韧化处理淀粉对直链淀粉溶出过程的研究

宫玉晶，赵　凯

（哈尔滨商业大学食品工程学院，食品科学与工程省级重点实验室，哈尔滨150076）

韧化处理淀粉对直链淀粉溶出过程的研究

宫玉晶，赵凯

（哈尔滨商业大学食品工程学院，食品科学与工程省级重点实验室，哈尔滨150076）

为研究韧化处理过程中直链淀粉溶出规律，以玉米淀粉为原料，在单因素实验的基础上，采用响应曲面法对韧化处理时温度和时间进行优化.建立了两个因素与直链淀粉溶出率之间的相关性，得到直链淀粉溶出过程的回归方程，经验证可以用得到的模型预测韧化处理时玉米淀粉的直链淀粉溶出过程.

韧化处理；直链淀粉溶出；响应曲面；拟合模型

淀粉是绿色植物由二氧化碳和水经光合作用合成的天然植物多糖，它以颗粒形式广泛存在于植物的果实、块根、块茎、籽粒中，是食物的重要组成部分，目前广泛应用于食品、造纸、纺织、精细化工、包装材料制造等工业［1-3］.淀粉主要由两种类型的分子组成，分别为直链淀粉和支链淀粉.不同来源和种类的淀粉中，两种分子的含量和比例不同.淀粉颗粒由结晶区和无定形区两部分组成，结晶区主要由支链淀粉分子以双螺旋结构形成，结构较为致密，不易被外力和化学试剂作用；无定形区主要由支链淀粉分子以松散的结构形成，容易受外力和化学试剂作用［4］；根据结晶衍射的不同可将淀粉主要分成三种不同的结晶类型，一类是以谷类如玉米、小麦、稻米淀粉为特征的A型结构；另一类是以块茎、果实和茎淀粉如马铃薯、西米和香蕉淀粉为特征的B型结构；还有一些根和豆类淀粉属于C型结构［5-6］.

淀粉改性主要包括物理改性、化学改性、酶改性和复合改性［7］，韧化处理属于物理改性的一种，一般在过量水分含量（通常≥40%）的条件下，采用低于淀粉糊化温度的条件对淀粉进行的一种热处理［8］.目前，对韧化处理淀粉研究较多的是韧化处理后淀粉的理化特性的改变以及韧化后淀粉消化速率的改变［9-11］，对韧化过程中直链淀粉的溶出情况研究较少；而测定韧化过程中直链淀粉的溶出对淀粉性质具有很大的影响，可根据直链淀粉的溶出情况来判断淀粉颗粒及糊性质变化.本实验以直链淀粉溶出率为指标，研究韧化处理对制备缓慢消化淀粉过程中直链淀粉溶出的影响.

1　材料与方法

1.1材料与试剂

玉米淀粉（黑龙江龙凤玉米开发有限公司）；直链淀粉标准品、支链淀粉标准品（美国Sigma有限公司）；葡萄糖、3，5-二硝基水杨酸、氢氧化钠、酒石酸钾钠、苯酚、亚硫酸钠、盐酸、碘、碘化钾、氢氧化钾等，以上试剂均为分析纯.

1.2仪器与设备

722E型可见分光光度计，上海光谱仪器有限公司；HAD-HZS-H型水浴恒温振荡器，北京恒奥德科技有限公司；PHS-25pH计，上海精科；DHG-9203A型电热恒温鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司；80-2型离心机，上海浦东物理光学仪器厂.

1.3方法

1.3.1直链淀粉含量的测定

测定直链淀粉含量的方法参照GB/T15683-2008方法［12］.

1.3.2上清液中还原糖含量的测定

3，5-二硝基水杨酸（DNS）比色法：取1.0 mL上清液，加入DNS试剂1.5 mL、沸水浴中加热5 min、定容放置20 min后在波长550 nm处测量吸光值［13］.

1.3.3上清液中总糖含量的测定

苯酚-硫酸法：取1.0 mL上清液，加入1.0 mL蒸馏水，然后加入6%苯酚1.0 mL及浓硫酸5. 0 mL，摇匀冷却，室温放置20 min后在波长490 nm处测量吸光度［14-15］.

1.3.4韧化处理浓度对直链淀粉溶出的影响

将玉米淀粉配制成质量分数为2%、4%、6%、8%、10%（干基，w/v）的淀粉乳，密封，在温度为45℃时水浴恒温振荡6 h，离心，得到上清液和沉淀，考察韧化浓度对直链淀粉溶出的影响.

1.3.5韧化处理时间对直链淀粉溶出的影响

将玉米淀粉配制成质量分数为4%（干基，w/ v）的淀粉乳，密封，在温度为45℃时水浴恒温振荡4、6、8、10、12、14 h，离心，得到上清液和沉淀，考察韧化时间对直链淀粉溶出的影响.

1.3.6韧化处理温度对直链淀粉溶出的影响

将玉米淀粉配制成质量分数为4%（干基w/ v）的淀粉乳，密封，在温度分别为30、35、40、45、50、55、60℃时水浴恒温振荡12 h，离心，得到上清液和沉淀，考察韧化温度对直链淀粉溶出的影响.

1.3.7响应曲面的实验设计［16］

通过前面研究表明温度、时间这两个因素对韧化处理过程的直链淀粉溶出有显著影响.采用中心组合实验设计对这两个因素进行优化，以直链淀粉的溶出率变化为响应值，优化实验的因素及水平见表1.

表1　玉米淀粉实验因素水平编码表

1.3.8数据处理

采用SPSS18.0软件进行数据处理、统计分析，采用Origin 8.5软件进行绘图.

2　结果与讨论

2.1韧化处理质量分数对直链淀粉溶出的影响

由图1可知，在韧化处理时，随着淀粉乳浓度的增加，直链淀粉的溶出率增加，但当淀粉乳质量分数大于4%时，直链淀粉的溶出率减少或基本保持不变；且随着淀粉乳浓度的增加溶出的还原糖的量和溶出的总糖的量逐渐增多.

图1　玉米淀粉韧化处理质量分数对直链淀粉溶出的影响

产生上述现象的原因可能是，水分含量对淀粉颗粒的结晶结构影响较大，当淀粉的含水量较高时，水分子由淀粉的孔隙进入颗粒内部，水分对淀粉的溶胀作用使淀粉颗粒发生膨胀，加大了淀粉分子链间的距离，使部分直链淀粉溶出.随着淀粉乳浓度的增加，直链淀粉的溶出量、还原糖的溶出量以及总糖的溶出量增加；但直链淀粉的溶出率出现先增加后减少的趋势，可能是因为淀粉乳质量分数增高时淀粉颗粒分散不均匀，在低于糊化温度下处理，水分渗透程度不同，导致直链淀粉的溶出率相对减少.所以，在后续实验中，选择质量分数为4%的淀粉乳，便于后续的操作以及测定.

2.2韧化处理时间对直链淀粉溶出的影响

由图2可以看出，玉米淀粉韧化时间在4～12 h时，直链淀粉的溶出率随着时间的增加而增加，在12～14 h时，直链淀粉的溶出率随着时间的增加而减少；而溶出的还原糖的量和总糖的量与其基本保持一致.

图2　玉米淀粉韧化处理时间对直链淀粉溶出的影响

产生上述现象是因为淀粉乳在低于糊化温度下处理，水分通过淀粉颗粒表面进入颗粒内部，无定形区是由直链淀粉以及支链淀粉的分叉部分排列而成的，所以分子链结合松散，无定形区吸收水分膨胀，使直链淀粉溶出，但随着时间的延长，溶出的直链淀粉淀粉互相缠绕聚集，导致上清液中直链淀粉的溶出率减少.

2.3韧化处理温度对直链淀粉溶出的影响

由图3可以看出，玉米淀粉中直链淀粉的溶出率随着温度的增加而增加；温度达到55℃时直链淀粉的溶出率增加，是由于在该温度下淀粉颗粒膨胀加剧；而直链淀粉的溶出率在60℃突然增加较大，可能是在该温度下部分淀粉颗粒开始糊化.而溶出的还原糖的量和总糖的量与其基本保持一致.

产生以上现象可能是因为淀粉乳在低于糊化温度下处理，淀粉颗粒吸水膨胀，部分直链淀粉溶出淀粉颗粒，随着反应温度的增加，淀粉颗粒膨胀度加大，分子链运动加剧，无定形区影响较大，分子间作用力减小，直链淀粉的溶出量增加；而继续升温，淀粉颗粒接近糊化状态，水分进入结晶区，直链淀粉的溶出率提高.

图3　玉米淀粉韧化处理温度对直链淀粉溶出的影响

2.4响应曲面的实验设计及结果分析

通过前面研究表明，温度和时间这两个因素对韧化处理过程中直链淀粉的溶出率有显著影响.采用响应曲面分析对这两个因素与直链淀粉溶出率的关系进行预测，以韧化处理时上清液中直链淀粉的溶出率的变化为响应值，用中心组合实验设计两因素五水平实验.实验的因素及水平见表1.利用Design Expert软件来进行实验设计和数据分析.实验设计方案和结果见表2.

表2　玉米淀粉的实验安排及实验结果表

利用Design Expert软件，通过表2中实验数据进行多元回归拟合，获得上清液中直链淀粉的溶出率对自变量温度、时间的二次多项回归方程为：Y =-0.025 822-0.037 805X1+0.150 06X2+3. 962 92×10-4X1X2+3.917 8×10-4X12-7.078 68 ×10-3X22.

对回归模型作显著检验和方差分析，如表3：P值越小，说明影响越显著［17］，P＜0.001，说明模型回归效果是显著的.玉米淀粉模型R2=0.947 2；说明有94.72%的变量可以用回归模型预测.失拟项不显著，说明真实值和预测值拟合结果较好.通过对各回归方程各项方差分析得到，玉米淀粉的回归方程中一次项X1（温度），二次项中的X12、X22对响应值影响显著.通过对预测值和真实值作图得到的各个点基本在一条直线上，说明模型拟合很好.

通过分析，可以看出实验得到的二次方程能较好地预测在实验范围内不同条件下的响应值，即实验可以推测出在韧化过程中上清液中的直链淀粉的溶出率与韧化时所采用的温度和时间的关系.为验证方程的可靠性，做两组验证实验来验证可靠程度，实验安排见表4.

表3　玉米淀粉的二次多项模型方差分析表

表4　玉米淀粉验证实验

玉米淀粉的验证实验的实际值和预测值的误差均在0.5%～5%之间，实际值与预测值符合较好，所以可以用方程来预测在韧化过程中的直链淀粉的溶出率与韧化时所采用的温度和时间的关系.

3　结语

通过单因素实验可以得到对韧化处理淀粉时对直链淀粉溶出的变化影响较大的因素包括温度和时间.后将单因素实验和响应曲面结合对韧化处理淀粉的直链淀粉溶出过程进行预测，得出韧化处理过程中玉米淀粉直链淀粉溶出的拟合模型为：Y =-0.025 822-0.037805X1+0.150 06X2+3.962 92×10-4X1X2+3.917 8×10-4X21-7.078 68× 10-3X22.通过响应曲面的分析表明，基本可以用响应曲面法预测韧化过程中直链淀粉的溶出过程.

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Study on effect of annealing treatment on am ylose leaching process of starch

GONG Yu-jing，ZHAO Kai
（Heilongjiang Province Key Laboratory of Food Science and Engineering，School of Food Engineering，Harbin University of Commerce，Harbin 150076，China）

To investigate themechanism of amylose leaching during annealing treatment，with corn starch as the raw material，based on the single factor experiment，the effect of temperature and time were optimized with response surface methodology.A correlation was established between the two factors and the amylose leaching，and the regression equation was obtained.Confirmation experiment showed that themodel could be used to predict the process of amylose leaching during the corn starch annealing treatment.

annealing treatment；amylose leaching；response surface methodology；fitting model

TS231

A

1672-0946（2016）02-0216-04

2015-09-17.

哈尔滨市科技局科技创新人才基金（2014RFXXJ068）

宫玉晶（1992-），女，硕士，研究方向：淀粉化学与工艺学.

赵凯（1974-），男，博士，教授，研究方向：淀粉化学与加工机理.