湿热处理对甘薯粉条食用品质及消化性能的影响

甘增鹏，唐 雪，刘惠惠，邓慧清，廖卢艳

（湖南农业大学食品科学技术学院 长沙 410128）

甘薯，又名红薯、地瓜、山芋等，其种植范围广、产量大且营养丰富。据联合国粮农组织（FAO）统计，2017年我国甘薯鲜薯产量约占全球甘薯总产量的63%[1]。有数据表明，我国甘薯加工、鲜食和饲料三大用途分别占比50%，30%和10%左右（因有少量坏损）[2]，而在甘薯加工产业中，生产甘薯粉条占比为28.3%[3]，市场需求很大。此外，由于原料理化性质的差异，甘薯粉条品质明显低于绿豆粉条，主要表现为粉条的蒸煮损失大、抗拉强度低、耐煮性差等[4]。研究改善甘薯粉条品质的方法，具有重大意义。

目前，粉条品质改善的方法主要有将不同淀粉混合[5]，使用添加剂[6]，研究粉条生产工艺[7-8]，淀粉改性（化学[9-10]、物理[11]、生物[12]）等。这些方法虽在一定程度上改善了粉条品质，但也产生了不利影响，如一些化学变性淀粉和化学添加剂的加入，不符合绿色食品的环保要求；不同淀粉混合不被消费者认可；生物改性增加了生产周期。此外，这些研究中对粉条品质的考查指标大都集中在粉条的蒸煮品质（断条率、蒸煮损失率、膨胀度）、质构品质（拉伸性能、硬度），而将粉条消化特性作为粉条品质的评价指标，在国内外少有报道。甘薯粉条的基础原料——甘薯淀粉，是高血糖生成指数（Glycemic index，GI）型食品。餐后在人体内消化速率较快，导致血糖快速升高，容易引起肥胖、高血糖等慢性疾病。目前，人们对美好生活的需求日益增长，开始更多地关注食品的生理调节、疾病预防等营养健康功能。如何将淀粉基食品降糖成为食品科学研究的热点问题。

湿热改性（Heat moisture treatment，HTM）是一种常用的物理改性淀粉的方法，其一般条件为：淀粉的水分质量分数10%～35%，在高于糊化温度条件下处理淀粉的方式，处理时间15 min 至16 h[13-14]。有研究表明，湿热处理可以通过增加高分子链的相互作用，破坏晶体结构，解离双螺旋结构，然后重新排列破坏的晶体，形成抗性淀粉（Resistant starch，RS）[15]。抗性淀粉对健康的益处包括降低餐后血糖水平、降低血清中的胆固醇含量、降低肠道pH 值、促进肠道有益菌的生长、繁殖等[16-18]。本文在廖卢艳[19]研究的基础上，以甘薯淀粉为原料，以甘薯粉条断条率（BR）、最大拉伸阻力（RTE）及快消化淀粉（RDS）、慢消化淀粉（SDS）、抗性淀粉含量为粉条品质评价指标，研究湿热处理条件（温度、含水量、时间）对粉条蒸煮、质构品质和消化特性的影响，为进一步提高甘薯粉条的品质提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

甘薯淀粉由张家界供销云商股份有限公司提供。

3，5-二硝基水杨酸、葡萄糖、氢氧化钠、硼酸、石油醚、醋酸钠、醋酸、苯酚（分析纯级），国药集团化学试剂有限公司；α-淀粉酶（50 U/mg）、淀粉葡萄糖苷酶（70 U/mg）、胃蛋白酶（250 U/mg），Sigma-Aldrich 公司。

1.2 仪器与设备

101-2 AB 电热鼓风干燥箱，天津市泰斯特仪器有限公司；LXJ-IIB 离心机，上海安亭科学仪器厂；AE 2204 电子分析天平，湘仪天平仪器设备有限公司；TQ-1000Y 高速多功能粉碎机，永康市天祺盛世工贸有限公司；K9840 自动凯氏定氮仪，山东海能科学仪器有限公司；SHZ-B 水浴恒温振荡器，常州华普达教学仪器有限公司；TA-XT2i Plus质构仪，英国Stable Micro Systems 公司；PB-10 pH 计，美国Sartorius 公司。

1.3 试验方法

1.3.1 甘薯淀粉主要成分测定 水分含量参照GB 5009.3-2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》 中的直接干燥法测定，总淀粉含量参照GB 5009-2016 《食品安全国家标准 食品中淀粉的测定》中的酸水解法测定；粗脂肪含量参照GB 5009.6-2016 《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》中的索氏提取法测定；粗蛋白含量参照GB 5009.5-2016 《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》中的凯氏定氮法测定；直链淀粉含量的测定参照GB/T 15683-2008《大米 直链淀粉含量的测定》中的方法。

1.3.2 甘薯粉条蒸煮、质构品质的测定

1.3.2.1 粉条断条率测定 参考谭洪卓等[20]的方法将20 根长10 cm 的粉条样品在500 mL 蒸馏水中煮沸30 min，记录断条数，计算断条率。

1.3.2.2 拉伸性能 取长度为5 cm 的甘薯粉条20 根，在500 mL 蒸馏水中煮沸15 min，捞出，冷却，备用。采用AKIE 探头测定甘薯粉条的最大拉伸阻力。测试前速度：2.0 mm/s；测试时速度：1 mm/s；测试后速度：2.0 mm/s；触发力：自动-5 g；测量距离：75 mm；皮重模式：自动；数据采集速率：200 pps。仪器参数处理采用去掉最大值和最小值，取平均值。

1.3.3 甘薯粉条消化性能测定 湿热处理前、后甘薯粉条样品的消化性能依据Englyst 等[21]的方法进行测定，稍加改动。具体方法如下：将粉条样品用粉碎机打碎后，过100 目筛备用。准确称取10 mg 样品放入装有8 mL pH 5.2 的醋酸钠缓冲液的50 mL 离心管中，振荡均匀，然后置于沸水浴中煮沸20 min，取出冷却至37 ℃，将胃蛋白酶液及混合酶液放入37 ℃水浴中平衡温度，然后向样品中加入1 mL 胃蛋白酶（2 500 U/mL）溶液，在37℃下水浴振荡20 min（120 r/min），再加入1 mL 37℃混合酶液（α-淀粉酶170 U/mL 和淀粉葡萄糖苷酶21 U/mL），在37 ℃下水浴振荡150 min（120 r/min）。分别在20 min 和120 min 时取1 mL 水解液，放入装有4 mL 0.4 mol/L 的氢氧化钠溶液的15 mL 离心中。然后在4 000 r/min 下离心20 min，取1 mL 上清液于25 mL 螺口刻度试管中，加入2 mL 3，5-二硝基水杨酸 （DNS） 试剂，沸水浴5 min，流水迅速冷却，蒸馏水定容至25 mL，于波长560 nm 处测定吸光值。同时取1 mL 蒸馏水作同样处理，作为空白。参考刘忠义等[22]的方法绘制葡萄糖标准曲线，测定上清液中的葡萄糖含量，并将葡萄糖含量乘以0.9，分别计算RDS 含量、SDS 含量、RS 含量，公式如下：

式中，G20——酶水解20 min 后的葡萄糖含量，g/100 g；G120——酶水解120 min 后的葡萄糖含量，g/100 g；FG——酶水解前样品中的葡萄糖含量（以0 计），g/100 g；TS——总淀粉含量，g/100 g。

1.3.4 甘薯粉条的制备 取30 g 甘薯淀粉，于150 mL 烧杯中，加入60 g 水搅拌均匀后，倒入直径18 cm 的蒸盘中，放入蒸锅中蒸2 min，蒸完后冷水漂2～3 s，40 ℃干燥1 h 定型，取出粉饼切成1 cm 宽的粉条，再将切好的粉条在40 ℃下干燥至含水量低于11%（约5 h），最后将制好的粉条装入自封袋保存，备用。

1.3.5 湿热处理甘薯淀粉单因素实验 按照1.3.4 节的工艺流程制作甘薯粉条，湿热处理初始条件为温度105 ℃、含水量30%、时间2 h。以粉条BR、RTE 和RDS 含量、SDS 含量、RS 含量为粉条品质评价指标，采用单因素轮换法依次考察湿热处理温度（85，95，105，115，125 ℃）、甘薯淀粉含水量（18%，22%，26%，30%，34%）、湿热处理时间（1，2，3，4，5 h）对甘薯粉条品质的影响，以未经湿热处理的原甘薯粉条为对照，确定各因素的最佳湿热处理条件。

1.3.6 湿热处理甘薯粉条工艺优化响应面试验根据单因素实验结果，以甘薯淀粉湿热处理时的温度（A）、淀粉含水量（B）及湿热处理时间（C）为自变量，甘薯粉条的BR 和RTE 及RDS 含量、SDS含量、RS 含量的综合得分Y 为响应值，依据Box-Benhnken Design 中心组合试验设计原理，使用Design Expert 8.0.6 软件设计三因素三水平的响应面试验，试验因素及水平见表1。

表1 响应面试验设计因素与水平Table 1 Factors and levels of response surface experiments design

1.4 数据处理

采用Design Expert 8.0.6 软件进行响应面试验设计，SPSS 20.0 分析数据，Origin 2018 作图。由于湿热处理后的样品最终含水量存在些许差异，本试验的总淀粉、RDS、SDS 及RS 含量均换算为样品干基含量。每组试验均重复3 次，试验结果用“平均值±标准偏差”表示。

在响应面分析中，对取值越小越好的因素（BR、RDS）和取值越大越好的因素（RTE、SDS 含量、RS 含量） 采用Hassan 方法分别进行数学转换，转化为0～1 之间的值[23]，公式如下：

式中，di——每组试验所测得的真实值，g/100 g；dmax——试验组中的最高值，g/100 g；dmin——试验组中的最低值，g/100 g。

前期的研究结论证明湿热处理可以改善粉条的蒸煮及质构品质，考虑到本文主要研究湿热处理对粉条消化性能的影响，因此将BR、RTE 权重均设为0.2。在消化性能中，RS 对健康的益处尤为显著，因此将RDS 含量、SDS 含量和RS 含量权重分别设为0.1，0.1 和0.4。得到包含粉条BR、RTE和RDS 含量、SDS 含量、RS 含量的综合得分Y，公式如下：

2 结果与分析

2.1 甘薯淀粉组分

由表2可看出，该样品的淀粉含量为86.29%，蛋白质含量仅为1.46%，脂肪未检出，水分含量为12.21%，说明本试验淀粉样品纯度较高，试验结果可信。

表2 甘薯淀粉组分Table 2 Components of sweet potato starch

2.2 葡萄糖标准曲线

从图1中可知，葡萄糖含量与相应的吸光度之间线性关系良好，其回归方程为：y=0.4454x+0.0213（R2=0.9988）。

图1 葡萄糖标准曲线Fig.1 Standard curve of glucose

2.3 湿热处理对甘薯粉条品质的影响

2.3.1 温度对湿热处理甘薯粉条品质的影响 由表3可知，使用甘薯淀粉原样及5 个不同温度处理的甘薯淀粉制作的粉条，BR、RTE、RDS 含量、SDS 含量及RS 含量变异系数均较大 （最小值为12.16%），表明湿热处理温度对粉条品质影响很大。从总的趋势看，粉条的品质随着湿热处理温度的升高先上升后降低，与廖卢艳等[24]的研究结果一致。在85 ℃和95 ℃时粉条BR 虽优于原样，但3 者差异不显著（P＞0.05），当温度达到105 ℃后，粉条BR 显著提高（P＜0.05）。RTE 在105 ℃时达到最高，为139.23 g，温度继续身高，粉条RTE 显著降低（P＜0.05）。原因可能是，95 ℃的湿热处理温度能够增强甘薯淀粉分子链间的相互作用，导致分子有序化结构发生重排和取向，使双螺旋结构及微晶更加完美；而当温度过高时，热能和水分子的协同作用加强，淀粉颗粒聚集态结构受到的破坏程度大于重排程度，使淀粉短程无序化程度增加，双螺旋结构解旋[25-27]。RDS 含量在95 ℃时达到最低，且与原样及其它湿热处理组样品的差异显著（P＜0.05）；经湿热处理，甘薯粉条SDS 含量显著降低（P＜0.05）；湿热处理使甘薯粉条RS 含量显著提高（P＜0.05），在95 ℃时达到最大值，然后开始下降，当温度升至125 ℃时有所回升，可能的原因是湿热处理使甘薯淀粉的直链淀粉/支链淀粉比值增大，而直链淀粉比支链淀粉在回生时更易凝沉结晶形成RS，当温度继续升高，支链淀粉的结晶被破坏，导致RS 含量有所下降，而温度升至125℃时，随着直链淀粉/支链淀粉比值的继续增大，直链淀粉的凝成占据主导地位，导致RS 含量回升[28]。由公式（7）计算各样品的综合得分，得温度为95 ℃时，粉条综合得分为0.86，此时粉条品质最好。

表3 温度对湿热处理甘薯粉条品质的影响Table 3 Effects of temperature on the quality of sweet potato vermicelli treated by heat moisture treatment

2.3.2 含水量对湿热处理甘薯粉条品质的影响由表4可知，甘薯淀粉原样及5 个不同含水量下湿热处理的甘薯粉条的BR、RTE、RDS 含量、SDS含量、RS 含量的变异系数均较大（最小值为8.90%），表明甘薯淀粉的含水量对湿热处理甘薯粉条的品质有较大影响。BR 在含水量34%时最高，达到33.33%，与原样及18%，22%，26%含水量下湿热处理后的粉条差异显著（P＜0.05），而与30%含水量条件下湿热处理的粉条差异不显著（P＞0.05）。RTE 在26%时最大，原样及18%，22%，30%，34%含水量下湿热处理后的粉条差异均显著（P＜0.05）。原样的RDS 含量和SDS 含量分别为36.87%和39.68%，与经湿热处理后的甘薯粉条样品差异均显著（P＜0.05），表明在105 ℃下湿热处理2 h，可以显著降低甘薯粉条的RDS 和SDS 含量；相较原样，不同含水量的甘薯淀粉，在105 ℃下湿热处理2 h 后制成的甘薯粉条RS 含量均显著增加（P＜0.05），其中使用在26%含水量下经湿热处理的甘薯淀粉制成的粉条RS 含量最高，达到42.04%，当含水量继续增大，RS 含量逐渐降低。可能的原因是，淀粉通过氢键作用结合部分水分子而分散，使淀粉链的活动性和堆砌性增强，淀粉团粒中的分子发生重组，淀粉结构中的结晶区更完善，影响淀粉的膨润力和溶解率[29]，进而影响甘薯粉条品质；而当含水量继续增加，水分子的迁移作用增强，导致淀粉分子间氢键断裂，双螺旋解旋，部分结晶结构被破坏，进而相对结晶度降低[30]，粉条品质开始下降。由公式（7）计算各样品的综合得分，含水量为26%时，粉条综合得分为0.90，此时条件下，湿热处理的粉条品质最好。

表4 含水量对湿热处理甘薯粉条品质的影响Table 4 Effects of water content on the quality of heat moisture treatment sweet potato vermicelli

2.3.3 处理时间对湿热处理甘薯粉条品质的影响 由表5可知，甘薯淀粉原样粉条与经不同时间湿热处理的粉条样品中RDS 含量的变异系数最小，仅为6.59%，表明在1～5 h 内，不同湿热处理时间对甘薯粉条的RDS 含量影响不大。SDS 含量和RS 含量的变异系数分别为12.94%和15.72%，表明时间的增加对SDS 及RS 的含量有较大影响。BR 的变异系数最高，为87.56%，而湿热处理时间3 h 以内，甘薯粉条的BR 与原样差异不显著（P＞0.05），表明在105 ℃、30%含水量条件下，湿热处理时间需控制在3 h 以内；湿热处理时间1～4 h时粉条的RTE 相较原样显著增强，当达到5 h时，粉条拉伸阻力已低于原样，原因可能是在湿热处理过程中，淀粉颗粒内部结构重新排列，有助于直链-直链、直链-支链、支链-支链间相互作用，形成更有序的淀粉簇，双螺旋结构结合的更加紧密[31]，随着湿热处理过程的继续，直链淀粉比例显著增加，淀粉层状结构的层间质点结合力减弱，更易受到破坏，层状结构的非结晶区及螺旋结构同时受到破坏[32]。总体来看，随着湿热处理时间的增加，粉条的RTE 先增加，后减弱。经湿热处理样品的SDS 含量显著低于原样（P＜0.05），而RS 含量显著高于原样（P＜0.05），可能是由于湿热处理增强了无定型区的分子链相互作用[33]。由公式（7）计算各样品的综合得分，得湿热处理时间为1 h 时，粉条综合得分为0.92，此条件下的粉条品质最好。

表5 处理时间对湿热处理甘薯粉条品质的影响Table 5 Effects of treatment time on the quality of heat moisture treatment sweet potato vermicelli

2.4 湿热处理条件响应面试验结果

2.4.1 BOX-Behnken 试验设计及结果 根据单因素实验结果，利用Box-Behnken 试验设计原理对温度（A）、含水量（B）、时间（C）3 个因素设计了三因素三水平共17 组试验。Box-Behnken 试验因素与水平见表6。

表6 响应面试验设计及结果Table 6 Response surface test design and results

2.4.2 模型方程的建立与显著性检验 根据表6的试验结果，使用Design Expert 8.0.6 软件对甘薯粉条综合得分Y 和各因素进行多元回归分析，得到Y 与湿热处理温度、含水量、时间的回归方程为：Y=0.85+0.0075A+0.023B-0.035C+0.012AB+0.0075AC+0.0075BC-0.058A2-0.053B2-0.013C2。

对表6响应面试验结果进行方差分析验证回归方程的有效性，结果如表7所示。

表7 Box-Behnken 试验结果方差分析Table 7 Analysis of variance of Box-Behnken test results

由表7可知，回归模型P＜0.0001，表明显著具有统计学意义。决定系数R2=0.9918，表明组试验的实际值与预测结果有着较好的一致性；模型复合相关系数R2Adj=0.9812，表明试验结果有98.12%受试验因素的影响；变异系数（Coefficient of variation，CV）为0.91%，表明模型方程预测值与实际值离散程度小；模型失拟项P 值为0.1744，差异不显著（P＞0.05），说明模型拟合度较好，能较好的反映实际情况。综上所述，该模型可用于分析和预测甘薯粉条综合得分。

使用方差分析判断湿热处理温度、含水量、时间对粉条品质综合得分Y 的影响。由表7可知，模型中的交互项AB 对响应值Y 的影响显著（P＜0.05），AC、BC 对响应值Y 则无显著影响（P＞0.05）；模型中的一次项A 对综合值Y 的影响显著（P＜0.05），B 和C 对综合值Y 的影响均达极显著水平 （P＜0.01）。根据各因素F 值的大小可以判断影响甘薯粉条品质的湿热处理因素主次顺序为：时间＞含水量＞温度。

2.4.3 各因素交互作用的响应面分析 利用Design Expert 8.0.6 软件绘制了响应面曲线图。曲面越陡峭、倾斜度越高说明各因素之间的交互作用对响应值的影响越大；同一等高线上的每个点表示的数值相同，而等高线的疏密程度及呈现的形状可以反映各因素之间的交互作用的显著性[34-35]。图2可以反映湿热处理甘薯淀粉制作的甘薯粉条综合得分随湿热处理温度（A）、淀粉含水量（B）和湿热处理时间（C）的变化规律。图2b 等高线分布密集，对应曲面（图2a）陡峭，呈椭圆形，3D 曲面朝下且存在顶点，表明湿热处理温度和含水量对综合得分Y 交互作用明显，与表7的数据有着较好的一致性。

图2 温度、含水量、时间之间交互作用对综合值Y 得影响Fig.2 Effects of interaction of temperature，moisture content and time on the comprehensive score Y

2.4.4 验证试验 在各因素选定范围内，综合值Y 最高时，湿热处理条件为：温度95.15 ℃、含水量26.57%、时间1 h。为满足实际可操作的需求，将最佳湿热处理条件修正为：温度95 ℃、含水量26%、时间1 h。为验证此检验模型的准确性，按调整后湿热处理条件进行试验，以响应面试验组中综合值Y 最高的组作为优化对照组，其湿热处理条件为：温度95 ℃、含水量26%、时间2 h，此时甘薯粉条的粉条BR、RTE 和RDS 含量、SDS 含量、RS 含量分别为3.33%，151.21 g，26.39%，28.74%，43.15%，同时用原甘薯粉条作空白对照，结果如图3所示。

由图3可知，在模拟预测的湿热处理条件下，甘薯粉条的RTE、RS 含量分别为162.25 g，45.38%，显著高于对照组的RTE 及RS 含量（P＜0.05）；而RDS 及SDS 与对照组差异不显著（P＜0.05）。对照组及验证组的RTE、RDS、SDS、RS 含量与原样均有显著性差异；BR 与原样无显著差异（P＞0.05）。总体来看，优化条件后的甘薯粉条品质显著提高，优化工艺具有一定可行性。

图3 验证试验结果Fig.3 Verification test results

3 结论

本文以甘薯粉条BR、RTE 及RDS 含量、SDS含量、RS 含量为粉条品质评价指标，通过单因素实验和响应面优化分析得出，湿热处理的温度对粉条品质影响显著（P＜0.05），湿热处理的淀粉含水量、处理时间对甘薯粉条品质影响极显著（P＜0.01）。湿热处理的最佳条件为：温度95 ℃、含水量26%、时间1 h。相较于原甘薯粉条，在此最佳条件下制作的甘薯粉条BR 降低了33.33%，RTE 提高了60.27%，RDS 含量降低了29.94%、SDS 含量降低了31.78%、RS 含量提高了108.84%。证明了湿热处理在改善甘薯粉条质构、蒸煮品质的同时也可以改变甘薯粉条中的RDS、SDS、RS 的比例，使得甘薯粉条具有更好的营养价值，为湿热处理在甘薯粉条实际生产中的应用提供参考。