超声酶解法制备玉米抗性淀粉的结构及性质

杨小玲，赵维，陈佑宁，孟小华

（咸阳师范学院化学与化工学院，陕西咸阳712000）

超声酶解法制备玉米抗性淀粉的结构及性质

杨小玲，赵维，陈佑宁，孟小华

（咸阳师范学院化学与化工学院，陕西咸阳712000）

探讨超声酶解联合处理及添加剂对抗性淀粉（RS3）得率、结构及性质的影响，研究以玉米淀粉为原料，采用超声辅助酶解法制备抗性淀粉，考察超声时间、加酶量及添加剂种类和用量对RS3得率的影响。通过扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）、差式扫描量热法 （differential scanning calorimetry，DSC）、红外线（Infrared Radiation，IR）及X-射线衍射（X-rory diffraction，XRD）对RS3的结构表征，对其性质测定。结果表明，当超声处理原淀粉乳10 min，α-淀粉酶10 U/g，添加淀粉质量2%的海藻酸钠，RS3得率为11.92%。扫描电镜分析表明，与原淀粉相比，RS3的形貌及结晶性均发生变化，原来的规则的多面体小颗粒粉末状转为表面布满褶皱的粒径明显增大的雪片状蓬松结构；差热分析表明RS3主要由直链淀粉重结晶而成，淀粉的热稳定性提高；原来的A型结晶变为抗性淀粉的B型，结晶度增加。性能测试表明，与原淀粉相比，RS3的含水率和透光率均降低，比容积减小，乳化性稍有增加。抗性淀粉的结构更紧密，热稳定性抗酶解性更高。为探索提高玉米抗性淀粉得率的新方法及其扩大在食品领域的应用发展提供参考。

玉米淀粉；抗性淀粉；超声辅助酶解法；结晶性

抗性淀粉（Resistant Starch，RS）又称抗酶解淀粉、抗消化淀粉，由英国生理学家Englyst等提出[1]，是指在健康人体小肠中不能被酶解，不能被健康人体消化吸收，但在结肠中可以与挥发性脂肪酸起发酵反应形成短链脂肪酸乙酸、丙酸和丁酸等的一类淀粉结构。具有类似膳食纤维、降脂减肥及对肠道疾病的防治作用。天然淀粉中固有的抗性淀粉含量低，采用酶解等方法可以提高抗性淀粉的含量。RS3，即回生淀粉、老化淀粉，是最主要的抗性淀粉，由于具有良好的热稳定性、抗酶解性和食用安全性，成为目前研究最多应用最广的一类抗性淀粉[2-5]。

制备RS3的主要方法有：压热处理法、酶解发、螺杆挤压法、微波辐射法、超声波辅助法、酸解法、蒸汽加热法等。超声波法是淀粉改性的一种新型物理方法，具有作用时间短、操作简单易控制能耗低，降解后的淀粉分子量分布窄，分子大小更均匀等优点[6-7]。酶解法具有反应条件温和、可控，不需要高压、耐酸设备等优点。

国内外目前主要研究脂类、糖类等防老化剂及黄原胶、卡拉胶等亲水胶体对淀粉回生的影响及作用机制[8-9]。在采用超声或酶解法制备RS3过程中，鲜见关于添加剂对抗性淀粉形成的影响。本课题将两种方法联合使用制备玉米抗性淀粉，并探讨超声时间，加酶量，特别是添加剂的种类及用量对形成抗性淀粉形成的影响效果。

另外，目前对抗性淀粉的物理性质研究尚不够透彻。因此，本研究以玉米淀粉为原料，采用超声波辅助酶解法制备玉米抗性淀粉，用IR、SEM、DSC、XRD对其结构进行表征，用水分测定仪、光度分析仪等对其性能进行测定。

1 材料与方法

1.1 材料及设备

玉米淀粉（食品级）：市售；中温α-淀粉酶（1万U/g）：华迈科生物技术有限公司；糖化酶（10万U/g）：华迈科生物技术有限公司；胃蛋白酶（1∶3 000）：依科生物有限公司；耐热α-淀粉酶：上海金穗生物科技有限公司；海藻酸钠：青岛明月海藻集团有限公司。

IRPrestige-21型红外光谱仪：日本岛津公司；DSC Q100型差示扫描量热仪：上海精密仪器有限公司；JSM-6460扫描电镜：日本电子JEOL社；Mini Flex 600型X射线粉末衍射仪：日本理学株式会社。

1.2 制备方法

称取5.0 g玉米淀粉，用pH 6.8的磷酸盐缓冲液将淀粉调成一定浓度的淀粉乳，超声处理一定时间，在85℃的恒温水浴中糊化15 min，自然冷却至55℃，然后加入一定量添加剂，一定量α-淀粉酶，60℃的水浴锅中搅拌10 min，沸水中灭酶，冷却，放入4℃冰箱中冷藏一定时间，冷冻干燥，研碎，待用。

1.3 结构表征及性质测定

1.3.1 红外测试

将样品制成KBr压片，记录500 cm-1～4 000 cm-1范围的红外扫描图谱。

1.3.2 DSC曲线测定

称取抗性淀粉样品于氧化铝坩埚中，在N2气保护下，以10℃/min的升温速率，30℃～180℃的温度范围进行扫描。

1.3.3 电镜扫描

样品喷金处理后，测试电压20 kV，观察并拍摄淀粉颗粒形貌。

1.3.4 X射线衍射测试

操作条件：CuKα辐射，扫描电压40kV，电流40mA，扫描速度：8°/min，采样宽度0.02°，扫描角度范围为10 °～70 °。

1.3.5 比容积的测定

称取原玉米淀粉和抗性淀粉各20.0 g，分别倒入两个100 mL的干燥量筒内，轻轻晃动量筒使得淀粉在量筒中平铺均匀后，分别记录两种淀粉在量筒上的刻度，计算每克淀粉所占体积。

1.3.6 透光率的测定

称取原玉米淀粉和抗性淀粉各2.0 g，分别配制成浓度为1%的淀粉乳于烧杯中，记录此时的刻度读数，再置于沸水中加热40 min后，取出烧杯让其降至室温，用蒸馏水添加到加热前的刻度值，在650 nm波长处测定淀粉透光率。

1.3.7 含水率的测定

称取原玉米淀粉和抗性淀粉各5.0 g，放入坩埚中，在130℃～135℃的鼓风干燥箱中干燥大约90 min后取出，用玻璃皿盖住，经30 min～40 min的冷却至室温，称重，计算含水量。

1.3.8 乳化性的测定

称取2.0 g淀粉样品分散在100 mL蒸馏水中，沸水浴中保温搅拌30 min，冷却至室温后加入50 mL液体石蜡，搅拌2次，将乳化液转移至15 mL离心管中，3 500 r/min离心15 min，离心后，乳化层高度占总液体总高度的百分比即乳化能力。

2 结果及讨论

2.1 制备RS3的工艺条件探讨

本试验采用超声波预先处理原淀粉乳。在超声波处理淀粉乳时，超声波促使水分子与淀粉分子的摩擦加剧，导致C-C键裂解，较高强度的超声波降解支链淀粉的作用强，线性分子即直链淀粉数量增多[10]。RS3是由一定聚合度的直链淀粉相互间形成双螺旋组成，提高一定聚合度范围的直链淀粉的含量有利于抗性淀粉的形成[11]。本试验考察超声处理时间对RS3的得率的影响，结果如表1。

由表1可见，随着超声时间的延长RS3得率先增大后减小，超声10 min时RS3的得率最高。因此，确定以下试验超声处理时间定为10 min。

本文选用α-淀粉酶酶解玉米淀粉，在超声时间为10 min，淀粉乳浓度20%，冷藏时间24 h，考察α-淀粉酶用量对RS3得率的影响，结果如表2。

表1 超声时间对RS3得率的影响Table 1 Effect on yield of RS3of ultrasound time

表2 加酶量对RS3得率的影响Table 2 Effect on yield of RS3of α-amylase amount

由表2可知，RS3的得率随着α-淀粉酶用量的增加呈现先增大后减小的趋势。当α-淀粉酶的添加量为10 U/g时，抗性淀粉得率最高。因此，以下试验选取α-淀粉酶添加量为10 U/g。

抗性淀粉主要是由直链淀粉通过双螺旋结晶而成，那么晶体生长环境和条件对RS3的得率性质均有很大影响。本实验选取3种添加剂：海藻酸钠、丙酸钙和β-环糊精，考察其对RS3得率的影响。同样在超声时间10 min，淀粉乳浓度20%，冷藏时间24 h，α-淀粉酶10 U/g，及含有添加剂的条件下制备RS3，结果如表3。

表3 添加剂种类和用量对RS得率的影响Table 3 Effect of additive kinds and amounts on yields of RS3

当添加剂用量分布为淀粉用量的1%、2%、3%、4%、5%时，抗性淀粉得率结果见表3。与无添加剂时制备的RS3得率相比较，添加海藻酸钠，抗性淀粉得率提高，添加β-环糊精或丙酸钙，抗性淀粉得率降低。当海藻酸钠添加量为淀粉质量的2%时，RS3得率最高，为11.92%。这与海藻酸钠的持水作用有关，一定量的水分提高直链淀粉的流动性，促进了直链淀粉与直链淀粉的有序缔合老化。

丙酸钙在水中解离为Ca2+以及酸根离子，水溶液呈弱碱性，抑制淀粉老化，所以丙酸钙的添加降低了RS3得率[11]。β-环糊精的疏水端部分插入直链淀粉双螺旋结构中形成复合物，阻碍了直链淀粉的重排，抑制了老化，导致抗性淀粉得率降低[12]。

采用超声辅助酶解法制备抗性淀粉，当工艺条件为，淀粉乳浓度20%，超声处理10 min，α-淀粉酶用量10 U/g，冷藏时间为24 h，并添加淀粉质量2%的海藻酸钠时，抗性淀粉得率达11.92%。

2.2 结构表征

通过扫描电镜、红外光谱分析、差热分析及X-射线衍射对玉米原淀粉和抗性淀粉进行结构表征，结果见图1～图5。

图1 玉米淀粉和玉米抗性淀粉的扫描电镜照片Fig.1 SEM photographs of maize starch and maize resistant starch

由图1中a和b可知，原玉米淀粉颗粒的基本形状为规整的多面体形状，表面光滑；超声酶解处理，再冷藏凝沉后，形成的抗性淀粉的形貌变化显著，规则的颗粒结构消失，变为表面粗糙多孔的片状，粒径明显增大。抗性淀粉颗粒的大块片状，是由于在超声酶解法处理过程中，淀粉原颗粒被破坏，直链淀粉分子在冷藏陈化过程中重结晶，小晶体不断长大成无数片状晶体，然后在冷冻干燥过程中，溶剂直接升华，避免了颗粒的团聚，保证了晶体保持原有形状，原来的规则的多面体小颗粒粉末状转为表面布满褶皱的径明显增大的雪片状蓬松结构，如图2。

图2 玉米抗性淀粉产品外观Fig.2 The appearance of maize resistant starch

由图3可知，玉米淀粉及处理后提纯的抗性淀粉均在3 400 cm-1附近出现-OH吸收峰，在2 930 cm-1附近出现-CH2的特征峰及928 cm-1处的C-O-C振动峰，表明淀粉官能团的特征峰基本没有发生改变，可知淀粉在处理后，分子结构没有发生变化；提纯的抗性淀粉的红外图谱在1 022 cm-1处的峰减弱，1 047cm-1处的峰增强，表明处理后的玉米淀粉的不定型区比例减小，结晶区比例增加。

图3 玉米淀粉及抗性淀粉的IR图谱Fig.3 IR spectrums of maize starch and resistant starch

图4 玉米原淀粉及抗性淀粉的DSC曲线Fig.4 The DSC curves of maize and resistant starch

图5 玉米淀粉和抗性淀粉的X-射线衍射图谱Fig.5 X-ray diffraction patterns of maize starch and maize resistant starch

直链淀粉含量不同造成淀粉结构的差异，引起热力学性质不同。从图4可以看出，玉米淀粉的DSC曲线在82℃出现一个宽而强的峰，主要为易挥发物质的蒸发及少量支链淀粉熔融而引起的焓变所产生的吸热峰，与之相应的纯RS3在89℃出现一个相似的吸热峰，说明RS3热稳定性提高；另外，RS3还在143.5℃出现一个晶体相变吸热峰。据文献报道，支链淀粉在70℃左右熔融，直链淀粉在120℃～165℃左右熔融。说明RS3中存在两种晶体，与文献报道相吻合[13-14]。

从图5a和b可以看出，玉米原淀粉在15、17.1、18.1、23.1°处出现较强衍射峰，说明玉米原淀粉为A型晶体；经超声酶解并糊化处理后，淀粉的结晶结构被破坏，再经冷藏处理，直链淀粉凝沉后形成新的结晶，因此玉米原淀粉转化为抗性淀粉后结晶结构发生很大变化，在 17.2、19.54、22.1、24 °处出现较强衍射峰，说明抗性淀粉的结晶类型转为B型。

2.3 性质测定

分别测试玉米原淀粉和RS的含水率、比容积、乳化性及透光率，其结果见表4。

表4 玉米淀粉和RS的性质测定Table 4 Properties of maize starch and resistant starch

从表4可知，玉米淀粉转化为抗性淀粉后，水分含量降低，这是由于抗性淀粉为水不溶性物质。抗性淀粉的比容积减小，即1 g抗性淀粉容积小于1 g玉米原淀粉容积，说明抗性淀粉结构更紧密。乳化能力稍有增加。

抗性淀粉的透光率降低。直链淀粉的含量影响着淀粉糊的透明度，直链淀粉含量高更易促使淀粉糊回生，降低透光率[15]。抗性淀粉的形成主要是直链淀粉相互聚集使淀粉凝沉的结果，因此光线照射到淀粉糊后发生散射，减少了光线穿过的概率，使得抗性淀粉的透明度下降。

3 结论

采用超声酶解法制备RS3，当超声处理原淀粉乳10 min，α-淀粉酶10 U/g，添加淀粉质量2%的海藻酸钠，RS3得率为11.92%。由SEM照片可知，抗性淀粉与原淀粉在形貌上发生了很大的变化，由原有结构是光滑的规整的多面体形颗粒变为处理后的抗性淀粉的粒径明显增大的表面粗糙的片状。由X-衍射图谱可知，超声酶解处理后玉米淀粉结晶结构发生变化，晶型由A型变为B型；DSC曲线可知，处理后的抗性淀粉热稳定性提高。

性质测定结果可知，形成抗性淀粉后，含水率、比容积和透光率均降低，乳化性稍有增加。

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Properties and Structural Characterization of Maize Resistant Starch by Ultrasound Assisted Enzyme Method

YANG Xiao-ling，ZHAO Wei，CHEN You-ning，MENG Xiao-hua
（Chemistry and Chemical Institute of Xianyang Normal University，Xianyang 712000，Shaanxi，China）

The influence of ultrasound assisted enzyme method and additive agents on the yields，structure and properties of resistant starch（RS3）was discussed.Resistant starch was synthesized by ultrasound assisted enzyme method.Effects such as ultrosound time，enzyme amount，kinds and amount of the additives were tested.Characters were tested by SEM，DSC，IR and XRD；then properties such as luminousness and water-holding capacity were tested.The results showed under the condition of ultrosound time 10 minutes，the amount of α-amylase 10 U/g，the amount of sodium alginate 2%of the amount of starch，the yield of RS3was 11.92%.The SEM results indicated，comparing with the native maize starch，surface morphology and crystallinity of RS3both changed，with sphere-like particles turning into large sheet with wrinkles and crystal of type A turning into Type B.The properties test results indicated water content and transmittance declined，specific volume lowered，and the emulsibility increased.The structure of RS3was closer，and the properties of heat resistance and enzyme resistant was higher.It may be a reference in investigating the method of raising the yield of maize resistant starch and of broadening the using of RS3in food industry.

maize starch；resistant starch；ultrasound assisted enzyme method；crystalline

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.24.003

陕西省教育厅专项科研计划项目（15JK1782）；咸阳师范学院科研专项（13XSYK024）

杨小玲（1976—），女（汉），高级工程师，硕士，研究方向：天然高分子改性研究。

2017-05-08