RS3型玉米抗性淀粉中制备工艺参数优化研究检测方案(紫外分光光度)

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，通过适量α-淀粉酶酶解可以使淀粉分子的长度降低到一定程度，并且可以降低物料的粘度。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）。其他工艺参数如下：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 TETI B×B B×E B×TEB×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 0.002006 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可以进一步提高抗性淀粉得率。但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 TETIE×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 [1]GARCIA-DIZL.I.G. 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