酸解-微波法制备RS3型玉米抗性淀粉工艺参数优化

张 钟，夏丹丹，王 丽（.广东石油化工学院化学与生命科学学院，广东茂名55000；.安徽科技学院食品与药学院，安徽凤阳3300）

酸解-微波法制备RS3型玉米抗性淀粉工艺参数优化

张 钟1，夏丹丹2，王 丽2
（1.广东石油化工学院化学与生命科学学院，广东茂名525000；2.安徽科技学院食品与药学院，安徽凤阳233100）

以普通玉米淀粉为原料，经盐酸水解后进行微波处理，制备RS3型玉米抗性淀粉，采用单因素实验和响应曲面法相结合的方法对其工艺参数进行优化。以RS3型玉米抗性淀粉的产率作为评价指标，确定最佳的工艺参数。结果表明最佳工艺参数为：淀粉糊浓度29.1%，酸浓度1.5%，酸解时间2.4h，微波功率785.0W，作用时间18.0s，按以上工艺参数制备的RS3型玉米抗性淀粉的产率为12.3%。

酸法-微波，玉米抗性淀粉，工艺参数

玉米抗性淀粉又称为老化淀粉（Retrograded Starch，RS3），是由糊化后的淀粉在冷却或储存过程中得到的，它有很好的热稳定性，经100℃蒸煮后仍然具有抗酶解特性，它只有在溶解于KOH溶液或DMSO（二甲基亚砜）后，才能被淀粉酶水解[1]，RS3属于物理变性淀粉，在食品安全性上没有问题，具有很大的商业价值，工业生产的抗性淀粉即为此种类型。淀粉或含淀粉类食物在加工过程中，通过控制水分、pH、加热温度及时间、冷冻及干燥条件等因素可以产生RS3抗性淀粉[2]。

玉米抗性淀粉的制备方法有酶法[3]、压热法和酸解法[4-5]、微波-酶法[6]、水解-压热法制备[7]等，微波改性淀粉的原理是以淀粉作为电介质材料，当微波作用时，一部分能量被材料吸收，于是材料因吸收能量而温度升高，淀粉被加热而改性[8]。酸法-微波制备RS3型玉米抗性淀粉的研究还未见报道。利用酸法的水解作用和微波法的加热作用，促进淀粉的转化。本文以普通玉米淀粉为原料，用酸法-微波制备RS3型玉米抗性淀粉，通过单因素实验和响应曲面法相结合的方法对其工艺参数进行优化，以抗性淀粉的产率作为评价指标，最大限度地提高抗性淀粉的产率，为实际生产提供一定的参考价值。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

普通玉米淀粉 河北华辰淀粉糖有限公司；耐热α-淀粉酶（200U/mL）、淀粉葡萄糖苷酶（1000U/g） 无锡市博立生物制品有限公司；氢氧化钠、pH为6.0的磷酸缓冲溶液、柠檬酸、氢氧化钾、3，5-二硝基水杨酸 均为分析纯。

101-3-S型电热恒温鼓风干燥箱 上海跃进医疗器械厂；AnkeTDL-5型离心机 上海安亭科学仪器厂；pH-3TC精密数显酸度计 上海天达仪器有限公司；G70D20CN1P-D2格兰仕微波炉 格兰仕集团；摇摆式粉碎机 广州市旭朗机械设备有限公司。

1.2 抗性淀粉制备工艺流程

配制一定浓度的玉米淀粉糊，加一定量的盐酸至所需浓度，在室温下酸解一段时间，加碱调pH为7，微波处理一段时间，4℃冷藏24h，再在40℃烘干，用粉碎机粉碎至200目，测定抗性淀粉含量。

1.3 抗性淀粉含量和产率的测定

取1g样品溶于20mL pH为6.0的磷酸缓冲溶液中，加入1mL耐热α-淀粉酶（200U/mL），置于沸水浴中振荡30min；然后用柠檬酸调整其pH至4～4.5，再加入1mL（1000U/mL）的淀粉葡萄糖苷酶，60℃水浴振荡60min；离心（3000r/min）10min，除去上清液，水洗离心（重复两次）；向沉淀中加入4mol/L的氢氧化钾溶液5mL，置于沸水浴中5min；加2mol/L盐酸10mL中和氢氧化钾，调节pH至4～4.5，再加1mL淀粉葡萄糖苷酶，60℃水浴振荡60min；将样品全部转移至10mL容量瓶，用蒸馏水定容，摇匀。采用3，5-二硝基水杨酸法测定还原糖含量，然后乘以0.9，即为抗性淀粉含量[9]。

玉米抗性淀粉（RS3）含量（%）=葡萄糖含量（%）×0.9

1.4 单因素实验

1.4.1 淀粉糊浓度的确定 分别配制10%、20%、30%、40%和50%的玉米淀粉糊，各加2mol/L的盐酸使质量分数达到1%，室温下酸解并搅拌2h，再加2mol/L的氢氧化钠中和至pH为7，经850W的微波处理10s，冷却至室温后于4℃的冰箱内冷藏24h，再于40℃烘箱中烘干，粉碎后测定抗性淀粉含量，确定最佳淀粉糊浓度。

1.4.2 酸浓度的确定 配制最佳浓度的玉米淀粉糊，加入2mol/L的盐酸使质量分数分别达到0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%，室温下酸解并搅拌2h，加2mol/L的氢氧化钠中和至pH为7，经850W的微波处理10s，冷却至室温后于4℃的冰箱内冷藏24h，再于40℃烘箱中烘干，粉碎后测定抗性淀粉含量，确定最佳酸浓度。

1.4.3 酸解时间的确定 配制最佳浓度的玉米淀粉糊，加入2mol/L的盐酸使质量分数达到最佳酸浓度，在室温下分别酸解并搅拌0.5、1.5、2.5、3.5、4.5h，加2mol/L的氢氧化钠中和至pH为7，经850W的微波处理10s，冷却至室温后于4℃冰箱内冷藏24h，再于40℃烘箱中烘干，粉碎后测定抗性淀粉含量，确定最佳酸解时间。

1.4.4 微波功率的确定 配制最佳浓度的玉米淀粉糊，加入2mol/L的盐酸使质量分数达到最佳酸浓度，室温下酸解并搅拌最佳酸解时间，加2mol/L的氢氧化钠中和至pH为7，分别经210、350、560、700、850W的微波处理10s，冷却至室温后于4℃冰箱内冷藏24h，再于40℃烘箱中烘干，粉碎后测定抗性淀粉含量，确定最佳微波功率。

1.4.5 微波时间的确定 配制最佳浓度的玉米淀粉糊，加入2mol/L的盐酸使质量分数达到最佳酸浓度，室温下酸解并搅拌最佳酸解时间，加2mol/L的氢氧化钠中和至pH为7，经最佳功率的微波分别处理10、20、30、40、50s，冷却至室温后于4℃冰箱内冷藏24h，再于40℃烘箱中烘干，粉碎后测定抗性淀粉含量，确定最佳作用时间。

1.5 响应面实验

在单因素实验结果的基础上，以淀粉糊浓度、酸浓度、酸解时间、微波功率和微波时间作为五个因素，以RS3型玉米抗性淀粉的产率为响应值，设计一个5因素3水平的Box-Behnken实验，因素及水平选取见表1。

表1 实验因素水平及编码Table 1 Factor lever and coding of the test

1.6 数据处理

采用SAS 6.12统计方法，所有数据以（x±SD）表示，用F检验法，并进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 淀粉糊浓度对RS3产率的影响 由图1可以看出，抗性淀粉的产率随着淀粉糊浓度的增加先增加后减少，当淀粉糊浓度为30%时抗性淀粉的产率最大。这说明淀粉糊浓度过高或过低都不利于抗性淀粉的形成。当淀粉糊浓度过低时，整个体系的粘度过低，淀粉分子彼此分离，直链淀粉分子间相互接近的概率减少，从而不利于抗性淀粉的生成。当淀粉糊浓度过高时，即使经微波处理后，淀粉糊的粘度依然很大，没有足够的水分子进入淀粉的结晶区，不能将淀粉分子间的氢键完全破坏，淀粉粒难以充分膨胀、糊化，阻碍了直链淀粉分子相互接近和形成结晶[9]。

图1 淀粉糊浓度对RS3产率的影响Fig.1 The effect of the concentration of the starch paste on RS3 productivity

2.1.2 酸浓度对RS3产率的影响 由图2可以看出，抗性淀粉的产率随着酸浓度的增加先增加后减少，当酸浓度达到1.5%时抗性淀粉的产率最大。酸浓度过高或过低时抗性淀粉的产率都下降。酸浓度过低，不能完全将淀粉水解，直链淀粉分子不能完全释放出来，从而影响抗性淀粉的形成。酸浓度过高，淀粉水解过度，产生了过短的直链淀粉分子，也不利用抗性淀粉的形成。

图2 酸浓度对RS3产率的影响Fig.2 The effect of the concentration of the acid on RS3 productivity

2.1.3 酸解时间对RS3产率的影响 由图3可以看出，抗性淀粉的产率随酸解时间的延长先增加后减少，当酸解时间达到2.5h时抗性淀粉的产率达到最大。盐酸水解玉米淀粉，可以减小淀粉的分子量，淀粉分子量变小有利于淀粉分子的重新聚合、结晶，形成更多的抗性淀粉颗粒。酸解淀粉主要水解支链淀粉的短直链淀粉形成的双螺旋，故可生成更多的直链淀粉，直链淀粉可提高淀粉分子间的运动速率，有利于抗性淀粉的形成，因为抗性淀粉是由直链淀粉形成的双螺旋，故而直链淀粉的含量越高抗性淀粉的含量越大。同时，玉米淀粉中的支链淀粉经酸解后可更快地聚合成淀粉晶体，也有利于抗性淀粉的形成。结合以上原因，可以分析出，酸解过度，淀粉分子链过短，小分子运动过快，不利于结晶的形成，而酸解程度不够，则无法将淀粉水解为合适的分子链长度，不利于直链淀粉分子间双螺旋结构的生成[10]。

图3 酸解时间对RS3产率的影响Fig.3 The effect of hydrolysis time on RS3 productivity

2.1.4 微波功率对RS3产率的影响 由图4可以看出，抗性淀粉的产率随微波功率的增加而增加。由于条件所限，本实验所用的微波炉最高功率只能达到850W。所以在现有功率范围内，该结论正确。微波加热速度极快，使得物料中的水分在短时间内迅速汽化，并在内部积累形成压力梯度，形成膨化效应。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，淀粉粒完全破坏，同时释放出直链淀粉分子，直链淀粉分子接触的概率增加，有利于直链淀粉分子间双螺旋结构的形成，从而有利于抗性淀粉的形成[6]。

图4 微波功率对RS3产率的影响Fig.4 The effect of the microwave efficiency on RS3 productivity

2.1.5 微波时间对RS3产率的影响 由图5可以看出，在一定范围内，抗性淀粉产率随着微波作用的时间的增加而减少。由于实验室提供的微波炉设置的时间最低为10s，因此在实验范围内该结论正确。微波时间过长，使淀粉分子发生过度降解，产生一些小分子量的短直链淀粉，从而影响抗性淀粉的形成。

图5 微波时间对RS3产率的影响Fig.5 The effect of the microwave time on RS productivity

2.2 响应面实验

根据Box-Behnken设计进行了46组实验，其结果见表2，回归模型及各项的方差分析如表3所示。

利用Design Expert软件对表2实验数据进行多元回归拟合，获得微波-酸法制备RS3型玉米抗性淀粉编码淀粉糊浓度、酸浓度、酸解时间、微波功率和作用时间的二次多项回归方程为：RS3产率=12.21-0.22A-0.061B-0.057C+0.11D-1.14A2-0.60B2-0.34C2，相关系数为95.12%，说明该回归方程具有高度的显著性，能够很好地描述各因素与响应值之间的真实关系，可以利用该回归方程确定最佳的工艺参数为：淀粉糊浓度29.1%，酸浓度1.5%，酸解时间2.4h，微波功率785.0W，微波作用时间18.0s，此时抗性淀粉的产率为12.3%。

表2 Box-Behnken实验设计及其实验结果Table 2 Box-Behnken design and results

从该模型的方差分析表3可见，本实验所选用的二次多项模型具有极显著性（p＜0.0001），其中极显著的因素A、B、C、A2、B2、C2，显著的因素为D；失拟项在α=0.05水平上不显著（p=0.4325＞0.05）。其校正决定系数为91.22%，表明此模型拟合度较好，仅有8.78%不能由此模型解释。

2.3 验证实验

在响应面实验取得的最佳工艺条件下制备的抗性淀粉的产率为12.2%，与回归方程的预测值（12.3%）基本吻合，说明模型能够较好地预测抗性淀粉的实际产率。

3 讨论

当淀粉糊浓度增加到一定限值后，抗性淀粉的含量反而下降，这与淀粉颗粒的水化溶胀有关[11]，本实验结果与游曼洁等[12]的研究结果不同。食物中直链淀粉/支链淀粉的比率大小也对抗性淀粉的形成有显著的影响，一般说来，比值越大，抗性淀粉含量越高，这是因为直链淀粉比支链淀粉更易老化[13]。淀粉糊pH过低也不利于抗性淀粉的生成。因为酸会破坏了淀粉的分子结构，使淀粉分解为短链的小分子，在压热过程中不适合形成晶体，因而当淀粉糊pH低于4.5时对抗性淀粉的形成也不利[4]。对于酸解条件而言，酸浓度过大、酸解时间过长，都会导致酸解过度，产生较小分子量的直链淀粉，从而不利于抗性淀粉的形成；而酸浓度过小、酸解时间过短时，酸解程度不够，不能产生适合分子量的直链淀粉分子，从而也不利于抗性淀粉的形成。在本实验范围内，微波功率增加，淀粉糊糊化完全，能产生更多的直链淀粉双螺旋结构，而微波作用时间过长，糊化过度，又不利于抗性淀粉的形成。

4 结论

本文探讨了酸法-微波制备RS3型玉米抗性淀粉的方法，并运用SAS软件和响应面法对其工艺参数进行优化，其优化值为：淀粉糊浓度29.1%，酸浓度1.5%，酸解时间2.4h，微波功率785.0W，微波作用时间18.0s。按以上工艺参数制备的RS3型玉米抗性淀粉，其产率为12.3%。

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Optimization of parameters for preparation of maize retrograded starch by acid-microwave method

ZHANG Zhong1，XIA Dan-dan2，WANG Li2
（1.College of Chemistry and Life Science，Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China；2.College of Engineering，Anhui Science and Technology University，Fengyang 233100，China）

Maize starch was used as raw material，and partial hydrolyzed and treated with microwave in the experiment to prepare maize retrograded starch.The processing parameters and conditions for maize resistant starch were optimized by the single-factor test and response surface methodology（RSM）.With the yield of retrograded starch as evaluation index，the optimum processing parameters were obtained：the concentration of the starch paste was 29.1%which was hydrolyzed by 1.5%HCl for 2.4h，the optimal pasting parameters with microwave were 785.0W for 18.0s.The productivity of retrograded starch reached 12.3%with the optimal processing method.

acid-microwave method；maize resistant starch；processing parameters

表3 方差分析结果Table 3 Regression variance analysis of regression coefficient

TS202.3

B

1002-0306（2014）12-0282-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.12.053

2013－09－16

张钟（1962-），男，大学本科，教授，研究方向：农产品贮藏与加工。

广东省高等学校人才引进项目（201192）；广东石油化工学院人才引进项目（2010r2）。