压热法制备绿豆抗性淀粉工艺的优化*

刘以娟，杨晓惠，王芳兵，唐书泽

(暨南大学食品科学与工程系，广东广州，510632)

压热法制备绿豆抗性淀粉工艺的优化*

刘以娟，杨晓惠，王芳兵，唐书泽

(暨南大学食品科学与工程系，广东广州，510632)

研究了压热法制备绿豆抗性淀粉(MRS)的工艺参数。采用单因素实验比较了不同淀粉乳浓度、压热温度、压热时间、贮藏温度、贮藏时间对MRS得率的影响。在此基础上采用Box-Behnken的中心组合实验设计，优化MRS制备参数，建立了各因子与MRS得率关系的数学回归模型，确定了最佳的制备条件，即淀粉乳浓度为27.31%，贮藏温度为4.77℃，压热时间40 min时，MRS的产率为12.63%，与预测的理论值12.41%极为接近，与抗性淀粉含量为4.04%的绿豆原淀粉相比，MRS含量增加8.59%。

绿豆，抗性淀粉，压热处理，响应面

抗性淀粉(RS)是指健康者小肠中不被吸收的淀粉及其降解产物的总称。RS在小肠内不能被消化吸收，但在大肠中部分能被肠道微生物菌群发酵，产生多种短链脂肪酸如丁酸等［1］，刺激有益菌群生长，同时丁酸能抑制癌细胞生长［2］。RS因在预防II型糖尿病、结(直)肠癌和一些饮食相关的慢性病方面的作用比膳食纤维强［3－4］，它克服了传统膳食纤维颜色深、口感粗、风味差等缺陷，同时还保持淀粉特有的感官品质如细腻、无色、无味等［5］，而成为当今研究的热点。

RS 分为 4 种类型［6］:RS1、RS2、RS3、RS4，其中RS3对热十分稳定且抗酶解性极强，是国内外研究的重点。目前较为公认的RS3生成理论是直链淀粉的再结晶，形成双螺旋结构所致，所以可在高温湿热的条件下破坏淀粉颗粒的结构，使淀粉充分糊化，然后采取能使淀粉最大程度老化(尤其直链淀粉老化)的措施来制备RS3［7－8］。压热法就是根据此原理发展起来的，也是制备RS最普遍采用的方法，操作简单，经济性好。直链淀粉含量是决定RS得率的主要原因［9－10］，筛选直链淀粉含量高的淀粉原料制备RS已经成为研究热点。我国绿豆资源丰富，全国大部分地区均有生产。绿豆淀粉通常含有20%～30%直链淀粉，具有直链淀粉含量高、容易回生等特点［11］，因此，据RS3形成理论，绿豆淀粉是制备RS3的良好原料。实验以绿豆淀粉为原料，通过对各种压热条件的探索，提高绿豆抗性淀粉(MRS)得率。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

绿豆淀粉，衡水福桥淀粉有限公司;葡萄糖、氢氧化钾、盐酸、氯化钾、乙酸、乙酸钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠，均为分析纯，广州化学试剂公司;胃蛋白酶(P7000)，美国Sigma公司;高温α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶，丹麦Novozyme公司提供。

KDC－1042低速离心机，科大创新股份有限公司中佳分公司;EL104电子分析天平，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;YQX.SG41.280手提式压力蒸汽灭菌锅，上海华线医用核子仪器有限公司;UV－9600型紫外-可见分光光度计，北京瑞利分析仪器公司;PHS－3C数字式pH计，上海精密科学仪器有限公司;DFT－100粉碎机，浙江大德中药机械有限公司。

1.2 方法

1.2.1 抗性淀粉的制备

称取一定量的绿豆淀粉，与水以一定比例混合，经沸水浴预糊化5 min，高温高压下处理一定时间，自然冷却，在不同的贮藏温度下老化一定时间，80℃烘干，碾磨过100目筛，密闭保存。

1.2.2 抗性淀粉含量的测定

参照 Champ的测定法［12］。称取0.1 g压热处理后的淀粉于50 mL的离心管中，加入pH值为2的HCl-KCl缓冲溶液，加入200 μL胃蛋白酶溶液(l g胃蛋白酶/10 mL KCl-HCl溶液)，在37℃下水浴振荡30 min，室温冷却，调节pH值为中性，加入3 000 U/mL的耐热a-淀粉酶100 μL，置于100℃恒温振荡器中振荡30 min，取出，冷却至室温，离心(4 000 r/min，15 min)，弃去上清液，重复3次。加入3 mL KOH溶液(4 mol/L)和3 mL蒸馏水，振荡使沉淀中的抗性淀粉充分溶解，用2 mol/L的HCl中和，调节pH值为7，加入5 000 U/mL 糖化酶80 μL，60℃恒温振荡60 min，冷却，离心(4 000 r/min，15 min)，收集上清液，水洗，重复3次，合并上清液，用蒸馏水定容至50 mL，用3，5-二硝基水杨酸法测定还原糖的含量。

RS/%=0.9×(m1/m2)×25×l00

其中:m1，从葡萄糖标准曲线上找出对应的葡萄糖含量 (g);m2，淀粉样品的质量 (g);25，从50 mL葡萄糖溶液中取2 mL;0.9，葡萄糖与脱水葡萄糖基之间的换算系数。

1.2.3 单因素影响试验

以MRS得率为指标，分别以淀粉乳浓度、压热时间、压热温度、贮藏时间、贮藏温度为因素，进行单因素实验。

1.2.4 响应曲面法试验设计

根据Box-Behnken的中心组合实验设计原则，选用3因素3水平的响应面分析方法，以压热时间、淀粉浓度及贮藏温度为主要考察因素，各因素水平及编码如表1所示。

表1 响应面试验因素水平表

2 结果与分析

2.1 压热法制备MRS的单因素试验

2.1.1 淀粉乳浓度对MRS得率的影响

如图1所示，在其他条件相同的情况下，淀粉乳质量分数不同，MRS的得率也不同。淀粉乳质量分数从10%增大至40%，MRS得率呈现出先升高后降低再升高的趋势，在淀粉乳质量分数为30%时，MRS含量达最大值12.06%。

水与淀粉的比例，影响着淀粉链是否可充分伸展的空间作用。当淀粉浓度太低，水分含量过高时，虽然运动阻力很小，但伸展的淀粉分子难于相互接触，不易形成有序排列，分子之间不易缔合，则回生速度变慢。当淀粉浓度在一定范围内逐渐增大达到35%时，淀粉粒难以充分膨胀，不能将淀粉分子之间的氢键完全破坏，而且淀粉糊黏度很大，不利于直链淀粉分子相互接近、形成双螺旋和结晶［13］。如果淀粉浓度过高，由于体系中水分过少，温度过高，淀粉结晶区可能发生部分熔融，导致分子降解更为剧烈，回升时更易形成 RS［14］。

图1 淀粉乳浓度对MRS得率的影响

2.1.2 压热时间对MRS得率的影响

由下图2可见，随着压热时间的延长，开始时MRS的产率增加，至30 min时达到最高产率12.23%，再继续延长压热时间超过40 min，MRS的产率开始下降。

图2 压热时间对MRS产率的影响

在相同压热温度下，压热时间过短，淀粉糊的黏度并未达到最佳的状态，不利于直链淀粉分子接近，也可能是由于淀粉分子中的直链淀粉分子尚未完全游离出来。但继续延长时间至40 min以上时，MRS产率又开始下降，这是由于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的短直链淀粉，它们的分子运动比较强烈，扩散速度较大，较难聚集，不利于形成MRS或形成的MRS的抗酶解性也不强，从而影响了MRS产率的提高。

2.1.3 压热温度对MRS得率的影响

压热温度对MRS的产率有很大影响，高温条件比低温条件更有利于MRS的形成，在一定范围内MRS的产率随着压热温度的升高而提高。这是因为必须有足够高的、能使淀粉完全糊化的温度，使淀粉粒完全破坏，才能释放出直链淀粉分子。高糊化温度使淀粉糊的黏度与最初糊化时的黏度相比有较大幅度的降低，这使游离的直链淀粉分子更容易接近，在分子间形成氢键［15］，有利于MRS形成。此外，直链淀粉与脂类形成的直链淀粉-脂复合物在95℃左右才能解离，释放出直链淀粉分子。因此，在温度低于90℃的条件下，MRS的产率较低，当温度在90℃以上压热处理淀粉样品时，MRS产率有较明显的升高。但据资料显示，MRS在低于150℃时，随着温度的升高，MRS含量逐渐提高，在150℃时达到最高值，超过此温度后，含量反而下降。温度过高也会导致淀粉分子过度降解，使产生的淀粉聚合度太小，不利于MRS的形成［16］。

2.1.4 贮藏时间对MRS得率的影响

图4 贮藏时间对MRS得率的影响

从图4可以看出，在前24 h内，MRS得率随着贮藏时间的延长而迅速上升，且上升速度比较快，24 h后MRS得率增加不再明显，上升速度非常缓慢，曲线趋于平稳。因为MRS的形成是直链淀粉分子的重新结晶过程，直链淀粉回生过程比较短，一般在几小时至几十小时内完成。而淀粉乳在长时间的低温环境下，由于水分的析出和分子运动的减慢，使晶体的生长受到阻碍，所以，过长时间的静置并没有使得MRS含量无限增加。

2.1.5 贮藏温度对MRS得率的影响

贮藏温度影响MRS得率，如图5所示，在－18～4℃内，随着温度的升高MRS得率上升，且在4℃时达到最高值12.07%;4～40℃内，随着回生温度的升高，MRS产率迅速下降;40℃后，产率随着温度的升高逐渐上升，但是在60℃时MRS产率仍然没有4℃时的高。

图5 贮藏温度对MRS得率的影响

根据淀粉玻璃态理论，淀粉水体系只有在玻璃化转变温度Tg和熔融温度Tm之间时才能发生结晶生成RS，在晶体的熔融温度范围内，成核速率为零。当△T(△T=T－Tg)最大时，直链淀粉晶体的成核速率最高，RS的含量随着储存温度(T)的逐渐降低而增加。当降至淀粉的玻璃态转化温度Tg(约4℃)时，体系的黏度很高，晶核的增大受到限制，所以尽管有许多核的生成，但很难在晶核的基础上增长完善。晶体生长速率的情况正好相反，它随着温度的上升而增大。在低于4℃时RS得率随着温度的升高而上升，高于4℃时RS得率随着温度的降低而升高，因此4℃时RS得率最高。

2.2 响应面分析法工艺优化试验

2.2.1 模型方程的建立与显著性检验

按照Box-Behnken试验设计的统计学要求，根据试验因素和水平的要求，设计17次试验，实验结果如表2所示。

表2 响应面实验设计与结果

续表2

应用Design Expert软件，对表2中的数据进行多元回归拟合，可得压热时间A、淀粉浓度B、贮藏时间C与MRS得率之间的二次多项回归方程:Y=12.18+0.55A+0.66B+0.11C+0.44AB+0.23AC－0.15BC－0.58 A2－1.19 B2－2.25 C2。由表3可以看出，F模型 =131.95＞F0.01(9，3)，且 P＜0.000 1，表明二次多元回归模型回归效果极显著，不同处理间的差异极显著，失拟项P=0.43＞0.05不显著;该模型的决定系数为0.994 1，表明99.41%的实验数据的可变性可用此模型解释，仅有总变异的0.59%不能用此模型来解释;回归模型的拟合度良好，预测值与实验值高度相关。

表3 回归模型的方差分析

二次多项式的回归方程系数的显著性检验(表4)表明，因素A、B对响应值的线性效应极显著，因素C对响应值的线性效不显著;因素A2、B2、C2对响应值的曲面效应极显著;因素AB、AC对响应值的交互影响显著，BC对响应值的交互影响不显著;说明3个因素均不同程度的对响应值产生显著或极显著的影响，本实验设计的因素选择是成功的。

表4 二次多项式回归方程系数显著性检验

2.2.2 RS得率响应曲面的分析

根据回归方程得出不同因素的响应面分析图及相应等高线图，见图6～图8。由此可对任何2因素交互影响绿豆RS得率进行分析与评价，以确定最佳因素水平范围。

由图6可知，淀粉乳浓度与压热时间相互作用对MRS得率有极显著影响。在淀粉乳浓度不变的条件下，随着压热时间的延长，MRS得率出现上升的趋势，在淀粉乳浓度小于22.5%条件下，MRS得率变化不大。在压热时间不变的条件下，随着淀粉浓度的增加，MRS得率出现先上升后下降的趋势。图7显示，贮藏温度与压热时间相互作用对MRS得率有显著影响。在贮藏温度不变的条件下，随着压热时间的延长，MRS得率出现上升的趋势，贮藏温度在较低水平或较高水平下，MRS得率变化不大。在压热时间不变的条件下，随着贮藏温度的增加，MRS得率出现先上升后下降的趋势，在3.5℃左右达到最高值。从图8看出，淀粉乳浓度与贮藏温度相互作用对MRS得率无显著影响，在淀粉乳浓度不变的条件下，随着贮藏温度的升高，MRS得率出现先上升后下降的趋势。

在贮藏温度不变的条件下，随着淀粉浓度的增加， MRS得率出现先上升后下降的趋势。

图6 淀粉乳浓度和压热时间对MRS得率影响的响应面与等高线

图7 贮藏温度和压热时间对MRS得率影响的响应面与等高

图8 贮藏温度和淀粉乳浓度对MRS得率影响的响应面与等高线

由Design-Expert软件得到优化条件的处理，确定最优工艺参数为:淀粉乳浓度27.31%、压热时间40 min、贮藏温度4.77℃，预测值为12.41%。在相应的条件下，实验测得值为12.63%，与理论预测值的相对误差为0.22%。因此，采用响应面法优化得到的淀粉增抗最优条件符合实际。

3 结论

淀粉乳浓度，压热时间及温度，回生时间及温度在压热法制备MRS中对MRS最终产率都有显著影响。压热法制取MRS的最佳工艺参数为:淀粉乳浓度为27.31%，贮藏温度为4.77℃，压热时间40 min，MRS得率理论值为12.41%，实验值为12.63%。

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Optimization of Autoclave Processing Technology for Preparation of Mung Bean Resistant Starch

Liu Yi-juan，Yang Xiao-hui，Wang Fang-bing，Tang Shu-ze
(Department of Food Science and Engineering，Jinan University，Guangzhou 510632，China)

Autoclave processing parameters for preparing Mung bean resistant starch(MRS)were investigated.The influence of starch pastes concentration，autoclave time，autoclave temperature，storage time and storage temperature on yield was compared by single factor experiment.The mathematical model describing the relationship between the output of MRS and each factor was developed in order to optimize the autoclave processing parameters by Box-Behnken center combination experimental design.The optimum values of the above process conditions were obtained as:starch slurry 27.13%，autoclaving 40 min and storage at 4.77℃.Under such conditions，the yield of MRS was up to 12.63%，very close to the theoretical prediction value of 12.41%and increased by 8.59%compared with the content of 4.04%in the raw Mung bean starch.

mung bean，resistant starch，autoclave processing，response surface

硕士研究生(唐书泽教授为通讯作者)。

*广州市重点科技公关项目2006Z2－E0201。

2010－10－19，改回日期:2010－12－30