抗消化性甘薯淀粉磷酸双酯制备工艺的优化

李光磊 崔世锋 庞玲玲 孙俊良

(河南科技学院食品学院，新乡 453003)

随着社会经济的迅速发展，糖尿病已成为对人类健康损害最大、耗费社会医疗资源最多的慢性病之一［1］。流行病学调查发现饮食过于精细而膳食纤维摄入不足是造成糖尿病的直接或间接原因［2］。但强化膳食纤维食品因有不良气味、结构粗糙、口感差等弊端而对消费人群缺乏吸引力，其推广工作遭遇瓶颈。抗消化淀粉具有不能被人体消化道内淀粉酶降解消化吸收，但能够被结肠中的微生物所酵解的特性，具有调节血糖、防范心脑血管疾病、预防结肠癌、直肠癌的作用，作为一种新型的低热量功能性食品基料，目前已成为功能食品研究的热点［3－5］。Denise等［6］研究发现，高抗消化淀粉饮食可明显降低餐后血糖、胰岛素反应，增加胰岛素敏感性，这对Ⅱ型糖尿病患者可起延缓餐后血糖上升，控制糖尿病病情的作用。

淀粉磷酸酯是将淀粉经磷酸化处理而获得的一种淀粉衍生物。淀粉磷酸酯有单酯和双酯2种类型，一般采用正磷酸盐、三聚磷酸盐和偏磷酸盐等来制备。从淀粉酯的制备及应用历史看，具有商业价值的淀粉酯是具有溶胶稳定性且价格低廉的产品［7－8］。以三偏磷酸钠为原料制备的二淀粉磷酸酯产品具有较高的食用安全性，联合国粮农组织和世界卫生组织认为可以食用且无需制定ADI值，目前已被我国列入食品添加剂范畴(GB2760—2011)［9］。Chung 等［10］、李晓玺等［11］研究表明，淀粉磷酸双酯具有一定的抗消化性能。

目前，淀粉磷酸双酯的制备工艺研究主要集中在制备条件对淀粉取代度或黏度的影响上［12－13］，对淀粉磷酸双酯的抗消化性能关注较少，本试验在单因素试验的基础上，利用响应面分析法以淀粉抗消化性为考察因素对三偏磷酸钠制备甘薯淀粉淀粉磷酸双酯的工艺条件进行优化，以期为抗消化性甘薯淀粉磷酸双酯的工业化生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

甘薯淀粉:河南省和寨村农业发展有限公司;高温α－淀粉酶、葡萄糖淀粉酶:郑州福源生物科技有限公司;三偏磷酸钠、尿素、盐酸、氢氧化钠等均为分析纯。

1.2 仪器与设备

Q200差示扫描量热仪:美国 TA公司;Starch-Master快速黏度分析仪:澳大利亚新港科学仪器有限公司;7200型可见光光度计:尤尼柯仪器有限公司;BS124S电子天平:北京赛多利斯仪器系统有限公司;202－2型干燥箱:上海一恒科技有限公司;SHA－B恒温振荡器:常州国华电器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 甘薯淀粉磷酸双酯的制备

按照Sitohy的方法［14］改进:取一定量的甘薯淀粉，加入一定量的三偏磷酸钠、氯化钠、氢氧化钠、水，恒温40℃，连续搅拌，反应2 h，然后将pH值调至6.5左右。经4次水洗、离心(3 000 r/min，30 min)后，烘干(40 ℃)，粉碎，过筛(80目)。

1.3.2 淀粉抗消化性测定

参照 Goni I.法，做了适当改进，具体步骤如下［15］:

称取一定量淀粉试样，加入KCl－HCl缓冲液，调pH 1.5，加入胃蛋白酶溶液，40℃恒温60 min，冷却至室温，用2 mol/L HCl和0.5 mol/L的NaOH调pH至6.0～7.0，加入耐热 α－淀粉酶溶液，90 ℃恒温30 min，冷却，调pH至4.75，加入葡萄糖淀粉酶溶液，60℃恒温60 min，冷却，离心，弃去上清液。将沉淀物完全溶解于4 mol/L KOH溶液中，用2 mol/L HCl溶液中和，加入葡萄糖淀粉酶溶液，60℃恒温60 min，冷却，离心，收集上清液，用蒸馏水定容至100 mL，用3，5－二硝基水杨酸法测还原糖，乘以0.9，即为抗消化淀粉含量。淀粉抗消化性按下式计算:

1.3.3 单因素试验

采用单因素试验分别研究三偏磷酸钠添加量(以甘薯淀粉计)、pH、酯化温度和酯化时间4个反应因素对甘薯淀粉磷酸双酯淀粉抗消化性的影响，每个因素分别设5个水平，每个处理重复3次，取平均值。

1.3.4 响应面试验

应用 Design－Expert(version 7.1.3)软件，对四因素三水平的响应面试验进行设计，以淀粉抗消化性为响应值，以三偏磷酸钠(STMP)添加量、pH、酯化温度和酯化时间为对响应值影响的4个因素进行分析［16］，分别以x代表，每一个自变量的低、中、高试验水平分别以－1、0、1进行编码(见表1)。

表1 响应面分析因素与水平

模型通过小二乘法拟合二次多项方程式可以表达为:

式中:Y 为响应值;b0、bn、bnn、bnm为方程系数;xn、xm(n≠m)为自变量编码值。多项式模型方程拟合的性质由确定系数R2表达，其统计学上的显著性由F值检验，采用 Design － Expert(version 7.1.3)软件进行方差分析。

1.3.5 差示扫描量热分析

准确称取一定量的淀粉试样于铝坩埚中，用微量进样器加入一定量的纯水，混匀，使淀粉乳的浓度达到30%左右。坩埚加盖密封后，于室温下平衡24 h，以空坩埚为参比，从45℃升温至190℃，升温速率为10℃/min。

1.3.6 甘薯淀粉磷酸双酯粘度曲线测定

准确称取2 g甘薯淀粉样品(含水量以14%计)，加入25 mL蒸馏水，混合于RVA专用铝盒内，调成一定浓度的淀粉乳，采用升温－降温循环:保持30℃ 1 min;4.75 min内加热到95℃;保持在95℃3.5 min，在4.9 min内降到40 ℃;然后保持在40 ℃2 min，测得淀粉糊黏度曲线。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

按1.3.3试验方法，除研究对象外，固定其余因素水平为三偏磷酸钠3%、pH 9、酯化温度40℃以及酯化时间2 h，得到单因素试验结果(见表2)。

表2 单因素试验结果

由表2可以看出，随着三偏磷酸钠添加量的增加，甘薯淀粉磷酸双酯的淀粉抗消化性随之增加，三偏磷酸钠添加量超过3%时(以甘薯淀粉计)其抗消化性增速变缓;反应pH值为10时其淀粉抗消化性最高;随着反应温度和时间的增加，其淀粉抗消化性也增加，反应温度达到40℃、反应时间达到3 h时，淀粉抗消化性增速变缓。根据单因素试验结果，综合考虑淀粉抗消化性和经济成本，选择STMP添加量3%、pH 10、反应温度40℃、反应时间3 h为响应面试验自变量因素的中间试验水平。

2.2 甘薯淀粉磷酸双酯制备工艺回归模型的建立

按照Box－Behnken的中心组合试验设计方案进行四因素三水平试验，每个处理测定3次，取平均值。试验设计与结果见表3。制备工艺的数学模型进行方差分析，方差分析结果见表4。

表3 响应面试验设计与结果

表4 回归模型方差分析

方差分析中失拟项F值2.04意味着回归方程失拟检验不显著，说明未知因素对试验结果干扰很小。模型F值4.13说明回归方程是极显著的(P＜0.01)，相关系数 R2=0.920 7，说明响应值(淀粉抗消化性)的变化有92.07%来源于所选变量，即STMP、pH值、酯化温度以及酯化时间。因此，回归方程对试验拟合情况好，试验误差小，可以较好的描述各因素与响应值之间的真实关系，可以利用该回归方程代替实验真实点对实验结果进行分析。

2.3 响应面图绘制

根据回归方程，采用Design－Expert软件作出各因素对淀粉抗消化性影响的响应面图和等值线图，图1直观反映了/STMP添加量与pH值的交互作用对淀粉抗消化性的影响，图2反映了酯化时间与pH值的交互作用对淀粉抗消化性的影响。

图1 STMP添加量和pH对淀粉抗消化性的影响

将所得的试验数据采用Design Expert软件进行多元回归拟合，得到以淀粉抗消化性为目标函数的二次回归方程:

方程中各项系数绝对值的大小直接反映了各因素对指标值的影响程度，系数的正负反映了影响的方向。由回归方程可知，pH值和酯化时间对甘薯淀粉磷酸双酯的淀粉抗消化性影响最大。

为了检验方程的有效性，对甘薯淀粉磷酸双酯

图2 酯化时间和pH对淀粉抗消化性的影响

由图1可以看出，当酯化温度位于中心水平40℃，酯化时间3 h时，STMP添加量和pH的交互作用显著，且在2%～3.5%范围内(以甘薯淀粉计)，随着STMP添加量的增加样品淀粉抗消化性也随着增加，当STMP添加量过高时淀粉抗消化性会下降。由图2可知，酯化pH值沿坡面上升级，坡面陡，酯化时间沿坡面上升缓慢，坡面缓，说明酯化pH值比酯化时间对反映值影响更显著。

2.4 抗消化性甘薯淀粉磷酸双酯制备工艺的确定和试验验证

在选取的各因素范围内，根据回归模型通过Design Expert软件分析得出，抗消化性甘薯淀粉磷酸双酯最佳制备工艺为:三偏磷酸钠添加量3.6%(以甘薯淀粉计)，pH 10.5，酯化反应温度50℃，酯化时间2.1 h。

为了证实预测的结果，用试验中得到的最佳制备工艺条件重复试验3次，平均淀粉抗消化性为(58.73 ±0.04)%，与预测值58.89%基本一致，说明该方程与实际情况拟合很好，充分验证了所建模型的正确性。

2.5 差示扫描量热分析

按1.3.5方法分别测定甘薯淀粉、甘薯淀粉磷酸双酯以及甘薯回生淀粉差示扫描量热特性，结果见图3和表5。

图3 甘薯淀粉磷酸双酯DSC扫描曲线

表5 甘薯淀粉磷酸双酯DSC测定结果

由图3和表5可以看出，甘薯原淀粉在75℃左右有一较小吸热峰，甘薯回生淀粉(RS100%)在160℃左右有一较大吸热峰，甘薯淀粉磷酸双酯DSC扫描曲线与甘薯原淀粉大致相同，只是随着淀粉抗消化性的增加，其糊化温度降低，糊化更加容易。

2.6 甘薯淀粉磷酸双酯RVA特性分析

甘薯淀粉磷酸双酯RVA糊化图谱见图4。

图4 甘薯淀粉磷酸双酯RVA糊化图谱

从图3可知，甘薯磷酸双酯随着其抗消化性增加，峰值黏度和起始糊化温度均有所降低，但与甘薯回生淀粉(RS100%)相比仍有较高的黏度。因此甘薯磷酸双酯不仅具有较高的抗消化能力，而且与回生淀粉相比更方便在食品中应用。

3 结论

通过Box－Behnken中心组合试验设计和响应面分析优化了抗消化性甘薯淀粉磷酸双酯制备工艺条件:三偏磷酸钠添加量3.6%(以甘薯淀粉计)，pH 10.5，酯化反应温度50℃，酯化时间2.1 h。在此工艺条件下制备的甘薯淀粉磷酸双酯其淀粉抗消化性为(58.73±0.04)%。DSC测定结果表明甘薯淀粉磷酸双酯DSC扫描曲线与甘薯原淀粉大致相同，且随着淀粉抗消化性的增加，其糊化温度和糊化焓降低。RVA糊化图谱说明甘薯磷酸双酯随着其抗消化性增加，峰值黏度和起始糊化温度均稍有降低。因此，甘薯淀粉磷酸双酯一方面具有较高的抗消化能力，另一方面仍具有与甘薯原淀粉相似的糊化特性。

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