小麦抗性淀粉最佳制备工艺参数的研究

苑会功,王琳,庞欢,李卫华

(石河子大学农学院农学系/新疆兵团绿洲生态农业重点实验室,石河子832003)

小麦抗性淀粉最佳制备工艺参数的研究

苑会功,王琳,庞欢,李卫华

(石河子大学农学院农学系/新疆兵团绿洲生态农业重点实验室,石河子832003)

以小麦淀粉为原料,采用压热法和酸解法提取抗性淀粉,通过单因素试验对这2种方法中的影响因子进行研究,并通过正交试验确定压热法和酸解法生产小麦抗性淀粉的最佳工艺条件,为抗性淀粉工业化生产提供参考依据。结果表明:压热法中影响抗性淀粉生产的因素主次为压热温度>淀粉乳浓度>放置时间>压热时间;压热法生产小麦抗性淀粉的最佳工艺条件为淀粉乳浓度30%,120℃压热处理40 min,4℃放置24 h,小麦抗性淀粉的平均产率达7.26%;酸解法中影响抗性淀粉生产的因素主次为盐酸用量>沸水浴时间>淀粉乳浓度>酸解时间;酸解法生产小麦抗性淀粉的最佳工艺条件为盐酸用量2%,淀粉乳浓度为15%,酸解时间2 h,沸水浴时间2.5 h,小麦抗性淀粉的平均产率达7.74%。

小麦;抗性淀粉;压热法;酸解法

Abstract:In this study,wheat starch was used for the purpose of investigating resistant starch preparation technologies,which included the autoclaving method and the acid hydrolysis method.Optimal technical parameters of producing wheat resistant starch in these two methods with single factor test,and orthogonal test.The results showed that the primary and secondary sequence of influence factors in resistant starch production with autoclaving method was autoclaving temperature,starch concentration,retrogradation time and autoclaving time respectively.The optimal parameters for wheat resistant starch production were that 30%starch concentration,p H value 6.0,120℃heated temperature and last for 40 minutes,4℃placement temperature and last for 24 hours,the average yield of wheat resistant starch was 7.26%.The primary and secondary sequence of influence factors in resistant starch production with acid hydrolysis method was that acid dosage,boil treatment time,starch concentration and acid hydrolysis time.The optimal parameters for wheat resistant starch production were that,2%acid dosage,15%starch concentration,2 hours acid hydrolysis time,2.5 hours boil treatment time,4℃placement temperature and last for 24 hours,and the average yield of wheat resistant starch was 7.74%.

Key words:wheat;resistant starch;autoclaving method;acid hydrolysis method

抗性淀粉是指不被健康人体小肠所吸收的淀粉及其分解物的总称[1]。其类似于膳食纤维,具有独特的生理功能[2],其对肠道有调节和保护作用;可以控制餐后血糖,防止糖尿病;能够促进锌、钙、镁离子的吸收;还可以防止脂肪堆积。同时它还具有良好的食品加工特性[2]。

近年来,国外有关抗性淀粉的制备研究较多,一些国家已在玉米和马铃薯等抗性淀粉的制备上取得了相关专利,如美国专利US3、US729和US38及欧洲专利 EP-A-0564893和 E-A-0688872等均以高直链玉米淀粉为原料,将脱支酶作为主要手段,结合不同干燥方式制备高抗性淀粉含量的产品[3]。而我国对抗性淀粉的制备研究开展较晚,尚处于起步阶段。杨光等[4]的研究表明,在70%水份、150℃维持60 min条件下,可得到较高抗性淀粉含量。刘亚伟等[5]采用酸变性-沸水浴法制备甘薯抗性淀粉,利用酸快速水解无定型区支链淀粉,产生了更多直链淀粉,有利于淀粉老化,形成抗性淀粉,该方法制得抗性淀粉得率为13.91%。赛华丽等[6]采用酶法制备抗性淀粉,在糊化时加入耐热α-淀粉酶,然后加入普鲁兰酶进行脱支处理,通过工艺参数优化,得出在p H为 5.5,普鲁兰酶相对加入量为 1.5～2.5 NPUN/g干淀粉,60℃反应12 h条件下,小麦抗性淀粉得率为19.02%。

本研究以小麦淀粉为原料,采用压热法和酸解法制备抗性淀粉,通过单因素试验对2种方法中的影响因子进行研究,并通过正交试验确定压热法和酸解法生产小麦抗性淀粉的最佳工艺参数,以期为抗性淀粉工业化生产提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验材料与试剂

春小麦品种新春6号于2009年春种植于石河子大学农学院试验站,收获后在xjocean-017CD1磨粉机上制粉。试剂有盐酸、氢氧化钾、3,5-二硝基水杨酸等,均为分析纯。

1.1.2 仪器

SS-325高温灭菌锅、SHA-C恒温振荡器、722S分光光度计、DHG-9240AS型电热鼓风干燥箱等。

1.2 方法1.2.1 压热法

取5 g小麦淀粉,加入5～45 mL水后搅拌均匀,加热至70～120 ℃恒温保持20～90 min后取出,室温冷却,于4 ℃储藏6～48 h,烘干粉碎,过百目筛,此方法所用淀粉乳浓度、淀粉乳p H值、压热温度、压热时间、放置时间设计详见表1。

表1 压热法单因素试验的因素水平Tab.1 Factors and levels of single factorial experiment of autoclaving method

1.2.1.1 压热法单因素试验

压热法制备抗性淀粉主要影响因素有:淀粉乳质量分数、淀粉乳pH值、压热温度、压热时间、放置时间等。

1.2.1.2 压热法正交试验

在压热法单因素试验考察的基础上分别进行正交试验,对影响抗性淀粉得率的因素进行优化,按照正交试验的结果调整各个因素的具体参数。

1.2.2 酸解法

取小麦5 g淀粉,加入5～45 mL水后搅拌均匀,稀盐酸水解0.5～5 h后加碱中和,密封于沸水浴中反应0.5～5 h(此法所用酸用量、淀粉乳质量分数、酸解时间、沸水浴时间设计详见表2),室温冷却,于4 ℃储藏24 h,烘干粉碎,过百目筛。

表2 酸解法单因素试验的因素水平Tab.2 Factors and levels of single factorial experiment of acid hydrolysis method

1.2.2.1 酸解法单因素试验

酸解法制备抗性淀粉主要影响因素有:酸用量、淀粉乳质量分数、酸解时间、沸水浴时间。

1.2.2.2 酸解法正交试验

在酸解法的单因素试验考察的基础上分别进行正交试验,对影响抗性淀粉得率的因素进行优化,按照正交试验的结果调整各个因素的具体参数。

1.2.3 抗性淀粉含量测定

小麦籽粒在旋风精密粉碎机上磨粉,过80目筛。称取(100±5)mg小麦面粉,参考王琳等[7]的方法测定抗性淀粉含量。

式(1)中,A1为样品重,A2为标准葡萄糖重,0.9为淀粉与葡萄糖的转换系数,10.3为溶液总体积,W为样品干重。

2 结果与分析

2.1 压热法制备小麦抗性淀粉

2.1.1 压热法单因素试验

2.1.1.1 淀粉乳质量分数对抗性淀粉得率的影响

将小麦淀粉配制成质量分数分别为10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、50%的淀粉乳,调pH值为6.0,120℃压热处理30 min,4℃放置24 h。干燥,过筛。测各样品抗性淀粉的含量(图1)。

由图1a可以看出,在淀粉乳质量分数较低时,抗性淀粉的得率随着淀粉乳质量分数的增加而增加,当淀粉乳质量分数达30%时,抗性淀粉的得率最高为8.62%,后又随着淀粉乳质量分数的增加而降低。

2.1.1.2 淀粉乳p H值对抗性淀粉得率的影响

将淀粉配制成质量分数为30%的淀粉乳,分别调节p H 值为 5、6、7、8、9,120 ℃压热处理 30 min,4℃放置24 h。干燥,过筛。测各样品抗性淀粉的含量,结果见图1b。

由图1b可以看出,p H值在6～7时,抗性淀粉产率较高。p H值过高或过低,抗性淀粉的产率均呈下降趋势。其原因可能是在偏酸或偏碱的条件下不利于淀粉分子分子间氢键的形成。但p H值对抗性淀粉产率的影响并不显著。

图1 淀粉乳不同因素对抗性淀粉得率的影响Fig.1 Effect of different starch factors on yield of resistant starch

2.1.1.3 压热温度对抗性淀粉得率的影响

将淀粉配制成质量分数为30%淀粉乳,pH值为6.0,分别在温度为 70、80、90、100、110、120 ℃压热处理,保温30 min,4℃静置24 h,测定各样品抗性淀粉含量。试验中采用高压灭菌锅及恒温水浴锅加热,最高可达121℃。因此,在70～120℃时设置了温度梯度。不同糊化温度对抗性淀粉产率的影响见图2。

从图2a可以看出,抗性淀粉的产率随着压热温度的提高而提高,初始阶段增量明显,随着温度继续升高,其增量趋于平缓。在温度低于90℃的条件下,抗性淀粉的产率很低,在120℃以上,几乎所有的淀粉分子均从破裂的淀粉粒中游离出来。2.1.1.4 压热时间对抗性淀粉得率的影响

将淀粉配制成质量分数为30%的淀粉乳,调p H 值为 6.0,120 ℃压热处理 20、30、40、50、60、70、80、90 min,4 ℃放置24 h。烘干,过筛,测各样品抗性淀粉的含量,结果见图2b。

从图2b可以看出,随着压热时间的延长,抗性淀粉的产率增加,至40 min时达到最高产率,之后随着压热时间的延长,抗性淀粉的产率开始下降。

图2 压热不同条件对抗性淀粉得率的影响Fig.2 Effect of different autoclaving conditions on yield of resistant starch

2.1.1.5 放置时间对抗性淀粉得率的影响

将淀粉配制成质量分数为30%的淀粉乳,调p H值为6.0,120℃压热处理30 min,4℃条件下放置 2、6、12、24、36、48 h,烘干 ,过筛 ,测定各样品抗性淀粉的含量,结果见图3。

由图4可知,抗性淀粉在静置2 h时得率并不高,但在静置到6 h后,抗性淀粉得率迅速提高。在静置12～24 h,产率上升缓慢,然后随着静止时间的延长,抗性淀粉得率的增量趋于平缓。

图3 放置时间对抗性淀粉得率的影响Fig.3 Effect of different incubation time on yield of resistant starch

2.1.2 压热法正交试验

在单因素试验的基础上,采用L16(44)正交表进行4因素4水平正交试验设计(由于p H值对抗性淀粉产率的影响不是十分显著,因此没有选择p H值进行正交试验),以期获得最优组合。

试验因素与水平见表3,试验结果见表4。

表3 压热法制备小麦抗性淀粉的因素水平Tab.3 Factors and levels of autoclaving method

由表4可以看出,压热法制备抗性淀粉中各因素对结果的影响主次顺序为:压热温度>淀粉乳质量分数>放置时间>压热时间,最佳因素的组合为A3B4C2D3,即淀粉乳质量分数为30%,压热温度120℃,压热时间40 min,放置时间24 h。经过验证试验,小麦抗性淀粉的平均产率达到7.26%。

表4 L16(44)试验方案及结果分析Tab.4 L16(44)test plan and result analysis

2.2 酸解法制备抗性淀粉

2.2.1 酸解法单因素试验

2.2.1.1 酸用量对抗性淀粉得率的影响

将淀粉配制成质量分数为20%的淀粉乳,加入0.5%、1%、1.5%、2%、3%、4%、5%的稀盐酸(占淀粉干重的百分比),酸解时间2 h,沸水浴2 h,4℃放置24 h。烘干,过筛,测各样品抗性淀粉的含量,结果见图4a。

由图4a可知,随着盐酸用量的增加,抗性淀粉得率上升明显,盐酸用量为淀粉干重的1%时出现最大值,然后逐渐下降。用盐酸酸解淀粉乳液时,可引起淀粉分子糖苷键的水解,分子变小,从而有利于分子的缔合。

2.2.1.2 淀粉乳质量分数对抗性淀粉得率的影响

将小麦淀粉配制成质量分数为 5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%的淀粉乳 ,固定稀盐酸用量为淀粉质量的2%,酸解时间2 h,沸水浴2 h,4℃放置24 h。烘干,过筛,测各样品抗性淀粉的含量,结果见图4。

由图4b可以看出,淀粉乳质量分数不同,抗性淀粉得率变化明显。当淀粉乳质量分数达到10%～15%时,抗性淀粉得率最高。淀粉乳质量分数过高或过低都不利于抗性淀粉的形成。当淀粉乳质量分数适宜时,经充分糊化后,可使分子容易缔合,从而提高抗性淀粉得率。

图4 酸用量和淀粉乳浓度对抗性淀粉得率的影响Fig.4 Effect of different acid dosage and starch concentration on yield of resistant starch

2.2.1.3 酸解时间对抗性淀粉得率的影响

将淀粉配制成质量分数为20%的淀粉乳,稀盐酸用量为淀粉质量的2%,酸解处理0.5、1、1.5、2、3、4、5 h,沸水浴 2 h,4 ℃放置 24 h。烘干 ,过筛 ,测各样品抗性淀粉的含量,结果见图5a。

由图5a可知,随着酸解时间的延长,抗性淀粉得率先上升,出现最大值后逐步下降。一定的酸解时间有助于充分水解无定型淀粉,但如果酸解时间过长,淀粉分子链被水解的过短,反而了影响淀粉分子重新形成有序的排列。

2.2.1.4 沸水浴时间对抗性淀粉得率的影响

将淀粉配制成质量分数为20%的淀粉乳,稀盐酸用量为淀粉质量的2%,酸解2 h,沸水浴处理0.5、1、1.5、2、3、4、5 h,4 ℃放置 24 h。烘干 ,过筛 ,测定各样品抗性淀粉的含量,结果见图5b。

由图5b可知,随着沸水浴时间的延长,抗性淀粉得率上升,但到达一定时间后,抗性淀粉得率随着沸水浴时间的延长而下降。沸水浴时间影响着淀粉链充分伸展的程度,如果沸水浴时间过长,造成淀粉链过度断裂,短淀粉链过多,从而影响淀粉链的有序排列,不利于抗性淀粉的形成。

图5 酸解时间和沸水浴时间对抗性淀粉得率的影响Fig.5 Effect of different acid hydrolysis and boil time on yield of resistant starch

2.2.2 酸解法正交试验

在单因素试验的基础上,采用L16(44)正交表进行四因素四水平正交试验设计,以期获得最优组合。试验因素与水平见表5,试验结果见表6。

由表6可知,酸解法制备抗性淀粉中各因素对结果的影响主次顺序为:C(酸用量)>A(沸水浴时间)>D(淀粉乳质量分数)>B(酸解时间),最佳因素的组合为A2B3C3D2,即盐酸用量2%,淀粉乳质量分数为15%,酸解时间2h,沸水浴时间2.5 h。验证试验结果显示,小麦抗性淀粉的平均产率达到7.74%。

表5 酸解法制备小麦抗性淀粉的因素水平Tab.5 Factors and levels of acid hydrolysis method

3 讨论

压热法制备抗性淀粉中压热温度对抗性淀粉得率的影响最大,这是因为直链淀粉的特定部位能形成稳定的双螺旋结构从而形成对酶解具有极强抗性的抗性淀粉晶体,在人体的胃肠内不能被消化[8],所以必须在足够高的温度下,使原淀粉完全糊化,淀粉粒完全被破坏,同时释放出直链淀粉分子。此外,在淀粉分子中,直链淀粉与脂类可形成直链淀粉-脂复合物,通常只有在95℃左右才能解离[9];其次是淀粉乳质量分数对抗性淀粉得率的影响,淀粉乳质量分数过高,淀粉粒难以充分膨胀、糊化,而且淀粉糊粘度很大,不利于直链淀粉分子相互接近,形成双螺旋和结晶。淀粉乳质量分数过低,直链淀粉分子相互接近的概率减少,也不利于抗性淀粉的形成[10]。

在相同的压热温度下,压热时间过短,可能使淀粉糊的粘度并未达到最佳的状态或淀粉分子中的直链淀粉分子尚未完全游离出来,不利于抗性淀粉的形成;压热时间过长,造成淀粉分子发生过度降解,产生了一些小分子量、运动强烈、扩散速度大的短直链淀粉,较难聚集,也不利于形成抗性淀粉,从而影响了抗性淀粉产率的提高[11]。

抗性淀粉的形成是直链淀粉分子的重新结晶过程,根据结晶理论,直链淀粉结晶分2个阶段[12]即晶核形成和晶体生长阶段。晶核的形成是在较高的温度范围内进行的,当冷却到一定温度时,晶体开始生长。按结晶体成长理论,随着静置时间的延长,抗性淀粉的含量应该快速大量的增加。但淀粉糊在长时间的低温静置过程中,粘度也相应提高,使晶体的生长受到了阻碍,从而影响了抗性淀粉产量的提高。抗性淀粉形成与淀粉的老化有密切关系,一般认为p H在6～7时,淀粉老化速度较快有利于抗性淀粉产率的提高[13]。

酸解法制备抗性淀粉中酸用量对抗性淀粉得率的影响最大,用盐酸酸解淀粉乳液时,可引起淀粉分子糖苷键的水解,分子变小,有利于分子的缔合;其次是沸水浴时间对抗性淀粉得率的影响,如果沸水浴时间过长,会产生降解淀粉链的作用,造成淀粉链过度断裂,短淀粉链过多,影响淀粉链的有序排列,不利于抗性淀粉的形成[14]。

采用酸变性和水热处理相结合的方法制备抗性淀粉可以明显提高抗性淀粉得率[15]。本研究通过压热法和酸解法制备抗性淀粉的对比,证明了酸解法可以提高抗性淀粉的产率。综合生产成本、生产设备及使用寿命的条件,酸解技术具有成本低、投资少、产率高的优点,在工业化生产抗性淀粉方面具有很好的应用开发前景。

本研究利用压热法制备抗性淀粉的最佳工艺参数与李光磊等[13]和刘爱华[11]在小麦和玉米上得到的结果大致相符。酸解法制备抗性淀粉参考阮少兰等[14]在大米抗性淀粉制备上的方法,但结果不尽一致,主要是淀粉乳质量分数的差异,可能是由于小麦和大米淀粉中直/支链淀粉和抗性淀粉含量的差异所致。

4 结论

本研究采用压热法和酸解法制备小麦抗性淀粉,研究结果表明:

1)压热法制备小麦抗性淀粉的最佳工艺条件为:淀粉乳质量分数30%,120℃压热处理40 min,4℃放置24 h,小麦抗性淀粉的平均产率达到7.26%。

2)酸解法制备小麦抗性淀粉的最佳工艺条件为:盐酸用量2%,淀粉乳浓度为15%,酸解时间2 h,沸水浴时间2.5 h,小麦抗性淀粉的平均产率达到7.74%。

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Optimal T echnical Parameters of Producing Wheat Resistant Starch

YUAN Huigong,WANG Lin,PANG Huan,LI Weihua
(Department of Agronomy,College of Agriculture,Shihezi University/The Key Laboratory of Oasis Eco-agriculture of Xinjiang Production and Construction Corps,Shihezi 832003,China)

S512;TS235.1

A

1007-7383(2010)04-0397-07

2009-09-21

新疆兵团博士基金项目(ZD2007JC05)

苑会功(1983-),男,硕士生,专业方向为小麦遗传育种和品质生理;e-mail:yuanhuigong@163.com。

李卫华(1968-),女,副教授,从事小麦遗传育种和品质生理研究;e-mail:lwh_agr@shzu.edu.cn。