郝征紅，張炳文*，郭珊珊，臧慶佳，于 輝

（1.山東農(nóng)業(yè)工程學院食品科學與工程系，山東 濟南 250100；2.濟南大學食品科學與營養(yǎng)系，山東 濟南 250002；3.煙臺雙塔食品股份有限公司，山東 煙臺 265404）

超微粉碎-微波聯(lián)用技術制備綠豆抗性淀粉條件優(yōu)化

郝征紅1，張炳文2,*，郭珊珊2，臧慶佳3，于 輝1

（1.山東農(nóng)業(yè)工程學院食品科學與工程系，山東 濟南 250100；2.濟南大學食品科學與營養(yǎng)系，山東 濟南 250002；3.煙臺雙塔食品股份有限公司，山東 煙臺 265404）

為提高抗性淀粉的制備得率，以綠豆淀粉為材料，使用振動式超微粉碎技術處理綠豆淀粉，通過測定抗性淀粉含量，確定最佳超微粉碎時間為20 min；以微波糊化替代傳統(tǒng)濕熱糊化工藝，在單因素試驗的基礎上，采用Box-Behnken模型研究淀粉乳質量分數(shù)、微波功率、微波時間對抗性淀粉含量的影響，確定微波糊化提高抗性淀粉含量的最佳工藝條件為淀粉乳質量分數(shù)10.2%、微波功率670 W、微波時間4.3 min，此條件下抗性淀粉含量為32.80%，研究可為綠豆抗性淀粉的工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

超微粉碎；微波技術；綠豆淀粉；抗性淀粉

抗性淀粉作為低熱量組分存在在食物中，可起到與膳食纖維相似的生理功能，引起生理學家和營養(yǎng)學家的廣泛關注，成為食品營養(yǎng)學與食品工程學的一個研究熱點，抗性淀粉的生理功效主要有防治便秘與腸癌、痔瘡，降低血脂、預防脂肪肝，特別對糖尿病和結腸癌具有明顯的預防和輔助治療效果，在減肥食品中亦具有很重要的價值[1-4]。目前，制備抗性淀粉的常用原料為玉米淀粉、木薯淀粉、馬鈴薯淀粉等，工藝一般采用各種酶解、壓熱處理等方法[5-8]。綠豆淀粉是制作龍口粉絲等中國傳統(tǒng)淀粉回生制品的良好原料，其淀粉糊透明度和凝膠性好、凝沉性強、熱穩(wěn)定性高，是制備抗性淀粉最佳原料之一[9-11]。

超微粉碎技術可使淀粉顆粒的大小、形貌產(chǎn)生改變，淀粉分子的聚合度、分子鏈長度、相對分子質量分布等結構發(fā)生變化，從而導致淀粉的分散性、溶解度、直支鏈淀粉含量、糊化及老化等理化性質相應發(fā)生變化[12-15]。微波技術利用在淀粉糊化工藝中，可使淀粉顆粒的微觀結構與分子結構發(fā)生改變，從而導致淀粉性質的改變[16]，李曉璽等[17]以高直鏈玉米淀粉作為實驗對象，研究了不同的微波條件對抗性淀粉含量的影響，連喜軍等[18]研究發(fā)現(xiàn)微波功率和處理時間對馬鈴薯抗性淀粉產(chǎn)率有影響。

本研究利用振動式超微粉碎技術處理綠豆淀粉，聯(lián)用微波糊化淀粉工藝，優(yōu)化提高綠豆抗性淀粉含量的工藝條件，為綠豆抗性淀粉的生產(chǎn)技術提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

綠豆淀粉（淀粉含量87.8%、水分含量11.2%） 煙臺雙塔食品股份有限公司；胃蛋白酶（1 000 U/mg） 美國Sigma公司；耐高溫α-淀粉酶（50 000 U/mL）、葡萄糖淀粉酶（10 000 U/g） 山東安克生物工程有限公司；無水乙醇、鹽酸、氯化鉀、氫氧化鉀、3,5-二硝基水楊酸（3,5-dinitrosalicylic acid，DNS）、酒石酸鉀鈉（均為分析純） 天津博迪化工股份有限公司。

1.2 儀器與設備

WZJ-6J型振動式超微粉碎機以及冷凍循環(huán)設備濟南倍力粉體技術工程有限公司；TU-1810PC型紫外-可見分光光度計 北京普析通用儀器有限公司；AL104型電子分析天平 梅特勒-托利多（上海）儀器有限公司；16M高速臺式離心機 湖南湘儀儀器有限公司；SKY-110X型振蕩器 上海蘇坤實業(yè)有限公司；GZX-9146MBE鼓風干燥箱 上海博迅實業(yè)有限公司；XOSM200超聲波微波組合反應設備（配有回流冷卻水系統(tǒng)和磁力攪拌器） 南京先歐儀器制造有限公司；BCD-183FH冰箱 青島海信集團有限公司。

1.3 方法

1.3.1 綠豆淀粉超微粉的制備

將綠豆淀粉放入振動式超微粉碎機中（循環(huán)冷卻溫度－20 ℃、振動振幅5 mm）進行粉碎，分別獲得粉碎10、20、30、40、50 min的淀粉樣品。

1.3.2 超微粉碎處理時間對抗性淀粉形成的影響

取不同超微粉碎時間處理的綠豆淀粉樣品，制成質量分數(shù)7%的淀粉乳溶液，密封后放入超聲波微波組合反應設備（配有回流冷卻水系統(tǒng)和磁力攪拌器）中，微波功率650 W糊化處理5 min，不間斷攪拌，然后放入4 ℃冰箱老化處理24 h，80 ℃烘干，粉碎后測定其抗性淀粉的含量。

1.3.3 抗性淀粉含量的測定

采用耐高溫α-淀粉酶法測定：稱取一定量試樣，加入HCl-KCl緩沖溶液，加入胃蛋白酶，37 ℃保持16 h（不斷振蕩），調(diào)整pH值后，加入磷酸鹽緩沖溶液和耐高溫α-淀粉酶，100 ℃恒溫保持30 min（不斷振蕩），冷卻，調(diào)整pH值后，加入葡萄糖淀粉酶，60 ℃保溫1 h（不斷振蕩），冷卻，加入4 倍體積95%乙醇，混合均勻，離心30min（4 000r/min），棄去上清液，醇洗重復3次，將沉淀物溶解于4mol/L KOH溶液中，用HCl溶液中和，加入葡萄糖淀粉酶，60 ℃恒溫1 h（不斷振蕩），離心30 min（4 000 r/min），收集上清液。對沉淀物至少水洗3 次，離心后合并上清液，用水定容至50 mL。用DNS法測定還原糖含量，乘以0.9，即為抗性淀粉含量[19]。

1.3.4 超微粉碎-微波聯(lián)用方法制備抗性淀粉條件優(yōu)化

1.3.4.1 單因素試驗

1）淀粉乳質量分數(shù)：分別配制質量分數(shù)5.0%、10.0%、15.0%、20.0%的淀粉乳，微波功率為650 W，不斷攪拌，微波處理時間為6 min，于4 ℃冰箱中冷藏24 h，然后置于鼓風干燥箱中80 ℃烘干，粉碎，測定抗性淀粉的含量。2）微波時間：微波時間分別為2、4、6、8 min，淀粉乳質量分數(shù)10.0%、微波功率650 W，其他操作條件不變，烘干粉碎，測定抗性淀粉的含量。3）微波功率：淀粉乳質量分數(shù)為10.0%，微波功率分別為500、600、700、800 W，不斷攪拌，微波處理時間為4 min，其他操作條件不變，烘干粉碎，測定抗性淀粉的含量。

1.3.4.2 響應面試驗

在單因素試驗的基礎上，應用Box-Behnken方法進行三因素三水平試驗設計，以淀粉乳質量分數(shù)、微波功率、微波時間為試驗因素，以抗性淀粉含量為響應值，設計響應面分析試驗。因素水平與編碼見表1。

表1 響應面試驗因素與水平Table 1 Factors and levels used in Box-Behnken experimental design

2 結果與分析

2.1 超微粉碎處理時間對抗性淀粉形成的影響

圖1 超微粉碎處理時間對抗性淀粉形成的影響Fig.1 Effect of superfine grinding time on the content of resistant starch in mung bean starch

由圖1可以看出，超微粉碎處理時間在0～20 min范圍內(nèi)，隨著超微粉碎時間的延長其形成抗性淀粉的量逐漸增加；但是在處理時間30～50 min范圍內(nèi)，隨著處理時間的延長，其形成抗性淀粉的量逐漸降低。分析原因可能與超微粉碎處理改變了綠豆淀粉中直鏈淀粉-支鏈淀粉的比例、凝沉性及淀粉顆粒等有關。Moraes等[20]在木薯淀粉的粉碎實驗中也發(fā)現(xiàn)，支鏈淀粉比直鏈淀粉更容易被物理破碎，粉碎處理可將支鏈淀粉的分枝切下，直鏈淀粉和中間級分的量增加。分子鏈段短的直鏈淀粉在糊化后淀粉糊中由于運動比較強烈、擴散速度較快，較難聚集，分子鏈段長的直鏈淀粉在糊化后淀粉糊中由于分子間斥力較大，也難聚集，分子鏈段適中的直鏈淀粉更容易回生形成抗性淀粉[21]。所以適度減小綠豆原淀粉中的直鏈淀粉分子鏈段，有利于抗性淀粉的形成。但是過度的超微粉碎，又可使直鏈淀粉的分子鏈段進一步減小，難以形成直鏈淀粉雙螺旋，反而使抗性淀粉產(chǎn)率下降。選擇超微處理20 min的綠豆淀粉樣品進行進一步的微波工藝參數(shù)的優(yōu)化。

2.2 微波工藝單因素試驗

在一定的溫度和水分條件下，將淀粉進行微波處理，能夠導致淀粉顆粒膨脹，分子間氫鍵斷裂，淀粉糊化，相鄰的直鏈淀粉分子在冷卻過程中能形成大量氫鍵，氫鍵雙螺化形成晶體，即淀粉發(fā)生老化產(chǎn)生抗性[22]。

2.2.1 淀粉乳質量分數(shù)對抗性淀粉含量的影響

圖2 淀粉乳質量分數(shù)對抗性淀粉含量的影響Fig.2 Effect of starch concentration on the content of resistant starch in mung bean starch

如圖2所示，隨淀粉乳質量分數(shù)的增加，抗性淀粉的含量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，當?shù)矸廴橘|量分數(shù)為10.0%時，抗性淀粉含量最高，為27.0%。有研究[22]表明，淀粉乳質量分數(shù)高，淀粉粒難以充分膨脹、糊化，而且淀粉糊黏度相對較大，不利于直鏈淀粉分子相互靠近，形成有序排列和結晶；而淀粉乳質量分數(shù)過低時，在冷卻回生過程中，直鏈淀粉分子相互接近的概率減少，不能有效地形成雙螺旋結構，導致抗性淀粉含量降低。

2.2.2 微波時間對抗性淀粉含量的影響

如圖3所示，一定范圍內(nèi)延長微波時間，抗性淀粉含量呈增長趨勢，當微波加熱4 min時，抗性淀粉含量最高，繼續(xù)加熱抗性淀粉含量降低。這是因為微波時間過短，淀粉乳糊化不完全，不利于抗性淀粉的形成，微波時間過長，淀粉分子發(fā)生了不利于抗性淀粉形成的變化，如淀粉分子發(fā)生過度降解，產(chǎn)生了大量小分子或短鏈分子，這些小分子對抗性淀粉的形成沒有任何促進作用，Bello-Perez等[23]分別用微波處理淀粉試樣35、50s和70s，發(fā)現(xiàn)淀粉發(fā)生了降解。如果繼續(xù)延長時間，淀粉甚至會降解成低聚糖和葡萄糖[24]。另外，隨著時間的延長，部分水分發(fā)生揮發(fā)使得淀粉乳質量分數(shù)升高，也不利于抗性淀粉的形成。

圖3 微波時間對抗性淀粉含量的影響Fig.3 Effect of microwave irradiation time on the content of resistant starch in mung bean starch

2.2.3 微波功率對抗性淀粉含量的影響

圖4 微波功率對抗性淀粉含量的影響Fig.4 Effect of microwave irradiation power on the content of resistant starch in mung bean starch

如圖4所示，隨微波功率的增加，抗性淀粉的含量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，當微波功率為700 W時，抗性淀粉含量最高，為29.0%，當微波功率繼續(xù)增加，抗性淀粉含量降低。有研究[25]表明，微波輻射會造成支鏈淀粉的部分斷裂，直鏈淀粉含量增多，但是隨著功率的增大和處理時間的延長，一些直鏈淀粉會進一步降解, 使鏈長變短，適度的降解有利于抗性淀粉的形成，過度的降解則影響抗性淀粉的形成。

2.3 響應面優(yōu)化試驗

利用Design-Expert 8.0.5設計三因素三水平試驗，采用Box-Behnken試驗設計，共17 個試驗，其中12 個析因試驗、5 個中心試驗，中心點重復試驗用來估計試驗誤差，試驗設計方案與結果見表2。對表2數(shù)據(jù)進行回歸分析，得回歸模型方差分析表（表3）、回歸方程系數(shù)顯著性檢驗分析表（表4）和響應面圖（圖5）。

表2 響應面試驗設計與結果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

表3 回歸模型方差分析表Table 3 Analysis of variance for regression model

表4 回歸方程系數(shù)的顯著性檢驗分析表Table 4 Significance test of regression model

由表3可知，模型P＜0.000 1，表明回歸方程達到極其顯著水平；失擬項P=0.258 9＞0.05，模型失擬不顯著；模型的校正決定系數(shù)R2Adj=0.943 2，表明該模型能解釋94.32%的響應值變化；決定系數(shù)R2=0.974 7，表示抗性淀粉含量的實測值與預測值之間有較好的擬合度，綜上所述，此模型可用于超微粉碎-微波聯(lián)用方法制備抗性淀粉條件的分析和預測。

由表4可知，模型的一次項中微波功率對試驗結果影響極顯著，淀粉乳質量分數(shù)對試驗結果影響顯著，二次項中淀粉乳質量分數(shù)、微波功率和微波時間的偏回歸系數(shù)極顯著，去掉不顯著因素，得到二次多元回歸模型：Y=32.89+0.60A－1.24B－4.56A2－1.31B2－1.54C2。

由Design-Expert軟件對二次多元回歸模型進行優(yōu)化處理，得到最優(yōu)試驗方案為：淀粉乳質量分數(shù)10.22%、微波功率671.7 W、微波時間4.31 min。此條件下抗性淀粉的含量為33.47%，為檢驗上述條件的可靠性，同時考慮到可操作性，將條件調(diào)整為淀粉乳質量分數(shù)10.2%、微波功率670 W、微波時間4.3 min，重復3 次實驗，測得抗性淀粉含量為32.80%，與理論值的相對相差為2.0%，說明該模型與實際情況擬合較好，結果可靠，具有參考價值。

響應面圖的陡峭和平緩程度以及等高線的形狀也可以反映出該因素對測定結果的影響大小，若為較平緩的等高線曲線，說明該因素對試驗結果的影響較??；若為較陡峭的等高線曲線，說明該因素對試驗結果的影響較大[6]。故由圖5可以看出，模型中淀粉乳質量分數(shù)對抗性淀粉含量的影響作用次于微波功率，最后是微波時間的影響。

圖5 兩兩因素交互作用的響應面圖Fig.5 Response surface plots for the effects of three experimental conditions on the content of resistant starch in mung bean starch

3 結 論

在糊化、老化工藝過程與參數(shù)一致的前提下，經(jīng)適度振動式超微粉碎處理后的綠豆淀粉，有利于抗性淀粉的形成，選擇最佳超微粉碎處理時間為20 min。

淀粉乳質量分數(shù)、微波功率以及微波時間對抗性淀粉的形成具有顯著影響，在單因素試驗的基礎上，采用響應面法獲得微波糊化提高抗性淀粉含量的最佳工藝條件為淀粉乳質量分數(shù)10.2%、微波功率670W、微波時間4.3 min，此條件下抗性淀粉含量為32.80%，本實驗為綠豆抗性淀粉的工業(yè)化生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

[1] 李敏, 楊曉光, 樸建華. 抗性淀粉生理功能的研究進展[J]. 衛(wèi)生研究, 2008, 37(5): 640-643.

[2] FUENTES-ZARAGOZA E, RIQUELME-NAVARRETE M J, SANCHEZ-ZAPATA E, et al. Resistant starch as functional ingredient: a review[J]. Food Research International, 2010, 43(4): 931-942.

[3] 于淼, 鄔應龍. 甘薯抗性淀粉對高脂血癥大鼠降脂利肝作用研究[J].食品科學, 2012, 33(1): 244-247.

[4] 馮鑠涵, 騫宇, 張璐, 等. 抗性淀粉種類對大鼠腸道代謝產(chǎn)物和血脂的影響[J]. 食品科學, 2012, 33(19): 289-294.

[5] 連喜軍, 楊美靜, 鄭紹達. 多種酶法處理提高馬鈴薯回生抗性淀粉制備率[J]. 糧食與油脂, 2010(3): 42-47.

[6] 薛慧, 閆慶祥, 蔣盛軍, 等. 鮮木薯抗性淀粉的制備與性質[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2013, 29(7): 284-292.

[7] 林楊, 趙新淮. 酶法制備抗性淀粉新工藝的研究[J]. 食品工業(yè)科技, 2009, 30(3): 258-259.

[8] MILASINOVIC M S, RADOSAVLJEVIC M M, DOKIC L P. Effects of autoclaving and pullulanase debranching on the resistant starch yield of normal maize starch[J]. Journal of the Serbian Chemical Society, 2010, 75(4): 449-458.

[9] 林偉靜, 曾志紅, 鐘葵, 等. 不同品種綠豆的淀粉品質特性研究[J].中國糧油學報, 2012, 27(7): 47-50.

[10] TAN Hongzhuo, LI Zaigui, TAN Bin. Starch noodles: history, classification, materials, processing, structure, nutrition, quality evaluating and improving[J]. Food Research International, 2009, 42(5/6): 551-576.

[11] 洪雁, 顧正彪. 粉絲用淀粉的結構和性質研究[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè), 2006, 32(1): 28-32.

[12] TAMAKI S, HISMATSU M, TERANISHI K, et al. Structural change of maize starch granules by ball-milltreatment[J]. Starch, 1998, 50(8): 342-348.

[13] LIU Tianyi, MA Ying, YU Shifeng, et al. The effect of ball-milling treatment on structure and porosity of maize starch granule[J]. Innovative Food and Emerging Technologies, 2011, 12(4): 586-593.

[14] 胡飛, 陳玲. 微細化馬鈴薯淀粉顆粒的表觀形態(tài)及分子鏈變化的研究[J]. 化學通報, 2003, 66(1): 1-5.

[15] 劉成梅, 王振興, 劉偉. 機械法制備超微大米淀粉的研究[J]. 食品科學, 2008, 29(10): 243-247.

[16] 原沙沙, 謝巖黎, 王金水. 微波對淀粉特性影響的研究進展[J]. 食品科技, 2011, 36(7): 242-247.

[17] 李曉璽, 陳玲, 鄒芳建, 等. 微波對高鏈玉米淀粉顆?？瓜阅艿挠绊慬J]. 食品科學, 2007, 28(10): 105-108.

[18] 連喜軍, 羅慶豐, 沈水芳, 等. 微波對馬鈴薯回生抗性淀粉生成的作用[J]. 農(nóng)產(chǎn)品加工: 學刊, 2009, 187(10): 97-98.

[19] 楊光, 丁霄霖. 抗性淀粉定量測定方法的研究[J]. 中國糧油學報, 2002, 17(3): 59-62.

[20] MORAES J, ALVES F S, FRANCO C M L. Effect of ball milling on structural and physicochemical characteristics of cassava and Peruvian carrot starches[J]. Starch, 2013, 65(3): 200-209.

[21] 徐紅華, 徐丹鴻. 淀粉平均聚合度對抗性淀粉得率影響的研究[J].食品科學, 2006, 27(12): 204-207.

[22] 游曼潔, 劉欣, 趙力超, 等. 酸解-微波法制備慈姑抗性淀粉的研究[J].食品工業(yè)科技, 2009, 30(12): 262-264.

[23] BELLO-PEREZ L A, COLONNA P, ROGER P, et al. Structural properties of starches dissolved by microwave heating[J]. Starch, 1998, 50: 137-141.

[24] 楊光, 丁霄霖. 微波輻射對抗性淀粉形成的影響[J]. 食品科學, 2008, 29(10): 118-120.

[25] 寧芯, 程學勛, 趙思明, 等. 微波對大米淀粉物化特性的影響[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學學報, 2009, 28(3): 369-372.

Optimization of Preparation of Resistant Starch from Mung Bean by Superfine Grinding-Coupled with Microwave Irradiation

HAO Zheng-hong1, ZHANG Bing-wen2,*, GUO Shan-shan2, ZANG Qing-jia3, YU Hui1
(1. Department of Food Science and Engineering, Shandong Agricultural and Engineering University, Jinan 250100, China; 2. Department of Food Science and Nutrition, University of Jinan, Jinan 250002, China; 3. Yantai Shuangta Food Co. Ltd., Yantai 265404, China)

To improve the content of resistant starch, mung bean starch was processed by vibrating superfine pulverization. The optimum pulverization time was 20 min for increased resistant starch content. In this study, a microwave-assisted procedure for starch gelatinization was employed instead of the conventional wet heat treatment. The effects of starch concentration, microwave power and irradiation time on resistant starch yield were investigated by combined use of single factor and Box-Behnken experimental designs. It showed that the optimum technological conditions for microwave gelatinization were 670 W for 4.3 min at a starch concentration of 10.2%, and the yield of resistant starch was 32.80% under these conditions. These results can provide an experimental basis for the industrial production of resistant starch from mung bean.

superfine grinding; microwave irradiation; mung bean starch; resistant starch

TS255.1

A

1002-6630（2014）24-0069-05

10.7506/spkx1002-6630-201424013

2014-06-26

山東省科技攻關項目（2011YD10011）；濟南市科技發(fā)展計劃項目（201202057）

郝征紅（1971—），女，副教授，碩士，主要從事農(nóng)產(chǎn)品品質研究與開發(fā)。E-mail：zhenghao227@163.com

*通信作者：張炳文（1970—），男，教授，碩士，主要從事食品營養(yǎng)與產(chǎn)品開發(fā)研究。E-mail：zbw217@163.com