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超聲波－壓熱法制備蓮子抗性淀粉工藝研究

文章來(lái)源:未知 發(fā)布日期:2014-11-03 16:56:16作者:admin 點(diǎn)擊次數: 次
摘 要:通過(guò)濕磨法獲得蓮子原淀粉，運用聲波對原淀粉進(jìn)行預處理，并結合壓熱法制備抗性淀粉。 以淀粉乳濃度、聲波功率、聲波處理時(shí)間、壓熱時(shí)間以及壓熱溫度為單因素，研究其對蓮子抗性淀粉得率的影響。 通過(guò)正交優(yōu)化分析獲得優(yōu)工藝條件。 結果表明，在蓮子淀粉乳濃度為45% ，聲波功率為 300 W，聲波處理時(shí)間為 55 min，壓熱時(shí)間為 15 min，壓熱溫度為 115 ℃ 的條件下，蓮子抗性淀粉得率較高，達到 56. 12%。
抗性淀粉( resistant starch，ＲS) 是一類(lèi)在健康者小腸中無(wú)法被吸收利用的淀粉，但可在結腸中被大腸菌群發(fā)酵或部分發(fā)酵，具有類(lèi)似可溶性膳食纖維的生理功能，包括預防胃腸疾病和心血管疾病; 降低潰瘍性結腸炎和結腸癌的風(fēng)險; 促進(jìn)細菌生長(cháng)和礦質(zhì)元素的吸收，增強疾病抵抗力等。 抗性淀粉由于能通過(guò)降低血糖指數來(lái)減少血漿胰島素和血糖反應，且具有飽腹感，而被視為控制體重的良好選擇。 它除擁有未改性淀粉所不具有的生理功能外，具有更好的食用口感。 把抗性淀粉添加于食品中，能使食品呈現質(zhì)地，甚至延長(cháng)食品貨架期。
近年來(lái)，人們對健康的關(guān)注，使得對功能性保健食品的要求日趨提高，抗性淀粉也成為人們新的研究對象。 根據抗性原理的不同，抗性淀粉可分為 5 類(lèi): 即 ＲS1物理包埋淀粉，其蛋白質(zhì)與細胞壁的包埋作用是引起抗性的主要原因; ＲS2抗性淀粉顆粒，包括具有抗性的天然淀粉顆粒和未糊化的淀粉顆粒; ＲS3回生或結晶淀粉; ＲS4化學(xué)改性淀粉，交聯(lián)淀粉是其中常見(jiàn)的一種; ＲS5直鏈淀粉－脂質(zhì)復合淀粉，亦稱(chēng)淀粉脂。 ＲS3是淀粉糊經(jīng)過(guò)糊化后，其中的直鏈淀粉經(jīng)過(guò)低溫冷卻，結晶形成的難以被淀粉酶酶解的老化淀粉。 雖然 ＲS3與 ＲS4都可以通過(guò)加工原淀粉大量制備，但 ＲS4的制備過(guò)程中添加的化學(xué)試劑將會(huì )影響食品安全。 由于 ＲS3具有營(yíng)養特性、加工穩定性及食用安全性，其應用前景良好，成為近幾年研究的熱點(diǎn)。 制備 ＲS3方法多樣: 熱液法，物理擠壓法，化學(xué)酶解法。 微波、高壓以及聲波亦被應用于 ＲS3制備中。
蓮子營(yíng)養價(jià)值高，并含有的藥理成分，屬于藥食同源的食物。 蓮子中的直鏈淀粉與抗性淀粉的形成有關(guān)。 壓熱法制備抗性淀粉是通過(guò)高溫、高壓使淀粉顆粒膨脹破裂，糊化形成淀粉凝膠。 在此過(guò)程中，無(wú)規則狀態(tài)的直鏈淀粉( ran-dom coil) 從顆粒中溶出。 在冷卻回生過(guò)程中，直鏈淀粉遷移，游離的直鏈淀粉鏈通過(guò)氫鍵重新結合形成雙螺旋結構( junction zones) ，之后進(jìn)一步折疊盤(pán)繞形成結晶( crystallites) ，產(chǎn)生抗性。 此過(guò)程淀粉分子經(jīng)歷了從雜亂無(wú)章?tīng)顟B(tài)到緊湊有序的結晶結構。 研究表明，隨著(zhù)直鏈淀粉含量的提高，其淀粉糊在低溫環(huán)境下越容易老化形成抗性淀粉，這為蓮子抗性淀粉的制備提供了可靠的理論依據。 聲波是一種振動(dòng)頻率高于人耳接收范圍的機械波。 這種聲波在溶液中傳播時(shí)，能夠加速溶劑分子與溶質(zhì)分子之間的摩擦，切斷聚合物分子連接鍵形成長(cháng)度較短的分子鏈。 其振動(dòng)的能量在傳播過(guò)程中會(huì )被聚合物吸收，從而使分子所含的能量提高，這對直鏈淀粉的重結晶具有積作用。 將聲波運用于壓熱法制備抗性淀粉的研究未見(jiàn)報道。
本文通過(guò)濕磨法獲得蓮子原淀粉，運用聲波對原淀粉進(jìn)行預處理，并結合壓熱法制得抗性淀粉。研究的單因素為: 淀粉乳濃度、聲波功率、聲波處理時(shí)間、壓熱時(shí)間和壓熱溫度。 運用正交獲得優(yōu)工藝參數，為促進(jìn)蓮子淀粉商品化生產(chǎn)提供參考。
1 材料與方法
1. 1 材料與試劑
新鮮凍蓮，產(chǎn)自福建建寧; 葡萄糖淀粉酶( 100 000 U/mL); α-淀粉酶( 10 000 U/mL); 檸檬酸、磷酸氫二鈉、乙酸、氫氧化鉀、3，5-二硝基水楊酸、苯酚。
1. 2 儀器與設備
KQ2200DE 型聲波清洗器; MJ －60BM01A 型美的榨汁機; 101－0ES 型數顯電熱鼓風(fēng)干燥箱; DZQ400/2D 型單室真空包裝機; GI54TW 型全自動(dòng)立式高壓滅菌鍋; XCD－235H 型新飛臥式微凍冷凍箱; Starter 300 型便攜式 pH計; THZ－82A 型水浴恒溫振蕩器; L－530 型臺式大容量低速離心機; T6 型新世紀紫外可見(jiàn)分光光度計。
1. 3 實(shí)驗方法
1. 3. 1 原淀粉提取
以一定質(zhì)量的新鮮凍蓮隔絕空氣解凍后，加入2 倍質(zhì)量的蒸餾水置于榨汁機中攪碎成蓮子漿，漿液過(guò) 100 目篩紗布，加 2 倍蒸餾水稀釋攪拌后，20~25 ℃ 靜置沉淀 8 h。 淀粉沉降分層后棄去上澄清液，用蒸餾水沖洗沉淀表面，再次用足量的蒸餾水溶解沉淀，在同樣的溫度下靜置，直至淀粉和水分層，棄去上清液。 后用蒸餾水清洗沉淀表面，平鋪于 托 盤(pán) 中，50 ℃ 烘 干 至 淀 粉 水 分 含 量 為11. 8%，取出密封保存。
1. 3. 2 抗性淀粉制備
稱(chēng)取不同質(zhì)量的蓮子淀粉加入蒸餾水配制成不同濃度的淀粉乳溶液，充分攪拌后裝入真空包裝袋中抽真空包裝。 將淀粉乳聲波處理后于高壓滅菌鍋中隔層放置。 在高壓滅菌鍋的作用下，使淀粉糊化。 之后取出淀粉糊冷卻至室溫，在 4 ℃下冷藏 12h，干燥粉碎，過(guò)篩后密封儲藏備用。
1. 3. 3 抗性淀粉得率測定
未純化的蓮子抗性淀粉中加入 3 倍體積的蒸餾水，配制成抗性淀粉溶液。 往該溶液中加入適量檸檬酸－磷酸氫二鈉緩沖液，充分攪拌。 移取足量液體α-淀粉酶( 10 000 U/mL) 于溶液中，在溫度為 90 ℃的恒溫振蕩器中作用至使碘液不變藍，之后自然冷卻。 將4 mol/L 的檸檬酸加入至冷卻的溶液中，調節pH 值 4. 2 左右后再加入過(guò)量液體葡萄糖淀粉酶( 100 000 U/mL) ，在溫度為 60 ℃ 的恒溫振蕩器中作用 1 h 后，自然冷卻。 將所得溶液 4 000 r/min 離心 12 min，緩慢取出離心管，防止抖動(dòng)。 倒出上清液后，以蒸餾水溶解沉淀。 再次離心，重復上述過(guò)程 3次。 往沉淀中加入 5 mL 2 mol/L KOH 溶液，用攪拌器持續攪拌 30 min，使蓮子抗性淀粉溶解。 堿性溶液中加入 1 mol/L 的乙酸溶液使 pH 為 4. 2 左右，加入過(guò)量液體葡萄糖淀粉酶( 100 000 U/mL) ，60℃ 恒溫振蕩器中作用 1 h。 之后，溶液在 4 000 r / min轉速下作用 10 min，收集上層液體，用少量蒸餾水洗滌沉淀。 溶解沉淀，再次離心，重復 3 次。 將上清液混合，后定容至 100 mL。
DNS 法測定樣品中葡萄糖含量。 蓮子抗性淀粉得率計算如式( 1) :蓮子抗性淀粉得率 Y =( c' × V × N) /1 000W× 0. 9 × ， ( 1)
式( 1) 中，W 為蓮子淀粉質(zhì)量，g; c'為樣品葡萄糖質(zhì)量濃度，mg/mL; V 為抗性淀粉溶解液體積，mL; N 為抗性淀粉溶解液稀釋倍數。
1. 4 實(shí)驗設計
1. 4. 1 單因素實(shí)驗
影響蓮子抗性淀粉得率的主要因素有: 蓮子淀粉乳濃度、聲波功率、聲波處理時(shí)間、壓熱時(shí)間和壓熱溫度。以淀粉乳濃度為單因素實(shí)驗時(shí)，固定聲波功率為 210 W，聲波處理時(shí)間為 25 min，壓熱溫度為105 ℃ ，壓熱時(shí)間為 9 min。 以聲波功率為單因素實(shí)驗時(shí)，固定蓮子淀粉乳濃度為 25%，聲波處理時(shí)間為 25 min，壓熱溫度為 105 ℃，壓熱時(shí)間為 9min。 以聲波處理時(shí)間為單因素實(shí)驗時(shí)，固定淀粉乳濃度為 25%，聲波功率為 210 W，壓熱溫度為105 ℃ ，壓熱時(shí)間為 9 min。 以壓熱時(shí)間為單因素實(shí)驗時(shí)，固定淀粉乳濃度為 25%，聲波功率為 210W，聲波處理時(shí)間為 25 min，壓熱溫度為 105 ℃ 。
以壓熱溫度為單因素實(shí)驗時(shí)，固定淀粉乳濃度為25% ，聲波功率為 210 W，聲波處理時(shí)間為 25min，壓熱時(shí)間為 9 min。
1. 4. 2 正交優(yōu)化試驗
單因素實(shí)驗結果表明，淀粉乳濃度、壓熱時(shí)間、壓熱溫度對得率影響較大。 聲波作為前處理，其作用時(shí)間的長(cháng)短直接影響制備的效率。
1. 4. 3 數據與統計
實(shí)驗平行做 3 次; 以平值表示試驗結果;運用 Excel 2013 和 DPSv 7. 05 數據處理軟件進(jìn)行數據處理和分析。
2 結果與分析
2. 1 標準曲線(xiàn)的繪制
由吸光度對質(zhì)量濃度進(jìn)行回歸，求得葡萄糖標準溶液曲線(xiàn) Y =0. 478 0X +0. 004 4，相關(guān)系數 Ｒ2=0. 999 9，如圖 1。
Y 為在 480 nm 波長(cháng)處測定的吸光度
值; X 為葡萄糖標準液的質(zhì)量濃度( mg/mL) 。
2. 2 單因素實(shí)驗結果與分析
在淀粉乳濃度低于 45% 條件下，蓮子抗性淀粉的得率隨著(zhù)淀粉乳濃度的提高而增加。 在淀粉濃度達到 45% 時(shí)，此時(shí)得率達。在淀粉乳濃度高于 45%條件下，蓮子抗性淀粉的得率卻隨著(zhù)淀粉乳濃度的升高而減少。 實(shí)驗結果表明: 淀粉乳濃度的不同影響著(zhù)抗性淀粉含量的高低。蓮子原淀粉晶體是由直鏈淀粉和支鏈淀粉構成的，經(jīng)過(guò)聲波預處理后，原淀粉顆粒破裂，直鏈淀粉被切割成長(cháng)度較短的分子鏈并部分溶出。 在糊化時(shí)，支鏈淀粉結構瓦解，直鏈淀粉從顆粒中溢出。 當淀粉乳濃度適宜時(shí)，溶出的直鏈淀粉能較充分地結合，促進(jìn)回生，有利抗性淀粉形成。 當淀粉乳溶液濃度過(guò)高時(shí)，體系中的水不足以使淀粉顆粒膨脹，直鏈淀粉無(wú)法從顆粒中釋放出來(lái)，體系黏度變大，進(jìn)而限制其相互接近形成重結晶，降低了抗性淀粉的得率; 當淀粉乳溶液濃度過(guò)低，雖然充足的水分能使直鏈淀粉溢出，但是直鏈淀粉分子在低溫回生過(guò)程中，相互接近形成雙螺旋結構的概率降低，導致抗性淀粉得率下降。 因此，適宜的淀粉乳濃度有利于抗性淀粉的形成。
蓮子抗性淀粉得率隨著(zhù)聲波功率的增大而提高。 在聲波清洗器滿(mǎn)功率 300 W時(shí)蓮子抗性淀粉得率達到。 這是因為高強度聲波能破壞淀粉顆粒。 蓮子淀粉乳在聲波的作用下，水分子與淀粉分子之間摩擦加快，從而引起淀粉分子 C—C 鍵斷裂，生成大量較短的 C—C 分子鏈。 較短的 C—C 分子鏈更有利于通過(guò)氫鍵形成雙螺旋結構。 因此，適當強度的聲作用可提高抗性淀粉得率。
蓮子抗性淀粉得率隨聲波處理時(shí)間的增加其差異并不顯著(zhù)。 聲波功率和聲波處理時(shí)間共同影響著(zhù)淀粉的水解程度，聲波處理時(shí)間對蓮子抗性淀粉得率的影響小于聲波功率。 在抗性淀粉的制備過(guò)程中，適宜的聲波處理有助于縮短抗性淀粉的制備時(shí)間。
隨著(zhù)壓熱時(shí)間的延長(cháng)，蓮子抗性淀粉得率先增大后變小，后趨于平穩。 在壓熱時(shí)間為 9 min 時(shí)蓮子抗性淀粉得率達到。 壓熱時(shí)間為 9，12，15 min 對抗性淀粉得率并無(wú)顯著(zhù)差異影響。 短時(shí)間的壓熱處理不利于抗性淀粉的形成，然而過(guò)長(cháng)時(shí)間的壓熱處理并沒(méi)有顯著(zhù)提高蓮子抗性淀粉的得率。 相關(guān)研究顯示，壓熱時(shí)間的長(cháng)短對抗性淀粉的形成有一定影響。 在聲波預處理作用下，雖然淀粉顆粒中部分直鏈淀粉溢出，但支鏈淀粉中的 α-1，6-糖苷鍵的存在會(huì )阻礙直鏈淀粉相互接近。 經(jīng)過(guò)壓熱處理過(guò)程，支鏈淀粉溶解膨脹，直鏈淀粉將溶出。 但當壓熱時(shí)間過(guò)短，將導致支鏈淀粉無(wú)法糊化，直鏈淀粉的溢出受到抑制且此時(shí)其聚合度較高，分子間斥力較大，分子鏈之間不容易聚集形成晶體。 然而，壓熱時(shí)間太長(cháng)會(huì )導致直鏈淀粉過(guò)度降解，使其長(cháng)度偏短，分子量偏小。 這種被過(guò)度降解的淀粉分子，長(cháng)度偏短、分子量偏小，因而無(wú)法通過(guò)氫鍵的作用形成雙螺旋結構，從而影響抗性淀粉的形成。 可見(jiàn)蓮子淀粉的壓熱時(shí)間以 9 min為宜。
蓮子抗性淀粉得率在壓熱溫度為 105 ℃時(shí)達到，且相對于其他壓熱溫度影響顯著(zhù)。 當壓熱溫度處于 85 ～95 ℃時(shí)，只有部分直鏈淀粉溢出，淀粉只發(fā)生部分糊化; 當壓熱溫度達 95℃ 以上時(shí)，大量的直鏈淀粉分子從淀粉顆粒中溢出，支鏈淀粉糊化，此時(shí)溶液呈凝膠狀態(tài)。 當溫度進(jìn)一步升高至 105 ℃時(shí)，此時(shí)體系的黏度要比淀粉剛糊化的時(shí)候低，這對直鏈結合形成穩定結晶結構有幫助。 而當溫度進(jìn)一步升高時(shí)，直鏈淀粉過(guò)度降解，難以形成直鏈淀粉集聚區。 此時(shí)晶核無(wú)法結合直鏈淀粉，晶體的進(jìn)一步增長(cháng)受到限制，不利于抗性淀粉的形成。
2. 3 正交試驗結果與分析
根據單因素實(shí)驗的結果: 抗性淀粉得率在聲波低功率時(shí)處于較低水平，當聲波功率達到儀器值 300 W 時(shí)，蓮子抗性淀粉得率。 故正交試驗時(shí)選取淀粉乳濃度( %) 、聲波處理時(shí)間( min) 、壓熱時(shí)間( min) 和壓熱溫度( ℃) 為考察因素，采用 L9( 34) 正交表，進(jìn)行正交試驗設計，得出提取蓮子抗性淀粉的工藝參數。因素對聲波－壓熱法制備的蓮子抗性淀粉得率的作用大小為: C( 壓熱時(shí)間) ＞A( 淀粉乳濃度) ＞ D( 壓熱溫度) ＞ B( 聲波處理時(shí)間) 。 由正交試驗結果得出較佳水平組合為 A2B3C3D2。
即當聲波功率為 300 W 時(shí)，淀粉乳濃度 45%，聲波處理時(shí)間 55 min，壓熱時(shí)間 15 min，壓熱溫度115 ℃ 時(shí)，計算得出蓮子抗性淀粉理論得率可達 57. 27%。
壓熱時(shí)間( P = 0. 02) 、淀粉乳濃度( P = 0. 03) 對蓮子淀粉得率的作用顯著(zhù)，壓熱溫度( P = 0. 05) 蓮子抗性淀粉得率作用不顯著(zhù)。采用所得優(yōu)化條件，即淀粉乳濃度 45%，聲波功率 300 W，聲波處理時(shí)間 55 min，壓熱時(shí)間 15min，壓熱溫度 115 ℃ ，進(jìn)行驗證性實(shí)驗，得出該條件下蓮子抗性淀粉實(shí)際得率為 56. 12%，與理論預測值 57. 27%相差 2. 01%。 因此通過(guò)正交優(yōu)化后所得的優(yōu)工藝條件較為可靠，可在聲波－壓熱法制備蓮子抗性淀粉的過(guò)程獲得較高的抗性淀粉含量。
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