳浓度为15%，压热时间为60min。采用此组合进行验证试验，得抗性淀粉含量为16.81%。

2.3　储藏温度对RS含量的影响

比较了不同方式（冷冻或冷藏）处理对抗性淀粉含量的影响。

表3　储藏温度对RS含量的影响

从表3中可以看出，充分糊化的玉米淀粉在不同温度下保存时，淀粉糊中RS的含量随保存温度的升高而成下降趋势。与冷藏4℃条件相比较，冷冻条件下抗性淀粉的生成有所提高，主要是因为低温有助于淀粉的老化结晶，当保存温度达到-20℃时，淀粉糊中的水分子形成小冰晶从淀粉糊中析出，从而缩短了直链分子之间的距离，使之容易形成氢键，增加了抗性淀粉的含量^[5]。当在40℃储藏时，成核速度和晶粒的生长速度都不是最大，而且最重要的是此时支链淀粉的回生速率最大［6 ］。从节省能源以及便于工业化的角度来看，选择4℃下保藏。

2.4　储藏时间对RS含量的影响

图5　储藏时间对RS含量的影响

由图5可知，随冷藏时间的延长，抗性淀粉含量呈现出先迅速提高而后缓慢上升，最后趋于平稳的趋势。这是因为淀粉的老化结晶包括两个过程，即晶核生成与晶体生长阶段。原淀粉经过压热处理后，冷却到一定温度时，晶体开始生长，甚至在贮藏阶段也在缓慢进行。因此，储藏时间的延长有利于结晶的形成，但从图中可知，静置24h至48h期间，抗性淀粉的含量增加幅度不大。所以，综合效率最优化，选择储藏时间为24h。

2.5　干燥温度对RS含量的影响

图6　干燥温度对RS含量的影响

从图6可知，在低于60℃干燥时，随干燥温度的升高，抗性淀粉含量快速增加，而在高于60℃后便开始下降。这是因为直链淀粉其结晶熔融温度在100～165℃之间，而支链淀粉的结晶熔融温度在60℃左右。因此，在干燥温度较高的时候，支链淀粉发生熔融，从而导致抗性淀粉得率降低。因此，较低的干燥温度有利于抗性淀粉的形成，这对工业化生产也是有利的，降低了能耗的同时，也降低了生产成本，因此，干燥温度为60℃。

3　结论

采用酸水解和压热处理相结合的方法制备抗性淀粉，通过正交试验极差分析得出，影响抗性淀粉形成条件中各因素的主次为C （淀粉乳浓度） >D （压热时间） > A（盐酸用量）>B （酸解时间） ，最佳的因素水平组合为A₁B₁C₃D₂，即盐酸用量为2.5%，酸解时间为0.5h，淀粉乳浓度为15%，压热时间为60min。同时又对储藏温度、储藏时间和干燥温度进行研究，得出冷冻和冷藏均有利于抗性淀粉的形成，时间以24h为宜，继续延长时间对抗性淀粉含量的提高影响不大；较低的干燥温度有利于抗性淀粉的形成，以60℃为好。采用此组合进行验证试验，得抗性淀粉含量为16.81%。

参考文献：

[1] Marlett J A，Longacre M J.Comparison of in vitro and in vivo measures of resistant starch in selected grain products[J].Cereal Chem，1996，73 （1）:63～68

[2] Englyst H N，Andersen V，Cummings J H.Starch and non-starch polysaccharides in some cereal foods.J Sci Food Agric，1983，34： 1434～1440

[3] Conil，Garciadiz E Analysis of Resistant Starch.a method for Foods and Food Products [J].Food Chemistry，1996，56 （4）:445～448

[4]阮少兰，刘亚伟，阮竞兰.大米抗性淀粉制备工艺研究[J].粮食与饲料工业，2005，（7）:16～17

[4] A.Escarpa，M.C.Gonzalez，M.D.Morales，F.Saura Calixto.An approach to the influence of nutrients and other food constituents on resistant starch formation.Food Chemistry1997，60： 527～532

[5]赵凯，张守文，杨春华，等.玉米抗性淀粉提取过程中的影响因素研究[J].化学世界，2005，（7）:415～418

[6]衣杰荣，姚惠源.温度对抗性淀粉形成的影响[J].粮食与饲料工业，2001 （8）:37～38