高抗性淀粉奶白花芸豆的压热法制备工艺研究

张雅琦，董 莹，阮长青, ，张东杰, ，李志江

（1.黑龙江八一农垦大学食品学院，黑龙江省杂粮加工及质量安全工程技术研究中心，国家杂粮工程技术中心，黑龙江大庆 163319；2.黄埔海关技术中心，广东东莞 523710）

抗性淀粉（Resistant Starch，RS）又称抗酶解淀粉，是在健康人体的胃和小肠中不能被酶解，在大肠中完成部分或全部发酵的一部分淀粉[1]。研究表明，RS 可以影响葡萄糖的代谢，食用后可略微降低餐后葡萄糖浓度，显著降低餐后胰岛素浓度[2-3]，同时还可以改变肠道内的微生物群，降低大肠和结肠的pH[4]、另外，高RS 饮食可显著增加脂质氧化，减少体内脂肪堆积[5]，改善胰岛素敏感性[6]，降低糖尿病、心血管疾病和某些癌症的风险[7-8]，可以作为新型的、具有保健功能的“食品添加剂”加入到食品中[9-11]。

芸豆（Phaseolus vulgarisL.）又名菜豆，蝶形花科菜豆属，品种主要有大白芸豆、花芸豆及红芸豆[12]等，在我国种植面积广泛[13]。芸豆中含有丰富的蛋白质、脂类和淀粉，其中直链淀粉含量较高，是制备抗性淀粉的优质原料[14-17]。近年来抗性淀粉的制备方法层出不穷，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，常用的物理法主要有压热法、超声法和微波法[18-19]。研究表明压热法是在较高的温度和压力下使淀粉颗粒结构被破坏，直链淀粉分子浸出，形成淀粉凝胶，从而促进抗性淀粉的形成[20]。与抗性淀粉制品相比较，如果能够既提高原料中抗性淀粉的含量，又保留其中蛋白、脂类等营养物质，开发出新型高抗性淀粉食品原料，是一种有益的探索[21]。

本试验以奶白花芸豆原豆为原料，探究压热法制备高抗性淀粉奶白花芸豆的工艺，旨在提高奶白花芸豆的营养作用，并为后续高抗性淀粉奶白花芸豆、芸豆粉的复配产品的工业化生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

奶白花芸豆 吉林省白城市；3,5-二硝基水杨酸上海迈科尔科学技术有限公司；S10027 胃蛋白酶（30000 U/g）、S10005 耐高温α-淀粉酶（20000 U/mL）、S10027 糖化酶（100000 U/mL）、S31302 猪胰腺α-淀粉酶（12 U/mg） 北京源叶生物科技有限公司；其他试剂均为分析纯；试验用水为蒸馏水。

S4800 电子扫描显微镜 日本日立公司；Rigaku SmartLab SE X-射线衍射仪 日本理学公司；VECTOR33 傅里叶变换红外光谱仪 德国Bruker 公司；SQ810C 立式压力蒸汽灭菌器 重庆雅马拓科技有限公司；723N 可见分光光度计 上海仪电分析仪器有限公司制造；CTH1850R 型离心机 湖南湘立科学仪器有限公司；SHA-C 水浴恒温振荡器 常州荣华仪器制造有限公司；DGG-9140A 电热恒温鼓风干燥箱 上海森信实验仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 高抗性淀粉奶白花芸豆的制备工艺 采用不同的加热蒸煮条件对奶白花芸豆进行加热糊化处理。糊化结束后，自然冷却至室温，在4 ℃下老化不同的时间，最后在70 ℃下烘干24 h，得到高抗性淀粉奶白花芸豆。

1.2.2 单因素实验

1.2.2.1 压热时间对抗性淀粉含量的影响 称取15.0±0.5 g 奶白花芸豆，按照1.2.1 方法制备的高抗性淀粉奶白花芸豆，在压热温度120 ℃，料液比1:2.0（g:g），老化时间24 h 的条件下，探究压热时间10、15、20、25 和30 min 时对抗性淀粉含量的影响。

1.2.2.2 压热温度对抗性淀粉含量的影响 称取15.0±0.5 g 奶白花芸豆，按照1.2.1 方法制备高抗性淀粉奶白花芸豆，在压热时间20 min，料液比1:2.0（g:g），老化时间24 h 的条件下，探究压热温度110、115、120、125 和130 ℃时对抗性淀粉含量的影响。

1.2.2.3 料液比对抗性淀粉含量的影响 称取15.0±0.5 g 奶白花芸豆，按照1.2.1 方法制备高抗性淀粉奶白花芸豆，在压热时间20 min，压热温度120 ℃，老化时间24 h 的条件下，探究料液比1:1.5、1:2.0、1:2.5、1:3.0 和1:3.5（g:g）时对抗性淀粉含量的影响。

1.2.2.4 老化时间对抗性淀粉含量的影响 称取15.0±0.5 g 奶白花芸豆，按照1.2.1 方法制备高抗性淀粉奶白花芸豆，在压热时间20 min，压热温度120 ℃，料液比1:2.0（g:g）的条件下，探究老化时间0、24、48、72 和96 h 时对抗性淀粉含量的影响。

1.2.3 响应面试验 在单因素实验的基础上，以压热温度（A）、料液比（B）、老化时间（C）和压热时间（D）为自变量，奶白花芸豆抗性淀粉含量（Y）为响应值，设置低（-1）、中（0）、高（1）三个水平进行响应面试验。应用Box-Behnken 试验设计，通过Design-Expert 8.0.6.1 软件确定最佳制备工艺，Box-Behnken 试验设计因素与水平见表1。

表1 Box-Behnken 试验设计因素与水平Table 1 Factors and levels of Box-Behnken experiments design

1.2.4 抗性淀粉含量测定 采用改进的AOAC 2002.02 法测定制备前后奶白花芸豆中抗性淀粉含量[22]。

1.2.5 基本营养成分测定 水分测定参照GB 5009.3-2016《食品中水分的测定》[23]；粗蛋白测定参照GB 5009.5-2016《食品中蛋白质的测定》[24]；淀粉测定参照GB 5009.9-2016《食品中淀粉的测定》[25]；粗脂肪测定参照GB 5009.6-2016《食品中脂肪的测定》[26]。

1.2.6 体外模拟消化测定 采用王宁[22]的方法稍作修改，测定制备前后奶白花芸豆中淀粉的体外模拟消化率称取样品2.0 g，加入40 mL 蒸馏水，沸水浴糊化30 min，取出冷却至室温后，加入氯化钾-盐酸缓冲溶液（20 mL，pH1.5）和胃蛋白酶（1 mL，3000 U/mL）于37 ℃水浴中震荡30 min。将pH 调至中性，加入乙酸钠缓冲溶液（20 mL，pH5.2）和5 mL 混酶（4 mL猪胰腺α-淀粉酶1000 U/mL，1 mL 淀粉葡萄糖苷酶2500 U/mL），置于37℃水浴震荡中，分别于0、20、40、60、90、120、150、180、240 min 时吸取1 mL 上清液于试管中，加乙醇灭活，用DNS 法测定其还原糖含量。

式中： Gt为不同时间水解后葡萄糖的质量，mg；m 为样品总淀粉质量，mg。

1.2.7 奶白花芸豆的淀粉提取工艺 将经压热法处理或未经处理的奶白花芸豆粉碎，过80 目筛，按照料液比1:3 加入蒸馏水搅拌均匀提取30 min，所得溶液用蒸馏水洗涤过滤数次直至淀粉内无杂质后4000 r/min 离心5 min，除去上清液，将得到的淀粉转移至平皿中，放入60 ℃烘箱烘干24 h[27]。

1.2.8 淀粉结构特性分析

1.2.8.1 电子扫描显微镜观察 将两种淀粉样品均匀涂抹在样品台上，进行喷金处理，通过SEM 观察颗粒形貌。扫描条件：加速电压2.0 kV；放大1000、2000 倍[28]。

1.2.8.2 结晶结构测定 取两种淀粉样品在25 ℃和相对湿度100%的条件下平衡24 h，进行XRD 检测。衍射条件；电压40 kV；电流44 mA；扫描范围5°～80°；扫描速率4°/min。使用MDI Jade 6 软件计算淀粉的相对结晶度[29]。

1.2.8.3 红外光谱分析 采用溴化钾压片法，在波数400～4000 cm-1，分辨率4 cm-1条件下对两种淀粉进行红外光谱分析。

1.3 数据处理

从所购奶白花芸豆样品中抽取5 个样本，每个样本做3 次平行试验，结果用平均值±标准差表示。利用SPSS 21.0、Excel 2016 统计软件和Design-Expert 8.0.6.1 软件对试验数据进行统计处理，采用Origin 2019 作图。

2 结果与分析

2.1 高抗性淀粉奶白花芸豆的制备的单因素试验

2.1.1 压热时间对抗性淀粉含量的影响 由图1 可知，压热时间在10～30 min 内，抗性淀粉含量随压热时间的延长呈先上升后下降的趋势，在压热时间为25 min 时，抗性淀粉含量达到最大值26.16%±0.17%。当压热时间较短时奶白花芸豆淀粉未完全糊化，直链淀粉不能从淀粉中充分游离[30]，导致抗性淀粉含量较低，而当压热时间过长时则会导致淀粉分子降解过度，形成相对分子质量较小、运动速度过快且不易聚集的直链淀粉分子和糊精[31]，影响抗性淀粉的形成。根据试验结果考虑，压热时间宜选择为25 min。

图1 压热时间对抗性淀粉含量的影响Fig.1 Effect of autoclaving time on content of resistant starch

2.1.2 压热温度对抗性淀粉含量的影响 由图2 可知，压热温度在110～130 ℃内，抗性淀粉含量随压热温度的升高呈先上升后下降的趋势，这与韩丽瑶等[32]的研究结果一致在压热温度为125 ℃时，抗性淀粉含量达到最大值25.70%±0.05%。这主要是由于压热温度较低时，淀粉分子未完全糊化，从而影响抗性淀粉含量。当压热温度逐渐升高时，淀粉分子的膨胀度和溶解度随之增加，有利于直链淀粉从淀粉分子中分离形成晶核，使抗性淀粉含量呈上升趋势[33]，但当压热温度过高时，淀粉分子发生过度糊化，分子间氢键断裂、范德华力减弱，导致抗性淀粉含量降低[34]。根据试验结果考虑，压热温度宜选择为125 ℃。

图2 压热温度对抗性淀粉含量的影响Fig.2 Effect of autoclaving temperature on content of resistant starch

2.1.3 料液比对抗性淀粉含量的影响 由图3 可知，随料液比减小，抗性淀粉含量呈先上升后下降的趋势，在料液比为1:2.0（g:g）时，抗性淀粉含量达到最大值26.71%±0.05%。当料液比大于1:2.0（g:g）时，体系内固形物含量过多，淀粉颗粒不能充分吸水，从而导致淀粉分子间氢键不能被完全破坏，因此不易溶出直链淀粉形成双螺旋结构和重结晶，导致抗性淀粉含量偏低；当料液比小于1:2.0（g:g）时，体系内液体含量增多，溶出的直链淀粉之间不能相互靠近，难以形成分子间氢键，阻碍了分子重排的过程，因此当料液比越小时，抗性淀粉含量越低[35]。根据试验结果考虑，料液比选择1:2.0（g:g）为宜。

图3 料液比对抗性淀粉含量的影响Fig.3 Effect of ratio of material to liquid on content of resistant starch

2.1.4 老化时间对抗性淀粉含量的影响 由图4 可知，老化时间小于72 h 时，随老化时间的增加抗性淀粉含量呈上升趋势，72 h 时抗性淀粉含量最大为27.65%±0.11%。因为淀粉的老化是指糊化后的淀粉分子由无序状态重新进行有序排列的过程[36]，这个过程可分为短期和长期，其中由直链淀粉通过氢键连接重组形成结构致密的双螺旋结构的过程称为短期老化，糊化后较短时间内即可完成；由支链淀粉外侧短链的重结晶所引起的老化为长期老化，糊化后需要较长时间才能完成[37]。当超过72 h 后奶白花芸豆抗性淀粉含量极速下降，可能是由于没有加入防腐剂，淀粉分子发生严重腐败，导致抗性淀粉得率降低。根据试验结果考虑，老化时间宜选择为72 h。

图4 老化时间对抗性淀粉含量的影响Fig.4 Effect of retrograded time on content of resistant starch

2.2 高抗性淀粉奶白花芸豆的制备的响应面试验

2.2.1 Box-Behnken 响应面试验 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29 次实验，实验结果如表2。

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，得到多项回归方程：抗性淀粉含量Y=35.87-0.59A-0.90B+0.17C-0.61D-1.48AB-1.72AC-0.21AD-1.27BC-0.60BD+0.41CD-3.23A2-2.24B2-4.34C2-2.49D2

利用Design-Expert8.0.6.1 软件分析表2 中数据，得到方差分析及回归方程显著性检验结果见表3。

表3 回归方程系数显著性检验表Table 3 Test of significance for regression equation coefficients

由表3 可看出，整体模型差异极显著（P＜0.0001＜0.01），失拟项差异不显著（P=0.0882＞0.05），因此二次模型成立。由方差分析得知R2=0.9490，说明二次模型与实际情况具有较好的拟合度，能够反映响应值的变化，可用来对高抗性淀粉奶白花芸豆的压热法制备工艺进行分析和预测。

分析表3 的P值可知，在所取因素水平范围内，各因素对抗性淀粉含量的影响依次为：料液比＞压热时间＞压热温度＞老化时间。该模型中一次项B 对响应值的影响极显著（P＜0.01），A、D 对响应值的影响显著（P＜0.05）；二次项A2、B2、C2、D2对响应值的影响均极显著（P＜0.01）；交互项AB、AC 对响应值的影响极显著（P＜0.01），BC 对响应值的影响显著（P＜0.05）。

2.2.3 奶白花芸豆抗性淀粉含量响应面分析 图5～图7 是通过响应面分析料液比、压热温度和老化时间对奶白花芸豆抗性淀粉含量影响的等高线与响应曲面图。

图5 压热温度与料液比对抗性淀粉得率的等高线图（a）与响应面图（b）Fig.5 Contour plot (a) and response surface plot (b) of the yield of antagonistic starch based on the relationship between pressure heating temperature and material liquid ratio

由图5a 可知，等高线图呈现椭圆形，表明压热温度与料液比的交互作用对响应值影响显著。图5b 可以看出，随着料液比的减小，响应曲面有明显变化，响应值先升高后降低，表明料液比对抗性淀粉含量影响较大，料液比在1:1.9～1:2.3（g:g）之间，抗性淀粉含量较高。

由图6a 可知，等高线图呈现椭圆形，表明压热温度与老化时间交互作用显著。图6b 可知随着压热温度的增加，响应曲面有明显变化，响应值先升高后降低，表明压热温度对抗性淀粉含量影响较大，压热温度在122～126 ℃之间，抗性淀粉含量较高。

图6 压热温度与老化时间对抗性淀粉得率的等高线图（a）与响应面图（b）Fig.6 Contour plot (a) and response surface plot (b) of the yield of antagonistic starch on the relationship between pressure heating temperature and aging time

由图7a 可知，等高线图呈现椭圆形，表明料液比与老化时间交互作用显著。图7b 可以看出随着老化时间的延长，响应曲面有明显变化，表明老化时间对抗性淀粉含量影响较大，老化时间在72～80 h 之间，抗性淀粉含量最高。

图7 料液比与老化时间对抗性淀粉得率的等高线图（a）与响应面图（b）Fig.7 Contour plot (a) and response surface plot (b) of the yield of antagonistic starch based on the relationship between material liquid ratio and aging time

2.2.4 最优工艺条件的确定及验证 通过回归模型的预测，压热法制备高抗性淀粉奶白花芸豆的最佳理论条件为压热温度124.7 ℃，料液比1:1.9（g:g），老化时间73.29 h，压热时间24.53 min，此条件下预测抗性淀粉得率为36.00%。结合实际情况将最优工艺条件修改为压热温度124 ℃，料液比1:1.9（g:g），老化时间73 h，压热时间24 min，在此条件下进行3次平行试验，实际测得抗性淀粉平均得率为35.63%，与理论值偏差0.37%，由此可见使用响应面法优化高抗性淀粉奶白花芸豆的压热法制备工艺条件准确可靠，有实际应用价值。

2.3 高抗性淀粉奶白花芸豆的基本营养成分

由表4 可以看出，奶白花芸豆含有丰富的淀粉、蛋白质及脂肪，其中抗性淀粉约占总淀粉的1/2 左右。与原豆相比经压热、老化处理后的高抗性淀粉奶白花芸豆水分含量显著性（P＜0.05）减小，粗淀粉及抗性淀粉含量显著性（P＜0.05）增加，粗脂肪和粗蛋白含量无显著性变化。这可能是由于在高压蒸煮过程中芸豆籽粒中自由水含量减少；脂肪与淀粉复合形成具有V 型结构的淀粉-脂质复合物即RS5型抗性淀粉[38]，使得粗脂肪含量小幅降低；粗淀粉含量显著（P＜0.05）增加可能是由于奶白花芸豆经压热处理后少量非淀粉多糖发生水解；糊化淀粉在老化过程中，部分直链淀粉发生了不可逆的重结晶，支链淀粉发生了完全可逆的重结晶，导致抗性淀粉含量显著（P＜0.05）升高[39]。制备前后奶白花芸豆中各项基本营养成分都未大幅度的增加或减少而抗性淀粉含量显著（P＜0.05）增加，表明压热法制备高抗性淀粉奶白花芸豆既能最大程度的保留芸豆中原有的营养物质，又增加了抗性淀粉含量。

表4 高抗性淀粉奶白花芸豆基本营养成分分析结果Table 4 Analysis results of basic nutritional composition of light speckled kidney bean with high resistance starch

2.4 体外模拟消化实验结果

由图8 可知，随着体外消化时间的延长，两种奶白花芸豆中淀粉的水解率均不断增加，但高抗性淀粉奶白花芸豆在120 min 后逐渐趋于平缓。在前20 min内，淀粉分子在胰酶以及糖化酶的作用下分解为小分子还原糖，消化率迅速增加；随着消化时间的延长，淀粉分子不断被水解，与酶结合的位点减少[40]，反应速率减慢，产物的生成速率减慢，但整个系统的产物量仍在增加。在相同的消化时间里，奶白花芸豆中淀粉的消化速率大于高抗性淀粉奶白花芸豆中淀粉的体外消化速率，表明高抗性淀粉奶白花芸豆可以使机体血糖值升高较慢。

图8 压热处理前后奶白花芸豆中淀粉的体外消化率Fig.8 In vitro digestibility of starch in light speckled kidney bean before and after autoclaving processing

2.5 淀粉结构特性分析

2.5.1 扫描电镜分析 如图9（a）～图9（b）所示，奶白花芸豆中淀粉颗粒呈肾形或椭球形，表面完整、光滑、饱满。图9（c）～图9（d）表明，经压热处理的高抗性淀粉奶白花芸豆中淀粉颗粒呈不规则且棱角分明的无定形团块状结构，表面粗糙且存在孔状凹陷，横断面呈片层状结构，淀粉颗粒完整性丧失，这可能是由于高温高压处理后，淀粉颗粒发生了糊化现象，颗粒结构遭到严重破坏，支链淀粉分子分解，在老化一段时间后，重组为了直链淀粉，表面形成了孔状，且形状不规则[41]。

图9 奶白花芸豆淀粉（a、b）及高抗性淀粉奶白花芸豆淀粉（c、d）的扫描电子显微镜图Fig.9 Particle morphology scan of starch of light speckled kidney bean (a, b) and light speckled kidney bean with high resistance starch (c, d)

2.5.2 晶体结构分析 如图10 所示奶白花芸豆中淀粉的X-射线衍射图谱的2θ在15°，17°，23°附近出现较强的衍射峰，表明奶白花芸豆中淀粉的典型结晶结构为A 型，这与黄智慧等[41]报道的结果一致。与奶白花芸豆中淀粉相比，高抗性淀粉奶白花芸豆中淀粉的X-射线衍射图谱的2θ在13°，22°，23°时出现新的强衍射峰，表明经过压热处理后出现了更稳定的B 型、C 型和V 型结晶结构，这可能是由于糊化，老化过程破坏了淀粉结晶区双螺旋结构，通过重组趋于形成更稳定的晶体结构[42]。

图10 奶白花芸豆和高抗性淀粉奶白花芸豆淀粉的X-射线衍射图谱Fig.10 X-ray diffraction spectra of starch of light speckled kidney bean starch and light speckled kidney bean with high resistance starch

2.5.3 红外光谱分析 如图11 所示高抗性淀粉奶白花芸豆中淀粉与奶白花芸豆中淀粉分别在3431.23、3429.52 cm-1处出现特征吸收峰，对应O-H 伸缩振动峰，2929.36、2927.22 cm-1处对应C-H 伸缩振动峰，1648.87、1639.58 cm-1处对应C=O 伸缩振动峰，指纹区在1021.76、974.24 cm-1处出现吸收峰，对应C-O 伸缩振动峰[43]。奶白花芸豆中淀粉与高抗性淀粉奶白花芸豆中淀粉的红外图谱没有显著差异，主要特征吸收峰均相似，表明经过压热处理的高抗性淀粉奶白花芸豆中淀粉没有形成新的基团，但各化学键吸收峰强度均有所增加，说明高抗性淀粉奶白花芸豆中淀粉分子间氢键作用增强[44]。

图11 高抗性淀粉奶白花芸豆和奶白花芸豆中淀粉的红外光谱扫描图Fig.11 Infrared spectra scan of starch of light speckled kidney bean starch and light speckled kidney bean with high resistance starch

3 结论

采用压热法制备高抗性淀粉奶白花芸豆时，料液比对抗性淀粉含量的影响极显著，压热温度与压热时间对抗性淀粉含量的影响显著，影响因素主次顺序为：料液比＞压热时间＞压热温度＞老化时间；通过Box-Behnken 试验设计，运用响应面分析结果结合实际值，确定了最佳工艺条件为：压热温度124 ℃，料液比1:1.9（g:g），老化时间73 h，压热时间24 min。在此优化条件下抗性淀粉含量为35.63%，与理论模型预测值36.00%接近。压热处理前后奶白花芸豆基本营养成分及体外模拟消化率的变化进行分析，表明经压热、老化处理后，奶白花芸豆中淀粉的体外模拟消化率明显降低，但最大程度的保留了基本营养成分。另外，对压热前后奶白花芸豆淀粉的结构特性进行分析，发现与奶白花芸豆淀粉相比，高抗性淀粉奶白花芸豆淀粉的颗粒形貌明显改变，由光滑、饱满球形或椭球形变成了表面粗糙且棱角分明的无定形团块状结构，产生了更稳定的B 型、C 型和V 型结晶结构，没有形成新的基团，但分子间氢键作用有所增强。本研究提高了奶白花芸豆的抗性淀粉含量，高抗性淀粉芸豆与大米复配制作中低GI 杂豆饭、杂豆粥，或与小麦粉复配制作中低GI 饼干、面包等面制品等提供一定理论基础，这对于淀粉类杂豆的深加工具有一定的参考价值。