李光磊 崔世鋒 龐玲玲 孫俊良

(河南科技學(xué)院食品學(xué)院，新鄉(xiāng) 453003)

隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，糖尿病已成為對人類健康損害最大、耗費社會醫(yī)療資源最多的慢性病之一［1］。流行病學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)飲食過于精細(xì)而膳食纖維攝入不足是造成糖尿病的直接或間接原因［2］。但強化膳食纖維食品因有不良?xì)馕?、結(jié)構(gòu)粗糙、口感差等弊端而對消費人群缺乏吸引力，其推廣工作遭遇瓶頸?？瓜矸劬哂胁荒鼙蝗梭w消化道內(nèi)淀粉酶降解消化吸收，但能夠被結(jié)腸中的微生物所酵解的特性，具有調(diào)節(jié)血糖、防范心腦血管疾病、預(yù)防結(jié)腸癌、直腸癌的作用，作為一種新型的低熱量功能性食品基料，目前已成為功能食品研究的熱點［3－5］。Denise等［6］研究發(fā)現(xiàn)，高抗消化淀粉飲食可明顯降低餐后血糖、胰島素反應(yīng)，增加胰島素敏感性，這對Ⅱ型糖尿病患者可起延緩餐后血糖上升，控制糖尿病病情的作用。

淀粉磷酸酯是將淀粉經(jīng)磷酸化處理而獲得的一種淀粉衍生物。淀粉磷酸酯有單酯和雙酯2種類型，一般采用正磷酸鹽、三聚磷酸鹽和偏磷酸鹽等來制備。從淀粉酯的制備及應(yīng)用歷史看，具有商業(yè)價值的淀粉酯是具有溶膠穩(wěn)定性且價格低廉的產(chǎn)品［7－8］。以三偏磷酸鈉為原料制備的二淀粉磷酸酯產(chǎn)品具有較高的食用安全性，聯(lián)合國糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織認(rèn)為可以食用且無需制定ADI值，目前已被我國列入食品添加劑范疇(GB2760—2011)［9］。Chung 等［10］、李曉璽等［11］研究表明，淀粉磷酸雙酯具有一定的抗消化性能。

目前，淀粉磷酸雙酯的制備工藝研究主要集中在制備條件對淀粉取代度或黏度的影響上［12－13］，對淀粉磷酸雙酯的抗消化性能關(guān)注較少，本試驗在單因素試驗的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面分析法以淀粉抗消化性為考察因素對三偏磷酸鈉制備甘薯淀粉淀粉磷酸雙酯的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，以期為抗消化性甘薯淀粉磷酸雙酯的工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甘薯淀粉:河南省和寨村農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司;高溫α－淀粉酶、葡萄糖淀粉酶:鄭州福源生物科技有限公司;三偏磷酸鈉、尿素、鹽酸、氫氧化鈉等均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

Q200差示掃描量熱儀:美國 TA公司;Starch-Master快速黏度分析儀:澳大利亞新港科學(xué)儀器有限公司;7200型可見光光度計:尤尼柯儀器有限公司;BS124S電子天平:北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司;202－2型干燥箱:上海一恒科技有限公司;SHA－B恒溫振蕩器:常州國華電器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 甘薯淀粉磷酸雙酯的制備

按照Sitohy的方法［14］改進(jìn):取一定量的甘薯淀粉，加入一定量的三偏磷酸鈉、氯化鈉、氫氧化鈉、水，恒溫40℃，連續(xù)攪拌，反應(yīng)2 h，然后將pH值調(diào)至6.5左右。經(jīng)4次水洗、離心(3 000 r/min，30 min)后，烘干(40 ℃)，粉碎，過篩(80目)。

1.3.2 淀粉抗消化性測定

參照 Goni I.法，做了適當(dāng)改進(jìn)，具體步驟如下［15］:

稱取一定量淀粉試樣，加入KCl－HCl緩沖液，調(diào)pH 1.5，加入胃蛋白酶溶液，40℃恒溫60 min，冷卻至室溫，用2 mol/L HCl和0.5 mol/L的NaOH調(diào)pH至6.0～7.0，加入耐熱 α－淀粉酶溶液，90 ℃恒溫30 min，冷卻，調(diào)pH至4.75，加入葡萄糖淀粉酶溶液，60℃恒溫60 min，冷卻，離心，棄去上清液。將沉淀物完全溶解于4 mol/L KOH溶液中，用2 mol/L HCl溶液中和，加入葡萄糖淀粉酶溶液，60℃恒溫60 min，冷卻，離心，收集上清液，用蒸餾水定容至100 mL，用3，5－二硝基水楊酸法測還原糖，乘以0.9，即為抗消化淀粉含量。淀粉抗消化性按下式計算:

1.3.3 單因素試驗

采用單因素試驗分別研究三偏磷酸鈉添加量(以甘薯淀粉計)、pH、酯化溫度和酯化時間4個反應(yīng)因素對甘薯淀粉磷酸雙酯淀粉抗消化性的影響，每個因素分別設(shè)5個水平，每個處理重復(fù)3次，取平均值。

1.3.4 響應(yīng)面試驗

應(yīng)用 Design－Expert(version 7.1.3)軟件，對四因素三水平的響應(yīng)面試驗進(jìn)行設(shè)計，以淀粉抗消化性為響應(yīng)值，以三偏磷酸鈉(STMP)添加量、pH、酯化溫度和酯化時間為對響應(yīng)值影響的4個因素進(jìn)行分析［16］，分別以x代表，每一個自變量的低、中、高試驗水平分別以－1、0、1進(jìn)行編碼(見表1)。

表1 響應(yīng)面分析因素與水平

模型通過小二乘法擬合二次多項方程式可以表達(dá)為:

式中:Y 為響應(yīng)值;b0、bn、bnn、bnm為方程系數(shù);xn、xm(n≠m)為自變量編碼值。多項式模型方程擬合的性質(zhì)由確定系數(shù)R2表達(dá)，其統(tǒng)計學(xué)上的顯著性由F值檢驗，采用 Design － Expert(version 7.1.3)軟件進(jìn)行方差分析。

1.3.5 差示掃描量熱分析

準(zhǔn)確稱取一定量的淀粉試樣于鋁坩堝中，用微量進(jìn)樣器加入一定量的純水，混勻，使淀粉乳的濃度達(dá)到30%左右。坩堝加蓋密封后，于室溫下平衡24 h，以空坩堝為參比，從45℃升溫至190℃，升溫速率為10℃/min。

1.3.6 甘薯淀粉磷酸雙酯粘度曲線測定

準(zhǔn)確稱取2 g甘薯淀粉樣品(含水量以14%計)，加入25 mL蒸餾水，混合于RVA專用鋁盒內(nèi)，調(diào)成一定濃度的淀粉乳，采用升溫－降溫循環(huán):保持30℃ 1 min;4.75 min內(nèi)加熱到95℃;保持在95℃3.5 min，在4.9 min內(nèi)降到40 ℃;然后保持在40 ℃2 min，測得淀粉糊黏度曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

按1.3.3試驗方法，除研究對象外，固定其余因素水平為三偏磷酸鈉3%、pH 9、酯化溫度40℃以及酯化時間2 h，得到單因素試驗結(jié)果(見表2)。

表2 單因素試驗結(jié)果

由表2可以看出，隨著三偏磷酸鈉添加量的增加，甘薯淀粉磷酸雙酯的淀粉抗消化性隨之增加，三偏磷酸鈉添加量超過3%時(以甘薯淀粉計)其抗消化性增速變緩;反應(yīng)pH值為10時其淀粉抗消化性最高;隨著反應(yīng)溫度和時間的增加，其淀粉抗消化性也增加，反應(yīng)溫度達(dá)到40℃、反應(yīng)時間達(dá)到3 h時，淀粉抗消化性增速變緩。根據(jù)單因素試驗結(jié)果，綜合考慮淀粉抗消化性和經(jīng)濟成本，選擇STMP添加量3%、pH 10、反應(yīng)溫度40℃、反應(yīng)時間3 h為響應(yīng)面試驗自變量因素的中間試驗水平。

2.2 甘薯淀粉磷酸雙酯制備工藝回歸模型的建立

按照Box－Behnken的中心組合試驗設(shè)計方案進(jìn)行四因素三水平試驗，每個處理測定3次，取平均值。試驗設(shè)計與結(jié)果見表3。制備工藝的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行方差分析，方差分析結(jié)果見表4。

表3 響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果

表4 回歸模型方差分析

方差分析中失擬項F值2.04意味著回歸方程失擬檢驗不顯著，說明未知因素對試驗結(jié)果干擾很小。模型F值4.13說明回歸方程是極顯著的(P＜0.01)，相關(guān)系數(shù) R2=0.920 7，說明響應(yīng)值(淀粉抗消化性)的變化有92.07%來源于所選變量，即STMP、pH值、酯化溫度以及酯化時間。因此，回歸方程對試驗擬合情況好，試驗誤差小，可以較好的描述各因素與響應(yīng)值之間的真實關(guān)系，可以利用該回歸方程代替實驗真實點對實驗結(jié)果進(jìn)行分析。

2.3 響應(yīng)面圖繪制

根據(jù)回歸方程，采用Design－Expert軟件作出各因素對淀粉抗消化性影響的響應(yīng)面圖和等值線圖，圖1直觀反映了/STMP添加量與pH值的交互作用對淀粉抗消化性的影響，圖2反映了酯化時間與pH值的交互作用對淀粉抗消化性的影響。

圖1 STMP添加量和pH對淀粉抗消化性的影響

將所得的試驗數(shù)據(jù)采用Design Expert軟件進(jìn)行多元回歸擬合，得到以淀粉抗消化性為目標(biāo)函數(shù)的二次回歸方程:

方程中各項系數(shù)絕對值的大小直接反映了各因素對指標(biāo)值的影響程度，系數(shù)的正負(fù)反映了影響的方向。由回歸方程可知，pH值和酯化時間對甘薯淀粉磷酸雙酯的淀粉抗消化性影響最大。

為了檢驗方程的有效性，對甘薯淀粉磷酸雙酯

圖2 酯化時間和pH對淀粉抗消化性的影響

由圖1可以看出，當(dāng)酯化溫度位于中心水平40℃，酯化時間3 h時，STMP添加量和pH的交互作用顯著，且在2%～3.5%范圍內(nèi)(以甘薯淀粉計)，隨著STMP添加量的增加樣品淀粉抗消化性也隨著增加，當(dāng)STMP添加量過高時淀粉抗消化性會下降。由圖2可知，酯化pH值沿坡面上升級，坡面陡，酯化時間沿坡面上升緩慢，坡面緩，說明酯化pH值比酯化時間對反映值影響更顯著。

2.4 抗消化性甘薯淀粉磷酸雙酯制備工藝的確定和試驗驗證

在選取的各因素范圍內(nèi)，根據(jù)回歸模型通過Design Expert軟件分析得出，抗消化性甘薯淀粉磷酸雙酯最佳制備工藝為:三偏磷酸鈉添加量3.6%(以甘薯淀粉計)，pH 10.5，酯化反應(yīng)溫度50℃，酯化時間2.1 h。

為了證實預(yù)測的結(jié)果，用試驗中得到的最佳制備工藝條件重復(fù)試驗3次，平均淀粉抗消化性為(58.73 ±0.04)%，與預(yù)測值58.89%基本一致，說明該方程與實際情況擬合很好，充分驗證了所建模型的正確性。

2.5 差示掃描量熱分析

按1.3.5方法分別測定甘薯淀粉、甘薯淀粉磷酸雙酯以及甘薯回生淀粉差示掃描量熱特性，結(jié)果見圖3和表5。

圖3 甘薯淀粉磷酸雙酯DSC掃描曲線

表5 甘薯淀粉磷酸雙酯DSC測定結(jié)果

由圖3和表5可以看出，甘薯原淀粉在75℃左右有一較小吸熱峰，甘薯回生淀粉(RS100%)在160℃左右有一較大吸熱峰，甘薯淀粉磷酸雙酯DSC掃描曲線與甘薯原淀粉大致相同，只是隨著淀粉抗消化性的增加，其糊化溫度降低，糊化更加容易。

2.6 甘薯淀粉磷酸雙酯RVA特性分析

甘薯淀粉磷酸雙酯RVA糊化圖譜見圖4。

圖4 甘薯淀粉磷酸雙酯RVA糊化圖譜

從圖3可知，甘薯磷酸雙酯隨著其抗消化性增加，峰值黏度和起始糊化溫度均有所降低，但與甘薯回生淀粉(RS100%)相比仍有較高的黏度。因此甘薯磷酸雙酯不僅具有較高的抗消化能力，而且與回生淀粉相比更方便在食品中應(yīng)用。

3 結(jié)論

通過Box－Behnken中心組合試驗設(shè)計和響應(yīng)面分析優(yōu)化了抗消化性甘薯淀粉磷酸雙酯制備工藝條件:三偏磷酸鈉添加量3.6%(以甘薯淀粉計)，pH 10.5，酯化反應(yīng)溫度50℃，酯化時間2.1 h。在此工藝條件下制備的甘薯淀粉磷酸雙酯其淀粉抗消化性為(58.73±0.04)%。DSC測定結(jié)果表明甘薯淀粉磷酸雙酯DSC掃描曲線與甘薯原淀粉大致相同，且隨著淀粉抗消化性的增加，其糊化溫度和糊化焓降低。RVA糊化圖譜說明甘薯磷酸雙酯隨著其抗消化性增加，峰值黏度和起始糊化溫度均稍有降低。因此，甘薯淀粉磷酸雙酯一方面具有較高的抗消化能力，另一方面仍具有與甘薯原淀粉相似的糊化特性。

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