微波湿热-循环冷冻对小麦淀粉结晶特性的影响

谢岩黎 南永远 郝振宇

(河南工业大学粮油食品学院，郑州 450001)

微波湿热-循环冷冻对小麦淀粉结晶特性的影响

谢岩黎 南永远 郝振宇

(河南工业大学粮油食品学院，郑州 450001)

以小麦淀粉为原料，采用微波湿热-循环冷冻的方法制备抗性淀粉。利用扫描电镜(SEM)、红外光谱仪(IR)、X-衍射仪、差式扫描量热仪(DSC)研究了抗性淀粉的颗粒形貌、结晶结构、热力学性质。试验结果表明：在淀粉乳质量分数25%，微波功率700 W，微波时间2 min，循环冻融6次(-18 ℃冷冻4 h，解冻1 h为1次冻融处理)，抗性淀粉得率为15.85%。扫描电镜显示抗性淀粉由原来光滑球形变为表面粗糙的不规则片层结构；X-射线衍射图谱显示抗性淀粉的结晶结构由原淀粉的A型转变为更加稳定的B+V型；红外图谱表明(1 045/1 022) cm-1峰强度比值增大，抗性淀粉颗粒内有序度增加；DSC图谱表明在115 ℃由于直链淀粉晶体熔融时吸热而造成1个较大的吸热峰，其热焓值为2 231 J/g，与原淀粉相比明显增大，表明抗性淀粉因直链淀粉重结晶形成，淀粉抗酶解作用增强。

抗性淀粉 微波 反复冻融 DSC X-射线衍射 结晶

抗性淀粉是指在健康者小肠中不被消化和吸收的淀粉及其降解产物的总和，却能在大肠中被发酵或部分发酵，生成短链的脂肪酸[1-2]。其在控制体重、防治Ⅱ型糖尿病和一些肠道疾病、促进脂质代谢等方面有着重要作用[3-4]。抗性淀粉作为一类新型的功能性食品配料，其制备及应用成为近年来食品科学领域研究的热点[5]。其中RS3型淀粉是抗性淀粉中最重要的一类淀粉，其具有可再生、易于控制、高温条件下稳定等优点，是最具有工业化生产和应用前景的。RS3型抗性淀粉的形成机理是糊化后的淀粉颗粒，在冷却过程中形成重结晶，这些重结晶区的存在不仅使得淀粉酶不能够和区域内部的α-1,4葡萄糖苷键发生作用，而且也阻碍了淀粉酶活性中心部位与淀粉分子发生相互结合，使其产生抗酶解性[6-8]。

目前，制备RS3型抗性淀粉的方法主要有湿热处理法、酶脱支法、微波辐射法、挤压法、超声波处理法等。这些制备方法对RS3型淀粉的结晶性质都有不同的影响。不同淀粉的种类和湿热处理条件对淀粉晶型的影响不同。湿热处理使马铃薯淀粉和山药淀粉从A型转变成B型[9]，而其他的研究报道表明，湿热处理没有改变木薯、谷物淀粉的晶型结构[10]。微波处理后莲子淀粉的晶型从C型转变为B型。淀粉的晶型的转变只与淀粉的回生方式有关。试验以小麦淀粉为原料，通过微波湿热处理和反复冻融，研究制备淀粉的结晶性质，为研究加工条件对淀粉消化特性和营养特性提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

小麦淀粉：实验室自制；耐高温α-淀粉酶、胃蛋白酶、葡萄糖淀粉酶：上海源叶生物科技有限公司；葡萄糖：天津市瑞金特化学品有限公司；3,5-二硝基水杨酸：国药集团化学试剂有限公司；其他化学试剂均为分析纯。

1.2 主要仪器与设备

格兰仕微波炉：广东格兰仕电器厂；101型电热鼓风干燥箱：北京市永光明医疗仪器厂；Quanta 200环境扫描电镜：美国FEI公司；E-1010离子溅射仪：日立有限公司；X’Pert PRO：荷兰 PANalytical；K20差式扫描量热仪：美国TA公司。

1.3 试验方法

1.3.1 抗性淀粉的含量测定

采用TSA法[11-12]并做一定修改，测定抗性淀粉含量，具体操作步骤：精准称取样品2.000 g，添加HCI-KCI溶液15 mL(pH 2.0～4.0)，添加一定量的胃蛋白酶于40 ℃恒温振荡水浴锅中振荡1 h；反应结束后取出，冷却至室温，调整pH至6.0～6.2，加入过量的耐高温α-淀粉酶，95 ℃恒温水浴中水浴振荡30 min；待样品重新冷却至室温后，调节溶液的pH值为4.5，加入适量的葡萄糖淀粉酶，放入58 ℃恒温振荡器中振荡1 h；向其中添加4倍体积的95%乙醇，在4 000 r/min条件下离心15 min；倒掉上清液，沉淀醇洗3遍；用4 mol/L KOH溶解沉淀，调节 pH至4.5，加入过量葡萄糖淀粉酶，58 ℃恒温水浴水解1 h并不断振荡；水浴加热，不断搅拌使沉淀全部溶解，4 000 r/min离心15 min，把上清液倒入容量瓶中，用蒸馏水洗涤沉淀3次；合并上清液，用蒸馏水定容至100 mL。通过DNS法测定上清液中还原糖的含量，并用下列公式计算RS的得率。测定重复3次，取平均值。

抗性淀粉得率=还原糖质量分数×0.9

式中：C为标准曲线测得的还原糖质量/mg；V为提取液的总体积/mL；m为抗性淀粉制备品的质量/g；V1为DNS测还原糖所用体积/mL。

1.3.2 抗性淀粉制备工艺

首先配制成一定质量分数的淀粉乳，调节微波作用的功率和时间对淀粉乳进行微波处理，待其冷却至室温后对其进行反复冻融处理(在-18 ℃冷冻室中冻结4 h，融解1 h为1次冻融处理)，在60 ℃条件下烘干，粉碎并过100目筛，得小麦抗性淀粉制备品。

1.3.3 小麦抗性淀粉制备工艺优化

选择淀粉乳质量分数、微波作用功率、微波作用时间、反复冻融次数4个因素，以小麦抗性淀粉的得率为考察指标，利用正交表L9(34)对微波-反复冻融工艺进行优化，试验因素水平设计见表1。

表1 正交试验因素水平表

1.3.4 淀粉颗粒扫描电镜

用SEM扫描经过干燥并过200目筛的小麦淀粉和纯RS3，首先把处理过的样品用导电胶粘在样品座上，用洗耳球吹去未黏附的样品(目的是使样品尽可能分布均匀且稀薄，便于观察样品的表观形态)，利用离子溅射仪对样品进行喷金处理，在不同放大倍数下观察样品的表观形态并拍摄具有代表性的照片。

1.3.5 X-射线衍射分析

小麦淀粉和纯RS3过200目筛后进行X-衍射分析，取少量样品，置于样品盘中，用玻片将样品粉末压实铺平，形成一个平面，把样品盘放到X-射线衍射仪的样品测试台上进行测试。测试条件为：电压40 kV，电流40 mA，衍射角(2θ)扫描范围5°～40°，扫描速度2(°)/min[13]。

1.3.6 差示扫描量热仪分析

称取约2.5 mg淀粉放入铝钳锅中，用微量进样器向坩埚中加入一定量的蒸馏水(淀粉∶水=1∶2m/m)，对其进行压盖密封处理，室温条件下静置平衡24 h，测试条件：温度范围30～180 ℃，升温速率10 ℃/min，液态氮冷却，空铝盒作参比[14]。

2 结果和分析

2.1 正交试验结果分析

表2和表3分别为正交试验的直观分析和方差分析的结果。由表2的极差分析结果可知，RS3得率A、B、C、D4个因素影响的先后顺序是D>B>A>C，D对结果的影响极显著，C对结果影响相对最小。由各因素k值的大小确定了各因素的最佳水平组合为A2B3C2D2，即淀粉乳质量分数25%，微波作用功率700 W，微波作用时间2 min，反复冻融次数6次。由表3方差分析结果可知微波功率和反复冻融次数对RS3的得率有显著影响。

表2 正交试验设计与结果

表3 方差分析

注：**表示在0.01的显著水平，*表示在0.05的显著水平。

对最佳组合进行验证试验。配制淀粉乳质量分数为25%，在微波功率700 W，时间2 min的条件下微波处理，反应结束后反复冻融6次，干燥得到RS3样品，重复3次测定平均得率15.85%，比6号试验得率13.14%高，且具有很好的重复性。因此确定A2B3C2D2为最佳组合。

2.2 扫描电镜分析结果

从图1扫描电镜结果可以看出，小麦RS3的表观结构与原小麦淀粉相比呈现出不同的表观结构。原淀粉颗粒结构完整、表面光滑，呈圆形或卵圆形。而小麦RS3形成了不规则的块状形状，颗粒表面粗糙，呈现出紧密的片层结构。这是由于淀粉发生糊化破坏了其颗粒结构，直链淀粉溶出并通过分子间的氢键形成稳定有序的重结晶结构，从而使其结晶结构密度增加，导致淀粉具有抗酶解特性[15]。

图1 小麦淀粉及抗性淀粉SEM图

2.3 抗性淀粉的结晶结构

淀粉是一种多晶聚合物，通过X-射线衍射研究淀粉的结晶性，根据X-射线衍射图谱将淀粉分为 A型、B型、C型。禾谷类淀粉大多数属A型，其在衍射角15°、17°、18°、23°处有较强衍射峰；马铃薯等块茎淀粉颗粒显示B型图谱，在衍射角5.6°、15°、17°、22°和24°处出现较强衍射峰，而豆类淀粉颗粒则大多呈现出C型图谱。另外还有V型，其在衍射角度为7.4°、13°和 20°有较强衍射峰，此形式的晶型在天然的淀粉中并不存在，只在糊化后的淀粉与类脂物及相关化合物形成复合物以后才产生[16]。

从图2中可以看出小麦淀粉在衍射角2θ=15.3°、17.3°、18.1°、23.3°处有较强吸收峰，属于典型的A型结晶结构；而小麦抗性淀粉的衍射峰位和峰值都发生明显变化，其在衍射角2θ=17.1°、22°、24.1°出现特征峰，表现为B型结晶。同时在2θ=19.8°出现了V型衍射峰的特征，因此小麦抗性淀粉结晶结构是B型和V型混合型结构。

图2 小麦抗性淀粉和原淀粉的X-射线衍射图谱

2.4 红外光谱分析

红外光图谱中，在3 400 cm-1处出现的1个较强且宽的吸收峰，反映的是淀粉中的羟基(O-H)的伸缩振动；在2 930 cm-1附近出现的吸收峰，归属为CH2反对称伸缩振动；15 800～1 200 cm-1是蛋白质和多糖的混合振动吸收区；1 400 cm-1附近的吸收峰归属为C-H剪式振动吸收；1 153～950 cm-1是多糖的混合振动区，1 150 cm-1附近的谱峰归属为淀粉中C-O和C-C键的伸缩振动；1 024 cm-1左右的吸收峰归属为淀粉中C-O伸缩振动及C-OH键的弯曲振动；570 cm-1附近的谱峰归属为淀粉的骨架模式振动。

从图3可以看出抗性淀粉与原淀粉相比在的3 400 cm-1处峰形变宽，相对强度增大，说明形成了更多的氢键，也证明了抗性淀粉结构的稳定、牢固。有文献表明(1 045/1 022) cm-1和(995/1 022) cm-1峰强度比值被看作是淀粉有序结构的指标[17]，其中(1 045/1 022) cm-1峰强度比值表示淀粉分子结构中的有序结构和无定形结构的比例关系，其比值越大，颗粒内有序度越高；淀粉有序结构对水解酶具有较高的抗性。测定结果表明抗性淀粉中有序结构比原淀粉增加。另外小麦抗性淀粉谱图的基本轮廓与原淀粉相似近似，主要特征峰大致相同，仍然保留了小麦淀粉的特征吸收峰，说明RS的制备过程中没有新的基团形成其化学结构并没有发生改变，属于物理变化。

图3 小麦淀粉和抗性淀粉的红外光谱图

2.5 差式热量扫描分析结果

差式扫描量热仪(DSC)分析技术是通过程序来控制温度条件，连续地测定物质发生物态转化过程中的热效应，在测试过程中要保持待测物质跟参照物的温差为零，根据所得到的曲线不仅可以确定出物质发生相转化条件，如相转化的初始温度和终止温度，还可以研究物质在发生相变化过程中的热效应和物态变化的规律，是常用的研究高分子聚合物物态变化情况的分析方法。可以用其分析淀粉在物理化学变化过程中的相变及热力学特征。

图4 小麦抗性淀粉和原淀粉的DSC曲线

一般来说，在DSC图谱中存在3个主要吸热峰，即淀粉糊化的吸热峰通常低于100 ℃，和直链淀粉回生后的吸热峰其高于110 ℃，以及直链淀粉和脂类的混合物的熔融造成的吸热峰，其发生在80～100 ℃之间[18]。从图4中可以看出小麦原淀粉的DSC曲线在55～75 ℃有1个主要的吸收峰， 认为淀粉—水体系发生熔融转变即淀粉糊化吸热而造成的，在85 ℃左右的狭小的峰是由于淀粉与脂类的混合物引起的，其在110 ℃的吸热峰是由于直链淀粉结晶区熔融造成的；小麦RS3的DSC图片与原淀粉相比发生巨大变化，其只存在1个115 ℃左右的由于直链淀粉晶体熔融时吸热而造成的吸热峰，热焓值为2 231 J/g，并且其峰面积与原淀粉相比明显增大，说明小麦抗性淀粉的主要是由直链淀粉重结晶形成的有序结构增大，其晶体结构更紧密，淀粉抗酶解作用增强。

3 结论

采用微波-反复冻融制备抗性淀粉的最佳工艺为：淀粉乳质量分数25%，微波作用功率700 W，微波时间2 min，反复冻融6次，抗性淀粉得率最大为15.85%；扫描电镜结果显示小麦抗性淀粉与原淀粉相比，小麦RS3形成了不规则的块状行状，颗粒表面粗糙，呈现出紧密的片层结构；X-射线衍射分析表明抗性淀粉颗粒的结晶结构从A 型变为B型和V型的复合体；DSC的测定结果表明，抗性淀粉是直链淀粉重结晶形成的其具有较大的吸热峰，峰值温度为115 ℃，热焓值为2 231 J/g，直链淀粉重结晶形成的，使淀粉抗酶解作用增强。

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Effect of Microwave Heat-Moisture and Cycle Freezing on Crystallization of Wheat Starch

Xie Yanli Nan Yongyuan Hao Zhenyu

(Henan University of Technology，Grain College, Zhengzhou 450001)

Resistant starch was prepared under a combination of microwave and heat-moisture treatments and cycle freezing of wheat starch. Granule morphology, crystal structure, thermodynamic properties of resistant starch were studied by scanning electron microscopy (SEM), infrared spectrometer (IR), X-diffraction, differential scanning calorimetry (DSC). The experimental results showed that the yield of resistant starch was 15.85% at the condition of the mass fraction of starch solution 25%，the power of microwave 700 W，the time of microwave 2 min，the cycles of freezing and thawing 6 (freezing 4 h at -18 ℃，thawing 1 h . Scanning electron microscopy showed that the resistant starch increased from smooth spherical surface roughness becomes lamellar structure. X-ray diffraction pattern showed that the original crystalline structure of starch resistant starch type A converted to a more stable type B+V. IR spectra showed that (1 045/1 022) cm-1peak intensity ratio increased, the increase in resistant starch granule degree of order.DSC spectra showed that due amylose crystal melting endotherm caused when a large endothermic peak at 115 ℃,the enthalpy value of RS was 2 231 J/g and the value increased significantly as compared to native starch, indicated that the recrystallization increased of RS and enzymatic stability enhancement.

resistant starch, microwave, freezing and thawing, differential scanning calorimetry, X-ray diffraction, crystallization

TS234

A

1003-0174(2017)10-0049-05

国家重点研发计划课题 (2016YFD0400203)，河南省科技攻关(162102210039)

2016-08-02

谢岩黎，女，1971年出生，教授，食品营养与安全