超微粉碎-微波联用技术制备绿豆抗性淀粉条件优化

郝征红1，张炳文2,*，郭珊珊2，臧庆佳3，于 辉1

（1.山东农业工程学院食品科学与工程系，山东 济南 250100；2.济南大学食品科学与营养系，山东 济南 250002；

3.烟台双塔食品股份有限公司，山东 烟台 265404）

摘 要：为提高抗性淀粉的制备得率，以绿豆淀粉为材料，使用振动式超微粉碎技术处理绿豆淀粉，通过测定抗性淀粉含量，确定最佳超微粉碎时间为20 min；以微波糊化替代传统湿热糊化工艺，在单因素试验的基础上，采用Box-Behnken模型研究淀粉乳质量分数、微波功率、微波时间对抗性淀粉含量的影响，确定微波糊化提高抗性淀粉含量的最佳工艺条件为淀粉乳质量分数10.2%、微波功率670 W、微波时间4.3 min，此条件下抗性淀粉含量为32.80%，研究可为绿豆抗性淀粉的工业化生产提供理论依据。

关键词：超微粉碎；微波技术；绿豆淀粉；抗性淀粉

Optimization of Preparation of Resistant Starch from Mung Bean by Superfine Grinding-Coupled with
Microwave Irradiation

HAO Zheng-hong1, ZHANG Bing-wen2,*, GUO Shan-shan2, ZANG Qing-jia3, YU Hui1

(1. Department of Food Science and Engineering, Shandong Agricultural and Engineering University, Jinan 250100, China;

2. Department of Food Science and Nutrition, University of Jinan, Jinan 250002, China;

3. Yantai Shuangta Food Co. Ltd., Yantai 265404, China)

Abstract: To improve the content of resistant starch, mung bean starch was processed by vibrating superfine pulverization. The optimum pulverization time was 20 min for increased resistant starch content. In this study, a microwave-assisted procedure for starch gelatinization was employed instead of the conventional wet heat treatment. The effects of starch concentration, microwave power and irradiation time on resistant starch yield were investigated by combined use of single factor and Box-Behnken experimental designs. It showed that the optimum technological conditions for microwave gelatinization were 670 W for 4.3 min at a starch concentration of 10.2%, and the yield of resistant starch was 32.80% under these conditions. These results can provide an experimental basis for the industrial production of resistant starch from mung bean.

Key words: superfine grinding; microwave irradiation; mung bean starch; resistant starch

中图分类号：TS255.1 文献标志码：A 文章编号：1002-6630（2014）24-0069-05

doi:10.7506/spkx1002-6630-201424013

抗性淀粉作为低热量组分存在在食物中，可起到与膳食纤维相似的生理功能，引起生理学家和营养学家的广泛关注，成为食品营养学与食品工程学的一个研究热点，抗性淀粉的生理功效主要有防治便秘与肠癌、痔疮，降低血脂、预防脂肪肝，特别对糖尿病和结肠癌具有明显的预防和辅助治疗效果，在减肥食品中亦具有很重要的价值[1-4]。目前，制备抗性淀粉的常用原料为玉米淀粉、木薯淀粉、马铃薯淀粉等，工艺一般采用各种酶解、压热处理等方法[5-8]。绿豆淀粉是制作龙口粉丝等中国传统淀粉回生制品的良好原料，其淀粉糊透明度和凝胶性好、凝沉性强、热稳定性高，是制备抗性淀粉最佳原料之一[9-11]。

超微粉碎技术可使淀粉颗粒的大小、形貌产生改变，淀粉分子的聚合度、分子链长度、相对分子质量分布等结构发生变化，从而导致淀粉的分散性、溶解度、直支链淀粉含量、糊化及老化等理化性质相应发生变化[12-15]。微波技术利用在淀粉糊化工艺中，可使淀粉颗粒的微观结构与分子结构发生改变，从而导致淀粉性质的改变[16]，李晓玺等[17]以高直链玉米淀粉作为实验对象，研究了不同的微波条件对抗性淀粉含量的影响，连喜军等[18]研究发现微波功率和处理时间对马铃薯抗性淀粉产率有影响。

本研究利用振动式超微粉碎技术处理绿豆淀粉，联用微波糊化淀粉工艺，优化提高绿豆抗性淀粉含量的工艺条件，为绿豆抗性淀粉的生产技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

绿豆淀粉（淀粉含量87.8%、水分含量11.2%） 烟台
双塔食品股份有限公司；胃蛋白酶（1 000 U/mg） 美国
Sigma公司；耐高温α-淀粉酶（50 000 U/mL）、葡萄糖淀粉酶（10 000 U/g） 山东安克生物工程有限公司；无水乙醇、盐酸、氯化钾、氢氧化钾、3,5-二硝基水杨酸（3,5-dinitrosalicylic acid，DNS）、酒石酸钾钠（均为分析纯） 天津博迪化工股份有限公司。

1.2 仪器与设备

WZJ-6J型振动式超微粉碎机以及冷冻循环设备
济南倍力粉体技术工程有限公司；TU-1810PC型紫外-可见分光光度计 北京普析通用仪器有限公司；AL104型电子分析天平 梅特勒-托利多（上海）仪器有限公司；16M高速台式离心机 湖南湘仪仪器有限公司；SKY-110X型振荡器 上海苏坤实业有限公司；GZX-9146MBE鼓风干燥箱 上海博迅实业有限公司；XO-SM200超声波微波组合反应设备（配有回流冷却水系统和磁力搅拌器） 南京先欧仪器制造有限公司；BCD-183FH冰箱 青岛海信集团有限公司。

1.3 方法

1.3.1 绿豆淀粉超微粉的制备

将绿豆淀粉放入振动式超微粉碎机中（循环冷却温度－20 ℃、振动振幅5 mm）进行粉碎，分别获得粉碎10、20、30、40、50 min的淀粉样品。

1.3.2 超微粉碎处理时间对抗性淀粉形成的影响

取不同超微粉碎时间处理的绿豆淀粉样品，制成质量分数7%的淀粉乳溶液，密封后放入超声波微波组合反应设备（配有回流冷却水系统和磁力搅拌器）中，微波功率650 W糊化处理5 min，不间断搅拌，然后放入4 ℃冰箱老化处理24 h，80 ℃烘干，粉碎后测定其抗性淀粉的含量。

1.3.3 抗性淀粉含量的测定

采用耐高温α-淀粉酶法测定：称取一定量试样，加入HCl-KCl缓冲溶液，加入胃蛋白酶，37 ℃保持16 h（不断振荡），调整pH值后，加入磷酸盐缓冲溶液和耐高温α-淀粉酶，100 ℃恒温保持30 min（不断振荡），冷却，调整pH值后，加入葡萄糖淀粉酶，60 ℃保温1 h（不断振荡），冷却，加入4 倍体积95%乙醇，混合均匀，离心30min（4 000r/min），弃去上清液，醇洗重复3次，将沉淀物溶解于4mol/L KOH溶液中，用HCl溶液中和，加入葡萄糖淀粉酶，60 ℃恒温1 h（不断振荡），离心30 min（4 000 r/min），收集上清液。对沉淀物至少水洗3 次，离心后合并上清液，用水定容至50 mL。用DNS法测定还原糖含量，乘以0.9，即为抗性淀粉含量[19]。

1.3.4 超微粉碎-微波联用方法制备抗性淀粉条件优化

1.3.4.1 单因素试验

1）淀粉乳质量分数：分别配制质量分数5.0%、10.0%、15.0%、20.0%的淀粉乳，微波功率为650 W，不断搅拌，微波处理时间为6 min，于4 ℃冰箱中冷藏24 h，然后置于鼓风干燥箱中80 ℃烘干，粉碎，测定抗性淀粉的含量。2）微波时间：微波时间分别为2、4、6、8 min，淀粉乳质量分数10.0%、微波功率650 W，其他操作条件不变，烘干粉碎，测定抗性淀粉的含量。3）微波功率：淀粉乳质量分数为10.0%，微波功率分别为500、600、700、800 W，不断搅拌，微波处理时间为4 min，其他操作条件不变，烘干粉碎，测定抗性淀粉的含量。

1.3.4.2 响应面试验

在单因素试验的基础上，应用Box-Behnken方法进行三因素三水平试验设计，以淀粉乳质量分数、微波功率、微波时间为试验因素，以抗性淀粉含量为响应值，设计响应面分析试验。因素水平与编码见表1。

表 1 响应面试验因素与水平

Table 1 Factors and levels used in Box-Behnken experimental design

2 结果与分析

2.1 超微粉碎处理时间对抗性淀粉形成的影响

图 1 超微粉碎处理时间对抗性淀粉形成的影响

Fig.1 Effect of superfine grinding time on the content of resistant starch in mung bean starch

由图1可以看出，超微粉碎处理时间在0～20 min范围内，随着超微粉碎时间的延长其形成抗性淀粉的量逐渐增加；但是在处理时间30～50 min范围内，随着处理时间的延长，其形成抗性淀粉的量逐渐降低。分析原因可能与超微粉碎处理改变了绿豆淀粉中直链淀粉-支链淀粉的比例、凝沉性及淀粉颗粒等有关。Moraes等[20]在木薯淀粉的粉碎实验中也发现，支链淀粉比直链淀粉更容易被物理破碎，粉碎处理可将支链淀粉的分枝切下，直链淀粉和中间级分的量增加。分子链段短的直链淀粉在糊化后淀粉糊中由于运动比较强烈、扩散速度较快，较难聚集，分子链段长的直链淀粉在糊化后淀粉糊中由于分子间斥力较大，也难聚集，分子链段适中的直链淀粉更容易回生形成抗性淀粉[21]。所以适度减小绿豆原淀粉中的直链淀粉分子链段，有利于抗性淀粉的形成。但是过度的超微粉碎，又可使直链淀粉的分子链段进一步减小，难以形成直链淀粉双螺旋，反而使抗性淀粉产率下降。选择超微处理20 min的绿豆淀粉样品进行进一步的微波工艺参数的优化。

2.2 微波工艺单因素试验

在一定的温度和水分条件下，将淀粉进行微波处理，能够导致淀粉颗粒膨胀，分子间氢键断裂，淀粉糊化，相邻的直链淀粉分子在冷却过程中能形成大量氢键，氢键双螺化形成晶体，即淀粉发生老化产生抗性[22]。

2.2.1 淀粉乳质量分数对抗性淀粉含量的影响

图 2 淀粉乳质量分数对抗性淀粉含量的影响

Fig.2 Effect of starch concentration on the content of resistant starch in mung bean starch

如图2所示，随淀粉乳质量分数的增加，抗性淀粉的含量呈现先增加后减少的趋势，当淀粉乳质量分数为10.0%时，抗性淀粉含量最高，为27.0%。有研究[22]表明，淀粉乳质量分数高，淀粉粒难以充分膨胀、糊化，而且淀粉糊黏度相对较大，不利于直链淀粉分子相互靠近，形成有序排列和结晶；而淀粉乳质量分数过低时，在冷却回生过程中，直链淀粉分子相互接近的概率减少，不能有效地形成双螺旋结构，导致抗性淀粉含量降低。

2.2.2 微波时间对抗性淀粉含量的影响

如图3所示，一定范围内延长微波时间，抗性淀粉含量呈增长趋势，当微波加热4 min时，抗性淀粉含量最高，继续加热抗性淀粉含量降低。这是因为微波时间过短，淀粉乳糊化不完全，不利于抗性淀粉的形成，微波时间过长，淀粉分子发生了不利于抗性淀粉形成的变化，如淀粉分子发生过度降解，产生了大量小分子或短链分子，这些小分子对抗性淀粉的形成没有任何促进作用，Bello-Perez等[23]分别用微波处理淀粉试样35、50s和70s，发现淀粉发生了降解。如果继续延长时间，淀粉甚至会降解成低聚糖和葡萄糖[24]。另外，随着时间的延长，部分水分发生挥发使得淀粉乳质量分数升高，也不利于抗性淀粉的形成。

图 3 微波时间对抗性淀粉含量的影响

Fig.3 Effect of microwave irradiation time on the content of resistant starch in mung bean starch

2.2.3 微波功率对抗性淀粉含量的影响

图 4 微波功率对抗性淀粉含量的影响

Fig.4 Effect of microwave irradiation power on the content of resistant starch in mung bean starch

如图4所示，随微波功率的增加，抗性淀粉的含量呈现先增加后减少的趋势，当微波功率为700 W时，抗性淀粉含量最高，为29.0%，当微波功率继续增加，抗性淀粉含量降低。有研究[25]表明，微波辐射会造成支链淀粉的部分断裂，直链淀粉含量增多，但是随着功率的增大和处理时间的延长，一些直链淀粉会进一步降解, 使链长变短，适度的降解有利于抗性淀粉的形成，过度的降解则影响抗性淀粉的形成。

2.3 响应面优化试验

利用Design-Expert 8.0.5设计三因素三水平试验，采用Box-Behnken试验设计，共17 个试验，其中12 个析因试验、5 个中心试验，中心点重复试验用来估计试验误差，试验设计方案与结果见表2。对表2数据进行回归分析，得回归模型方差分析表（表3）、回归方程系数显著性检验分析表（表4）和响应面图（图5）。

表 2 响应面试验设计与结果

Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

表 3 回归模型方差分析表

Table 3 Analysis of variance for regression model

注：**.差异极显著，P＜0.01；*.差异显著，0.01＜P＜0.05。下同。

表 4 回归方程系数的显著性检验分析表

Table 4 Significance test of regression model

由表3可知，模型P＜0.000 1，表明回归方程达到极其显著水平；失拟项P=0.258 9＞0.05，模型失拟不显著；模型的校正决定系数R2Adj=0.943 2，表明该模型能解释94.32%的响应值变化；决定系数R2=0.974 7，表示抗性淀粉含量的实测值与预测值之间有较好的拟合度，综上所述，此模型可用于超微粉碎-微波联用方法制备抗性淀粉条件的分析和预测。

由表4可知，模型的一次项中微波功率对试验结果影响极显著，淀粉乳质量分数对试验结果影响显著，二次项中淀粉乳质量分数、微波功率和微波时间的偏回归系数极显著，去掉不显著因素，得到二次多元回归模型：Y=32.89＋0.60A－1.24B－4.56A2－1.31B2－1.54C2。

由Design-Expert软件对二次多元回归模型进行优化处理，得到最优试验方案为：淀粉乳质量分数10.22%、微波功率671.7 W、微波时间4.31 min。此条件下抗性淀粉的含量为33.47%，为检验上述条件的可靠性，同时考虑到可操作性，将条件调整为淀粉乳质量分数10.2%、微波功率670 W、微波时间4.3 min，重复3 次实验，测得抗性淀粉含量为32.80%，与理论值的相对相差为2.0%，说明该模型与实际情况拟合较好，结果可靠，具有参考价值。

响应面图的陡峭和平缓程度以及等高线的形状也可以反映出该因素对测定结果的影响大小，若为较平缓的等高线曲线，说明该因素对试验结果的影响较小；若为较陡峭的等高线曲线，说明该因素对试验结果的影响较大[6]。故由图5可以看出，模型中淀粉乳质量分数对抗性淀粉含量的影响作用次于微波功率，最后是微波时间的影响。

a.淀粉乳质量分数与微波功率

b.淀粉乳质量分数与微波时间

c.微波功率与微波时间

图 5 两两因素交互作用的响应面图

Fig.5 Response surface plots for the effects of three experimental conditions on the content of resistant starch in mung bean starch

3 结 论

在糊化、老化工艺过程与参数一致的前提下，经适度振动式超微粉碎处理后的绿豆淀粉，有利于抗性淀粉的形成，选择最佳超微粉碎处理时间为20 min。

淀粉乳质量分数、微波功率以及微波时间对抗性淀粉的形成具有显著影响，在单因素试验的基础上，采用响应面法获得微波糊化提高抗性淀粉含量的最佳工艺条件为淀粉乳质量分数10.2%、微波功率670W、微波时间4.3 min，此条件下抗性淀粉含量为32.80%，本实验为绿豆抗性淀粉的工业化生产提供了理论依据。

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