（食品科学专业论文）微波—酶法制备小麦抗性淀粉工艺条件优化及性质的研究.pdf

山东轻工业学院硕士学位论文 摘要 抗性淀粉( r s ) 作为一种新型的食品添加剂，因其生理功能类似于膳食纤维， 而加工特性明显优于膳食纤维成为国内外食品领域研究的热点。本课题以小麦淀 粉为原料，采用微波一酶法制备小麦抗性淀粉，研究微波作用条件、酶作用条件及 老化条件对抗性淀粉形成的影响，在单因素试验的基础上，对工艺条件进行优化 以确定最佳的制备工艺。应用扫描电子显微镜( s e m ) 观察小麦抗性淀粉的表面颗 粒形态，用x - 射线衍射仪测定其结晶性，最后将其添加到面条和香肠中，研究对 食品品质的影响。具体研究结果如下： ( 1 ) 微波作用条件对r s 形成的影响：在微波功率为8 0 0 w 的作用条件下， 经实验得出淀粉乳浓度为2 5 、微波时间为2 m i n 时，小麦抗性淀粉得率最高为 1 5 3 。 ( 2 ) 酶作用条件对r s 形成的影响：在淀粉乳浓度为2 5 ，微波功率8 0 0 w 糊化2 m i n 的条件下，确定出0 淀粉酶的最佳作用条件为：添加量为2 u g 干淀粉、 酶解时间为2 0 m i n ，酶解温度为8 5 ；普鲁兰酶的最佳作用条件为：添加量为4 u g 干淀粉，酶解温度为5 5 ，酶解时间为4 5 h ；然后4 老化2 4 h ，8 0 干燥1 6 h ， 抗性淀粉得率最大为1 6 o 。在各种酶作用条件中，影响小麦抗性淀粉形成的主次 因素依次为：0 【淀粉酶添加量、普鲁兰酶温度、普鲁兰酶酶解时间、仅淀粉酶酶解 时间。 ( 3 ) 老化条件对r s 形成的影响：采用微波一酶法制备小麦抗性淀粉，淀粉乳 浓度为1 5 ，老化温度6 0 ，老化时间4 8 小时( 2 4 h 循环老化两次) ，抗性淀粉得 率最高可达1 7 o 。老化因素对抗性淀粉形成的影响主次依次为：老化温度、淀粉 乳浓度、老化时间、老化p h 。 ( 4 ) 小麦抗性淀粉的物理性质研究：采用扫描电子显微镜( s e m ) 观察小麦抗 性淀粉的表面形态，与原淀粉相比，表面变得粗糙，形状变的不规则；运用x 一射 线衍射仪分析其结晶性，发现小麦抗性淀粉的结晶结构为b 型和v 型的结合体， 而原小麦淀粉为a 型。 ( 5 ) 小麦抗性淀粉在食品中的应用：将小麦抗性淀粉添加到面条和香肠中， 实验表明，添加8 抗性淀粉于面粉中，所制作的面条品质达到最佳。通过质构分 析，发现抗性淀粉可以提高香肠的弹性，抗性淀粉的替代量为8 0 时，香肠的硬 度和弹性都达到最佳，综合品质最好。 关键词：微波；酶；抗性淀粉；小麦淀粉；制备 山东轻工业学院硕士学位论文 a b s t r a c t r e s i s t a n ts t a r c h , a san e wa d d i t i v e ，w a ss t u d i e dh o t l yi nf o i o df i e l d sa th o m ea n d a b r o a db e c a u s ei ti ss i m i l a rt od i e t a r yf i b e r ( d f ) i np h y s i o l o g i c a lf u n c t i o n s ，b u tb e t t e ri n p r o c e s s i n gc h a r a c t e r i s t i c s i nt h i sp a p e r , t h ee x p e r i m e n t sw e r eh e l dw i t ht h ew h e a t s t a r c ha sm a t e r i a l s t h em e t h o do fm i c r o w a v e - e n z y m ew a su s e df o r t h ep r e p a r a t i o no f w h e a tr e s i s t a n ts t a r c ha n di n f l u e n c e so fm i c r o w a v e ，e n z y m e sa n dr e t r o g r a d ec o n d i t i o n o nt h ef o r m a t i o no fw h e a tr e s i s t a n ts t a r c hw e r ei n t r o d u c e di nt h ee x p e r i m e n t s o nt h e b a s i so fs i n g l ef a c t o rt e s t s ，t h eo p t i m u mt e c h n i c sw e r ed e t e r m i n e db yt h eo p t i m i z a t i o n o fp r o c e s s i na d d i t i o n , s e mw a su s e dt oo b s e r v et h ee x t e r n a ls t r u c t u r eo fw h e a t r e s i s t a n ts t a r c h , c o m p a r e dt ow h e a ts t a r c h x - r a yd i f f r a c t i o nm e t h o dw a si n t r o d u c e dt o d e t e r m i n et h ec r y s t a l l i z a t i o n t h e ni tw a ss t u d i e di nt h ee x p e r i m e n t st h a ti n f l u e n c eo n t h ef o o dq u a l i t ya f t e rw h e a tr e s i s t a n ts t a r c hw a sa d d e di nt h en o o d l e sa n ds a u s a g e s t h e r e s u l t sw e r ea sf o u o w s ： f i r s t l y , i n f l u e n c e so fm i c r o w a v ec o n d i t i o n so nt h ef o r m a t i o no fr s ：t h er e s u l t s s h o wt h a tt h eh i g h e s tc o n t e n to fr e s i s t a n ts t a r c hw a s15 3 w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no f s t a r c hm i l kw a s2 5 ，m i c r o w a v ep o w e rw a s8 0 0 wf o r2 m i n s e c o n d l y , i n f l u e n c e so fe n z y m ec o n d i t i o n so nt h ef o r m a t i o no fr s ：u n d e rt h e c o n d i t i o no f2 5 f o rs t a r c hm i l k ，m i c r o w a v ep o w e r8 0 0 wf o r2 m i n , t h eo p t i m u m t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r so f t h e r m o s t a b l ea a m y l a s ew e r eo b t a i n e d ：t h ec o n c e n t r a t i o no f a - a m y l a s ew a s2 u g , t h er e a c t i o nt e m p e r a t u r e8 5 cf o r2 0 m i n ；t h eo p t i m u mc o n d i t i o n s o fp u l l u l a n a s ew e r e4 u g ，t h er e a c t i o nt e m p e r a t u r e5 5 。cf o r4 5 h a f t e rp l a c e di nt h e r e f i i g e r a t o r ya t4 cf o r2 4 h , i tw a sd r i e da t8 0 9 cf o r16 h f i n a l l y , t h eh i g h e s tc o n t e n t w a s16 o a m o n ga l lk i n d so ff a c t o r s ，t h es e q u e n c eo fi n f l u e n c e so nt h ef o r m a t i o no f r sw a s ：c o n c e n t r a t i o no f a a m y l a s e t e m p e r a t u r eo fp u l l u l a n a s e t i m eo fp u l l u l a n a s e t i m eo fa - a m y l a s e t h i r d l y , i n f l u e n c e so fr e t r o g r a d ec o n d i t i o n so nt h ef o r m a t i o no fr s ：t h em e t h o do f m i c r o w a v e - e n z y m ew a su s e df o rt h ep r e p a r a t i o no fw h e a tr e s i s t a n ts t a r c h w h e nt h e c o n c e n t r a t i o no fs t a r c hm i 收w a s15 ，r e t r o g r a d et e m p e r a t u r e6 0 。cf o r2 4 h , r e p e a t e d l y , t h ec o n t e n to fr sw a s17 0 t h es e q u e n c eo fi n f l u e n c e so nt h ef o r m a t i o no fr sw a s ： r e t r o g r a d et e m p e r a t u r e c o n c e n t r a t i o no fs t a r c hm i l k r e t r o g r a d et i m e r e t r o g r a d e p h f o u r t h l y , t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so fw h e a tr e s i s t a n ts t a r c h ：s e mw a su s e dt o o b s e r v et h ee x t e r n a lc o n f i g u r a t i o no fw h e a tr e s i s t a n ts t a r c h c o m p a r e dt ow h e a ts t a r c h , a b s t r a ( 汀 t h es u r f a c eo fr sw a sr o u g ha n di t ss h a p ew a si r r e g u l a r x - r a yd i f f r a c t i o nm e t h o dw a s u s e dt oa n a l y z et h ec r y s t a l l i z a t i o no fr s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec r y s t a ls t r u c t u r eo f r sw a sc o m b i n a t i o no fb - t y p ea n d v - t y p ew h i l ew h e a ts t a r c hw a sa t y p e l a s t l y , a p p l i c a t i o n so fw h e a tr e s i s t a n ts t a r c hi nf o o d s ：w h e a tr e s i s t a n ts t a r c hw a s p u ti nn o o d l e sa n ds a u s a g e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eq u a l i t yo fn o o d l e sw a so p t i m a l b ya d d i n g8 w h e a tr e s i s t a n ts t a r c hi n f l o u r s r e s i s t a n ts t a r c hc a ni m p r o v et h e s p r i n g i n e s so fs a u s a g eb yt h et e x t u r ea n a l y s i s w h e nt h es u b s t i t u t i o no fr si s8 0 ，t h e o p t i m a lq u a l i t yo fs a u s a g ew a so b t a i n e d ，i n c l u d i n gt h eh a r d n e s sa n ds p r i n g i n e s s k e yw o r d s ：m i c r o w a v e ，e n z y m e ，r e s i s t a n ts t a r c h , w h e a ts t a r c h , p r e p a r a t i o n i l 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文 中引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或 成果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 论文作者签名：二盔蜒日期：率月旦日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工 业学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为山东轻工业学院。 论文储躲盔盅筮 导师签名：j 盈壅竺 日期：埤年l 月兰日 日期：肆年月上日 山东轻工业学院硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 1 9 8 3 年，英国生理学家h a n se n g l y s t 首先将一部分在人体肠胃中不被淀粉酶 消化的淀粉定义为抗性淀粉( r e s i s t a n ts t a r c h ，简称r s ) 。这种淀粉在小肠中会产生 抗消化现象【l 】。1 9 9 2 年，联合国粮农组织( f a o ) 根据e n g l y s t 和“欧洲抗性淀粉研 究协作网( e u r e s t a ) ”的建议，将抗性淀粉定义为“健康者小肠中不吸收的淀粉 及其降解产物【2 】。抗性淀粉是一种无异味、持水性低、多孔性的白色粉末，至今 尚无化学上的精确分类，目前大多根据淀粉的来源和人体试验的结果，将抗性淀 粉分为4 种类型1 3 】： ( 1 ) r s l 物理包埋淀粉( p h y s i c a l l yt r a p p e ds t a r c h ) r s l 型抗性淀粉是指淀粉酶无法接近的淀粉，它的形成主要是因为淀粉质被包 埋于食品基质中，因细胞壁的屏障作用或蛋白质的隔离作用而难以与酶接触，因 此不易被消化。主要存在于完整或部分研磨的谷粒、豆粒之中。加工时的粉碎、 碾磨及饮食时的咀嚼等物理作用可破坏淀粉颗粒而转化为可消化淀粉。 ( 2 ) r s 2 抗性淀粉颗粒( r e s i s t a n ts t a r c hg r a n u l e s ) r s 2 指未经糊化的生淀粉粒和未成熟的淀粉粒，此类淀粉在结构上存在特殊的 构象或结晶结构，对酶具有高抗性。常存在于生马铃薯、生豌豆、绿香蕉中。 ( 3 ) r s 3 回生淀粉( r e t r o g r a d e ds t a r c h ) r s 3 指糊化后的淀粉在冷却或储存过程中部分重结晶，由于结晶区的出现，阻 止淀粉酶靠近结晶区域的葡萄糖苷键，并阻止淀粉酶活性基团中的结合部位与淀 粉分子结合，造成不能完全被淀粉酶作用而产生抗酶解性。直链淀粉老化形成的 抗性淀粉很难被酶作用，而老化的支链淀粉抗消化性较小，加热后可逆转，常存 在于冷米饭、冷面包、油炸土豆片中。 ( 4 ) r s 4 化学改性淀粉( c h e m i c a l l ym o d i f i e ds t a r c h ) r s 4 是指由基因改造或化学改性引起淀粉分子结构发生变化从而产生抗酶性 的一类抗性淀粉，如交联淀粉、接枝频率较高的接枝共聚淀粉等。 以上四种抗性淀粉中，r s 3 是研究最广泛的一种，由于是通过食品加工形成， 因而可实现工业化生产，具有很好的应用前景。 抗性淀粉是食品中所含淀粉的一部分，其含量因食品种类不同而有所变化， 表1 1 列出了常见食品中抗性淀粉的含量。 第l 章绪论 表1 1 常见食品中抗性淀粉的含量【4 1 抗性淀粉含量食品种类 1 1 ，2 5 2 5 5 0 5 0 15 1 5 熟马铃薯( 热) 、热米饭、热稀饭、高谷糠早餐麦片、小麦粉 普通早餐麦片、饼干、面包、冷米饭、冷稀饭、熟马铃薯( 冷) 玉米片、大米碎片、油炸土豆片、爆豌豆 煮扁豆、煮蚕豆、生大米、玉米粉等 生马铃薯、生豆子、高直链玉米、未成熟香蕉 1 2 抗性淀粉制备的国内外研究现状 在最近的2 0 年里，对抗性淀粉的研究越来越重视，有的已经申请了专利：美 国专利u s 3 、u s 7 2 9 、u s 3 8 0 中对淀粉采用解支酶处理，减少高支链淀粉的比率， 所得淀粉比天然淀粉易于老化；欧洲专利e p a - 0 5 6 4 8 9 3 中公开了一种制备含抗性 淀粉产品的方法，此法以直链淀粉含量至少4 0 的淀粉为原料，配成约1 5 的淀 粉水悬浮液，糊化后用脱支酶处理，然后进行老化处理，所得产品中抗性淀粉的 含量为1 5 ；如果以直链淀粉含量为1 0 0 的淀粉为原料，则产品中抗性淀粉的产 率为5 0 左右【5 j i o j 。 国外已经生产出大量的抗性淀粉应用于食品中。2 0 0 3 年1 0 月2 3 日，美国m g p 公 司推出了非转基因小麦抗性淀粉f i b e rs t a r7 0 t m ，总膳食纤维最少7 0 。用于制备 各种低碳水化合物高蛋白的美味食品，如添加于面包、意大利面食、小松饼、华夫 饼干、玉米圆饼、早餐谷物等，持水力相当低，风味清爽、色极白，形成润滑细 腻的质地。用它做的玉米圆饼口味和质地俱佳，而且可以延长货架期，比普通的 产品更柔软疏松【7 】。美国国民淀粉化学品公司开发n o v e l o s e 2 4 0 ，是抗性淀粉领域 最新进展之一。这是一种能承受中等强度食品加工的抗性淀粉，其呈白色，气味 温和，颗粒细，在1 0 - - - 1 5 u m 左右，热量低，可作低糖或低脂食品的填充剂。它的 总膳食纤维含量近4 0 ，可单独使用或配合其它纤维一起使用，只需简单标注为“玉 米淀粉”。这种产品最重要的特点是它的持水力比传统纤维制品小得多。由于吸水 少，因此无需为它特别调整食品配方、工艺，而用传统纤维制作的食品，如面包， 其流变性会因纤维吸水多而改变，导致在压模、装盘、切片中出现困难，并使面 包焙烤时间延长。 国内抗性淀粉的研究始于上个世纪9 0 年代，是将一定浓度淀粉乳糊化后再经 老化处理所得。在抗性淀粉的制备上，传统的制备方法包括：压热法、酶法、压 热酶法、酸解法等，其中最早采用传统压热法，杨光等对压热的温度、压热时间 和水分含量进行研究，在7 0 水分、1 5 0 维持6 0 m i n 条件下，可得到较高抗性淀 粉含旦【引。蹇华丽等人在淀粉糊化时加入耐热0 c 淀粉酶，采用脱支酶反应等手段改 变淀粉原有的分子结构并重新形成晶体，以提高产品中抗性淀粉的含量【9 】。丰凡等 2 山东轻工业学院硕士学位论文 以养麦粉为材料，采用酸解和水热处理法研究了荞麦抗性淀粉的制备工艺条件及 添加荞麦抗性淀粉对小麦粉流变学特性的影响。研究结果表明，荞麦抗性淀粉具 有糊化温度较低，稠度低，热糊稳定性和冷糊稳定性较好等特点。添加荞麦抗性 淀粉，面粉的黏度参数、粉质参数和拉伸参数均有明显的降低趋势，更适用于饼 干、糕点等弱筋类面食品【l 们。 1 2 1 抗性淀粉的制备方法 抗性淀粉是上个世纪8 0 年代才发现的一种新型的食品添加剂，直至1 j 1 9 9 2 年才 有精确的定义，在1 9 9 8 年归入膳食纤维中。有关抗性淀粉的制备研究，国内外近 十年来发展较快，研究较为广泛，其制备方法可以分为以下几类： ( 1 ) 热液处理法【1 1 】 按照热处理温度和淀粉乳水分含量的不同，淀粉的热液处理可以分为以下五 类： 湿热处理( h e a tm o i s tt r e a t m e n t ，n m t ) ，是指淀粉在低水分含量下经热处理 加工的过程，其含水量小于3 5 ，温度一般较高，在8 0 - 1 6 0 之间。 韧化处理又称退火处理( a n n e a l i n g ，a n n ) ，是指在过量水分含量的条件下， 其含水量大于4 0 ，温度设定在淀粉糊化温度以下的热处理过程。 压热处理( a u t o c l a v i n g ) ，是指淀粉含水量大于4 0 ，溶液在一定温度和压力 下进行处理的过程。 减压处理法( r e d u c e d - p r e s s u r i z e d ) ，短时间内能够进行大批量的处理，没有糊 化的淀粉颗粒，热稳定性高，工业生产非常有潜力。 ( 2 ) 挤压处理法【1 2 】 挤压处理即将食品物料置于高温高压状态下，突然释放至常温常压，使物料 内部结构和性质发生变化的过程。经高温高压，淀粉颗粒中大分子之间的氢键削 弱，造成淀粉颗粒的部分解体，形成网状组织，粘度上升，发生糊化现象。将挤 压膨化技术应用于抗性淀粉制备的预处理中，是由于在抗性淀粉的制备过程中， 挤压膨化起到预糊化的作用，提高淀粉的糊化度。只有使淀粉完全糊化，才能使 淀粉酶与普鲁兰酶对其充分作用，生成一定长度的直链淀粉分子，通过调节酶的 作用条件，从而提高抗性淀粉得率。 在国外，挤压改性技术已在抗性淀粉的制备中得到研究和应用。k i m 等研究了 对小麦面粉糊用不同的物料湿度( 2 0 、4 0 、6 0 ) 、螺杆转速( 1 5 0 、2 0 0 、2 5 0r m i n ) 挤压膨化后，并在4 c 下分别冷藏o d 、7 d 和1 4d 。结果表明，挤压后的抗性 淀粉得率比未经挤压处理的要高，进料湿度和冷藏时间是影响抗性淀粉形成的重 要因素，且随着进料湿度和螺杆转速的降低，所得抗性淀粉的热稳定性提高。但 所得的抗性淀粉含量较低，一般难以超过6 。 第1 章绪论 ( 3 ) 微波辐射法 近年来，微波技术在食品工业中的应用越来越广泛。由于微波加热速度快， 可以使食品中的水分在短时间内迅速蒸发汽化，造成体积膨胀，产生膨化效应。 抗性淀粉( r s 3 ) 形成的过程实际就是直链淀粉重结晶即淀粉老化的过程。微波 法应用于抗性淀粉制备的机理为：首先，在微波辐射处理过程中，淀粉分子问氢 键断开，冷却阶段相邻的直链淀粉间又重新形成氢键，即淀粉的老化；其次，食 品物料微波辐射的内动力是水分汽化，在此过程中淀粉糊化，使物料产生多孔的网 状结构，有利于酶的进一步作用；第三，微波处理时间短、效率高，工艺安全， 并且可以大大缩短制备工艺时间。目前，微波技术主要应用于物料的后期处理， 如膨化小食品中的应用，并且对食品物料的后期处理技术已经较为成熟，但应用 于物料的预处理的研究却不多见。因此，本课题将微波技术和酶法相结合制备小 麦抗性淀粉，利用淀粉糊化时微波产生的膨化效应，可以促进淀粉酶和普鲁兰酶 的酶解作用，再通过控制酶解条件来提高抗性淀粉的得率。另外，潘元风等研究 了微波辐射法制备蚕豆抗性淀粉，分析了不同辐射和回生条件对蚕豆抗性淀粉形 成的影响，结果表明：微波辐射对蚕豆抗性淀粉的形成有促进作用，有利于蚕豆 抗性淀粉生成的条件是：3 0 的淀粉乳在1 8 的输出功率下处理6 5m i n ，4 。c 回生 2 4h ，抗性淀粉的产率为4 2 3 7 t b 】。张华东等运用响应面法，对微波一酶法制备 r s 3 型玉米抗性淀粉的工艺参数进行优化。其中微波糊化的优化工艺参数为：功率 1 2 6 k w ，加热温度9 2 ，加热时间l m i n ，抗性淀粉得率为1 3 4 5 【1 4 】。 ( 4 ) 脱支降解法 在抗性淀粉制备的脱支方法有两种，一种是酶法脱支，另一种方法是化学方 法脱支。据报道，用酸( 盐酸、硫酸、硝酸等) 处理淀粉，又称淀粉的林特勒化， 有一定的脱支效果，但其脱支效果不及酶法脱支效果好。所用的酶主要为脱支酶 普鲁兰酶( p u l l u l a n a s e ) ，此种酶可以水解直链和支链淀粉分子中的仅1 ，6 糖苷 键，并且所切a 1 ，6 糖苷键的两头至少含有两个以上的a 1 ，4 糖苷键，普鲁兰酶 是异淀粉酶的一种。它能切开支链淀粉分支点的0 , - 1 , 6 糖昔键，从而使淀粉的水解 产物中含有更多的游离的直链淀粉分子。在淀粉的老化过程中，更多的直链淀粉 双螺旋相互缔合，形成高抗性的晶体结构【l5 1 。也有报道用a 淀粉酶和普鲁兰酶复 合处理原淀粉溶液，a 淀粉酶属于内切酶，切割淀粉分子间的0 【1 ，4 糖苷键，由 于a 淀粉酶水解淀粉的速度比较快，所以要控制a 淀粉酶的作用时间，以产生链 长度均匀且长度适中的淀粉分子，又由于水解后的淀粉分子含有许多直链结构， 所以要通过普鲁兰酶的脱支处理用以产生长度均一的脱支分子片断，有利于分子 间的相互缔合成高含量的抗酶解淀粉分子。许多种酸对淀粉的水解都有催化作用， 工业上常用的为食品级工业盐酸、硫酸和草酸。在多种酸中，盐酸的催化效率最 高，其催化效率最高达1 0 0 t 1 6 】。中和剂采用纯碱，生成的氯化钠溶解于淀粉溶液 4 山东轻工业学院硕士学位论文 中，可用水洗涤离心除去。但盐酸对设备的腐蚀性比较强。用h c l 酸解淀粉乳液 时，可引起淀粉分子的降解，分子变小，有利于分子间的缔合。 ( 5 ) 超高压处理法 超高压食品处理技术( u l t r a - h i g hp r e s s u r e , u h p ) 就是使用1 0 0 m p a 以上的压力， 在常温下或较低温度下对食品物料进行处理，从而灭菌、物料改性和改变食品的 某些理化反应速度等。超高压处理具有作用均匀、操作安全、耗能低的特点。食 品超高压加工技术被称为“食品工业的一场革命”及“当今世界十大尖端科技”等。目 前，日本在食品超高压处理技术方面居国际领先地位，而国内对超高压技术的研 究还处于起步阶段，主要是应用于食品灭菌、大分子变性等。 根据超高压对淀粉影响的研究，可以将超高压技术应用于抗性淀粉的制备。 淀粉经超高压处理后，a 型结晶由于压力的作用，双螺旋结构重新聚集，部分转为 b 型，因此与热糊化淀粉相比，超高压处理使淀粉表现出不同的糊化以及凝胶特性， 其中一些可以在不发生糊化的条件下，淀粉颗粒维持其最初的颗粒结构而提高r s 的含量。当含水量较高时( 大于4 0 ) ，淀粉微晶结构的破坏温度与糊化温度接近，因 此在这种含水量的条件下，退化处理温度必须低于此条件下的糊化温度，用以维持 晶体结构以及形成更多的抗性淀粉。在湿热处理以及退化处理之前，有选择地进行 水解可以提高原料中的抗性淀粉含量。高温高压处理用以使淀粉颗粒充分糊化，直 链淀粉分子彻底溶出，从而有利于直链淀粉分子双螺旋间的充分缔合，有利于抗 性淀粉的形成。 ( 6 ) 超声波处理 超声波是指频率高于2 0 0 0 0 赫兹的声波，当超声波在介质中传播时，由于 超声波与介质的相互作用，使介质发生物理的和化学的变化，从而产生一系 列力学的、热学的、电磁学的和化学的超声效应，包括以下4 种效应：机械 效应、空化效应、热效应、化学效应。在液体中进行超声处理的技术大多与 空化作用有关。高强度的超声波可引发聚合物的降解，除了超声波加速了溶剂分 子与聚合物分子之间的摩擦，从而引起c c 键裂解，主要是由于超声波的空化效 应所产生的高温高压环境导致了链的断裂。与其他降解法比较，超声降解所得的降 解物的分子量分布窄小，纯度高。 将超声波技术应用于制备抗性淀粉的酶解，是因为在抗性淀粉的制备过程中 伴随着淀粉分子的降解与酶解，超声波在降解淀粉的同时，可以使酶解速度增加， 缩短抗性淀粉的制备时间；通过控制反应条件，可以获得最佳的制备工艺。目前 这一技术仍处于理论研究阶段，尚未在工业中应用。 1 2 2 影响抗性淀粉形成的因素 ( 1 ) 直支比对抗性淀粉形成的影响 5 第1 章绪论 淀粉是由n d 葡萄糖组成的高分子化合物，有直链状和支叉状的两种，分别称 为直链淀粉和支链淀粉。直链淀粉支链淀粉的比例大小对抗性淀粉的形成有显著 影响，因为抗性淀粉r s 3 的形成机理是淀粉糊的凝沉。一般来说，比值大，抗性 淀粉含量越高。这是因为直链淀粉比支链淀粉更易凝沉。w e n 等人发现直链淀粉 对r s 的形成具有非常重要的影响，淀粉经加热冷却处理所得到的抗性淀粉含量会 随着分子中的直链淀粉含量的增加而增加【1 。7 1 。但s z c z o d r a k 1 8 】等人通过实验发现大 麦含4 3 5 直链淀粉的白色淀粉层r s 生成量( 7 5 ) 却比直链淀粉含量为4 9 3 的 褐色淀粉层中的r s 生成量( 4 o ) 要高，各种淀粉形成r s 的能力存在很大的差异， 并不完全与直链淀粉的含量有关，也可能是由于褐色层含有较多的脂肪及矿物质。 e e r l i n g e r t l 9 】认为支链淀粉的分支可以形成双螺旋并进一步形成有序的三维结构，但 其聚合度只有1 4 - - 1 8 ，抗性淀粉长度会受到限制。凝沉的支链淀粉熔化温度较低 ( 6 5 ) ，因此可能不会形成高抗性的抗性淀粉片段( 在10 0 条件下不被酶水解) 。 许多学者认为r s 3 主要是由直链淀粉的凝沉形成的，而凝沉的支链淀粉在2 4 h 内 几乎完全水解。 ( 2 ) 蛋白质对抗性淀粉含量的影响 淀粉中蛋白质的含量因其原料来源不同而存在较大差异。谷物中淀粉与蛋白 质的结合比较紧密，对淀粉的深度加工利用存在许多不利影响，例如分离困难等。 h o l m e 2 0 】等人研究发现小麦淀粉大部分被蛋白质包裹，c h a n d r s h e k a r 和k i r l i e s 【2 1 】主 要研究了高粱淀粉中蛋白质对其凝沉的影响，发现蛋白质对淀粉颗粒有保护作用， 只有去除后，淀粉粒才能发生凝沉。上述研究都是对谷物中自身所含蛋白质而言 的，关于外源蛋白质添加对淀粉凝沉性的影响，e s c a r p a 2 2 】等人作了相关的研究， 发现和淀粉凝沉时会在直链淀粉分子之间形成氢键一样，外源蛋白质也能与直链 淀粉分子形成氢键而使淀粉分子被束缚，从而抑制直链淀粉的凝沉，降低食物中 的抗性淀粉含量。因此，蛋白质对抗性淀粉含量的影响包括了两个方面：一方面 蛋白质对淀粉有包埋、束缚作用，使淀粉难以接触淀粉酶而形成抗性，即增加r s i 抗性淀粉含量；另一方面，蛋白质对淀粉形成保护，可以防止淀粉老化，即减少 抗性淀粉含量。从整体上看，后一种影响更为重要。 ( 3 ) 脂类对抗性淀粉形成的影响 谷物淀粉中脂类化合物的含量较高( 0 8 0 9 ) ，它可以与直链淀粉分子形 成一种包合物而抑制淀粉颗粒的膨胀和溶解，使糊化温度升高，对淀粉的抗性产 生一定的影响。e l i a s s o n 等人发现单甘酯可与直链淀粉形成复合物从而竞争性地抑 制由于直链淀粉分子问相互复合而导致的淀粉凝沉，并通过d s c 研究其结构1 2 引。 而c z u c h a j o w s k a 等人用d s c 研究磷脂酰胆碱( l p c ) 、硬脂酸乳酸钠( s s l ) 和羟基磷 脂( o h l ) 与直链淀粉的相互作用时发现，在9 5 - 1 1 0 时会形成直链淀粉脂质复合 物【2 4 1 。m e r c i e r 认为直链淀粉脂质复合物也可能在食品加工过程中产生，如蒸煮后 冷却。其它脂质如磷脂、油酸和大豆油都会使抗性淀粉含量降低。s i e v e r t 等进一 6 山东轻工业学院硕士学位论文 步研究发现抗性淀粉中的脂类物质不是以络合物形式存在，而是附着于未降解的 淀粉上。直链淀粉与脂肪的结合能够明显的降低i n - v i t r o 模型中舡淀粉酶对淀粉的 水解率，羟基卵磷脂( o h l ) 与淀粉的络合物会促进直链淀粉的重结晶过程，即有利 于抗性淀粉形成1 2 5 j 【2 6 1 。 ( 4 ) 糖类物质对抗性淀粉形成的影响 葡萄糖、麦芽糖、蔗糖是食品中常用的甜味剂，属于可溶性糖。可溶性糖抑 制糊化淀粉凝沉主要是由于糖分子与淀粉分子的相互作用改变了淀粉凝沉的基 质，即可溶性糖作为抗塑剂而使食品玻璃态转变温度升高。k o h y a r n a 和n i s h i n a x i 等人研究了糖对抗性淀粉形成的影响，发现添加这些糖糖可以降低糊化淀粉的重 结晶度，从而抗性淀粉含量降低。然而e e r l i n g e n 等人发现，添加蔗糖使小麦淀粉 的抗性淀粉含量显著降低，却使高直链玉米淀粉的抗性淀粉含量增加。 ( 5 ) 淀粉分子大小和平均聚合度对抗性淀粉形成的影响 淀粉来源不同，其大小也有差异，其中马铃薯淀粉粒平均直径较大，约为 1 0 0 1 x m ，而豌豆、小麦和玉米淀粉粒度相对较小，平均直径约2 0 3 0 1 x m ，二者比 表面积相差接近2 0 倍，因此，同样条件下马铃薯淀粉水解速率低于其它淀粉。和 淀粉大小一样，淀粉分子的平均聚合度对抗性淀粉的形成也有影响。e e r l i n g e n 等 人研究了平均聚合度( d p n ) 在4 0 - 6 1 0 的淀粉其抗性淀粉的含量，发现分子平均聚 合度越小，含量越高。x 射线衍射分析发现抗性淀粉粒有a 、b 、c 三种衍射图型， 其中b 型的抗性最强【2 7 1 。 ( 6 ) 其它成分对抗性淀粉形成的影响 其它成分包括多酚类物质、微量元素、纤维素等抗性淀粉形成的影响。多酚 类物质可以降低淀粉的生物可利用性，植酸的影响程度远大于儿茶素，主要因为 它们对淀粉酶活性的抑制作用不同。但研究多酚类物质对抗性淀粉形成的结果却 表明儿茶素使抗性淀粉含量降低的幅度比植酸大。e s c a r p a 等人研究了钙离子、钾 离子对抗性淀粉形成的影响，结果表明在淀粉糊化过程中添加金属离子使会凝沉 后凝胶中抗性淀粉的含量降低，可能是因为淀粉分子吸附金属离子抑制了淀粉分 子间的氢键形成【2 8 】。t o r t e 等人研究了纤维素对r s 形成的影响，可溶性纤维素( 果 胶等) 和不溶性纤维素( 木质素和纤维素) 会使抗性淀粉含量降低，但降低的幅度较 小【2 9 1 。 ( 7 ) 外部因素对抗性淀粉形成的影响 外部因素主要包括不同的加工处理方式、温度和冷热循环次数等。p a r c h u r e 等人【3 0 】比较了常压蒸煮、高压蒸煮、焙烤、挤压、煎炸和转鼓干燥等处理方式对 玉米和蜡质籽粒苋淀粉抗性淀粉形成的影响，结果发现常压蒸煮和高压蒸煮的抗 性淀粉含量比其它处理方式高。温度对抗性淀粉形成的影响主要在于其对直链淀 粉凝沉结晶的影响。整个结晶过程主要取决于成核与结晶增长的速率，而这两个 7 第1 章绪论 过程明显地受到温度的影响。低温时成核速率大，结晶增长速率小，而高温时则 相反。经过充分糊化的小麦淀粉分别在0 。c 、6 8 、1 0 0 的温度下冷却保藏，其 产生的抗性淀粉的量随贮存温度增加而增j j l l ( 4 、6 、1 0 ) 。不仅贮藏温度而且 糊化温度也会影响抗性淀粉的形成，因为温度可以影响淀粉糊化的程度。对于部 分结晶聚合物而言，结晶只发生在玻璃化转变温度( t g ) 和熔化温度( t m ) 之间，水分 含量大于2 7 的b 型淀粉胶在橡胶态时其t g 大约在5 ，而直链淀粉晶体的t m 大约在1 5 0 ，因此，直链淀粉的结晶只发生在这两个温度之间。加热冷却处理 的次数对抗性淀粉形成影响也很大，随着循环次数的增加抗性淀粉形成量也增加。 对玉米直链淀粉、大麦淀粉、扁豆淀粉、豌豆淀粉糊进行加热冷却处理，当加热 冷却次数增至2 次时，抗性淀粉的形成就明显地增加。经过3 次加热冷却处理后， 玉米直链淀粉中抗性淀粉含量由9 增至1 9 ，其他种类淀粉也由6 8 增至 9 1 4 。其原因是加热冷却处理有助于淀粉分子的有序化和凝沉作用。 1 3 抗性淀粉的功能性及在食品工业中的应用 1 3 1 抗性淀粉的生理功能 抗性淀粉是一种新型的低热量功能性食品基料，它与膳食纤维一样不被小肠 吸收，原封不动地进入大肠，部分为肠道菌发酵利用而产生短链脂肪酸如丁酸， 其产酸量较同等膳食纤维还多，丁酸能阻止癌细胞的生长与繁殖，与直肠癌的预 防密切相关。抗性淀粉能促进肠道有益菌丛的生长、繁殖，是一种双歧杆菌增殖 因子，能增加粪便体积，促进肠道蠕动，对于便秘、痔疮、结肠癌等疾病有良好 的预防效果。人体摄入高抗性淀粉食物，具有较少胰岛素反应，可延缓餐后血糖 上升，有效控制糖尿病的病情。同时，抗性淀粉可增加脂质排泄，将食物中脂质 部分排除从而减少热量的摄取，而抗性淀粉本身几乎不含热量，作为低热量添加 剂添加到食物中，从而有效控制体重【3 。 ( 1 ) r s 的热量 有研究表明，r s 在体内所产生的热量不及淀粉的1 1 0 ，抗性淀粉含量高的食物 在小肠中部分被消化吸收，葡萄糖的利用率较低。不消化的部分可到达结肠，在 结肠细菌的帮助下，一般能够全部发酵，并产生可被吸收的短链脂肪酸，如乙酸、 丁酸等，继续向机体提供能量。当分别给予动物1 0 3g y r - t 1 0 8 6 9 抗性淀粉连续l 周， 由于r s 在结肠中发酵能力高，2 组能量值基本一致，表明r s 具有缓慢的吸收。所 以r s 在体内为低能量甚至不产生能量，是一种很有前途的减肥食品原料【3 2 1 。 ( 2 ) r s 的发酵性与胃肠疾病 抗性淀粉的功能类似于膳食纤维，在肠道发酵生成短链脂肪酸一一丁酸和 c 0 2 ，可调节肠道有益菌群和降低粪便的p h 值。另外，代谢产物的作用是维持肠 山东轻工业学院硕士学位论文 道的酸性环境和促进毒素的分解和排出，缩短了在人体内的转运时间，可有效预 防结肠癌的发生。同时，摄食r s 能增加粪便的体积湿度和重量，减少排空时间， 对于便秘等直肠等疾病有良好的预防效果丁酸与直肠癌防治有密切关系，而抗性 淀粉在直肠内发酵产生的丁酸高于其它膳食纤维。流行病学研究表明，食物中的 胺类等毒素在结肠中积聚可能是结肠癌发生的一个重要原因。淀粉消费量高( 3 5 0 g d ) 的地区，结肠癌的发生率显著低于淀粉消费量低的地区( a ( 淀粉乳浓度) c ( 老化时间) 。最后确定抗性淀粉制备的最佳工艺条件：淀粉乳浓度为1 5 ，在 6 0 下老化4 8 h ，抗性淀粉的最高得率为1 7 0 。三次平行试验进行验证，r s 的 平均得率为1 7 0 。 抗性淀粉形成是直链淀粉重结晶的过程，包括晶核的形成，晶体的生长和晶 体的成熟三个过程。结晶总速度应是由成核速度和晶体生长速度共同决定的。老 化温度对r s 得率的影响主要体现在对成核速度和晶体生长速度的影响。晶核形成 阶段，在玻璃化转变温度t g ( 5 ) 以上，低温有利于晶核的形成；而晶体生长与 之相反，在晶体熔融温度t m ( 1 2 0 到1 6 5 ) 以下，温度越高增长速度越快【4 2 】。 在淀粉乳浓度为1 5 的基础上，6 0 老化4 8h ，淀粉分子充分接触，淀粉链在一 定空间充分伸展形成有序排列可得到较高的r s 得率。 4 4 小结 采用微波酶法制备小麦抗性淀粉，研究发现老化时间、老化温度和淀粉乳浓 度等老化条件对小麦抗性淀粉得率影响较大，而老化p h 则较小；通过对老化条件 的优化，发现老化温度对抗性淀粉形成的影响最大，其次是淀粉乳浓度，再次是 老化时间，最终得出淀粉乳浓度为1 5 ，6 0 条件下老化4 8 h 时，r s 得率最高为 1 7 o 。 3 2 山东轻工业学院硕士学位论文 第5 章小麦抗性淀粉物理性质的研究 5 1 引言 淀粉是食品工业中重要的基础原料，近年来，国内外的科技工作者对淀粉进 行了广泛深入的研究。随着研究的深入，传统的分析手段已经无法满足淀粉科学 发展的需要，一些在高分子物理研究领域运用的现代分析技术在淀粉研究中获得 应用。扫描电子显微镜( s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e , s e m ) 在淀粉研究中应用有 以下优点【4 3 】： 试样制备方法简便在淀粉表面喷涂一层金属薄膜即可观察其表面形貌。 景深长、视野大在放大1 0 0 倍时，景深可达l m m ，即