球磨协同普鲁兰酶处理对红薯粉丝品质的影响

潘牧，刘辉，石义权，李俊*

（1.贵州省农业科学院 生物技术研究所，贵州 贵阳 550006；2.贵州省农业生物技术重点实验室，贵州 贵阳 550006；3.贵州神康原生态食品有限公司，贵州 黔南 550600）

红薯粉丝作为一种传统食品，因其口感软糯丝滑深受消费者的喜爱。随着人们生活水平的提高，消费者对红薯粉丝更加青睐，同时对红薯粉丝的品质要求越来越高。粉丝以淀粉为原料加工而成，因此，粉丝的品质与红薯淀粉的性质密切相关[1]。淀粉由支链淀粉和直链淀粉组成[2]。通常认为直链淀粉含量越高，粉丝的品质越好[3]，因为支链淀粉具有多分支结构，而直链淀粉通常呈线性结构，其空间位阻更小[4]，因此，直链淀粉更容易发生老化从而提高粉丝的品质。李敏等[5]发现相比于红薯粉丝，绿豆粉丝口感更加爽滑，蒸煮损失率更低，这是因为绿豆淀粉直链淀粉含量更高。由于红薯淀粉直链淀粉含量较低，在蒸煮过程中，红薯粉丝容易断条糊汤。为了改善红薯粉丝的品质，通常利用明矾增加其韧性和耐煮性，但明矾对人体有害，过度食用明矾会导致记忆力衰退、智力下降等问题。因此，开发一种绿色无害、提高红薯粉丝品质的工艺具有重要意义。直链淀粉含量是调控红薯粉丝品质变化的重要参数，提高红薯淀粉直链淀粉含量是改善红薯粉丝品质的重要思路。

普鲁兰酶是一种常用的脱支酶，其能够专一性水解淀粉中的α-1，6 糖苷键[6-7]，使支链淀粉的分支链脱离主干，从而形成具有线性结构的短直链淀粉，进而提高淀粉体系中直链淀粉含量。同时，根据世界卫生组织及我国GB 1886.174—2016《食品安全国家标准食品添加剂食品工业用酶制剂》的相关要求，普鲁兰酶可在食品加工中使用。高能球磨法是一种通过机械力引发物质发生物理化学变化的改性方法，该方法改性过程中不引入化学试剂，具有环保、安全的特点[8-9]。郎双静等[10]发现球磨处理能够增加直链淀粉含量，降低淀粉凝胶的黏性。通过普鲁兰酶和球磨单一处理提高红薯粉丝品质的研究已有相关报道，但两者协同处理对红薯粉丝品质的影响鲜有报道。本研究基于球磨和普鲁兰酶协同提高直链淀粉含量原理，开发一种改善红薯粉丝品质的新方法，对红薯粉丝的工业化及高值化生产具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试剂与材料

红薯淀粉：天津顶峰开发有限公司；普鲁兰酶（60 U/mL）：北京诺维信公司；K-AMYL 直链淀粉试剂盒：Megazyme（爱尔兰）公司；无水磷酸氢二钠、无水柠檬酸（均为分析纯）：国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

IS10 型衰减全发射傅里叶变换红外光谱仪（Fourier-transform infrared spectroscopy，FTIR）：美国Thermo-Nicolet 科学仪器有限公司；GZX-9146MBE 电热鼓风干燥箱：上海博迅实业有限公司医疗设备厂；OMNIC 8.2 光谱处理软件、DXRZxi 拉曼光谱仪：赛默飞科技有限公司；RVA-4500 型快速黏度分析仪（rapid visco analyser，RVA）：澳大利亚Perten 公司；TA XT plus 型物性分析仪：英国Stable Micro Systems 公司；MINI ZETA 03E高能湿法球磨仪：德国Netzsch 公司。

1.3 方法

1.3.1 改性红薯淀粉的制备

1.3.1.1 球磨预处理淀粉（sweet potato starch-ball milling，SPS-B）

取未处理的红薯淀粉（sweet potato starch，SPS）配制浓度为8%的悬浮液，通过料斗加入高能湿法球磨仪中处理20 min。球磨过程中采用低温循环水装置对球磨外壁进行降温。球磨处理结束后，淀粉浆置于烧杯中备用。

1.3.1.2 普鲁兰酶处理淀粉（sweet potato starch-enzyme，SPS-E）

向浓度为8%的淀粉乳中加入普鲁兰酶（120 U/g），搅拌均匀，55 ℃下反应30 min，酶解后的淀粉冻干，研磨并过100 目网筛，用于指标测定。

1.3.1.3 球磨协同普鲁兰酶处理淀粉（sweet potato starch-ball milling and enzyme，SPS-BE）

向球磨处理后的淀粉乳中加入普鲁兰酶（120 U/g），搅拌均匀，55 ℃下反应30 min，酶解后的淀粉冻干，研磨并过100 目网筛，用于指标测定。

1.3.2 直链淀粉含量测定

原淀粉和改性淀粉直链淀粉含量采用K-AMYL直链淀粉试剂盒测定[11]。

1.3.3 淀粉短程有序性测定

将适量淀粉样品放置于FTIR 的衰减全反射附件（attenuated total reflection，ATR）晶体表面，测试参数：扫描范围为4 000～400 cm-1，扫描次数为32 次，分辨率为4 cm-1。

1.3.4 淀粉糊化特性测定

准确称取3.0 g 淀粉样品于铝盒内，加入一定质量的去离子水，混合均匀，将铝盒放入RVA 快速黏度分析仪中按照标准程序进行测定。

1.3.5 红薯粉丝的制备

配制一定浓度的淀粉乳，沸水浴中加热20 min，使其完全糊化。糊化的淀粉经过压面成型后，浸入冷水中冷却，然后自然风干。

1.3.6 淀粉凝胶性质测定

配制10 g/100 mL 浓度的淀粉乳，于沸水中加热20 min，使其完全糊化，将糊化的淀粉置于特制的模具中，4 ℃放置24 h 后，取出直径为3 cm 的圆柱形凝胶测定其凝胶性质。具体测定条件：探头类型P36，感应力0.196 N，压缩形变50%，测试速度1.00 mm/s。

1.3.7 粉丝拉伸强度测定

取一定长度的粉丝，沸水浴加热20 min，冷却备用。利用A/SPR 探头进行测定，拉伸速度为3.0 mm/s。

1.3.8 粉丝断条率测定

选择20 根成品粉丝于烧杯中，煮沸20 min，通过公式（1）计算粉丝的断条率。

式中：R 为断条率，%；Ci和Cf分别为煮前和煮后保持完整的粉丝条数。

1.3.9 粉丝蒸煮损失率测定

将5 g 粉丝在65 ℃烘箱中干燥至恒重，称取一定质量的粉丝（m1，g）置于盛有沸水的烧杯中，煮沸20 min，加热过程中保持水量恒定。粉丝冷却后，用滤纸吸干表面水分，并记录其质量。将湿粉丝置于烘箱中干燥至恒重，并记录质量（m2，g）。蒸煮损失率（Rz，%）通过公式（2）进行计算。

1.3.10 感官评价

将形貌相似的红薯粉丝在沸水中加热20 min，取出冷却后用于感官评价。选择15 位具有感官评价经验的人员对粉丝的不同属性做出评价，将每个属性的平均值作为最终评分。粉丝感官评分标准见表1。

表1 粉丝感官评分标准Table 1 Sensory evaluation criteria of sweet potato vermicelli

1.4 数据分析

通过SPSS 22.0 软件对数据进行方差分析，每组试验重复3 次，结果以平均值±标准差表示，采用Origin－Pro 2021 进行绘图。

2 结果与分析

2.1 直链淀粉含量变化

不同样品的直链淀粉含量如图1 所示。

图1 红薯淀粉直链淀粉含量Fig.1 Amylose content of sweet potato starch

由图1 可知，SPS 的直链淀粉含量为24.16%，经球磨和酶解单一处理后，直链淀粉含量分别增加12.83%和27.52%。α-1，6 糖苷键主要位于淀粉的无定型区，球磨处理能够破坏支链淀粉的α-1，6 糖苷键，产生线性支链段，从而导致直链淀粉含量增加[12]。Liu 等[13]研究发现球磨处理后木薯淀粉直链淀粉含量增加，支链淀粉分子量更大，且具有多分支结构，在剪切力作用下更容易被破坏，形成线性短链。普鲁兰酶能够专一性水解支链淀粉中的α-1，6 糖苷键，从而产生短直链淀粉[14]，相比于球磨处理，酶解能够更有效增加淀粉的直链淀粉含量，这表明酶催化效率更高，反应速率更快。SPS-BE 直链淀粉含量显著高于SPS-B 和SPS-E的直链淀粉含量，表明球磨协同酶处理能够进一步提高红薯淀粉的直链淀粉含量。一方面，球磨处理能够破坏支链淀粉的α-1，6 糖苷键，残余的支链淀粉能够被酶进一步水解。另一方面，球磨与淀粉颗粒之间以及淀粉颗粒与淀粉颗粒之间的摩擦力和剪切力导致淀粉颗粒受损，粒径下降，有利于酶的水解。因此，球磨协同普鲁兰酶处理能够提高红薯淀粉直链淀粉含量，且其效果优于球磨和普鲁兰酶单一处理。

2.2 短程有序性测定

采用傅里叶红外光谱对红薯淀粉进行检测，结果如图2 和图3 所示。

图2 红薯淀粉的傅里叶变换红外光谱Fig.2 Fourier transform infrared spectra of sweet potato starch samples

图3 红薯淀粉去卷积光谱Fig.3 Deconvolution spectra of sweet potato starch samples

从图2 中可以看出，3 400 cm-1处代表O—H 振动，与淀粉的氢键相互作用有关。FTIR 光谱能够反映淀粉的短程有序性，1 047 cm-1和1 022 cm-1处的吸光度分别与结晶区和无定型区相关，因此，1 047 cm-1和1 022 cm-1的比值（R1047/1022）能够评估淀粉短程有序性的数量[15-16]。R1047/1022的数值可通过傅里叶去卷积获得，样品R1047/1022的结果如图4 所示。

图4 红薯淀粉R1 047/1 022 值Fig.4 R1 047/1 022 values of sweet potato starch samples

由图3、图4 可知，SPS 的R1047/1022数值显著高于SPS-B、SPS-E 和SPS-BE。经球磨和酶解处理后R1047/1022的数值显著低于原淀粉的红外比值，表明样品的短程有序性下降，结果与文献[17-18]类似。短程有序性与螺旋结构的局部有序排列密切相关，且淀粉的结晶区主要由支链淀粉构成，而直链淀粉形成无定型区[19]。球磨和酶解处理过程中，α-1，6 糖苷键断裂，导致支链淀粉结构被破坏，结晶区减少，从而导致R1047/1022的数值降低。同时，短直链淀粉的形成导致螺旋结构的局部排列更加无序。SPS-BE 的R1047/1022数值分别比SPS-B和SPS-E 降低0.060 和0.034。相比于球磨和酶解单一处理，球磨协同酶解处理后，支链淀粉结构破坏程度更高，产生的短直链淀粉更多，因此其短程有序性更低。

2.3 糊化特性

淀粉糊的性质与粉丝的品质密切相关，采用RVA测定淀粉的糊化性质，相关参数如表2 所示。

表2 红薯淀粉的糊化特性Table 2 Gelatinization properties of sweet potato starch samples cp

峰值黏度与淀粉颗粒的溶胀有关，加热过程中，淀粉颗粒膨胀相互挤压导致淀粉糊黏度上升。搅拌过程中，在剪切力作用，颗粒崩解，淀粉糊黏度下降[20]。由表2 可知，SPS 的峰值黏度显著高于其他3 种样品，这可能是因为在球磨和酶解处理过程中，淀粉颗粒结构被破坏，更容易溶胀破裂。随温度下降，淀粉发生回生，在氢键、范德华力等非共价键作用下，淀粉链发生有序重排，形成凝胶网络结构，导致淀粉糊的黏度提高。回生值是最终黏度和谷值黏度的差值，回生值越大则证明淀粉回生越快，冷淀粉糊的稳定性越高[21-22]。淀粉的回生特性在一定程度上决定了粉丝的品质。球磨和酶解处理后淀粉样品的回生值显著高于原红薯淀粉，表明淀粉的回生速率和稳定性提高。相比于原淀粉，球磨和酶解处理后，直链淀粉含量升高，而直链淀粉回生速度显著高于支链淀粉且直链淀粉具有线性结构，有利于形成良好的凝胶网络[23]。因此，球磨协同酶解处理能够提高红薯淀粉糊的回生速率和稳定性。SPS-B、SPS-E 和SPS-BE 的回生值分别为1 215、1 258、1 313 cp，这表明球磨和酶解协同处理的淀粉样品，回生速率最快。衰减值是指峰值黏度与谷值黏度的差值，衰减值与淀粉糊的稳定性呈负相关[24]。经球磨和酶解处理后，淀粉糊的衰减值显著降低，表明淀粉糊抵抗外力的能力增强，这可能与良好的凝胶网络有关。

2.4 凝胶特性

糊化的淀粉在冷却过程中会发生回生现象，无序的淀粉链在氢键作用下相互缠绕形成具有弹性和强度的凝胶，淀粉凝胶的性质一定程度上反映了粉丝的品质。红薯淀粉的凝胶特性见表3。

表3 红薯淀粉凝胶特性Table 3 Gel properties of sweet potato starch samples

由表3 可知，SPS 的硬度显著低于SPS-B、SPS-E和SPS-BE。球磨和酶处理均能够显著增加淀粉的直链淀粉含量[25-27]，直链淀粉具有线性结构，空间位阻小，更容易发生有序重排形成晶体结构，形成更多的交联位点。同时，直链淀粉能够作为晶种加速支链淀粉回生[28]，而凝胶的硬度主要依赖于支链淀粉[29]。SPS的直链淀粉含量低于SPS-B、SPS-E 和SPS-BE，因此其具有更低的硬度。同时，经球磨和酶处理后，淀粉凝胶的弹性、黏性、回复性和咀嚼性均提高，这可能与淀粉凝胶性能的提高有关，直链淀粉含量增加，淀粉形成的凝胶网络更加完善。

2.5 拉伸强度

拉伸强度在一定程度上反映了粉丝的韧性，SPS、SPS-B、SPS-E 和SPS-BE 的拉伸强度结果如图5 所示。

图5 红薯粉丝的拉伸强度Fig.5 Tensile strength of sweet potato vermicelli

由图5 可知，SPS 的拉伸强度显著低于SPS-B、SPS-E 和SPS-BE，表明球磨和酶解处理均能够增强粉丝的拉伸强度。同时，SPS-BE 具有最高的拉伸强度，这表明球磨协同酶解处理能够更好地增强粉丝的韧性。粉丝拉伸强度的提高与淀粉的凝胶网络有关，球磨和酶解处理使淀粉中直链淀粉含量增加，提高了淀粉凝胶网络的韧性和强度，从而使粉丝具有更大的拉伸强度。球磨协同酶解处理后，SPS-BE 的拉伸强度为SPS 的1.35 倍。

2.6 蒸煮特性

红薯粉丝经过蒸煮后才能食用，因此，蒸煮特性对于评估粉丝的品质至关重要。断条率是评估粉丝品质好坏最直观的指标，断条率高则证明粉丝品质差。粉丝烹煮性越好，则断条率越低。红薯粉丝的蒸煮特性见表4。

表4 红薯粉丝的蒸煮特性Table 4 Cooking properties of sweet potato vermicelli

由表4 可知，经球磨和酶解协同处理后，红薯粉丝的断条率降低了12.56%，表明粉丝的耐煮性提高。粉丝耐煮性的提高与淀粉凝胶性能有关。由于直链淀粉含量的提高，在制备粉丝的过程中淀粉回生能够形成更加完善的凝胶网络，在加热复水过程中，粉丝的网络结构更加坚韧，从而使粉丝具有更强的耐煮性。而SPS 直链淀粉含量低，在加热复水过程中，粉丝的网络结构容易被破坏，导致粉丝发生断裂。相比于球磨和酶解单一处理，两者协同作用能够更显著地增加直链淀粉含量，因此SPS-BE 的断条率低于SPS-B 和SPS-E。石彬等[30]同样发现，提高淀粉的直链淀粉含量能够降低粉丝的断条率。蒸煮损失率也是反映粉丝性质的重要指标。蒸煮损失率越高，则证明粉丝的质量损失率越高。淀粉糊化后，直链淀粉分子在氢键作用下发生有序重排[31]，形成致密的结构，抑制了淀粉的溶解和溶胀。因为SPS-BE 直链淀粉含量最高，因此，其蒸煮损失率最低。综上，球磨协同酶解处理能够显著降低粉丝的断条率和蒸煮损失率。

2.7 感官评价

红薯粉丝的感官评价结果对于评估粉丝品质具有重要的现实意义，能够为粉丝生产提供更准确的要求。按照表1 的评分标准对红薯粉丝进行了感官评价，结果见图6。

图6 红薯粉丝的感官评价Fig.6 Sensory evaluation of sweet potato vermicelli

粉丝的口感是人们在消费时的首先关注点。由图6 可知，SPS 口感偏软且存在黏腻感，而经球磨或酶解处理后，粉丝口感明显改善。粉丝的硬度和弹性增强，且黏腻感降低。这可能是因为球磨或者酶解处理均提高了红薯淀粉的直链淀粉含量，SPS-B、SPS-E 和SPS-BE 能够形成更好的凝胶网络，且在直链淀粉晶种促进下回生速率更快，凝胶性能更好，因此其口感更好。在组织形态方面，红薯粉丝经酶解或球磨处理后也发生显著改善，断条数量明显减少，且粉丝整体结构更为均一，这与断条率的结果一致。粉丝除了组织形态和口感得到改善以外，其色泽也变得更为透明。而球磨和酶解处理不会对粉丝的气味产生影响。

3 结论

本研究通过球磨和普鲁兰酶协同处理红薯淀粉，并以改性后的红薯淀粉为原料制备了红薯粉丝。经球磨和普鲁兰酶协同处理后，红薯淀粉直链淀粉含量显著提高。红薯淀粉的凝胶特性和回生特性增强。相比于球磨和普鲁兰酶单一处理，球磨协同普鲁兰酶处理能够更显著地改善红薯粉丝的口感、弹性和韧性，并有效减少了红薯粉丝的断条率。球磨协同普鲁兰酶处理具有效率高、绿色环保等特点，本研究对高品质红薯粉丝的生产具有指导意义。