張 鐘，夏丹丹，王 麗（.廣東石油化工學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，廣東茂名55000；.安徽科技學(xué)院食品與藥學(xué)院，安徽鳳陽3300）

酸解-微波法制備RS3型玉米抗性淀粉工藝參數(shù)優(yōu)化

張 鐘1，夏丹丹2，王 麗2
（1.廣東石油化工學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，廣東茂名525000；2.安徽科技學(xué)院食品與藥學(xué)院，安徽鳳陽233100）

以普通玉米淀粉為原料，經(jīng)鹽酸水解后進(jìn)行微波處理，制備RS3型玉米抗性淀粉，采用單因素實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)曲面法相結(jié)合的方法對(duì)其工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。以RS3型玉米抗性淀粉的產(chǎn)率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定最佳的工藝參數(shù)。結(jié)果表明最佳工藝參數(shù)為：淀粉糊濃度29.1%，酸濃度1.5%，酸解時(shí)間2.4h，微波功率785.0W，作用時(shí)間18.0s，按以上工藝參數(shù)制備的RS3型玉米抗性淀粉的產(chǎn)率為12.3%。

酸法-微波，玉米抗性淀粉，工藝參數(shù)

玉米抗性淀粉又稱為老化淀粉（Retrograded Starch，RS3），是由糊化后的淀粉在冷卻或儲(chǔ)存過程中得到的，它有很好的熱穩(wěn)定性，經(jīng)100℃蒸煮后仍然具有抗酶解特性，它只有在溶解于KOH溶液或DMSO（二甲基亞砜）后，才能被淀粉酶水解[1]，RS3屬于物理變性淀粉，在食品安全性上沒有問題，具有很大的商業(yè)價(jià)值，工業(yè)生產(chǎn)的抗性淀粉即為此種類型。淀粉或含淀粉類食物在加工過程中，通過控制水分、pH、加熱溫度及時(shí)間、冷凍及干燥條件等因素可以產(chǎn)生RS3抗性淀粉[2]。

玉米抗性淀粉的制備方法有酶法[3]、壓熱法和酸解法[4-5]、微波-酶法[6]、水解-壓熱法制備[7]等，微波改性淀粉的原理是以淀粉作為電介質(zhì)材料，當(dāng)微波作用時(shí)，一部分能量被材料吸收，于是材料因吸收能量而溫度升高，淀粉被加熱而改性[8]。酸法-微波制備RS3型玉米抗性淀粉的研究還未見報(bào)道。利用酸法的水解作用和微波法的加熱作用，促進(jìn)淀粉的轉(zhuǎn)化。本文以普通玉米淀粉為原料，用酸法-微波制備RS3型玉米抗性淀粉，通過單因素實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)曲面法相結(jié)合的方法對(duì)其工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以抗性淀粉的產(chǎn)率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，最大限度地提高抗性淀粉的產(chǎn)率，為實(shí)際生產(chǎn)提供一定的參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

普通玉米淀粉 河北華辰淀粉糖有限公司；耐熱α-淀粉酶（200U/mL）、淀粉葡萄糖苷酶（1000U/g） 無錫市博立生物制品有限公司；氫氧化鈉、pH為6.0的磷酸緩沖溶液、檸檬酸、氫氧化鉀、3，5-二硝基水楊酸 均為分析純。

101-3-S型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠；AnkeTDL-5型離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠；pH-3TC精密數(shù)顯酸度計(jì) 上海天達(dá)儀器有限公司；G70D20CN1P-D2格蘭仕微波爐 格蘭仕集團(tuán)；搖擺式粉碎機(jī) 廣州市旭朗機(jī)械設(shè)備有限公司。

1.2 抗性淀粉制備工藝流程

配制一定濃度的玉米淀粉糊，加一定量的鹽酸至所需濃度，在室溫下酸解一段時(shí)間，加堿調(diào)pH為7，微波處理一段時(shí)間，4℃冷藏24h，再在40℃烘干，用粉碎機(jī)粉碎至200目，測(cè)定抗性淀粉含量。

1.3 抗性淀粉含量和產(chǎn)率的測(cè)定

取1g樣品溶于20mL pH為6.0的磷酸緩沖溶液中，加入1mL耐熱α-淀粉酶（200U/mL），置于沸水浴中振蕩30min；然后用檸檬酸調(diào)整其pH至4～4.5，再加入1mL（1000U/mL）的淀粉葡萄糖苷酶，60℃水浴振蕩60min；離心（3000r/min）10min，除去上清液，水洗離心（重復(fù)兩次）；向沉淀中加入4mol/L的氫氧化鉀溶液5mL，置于沸水浴中5min；加2mol/L鹽酸10mL中和氫氧化鉀，調(diào)節(jié)pH至4～4.5，再加1mL淀粉葡萄糖苷酶，60℃水浴振蕩60min；將樣品全部轉(zhuǎn)移至10mL容量瓶，用蒸餾水定容，搖勻。采用3，5-二硝基水楊酸法測(cè)定還原糖含量，然后乘以0.9，即為抗性淀粉含量[9]。

玉米抗性淀粉（RS3）含量（%）=葡萄糖含量（%）×0.9

1.4 單因素實(shí)驗(yàn)

1.4.1 淀粉糊濃度的確定 分別配制10%、20%、30%、40%和50%的玉米淀粉糊，各加2mol/L的鹽酸使質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1%，室溫下酸解并攪拌2h，再加2mol/L的氫氧化鈉中和至pH為7，經(jīng)850W的微波處理10s，冷卻至室溫后于4℃的冰箱內(nèi)冷藏24h，再于40℃烘箱中烘干，粉碎后測(cè)定抗性淀粉含量，確定最佳淀粉糊濃度。

1.4.2 酸濃度的確定 配制最佳濃度的玉米淀粉糊，加入2mol/L的鹽酸使質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%，室溫下酸解并攪拌2h，加2mol/L的氫氧化鈉中和至pH為7，經(jīng)850W的微波處理10s，冷卻至室溫后于4℃的冰箱內(nèi)冷藏24h，再于40℃烘箱中烘干，粉碎后測(cè)定抗性淀粉含量，確定最佳酸濃度。

1.4.3 酸解時(shí)間的確定 配制最佳濃度的玉米淀粉糊，加入2mol/L的鹽酸使質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最佳酸濃度，在室溫下分別酸解并攪拌0.5、1.5、2.5、3.5、4.5h，加2mol/L的氫氧化鈉中和至pH為7，經(jīng)850W的微波處理10s，冷卻至室溫后于4℃冰箱內(nèi)冷藏24h，再于40℃烘箱中烘干，粉碎后測(cè)定抗性淀粉含量，確定最佳酸解時(shí)間。

1.4.4 微波功率的確定 配制最佳濃度的玉米淀粉糊，加入2mol/L的鹽酸使質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最佳酸濃度，室溫下酸解并攪拌最佳酸解時(shí)間，加2mol/L的氫氧化鈉中和至pH為7，分別經(jīng)210、350、560、700、850W的微波處理10s，冷卻至室溫后于4℃冰箱內(nèi)冷藏24h，再于40℃烘箱中烘干，粉碎后測(cè)定抗性淀粉含量，確定最佳微波功率。

1.4.5 微波時(shí)間的確定 配制最佳濃度的玉米淀粉糊，加入2mol/L的鹽酸使質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最佳酸濃度，室溫下酸解并攪拌最佳酸解時(shí)間，加2mol/L的氫氧化鈉中和至pH為7，經(jīng)最佳功率的微波分別處理10、20、30、40、50s，冷卻至室溫后于4℃冰箱內(nèi)冷藏24h，再于40℃烘箱中烘干，粉碎后測(cè)定抗性淀粉含量，確定最佳作用時(shí)間。

1.5 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，以淀粉糊濃度、酸濃度、酸解時(shí)間、微波功率和微波時(shí)間作為五個(gè)因素，以RS3型玉米抗性淀粉的產(chǎn)率為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)一個(gè)5因素3水平的Box-Behnken實(shí)驗(yàn)，因素及水平選取見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)因素水平及編碼Table 1 Factor lever and coding of the test

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用SAS 6.12統(tǒng)計(jì)方法，所有數(shù)據(jù)以（x±SD）表示，用F檢驗(yàn)法，并進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 淀粉糊濃度對(duì)RS3產(chǎn)率的影響 由圖1可以看出，抗性淀粉的產(chǎn)率隨著淀粉糊濃度的增加先增加后減少，當(dāng)?shù)矸酆凉舛葹?0%時(shí)抗性淀粉的產(chǎn)率最大。這說明淀粉糊濃度過高或過低都不利于抗性淀粉的形成。當(dāng)?shù)矸酆凉舛冗^低時(shí)，整個(gè)體系的粘度過低，淀粉分子彼此分離，直鏈淀粉分子間相互接近的概率減少，從而不利于抗性淀粉的生成。當(dāng)?shù)矸酆凉舛冗^高時(shí)，即使經(jīng)微波處理后，淀粉糊的粘度依然很大，沒有足夠的水分子進(jìn)入淀粉的結(jié)晶區(qū)，不能將淀粉分子間的氫鍵完全破壞，淀粉粒難以充分膨脹、糊化，阻礙了直鏈淀粉分子相互接近和形成結(jié)晶[9]。

圖1 淀粉糊濃度對(duì)RS3產(chǎn)率的影響Fig.1 The effect of the concentration of the starch paste on RS3 productivity

2.1.2 酸濃度對(duì)RS3產(chǎn)率的影響 由圖2可以看出，抗性淀粉的產(chǎn)率隨著酸濃度的增加先增加后減少，當(dāng)酸濃度達(dá)到1.5%時(shí)抗性淀粉的產(chǎn)率最大。酸濃度過高或過低時(shí)抗性淀粉的產(chǎn)率都下降。酸濃度過低，不能完全將淀粉水解，直鏈淀粉分子不能完全釋放出來，從而影響抗性淀粉的形成。酸濃度過高，淀粉水解過度，產(chǎn)生了過短的直鏈淀粉分子，也不利用抗性淀粉的形成。

圖2 酸濃度對(duì)RS3產(chǎn)率的影響Fig.2 The effect of the concentration of the acid on RS3 productivity

2.1.3 酸解時(shí)間對(duì)RS3產(chǎn)率的影響 由圖3可以看出，抗性淀粉的產(chǎn)率隨酸解時(shí)間的延長(zhǎng)先增加后減少，當(dāng)酸解時(shí)間達(dá)到2.5h時(shí)抗性淀粉的產(chǎn)率達(dá)到最大。鹽酸水解玉米淀粉，可以減小淀粉的分子量，淀粉分子量變小有利于淀粉分子的重新聚合、結(jié)晶，形成更多的抗性淀粉顆粒。酸解淀粉主要水解支鏈淀粉的短直鏈淀粉形成的雙螺旋，故可生成更多的直鏈淀粉，直鏈淀粉可提高淀粉分子間的運(yùn)動(dòng)速率，有利于抗性淀粉的形成，因?yàn)榭剐缘矸凼怯芍辨湹矸坌纬傻碾p螺旋，故而直鏈淀粉的含量越高抗性淀粉的含量越大。同時(shí)，玉米淀粉中的支鏈淀粉經(jīng)酸解后可更快地聚合成淀粉晶體，也有利于抗性淀粉的形成。結(jié)合以上原因，可以分析出，酸解過度，淀粉分子鏈過短，小分子運(yùn)動(dòng)過快，不利于結(jié)晶的形成，而酸解程度不夠，則無法將淀粉水解為合適的分子鏈長(zhǎng)度，不利于直鏈淀粉分子間雙螺旋結(jié)構(gòu)的生成[10]。

圖3 酸解時(shí)間對(duì)RS3產(chǎn)率的影響Fig.3 The effect of hydrolysis time on RS3 productivity

2.1.4 微波功率對(duì)RS3產(chǎn)率的影響 由圖4可以看出，抗性淀粉的產(chǎn)率隨微波功率的增加而增加。由于條件所限，本實(shí)驗(yàn)所用的微波爐最高功率只能達(dá)到850W。所以在現(xiàn)有功率范圍內(nèi)，該結(jié)論正確。微波加熱速度極快，使得物料中的水分在短時(shí)間內(nèi)迅速汽化，并在內(nèi)部積累形成壓力梯度，形成膨化效應(yīng)。同時(shí)膨化內(nèi)動(dòng)力是水蒸汽，在此過程中淀粉分子氫鍵斷開，淀粉充分糊化，淀粉粒完全破壞，同時(shí)釋放出直鏈淀粉分子，直鏈淀粉分子接觸的概率增加，有利于直鏈淀粉分子間雙螺旋結(jié)構(gòu)的形成，從而有利于抗性淀粉的形成[6]。

圖4 微波功率對(duì)RS3產(chǎn)率的影響Fig.4 The effect of the microwave efficiency on RS3 productivity

2.1.5 微波時(shí)間對(duì)RS3產(chǎn)率的影響 由圖5可以看出，在一定范圍內(nèi)，抗性淀粉產(chǎn)率隨著微波作用的時(shí)間的增加而減少。由于實(shí)驗(yàn)室提供的微波爐設(shè)置的時(shí)間最低為10s，因此在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)該結(jié)論正確。微波時(shí)間過長(zhǎng)，使淀粉分子發(fā)生過度降解，產(chǎn)生一些小分子量的短直鏈淀粉，從而影響抗性淀粉的形成。

圖5 微波時(shí)間對(duì)RS3產(chǎn)率的影響Fig.5 The effect of the microwave time on RS productivity

2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)

根據(jù)Box-Behnken設(shè)計(jì)進(jìn)行了46組實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果見表2，回歸模型及各項(xiàng)的方差分析如表3所示。

利用Design Expert軟件對(duì)表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，獲得微波-酸法制備RS3型玉米抗性淀粉編碼淀粉糊濃度、酸濃度、酸解時(shí)間、微波功率和作用時(shí)間的二次多項(xiàng)回歸方程為：RS3產(chǎn)率=12.21-0.22A-0.061B-0.057C+0.11D-1.14A2-0.60B2-0.34C2，相關(guān)系數(shù)為95.12%，說明該回歸方程具有高度的顯著性，能夠很好地描述各因素與響應(yīng)值之間的真實(shí)關(guān)系，可以利用該回歸方程確定最佳的工藝參數(shù)為：淀粉糊濃度29.1%，酸濃度1.5%，酸解時(shí)間2.4h，微波功率785.0W，微波作用時(shí)間18.0s，此時(shí)抗性淀粉的產(chǎn)率為12.3%。

表2 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Box-Behnken design and results

從該模型的方差分析表3可見，本實(shí)驗(yàn)所選用的二次多項(xiàng)模型具有極顯著性（p＜0.0001），其中極顯著的因素A、B、C、A2、B2、C2，顯著的因素為D；失擬項(xiàng)在α=0.05水平上不顯著（p=0.4325＞0.05）。其校正決定系數(shù)為91.22%，表明此模型擬合度較好，僅有8.78%不能由此模型解釋。

2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

在響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)取得的最佳工藝條件下制備的抗性淀粉的產(chǎn)率為12.2%，與回歸方程的預(yù)測(cè)值（12.3%）基本吻合，說明模型能夠較好地預(yù)測(cè)抗性淀粉的實(shí)際產(chǎn)率。

3 討論

當(dāng)?shù)矸酆凉舛仍黾拥揭欢ㄏ拗岛?，抗性淀粉的含量反而下降，這與淀粉顆粒的水化溶脹有關(guān)[11]，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與游曼潔等[12]的研究結(jié)果不同。食物中直鏈淀粉/支鏈淀粉的比率大小也對(duì)抗性淀粉的形成有顯著的影響，一般說來，比值越大，抗性淀粉含量越高，這是因?yàn)橹辨湹矸郾戎ф湹矸鄹桌匣痆13]。淀粉糊pH過低也不利于抗性淀粉的生成。因?yàn)樗釙?huì)破壞了淀粉的分子結(jié)構(gòu)，使淀粉分解為短鏈的小分子，在壓熱過程中不適合形成晶體，因而當(dāng)?shù)矸酆齪H低于4.5時(shí)對(duì)抗性淀粉的形成也不利[4]。對(duì)于酸解條件而言，酸濃度過大、酸解時(shí)間過長(zhǎng)，都會(huì)導(dǎo)致酸解過度，產(chǎn)生較小分子量的直鏈淀粉，從而不利于抗性淀粉的形成；而酸濃度過小、酸解時(shí)間過短時(shí)，酸解程度不夠，不能產(chǎn)生適合分子量的直鏈淀粉分子，從而也不利于抗性淀粉的形成。在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，微波功率增加，淀粉糊糊化完全，能產(chǎn)生更多的直鏈淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)，而微波作用時(shí)間過長(zhǎng)，糊化過度，又不利于抗性淀粉的形成。

4 結(jié)論

本文探討了酸法-微波制備RS3型玉米抗性淀粉的方法，并運(yùn)用SAS軟件和響應(yīng)面法對(duì)其工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，其優(yōu)化值為：淀粉糊濃度29.1%，酸濃度1.5%，酸解時(shí)間2.4h，微波功率785.0W，微波作用時(shí)間18.0s。按以上工藝參數(shù)制備的RS3型玉米抗性淀粉，其產(chǎn)率為12.3%。

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Optimization of parameters for preparation of maize retrograded starch by acid-microwave method

ZHANG Zhong1，XIA Dan-dan2，WANG Li2
（1.College of Chemistry and Life Science，Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China；2.College of Engineering，Anhui Science and Technology University，F(xiàn)engyang 233100，China）

Maize starch was used as raw material，and partial hydrolyzed and treated with microwave in the experiment to prepare maize retrograded starch.The processing parameters and conditions for maize resistant starch were optimized by the single-factor test and response surface methodology（RSM）.With the yield of retrograded starch as evaluation index，the optimum processing parameters were obtained：the concentration of the starch paste was 29.1%which was hydrolyzed by 1.5%HCl for 2.4h，the optimal pasting parameters with microwave were 785.0W for 18.0s.The productivity of retrograded starch reached 12.3%with the optimal processing method.

acid-microwave method；maize resistant starch；processing parameters

表3 方差分析結(jié)果Table 3 Regression variance analysis of regression coefficient

TS202.3

B

1002-0306（2014）12-0282-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.12.053

2013－09－16

張鐘（1962-），男，大學(xué)本科，教授，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品貯藏與加工。

廣東省高等學(xué)校人才引進(jìn)項(xiàng)目（201192）；廣東石油化工學(xué)院人才引進(jìn)項(xiàng)目（2010r2）。