超声波-湿热法结合酸水解制备大米抗性淀粉及其理化性质研究.DOC

1、 超声波-湿热法结合酸水解制备大米抗性淀粉及其理化性质研究杨帆 肖华西 林亲录 张倩 王素艳 罗非君 叶雅（中南林业科技大学食品科学与工程学院, 长沙 410004）摘 要 研究了超声波-湿热法结合酸水解制备大米 RS3 的最佳工艺条件。探讨了超声波-湿热法过程中淀粉的含水量、反应温度、反应时间以及酸水解过程中的柠檬酸浓度、加热时间、老化时间对大米 RS3 得率的影响，通过单因素实验和正交实验，确定了超声波-湿热法制备 RS3 的最佳工艺条件：大米淀粉的含水率30%、处理温度 130 、处理时间为 10 h，RS 3 得率为 32.173%；在此基础上结合酸水解的最佳工艺条件为：柠檬酸的浓度

2、0.15 mol/L、加热时间为 20 min、老化时间 24 h，RS 3 的得率为 40.672%。并对这两种最佳工艺条件下所制备的大米 RS3的物理化学性质进行表征。结果表明，超声波-湿热法结合酸水解所制备的 RS3 内部结构更为致密，水分子不易进入，水分含量、溶解性、膨润力最小，热稳定性相对较好，在偏光显微镜下呈现良好的分散性，说明采用超声波-湿热法结合酸水解所制备的 RS3 具有更好的理化性质。关键词 抗性淀粉 超声波 湿热处理 酸水解 理化性质中图分类号：TS210.4 文献标识码：A 文章编号：2017-0491（ ） -基金项目：2017 年长沙市科技计划项目（kq170109

3、7）；湖南省教育厅重点项目（17A228）；国家自然科学基金（ 31571874）收稿日期：2017-1-26作者简介：杨帆，女，1992 年出生，硕士，食品科学与工程通讯作者：肖华西，女，1970 年出生，副教授，博士，农产品加工Ultrasound-Damp Heat Method Combined with Acid Hydrolysis in Preparation of Rice Resistant Starch and Its Physico - Chemical PropertiesYang Fan Xiao Huxi Lin Qinlu Zhang Qian Wang Suya

4、n Luo Feijun Ye Ya(Central South University of Forestry and Technology, Changsha, 410004)Abstract The optimal conditions for the preparation of rice RS3 by ultrasonic-wet combined with acid hydrolysis were studied. The influence of the moisture content, the treatment temperature, the treatment time

5、and the citric acid concentration, the heating time and the aging time on the yield of RS3 in the process of ultrasonic-humidification were investigated. Through single factor experiments and orthogonal experiments, The optimum conditions for the preparation of RS3 were as follows: the moisture cont

6、ent of rice starch was 30%, the treatment temperature was 130 , the treatment time was 10h, the yield of RS3 was 32.173%. Based on the optimal conditions of ultrasonic- The optimum technological conditions were as follows: citric acid concentration 0.15 mol/L, heating time 20min, aging time 24 h, RS

7、3 yield 40.672%. The physicochemical properties of rice RS3 prepared by these two methods were characterized.The results showed that the combination of ultrasonic-Acid hydrolysis RS3 prepared due to the more dense internal structure, water molecules are not easy to enter, making moisture content, so

8、lubility, minimum swelling power, thermal stability is relatively good, showing good dispersion under a polarizing microscope, indicating the use of ultrasound - Hydrothermal method combined with acid hydrolysis prepared RS3 has better physical and chemical properties.Key words resistant starch, ult

9、rasonic, wet heat treatment, acid hydrolysis, physicochemical properties抗性淀粉(resistant starch，RS)是指不被健康人体小肠吸收的淀粉及其分解物的总称 1，具有良好生理功能，可抑制餐后血糖快速升高，减少血清中胆固醇和甘油三酸酯的量，并能有效促进肠道中有益菌的生长和繁殖 2-5。尽管 RS 的种类很多，但 RS1 和 RS2 由于性质不稳定会在加工过程中造成大量损失，而 RS3 却是淀粉经糊化后由于老化 (回生)作用而形成的一类特殊的淀粉结构 6，因此 RS3 有较高的开发利用价值，并引起了人们的普遍关注。

10、目前，大米 RS3 型抗性淀粉制备方法主要有酸变性和水热处理 7、酶法处理 8和压热处理 9等，这些单一处理使大米淀粉整体降解性差，RS 3得率普遍偏低。本研究采用超声波-湿热法结合酸水解制备大米 RS3 型抗性淀粉，通过优化实验选出最佳工艺条件，为 RS3 的工业化生产提供一定的借鉴。1 材料与方法1.1 原料东北粳米淀粉：无锡市天之源食品有限公司，抗性淀粉约占 0.67%。1.2 试剂无水乙醇（分析纯）：天津市富于精细化工有限公司；氢氧化钠、氢氧化钾（均为分析纯）：天津市恒兴化学试剂制造有限公司；柠檬酸（食品级）：潍坊英轩实业有限公司；氯化钾（分析纯）、顺丁烯二酸（化学纯）、二水氯化钙（分

11、析纯）：国药集团化学试剂有限公司；冰醋酸（分析纯）：湖南汇虹试剂有限公司；抗性淀粉检测试剂盒：上海超研生物科技有限公司。1.3 主要仪器与设备101C-2AB 电热恒温鼓风干燥箱：北京中兴伟业仪器有限公司；400T 多功能粉碎机：铂欧五金厂；DZKW-4 恒温振荡器：常州澳华仪器有限公司；FS-250 超声波处理器：上海生析超声仪器有限公司；L530 台式低速离心机：湖南湘仪实验室仪器开发有限公司；722s可见光分光光度计：上海精密科学仪器有限公司；Super4 RVA 快速粘度分析仪：澳大利亚Newport Scientific 仪器公司；Multizoom AZ100/AZ100M 多功能

12、显微镜：尼康仪器（上海）有限公司；湿热反应罐：实验室自制。1.4 方法1.4.1 超声波-湿热法制备 RS3 1.4.1.1 制备工艺 称取一定量的大米淀粉，加入适量蒸馏水，配成不同浓度的淀粉悬浮液，将该大米淀粉悬浮液在沸水浴中搅拌糊化 60 min，在 40 下，用超声波发生器产生的 100 W 的超声波处理 30 min，放入自制湿热反应罐中密闭平衡 24 h，调节烘箱温度，烘烤一定时间，取出冷却至室温后于 4 冷藏 24 h，烘干，研磨过 100 目筛。1.4.1.2 单因素实验设计选择影响 RS3 得率的 3 个主要因素:含水量、反应温度、反应时间。（1）含水量对 RS3 得率的影响。

13、称取 20 g 大米淀粉，加入适量蒸馏水，使其含水量分别为 20%、25%、30% 、35% 、40%，将大米淀粉悬浮液在沸水浴中搅拌糊化 60 min，在40 下，用超声波发生器产生的 100 W 的超声波处理 30 min，放入自制湿热反应罐中密闭平衡 24 h，移入烘箱中， 110 烘烤 10 h，取出冷却至室温后于 4 冷藏 24 h，烘干，研磨过 100 目筛, 测定各样品的 RS3 含量。（2）反应温度对 RS3 得率的影响。称取 20 g 大米淀粉，加入适量蒸馏水，使其含水量为 25%。将该大米淀粉悬浮液在沸水浴中搅拌糊化 60 min，在 40 下，用超声波发生器产生的 100

14、 W 的超声波处理 30 min，放入自制湿热反应罐中密闭平衡 24 h，移入烘箱中，温度分别设置为 100、110、120、130、140 ，烘烤 10 h，取出冷却至室温后于 4 冷藏 24 h，烘干，研磨过 100 目筛 , 测定各样品的 RS3 含量。（3）反应时间对 RS3 得率的影响。称取 20 g 大米淀粉，加入适量蒸馏水，使其含水率为 25%。将该大米淀粉悬浮液在沸水浴中搅拌糊化 60 min，在 40 下，用超声波发生器产生的 100 W 的超声波处理 30 min，放入自制湿热反应罐中密闭平衡 24 h，移入烘箱中，在 110分下别烘烤 8、10、 12、14、16 h，取

15、出冷却至室温后于 4 冷藏 24 h，烘干，研磨过 100 目筛, 测定各样品的 RS3 含量。1.4.1.3 正交实验设计在单因素实验基础上，每个因素各选出 3 个水平，采用 3 因素 3 水平正交实验 L9（3 4），以确定最佳工艺条件 。1.4.2 超声波-湿热法结合酸水解制备 RS3 1.4.2.1 制备工艺 称取 20 g 大米淀粉，加入适量蒸馏水，使其含水率为 30%。将该大米淀粉悬浮液在沸水浴中搅拌糊化 60 min，在 40 下，用超声波发生器产生的 100 W 的超声波处理 30 min，放入自制的湿热反应罐中密闭平衡 24 h，移入烘箱中烘烤 ,在 130 下烘烤 10 h

16、，取出冷却至室温后于 4 冷藏 24 h，加入一定浓度柠檬酸混匀，放入 100 的水浴锅中加热一定时间，冷却置于 4 的冰箱老化一定时间，移入 35 的烘箱中烘 48 h，研磨过 100 目筛，用去离子水洗涤 5 遍，弃去上清液，将沉淀放入 35 的烘箱中烘 24 h，研磨过 100 目筛。1.4.2.2 单因素实验设计在超声波-湿热法制备 RS3 实验的最佳工艺条件基础上，综合考察和分析了各影响因素在酸水解过程中对 RS3 得率的影响，确定以酸的浓度、加热时间、老化时间为主要考察因素进行单因素实验。（1）酸的浓度对 RS3 得率的影响。样品经最佳超声波-湿热法条件处理后，分别加入浓度为 0.

17、00、0.05、0.10、0.15、0.20 mol/L 的柠檬酸溶液，按淀粉：酸为 2:3 的比例在 100 mL 烧杯中混合均匀。将混合物放置于 100 的恒温水浴锅中加热搅拌 20 min，冷却至室温后置于 4 的冰箱老化 36 h，移入 35 的烘箱中烘 48 h，研磨过 100 目筛，用去离子水洗涤 5 遍，弃去上清液，将沉淀放入 35 的烘箱中烘 24 h，研磨过 100 目筛, 测定各样品的 RS3 含量。（2）加热时间对 RS3 得率的影响。样品经最佳超声波-湿热法条件处理后，加入浓度为 0.15 mol/L 的柠檬酸溶液，按淀粉：酸为 2:3 的比例在 100 mL 烧杯中混

18、合均匀。将混合物放置于 100 的恒温水浴锅中分别加热搅拌 10、15、20、25、30 min，冷却至室温后置于 4 的冰箱老化 36 h，移入 35 的烘箱中烘 48 h，研磨过 100 目筛，用去离子水洗涤 5遍，弃去上清液，将沉淀放入 35 的烘箱中烘 24 h，研磨过 100 目筛, 测定各样品的 RS3含量。（3）老化时间对 RS3 得率的影响。样品经最佳超声波-湿热法条件处理后，加入浓度为 0.15 mol/L 的柠檬酸溶液，按淀粉：酸为 2:3 的比例在 100 mL 烧杯中混合均匀。将混合物放置于 100 的恒温水浴锅中加热搅拌 20 min，冷却至室温后置于 4 的冰箱中分

19、别老化 12、24、36、48、60 h，移入 35 的烘箱中烘 48 h，研磨过 100 目筛，用去离子水洗涤5 遍，弃去上清液，将沉淀放入 35 的烘箱中烘 24 h，研磨过 100 目筛, 测定各样品的RS3 含量。1.4.2.3 正交实验设计在单因素实验结果的基础上，对上述每一种影响因素筛选 3 个水平，进行正交实验，以确定最佳的工艺条件。1.4.3 RS 含量的测定参照抗性淀粉试剂盒说明书中的方法进行测定 10,11。式中：E： 空白试剂的吸光度值；F：D -葡萄糖含量除以 D-葡萄糖的吸光度值；W：样品质量（g）。1.4.4 大米抗性淀粉的理化性质的测定1.4.4.1 含水量测定

20、根据文献 12 。 式中：m0 ：称量瓶的质量（g）；m 1 ：称量瓶和试样的质量（g）；m 2 ：称量瓶和试样干燥后的质量（g）。1.4.4.2 溶解性测定 将淀粉悬浮液在 30 的水浴锅中搅拌 30 min，在 3000 r/min 的转速下离心 15 min，弃去上清液，将沉淀在 105 下烘干称重，即得水溶淀粉的质量。式中：X0：淀粉样品干质量；X 1：水溶淀粉质量。1.4.4.3 膨润力测定 按照 1.4.4.2 中的方法，所得沉淀为膨胀淀粉，称其重量即为膨胀淀粉的质量。式中：X0：淀粉样品干质量（g）； X1：水溶淀粉质量（g）；X 2：膨胀淀粉质量（g）。1.4.4.4 糊化性质

21、测定 采用 RVA 快速粘度分析仪测定：样品含水量在 14%时，称取 3 g 样品，加入到装有25.0 mL 蒸馏水的铝罐中，按此标准根据样品水分含量称取准确的样品量及蒸馏水。参数设置由 Thermocline for windows 软件控制。1.4.4.5 偏光显微镜观察 将少量淀粉悬浮于 1 mL 去离子水中，吸取一滴淀粉溶液滴在载玻片上，轻轻将盖玻片盖上，将气泡赶出。选择合适的物镜及放大倍数对抗性淀粉和原大米淀粉进行偏光十字和形态进行观察。1.4.5 数据处理实验数据重复三次，采用 Origin、SPASS statistics 软件进行数据处理。2 结果与分析2.1 超声波-湿热法制

22、备 RS3 最佳工艺条件2.1.1 单因素实验结果如图 1 所示，淀粉含水量、反应温度、反应时间不同，RS 3 的得率也不同。超声处理对淀粉产生“空化效应”，在高温高压下加剧淀粉分子与溶剂分子间的摩擦，使直链淀粉、支链淀粉溶出，导致淀粉链破裂，有利于生成抗性淀粉。后经湿热处理，RS 3 的得率在含水率为 25%时最大，其后随淀粉含水量增大而减小。这主要是因为当含水量低于 25%时，整个体系的粘度很低，直链分子之间彼此接触的概率小；当含水量大于 25%时，淀粉糊的粘度很大，没有足够的水分子进入淀粉的结晶区，氢键破坏不完全，淀粉分子难以充分糊化，阻碍了直链淀粉分子相互接近并形成结晶，不利于 RS3

23、 的形成 13,14。湿热处理的温度是影响 RS3得率的主要因素之一。当温度为 110 时 RS3 得率达到最大，高于 110 之后，RS3 得率开始减少。高温为淀粉分子提供了大量的能量，有利于淀粉分子链的迁移，冷却后淀粉分子形成新的聚合体成为 RS3，但随着温度升高，过高的温度导致直链淀粉过度降解，产生的淀粉聚合度小，也不利于 RS3 的形成。随着湿热反应时间的延长，在 10 h 时RS3 得率达到最大，之后逐渐减少。湿热处理时间过短，淀粉粒中的直链淀粉分子游离不完全；当处理时间超过 10 h 后，直链淀粉分子过度降解成一些分子质量小的短直链淀粉分子链，分子链扩散速度快，难以聚集，这都不利于

24、形成 RS315,16。图 1 超声波-湿热处理对抗性淀粉含量的影响2.1.2 正交实验结果正交实验因素和水平如表1所示，正交实验结果见表2。从表2可以看出，各因素的R值均大于空列R值，表明每个因素对 RS3得率的影响都是有效的。这3个因素对RS 3得率影响的主次顺序为：B(反应温度)A (含水率)C(反应时间)。最优组合湿A 2B3C1，即含水率为30%，处理温度为130 ，处理时间为 10 h,RS3的得率最高，为 32.173%。表1 超声波-湿热法制备大米抗性淀粉工艺条件正交实验因素水平水平 A：含水量/% B:反应温度/ C：反应时间/h1 25 110 102 30 120 123

25、 35 130 14表2 L 9（3 4）正交实验表编号 A含水量/% B反应温度/ C反应时间/h D空列 RS3得率/%1 1 1 1 1 25.992 1 2 2 2 28.893 1 3 3 3 29.664 2 1 2 3 30.195 2 2 3 1 30.926 2 3 1 2 32.177 3 1 3 2 26.578 3 2 1 3 27.289 3 3 2 1 31.55k1 28.184 27.586 28.482 29.488k2 31.096 39.033 30.213 29.213k3 28.467 31.129 29.052 29.046R 2.912 3.543

26、 1.731 0.4422.2 超声波-湿热法结合酸水解制备 RS3 最佳工艺条件2.2.1 单因素实验结果如图2所示，柠檬酸浓度为0.15 mol/L时RS 3得率达到最大。酸浓度过低，淀粉分子无法水解为合适的分子链长度，影响直链淀粉分子间的双螺旋结构生成。酸浓度过高，淀粉过度水解，分子链过短，小分子运动强烈，扩散速度快，不易形成有序结晶，RS 3得率减少17-19。随着加热时间逐渐增加，RS 3得率也随之增大，当加热时间达20 min时，RS 3得率最大，之后开始下降。加热时间过短，淀粉中直链分子未能完全游离出来，而加热时间过长，直链分子水解过度，产生小分子质量的直链淀粉，不易聚集结晶 1

27、7,20。老化时间在36 h时RS3得率最大。老化时间短，晶核形成和晶体生长不完全，老化时间过长，淀粉糊黏度增大，晶体生长受抑制，直链淀粉难以重结晶，导致RS 3得率下降。图 2 超声波酸热处理对抗性淀粉含量的影响2.1.2 正交实验结果正交实验因素和水平如表 3 所示 ，正交实验结果见表 4。3 个因素对 RS3 得率的影响的主次顺序为：A(柠檬酸浓度 )B(加热时间)C(老化时间 ).最佳工艺条件为 A3B2C1，即柠檬酸浓度为 0.15 mol/L，加热时间为 20 min，老化时间为 24 h,RS3 的得率最高，为40.672%。表3 超声波酸热法制备大米抗性淀粉工艺条件正交实验因素

28、水平水平 A：柠檬酸浓度/mol/L B:加热时间/min C：老化时间/h1 0.05 15 242 0.10 20 363 0.15 25 48表4 L 9（3 4）正交实验表编号 A柠檬酸浓度 B加热时间 C老化时间 D空列 抗性淀粉的质量分数(mol/L) (min) (h) (%)1 1 1 1 1 35.762 1 2 2 2 38.283 1 3 3 3 36.484 2 1 2 3 37.775 2 2 3 1 38.416 2 3 1 2 37.127 3 1 3 2 38.568 3 2 1 3 40.679 3 3 2 1 39.92k1 36.823 37.366 37

29、.854 38.031k2 37.767 39.120 38.658 37.990k3 39.720 37.844 37.817 38.308R 2.897 1.754 0.841 0.318统计分析结果表明：在超声波-湿热法最佳工艺基础之上结合酸水解明显提高了RS 3的得率。这是因为酸能进一步水解无定形支链淀粉，破坏支链淀粉的-1,6键，同时对-1,4 键也有一定的裂解作用，使酸得以进一步渗入和水解并形成短直链淀粉，有利于RS 3的生成。2.3 大米抗性淀粉理化性质2.3.1 水分含量的测定 原大米淀粉、超声波-湿热法制备的 RS3、超声波-湿热法结合酸水解制备的 RS3 的含水量分别是 1

30、3.91%、9.24%、6.05%；超声波-湿热法结合酸水解制备的 RS3 水分含量最低，更容易储存，不容易变质，保质期更长；调浆时，更容易上浆，浆液浓度更准确。2.3.2 溶解性的测定 原大米淀粉、超声波-湿热法制备的 RS3、超声波-湿热法结合酸水解制备的 RS3 的溶解性分别是 5.16%、1.96%、0.25%。RS 3 在形成过程中，由于脱支化作用，使得抗性淀粉中直链淀粉含量大于原大米淀粉，且 RS3 抗性淀粉颗粒内部结构比较致密，水分子不易进入，所以造成溶解性变小。超声波-湿热法结合酸水解制备的 RS3 溶解性最低，更易形成抗性淀粉 6,21。2.3.3 膨润力的测定 原大米淀粉、

31、超声波-湿热法制备的 RS3、超声波-湿热法结合酸水解制备的 RS3 膨润力分别是 0.6676、0.6111、0.5803 g/g。RS 3 淀粉颗粒内部由于结构比较致密，水分子不易进入，持水力降低，所以导致膨润力变小。超声波-湿热法结合酸水解制备的抗性大米淀粉的内部结构更为致密，膨润力最小 6,22。2.3.4 糊化性质的测定 糊化性质表示了淀粉糊化的难易程度。由表 5、图 3 可知，超声波-湿热法结合酸水解制备的 RS3 的峰值 黏度、保持黏度、最终黏度、回生值、衰减度与其他两种淀粉相比值最低，呈现极显著性差异，说明有较好的热稳定性。虽然峰值时间降低，但糊化温度较原大米淀粉有所升高。超声

32、波-湿热法制备的 RS3 峰值时间和糊化温度均较原大米淀粉有升高。由于在制备 RS3 的过程中的脱支化作用，分子间键发生断裂而造成结构脆弱，绝大部分转化为取向单一的直链淀粉，且流动性大，所以造成了结果的差异 20,21,23。表 5：三种淀粉间的 RVA 谱特征值差异淀粉样品 峰值黏度 保持黏度 衰减度 最终黏度 回生值 峰值时间 糊化温度A 平均值 3141 2275 866 3877 1602 6.07 77.55 B 平均值 1005 842 163 1289 447 7 92.2C 平均值 246 174 72 315 141 5.53 79.9A 变异系数 /% 15.43 10.7

33、7 12.43 6.69 11.44 2.98 10.96 B 变异系数/% 7.61 6.42 10.45 4.56 7.21 2.83 9.08C 变异系数/% 6.10 4.34 5.14 5.65 9.32 2.24 11.44ta-b 7.27 8.07 6.69 -15.92 -10.06 1.40 3.37ta-c 10.17 -5.37 15.92 -18.68 -18.45 1.13 2.67 tb-c 2.77 2.15 2.43 -2.49 -2.36 2.46 1.25注： ：显著性差异， ：极显著性差异；A、B、C 分别表示原大米淀粉、超声波 -湿热法制得的 RS3、超声波-湿热法结合酸水解制得的 RS3；t a-b，t a-c ，t b-c 分别表示 a 与 b、a 与 c、b 与 c 之间 RVA 特征值的差异。