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微波-酶法制备RS3型玉米抗性淀粉工艺参数优化研究

张华东 张森 沈晓萍 卢晓黎
( 四川大学食品工程系, 四川 成都 610065)
摘 要: 运用响应面法, 对微波-酶法制备RS3型玉米抗性淀粉的工艺参数进行优化。α-淀粉酶酶解的优化工艺参数为: 液料比4: 1, 酶解温度为85 ℃, 酶解时间10 min, 酶浓度1.68 U/g淀粉; 微波糊化的优化工艺参数为: 功率1.26 kW, 加热温度92 ℃, 加热时间1 min; 普鲁兰酶脱支优化工艺参数为: 酶浓度4.13 NPUN/g淀粉, 酶解温度53.31 ℃, , 酶解时间3.26 h。按上述工艺参数制备的抗性淀粉得率为13.45%。
关键词: 抗性淀粉; 微波-酶法; 响应面法; Box-Behnken实验设计

抗性淀粉是指不被健康人体小肠吸收的淀粉及其分解物的总体, 它分为四类: RS1物理包埋淀粉( physically trapped starch) 、 RS2抗性淀粉( resistant starch granules) 、 RS3回生淀粉( retrograded starch) 、 RS4化学改性( chemical modified starch) 淀粉,其中RS3可由淀粉回生产生, 是抗性淀粉中易于认为制备的一种。它具有防治肠道疾病、 降脂、 控制体重、 促进矿物物质吸收和某些维生素的体内合成等功能, 能防治现代生活容易出现的一些健康问题。因此对其生物功能和制备方法的研究越来越多。
本文以玉米淀粉为原料, 运用SAS软件和响应面法, 对微波-酶法制备玉米抗性淀粉的工艺参数进行了优化研究, 旨在为抗性淀粉的研究提供理论依据和技术方法参考。
1 材料与方法

1.1 材料
玉米淀粉 自备, 淀粉含量>95%, 蛋白质含量<0.08%, 脂肪含量<0.03%;
耐高温α-淀粉酶( 48000 U/mL) ; 普鲁兰酶( 1125 NPUN/mL) 诺维信公司
1.2 仪器设备
YQ2G-03型微波加热机; LD4-2A型离心机; TU-1800PC型紫外可见分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司。
1.3 方法
1.3.1 工艺
淀粉分子链在一定长度下容易老化, 经过适量α-淀粉酶酶解能够使淀粉分子的长度降低到一定程度, 而且能够降低物料的粘度。再经过微波加热糊化(同时也可让残留的淀粉酶失活) , 使淀粉生成立体网状结构, 有利于普鲁兰酶对支链淀粉的作用, 产生更多支链淀粉, 从而提高抗性淀粉得率。据此设计的试验工艺为: 玉米淀粉制备→α-淀粉酶酶解→微波加热糊化→普鲁兰酶脱支→回生→抗性淀粉含量测定。
1.3.2 α-淀粉酶酶解工艺参数优化
影响淀粉酶酶解程度的因素有液料比、 酶浓度、 酶解温度和酶解时间, pH值定为耐高温α-淀粉酶的最佳作用pH值( 5.3) 。试验以抗性淀粉得率为响应值进行Box-Behnken实验设计( 见表1) 。其它工艺参数如下: 微波功率0.9 kW, 作用温度86 ℃, 作用时间5 min; 普鲁兰酶浓度4 NPUN/g淀粉, 酶解温度55 ℃, , 酶解时间3 h。
表1 α-淀粉酶酶解工艺参数优化实验设计及结果
序号
B液料比
E酶浓度/( U/g淀粉)
TE酶解温度/℃
TI酶解时间/min
RS得率/%
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
4
4
6
6
5
5
5
5
4
4
6
6
5
5
5
5
4
4
6
6
5
5
5
5
5
5
5
1.68
3.60
1.68
3.60
2.64
2.64
2.64
2.64
2.64
2.64
2.64
2.64
1.68
1.68
3.60
3.60
2.64
2.64
2.64
2.64
1.68
1.68
3.60
3.60
2.64
2.64
2.64
90
90
90
90
85
85
95
95
90
90
90
90
85
95
85
95
85
95
85
95
90
90
90
90
90
90
90
20
20
20
20
10
30
10
30
10
30
10
30
20
20
20
20
20
20
20
20
10
30
10
30
20
20
20
12.09
9.59
9.10
4.62
8.21
6.08
7.10
5.75
9.01
8.81
6.63
6.01
10.23
10.18
5.44
4.95
8.43
7.90
6.55
5.92
11.56
11.41
5.06
5.48
6.41
5.64
5.72

1.3.3 微波糊化工艺参数优化
影响微波糊化效果的因素有微波功率、 作用温度和作用时间。试验以抗性淀粉得率为响应值进行Box-Behnken实验设计( 见表3) 。其它工艺参数如下: 普鲁兰酶浓度4 NPUN/g淀粉, 酶解温度55 ℃, 酶解时间3 h。
表3 微波糊化工艺参数优化实验设计及结果
序号
P功率/kW
TE温度/℃
TI时间/min
RS得率/%
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
0.54
0.54
1.26
1.26
0.90
0.90
0.90
0.90
0.54
1.26
0.54
1.26
0.90
0.90
0.90
80
92
80
92
80
80
92
92
86
86
86
86
86
86
86
5
5
5
5
2
8
2
8
2
2
8
8
5
5
5
10.21
10.87
10.89
12.16
10.67
9.11
13.27
11.40
11.21
12.28
9.74
11.36
11.21
11.14
11.16
1.3.4 普鲁兰酶脱支工艺参数优化
影响普鲁兰酶脱支的因素有、 普鲁兰酶浓度、 酶解温度和酶解时间, pH值定为普鲁兰酶最佳作用pH值( 4.8) 。试验以抗性淀粉得率为响应值进行Box-Behnken实验设计( 见表5) 。α-淀粉酶酶解和微波糊化工艺参数均采用其优化参数。
表5 普鲁兰酶脱支工艺参数优化实验设计及结果
序号
E酶浓度/( U/g淀粉)
TE酶解温度/℃
TI酶解时间/min
RS得率/%
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
2
2
6
6
4
4
4
4
2
6
2
6
4
4
4
45
65
45
65
45
45
65
65
55
55
55
55
55
55
55
3
3
3
3
1.5
4.5
1.5
4.5
1.5
1.5
4.5
4.5
3
3
3
12.34
11.61
12.05
11.32
11.89
12.25
11.80
11.91
11.89
11.18
11.43
12.85
13.38
13.42
13.42

1.3.5 抗性淀粉含量测定
采用高温I.Goni法。

2 结果分析

2.1 α-淀粉酶酶解工艺参数优化试验结果
用α-淀粉酶酶解淀粉主要有两个作用, 一是将淀粉分子链截成一定的长度, 而是降低浆液粘度。淀粉分子链在一定长度下在最有利于淀粉的老化, 而较低粘度有利于后续工序中普鲁兰酶的脱支作用。
表2 α-淀粉酶酶解工艺参数优化二次回归模型
模型
非标准化系数
t
显著性检验
B
E
TE
TI
B×B
B×E
B×TE
B×TI
E×E
E×TE
E×TI
TE×TE
TE×TI
TI×TI
R2
-0.18704
-0.31384
-0.03887
-0.0471
0.15521
-0.11156
-0.00905
-0.01893
0.183674
-0.02237
0.0232
0.031153
0.022363
0.089702
-5.99993
-10.2161
-1.24682
-1.51087
3.319244
-2.06605
-0.16758
-0.35065
3.927972
-0.41436
0.429671
0.666228
0.414178
1.918318
93.44％
0.0001
0.0001
0.236251
0.156698
0.006119
0.061113
0.869701
0.73193
0.00
0.685923
0.675049
0.517869
0.686051
0.07971

分析表2可知, α-淀粉酶酶解对抗性淀粉得率的影响主要取决于液料比和酶浓度, 酶解温度和酶解时间在试验所取范围内对抗性淀粉得率的影响较小, 四个影响因素与抗性淀粉得率均呈反比。由图1可知最高点并非稳定点, 且降低料液比和酶浓度能够进一步提高抗性淀粉得率。可是预试验时发现如果液料比小于4∶1, 在微波加热时极易出现焦糊现象, 而酶浓度如果小于1.68 U/g淀粉时, 淀粉浆过于粘稠, 普鲁兰酶很难同淀粉浆混合均匀, 且难以作用。最终确定α-淀粉酶酶解的优化工艺参数为: 液料比4∶1, 酶浓度1.68 U/g淀粉, 酶解温度为85 ℃, 酶解时间10 min。
经SAS软件优化的数学模型为:
RS=1.857808-0.18704B-0.31847E-0.03887TE-0.0471TI+0.155521BB-0.11156BE-0.00905BTE
2.2 微波糊化工艺参数优化试验结果
微波加热速度极快, 使得物料中的水分在短时间迅速气化, 并在内部积累形成压力梯度, 产生膨化效应。同时膨化内动力是水蒸汽, 在此过程中淀粉分子氢键断开, 淀粉充分糊化, 并产生多孔的网状结构。这些均有利于普鲁兰酶的脱支作用。
表4 微波糊化工艺参数优化二次回归模型
模型
非标准化系数
t
显著性检验
P
TE
TI
P×P
P×TE
P×TI
TE×TE
TE×TI
TI×TI
R2
0.62
0.8525
-0.765
-0.01375
0.1525
0.0625
-0.12375
-0.0775
0.06625
3.444046
4.735563
-4.24951
-0.05189
0.599007
0.245495
-0.46701
-0.30441
0.250016
91.40％
0.018355
0.00517
0.008096
0.960626
0.575272
0.815832
0.660136
0.773075
0.812523
分析表4可知, 微波功率、 加热温度和加热时间对抗性淀粉得率都有明显的影响, 其中微波功率和加热温度同抗性淀粉得率成正比, 加热时间同抗性淀粉得率成反比。微波糊化的优化工艺参数为: 功率1.26kW, 加热温度92 ℃, 加热时间1 min。
经SAS软件优化的数学模型为:
RS＝11.132+0.62P+0.8525TE-0.765TI

2.3 普鲁兰酶脱支工艺参数优化试验结果
淀粉中直连淀粉的比例越高, 淀粉约易老化。普鲁兰酶可催化淀粉分子中α-1, 6-糖苷键的水解, 使直链淀粉转变为直链淀粉, 从而提高抗性淀粉得率。
分析表6可知, 酶解温度和酶解时间对抗性淀粉得率影响较大, 酶浓度对抗性淀粉得率影响较小, 经SAS软件分析, 此模型的最高点为稳定点( 见图3) 。普鲁兰酶脱支优化工艺参数为: 酶浓度4.13 NPUN/g淀粉, 酶解温度53.31 ℃, , 酶解时间3.26 h。
表6 普鲁兰酶脱支工艺参数优化二次回归模型
模型
非标准化系数
t
显著性检验
E
TE
TI
E×E
E×TE
E×TI
TE×TE
TE×TI
TI×TI
R2
0.01625
-0.23625
0.21
-0.85083
0
0.5325
-0.72583
-0.0625
-0.71833
0.160478
-2.33311
2.073874
-5.70836
0
3.718499
-4.86972
-0.43644
-4.8094
94.89％
0.878786
0.066952
0.092782
0.002305
1
0.013733
0.004594
0.680718
0.004801

经SAS软件优化的数学模型为:
RS＝13.40333+0.01625E-0.23625T+0.21TI-0.85083+.EE05325ETI-0.72583TETE
按以上三部分优化的工艺参数做平行验证试验, 分别测定抗性淀粉得率, 并对其求平均值( 见表7) 。抗性淀粉得率为13.45％。
表7 平行验证试验结果
样品号
RS得率/％
平均值/％
1
2
3
13.43
13.48
13.44
13.45

3 结论

运用SAS软件和响应面法对对微波-酶法制备抗性淀粉的工艺参数进行优化, 其优化值为: α-淀粉酶酶解的优化工艺参数为: 液料比4: 1, 酶解温度为85 ℃, 酶解时间10min, 酶浓度1.68 U/g淀粉; 微波糊化的优化工艺参数为: 功率1.26 kW, 加热温度92 ℃, 加热时间1 min; 普鲁兰酶脱支优化工艺参数为: 酶浓度4.13 NPUN/g淀粉, 酶解温度53.31 ℃, , 酶解时间3.26 h。按上述工艺参数制备的抗性淀粉, 其得率为13.45%。

参考文献

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