李 濤 黃 群, 宋洪波, 王藝偉, 安鳳平, 滕 慧(福建農(nóng)林大學食品科學學院，福州 35000)(福建省特種淀粉品質(zhì)科學與加工技術重點實驗室，福州 35000)

紫山藥抗消化淀粉的制備及水解特性

李 濤1黃 群1,2宋洪波1,2王藝偉1,2安鳳平1,2滕 慧1
(福建農(nóng)林大學食品科學學院1，福州 350002)(福建省特種淀粉品質(zhì)科學與加工技術重點實驗室2，福州 350002)

以酶解-壓熱法制備紫山藥抗消化淀粉，考察了淀粉乳濃度、普魯蘭酶用量、酶解時間、壓熱時間對制備淀粉中抗消化淀粉含量的影響，通過正交試驗和方差分析明確影響因素的重要性并優(yōu)化工藝條件；比較分析了糊化淀粉、壓熱淀粉以及酶解-壓熱法制備淀粉的水解動力學。結(jié)果表明：酶解-壓熱法制備紫山藥抗消化淀粉的含量隨各因素水平的增加呈先增加后減小的趨勢，優(yōu)化的條件為：淀粉乳質(zhì)量分數(shù)20%、普魯蘭酶用量8 U/g、酶解12 h、以120 ℃壓熱處理40 min 2次時，制備抗消化淀粉樣品純度為96.67%，其中抗消化淀粉含量為47.85%；水解特性研究表明：與糊化、壓熱法相比，酶解-壓熱法制備抗消化淀粉的水解率、水解指數(shù)與血糖指數(shù)均顯著降低，具有更好的抗消化性。

紫山藥 酶解 壓熱 抗消化淀粉 水解

紫山藥(PurpleDioscoreaalataL)，又稱紫蒔藥、紫淮山藥，為多年生藤本植物薯蕷(DioscoreaalataL)的塊莖，紫紅色肉質(zhì)中富含色素[1]。我國南方地區(qū)廣泛種植紫山藥，具有滋肺益腎、健脾止瀉、降壓利肝等功效[2-3]。紫山藥富含淀粉，約占生物總量的16%～20%，因此，開發(fā)利用紫山藥淀粉具有重要意義。

Englyst等[4]和Berry等[5]發(fā)現(xiàn)，淀粉中存在一部分能抵抗酶水解的淀粉，將其命名為抗消化淀粉RS。因?qū)Φ矸鄯纸饷赣锌剐裕谝话阏糁笾胁灰资芷茐?，故可實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)并作為添加劑添加到傳統(tǒng)食品中，商業(yè)價值高，前景廣闊[6]?？瓜矸跼S的制備方法主要有物理法、酶解法以及復合法等。采用壓熱、超聲波、超高壓、擠壓、微波膨化、單酶酶解等傳統(tǒng)的方法，雖然方法簡單、處理時間短，但制備的產(chǎn)品抗消化淀粉含量低[7]；采用壓熱-冷卻處理與酶解法相結(jié)合的方法，可以明顯提高抗消化淀粉RS含量。Zhao等[8]通過普魯蘭酶脫支處理壓熱糊化的玉米淀粉后，再以壓熱、冷卻循環(huán)處理2次，RS質(zhì)量分數(shù)可達32.4%；Chagam等[9]報道魔芋淀粉在壓熱、冷卻處理前先經(jīng)普魯蘭酶脫支處理，RS質(zhì)量分數(shù)可達36.27%；Pramila等[10]研究表明馬鈴薯淀粉經(jīng)普魯蘭酶脫支處理后壓熱、冷卻可將RS質(zhì)量分數(shù)提高到29.35%。目前，國內(nèi)關于抗消化淀粉水解特性的研究甚少[11]。Rosida等[12]以生鮮紫山藥塊莖為原料，利用壓熱-冷卻循環(huán)法制備抗消化淀粉并分析了其消化性，結(jié)果表明增加循環(huán)次數(shù)，可提高抗消化淀粉的抗消化性。

本研究以紫山藥淀粉為原料，采用酶解-壓熱法制備抗消化淀粉，研究不同工藝條件對紫山藥抗消化淀粉含量的影響及其水解特性，旨在為開發(fā)出具有較好消化抗性的淀粉提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫山藥：品種為紫玉淮山，產(chǎn)自福建省三明市建寧縣。普魯蘭酶(2 800 U/g)：美國Sigma公司；D-葡萄糖檢測試劑盒：愛爾蘭Megazyme公司；檸檬酸、氯化鈉、異抗壞血酸鈉、無水乙醇、磷酸氫二鈉、氫氧化鈣均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設備

DHG-9003A型熱風干燥箱：上海精宏試驗設備有限公司；MJ-60BM01A美的攪拌機：廣東美的生活電器制造有限公司；SYQ-DSX-280B型高壓滅菌鍋：上海申安醫(yī)療器械廠；UV-1100型紫外可見分光光度計：上海美譜達儀器有限公司；TDL-5-A型低速離心機：上海安亭科學儀器廠；THZ-82型水浴恒溫振蕩器：金壇市精達儀器制造有限公司。

1.3 方法

1.3.1 紫山藥淀粉制備

紫山藥淀粉的制備參考Jiang等[13]方法。

1.3.2 抗消化淀粉含量測定

樣品中快速消化淀粉(RDS)、緩慢消化淀粉(SDS)、抗消化淀粉(RS)含量的測定采用Zeng等[16]的方法。

1.3.3 紫山藥抗消化淀粉的制備

糊化法：參考Zeng等[14]的方法制備。

壓熱法：參考Asima等[15]的方法制備。

酶解-壓熱法：取10 g紫山藥淀粉(干基)，加磷酸緩沖液(0.2 mol/L，pH 5.0)配制一定濃度的淀粉乳，置于250 mL錐形瓶中，100 ℃糊化30 min，降溫至58 ℃，加入一定量的普魯蘭酶，酶解一定的時間后，以100 ℃滅酶10 min；4 000 r/min離心15 min，去除上清液，向沉淀物加入去離子水，在高壓滅菌鍋中120 ℃處理一定時間，冷卻到室溫，4 ℃環(huán)境中放置24 h進行老化。將老化的樣品再進行1次如前述條件的重復的壓熱-老化循環(huán)處理后，40 ℃烘干含水量10%以下，粉碎過100目篩。

單因素試驗：以淀粉乳質(zhì)量分數(shù)、普魯蘭酶用量、酶解時間、壓熱處理時間作為考察因素，各因素的水平為：淀粉乳質(zhì)量分數(shù)為10%、15%、20%、25%、30%、35%，普魯蘭酶用量(以淀粉干基為基準)為2、4、6、8、10、12 U/g，酶解時間為6、8、10、12、14、16 h，壓熱處理時間5、10、20、30、40、60 min。按1.3.2的方法測定樣品中抗消化淀粉含量，重復測定3次，取平均值。

正交試驗：在單因素試驗基礎上，采用L9(34)正交表進行四因素三水平的正交試驗，試驗因素水平設計見表1。

表1 因素水平表

1.3.4 化學成分分析

樣品中淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪、灰分和粗纖維含量的測定分別按照GB/T 5009.9—2008、GB/T 5009.5—2010、GB/T 5009.6—2003、GB/T 5009.4—2010和GB/T 5009.10—2003，重復測定3次，取其平均值。

1.3.5 水解特性測定1.3.5.1 水解率的測定

分別測定淀粉乳水解10、20、30、40、60、90、120、180 min時的葡萄糖含量。以水解樣品中葡萄糖的含量占水解前樣品中總淀粉質(zhì)量百分比表示水解率：

(1)

式中：HR為水解率/%；G為不同時間水解后的葡萄糖含量/mg；W為樣品的質(zhì)量/mg。

1.3.5.2 水解指數(shù)與血糖指數(shù)測定

采用Goni的體外消化動力學方法，模擬人體腸道體系[17]。淀粉水解曲線遵循一級反應方程C=C(1-e-kt)，水解曲線下面積(Area under curve，AUC)按式(2)計算：

AUC=C(tf-t0)-{1-exp[-k(tf-t0)]}

(2)

式中：AUC為水解曲線面積；C∞為平衡濃度/%；k為反應動力學常數(shù)/min-1；tf為反應終止時間，180 min；t0為反應初始時間，0 min。

以白面包的水解曲線面積為標準，樣品水解指數(shù)(HI)為樣品水解曲線面積與白面包水解曲線積分面積(AUC)比值的百分數(shù)。樣品血糖指數(shù)(GI)按式(3)[17]計算而得：

GI=39.71+0.549HI

(3)

1.3.6 統(tǒng)計分析

應用DPS V 7.65軟件分析差異顯著性(P<0.05)，使用Microsoft Excel 2003進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用OriginPro 8.0軟件繪制水解率曲線圖。

2 結(jié)果與分析

2.1不同因素對酶解-壓熱法制備紫山藥抗消化淀粉的影響

2.1.1 淀粉乳質(zhì)量分數(shù)的影響

測定不同淀粉乳濃度對酶解-壓熱法制備紫山藥抗消化淀粉的影響，結(jié)果見表2。

表2 淀粉乳濃度對酶解-壓熱法制備紫山藥抗消化淀粉的影響

注：數(shù)據(jù)表示為平均值±標準差(n=3)；同一列肩標字母中，相同表示差異不顯著(P>0.05)，不同表示差異顯著(P<0.05)，余同。

由表2可知，隨著淀粉乳濃度的增大，RS含量呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，而RDS、SDS含量則先降低后升高。當?shù)矸廴橘|(zhì)量分數(shù)為25%時，RS質(zhì)量分數(shù)達到最大45.92%，這說明淀粉乳濃度過高或過低都不利于RS的形成。吳紅引等[18]研究壓熱-酶解法制備碎米抗消化淀粉亦得出相似的結(jié)論。這可能是因為淀粉乳濃度低時，直鏈淀粉分子間接觸少不易形成抗消化淀粉結(jié)晶，大部分形成了不完美的結(jié)晶[19]，從而使RDS、SDS含量提高；淀粉乳濃度過大時，由于體系的黏度過大而造成淀粉分子不易移動而阻礙直鏈淀粉結(jié)晶的形成，另外其支鏈淀粉α-1，6-糖苷鍵的接近也會阻礙淀粉鏈的運動，從而阻擋其形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，RS含量則顯著降低[20]。

2.1.2 普魯蘭酶用量的影響

測定不同普魯蘭酶用量對酶解-壓熱法制備紫山藥抗消化淀粉的影響，結(jié)果見表3。

表3 普魯蘭酶用量對酶解-壓熱法制備紫山藥抗消化淀粉含量的影響

由表3可以看出，RDS、SDS含量隨普魯蘭酶用量的升高呈先減小后增加的趨勢，RS含量則表現(xiàn)為先增大后減小。當普魯蘭酶用量為10 U/g時，RS含量達到最高，相對于其他普魯蘭酶用量有顯著差異。Wu等[21]研究酶解-壓熱法制備玉米抗消化淀粉，結(jié)果表明在普魯蘭酶用量為10 U/g時，制備樣品的抗消化效果最佳，這與本研究所得的結(jié)論一致。由于當酶用量過大時，會使淀粉分子脫支過度形成短的直鏈淀粉分子鏈及低聚糖，無法形成RS，結(jié)晶程度降低從而使RDS與SDS含量增大；而當酶用量不足時，淀粉分子脫支不完全，支鏈淀粉的支叉結(jié)構(gòu)阻礙直鏈淀粉分子互相接近，降低抗消化淀粉的含量[22]。

2.1.3 酶解時間的影響

測定不同酶解時間對酶解-壓熱法制備紫山藥抗消化淀粉的影響，結(jié)果見表4。

由表4可知，RS含量隨著酶解時間的升高呈先增加后減小的趨勢，而RDS、SDS則相反。在不同酶解時間下RDS、SDS和RS含量差異顯著，其中酶解時間為12 h，紫山藥抗消化淀粉含量達到最高。淀粉的結(jié)晶過程和雙螺旋結(jié)構(gòu)形成過程中均需要合適的鏈長，脫支時間過短，普魯蘭酶作用不充分，可最大限度得到RDS、SDS[23]；脫支時間過長，淀粉脫支過度，也會降低RS的含量，而脫支降解產(chǎn)生的大量短直鏈淀粉在后續(xù)緩慢冷卻過程中促進了RDS、SDS的形成，即太短或太長的分子鏈均不利于RS的生成[24]。

表4 酶解時間對酶解-壓熱法制備紫山藥抗消化淀粉含量的影響

2.1.4 壓熱時間的影響

測定不同壓熱時間對酶解-壓熱法制備紫山藥抗消化淀粉的影響，結(jié)果見表5。

表5 壓熱時間對酶解-壓熱法制備紫山藥抗消化淀粉含量的影響

由表5可知，隨著壓熱時間的增加，RS含量逐漸增加后減小，與吳津蓉等[25]制備小麥抗消化淀粉時的變化趨勢一致。當壓熱時間為40 min時，紫山藥抗消化淀粉含量達到最高。壓熱時間過短時，直鏈淀粉分子不易接近或沒有完全游離出來；壓熱時間過長時，淀粉分子會過度降解，形成短直鏈淀粉，這些短直鏈淀粉分子運動比較激烈，較難聚集形成晶體，不利于抗消化淀粉的形成或形成的抗消化淀粉抗酶解性不強，使其含量下降[26]。故當壓熱時間大于40 min時，RS含量呈下降趨勢。隨著壓熱處理時間的增加會造成淀粉分子之間形成致密的晶體，表現(xiàn)為RS含量增加，過長的壓熱時間使淀粉分子降解，產(chǎn)生的一些小分子量的短直鏈淀粉分子不易形成牢固的晶體而使RDS、SDS含量增加。

2.1.5 正交試驗

根據(jù)表6確定試驗方案，以RS的含量為評價指標進行正交試驗，試驗數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 正交試驗結(jié)果

表7 正交試驗方差分析表

注：F0.05(2,2)=19.00；F0.01(2,2)=99.00；**、*分別表示差異達到0.01和0.05顯著水平。

由表6可以看出，紫山藥抗消化淀粉最高含量可達到47.07%。影響酶解-壓熱法制備紫山藥抗消化淀粉的反應條件中各因素主次為：B(酶用量)>D(壓熱時間)>C(酶解時間)>A(淀粉乳質(zhì)量分數(shù))，最佳因素組合為A1B1C2D3，即淀粉乳質(zhì)量分數(shù)20%、酶用量8 U/g淀粉、酶解時間12 h、壓熱時間40 min。由表7可知，普魯蘭酶用量的影響達到極顯著水平，壓熱時間的影響達到顯著水平，而酶解時間和淀粉乳濃度影響不顯著。

將優(yōu)化條件的試驗號設置為10號，并與正交試驗中RS含量最高的試驗4號作對照。由表8可知，正交優(yōu)化條件下10號試驗較4號所得的RS含量更高，證明此參數(shù)組合確為最佳工藝。

2.2 不同方法制備紫山藥抗消化淀粉品質(zhì)比較

2.2.1 主要成分

紫山藥原淀粉以及糊化淀粉、壓熱淀粉和優(yōu)化的酶解-壓熱條件下制備的抗消化淀粉主要成分如表9所示。

由表9可知，各淀粉樣品中的淀粉含量均大于96.67%，差異不顯著，說明制備的淀粉樣品純度高。酶解-壓熱法制備抗消化淀粉中的蛋白質(zhì)含量顯著高于原淀粉、糊化淀粉與壓熱淀粉中的，這是由于經(jīng)淀粉酶酶解，淀粉酶進入淀粉顆粒內(nèi)部，可能部分淀粉酶殘余在其中[27]。原淀粉經(jīng)改性處理后，脂肪、灰分、粗纖維含量有所降低，但差異不顯著，這與Rosida等[12]研究壓熱處理紫山藥淀粉得出的結(jié)果一致。熱處理改變了淀粉的物化特性，大分子物質(zhì)遭到破壞，從而降低樣品中蛋白質(zhì)和脂肪的含量，但這種改變是輕微的[28]。

表8 正交試驗的驗證

表9 紫山藥淀粉的主要化學成分/g/100 g干物質(zhì)

2.2.2 內(nèi)在品質(zhì)

紫山藥原淀粉以及糊化淀粉、壓熱淀粉和優(yōu)化的酶解-壓熱條件下制備的抗消化淀粉品質(zhì)分析見表10。

表10 不同方法制備紫山藥抗消化淀粉品質(zhì)分析

由表10可知，紫山藥淀粉經(jīng)不同方法處理后快速消化淀粉(RDS)、緩慢消化淀粉(SDS)和抗消化淀粉(RS)含量差異顯著。具體表現(xiàn)為原淀粉在糊化、壓熱處理后，RDS、SDS含量顯著增加，而RS含量則明顯降低；與糊化、壓熱淀粉相比，酶解-壓熱淀粉中RDS、SDS含量顯著降低，RS含量則明顯增加。由于原淀粉顆粒大、表面光滑且致密和結(jié)晶度大等原因，導致RDS、SDS含量較少，而RS含量很高；熱處理使原淀粉的顆粒破裂，淀粉鏈段部分裂解，淀粉內(nèi)部的有序程度變小，無定型區(qū)域增大，淀粉更易與酶結(jié)合而發(fā)生水解，從而RDS、SDS含量顯著增加[29]。原淀粉經(jīng)酶解-壓熱處理后，產(chǎn)生大量游離的直鏈淀粉，直鏈淀粉間通過氫鍵形成結(jié)晶度較高的晶體，對酶具有高度的抗性，因此采用酶解-壓熱法制備紫山藥抗消化淀粉的品質(zhì)最佳。

2.3 水解特性

2.3.1 水解率

不同淀粉的體外水解速率曲線如圖1所示。在0～60 min的時間內(nèi)水解率快速升高，60～180 min水解率緩慢增加并趨于平衡值。水解至180 min時，糊化淀粉的水解率為72.95%，壓熱淀粉的水解率為69.04%，而酶解-壓熱后的淀粉水解程度較低，為52.85%，而原淀粉的水解率僅為19.24%，表明水解率與RS含量呈負相關。由于原淀粉顆粒大、結(jié)構(gòu)完整且致密、結(jié)晶度高，酶不易與淀粉結(jié)合而發(fā)生水解[30]，因此水解率較低；原淀粉經(jīng)熱處理后，顆粒遭到破壞，結(jié)晶度降低，結(jié)構(gòu)松弛，使得淀粉更易與酶結(jié)合，水解率較高；而淀粉經(jīng)普魯蘭酶酶解后生成大量的直鏈淀粉，壓熱老化后重結(jié)晶具有較高的抗消化性，因此水解率較糊化、壓熱淀粉顯著降低。

圖1 不同淀粉的體外水解動力學

2.3.2 水解指數(shù)與血糖指數(shù)

如表11所示，糊化淀粉的水解平衡濃度最高，不同淀粉樣品之間平衡濃度差異顯著，原淀粉平衡為18.47%，而酶解-壓熱淀粉平衡濃度較糊化、壓熱淀粉顯著降低。動力學常數(shù)K大小反映淀粉體外消化速度快慢。原淀粉的體外消化速度最慢，糊化淀粉、壓熱淀粉和酶解-壓熱淀粉的水解動力學常數(shù)K之間的差異不顯著，水解速度均顯著大于原淀粉的。淀粉經(jīng)糊化處理后，較易溶于水中，所以容易被酶作用，到達最大水解率的時間相應縮短；而經(jīng)壓熱處理的淀粉，顆粒表面結(jié)構(gòu)更加疏松，更易被淀粉酶結(jié)合利用，達到最大水解率的時間也相應縮短[31]。淀粉的水解指數(shù)與血糖指數(shù)是反應淀粉消化速率的主要指標，表中各淀粉的水解指數(shù)HI及血糖指數(shù)GI之間的差異均顯著。與糊化淀粉相比，壓熱淀粉和酶解-壓熱淀粉的水解指數(shù)及血糖指數(shù)顯著降低，其中以酶解-壓熱淀粉最低，分別為52.84%和68.72%，由此可見，酶解-壓熱淀粉具有最佳的抗消化性。

表11 紫山藥抗消化淀粉水解動力學平衡濃度(C∞)、動力學常數(shù)(K)、水解指數(shù)(HI)及血糖指數(shù)(GI)

3 結(jié)論

3.1 采用酶解-壓熱法制備紫山藥抗消化淀粉時，普魯蘭酶用量、壓熱處理時間對抗消化淀粉得率的影響分別達到極顯著和顯著水平，酶解時間和淀粉乳濃度影響不顯著。優(yōu)化的工藝參數(shù)為：淀粉乳質(zhì)量分數(shù)20%、酶用量8 U/g淀粉、酶解時間12 h、壓熱(120 ℃)處理40 min；經(jīng)過壓熱處理2次，制備的紫山藥抗消化淀粉得率為47.85%。

3.2 與糊化法、壓熱法相比酶解-壓熱法制備的抗消化淀粉的水解速度相當，但水解率顯著降低，達52.45%，水解指數(shù)和血糖指數(shù)顯著降低，分別為52.84%和68.72%，因此，酶解-壓熱制備的抗消化淀粉具有良好的抗消化性。

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Preparation of Purple Yam Resistant Starch and Its Hydrolysis Properties

Li Tao1Huang Qun1,2Song Hongbo1,2Wang Yiwei1,2An Fengping1,2Teng Hui1
(College of Food Science,Fujian Agriculture and Forestry University1,Fuzhou 350002)(Fujian Provincial Key Laboratory of Quality Science and Processing Technology in Special Starch2,Fuzhou 350002)

The effect of starch concentration,dosage of pullulanase,enzyme digestion time and autoclaving time on the yield of purple yam resistant starch prepared by enzyme-autoclaving method were studied and the importance of influence factors and process conditions were optimized through orthogonal tests and variance analysis.The hydrolysis kinetics of resistant starch produced by gelatinate,autoclave and enzyme-autoclaving method were compared and analyzed.The results showed that the content of resistant starch increased first and then decreased with the increase of the factor levels.The optimum preparation conditions of purple yam resistant starch were starch concentration of 20%,pullulanase dosage of 8 U/g,enzyme digestion time of 12 h,two autoclaving-cooling cycles(120 ℃/40 min).Purity,yield of resistant starch were 96.67% and 47.85%,respectively.Hydrolysis properties experiments showed that the hydrolysis rate,hydrolysis index and estimated glycemic index of resistant starch prepared by enzyme-autoclaving method significantly decreased and had better digestion resistibility compared to gelatinized and autoclaved starches.

purple yam,enzymolysis,autoclaving,resistant starch,hydrolysis

TS231

A

1003-0174(2017)09-0160-07

福建省星火計劃(2014S0001)，福建農(nóng)林大學高水平大學建設項目(612014042)

2016-10-14

李濤，男，1992年出生，碩士，糧食、油脂及植物蛋白工程

宋洪波，男，1966年出生，教授，食品科學與工程