抗性糊精滾子加熱制備工藝的研究

黃繼紅，楊銘乾，游倩倩，蘇雪鋒，馮軍偉，王 文

（1.河南工業(yè)大學(xué) 生物工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.鄭州市中食農(nóng)產(chǎn)品加工研究院，河南 鄭州 450001）

0 前言

淀粉作為一種重要的原料，被人們廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)和食品加工，隨著科學(xué)研究的深入，各種各樣淀粉深加工產(chǎn)物得到了人們的廣泛接受和應(yīng)用.抗性糊精，一種膳食纖維[1]，淀粉深加工產(chǎn)物的重要成員，深受人們喜歡.膳食纖維被稱為人體健康所必需的第七大營養(yǎng)元素[2]，不僅可以用作食品添加劑，同時(shí)，也作為一種保健食品，用于治療高血糖，調(diào)節(jié)血脂，腸道益生，防御肥胖，有益于維持人們的身體健康[3-6].

抗性糊精的發(fā)展起源于20 世紀(jì)80 年代的日本[7]，我國在1995 年之后也開始對其研究.2012年，我國衛(wèi)生部公布抗性糊精為新資源食品.到目前為止，抗性糊精的制備方法各種各樣，如寇秀穎等[8]采用化學(xué)改性和高溫焙烤的方法進(jìn)行抗性糊精的制備，吳勝旭等[9]采用微波法進(jìn)行制備等，但抗性糊精含量較低或反應(yīng)不均勻等問題的存在，制約了其發(fā)展.作者采用滾子加熱，即在密閉的滾子中將酸處理過的淀粉進(jìn)行高溫?zé)峤?，密閉高溫產(chǎn)生高壓環(huán)境[10]，克服了傳統(tǒng)工藝的反應(yīng)不均的問題，同時(shí)也有效地提高了產(chǎn)物中抗性糊精的含量.

1 材料與方法

1.1 材料

玉米淀粉（含水14.29%）：成武大地玉米開發(fā)有限公司；濃HCl、Na2HPO4·12H2O、KH2PO4、四水酒石酸鉀鈉、NaOH、Na2SO3、95%的乙醇、苯酚、3，5-二硝基水楊酸均為化學(xué)純；耐高溫α-淀粉酶（6 000 u/mL）：財(cái)鑫集團(tuán)；糖化酶（3 300 u/mL）：北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司；活性炭：重慶飛洋活性炭制造有限公司.

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

SHA-C數(shù)顯水浴恒溫振蕩器：金壇華峰儀器有限公司；723N可見分光光度計(jì)：上海精密科學(xué)儀器有限公司；雷磁pH計(jì)PHS-3E：上海精密科學(xué)儀器有限公司；湘儀離心機(jī)TDZ5-WS多管架自動平衡離心機(jī)：河南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開發(fā)有限公司；SHB-Ⅲ型循環(huán)水式多用真空泵：鄭州國瑞儀器有限公司；FA12048電子天平：上海精密科學(xué)儀器有限公司；GZX-GF-MBS-I型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥機(jī)：上海一恒科學(xué)儀器有限公司；CRL-BX3型便攜式滾子加熱爐：青島百瑞達(dá)石油機(jī)械制造有限公司.

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 工藝流程

玉米淀粉→預(yù)干燥→噴酸→再干燥→高溫?zé)峤狻榛透邷卅?淀粉酶液化→糖化酶糖化→滅酶→脫色→離心→抽濾→醇沉→離心→干燥→成品.

通過預(yù)試驗(yàn)，表明以酸熱處理的方法制備抗性糊精過程中，鹽酸的添加量、滾子加熱溫度、滾子加熱時(shí)間及耐高溫α-淀粉酶的添加量是影響抗性糊精含量的主要因素，并設(shè)計(jì)單因素及響應(yīng)面試驗(yàn)以確定抗性糊精制備的最佳條件.

1.3.2 抗性糊精含量的檢測[4]

精確稱量經(jīng)過干燥的樣品0.25 g，加入0.05 mol/L、pH 6.0 的磷酸緩沖液50 mL 溶解，加入1 mL 耐高溫α-淀粉酶（60 u/mL），在95 ℃下酶解30 min；然后冷卻至室溫，調(diào)pH 為4.5，加糖化酶（100 u/mL）1 mL，在60 ℃下反應(yīng)30 min，升溫至90 ℃滅酶并定容至250 mL，最后用DNS 試劑測還原糖的含量，樣品中抗性糊精的含量的計(jì)算公式為：

抗性糊精含量（%）=100-還原糖的含量（%）×0.9.

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 加酸量對抗性糊精含量的影響

準(zhǔn)確稱取一定量的玉米淀粉樣品，預(yù)干燥后，分別按2%、4%、6%、8%、10%的量噴灑濃度為1%的鹽酸，并與淀粉混合均勻；再次干燥之后，用滾子加熱爐將處理的樣品在170 ℃下密閉高溫滾子加熱1.5 h；然后經(jīng)調(diào)乳，調(diào)pH 6.0，分別加入0.04%耐高溫α-淀粉酶，95 ℃高溫酶解0.5 h；再調(diào)pH 4.5，60 ℃二次酶解0.5 h；再經(jīng)滅酶、脫色、離心、抽濾、醇沉、干燥即得產(chǎn)品，產(chǎn)品按1.3.2 中所示方法進(jìn)行檢測，結(jié)果見圖1.

圖1 加酸量對抗性糊精含量的影響

圖1 表明，隨著鹽酸量的增加，抗性糊精的含量也在增加；但是，加酸量的提高，也使得抗性糊精的顏色不斷加深，并且，其口感風(fēng)味也越來越差，使得后期的處理更加復(fù)雜，因此綜合考慮各種影響，確定鹽酸的最佳添加量為8%.

2.1.2 滾子加熱溫度對抗性糊精含量的影響

依據(jù)工藝流程，依次控制加酸量為8%，滾子加熱時(shí)間為1.5 h，耐高溫α-淀粉酶添加量為0.04%，分別控制滾子加熱溫度依次為150 ℃、160℃、170 ℃、180 ℃、190 ℃，其他操作與2.1.1 相同，檢測并得到相應(yīng)結(jié)果如圖2 所示.

圖2 滾子加熱溫度對抗性糊精含量的影響

由圖2 可知，隨著溫度的升高，抗性糊精的含量逐漸升高，且在180 ℃之后，抗性糊精含量增長加劇，當(dāng)溫度超過200 ℃時(shí)，密閉條件下，淀粉可能出現(xiàn)焦化熔融的現(xiàn)象，考慮到抗性糊精的品質(zhì)問題，確定最適熱處理溫度為170 ℃.

2.1.3 滾子加熱時(shí)間對抗性糊精含量的影響

依據(jù)工藝流程，控制加酸量為8%，滾子加熱溫度為170 ℃，加酶量為0.04%，按滾子加熱時(shí)間分別為0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h 進(jìn)行抗性糊精的制備，其他操作同2.1.1，檢測結(jié)果如圖3 所示.

圖3 滾子加熱時(shí)間對抗性糊精含量的影響

由圖3 可以看出，1.5 h 之前，隨著滾子加熱時(shí)間的加長，抗性糊精的含量快速增加；當(dāng)1.5 h之后，抗性糊精的含量變化逐漸趨于平緩，由此可知，在酸熱環(huán)境下，淀粉的裂解重聚反應(yīng)基本完成，且考慮到能耗問題，確定滾子加熱時(shí)間最佳為1.5 h .

2.1.4 耐高溫α-淀粉酶的添加量對抗性糊精含量的影響

同樣，依據(jù)工藝流程，調(diào)節(jié)加酸量為8%，滾子加熱溫度為170 ℃，滾子加熱時(shí)間為1.5 h，并分別按0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%的量加入耐高溫α-淀粉酶，按2.1.1 所述操作，檢測結(jié)果如圖4 所示.

由圖4 可知，當(dāng)耐高溫α-淀粉酶的添加量小于0.04%時(shí)，抗性糊精的含量隨著酶添加量的增加而增加，而酶添加量高于0.04%時(shí)，抗性糊精的含量變化漸漸趨于平緩，而為了使酶解更為完全，確定最佳酶添加量為0.04%.

圖4 加酶量對抗性糊精含量的影響

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)選擇試驗(yàn)條件進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)，利用 Design-Expert 8.0.6 軟件進(jìn)行 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)，各因素與水平見表1，每個(gè)因素3 個(gè)水平，中心點(diǎn)有5 個(gè)重復(fù).

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平

Box-Behnken 試驗(yàn)結(jié)果見表2.

以抗性糊精的含量為響應(yīng)面指標(biāo)，利用Design-Expert 8.0.6 軟件對表2 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，得到加酸量（X1）、溫度（X2）、時(shí)間（X3）和加酶量（X4）對抗性糊精的含量（R1）影響的預(yù)測方程如下：

響應(yīng)值二次模型的方差分析及顯著性如表3所示.

由表3 可以看出，模型P＜0.000 1，模型極顯著.失擬項(xiàng)P=0.075 5＞0.05 不顯著，因此二次模型成立，應(yīng)用此模型可以分析和預(yù)測利用滾子熱裂解制備抗性糊精的工藝優(yōu)化.其中一次項(xiàng)X1、X2、X3、X4極顯著，二次項(xiàng)X42極顯著，X32顯著，交互項(xiàng)都不顯著.所以，可以看出加酸量、溫度、時(shí)間及加酶量對抗性糊精含量的影響都極為顯著，而各因素之間的交互作用對抗性糊精含量的影響并不明顯.

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表3 響應(yīng)值二次模型的方差分析

圖5 清晰地反映各兩兩因素交互作用對響應(yīng)值抗性糊精含量的影響，根據(jù)長軸邊指向的因素對響應(yīng)值的影響大于短軸邊指向的因素，可以看出各因素對響應(yīng)值影響的大小順序?yàn)閄2＞X1＞X4＞X3，即溫度＞加酸量＞加酶量＞時(shí)間.

利用Design-Expert 8.0.6 軟件，對抗性糊精含量的二次多項(xiàng)式模型進(jìn)行解逆矩陣[11]，求得4 個(gè)因素的最佳工藝參數(shù)為加酸量8%、加熱溫度178.78℃、加熱時(shí)間2 h、加酶量0.05%，在此條件下抗性糊精含量的最大預(yù)測值為84.63%，該組合并不符合響應(yīng)面方案中的任一組合.但從試驗(yàn)操作的方便和效益考慮，對工藝參數(shù)修正為加酸量8%、加熱溫度180 ℃、加熱時(shí)間1.5 h、加酶量0.04%，在此條件下抗性糊精的含量為83.97%，實(shí)際值與預(yù)測值基本相符，表明模型建立合理，預(yù)測結(jié)果較為準(zhǔn)確，此最優(yōu)工藝條件具有可行性.

圖5 各因素交互作用影響的響應(yīng)曲面和等高線

3 結(jié)論

通過單因素優(yōu)化試驗(yàn)可知，鹽酸的添加量和滾子加熱處理溫度是影響抗性糊精含量的重要因素，而滾子加熱時(shí)間和酶添加量僅在較小的范圍內(nèi)對抗性糊精的含量有影響，當(dāng)超出一定范圍，該影響將會減小，直至趨近于零.因此，在不影響抗性糊精質(zhì)量和能耗最少的條件下，應(yīng)盡可能地提高鹽酸的添加量和滾子加熱處理溫度.通過響應(yīng)面及實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定制備抗性糊精的最佳工藝條件為加酸量為8%，滾子加熱溫度為180 ℃，加熱時(shí)間為1.5 h，酶添加量為0.04%，得到抗性糊精的含量為83.97%.

盡管此工藝條件相比于傳統(tǒng)的制備工藝很大程度地提高了抗性糊精的含量，滾子加熱處理淀粉原料在抗性糊精的制備中有很好的應(yīng)用前景，但樣品的進(jìn)一步提純，如脫色除雜等處理還需進(jìn)一步研究.

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