魔芋胶提高挤压山药淀粉中抗性淀粉含量的工艺研究

摘要：抗性淀粉作为一种健康成分，对人体健康有着诸多积极影响，包括控制血糖和胰岛素水平、促进肠道健康、控制体重。挤压技术作为一种高温、短时、连续的多功能热机械技术，集混合、搅拌、剪切、加热、熟化和成型于一体，且具有高效环保的特点。水分含量、挤压温度和螺杆转速是影响挤压效果的重要因素。该研究以抗性淀粉（RS）含量为响应值，采用Box-Behnken响应面分析法，通过单因素实验和响应面实验确定了水分含量、挤压温度和螺杆转速的最佳组合。研究结果显示，在山药淀粉和魔芋胶的挤压过程中，水分含量为30%、挤压温度为90℃、螺杆转速为180 r/min时，抗性淀粉含量高达42.58%。该研究为山药淀粉的利用和产品开发提供了重要的理论依据。

关键词：魔芋胶；山药淀粉；抗性淀粉；挤压技术

中图分类号：TS234 文献标志码：A 文章编号：1000-9973（2025）01-0041-05

Study on Process of Using Konjac Gum to Increase Resistant Starch Content in Extruded Yam Starch

HAO Meng-shuang， JI Xiao-long， SHI Miao-miao， YAN Yi-zhe^*

（College of Food and Bioengineering， Zhengzhou University of Light Industry， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： As a healthy component， resistant starch has many positive effects on human health， including controlling blood sugar and insulin level， promoting gut health and controlling weight. As a high-temperature， short-time， continuous multi-functional thermomechanical technology， extrusion technology integrates mixing， stirring， shearing， heating， curing and forming， and has the characteristics of high efficiency and environmental protection. Moisture content， extrusion temperature and screw speed are important factors affecting the extrusion effect. In this study， with resistant starch （RS） content as the response value， Box-Behnken response surface analysis method is used to determine the optimal combination of moisture content， extrusion temperature and screw speed through single factor experiment and response surface experiment. The results show that during the extrusion process of yam starch and konjac gum， the content of resistant starch is as high as 42.58% when the moisture content is 30%， the extrusion temperature is 90℃ and the screw speed is 180 r/min. This study has provided an important theoretical basis for the utilization and product development of yam starch.

Key words： konjac gum; yam starch; resistant starch; extrusion technology

收稿日期：2024-07-28

基金项目：国家自然科学基金（32202110）；河南省科技研发计划青年科学家项目（225200810122）

作者简介：郝梦爽（1997—），女，硕士，研究方向：淀粉改性及功能。

*通信作者：闫溢哲（1987—），男，教授，博士，研究方向：碳水化合物改性及功能。

山药，属于薯蓣科薯蓣属，是世界上仅次于木薯、马铃薯和红薯的第四大块茎和根茎作物^[1]。山药在中国具有悠久的食用和药用历史，它不仅营养丰富，而且含有一些次级代谢产物，可以带来额外的健康益处，如调节血糖水平、控制胆固醇、脂肪摄入和高血压^[2]。山药是一种富含淀粉的植物，其淀粉含量占总鲜重的18%～25%。山药淀粉的颗粒尺寸在15～30 μm之间，呈圆形或椭圆形，表面光滑、无裂痕^[3]。山药淀粉在食品和医药领域具有广泛的应用潜力，如山药淀粉中支链淀粉含有高比例的长链，适用于酥脆食品、沙拉酱和现成甜点的生产。山药淀粉富含抗性淀粉（RS），也可以作为原材料或辅助材料应用于功能性食品加工^[4]，这些特性使得山药淀粉在食品工业中具有重要的开发和应用价值。

魔芋胶是来源于魔芋属植物块茎中的一种高分子量多糖，其主要成分是魔芋葡甘聚糖（KGM）^[5]。 KGM也是一种常用的食品添加剂，具有亲水性、增稠性、乳化性和凝胶性等多种特性。同时，KGM具有多种健康益处，如缓解便秘、促进减肥、降低血脂、促进结肠中健康细菌的繁殖^[6]。

挤压是一种重要的生产工艺，涉及各种操作的组合，包括混合、输送、加热、捏合、剪切和成型。在食品行业中，挤出技术已经被广泛应用于食品和食品配料的生产^[7]。通过挤出，可以生产各种形状和口感的食品，如膨化食品、肉制品、谷物食品等。挤压技术不仅可以满足消费者对食品多样性的需求，而且可以提高生产效率，降低生产成本。此外，挤压技术还可以实现食品的功能性定制，如添加营养成分、改善口感等，从而满足不同消费群体的需求^[8]。

课题组前期研究发现，挤压过程中魔芋胶的添加能显著降低挤压山药淀粉的消化性，提高其抗性淀粉含量。本文旨在利用单因素实验和响应面法，研究挤压条件对山药淀粉-魔芋胶挤出物中抗性淀粉含量的影响，以获得最佳挤压工艺。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

铁棍山药：河南省焦作市温县；魔芋胶（黏度≥15 000 mPa·s）：上海源叶生物技术有限公司；无水乙醇（分析纯）：天津市富宇精细化工有限公司；氢氧化钠（分析纯）：天津市大茂化学试剂厂；猪胰酶（8×USP，P7545）、淀粉葡萄糖苷酶（260 U/mL）：美国Sigma公司；GOPOD葡萄糖试剂盒（生物试剂）：爱尔兰Megazyme公司。

1.2 仪器与设备

哈克Process 11台式同向双螺杆挤出实验机 德国赛默飞世尔科技公司；LC-OES-200SH悬臂式电动搅拌机 上海力辰邦西仪器科技有限公司；DHG-9123A电热恒温鼓风干燥箱 上海精宏实验设备有限公司；1000A多功能粉碎机 永康市红太阳机电有限公司；SHZ-82水浴恒温振荡器 江苏金怡仪器科技有限公司；KQ-800DM高速离心机 四川蜀科仪器有限公司；752型紫外可见光分光光度计 上海菁华科技仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 山药淀粉的提取

参照Jiang等^[9]的方法分离山药淀粉。首先，将新鲜的山药洗净、去皮、切成薄片，用搅拌机粉碎。随后，将匀浆置于100目筛上，并用去离子水反复洗涤。使滤液沉淀4 h后，弃去上清液。使用0.2%氢氧化钠溶液4 L去除蛋白质。用去离子水洗涤沉淀物直至无色，并用无水乙醇（500 mL）除去残留的杂质。将洗涤后的沉淀物过滤、干燥并通过100目筛筛分以获得山药淀粉。

1.3.2 挤压工艺流程

在山药淀粉中添加5%的魔芋胶，通过调节水分含量、挤压温度和螺杆转速来制备所需样品。

1.3.3 单因素实验

以抗性淀粉含量为指标，进行单因素实验，研究水分含量、挤压温度和螺杆转速3个因素对挤出物抗性淀粉含量的影响。具体操作：以抗性淀粉含量为指标，在挤压温度为90℃、螺杆转速为180 r/min的条件下，考察水分含量（25%、30%、35%、40%、45%）对抗性淀粉含量的影响；以抗性淀粉含量为指标，在水分含量为30%、螺杆转速为180 r/min的条件下，考察挤压温度（80，90，100，110，120℃）对抗性淀粉含量的影响；以抗性淀粉含量为指标，在水分含量为30%、挤压温度为90℃的条件下，考察螺杆转速（140，160，180，200，220 r/min）对抗性淀粉含量的影响。

1.3.4 响应面优化设计

在单因素实验的基础上，根据Box-Behnken实验设计原理，以水分含量（A）、挤压温度（B）、螺杆转速（C）为自变量，以抗性淀粉含量为响应值，设计响应面实验，确定最佳挤压工艺。响应面实验因素与水平见表1。

1.3.5 抗性淀粉含量的测定

抗性淀粉含量的测定参照课题组之前的方法^[10]。取200 mg（干基）样品置于50 mL离心管中，加入4 mL乙酸钠缓冲溶液（0.1 mol/L，pH 5.2），充分混合后，将样品置于水浴恒温振荡器中（100℃，30 min）进行糊化处理。处理完成后，将样品冷却至37℃，并加入1 mL混合酶溶液进行水解。在水解过程中，分别在20 min和120 min时取出0.1 mL水解溶液，与70% 4 mL的乙醇溶液充分混合，以灭活溶液中的酶。随后，在5 000 r/min条件下离心10 min后，取出0.1 mL上清液与3 mL GOPOD混合，在45℃水浴显色20 min。最后，用紫外分光光度计在510 nm处测定吸光度。同时，取0.1 mL空白溶液、0.1 mL标准葡萄糖溶液和0.1 mL去离子水分别作为样品空白、标准和标准空白。通过下式计算快速消化淀粉（RDS）、慢消化淀粉（SDS）和抗性淀粉（RS）的含量：

RDS（%）=（G₂₀-FG）×0.9。

SDS（%）=（G₁₂₀-G₂₀）×0.9。

RS（%）=1-RDS-SDS。

式中：G₂₀和G₁₂₀分别表示水解20 min和120 min时的葡萄糖含量；FG表示水解前样品中葡萄糖的含量。

1.3.6 数据处理

所有实验重复3次，采用SPSS进行数据处理；采用Design-Expert 13进行Box-Behnken实验设计；采用Origin 2022软件绘图。

2 结果分析

2.1 单因素实验结果分析

2.1.1 水分含量对RS含量的影响

在挤压过程中水分含量对淀粉的凝胶化程度、结晶度以及直链淀粉和支链淀粉的降解有着显著影响^[11]。研究结果表明，水分含量对淀粉的可消化片段和分子结构也有一定影响^[12]。由图1可知，随着体系中水分含量的增加，抗性淀粉的含量呈现先升高后降低的趋势，当水分含量为30%时，抗性淀粉含量最高。当水分含量较低时，单位物料吸收的热能较多，淀粉降解程度大，导致淀粉的消化性升高^[13]；当水分含量较高时，淀粉颗粒吸水更加充分，更易糊化，其结晶结构被破坏得更加严重，因此导致抗性淀粉含量降低^[14]。因此，在进行响应面优化实验时，选择水分含量范围为25%～35%。

2.1.2 挤压温度对RS含量的影响

挤压温度是影响淀粉消化性的重要因素之一。研究表明，挤压温度的变化显著影响淀粉的结构和性质，进而影响其消化性能^[8]。一般来说，较高的挤压温度会导致淀粉颗粒破坏和凝聚，使其在消化过程中更容易被酶类分解。另一方面，较低的挤压温度可能使淀粉颗粒保持较完整的结构，从而降低其消化速度。因此，在食品加工过程中，控制好挤压温度对于调控淀粉的消化性能至关重要。此外，不同类型的淀粉对挤压温度的敏感程度也有所不同。

由图2可知，当挤压温度为80～100℃时，抗性淀粉含量呈现先上升后下降的趋势。当挤压温度为100～120℃时，抗性淀粉含量先降低后缓慢升高。淀粉糊化需要适宜的温度，温度过低，淀粉受热不足；温度过高，淀粉的降解程度大于糊化程度，淀粉结构可能会被过度破坏。由Zhang等^[15]的研究可知荞麦淀粉的结晶度随着挤出温度的升高而降低。结晶结构的破环会增加淀粉与消化酶之间的可及性，从而提高消化率^[16]。挤压温度为120℃时的抗性淀粉含量高于110℃时，可能是因为魔芋胶与淀粉之间的相互作用在一定程度上限制了淀粉与酶的作用。Fan等^[17]的研究结果显示，KGM可以减缓发酵小麦淀粉的水解，导致慢消化淀粉和抗性淀粉的含量增加。因此，在进行响应面优化实验时，选择挤压温度范围为85～95℃。

2.1.3 螺杆转速对RS含量的影响

双螺杆挤压机的螺杆结构包括混料区段、熔融区段、捏合区段和挤出区段，这些区段的设计和运行对于挤出物的性质和质量具有重要影响。通过螺杆转速的改变，可使挤出物在腔体内的混合效果和滞留时间发生变化，从而引起淀粉结构的改变，影响最终产品的物理和化学特性^[18]。在工业生产中，了解螺杆转速对抗性淀粉含量的影响对产品的生产和质量控制至关重要。通过调整螺杆转速，在生产过程中可以更好地控制产品的抗性淀粉含量，从而实现产品品质的稳定和提升。此外，对螺杆转速与淀粉结构破坏之间的关系进行深入研究，有助于优化生产工艺，提高生产效率，降低生产成本。

由图3可知，当螺杆转速在140～180 r/min时，随着转速的增加，样品的抗性淀粉含量随之升高。当转速超过180 r/min时，抗性淀粉含量逐渐降低，这可能是因为在挤压温度和水分含量相同的条件下，当转速较低时，淀粉在螺旋腔体内滞留的时间较长；当转速较高时，淀粉受到的剪切应力增大，这两种情况均可能导致淀粉结构被过度破环，易被消化。因此，合适的螺杆转速有利于改善产品的品质。因此，在进行响应面优化实验时，选择螺杆转速范围为170～190 r/min。

2.2 响应面优化挤压条件实验结果分析

2.2.1 模型构建与方差分析

响应面实验设计结果见表2。

采用Design-Expert 13软件对表2中数据进行拟合，得到回归方程：Y=42.94+4.20A-0.534 5B-1.08C-1.63AB-2.16AC-0.986 4BC-11.25A²-6.60B²-4.77C²。

回归模型方差分析见表3。该回归模型的P值lt;0.000 1，说明该模型极显著，系数R²为0.991 1，失拟项不显著（P＞0.05），说明模型误差较小，校正决定系数R_Adj²为0.979 6，接近系数R²的值，说明模型的相关性和解释度都很好，该分析结果表明模型具有较高的可靠性和预测能力。一次项C、交互项AB对抗性淀粉含量的影响显著（P＜0.05），一次项A、交互项AC、二次项A²、B² 、C²对抗性淀粉含量的影响极显著（P＜0.01）。由F值可知，3个影响因素中，水分含量对抗性淀粉含量的影响最大，螺杆转速和挤压温度次之。

2.2.2 交互作用和响应面分析

采用Design-Expert 13软件对实验结果进行响应面图的绘制，通过绘制3D响应面图，可以清晰地观察到不同因素之间的关系，而响应面图的陡峭程度和等高线的偏离程度可以反映出交互作用的显著程度。当响应面越陡峭、等高线越密集且越偏离圆形时，说明各因素之间的交互作用越显著^[19]。响应面和等高线分析结果见图4。

根据各因素交互作用的响应面图和等高线图可以看出水分含量和螺杆转速的交互作用最强，对抗性淀粉含量的影响最大，其次是水分含量和挤压温度，最后是挤压温度和螺杆转速，与方差分析结果一致。

2.2.3 最佳工艺条件验证

根据Design-Expert 13软件的分析，最佳工艺参数为水分含量31.028%、挤压温度89.728℃、螺杆转速178.453 r/min，在此条件下，理论上抗性淀粉含量的预测值为43.475%。为了验证实验的可行性，采用优化后的参数进行验证试验，挤压参数设定为水分含量30%、挤压温度90℃、螺杆转速180 r/min，在此条件下进行3次重复试验，测得抗性淀粉含量的平均值为42.58%，与预测值的误差为0.895%，与模型的预测值没有明显差异，表明模型优化得到的挤压工艺参数具有一定的可靠性。

3 结论

本文通过挤压处理山药淀粉和魔芋胶混合物，在单因素实验的基础上进行响应面分析，得出抗性淀粉含量最高的挤压工艺：挤压温度为90℃，水分含量为30%，螺杆转速为180 r/min。该研究结果对于魔芋胶提高挤压山药淀粉中抗性淀粉含量的工艺具有重要的指导意义，也为山药基功能性食品的开发提供了理论依据。

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