抗性糊精滚子加热制备工艺的研究

黄继红，杨铭乾，游倩倩，苏雪锋，冯军伟，王 文

（1.河南工业大学 生物工程学院，河南 郑州 450001；2.郑州市中食农产品加工研究院，河南 郑州 450001）

0 前言

淀粉作为一种重要的原料，被人们广泛用于工业生产和食品加工，随着科学研究的深入，各种各样淀粉深加工产物得到了人们的广泛接受和应用.抗性糊精，一种膳食纤维[1]，淀粉深加工产物的重要成员，深受人们喜欢.膳食纤维被称为人体健康所必需的第七大营养元素[2]，不仅可以用作食品添加剂，同时，也作为一种保健食品，用于治疗高血糖，调节血脂，肠道益生，防御肥胖，有益于维持人们的身体健康[3-6].

抗性糊精的发展起源于20 世纪80 年代的日本[7]，我国在1995 年之后也开始对其研究.2012年，我国卫生部公布抗性糊精为新资源食品.到目前为止，抗性糊精的制备方法各种各样，如寇秀颖等[8]采用化学改性和高温焙烤的方法进行抗性糊精的制备，吴胜旭等[9]采用微波法进行制备等，但抗性糊精含量较低或反应不均匀等问题的存在，制约了其发展.作者采用滚子加热，即在密闭的滚子中将酸处理过的淀粉进行高温热解，密闭高温产生高压环境[10]，克服了传统工艺的反应不均的问题，同时也有效地提高了产物中抗性糊精的含量.

1 材料与方法

1.1 材料

玉米淀粉（含水14.29%）：成武大地玉米开发有限公司；浓HCl、Na2HPO4·12H2O、KH2PO4、四水酒石酸钾钠、NaOH、Na2SO3、95%的乙醇、苯酚、3，5-二硝基水杨酸均为化学纯；耐高温α-淀粉酶（6 000 u/mL）：财鑫集团；糖化酶（3 300 u/mL）：北京奥博星生物技术有限责任公司；活性炭：重庆飞洋活性炭制造有限公司.

1.2 试验设备

SHA-C数显水浴恒温振荡器：金坛华峰仪器有限公司；723N可见分光光度计：上海精密科学仪器有限公司；雷磁pH计PHS-3E：上海精密科学仪器有限公司；湘仪离心机TDZ5-WS多管架自动平衡离心机：河南湘仪实验室仪器开发有限公司；SHB-Ⅲ型循环水式多用真空泵：郑州国瑞仪器有限公司；FA12048电子天平：上海精密科学仪器有限公司；GZX-GF-MBS-I型电热恒温鼓风干燥机：上海一恒科学仪器有限公司；CRL-BX3型便携式滚子加热炉：青岛百瑞达石油机械制造有限公司.

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程

玉米淀粉→预干燥→喷酸→再干燥→高温热解→乳化→耐高温α-淀粉酶液化→糖化酶糖化→灭酶→脱色→离心→抽滤→醇沉→离心→干燥→成品.

通过预试验，表明以酸热处理的方法制备抗性糊精过程中，盐酸的添加量、滚子加热温度、滚子加热时间及耐高温α-淀粉酶的添加量是影响抗性糊精含量的主要因素，并设计单因素及响应面试验以确定抗性糊精制备的最佳条件.

1.3.2 抗性糊精含量的检测[4]

精确称量经过干燥的样品0.25 g，加入0.05 mol/L、pH 6.0 的磷酸缓冲液50 mL 溶解，加入1 mL 耐高温α-淀粉酶（60 u/mL），在95 ℃下酶解30 min；然后冷却至室温，调pH 为4.5，加糖化酶（100 u/mL）1 mL，在60 ℃下反应30 min，升温至90 ℃灭酶并定容至250 mL，最后用DNS 试剂测还原糖的含量，样品中抗性糊精的含量的计算公式为：

抗性糊精含量（%）=100-还原糖的含量（%）×0.9.

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 加酸量对抗性糊精含量的影响

准确称取一定量的玉米淀粉样品，预干燥后，分别按2%、4%、6%、8%、10%的量喷洒浓度为1%的盐酸，并与淀粉混合均匀；再次干燥之后，用滚子加热炉将处理的样品在170 ℃下密闭高温滚子加热1.5 h；然后经调乳，调pH 6.0，分别加入0.04%耐高温α-淀粉酶，95 ℃高温酶解0.5 h；再调pH 4.5，60 ℃二次酶解0.5 h；再经灭酶、脱色、离心、抽滤、醇沉、干燥即得产品，产品按1.3.2 中所示方法进行检测，结果见图1.

图1 加酸量对抗性糊精含量的影响

图1 表明，随着盐酸量的增加，抗性糊精的含量也在增加；但是，加酸量的提高，也使得抗性糊精的颜色不断加深，并且，其口感风味也越来越差，使得后期的处理更加复杂，因此综合考虑各种影响，确定盐酸的最佳添加量为8%.

2.1.2 滚子加热温度对抗性糊精含量的影响

依据工艺流程，依次控制加酸量为8%，滚子加热时间为1.5 h，耐高温α-淀粉酶添加量为0.04%，分别控制滚子加热温度依次为150 ℃、160℃、170 ℃、180 ℃、190 ℃，其他操作与2.1.1 相同，检测并得到相应结果如图2 所示.

图2 滚子加热温度对抗性糊精含量的影响

由图2 可知，随着温度的升高，抗性糊精的含量逐渐升高，且在180 ℃之后，抗性糊精含量增长加剧，当温度超过200 ℃时，密闭条件下，淀粉可能出现焦化熔融的现象，考虑到抗性糊精的品质问题，确定最适热处理温度为170 ℃.

2.1.3 滚子加热时间对抗性糊精含量的影响

依据工艺流程，控制加酸量为8%，滚子加热温度为170 ℃，加酶量为0.04%，按滚子加热时间分别为0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h 进行抗性糊精的制备，其他操作同2.1.1，检测结果如图3 所示.

图3 滚子加热时间对抗性糊精含量的影响

由图3 可以看出，1.5 h 之前，随着滚子加热时间的加长，抗性糊精的含量快速增加；当1.5 h之后，抗性糊精的含量变化逐渐趋于平缓，由此可知，在酸热环境下，淀粉的裂解重聚反应基本完成，且考虑到能耗问题，确定滚子加热时间最佳为1.5 h .

2.1.4 耐高温α-淀粉酶的添加量对抗性糊精含量的影响

同样，依据工艺流程，调节加酸量为8%，滚子加热温度为170 ℃，滚子加热时间为1.5 h，并分别按0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%的量加入耐高温α-淀粉酶，按2.1.1 所述操作，检测结果如图4 所示.

由图4 可知，当耐高温α-淀粉酶的添加量小于0.04%时，抗性糊精的含量随着酶添加量的增加而增加，而酶添加量高于0.04%时，抗性糊精的含量变化渐渐趋于平缓，而为了使酶解更为完全，确定最佳酶添加量为0.04%.

图4 加酶量对抗性糊精含量的影响

2.2 响应面试验

根据单因素试验选择试验条件进行响应面试验，利用 Design-Expert 8.0.6 软件进行 Box-Behnken 试验设计，各因素与水平见表1，每个因素3 个水平，中心点有5 个重复.

表1 响应面试验因素与水平

Box-Behnken 试验结果见表2.

以抗性糊精的含量为响应面指标，利用Design-Expert 8.0.6 软件对表2 中的数据进行二次多元回归拟合，得到加酸量（X1）、温度（X2）、时间（X3）和加酶量（X4）对抗性糊精的含量（R1）影响的预测方程如下：

响应值二次模型的方差分析及显著性如表3所示.

由表3 可以看出，模型P＜0.000 1，模型极显著.失拟项P=0.075 5＞0.05 不显著，因此二次模型成立，应用此模型可以分析和预测利用滚子热裂解制备抗性糊精的工艺优化.其中一次项X1、X2、X3、X4极显著，二次项X42极显著，X32显著，交互项都不显著.所以，可以看出加酸量、温度、时间及加酶量对抗性糊精含量的影响都极为显著，而各因素之间的交互作用对抗性糊精含量的影响并不明显.

表2 响应面试验设计及结果

表3 响应值二次模型的方差分析

图5 清晰地反映各两两因素交互作用对响应值抗性糊精含量的影响，根据长轴边指向的因素对响应值的影响大于短轴边指向的因素，可以看出各因素对响应值影响的大小顺序为X2＞X1＞X4＞X3，即温度＞加酸量＞加酶量＞时间.

利用Design-Expert 8.0.6 软件，对抗性糊精含量的二次多项式模型进行解逆矩阵[11]，求得4 个因素的最佳工艺参数为加酸量8%、加热温度178.78℃、加热时间2 h、加酶量0.05%，在此条件下抗性糊精含量的最大预测值为84.63%，该组合并不符合响应面方案中的任一组合.但从试验操作的方便和效益考虑，对工艺参数修正为加酸量8%、加热温度180 ℃、加热时间1.5 h、加酶量0.04%，在此条件下抗性糊精的含量为83.97%，实际值与预测值基本相符，表明模型建立合理，预测结果较为准确，此最优工艺条件具有可行性.

图5 各因素交互作用影响的响应曲面和等高线

3 结论

通过单因素优化试验可知，盐酸的添加量和滚子加热处理温度是影响抗性糊精含量的重要因素，而滚子加热时间和酶添加量仅在较小的范围内对抗性糊精的含量有影响，当超出一定范围，该影响将会减小，直至趋近于零.因此，在不影响抗性糊精质量和能耗最少的条件下，应尽可能地提高盐酸的添加量和滚子加热处理温度.通过响应面及实际试验验证，最终确定制备抗性糊精的最佳工艺条件为加酸量为8%，滚子加热温度为180 ℃，加热时间为1.5 h，酶添加量为0.04%，得到抗性糊精的含量为83.97%.

尽管此工艺条件相比于传统的制备工艺很大程度地提高了抗性糊精的含量，滚子加热处理淀粉原料在抗性糊精的制备中有很好的应用前景，但样品的进一步提纯，如脱色除杂等处理还需进一步研究.

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