马铃薯抗性淀粉的微波预处理条件及性质研究

李周勇，韩育梅，夏德冬

（1.内蒙古农业大学食品科学与工程学院，内蒙古呼和浩特010018；2.内蒙古蒙牛乳业（集团）股份有限公司研发中心，内蒙古呼和浩特011500；）

抗性淀粉（resistant starch，RS）是指健康人体小肠中不吸收的淀粉及其降解产物[1]。抗性淀粉是一种持水性低、无异味、多孔的白色粉末，根据淀粉来源和人体试验结果，可以分为4个类型[2]：RS1物理包埋淀粉、RS2抗性淀粉颗粒、RS3老化淀粉以及RS4化学改性淀粉。抗性淀粉具有多种生理功能，如减少血清中胆固醇和甘油三酸酯，控制餐后血糖，促进肠道内有益菌的生长繁殖，减少结肠癌发病率等[3]。将抗性淀粉合理应用在食品生产中，可以研制出具有多种保健功能的产品。

微波预处理用于辅助制备抗性淀粉的机理是：微波辐射使淀粉内部水分汽化，同时淀粉糊化，形成多孔的网状结构，有利于酶的进一步作用。淀粉的分子结构是淀粉理论的研究基础。马铃薯抗性淀粉的流变学特性决定了它在食品领域的应用前景，其粘度特性可用以分析抗性淀粉的糊化性质和结晶性质，抗酸性可用以分析其在酸性食品中的适用性[4]。基于以上原因，在酶法的基础上，将微波预处理技术应用于马铃薯抗性淀粉的制备，以期提高抗性淀粉的得率，并通过对马铃薯抗性淀粉的分子结构、流变学特性、粘度特性及抗酸性进行测定，研究其具体的理化性质以及在食品领域的应用前景，具有一定的理论和实用价值。

1 材料与方法

1.1 试验材料

马铃薯精制淀粉：市售，呼和浩特华欧淀粉有限公司；大豆色拉油：市售，青岛嘉里植物油有限公司；耐高温α-淀粉酶（70 000 CU/mL）、普鲁兰酶（500 PUN（G）/mL）、葡萄糖淀粉酶（135 000 CU/mL）：诺维信生物技术有限公司；胃蛋白酶（1：12000）：北京奥博星生物技术有限公司。

1.2 设备

THZ-82（A）型数显水浴恒温振荡器：江苏金坛莱华仪器制造有限公司；Sigma1-14K冷冻离心机：德国SIGMA公司；紫外可见分光光度计：上海沪粤明科学仪器有限公司；格兰仕G8023GL-K3微波炉：广东格兰仕电器厂；S-530扫描电子显微镜（SEM）：日本日立电气公司；LG-Z680020布拉班德粘度仪：天津市布鲁克科技有限公司；WZ-108手持式糖度计：浙江托普仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 微波-酶解复合法制备马铃薯抗性淀粉的工艺流程

马铃薯淀粉调乳→微波预处理→耐高温α-淀粉酶液化→普鲁兰酶脱支→老化→干燥，粉碎，过筛→马铃薯抗性淀粉。

1.3.2 抗性淀粉含量的测定（Goni法[5]）

1）称取抗性淀粉样品5 g（100目）于100 mL烧杯中，加 HCl-KCl缓冲溶液（pH1.5）25mL，加 1mL 胃蛋白酶液（10g胃蛋白酶，用HCl-KCl缓冲液定容至200mL），40℃下恒温振荡1 h，除去样品中的蛋白质。

2）用2 mol/LHCl和 0.5 mol/L NaOH 调节 pH 至5.8～6.5，加入耐温 α-淀粉酶溶液（7 500 CU/mL）1 mL，在95℃下恒温振荡30 min，水解可消化淀粉。

3）调节溶液pH至4.0～4.5，加入葡萄糖淀粉酶溶液（15 000 CU/mL）1 mL，70℃恒温振荡 1 h，水解可消化淀粉为葡萄糖。冷却，离心（4 000 r/min，15 min），弃掉上清夜，重复3次，洗掉其中的葡萄糖。

4）加入3mL5mol/L的KOH，水浴加热并搅拌使抗性淀粉溶解。用5mL3mol/L的HCl中和KOH，调节pH至4.0～4.5，加入1mL葡萄糖淀粉酶溶液（15000CU/mL），60℃恒温水浴并保持不断振荡1 h，水解溶出的淀粉成葡萄糖。室温冷却并离心（4 000 r/min，15 min）。收集上清夜，如此反复3次。离心结束后，合并上清夜，用蒸镏水定容至100 mL。

5）DNS法测还原糖，并用下列公式计算抗性淀粉的含量。

式中：C为DNS法测得的还原糖量，mg；V为样品提取液的体积，mL；W为样品重，g；a为显色用样品液体积，mL。

1.3.3 微波条件的单因素试验

1.3.3.1 淀粉乳质量分数对RS3得率的影响

控制淀粉乳质量分数分别为5%、10%、15%、20%、25%、30%，在微波功率800 W、微波作用时间120 s、耐高温α-淀粉酶添加量10 CU/g干淀粉、耐高温α-淀粉酶酶解时间30 min、普鲁兰酶添加量0.1 PUN（G）/g干淀粉、普鲁兰酶作用时间6 h、普鲁兰酶作用温度55℃、老化温度4℃、老化时间24 h的条件下，80℃干燥20 h，粉碎过100目筛，测定抗性淀粉的含量。

1.3.3.2 微波作用时间对RS3得率的影响

在淀粉乳质量分数15%的条件下，控制微波作用时间分别为 0、30、60、90、120、150 s，其它条件和处理不变，测定抗性淀粉的含量。

1.3.3.3 微波功率对RS3得率的影响

在淀粉乳质量分数15%、微波作用时间90 s的条件下，控制微波功率分别为 160、320、480、640、800 W，其它条件和处理不变，测定抗性淀粉的含量。

1.3.4 抗性淀粉的电镜测定[6]

取少量优化制得的样品于25mL烧杯中，加入10mL乙醇，超声波振荡20 min后用镊子取出，置于白炽灯下快速烘干。测定时将样品均匀地分布在双面胶上，并作喷金处理。将处理好的样品置于电子显微镜下观察，拍摄样品中具有代表性的颗粒照片，了解其形貌特征。

1.3.5 抗性淀粉流变学特性的测定

1.3.5.1 持水性的测定[7]

准确称取5.00 g样品制成淀粉乳，80℃条件下水浴 1 h，自然冷却后离心 10 min（3 000 r/min），并弃掉上清液。吸干离心管内外壁上附着的水分，测沉淀的重量。

样品持水性/%=（沉淀的重量/样品的重量）×100

1.3.5.2 吸水率的测定[8]

样品过75目筛后，平铺在干燥的称量瓶中，使之均匀分布，放入底部留有足量蒸馏水的干燥器中，密封后移至恒温培养箱，35℃下放置50 h，取出，重复3次称样品的重量，取平均值。

式中：m1为干燥样品的质量，g；m2为吸水后样品的质量，g。

1.3.5.3 乳化性的测定[9]

准确称取2.00 g样品，加150 mL水制成淀粉乳，保温15 min后加入50 mL大豆色拉油，2 000 r/min条件下均质1 min，然后在3 000 r/min条件下离心5 min。

样品乳化能力EA/%=离心管内乳化层高度/离心管内液体总高度×100

将测定过乳化能力的样品于80℃条件下水浴30 min，取出后用冷水冷却至室温。再在3 000 r/min条件下离心5 min，可求出样品的乳化稳定性。

样品乳化稳定性ES/%=仍保持的乳化层高度/液体总高度×100

1.3.5.4 抗性淀粉Brabender黏度曲线的测定[10]

通过对抗性淀粉布拉班德粘度变化曲线进行测定，了解马铃薯抗性淀粉的糊化特性和粘度稳定性。具体方法是，分别取马铃薯抗性淀粉和马铃薯原淀粉测水分含量，根据布拉班德粘度仪的提示配置成一定浓度的淀粉乳液。将淀粉乳倒入仪器中，启动仪器，测定粘度曲线。布拉班德粘度仪的设定系数是，以1.5℃/min的速率从室温升至95℃，然后在95℃下保持30 min，整个过程由仪器自动控制。

1.3.6 抗性淀粉的耐酸性测定[11]

分别称取马铃薯抗性淀粉和马铃薯原淀粉各5.0 g，以pH分别为1、2、3、4的HCl溶液配制成浓度为5%的淀粉乳液。将淀粉乳放置于85℃的恒温水浴振荡器中，用手持式糖度计测定淀粉乳中可溶性固形物的含量。准确记录淀粉乳可溶性固形物开始变化的时间，将此时间作为淀粉耐酸性的评价指标。

2 结果与分析

2.1 微波条件单因素试验结果

微波预处理条件中，抗性淀粉形成的影响因素包括淀粉乳质量分数、微波作用时间、微波作用温度、微波功率等。由于试验条件的限制，试验无法控制微波作用温度。因此，主要对淀粉乳质量分数、微波作用时间及微波功率进行了研究。具体结果如图1～图3所示。

图1 淀粉乳质量分数对抗性淀粉得率的影响Fig.1 Influence of powders concentration on RS yield

图2 微波作用时间对抗性淀粉得率的影响Fig.2 Influence of microwave action time on RS yield

图3 微波功率对抗性淀粉得率的影响Fig.3 Influence of microwave power on RS yield

由图1～图3可以看出，微波作用时间和微波功率对抗性淀粉形成的影响较大，淀粉乳质量分数对抗性淀粉形成的影响相对较小。当淀粉乳质量分数为15%时，抗性淀粉含量最高，大于或小于15%均不利于抗性淀粉的形成。当微波作用时间为90 s时，抗性淀粉的得率最高，若微波作用时间过短，淀粉糊化不充分，过长则水分损失较多，均不利于抗性淀粉的形成。当微波功率为800 W时，抗性淀粉得率最高，且通过图3的变化趋势可以看出，随着微波功率增大，抗性淀粉得率还有继续提高的空间。但是由于条件限制，试验微波功率只能达到800W，大于800W的情况有待进一步研究。

试验在酶条件固定的情况下，研究微波各因素对抗性淀粉得率的影响。结果表明，在淀粉乳质量分数15%、微波作用时间90 s、微波功率800 W的条件下，抗性淀粉得率最高为17.2%。采用以上优化微波预处理条件制得的马铃薯抗性淀粉，进行进一步的理化性质检测。

2.2 抗性淀粉的电镜测定结果

对马铃薯原淀粉、酶法制得的马铃薯抗性淀粉以及微波-酶解复合法制得的马铃薯抗性淀粉分别进行电镜测定，具体颗粒观察结果如图4所示。

图4 马铃薯原淀粉（×800）、酶法制得的马铃薯抗性淀粉（×1 500）及微波酶解复合法制得的马铃薯抗性淀粉（×1 500）的电镜扫描图Fig.4 SEM-micrograph of potato starch（×800），potato resistant starch by enzymolysis and microwaveenzymolysis（×1 500）

由图4可以看出，马铃薯原淀粉（A）的颗粒形态呈圆形或者椭圆形，颗粒表面光滑，结构紧密。采用酶法制得的马铃薯抗性淀粉（B），颗粒形态产生了明显变化，与原淀粉相比，其光滑的表面结构消失，形成了粗糙且有凹陷的不规则形状，结晶结构明显。采用微波-酶解复合法制得的马铃薯抗性淀粉（C），与马铃薯原淀粉相比，其颗粒形态同样产生了明显变化，其光滑表面消失，变得粗糙；与酶法制得的马铃薯抗性淀粉相比，其形状更规则，表现出更强的结晶性。这是由于微波-酶法制备马铃薯抗性淀粉在酶解的基础上，对淀粉进行了微波预处理，加强了淀粉的糊化程度，且膨化效应促进了淀粉与酶的作用，直链淀粉含量增加，从而使抗性淀粉结晶性更强。

2.3 抗性淀粉流变学特性的测定结果

2.3.1 马铃薯抗性淀粉的持水性、吸水率、乳化能力及乳化稳定性

马铃薯抗性淀粉与马铃薯原淀粉的持水性、吸水率、乳化能力及乳化稳定性的测定结果，如表1所示。

表1 马铃薯抗性淀粉与原淀粉的持水性、吸水率及乳化特性测定结果Table 1 The results of water-holding capacity，bibulous rate and emulsification characteristics determination to potato resistant starch and potato starch

由表1可以看出，马铃薯抗性淀淀粉的持水性为302.4%，显著高于原淀粉的230.0%。这是由于在抗性淀粉形成的过程中，经耐高温α-淀粉酶液化和普鲁兰酶脱支的淀粉分子老化，重新聚集成有序的结晶，形成类似于海绵状的多孔结构[12]。马铃薯抗性淀粉的吸水率为42.74%，明显高于原淀粉的18.10%，这可能是由于抗性淀粉在形成的过程中，直链淀粉分子增多，葡萄糖单元外侧的羟基使分子聚合物的亲水性增加，从而使抗性淀粉表现出更强的吸水性[13]。马铃薯抗性淀粉良好的持水性和吸水性，使其应用到焙烤类食品中时，不会对产品的口感产生不良影响，且抗性淀粉吸水后膨胀，使肠道内的食物变软，促进肠道的蠕动，有助于对食物的消化吸收[14]。

马铃薯抗性淀粉的乳化能力及乳化稳定性都要低于原淀粉，这使马铃薯抗性淀粉在某些乳化食品中的应用受到了限制。因此，在这些产品中使用时，通常要添加专门的乳化剂来辅助效果，以发挥抗性淀粉的生理保健功能。

2.3.2 马铃薯抗性淀粉的Brabender粘度曲线评价

马铃薯原淀粉与马铃薯抗性淀粉的Brabender粘度曲线评价如表2、表3所示。

表2 马铃薯原淀粉的Brabender粘度曲线评价Table 2 The evaluation of Brabender viscosity curve to potato starch

表3 马铃薯抗性淀粉的Brabender粘度曲线评价Table 3 The evaluation of Brabender viscosity curve to potato resistant starch

由表2和表3可以看出，马铃薯抗性淀粉的起始糊化温度高于原淀粉，这说明在相同条件下，马铃薯抗性淀粉比原淀粉更难糊化，这与陈光、高俊鹏等的研究结果一致[15]。马铃薯抗性淀粉糊的黏度也远低于原淀粉，这主要是因为抗性淀粉是由直链淀粉重结晶形成的，而直链淀粉形成的双螺旋结构不易被融化，使得抗性淀粉颗粒对热膨胀具有很强的抵抗能力[16]。马铃薯抗性淀粉的稠度高于原淀粉，说明其凝胶能力更强。从恒温阶段开始到恒温阶段结束，马铃薯抗性淀粉的粘度变化要远远小于原淀粉，说明马铃薯抗性淀粉的粘度热稳定性比较好。由此可见，马铃薯抗性淀粉具有较好的凝胶形成能力和黏度稳定性。

2.4 抗性淀粉的耐酸性测定结果

淀粉在酸溶液中一旦水解，其可溶性固形物的含量就会发生变化。通过测定可溶性固形物变化的时间，就可以比较样品的耐酸性。马铃薯抗性淀粉与原淀粉的耐酸性测定结果如表4所示。

由表4可以看出，马铃薯抗性淀粉具有较强的抗酸解性。当在pH＜2的强酸环境下时，抗性淀粉在第6 min时开始水解，所用时间较短；当pH＞2时，马铃薯抗性淀粉的抗酸性明显强于原淀粉。

表4 马铃薯抗性淀粉与原淀粉的耐酸性测定结果Table 4 The results of acid resistance to potato resistant starch and potato starch

马铃薯抗性淀粉的抗酸性与其结晶结构有关。抗性淀粉在形成过程中，直链淀粉分子互相接近，通过氢键连接形成双螺旋结构，双螺旋再互相叠加，从而形成直链淀粉晶体[17]。这种直链淀粉晶体对淀粉酶和酸都具有很强的抗性。虽然马铃薯抗性淀粉在强酸环境下能很快被水解，但是一般的食品物料很难达到这个酸度。因此，马铃薯抗性淀粉可以应用于酸性食品中。

3 结论

试验在酶作用条件固定的情况下，研究微波各因素对马铃薯抗性淀粉含量的影响。结果表明，在淀粉乳质量分数15%、微波作用时间90 s、微波功率800 W的条件下，制得的样品中马铃薯抗性淀粉的含量最高为17.2%。

采用扫描电镜（SEM）观察了马铃薯抗性淀粉的表面形态，发现与原淀粉相比，光滑表面变得粗糙不平，产生了凹陷的不规则形态；微波－酶法制得的抗性淀粉与单纯酶法制得的抗性淀粉相比，其结晶性增强。对马铃薯抗性淀粉的流变学特性进行测定后发现，马铃薯抗性淀粉的持水性、吸水性明显高于原淀粉，而乳化能力及乳化稳定性都要低于原淀粉。测定Brabender粘度曲线后发现，马铃薯抗性淀粉比原淀粉更难糊化，糊粘度也远低于原淀粉，但粘度稳定性及凝胶能力明显强于原淀粉。通过测定耐酸性发现，马铃薯抗性淀粉具有较强的抗酸解性，可以应用于酸性食品中。

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