压热法制备甘薯抗性淀粉的工艺优化

亢灵涛，宋 莹，刘思含，崔桂娟，李高阳，2，*

(1.湖南大学研究生院隆平分院，湖南长沙410125;2.湖南省农业科学院，农产品加工研究所，湖南长沙410125)

在我国粮食作物中，甘薯的产量仅次于水稻、小麦、玉米，居于第四位［1－2］。甘薯营养极其丰富，含有大量的蛋白、淀粉、纤维素、β－胡萝卜素、花青素、赖氨酸及各种矿物质元素［3］。甘薯全粉是以新鲜的甘薯为原料，通过清洗、去皮、切片、护色、蒸煮、干燥、粉碎等工艺处理而制得的颗粒状、片屑状或粉末状产品［4］。与甘薯淀粉相比，甘薯全粉保留了除薯皮以外的全部干物质，既减少了部分具有保健功能成分的损失，又极大的保留了甘薯原有的营养物质和风味。

抗性淀粉(resistant starch，RS)是指在健康人的小肠中不能被消化吸收的淀粉及其分解物的总称［5］。抗性淀粉是以氢键连接形成的可抵抗酶解的线性多糖物质，其基本特性与淀粉相似，是白色无异味的多孔性粉末［6］。由于在代谢特性方面抗性淀粉类似于膳食纤维，所以抗性淀粉具有许多原淀粉所不具有的功能。大量研究结果表明，抗性淀粉可用于延缓餐后血糖水平上升，预防糖尿病［7］，可以降低胆结石的发病率［8］，降低大肠或结肠的pH，有益大肠或结肠健康［9］，作为肠道益生菌的能量来源，还能够降低肥胖风险、解决结肠问题［10］，具有良好的保健作用［11］。

目前，甘薯抗性淀粉主要采用的制备方法有:物理法、化学法及其他方法(酶法、微波处理法、超声波处理法等)［12］。其中，物理法为最常用的方法，包括湿热处理、韧化处理及压热处理等［13－14］。近年来，对甘薯抗性淀粉制备的工艺研究主要集中在压热处理法结合其他方法。相比较化学方法和其他方法，物理法工艺简单，成本低且安全，更适合应用于食品领域。研究表明，高温、高压和高湿度有利于甘薯抗性淀粉的形成，而压热处理作为一种物理改性方法，可以提高淀粉的抗酶解性、降低淀粉的膨胀度，因此，压热处理可作为一种非常有潜力的反应条件来生产甘薯抗性淀粉［14］。在目前的相关报道中，一般研究的是采用压热法处理甘薯淀粉以期得到抗性淀粉。对于直接采用压热法处理甘薯全粉来研究其中抗性淀粉的变化规律，目前鲜有报道。

因此，本研究以甘薯全粉为原料，采用压热法结合响应面分析法来优化甘薯抗性淀粉的制备工艺，提高抗性淀粉得率，为制备含抗性淀粉的甘薯全粉产品以及相关应用提供理论及数据支持。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

甘薯(湘薯98) 湖南省农业科学院作物研究所提供;纤维素酶(≥400 U/mg) 上海瑞永生物科技有限公司;胃蛋白酶(≥10000 U/mg) 合肥博美生物科技有限责任公司;耐高温α－淀粉酶(10000 U/g) 邢台万达生物工程有限公司;糖化酶(≥100000 U/g) 南京奥多福尼生物科技有限公司;葡糖糖、3，5－二硝基水杨酸、氯化钾、盐酸、柠檬酸、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、氢氧化钠 均为国产分析纯。

DHG－9053A型电热恒温鼓风干燥箱 上海精宏实验设备厂;多功能粉碎机750T型 铂欧五金厂;PL602－L型分析天平 梅特勒－托利多仪器(上海)有限公司;PB－10型pH计 赛多利斯科学仪器(北京)有限公司;SYQDSX－280B型高压灭菌锅 上海申安医疗器械厂;UV－2000型紫外分光光度计 尤尼柯(上海)仪器有限公司;SHA－B型水浴恒温振荡器 常州国华电器有限公司;L－530型台式大容量低速离心机 湖南湘仪实验室仪器开发有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 甘薯全粉的制备 甘薯制全粉工艺:鲜薯→去皮→切片→干燥(70℃，36 h)→粉碎→过80目的筛子→甘薯全粉

1.2.2 甘薯抗性淀粉的制备 称取25 g甘薯全粉，与水以一定比例混合，调到一定的p H，经沸水浴预糊化8 min，一定的高温高压下处理一定时间，自然冷却，在4℃下冷藏老化一定时间，70℃烘干，粉碎过80目筛，密闭保存。

1.2.3 甘薯抗性淀粉含量的测定 参照Goni等的方法［15］，稍作改进:称取200 mg压热处理后的甘薯全粉样品于50 mL离心管中，加入5 mL p H1.5的KCl－HCl溶液，加入胃蛋白酶溶液1 mL(2 g/100 mL)，40℃恒温振荡60 min，8 000 r/min离心5 min，弃上清液，重复水洗离心3次;向沉淀中加入5 mL柠檬酸－磷酸氢二钠缓冲液(pH=5.0)，加入纤维素酶溶液1 mL(1 g/100 mL)，50℃恒温振荡60 min，冷却至室温后调pH至6.0，再加入耐高温α－淀粉酶1 mL(2 g/100 mL)，在90℃振荡60 min，冷却至室温后调p H至4.0～4.5，加入糖化酶1 mL(2 g/100 mL)，在60℃振荡60 min，以8 000 r/min离心5 min，弃上清液，重复水洗离心3次。往沉淀中加入2 mL 2 mol/L的KOH，室温振荡30 min，抗性淀粉充分溶解于KOH溶液中。调 pH至4.0～4.5，加糖化酶1 mL(2 g/100 mL)，在60℃恒温水浴振荡60 min。自然冷却后，以8000 r/min离心5 min，收集上清液于100 mL容量瓶中，用水重复洗涤沉淀3次，离心，合并上清液，用蒸馏水定容至100 mL，摇匀后备用。用DNS法测定还原糖含量。抗性淀粉得率按下式计算:

抗性淀粉得率(%)=(m1×0.9×100)/m2

式中，m1为还原糖质量(mg);m2甘薯全粉干基质量(mg);0.9为葡萄糖与脱水葡萄糖基之间的换算系数。

1.2.4 甘薯抗性淀粉制备的单因素实验

1.2.4.1 全粉乳质量分数对抗性淀粉含量的影响 将甘薯全粉配制成不同质量分数的乳液:15%、20%、25%、30%、35%，用 pH1.5 的 KCl－HCl溶液调节p H至6.0，120℃压热处理30 min，4℃冷藏24 h，70℃烘干24 h，粉碎过80目筛，测定各样品中抗性淀粉的含量。

1.2.4.2 p H对抗性淀粉含量的影响 配制质量分数为25%的甘薯全粉乳液，用pH1.5的KCl－HCl溶液和0.1 mol/LNaOH溶液分别调成不同pH:5.0、6.0、7.0、8.0、9.0，120 ℃压热处理 30 min，4 ℃冷藏 24 h，70℃烘干24 h，粉碎过80目筛，测定各样品中抗性淀粉的含量。

1.2.4.3 压热温度抗性淀粉含量的影响 配制质量分数为25%的甘薯全粉乳液，用pH1.5的KCl－HCl溶液调节pH至6.0，在不同温度下压热处理30 min:105、110、115、120、125 ℃，4 ℃冷藏 24 h，70 ℃ 烘干24 h，粉碎过80目筛，测定各样品中抗性淀粉的含量。

1.2.4.4 压热时间 配制质量分数为25%的甘薯全粉乳液，用 p H1.5的 KCl－HCl溶液调节 pH至6.0，120 ℃压热处理不同时间:20、30、40、50、60 min，4 ℃冷藏24 h，70℃烘干24 h，粉碎过80目筛，测定各样品中抗性淀粉的含量。

1.2.4.5 冷藏时间 配制质量分数为25%的甘薯全粉乳液，用 p H1.5的 KCl－HCl溶液调节 pH至6.0，120℃压热处理30 min，4℃冷藏不同时间:12、24、36、48、60 h，70 ℃烘干 24 h，粉碎过 80 目筛，测定各样品中抗性淀粉的含量。

1.2.5 响应面优化试验设计 由单因素试验分析可知，选择全粉乳质量分数、pH、压热时间对甘薯抗性淀粉得率影响较大的3个因素，进行了Box－Behnken设计及响应面分析试验，其因素水平见表1。压热温度选择120℃，冷藏时间选择24 h。

表1 Box－Behnken设计试验因素水平及编码Table 1 Box－Behnken design experimental factor levels and coding

1.3 数据处理

试验数据为3次平均实验的平均值，采用Excel软件进行数据统计，SPSS 17.0对数据进行单因素方差分析和最小显著性检验(LSD)，显著性水平为0.05，当p＜0.05时表示差异显著，最后用Origin 8.1软件作图。在响应面试验的分析中，应用 Design Expert 8.0.6统计分析软件对17个试验点的响应值进行回归分析拟合。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 全粉乳质量分数对甘薯抗性淀粉得率的影响 由图1可知，甘薯全粉乳质量分数在15%～25%范围内，随着全粉乳质量分数的增大，抗性淀粉得率明显增大。当全粉乳质量分数为25%时，抗性淀粉得率达到最大值为9.39%。但随着浓度的进一步增大，抗性淀粉得率降低明显(p＜0.05)。这说明，全粉乳质量分数过高或过低都不利于抗性淀粉的生成。当甘薯全粉乳质量分数较小时，直链淀粉分子间相互接近的概率减少，分子间不容易缔和，从而在重结晶的过程中不利于抗性淀粉的生成。当甘薯全粉乳质量分数较大时，整个体系的粘度较大，其中的水分含量较低，淀粉粒无法充分膨胀，使得直链淀粉分子不易接近，难以形成结晶和双螺旋，不利于抗性淀粉的形成［16］。因此，全粉乳质量分数选择在20%～30%范围内，进行后续响应面优化试验。

图1 甘薯全粉乳质量分数对抗性淀粉得率的影响Fig.1 Effect of sweet potato whole powder concentration on yield of resistant starch注:不同小写字母表示不同水平之间有显著性差异(p＜0.05);图2～图5同。

2.1.2 pH对甘薯抗性淀粉得率的影响 由图2可知，抗性淀粉得率随着pH呈现先增大后减小的趋势，在 pH为6时，抗性淀粉得率达到最大值为9.55%。在偏酸或偏碱的条件下，对淀粉分子之间的氢键影响较大，直链淀粉分子大量被分解成短链分子。在重结晶的过程中，短链分子移动剧烈，难以接近形成晶体结构，从而导致抗性淀粉的不易生成［17］。因此，选择pH为6.0、7.0、8.0三个水平进行后续响应面优化试验。

图2 pH对抗性淀粉得率的影响Fig.2 Effect of pH on yield of resistant starch

2.1.3 压热温度对甘薯抗性淀粉得率的影响 由图3可知，压热温度在105～115℃范围内，抗性淀粉得率随着温度的升高而明显增大，在压热温度120℃时达到最大(9.42%)，但与115℃时无显著性差异。继续升温至125℃，抗性淀粉得率稍有减少，但变化不显著(p＞0.05)。这是由于温度较低时，难以破坏淀粉中由范德华力、氢键等作用形成的稳定双螺旋结构，直链淀粉得不到充分的释放，会影响抗性淀粉的生成。而温度过高会导致淀粉分子过度降解，使淀粉分子的分子质量变小，从而不利于抗性淀粉的生成［18］。综合考虑，在响应面优化试验中，压热温度选择120℃。

图3 压热温度对抗性淀粉得率的影响Fig.3 Effect of thermal－press temperature on yield of resistant starch

2.1.4 压热时间对甘薯抗性淀粉得率的影响 由图4可知，抗性淀粉得率随着压热时间的增加呈现先增加后降低的趋势，在压热时间30 min时抗性淀粉的得率达到最大为9.35%。在压热时间由20 min增加到30 min时，抗性淀粉增加的原因，可能是由于直链淀粉逐渐释放，利于直链淀粉分子之间相互接近，更易于形成抗性淀粉。压热处理时间继续延长，抗性淀粉得率下降显著(p＜0.05)，这可能是由于压热处理时间过长致使淀粉分子结构遭到破坏，降解成小分子量糊精，不利于抗性淀粉的形成［19］。因此，压热时间选择在20～40 min范围内，进行后续响应面优化试验。

图4 压热时间对抗性淀粉得率的影响Fig.4 Effect of thermal－press time on yield of resistant starch

2.1.5 冷藏时间对甘薯抗性淀粉得率的影响 由图5可知，在冷藏时间小于24 h时，随着冷藏时间的增加，抗性淀粉增加较为显著(p＜0.05)，24 h抗性淀粉得率最大为9.43%。24 h之后，抗性淀粉得率变化不显著(p＞0.05)。因为抗性淀粉的形成是直链淀粉分子的重新结晶过程，根据结晶理论［20］，淀粉分子晶核在开始的12 h之内增长最快，当形成的晶核接近总形成量的一半时，晶核增加就变得异常缓慢。而24 h之后，结晶基本形成，抗性淀粉得率几乎不再增加。综合考虑，在响应面优化试验中，冷藏时间选择24 h。

图5 冷藏时间对抗性淀粉得率的影响Fig.5 Effect of refrigerating time on yield of resistant starch

2.2 响应面法优化甘薯抗性淀粉的制备工艺条件

2.2.1 Box－Behnken响应面试验结果 按照Box－Behnken试验设计的统计学要求，根据试验因素和水平的要求，设计17次试验，试验结果如表2所示。

表2 Box－Behnken试验设计及结果Table 2 Box－Behnken experimental design and corresponding results

2.2.2 建立模型方程与方差分析 对表2中的数据进行回归分析，得到三元二次多项回归方程为:

抗性淀粉率=－32.8525+1.7782A+4.7050B+0.1606C+5.5000E－003AB－2.0000E－004AC+0.0363BC－0.0356A2－0.4075B2－6.7500E－003C2

由表3可看出，模型p＜0.0001，说明模型建立为极显著，有合理性，失拟项p=0.1918＞0.05，说明模型失拟项不显著，因此二次模型成立。由方差分析得知，模型的决定系数R2=0.9830，R2越接近1，说明模型越能预测其响应值;变异系数C.V.%=1.61＜10，变异系数的大小说明试验的可重复性，其值越小说明实验越精确、可靠性越高［21］。信噪比=16.768＞4，即表明模型的响应信号足够强，可以用来拟合试验结果。

表3 方差分析Table 3 Analysis of variance

该模型的一次项 A显著(p＜0.05)、B极显著(p ＜0.01);二次项 A2、B2、C2极显著(p ＜0.01);交互项BC极显著(p＜0.01)，表明p H和压热时间两因素对抗性淀粉的得率交互作用显著(p＜0.05)。影响抗性淀粉得率的因素主次为B＞A＞C，即p H＞全粉乳质量分数＞压热时间。

2.2.3 甘薯抗性淀粉得率响应面分析 响应面图形是响应值抗性淀粉得率对应于试验因素A、B、C所构成的在二维平面上的等高线图及其三维空间的曲面图。等高线的形状反映出交互作用的强弱，椭圆形和马鞍形表示交互作用显著，而圆形则表示交互作用不显著［21］。响应曲面的陡峭程度反映出该因素对响应值影响的强弱，响应曲面随因素水平变化幅度较大，表明该因素对响应值的影响显著，反之则不显著［22］。压热法制备甘薯抗性淀粉工艺条件的等高线与响应曲面图见图6～图8。

图6 全粉乳质量分数与pH对甘薯抗性淀粉得率的等高线图(a)与响应面图(b)Fig.6 Contour map(a)and response surface map(b)showing the effects of sweet potato powder concentration and pH on resistant starch yield

图7 全粉乳质量分数与压热时间对甘薯抗性淀粉得率的等高线图(a)与响应面图(b)Fig.7 Contour map(a)and response surface map(b)showing the effects of sweet potato powder concentration and thermal－press time on resistant starch yield

图8 pH与压热时间对甘薯抗性淀粉得率的等高线图(a)与响应面图(b)Fig.8 Contour map(a)and response surface map(b)showing the effects of pH and thermal－press time on resistant starch yield

由图6(a)可知，等高线图呈近圆形，表明全粉乳质量分数与pH的交互作用不显著。图6(b)可以看出，随着全乳粉质量分数的增加，响应曲面有明显的变化，响应值先升高后降低，表明全粉乳质量分数对抗性淀粉得率的影响较大。全粉乳质量分数在24%～28%之间，抗性淀粉得率较高;随着p H的变化，响应值也是先升高后降低，响应曲面有明显的变化，表明p H对抗性淀粉得率的影响较大。p H在6.8～8.0之间，抗性淀粉得率较高。

由图7(a)可知，等高线图呈近圆形，表明全粉乳质量分数与压热时间的交互作用不显著。图7(b)可以看出，随着压热时间的增加，响应曲面有明显的变化，表明压热时间对抗性淀粉得率的影响较大。压热时间在28～36 min之间时，抗性淀粉得率较高;在压热时间较短时，全粉乳质量分数在20%～26%之间变化时，响应曲面有明显的变化。

由图8(a)可知，等高线图呈椭圆形，表明pH与压热时间的交互作用显著。图8(b)可以看出，压热时间在20～32 min之间时，随着p H的增大，响应值的变化不明显;而压热时间在32～40 min之间时，随着pH的增大，响应值有明显的变化。当pH较大时，随着压热时间的增加，响应值有减小的趋势。压热时间处于28～36 min之间时，p H处于6.8～7.6之间时，响应曲面可取得最高点。

2.2.4 最优工艺条件的确定及验证试验 利用Design Expert 8.0.6软件的优化功能对模型进行优化，得出压热法制备甘薯抗性淀粉的最优工艺为:全粉乳质量分数25.45%，p H7.33，压热时间31.21 min，在该条件下的抗性淀粉理论得率为9.54%。

考虑到实际操作条件，最优工艺条件修改为全粉乳质量分数为25.50%，pH7.30，压热时间31.20 min，压热温度选择120℃，冷藏时间24 h。在此条件下进行3次平行试验，得到甘薯抗性淀粉平均得率为9.41%，与理论值的偏差为0.13%。由此可见，使用响应面法优化压热法制备甘薯抗性淀粉的工艺条件准确可靠，有实际应用价值。

3 讨论与结论

甘薯全粉与甘薯淀粉相比，除了淀粉之外，还含有蛋白质、脂类、总糖、维生素C等其他营养成分。在湘薯98鲜薯中:淀粉含量23.1 g/100 g，总糖含量为3.4 g/100 g，维生素C含量为0.06 mg/100 g，蛋白1.08 g/100 g［23］。抗性淀粉的形成机理，在淀粉糊化过程中，晶体结构遭破坏，直链分子溶出，呈现不规则状态，在老化过程中，淀粉分子链迁移，淀粉分子链末端区域相互缠绕形成双螺旋结构，使原本游离无序的淀粉分子链进一步延伸，发生折叠卷曲，分子链上羟基更易相互作用形成氢键，从而形成稳定的双螺旋结构的聚合体，导致致密的六面体结晶区的形成［24］。在此过程中，直链淀粉也会与蛋白质、脂类等物质结合形成复合物，继而会降低抗性淀粉的生成［25－26］。张丽娜等［27］研究了甘薯抗性淀粉的制备，在最优条件下甘薯抗性淀粉的得率为16.26%。而在本实验中，甘薯抗性淀粉的理论得率为9.54%，明显低于压热法处理甘薯淀粉所得的抗性淀粉。虽然在本实验中对甘薯全粉中的蛋白质和纤维进行了消化处理，但由于其含量相对于纯淀粉来讲比较高，难做到完全消化，因此甘薯全粉中的其他营养物质会影响抗性淀粉的生成。

本研究应用Box－Behnken中心组合设计，对甘薯抗性淀粉的工艺条件进行了优化。制备过程中，经分析压热温度在115～125℃范围内对抗性淀粉的得率影响相对不显著，冷藏时间超过24 h后，抗性淀粉的得率也无明显变化。在响应面实验分析中，对抗性淀粉得率影响最大的是pH，其次是全粉乳质量分数，最后是压热时间。3个因素的二次项对抗性淀粉得率的影响极显著，交互项只有pH和压热时间两因素对抗性淀粉得率的影响显著。理论最佳工艺条件为:全粉乳质量分数为25.45%，p H7.33，压热时间31.21 min，在该条件下的抗性淀粉理论得率为9.54%。根据实际操作条件，选取最佳工艺条件:全粉乳质量分数为25.50%，p H7.30，压热温度120℃，压热时间31.20 min，冷藏时间24 h，经验证性实验，得到甘薯全粉中抗性淀粉得率为9.41%，与理论值的偏差为0.13%，证明该模型合理可靠。本试验探究了在压热条件下，甘薯全粉中抗性淀粉的变化规律，为制备含抗性淀粉的甘薯全粉产品以及相关应用提供理论及数据支持，对于甘薯的深加工和应用有一定的意义。