响应面法优化甘薯慢消化淀粉制备工艺

陈聪莉 王学东 叶 鹏 彭思源 王洋洋 刘 琼

(武汉轻工大学食品科学与工程学院,武汉 430023)

响应面法优化甘薯慢消化淀粉制备工艺

陈聪莉 王学东 叶 鹏 彭思源 王洋洋 刘 琼

(武汉轻工大学食品科学与工程学院,武汉 430023)

利用湿热-有机酸复合法提高甘薯淀粉中慢消化淀粉的产率。以甘薯淀粉为原料，探究了慢消化淀粉形成的工艺，在单因素试验基础上采用Box-Behnken中的响应面分析法，以甘薯慢消化淀粉产率为响应值，以含水量、酸反应时间、月桂酸添加量3个因素为响应因子，建立了二次回归实际方程模型，获得了制备甘薯慢消化淀粉的最佳工艺条件，即：含水量47 %、反应温度100 ℃、月桂酸添加量25%、热处理时间4 h，按此最佳工艺条件制备的慢消化淀粉质量分数达13.03%，较处理前提高了8.85%。

甘薯慢消化淀粉 工艺条件 月桂酸 响应面

Englyst[1]按照淀粉在人体内的消化特点将淀粉分为快速消化淀粉(Rapidly Digestible Starch, RDS)、慢消化淀粉(Slowly Digestible Starch, SDS)和抗性淀粉(Resistant Starch, RS)。RDS是指在小肠中被快速消化吸收的淀粉(<20 min)，SDS指那些在小肠中能被完全消化吸收但速度较慢的淀粉(20～120 min)；RS指在人体小肠内无法被消化吸收的淀粉(>120 min)[2]。RDS能够迅速地释放葡萄糖，摄入过多，会引起各种并发症，如糖尿病和心血管疾病。而SDS能够缓慢的释放葡萄糖，使血糖生成指数(Glycemic Index，GI)和胰岛素维持在较低水平，帮助控制和预防糖尿病等相关疾病[3]。2015年最新统计显示，目前全球共有成年糖尿病患者4.15亿，其中中国糖尿病成人患病者数已达1.096亿[4]。这引起了人们对健康饮食的高度重视，因而，当前研究开发低GI高SDS含量的淀粉制品具有重要意义。SDS的制备成为近年来学界研究的热点。物理法(湿热处理[5]和韧化方法)、酶法(α-淀粉酶[6]、普鲁兰酶[7])、化学法[8,9]和复合法[10]均可制备SDS，复合法一般是物理法与酶法相结合或化学法与物理法结合。

我国是世界上的主要甘薯主产国，常年种植面积在550万公顷左右，占世界种植量的60%以上[11]。甘薯淀粉是甘薯加工的主要产品之一，也是重要的食品原料。然而，对甘薯中SDS的研究还鲜见报道。为此，本研究综合考虑成本、食品安全等因素，利用湿热和月桂酸相结合处理甘薯淀粉，提高其SDS含量，以为将来开发低GI值保健型甘薯食品提供技术依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

甘薯淀粉：湖北陨府薯业有限公司；猪胰α-淀粉酶、糖化酶：美国Sigma公司；月桂酸、无水乙醇、葡萄糖、3,5-二硝基水杨酸等试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

不锈钢密闭反应器：郑州博科仪器设备有限公司；DHG-9053A型电热恒温鼓风干燥箱：上海一恒科学仪器有限公司；SHZ-DⅢ型予华牌循环水真空泵：巩义市英峪予华仪器厂；80-1电动离心机：金坛市白塔新宝仪器厂；HHS-2S电子恒温不锈钢水浴锅：上海虞龙仪器设备有限公司；XH-C涡旋混合器：金坛市医疗器械厂；T6新世纪紫外可见分光光度计：北京普析通用仪器有限责任公司；SHA-C数显恒温水浴振荡器：常州赛普实验仪器厂。

1.3 方法

1.3.1 SDS的制备流程

甘薯淀粉→调整含水量→于不锈钢密闭反应器中静置24 h→在设定好温度的烘箱中反应一定时间→加月桂酸搅拌均匀→反应到规定时间→50%热乙醇洗涤3次、抽滤→50 ℃烘干粉碎→过120目筛→SDS样品。

1.3.2 含水量对甘薯SDS含量的影响

设定含水量5个水平，即20%，30%，40%，50%，60%，调整淀粉含水量到上述某一水平，静置24 h后，于密闭反应器中100 ℃反应12 h，添加25%(占淀粉干基质量百分比)的月桂酸，搅拌均匀，于密闭反应器中100 ℃反应4 h，用50%热乙醇洗涤，以除去未反应的月桂酸，烘干后过100目筛。

1.3.3 热处理温度对甘薯SDS含量的影响

设定热处理温度5个水平，即80 ℃、90 ℃、100 ℃、110 ℃、120 ℃，调整淀粉含水量至40%，静置24 h后，于密闭反应器中反应12 h，添加25%(占淀粉干基质量百分比)的月桂酸，搅拌均匀，于密闭反应器中100 ℃反应4 h，用50%热乙醇洗涤，以除去未反应的月桂酸，烘干后过100目筛。

1.3.4 月桂酸添加量对甘薯SDS含量的影响

设定月桂酸添加量5个水平，即15%，20%，25%，30%，35%(占淀粉干基质量百分比)，调整淀粉含水量至40%，静置24 h后，于密闭反应器中100 ℃反应12 h，调整月桂酸添加量到上述某一水平，搅拌均匀，于密闭反应器中100 ℃反应4 h，用50%热乙醇洗涤，以除去未反应的月桂酸，烘干后过100目筛。

1.3.5 酸反应时间对甘薯SDS的影响

设定酸反应时间5个水平，即2 h，3 h，4 h，5 h，6 h，调整淀粉含水量至40%，静置24 h后，于密闭反应器中100 ℃反应12 h，添加25%(占淀粉干基质量百分比)的月桂酸，搅拌均匀，于密闭反应器中100 ℃反应上述某一水平，用50%热乙醇洗涤，以除去未反应的月桂酸，烘干后过100 目筛。

1.4 甘薯SDS消化性的测定[12]

准确称取200 mg淀粉样品置于测试管中，添加15 mL pH 5.2的0.2 mol/L的醋酸钠缓冲液，涡旋混匀5 min，并置于95 ℃水浴中均匀糊化10 min。反应结束后立即置于37 ℃水浴中，待温度平衡后加入5颗玻璃珠，水平放入恒温振荡器，加入10 mL的猪胰α-淀粉酶(290 U/mL)和糖化酶(15 U/mL)，置于37 ℃恒温水浴下振荡，转速150 r/min，在振荡反应20 min和120 min后，沸水浴灭酶10 min，离心后采用3,5-二硝基水杨酸(DNS)比色法于540 nm处测定吸光度并计算葡萄糖含量[13]，每一样品平行测定3次，取均值。SDS含量计算公式如下：

式中：G20为消化反应20 min后产生的葡萄糖含量；G120为消化反应120 min后产生的葡萄糖含量；TS为样品中总淀粉含量[14]。

1.5 响应面法因素水平表的确定

根据单因素试验优化的结果，采用Box-Benhnken试验设计，进行三因素三水平的响应面分析试验。选择对形成SDS有利的3个因素A、B、C，通过中心组合试验确定最佳参数。然后采用响应面分析方法对试验结果进行分析。

1.6 数据处理

单因素试验数据应用Excel进行数据统计分析。响应面试验数据通过Design-Expert8.0.6分析软件进行回归分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 含水量对甘薯SDS含量的影响

原甘薯淀粉中SDS的含量仅为4.18%。由图1可以看出，随着含水量的增加，SDS含量呈先上升后下降的趋势。在含水量为40%时，SDS的含量最高，达11.91%，这是因为水分对淀粉的结晶结构影响较大，促进了淀粉原有结构的崩解和淀粉分子链的迁移，形成更多结晶体[15]。当含水量在50%时，因过量水分破坏了淀粉结晶[16]，导致α-淀粉酶快速进入淀粉颗粒内部，淀粉被水解，SDS含量降低。

2.1.2 反应温度对甘薯SDS含量的影响

由图1可以看出，起初随着反应温度的升高，SDS含量增加，这是由于温度升高，加速了淀粉颗粒膨胀，月桂酸能够更快地与淀粉复合，形成淀粉脂质复合物[17]。SDS含量在100 ℃时达到最大值，当温度继续提高时SDS含量反而减少，这可能是因为高温破坏了淀粉颗粒结构，使结构无序排列[18]，不能与月桂酸很好地结合。故该实验条件下100 ℃为最佳反应温度。

2.1.3 酸反应时间对甘薯SDS含量的影响

由图1可以看出，起初反应时间越长，SDS越高，超过4 h后再增加反应时间，SDS含量反而减少。随着加酸反应时间的延长，各反应物间接触的时间也充分[19]，月桂酸与淀粉复合程度提高，降低了酶解速率，消化速率也随之降低，故SDS含量增加；但随着反应时间的增加，SDS含量减少，检测RS发现其含量有所增加，这与相关文献的结论一致[20]。

2.1.4 月桂酸添加量对甘薯SDS含量的影响

由图1可以看出，随着月桂酸添加量的增加，SDS含量呈现先上升后下降的趋势，原因是随月桂酸用量增加，月桂酸在反应体系中的浓度增大，促进脂质复合物的形成，抗酶解性增强，SDS含量在25%的月桂酸添加量时达到最大值。但是含当月桂酸添加量过高时，SDS含量减少，可能是因为更多的月桂酸包裹在淀粉颗粒表面，使淀粉的抗酶解性进一步增强，增加了抗性淀粉RS的含量，使得SDS含量减少[21]。

图1 各单因素对甘薯SDS含量的影响

2.1.5 响应面法优化甘薯SDS制备工艺参数

根据单因素试验结果，选取水分含量、酸反应时间、月桂酸添加量对甘薯SDS含量影响显著的3个因素，通过三因素三水平的响应面分析方法，确定SDS制备工艺的最佳条件。反应温度则选取单因素试验中的最佳值100 ℃。试验因素与水平设计见表1。

表1 响应面分析因素水平表

2.2 响应面优化甘薯SDS制备工艺

2.2.1 Box-Behnken试验设计及结果

以表1中3项因素作为响应面试验因素，以SDS含量为考察指标，进行三因素三水平的Box-Behnken试验，选出最优试验条件。响应面实验设计及数据结果见表2。

表2 Box-Behnken试验设计及结果

2.2.2 回归模型显著性检验及方差分析

通过Design-Expert8.0.6软件对上表数据进行分析并进行回归拟合，得到甘薯SDS含量与A、B、C的二次回归模型方程：Y=12.74-0.91A-0.3B-0.23C+0.97AB-0.57AC+0.24BC-1.53A2-2.15B2-2.29C2。对回归方程进行显著性检验及方差分析，结果见表3。

表3 回归模型的方差分析表

注：P<0.01，差异极显著；P<0.05，差异显著。

表4 模型数据分析

由表3中回归模型的方差分析可知，试验模型的P值<0.000 1，说明此模型非常显著。其中一次项含水量(A)、酸反应时间(B)与含水量二次项(A2)、酸反应时间二次项(B2)、月桂酸添加量(C2)及含水量与酸反应时间的交互项(AB)、含水量与月桂酸添加量的交互项(AC)对甘薯SDS含量的影响极显著(P<0.01)；月桂酸添加量(C)对甘薯SDS含量影响显著；反应时间与月桂酸添加量的交互项(BC)对甘薯SDS含量没有显著性的影响。

图2 残差的正态概率分布图

2.2.3 各因素交互作用对SDS含量的影响及其分析

由图3可以看出，当含水量一定时，随着酸反应时间的延长，SDS含量先增加后又减少；当酸反应时间一定时，随着含水量的增加，SDS含量也是先增加后减少。等高线呈椭圆形，说明两因素的交互作用较强，影响显著。

图3 含水量和酸反应时间对SDS的影响

由图4可以看出，当含水量一定时，随着月桂酸添加量的增加，SDS含量先增加，随后又减少；当月桂酸添加量一定时，随着水分含量的增加，SDS含量也是先增加后减少；在含水量50%，月桂酸添加量25%附近有最大值。等高线呈椭圆形，说明两因素的交互作用较强，影响显著。

图4 含水量和月桂酸添加量对SDS的影响

由图5可以看出，当含水量一定时，酸反应时间和月桂酸添加量对SDS含量的影响有着相同的趋势，都是先增加后减少。等高线接近圆形，说明酸反应时间和月桂酸交互作用对SDS含量影响不显著。

图5 酸反应时间和月桂酸添加量对SDS的影响

2.2.4 验证试验

通过Design-Expert 8.0.6软件分析得知，制备甘薯SDS的最佳条件为：含水量46.61%，酸反应时间3.85 h，月桂酸添加量24.92%，在此最优条件下SDS得率为12.92%。结合实际操作，将最佳制备工艺条件调整为含水量47%，酸反应时间4 h，月桂酸添加量25%，进行3次验证试验，得到SDS含量平均值为(13.03±0.12)%，该值与理论预测值基本吻合，说明运用响应面得到的最佳工艺参数可靠。

3 结论

采用月桂酸结合湿热处理法来提高甘薯中SDS含量，通过此方法制备的甘薯SDS是一种淀粉-脂质复合物，其消化速率低，在机体中能量释放缓慢，具有低GI值特性。

在单因素试验基础上，初步确定了SDS制备工艺参数，通过Box-Behnken试验进一步优化了甘薯SDS的制备工艺。以SDS得率为响应值，得出最佳工艺条件为：含水量47%，酸反应时间4 h，月桂酸添加量25%。在此条件下，SDS含量可达最大值为：13.03%±0.12%，较处理前绝对值提高了8.85%，相对值提高了211.72%。

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Optimization of Preparation Process for Sweet Potato Slowly Digestible Starch with Response Surface Methodology

Chen Congli Wang Xuedong Ye Peng Peng Siyuan Wang Yangyang Liu Qiong

(College of Food Science and Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023)

The yield of slowly digestible starch was improved by the heat-moisture-organic acid complex method in sweet potato. This study explored the best process condition of slowly digestible starch formation with sweet potato starches as raw materials. Based on single factor experiments, a quadratic regression actual equation model was established to obtain the optimum technological conditions for preparing sweet potato slowly digestible starches by the response surface methodology, using the yield of sweet potato slowly digestible starch as the response value and the moisture content, acid reaction time and lauric acid addition as response factors. The optimum preparing conditions were obtained as follows: moisture content of 47%, reaction temperature of 100 ℃, lauric acid addition of 25% and heating treatment time of 4 h. Under the optimized conditions, the content of sweet potato slowly digestible starch was 13.03% and increased by 8.85% compared to that of untreated sweet potato starch.

sweet potato slowly digestible starch，technological conditions，lauric acid，response surface methodology

国家创新基金14c26214 202398，“郧产红薯系列产品深加工关键技术研究与开发”陨府薯业省重点新产品新工艺项目(2013bb a024)

2016-01-27

陈聪莉，女，1991年出生，硕士，食品工程

王学东，男，1974年出生，教授，博士，粮食加工

TS235.2

：A

：1003-0174(2017)08-0057-06