馬林元，李 璐，孫洪蕊，劉香英，田志剛，康立寧

（1.吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，吉林長(zhǎng)春 130033；2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130118）

0 引言

紫薯別名黑薯，屬甘薯屬，紫薯肉顏色為深紫色，含有豐富的營養(yǎng)成分，對(duì)人體具有多種功效，如抗腫瘤、防衰老、治療和預(yù)防心血管疾病[1-3]，深受人們的喜愛。

抗性淀粉是淀粉經(jīng)糊化、脫支、老化后形成的淀粉，同時(shí)也是一種不能夠被人體消化酶所消化的淀粉[4]，具有預(yù)防胃腸疾病、降低血糖反應(yīng)、促進(jìn)無機(jī)鹽吸收和促進(jìn)腸道有益菌群繁殖的作用[5]，加入到食品中基本不會(huì)影響食品的感官品質(zhì)，所以廣泛應(yīng)用于保健食品領(lǐng)域[6-7]。

當(dāng)前，紫薯的功能僅僅限于直接食用，其深加工制品十分少見，從而限制了紫薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。將紫薯進(jìn)行深加工，可以延長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)鏈、提高附加值，同時(shí)可為消費(fèi)者提供更豐富的食品種類，提高營養(yǎng)和健康水平[8-9]。紫薯淀粉的直鏈淀粉含量、糊化的溫度和熱穩(wěn)定性都較其他種類淀粉相比更高更強(qiáng)[10]。Miles M J等人[11]通過對(duì)淀粉的相關(guān)研究表明，淀粉中的直鏈淀粉含量越高，越容易發(fā)生老化回生現(xiàn)象，越容易形成抗性淀粉，這為制備紫薯抗性淀粉提供了理論依據(jù)。

以紫薯淀粉為原料，利用壓熱法制備紫薯抗性淀粉，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行正交優(yōu)化，得到最佳的制備工藝條件。為今后制備紫薯抗性淀粉更加深入的研究提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫薯淀粉，上海即通國際貿(mào)易有限公司提供；α-淀粉酶，西安天利生物科技有限公司提供；葡萄糖苷酶，山東德順生物科技有限公司提供；葡萄糖、磷酸二氫氨、乙醇、氫氧化鉀、檸檬酸、鹽酸，均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

T6型紫外分光光度計(jì)，上海譜元儀器股份有限公司產(chǎn)品；CG-32L型高壓蒸汽滅菌鍋，山東博科生物產(chǎn)業(yè)有限公司產(chǎn)品；GZX-9340 MGE型數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱，蘇州澳爾利烘箱電熱設(shè)備制造有限公司產(chǎn)品；SIGMA 300型掃描電子顯微鏡，荷蘭Philips-FEI公司產(chǎn)品；Brucker AXS型X-射線衍射儀，德國BRUKER公司產(chǎn)品；HS-DSC-101型差示掃描量熱儀，上海和晟儀器科技有限公司產(chǎn)品；AVATAR360型傅立葉紅外光譜儀，美國Nicolet Instrument Corporation公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 紫薯抗性淀粉的制備

取適量的紫薯淀粉并加入蒸餾水，配置成一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的紫薯淀粉溶液，放入高壓滅菌鍋中，在一定溫度一定時(shí)間下進(jìn)行壓熱處理。取出后于65℃條件下干燥16 h，粉碎，過100目篩。

1.3.2 抗性淀粉含量的測(cè)定

稱取1 g紫薯抗性淀粉，加入20 mL pH值為6磷酸鹽緩沖液，加入1 mL耐熱α-淀粉酶溶液，100℃下振蕩30 min，用檸檬酸緩沖液調(diào)節(jié)pH值至4.0～4.5，加入1 mL淀粉葡萄糖苷酶，于60℃條件下振蕩60 min，以轉(zhuǎn)速5 000 r/min離心5min，棄去上清液，用蒸餾水洗滌沉淀2～3次；將所得沉淀溶于5 mL 4 mol/L氫氧化鉀溶液，于100℃條件下振蕩30 min；加入 2 mol/L HCl調(diào)節(jié) pH 值為 4.0～4.5，加入1 mL淀粉葡萄糖苷酶，于60℃條件下振蕩60 min；再次離心，取上清液，蒸餾水洗滌沉淀，收集上清液，容量瓶定容至100 mL，利用DNS法測(cè)定葡萄糖的含量，所測(cè)結(jié)果乘0.9即為抗性淀粉得率。

1.3.3 制備紫薯抗性淀粉的工藝優(yōu)化

（1）單因素試驗(yàn)。①紫薯淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。分別配置紫薯淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，25%，30%，35%，40%的溶液，放入高壓滅菌鍋中，于120℃條件下壓熱處理30 min，取出后冷卻至室溫，于4℃條件下儲(chǔ)存24 h，取出烘干粉碎?？疾榈矸廴榈馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)紫薯抗性淀粉得率的影響。②壓熱時(shí)間。配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%的紫薯淀粉溶液，于120℃條件下分別處理10，20，30，40，50 min，取出冷卻至室溫，然后放入4℃中儲(chǔ)存24 h，取出后烘干粉碎。考查壓熱的時(shí)間對(duì)紫薯抗性淀粉得率的影響。③壓熱溫度。配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%紫薯淀粉溶液，于105，110，115，120，125℃條件下分別處理30 min，取出冷卻至室溫，然后放入4℃中儲(chǔ)存24 h，取出后烘干粉碎，考查反應(yīng)溫度對(duì)紫薯抗性淀粉得率的影響。

（2）正交試驗(yàn)。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以紫薯淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、壓熱時(shí)間及壓熱溫度為正交試驗(yàn)因素，紫薯抗性淀粉得率為指標(biāo)，確定三因素三水平的正交試驗(yàn)，確定制備紫薯抗性淀粉的最佳工藝條件。

正交因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 正交因素與水平設(shè)計(jì)

2 結(jié)果與分析

2.1 淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)制備紫薯抗性淀粉得率的影響

紫薯淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)抗性淀粉得率的影響見圖1。

由圖1可知，隨著淀粉乳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，抗性淀粉得率呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)，當(dāng)乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到35%時(shí)，抗性淀粉得率達(dá)到8.17%為最大值。當(dāng)乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低時(shí)淀粉中的直鏈淀粉之間不能相互靠近，分子間難以形成氫鍵。當(dāng)乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時(shí)，淀粉中水分含量較少，淀粉顆粒不能完全膨脹和糊化，難以形成穩(wěn)定雙螺旋結(jié)構(gòu)，不利于抗性淀粉的形成[12]。

2.2 壓熱時(shí)間對(duì)制備紫薯抗性淀粉得率的影響

壓熱時(shí)間對(duì)抗性淀粉得率的影響見圖2。

由圖2可知，隨著壓熱時(shí)間的延長(zhǎng)，抗性淀粉得率呈先增加后下降的趨勢(shì)。當(dāng)壓熱時(shí)間為30 min時(shí)，抗性淀粉得率最高為8.57%。當(dāng)壓熱時(shí)間從10 min上升到30 min時(shí)，紫薯淀粉中直鏈淀粉的含量逐漸升高，有利于分子間氫鍵的形成，所以抗性淀粉得率也會(huì)逐漸升高，壓熱時(shí)間達(dá)到30 min時(shí)抗性淀粉得率達(dá)到最大值；大于30min時(shí)，淀粉分子會(huì)被過度分解，分子結(jié)構(gòu)會(huì)被破壞，抗性淀粉便不利于形成[13]。

2.3 壓熱溫度對(duì)制備紫薯抗性淀粉得率的影響

壓熱溫度對(duì)抗性淀粉得率的影響見圖3。

由圖3可知，抗性淀粉得率呈現(xiàn)先升高在降低的趨勢(shì)，這是因?yàn)閴簾釡囟仍谥饾u升高。當(dāng)壓熱溫度為120℃時(shí)，抗性淀粉得率達(dá)到最大值8.44%，已知紫薯淀粉的糊化溫度為67～87℃[14]，所以當(dāng)壓熱溫度達(dá)到120℃時(shí)就已糊化完全；壓熱溫度大于120℃時(shí)紫薯淀粉會(huì)過度糊化，二級(jí)螺旋結(jié)構(gòu)遭到破壞，形成分子量較小的直鏈淀粉，不利于抗性淀粉的形成[15]，所以隨著溫度的升高，抗性淀粉得率呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。

2.4 抗性淀粉最佳工藝的正交試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果

正交試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表2可知，影響抗性淀粉得率的因素主次順序?yàn)锳＞B＞C，即紫薯淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞壓熱時(shí)間＞壓熱溫度，獲得抗性淀粉得率的最佳組合為A2B3C1，即最佳工藝條件為紫薯淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%，壓熱時(shí)間40 min，壓熱溫度115℃。在此條件下抗性淀粉得率為9.15%。

2.5 原淀粉和紫薯抗性淀粉顆粒形態(tài)的觀察

原淀粉和紫薯抗性淀粉的電鏡掃描圖見圖4。

由圖4可以看出，紫薯原淀粉顆粒（a）表面光滑，呈球形、卵形或橢圓形，形狀較規(guī)則，表面光滑緊致，無瑕疵和缺痕。而通過壓熱法（b）制備的抗性淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)不完整，失去了淀粉的原有形態(tài)，且粒徑變大，原有的球形、卵形和橢圓形消失，顆粒形態(tài)嚴(yán)重破壞，呈不規(guī)則形狀，表面粗糙且有明顯的深度不等的溝壑狀，這是因?yàn)樵诘矸垲w粒老化過程中直鏈淀粉重新排列，形成了新的晶體。顆粒外表的變化可以直觀地反映出淀粉顆粒受濕熱處理的情況[16]。分析認(rèn)為淀粉形成抗性淀粉過程中會(huì)經(jīng)歷糊化和老化等過程，改變?cè)械念w粒形態(tài)[17-18]。壓熱使淀粉發(fā)生糊化和膨脹，直鏈淀粉分解使淀粉顆粒遭到破壞，經(jīng)歷老化和冷卻后，淀粉短分子鏈會(huì)相互靠近并重新排列，形成新的不規(guī)則晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致淀粉顆粒形態(tài)發(fā)生改變。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.6 紫薯原淀粉和抗性淀粉的熱力學(xué)分析

淀粉分子鏈之間相互作用會(huì)影響淀粉的熱特性，同時(shí)淀粉的顆粒直徑的大小及直鏈淀粉含量也會(huì)對(duì)淀粉顆粒的熱特性造成影響。

熱力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 熱力學(xué)參數(shù)

紫薯抗性淀粉較原淀粉相比，To，Tp，Tc，Tc-To都有一定程度的提高，To上升了47.05℃，Tp上升了27.53℃，Tc上升了66.75℃。在糊化過程中伴隨著晶體結(jié)構(gòu)和雙螺旋結(jié)構(gòu)的變化，糊化使晶體結(jié)構(gòu)消失，也會(huì)使原來存在的雙螺旋結(jié)構(gòu)破壞，糊化溫度就是結(jié)晶程度的體現(xiàn)。Tp越高說明晶體結(jié)構(gòu)越完整，破壞時(shí)需要的能量越大。破壞雙螺旋結(jié)構(gòu)所需的能量則用熱焓值來表示，ΔH越高說明雙螺旋結(jié)構(gòu)越緊致，達(dá)到熔融態(tài)時(shí)需要的能量越多。淀粉無定型區(qū)的不同，會(huì)使淀粉物態(tài)改變時(shí)的起始溫度、峰值溫度和終止溫度都發(fā)生對(duì)應(yīng)的變化。紫薯原淀粉經(jīng)過糊化后支鏈淀粉會(huì)變短，同時(shí)在老化過程中淀粉分子間會(huì)相互結(jié)合，淀粉內(nèi)部的雙螺旋結(jié)構(gòu)也會(huì)變得更加緊密，形成新的晶體，新的晶體較原來的結(jié)構(gòu)更加緊致，相應(yīng)的To，Tp，Tc，ΔH更高，這樣抗性淀粉的熱穩(wěn)定性就會(huì)變得更強(qiáng)。

2.7 原淀粉和紫薯抗性淀粉的結(jié)晶性分析

淀粉顆粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)有4種類型，分別是A，B，C，V型。不同晶型的淀粉都會(huì)具有相應(yīng)明顯的特征峰，A型的強(qiáng)峰是在2θ角分別為15.01，17.12，18.24，23.03°處；B型的強(qiáng)峰在2θ角分別為5.6，17，22，24°處，C型是A型和B型的綜合，但其與A型相比2θ角為5.61°處有一個(gè)中強(qiáng)峰，干燥過程可能會(huì)使這個(gè)峰消失，與B型相比其2θ角為23°顯示的是一個(gè)單峰；V型的峰出現(xiàn)在2θ角為12.5°和19.5°[19-20]。

原淀粉和紫薯抗性淀粉的X-射線衍射圖譜見圖5。

紫薯原淀粉在衍射角2θ為15.096 7，17.154 9，19.671 8，22.291°的衍射峰強(qiáng)度較大，在2θ角為25.181°和28.364°處存在中強(qiáng)峰，這是典型的C型晶體，結(jié)構(gòu)中同時(shí)存在A型晶體和B型晶體。掃描結(jié)果與Luis F P等人[21]研究相一致。而紫薯抗性淀粉2θ角為17.203°時(shí)存在較強(qiáng)的單吸收衍射峰，且2θ角為25.37°附近處出現(xiàn)了肩峰，而晶體的抗性與抗消化特性是成正比的，這屬于典型的B型晶體結(jié)構(gòu)。紫薯原淀粉在經(jīng)過壓熱處理后，形成抗性淀粉，晶體由C型轉(zhuǎn)變?yōu)榱薆型，沒有A型晶體特征存在。

2.8 原淀粉和紫薯抗性淀粉的紅外光譜分析

植物淀粉顆粒以半晶態(tài)的形式存在，分為結(jié)晶區(qū)和無定型區(qū)。傅里葉紅外圖譜的衰減全反射和透射模式對(duì)淀粉分子的螺旋結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度及分子鏈的改變十分敏感。

原淀粉和紫薯抗性淀粉的紅外圖譜見圖6。

由圖6可知，在壓熱法制備的紫薯抗性淀粉分別在3 380，3 433 cm-1出現(xiàn)0-H伸縮振動(dòng)吸收峰，在3 076，3 090 cm-1處出現(xiàn)C-H的伸縮振動(dòng)吸收峰，而C=O不對(duì)稱的伸縮振動(dòng)吸收峰分別出現(xiàn)在了1 593，1 585 cm-1處。有研究報(bào)道，一般在1 047 cm-1處會(huì)出現(xiàn)淀粉結(jié)晶區(qū)的紅外吸收峰結(jié)構(gòu)特征，而無定型區(qū)的結(jié)構(gòu)特征的紅外吸收峰一般出現(xiàn)在1 022 cm-1處，兩者的比值可反應(yīng)淀粉顆粒的結(jié)晶程度，其強(qiáng)度用 R1047/1022值來表示[22]。1 022 cm-1和 995 cm-1的R1022/995值可反映出淀粉顆粒雙螺旋結(jié)構(gòu)的程度。紫薯原淀粉和紫薯抗性淀粉的R1047/1022值分別為0.636，0.741，R1022/995值分別為1.031，1.053?？剐缘矸鄣腞1047/1022值和R1022/995值都較原淀粉有所升高，這說明抗性淀粉的結(jié)晶程度和雙螺旋結(jié)構(gòu)的含量都較原淀粉有所升高，表明構(gòu)成抗性淀粉的分子鏈規(guī)則有序。淀粉在進(jìn)行壓熱處理的過程中淀粉原有的結(jié)構(gòu)遭到了破壞，所以紫薯原淀粉的R1047/1022值和R1022/995值較抗性淀粉小，并在老化的過程中形成了雙螺旋結(jié)構(gòu)更為緊密的晶體[23]，在紫薯淀粉制備紫薯抗性淀粉的過程中基團(tuán)及特征吸收峰都未發(fā)生變化。

3 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，紫薯淀粉底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%，115℃下壓熱處理40 min。在此條件下抗性淀粉得率為9.15%。影響抗性淀粉含量的因素主次為A＞B＞C，即紫薯淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞壓熱時(shí)間＞壓熱溫度，并且抗性淀粉得率的最佳組合為A2B3C1。紫薯原淀粉顆粒利用掃描電鏡觀察后發(fā)現(xiàn)，顆粒呈球形、卵形或橢圓形，表面光滑，經(jīng)壓熱法制備的抗性淀粉顆粒變大，原有的形狀消失，形成有溝壑狀表面粗糙的顆粒；利用差示掃描量熱儀測(cè)得的紫薯抗性淀粉熱力學(xué)參數(shù)較原淀粉都有所升高，熱穩(wěn)定性增強(qiáng)；利用X-射線衍射儀測(cè)得淀粉的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，由原淀粉的C型晶體轉(zhuǎn)變?yōu)榱丝剐缘矸鄣腂型晶體；利用紅外光譜儀分析紫薯抗性淀粉的官能團(tuán)特征吸收峰基本沒有發(fā)生變化，原有基團(tuán)也未發(fā)生變化，也沒有新的基團(tuán)出現(xiàn)。