超声协同微波法制备抗性糊精及其结构和体外消化特性

曾佳,林江涛*,岳清华*,李淑月,李心灵,郑雁

(河南工业大学 粮油食品学院,河南 郑州 450001)

摘 要:以小麦淀粉为原料,采用单因素及正交试验优化抗性糊精制备工艺,并表征其结构和体外模拟消化。结果表明,超声协同微波法的最佳制备工艺条件为盐酸浓度0.3 mol/L、超声时间30 min、微波功率700 W、微波时间10 min,此工艺条件下抗性糊精含量为63.71%,白度为70.51%。与酸热法相比,抗性糊精含量提高了9.32%,白度升高了7.76%;与微波法相比,抗性糊精含量提高了3.57%,白度升高了11.11%。在精制工艺中,将酶解液按3∶1(体积比)进行浓缩,用78%乙醇溶液沉淀4 次,再用3%活性炭在40 ℃、pH3 的条件下脱色30 min,此时抗性糊精的纯度为91.28%,得率为50.73%。制得的抗性糊精相较于小麦淀粉结晶度降低,但没有产生新的官能团,在热转化过程中因其有序的结晶结构被破坏而没有出现吸热峰。模拟体外消化的结果显示,超声协同微波法制备的抗性糊精抗消化成分含量高达97.66%,显著高于酸热法、微波法制备的抗性糊精,表明相较于原有方法超声协同微波法能制备出品质更高的抗性糊精。

关键词:小麦淀粉;抗性糊精;超声处理;微波处理;抗消化性

水溶性膳食纤维不仅能改善食品品质,使食品状态更稳定,还可调节肠道菌群,产生有益代谢产物,利于人体健康[1]。抗性糊精是一种水溶性膳食纤维,由部分淀粉降解及糖基化转移而成,因其含有的α-1,6、α-1,3、α-1,2 和β-1,6 糖苷键难以或无法被人体消化酶分解,也被称为难消化糊精[2]。抗性糊精具有微甜、易储藏、耐冷冻、不易褐变等加工特性,而且还有抑制血糖上升的生理功能[3]。目前,抗性糊精作为普通食品添加于饮料、酒类、乳制品、肉制品和面制品中,不仅能增强饱腹感,还能改善质构、提升风味、增强适口性[4]

有学者探究以各种植物淀粉为原料制备抗性糊精,如高粱、绿豆、荞麦等[5-8],但仍以玉米淀粉为原料居多,目前,以小麦淀粉为原料制备抗性糊精的研究较少。除了原料的差异,不同的制备工艺对抗性糊精的纯度和性质也有重要的影响。传统的抗性糊精制备方法是酸热法,20 世纪80 年代末日本松谷化学工业株式会首次使用[9]。随后有学者用新技术辅助传统酸热法进行制备,如滕健[10]采用微波加热的方式,得到了微波法制备抗性糊精的最佳制备工艺;吕行等[11]通过“干热三步法”不仅提高了淀粉中抗性糊精的含量,而且通过转子转动使反应更均匀;李泽润等[12]将超高压与高温酸化相结合,使抗性糊精平均分支度提升,难消化性增强。王萌[13]分别对3 种不同淀粉进行超声处理,结果发现经超声处理后的改性淀粉直链淀粉含量下降,破损淀粉含量更高,并促进了小颗粒的聚集;吴立夏等[14]分析超声处理后改性淀粉的理化性质,结果发现超声波功率增大,淀粉黏度降低,冻融稳定性增加。目前已有研究均是对超声处理后的改性淀粉进行理论分析,较少将超声处理用于制备抗性糊精。

本研究通过超声协同微波法制备小麦抗性糊精,确定该工艺的最佳制备条件,对抗性糊精的结构进行表征并研究其消化特性,以期为高品质抗性糊精的制备和应用提供新的参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

小麦淀粉:新良集团;溴化钾(光谱级)、耐高温α-淀粉酶(8 000 U/g)、糖化酶(20 000 U/mL):上海麦克林生化科技有限公司;3,5-二硝基水杨酸(3,5-dinitrosalicylic acid,DNS):福州飞净生物科技有限公司;盐酸:郑州轩之成化工科技有限公司;无水乙醇:郑州派尼化学试剂厂;活性炭:西陇科学股份有限公司。所用试剂均为分析纯。

SFX 20:0.55 超声波细胞破碎器:美国Branson 公司;P-G5 型微波炉:广东格兰仕集团有限公司;101 型电热鼓风干燥箱:上海夜拓科技有限公司;UV-4082 型紫外可见分光光度计:尤尼柯(上海)仪器有限公司;WSB-2 台式数显白度仪:上海力辰科技有限公司;Nicolet 6700FT-IR 型傅里叶红外光谱仪:美国赛默飞世尔科技公司;DSC-8500 差示扫描量热仪:美国Perkin Elmer 有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 抗性糊精的制备

超声协同微波法(ultrasonic synergistic microwave method,UM-RD):准确称取小麦淀粉50 g,加水调成40% 淀粉悬浮液,再加入10% 的盐酸溶液,用超声波细胞破碎器辅助振荡后置于45 ℃烘箱烘干,粉碎过100 目筛,微波一定时间后,制得抗性糊精粗品。经乙醇沉淀、活性炭脱色后得到抗性糊精。

酸热法(acid-heating method,AH-RD):参考张宏伟[15]方法制备抗性糊精。

微波法(microwave method,M-RD):参考滕健等[16]方法制备抗性糊精。

1.2.2 抗性糊精含量的测定

参考张伟薇等[17]方法,采用酶-比色法测定抗性糊精含量,葡萄糖标准曲线回归方程为y=3.774x-0.003 8(R2=0.994 7),按公式(1)计算样品中的葡萄糖含量(C ,%)。

式中:C 为通过标准曲线查到的葡萄糖含量,mg;C0 为样品未被酶解时的葡萄糖含量,mg;m 为试样质量,g;V1 为试样测定体积,mL;V2 为定容体积,mL;F 为稀释倍数。

1.2.3 抗性糊精粗品提取单因素试验

采用1.2.1 的方法对小麦淀粉进行超声、微波处理,通过单因素试验,分别考察超声时间(10、20、30、40、50 min)、盐酸浓度(0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 mol/L)、微波功率(120、280、462、581、700 W)、微波时间(6、8、10、12、14 min)对抗性糊精含量和白度的影响,并确定其最优工艺条件。

1.2.4 正交试验优化

在单因素试验的基础上,以盐酸浓度、超声时间、微波功率、微波时间4 个因素为自变量,以抗性糊精含量为评价指标,采用L9(34)进行优化,正交试验因素水平如表1 所示。

表1 正交试验因素与水平
Table 1 Factors and levels of orthogonal test

因素水平1 2 3 A 超声时间/min 10 20 30 B 盐酸浓度/(mol/L)0.3 0.4 0.5 C 微波功率/W 462 581 700 D 微波时间/min 8 10 12

1.2.5 乙醇沉淀纯化工艺

将抗性糊精粗品进行乙醇沉淀纯化,首先将抗性糊精溶液按比例浓缩,在浓缩液中加入一倍体积合适浓度的乙醇溶液,边加边搅拌,加完后静置30 min,随后在4 500 r/min 下离心5 min,保留沉淀。分别考察酶解液浓缩程度(浓缩体积比为3∶1、4∶1、5∶1)、洗涤程序(依次用一倍体积78% 乙醇、95% 乙醇和丙酮各沉淀两次)、乙醇洗涤次数(3、4、5、6 次)对抗性糊精纯度和得率的影响。

1.2.6 活性炭脱色工艺

用活性炭对抗性糊精进行脱色,分别考察活性炭用量(0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%)、脱色温度(20、30、40、50、60 ℃)、脱色时间(10、20、30、40、50 min)、pH 值(3、4、5、6、7)对抗性糊精脱色率和保留率的影响。经单因素试验后进行等温吸附试验,并按Freundlich 式进行拟合。

1.2.7 X 射线衍射分析

将干燥的待测样品置于玻璃板上,射线衍射在40 kV、15 mA 条件下工作,扫描区域为5°~60°,扫描速率10°/min,扫描步长间隔为0.02°,测定待测样品的结晶结构。

1.2.8 红外光谱测定

称取待测样品3 mg 与干燥后的溴化钾300 mg 混匀研磨,在20 MPa 的压力下压制透明的样品薄片,置于傅里叶红外光谱仪测定样品的红外吸收光谱。

1.2.9 热转变特性分析

采用差示扫描量热仪分析待测样品的热转变特性。称取3 mg 待测样品加入坩埚中,向其中加入6 μL 去离子水,加盖密封后4 ℃平衡24 h,转移至仪器中,以10 ℃/min 速率加热至120 ℃,得到数据并绘制差热曲线(differential thermal analysis curve,DSC)。

1.2.10 体外消化特性分析

根据Liu 等[18]的方法稍加修改进行模拟体外消化特性测定。按公式(2)~(5)计算样品水解率(hydrolysis rates,HR)及易消化组分(readily digestible fraction,RDF)含量、慢消化组分(slowly digestible fraction,SDF)含量、抗消化组分(resistant fraction,RF)含量。

式中:A 为HR,%;B 为RDF,%;C 为SDF,%;D为RF,%;Gt 为不同时间葡萄糖含量,mg;G0G20G120分别为0、20、120 min 时的葡萄糖含量,mg;M 为样品总质量,mg。

1.3 数据分析

各组数据均进行二次及以上平行并取平均值,使用SPSS 20 分析数据及其显著性(P<0.05),采用Origin 2021 软件绘图。

2 结果与分析

2.1 单因素试验分析

超声时间对抗性糊精含量和白度的影响见图1。

图1 超声时间对抗性糊精含量和白度的影响
Fig.1 Effect of ultrasonic time on content and whiteness of resistant dextrin

不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

由图1 可看出,超声10~30 min,抗性糊精含量随着时间的延长而显著增加(P<0.05),在30 min 时,抗性糊精含量最高(63.82%),可能是由于超声在淀粉-水系统中产生的空化作用促使淀粉进行改性,在超声振荡过程中,淀粉悬浮液产生微气核空化泡,这种气泡受压时破碎会产生强大的冲击力,此冲击力作用于淀粉颗粒,造成淀粉链断裂[19],降解产生的小分子会在后续热处理过程中重新聚合形成更多不易被消化的抗性糊精。同时,超声波促进了盐酸在淀粉中扩散,使两者充分接触,更容易发生反应[20]。超声40~50 min,抗性糊精含量随着时间延长而显著减小(P<0.05),这可能是由于随着时间的延长,空化作用对淀粉颗粒的物理屏障破坏变大,淀粉颗粒表面形成的洞和裂缝数量越多、面积越大,酶越容易进入颗粒内部促进化学反应[21],抵抗酶作用减弱。抗性糊精的白度与抗性糊精含量呈相反趋势,10、40、50 min 时的抗性糊精白度无显著差异(P>0.05)。并且在30 min 时,抗性糊精的白度最低。因此在制备抗性糊精的过程中选取超声时间10、20、30 min 进行正交试验。

盐酸浓度对抗性糊精含量和白度的影响见图2。

图2 盐酸浓度对抗性糊精含量和白度的影响
Fig.2 Effect of hydrochloric acid concentration on content and whiteness of resistant dextrin

不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

由图2 可看出,抗性糊精含量和白度因盐酸浓度的不同而发生显著变化(P<0.05)。随着盐酸浓度升高,抗性糊精含量不断增加,在盐酸浓度为0.5 mol/L时抗性糊精含量增加趋于平缓,这是由于盐酸在转糖基反应中是一种催化剂,盐酸浓度增加,水解作用加强,使直链淀粉和支链淀粉更容易降解成小分子糖类,这些小分子糖类在高温下发生重聚合反应生成不能被α-淀粉酶和糖化酶酶解的抗性糊精[22]。但是,盐酸浓度过高会使淀粉在加热情况下发生焦糖化反应,在淀粉表面形成焦化层,不利于糊精化反应[23]。同时,抗性糊精的白度随着盐酸浓度的升高而降低,当盐酸浓度过高时,抗性糊精的颜色变为黄褐色,并有难闻的焦苦味,使后续脱色过程难度大。因此选取盐酸浓度0.3、0.4、0.5 mol/L 进行正交试验。

微波功率对抗性糊精含量和白度的影响见图3。

图3 微波功率对抗性糊精含量和白度的影响
Fig.3 Effect of microwave power on content and whiteness of resistant dextrin

不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

由图3 可看出,抗性糊精含量和白度因微波功率的不同发生显著变化(P<0.05)。随着微波功率的升高,抗性糊精含量逐渐增加,白度不断降低,这可能是由于在微波处理过程中直链淀粉更容易降解为单糖、双糖、低聚糖等小分子物质,并且微波作用对淀粉的酶切位点产生影响,有利于小分子物质的重新聚合,重新聚合生成α-1,4 和α-1,6 糖苷键,还有可能生成α、β-1,2 和α、β-1,3 以及左旋葡聚糖等糖苷键,这些糖苷键难以甚至无法被酶水解[24]。因此,热反应的加剧会使抗性糊精含量增加、颜色加深。因此综合考虑选取微波功率462、581、700 W 进行正交试验。

微波时间对抗性糊精含量和白度的影响见图4。

图4 微波时间对抗性糊精含量和白度的影响
Fig.4 Effect of microwave time on content and whiteness of resistant dextrin

不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

由图4 可看出,抗性糊精含量和白度因微波时间的不同发生显著变化(P<0.05)。随着微波时间的延长,抗性糊精含量逐渐增加,抗性糊精白度不断降低,该趋势形成的原因与微波功率对抗性糊精含量和白度的影响类似,被酸化的淀粉吸收微波能量,并将电磁能转化为热能,淀粉分子内部振动摩擦,使淀粉颗粒内部外部同时加热,热聚反应越来越剧烈[25],抗性糊精含量增加。随着微波时间延长,12 min 后抗性糊精含量增加趋势趋于平缓,可能也是由于焦化层的形成阻碍了抗性糊精的产生,并且使抗性糊精白度显著降低。因此在制备抗性糊精过程中综合考虑选取微波时间8、10、12 min 进行正交试验。

2.2 正交优化试验结果

正交试验结果极差分析和方差分析见表2、表3。

表2 正交试验结果极差分析
Table 2 Range analysis of orthogonal test results

试验号1 2 3 4 5 6 7 8 9 K1 A1 1 1 2 2 2 3 3 3 B1 2 3 1 2 3 1 2 3 C1 2 3 2 3 1 3 1 2 D1 2 3 3 1 2 2 3 1抗性糊精含量/%Y1 57.03 57.02 60.42 59.12 61.02 57.09 63.56 61.49 62.01 Y2 56.01 57.10 60.20 59.13 60.01 57.23 63.82 61.52 61.67 K2 K3 k1 k2 k3 R 173.89 176.80 187.04 57.96 58.93 62.35 4.38 179.34 179.08 179.31 59.78 59.69 59.77 0.08 175.19 178.03 184.52 58.40 59.34 61.51 3.11 178.88 177.91 180.94 59.63 59.30 60.31 1.01

表3 正交试验结果方差分析
Table 3 Variance analysis of orthogonal test results

注:**表示影响极显著(P<0.01)。

因素自由度A B C D误差偏差平方和63.559 0.026 30.497 3.195 1.160 2 2 2 2 9 F 值246.660 0.102 118.352 12.398显著性******

通过比较表2 中的R 值大小可得到,对抗性糊精含量影响因素的大小排序为超声时间>微波功率>微波时间>盐酸浓度。通过表3 的方差分析可得到,超声时间、微波功率、微波时间对抗性糊精含量的影响极显著(P<0.01);但盐酸浓度对抗性糊精含量影响不显著(P>0.05),正交试验结果显示抗性糊精含量的最佳组合为A3B1C3D2,而通过k 值得到的最优组合为A3B1C3D3,因此需要进行验证试验。A3B1C3D2 得出的抗性糊精含量为(63.70±0.61)%,白度为(70.51±0.49)%,A3B1C3D3 组得出的抗性糊精含量为(64.84±0.52)%,白度为(67.51±0.73)%,可以看出A3B1C3D3 虽然相较A3B1C3D2 含量有所提升,但也因时间延长而造成白度显著降低,不利于后续脱色,同时为了节省时间,最后确定以A3B1C3D2(盐酸浓度0.3 mol/L、超声时间30 min、微波功率700 W、微波时间10 min)制备抗性糊精。

2.3 乙醇沉淀纯化试验分析

在制备抗性糊精的过程中产生的大量游离葡萄糖可通过乙醇去除,乙醇能通过降低水溶液的介电常数,改变水溶液的极性[26],使抗性糊精溶解度降低,从而产生沉淀使其分离。

抗性糊精酶解液越多,所消耗乙醇体积越大,对酶解液进行浓缩能在工业生产中有效节省原料,酶解液的浓缩比例对抗性糊精纯度和得率的影响见图5。

图5 酶解液的浓缩比例对抗性糊精纯度和得率的影响
Fig.5 Effect of concentration ratio of enzymatic hydrolysate on purity and yield of resistant dextrin

不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

由图5 可知,随着酶解液的浓缩体积比降低,经过乙醇纯化后,抗性糊精的纯度显著升高(P<0.05),得率明显降低,为了同时保证抗性糊精的含量和得率,选取浓缩体积比3∶1 进行纯化。

酶解液按3∶1 的体积比浓缩,随后按洗涤程序依次洗涤,以洗涤溶剂中的葡萄糖含量作为评价纯化效果的指标,结果如图6 所示。

图6 洗涤程序对洗涤溶剂中葡萄糖含量的影响
Fig.6 Effect of washing procedure on glucose content in washing solvent

不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

由图6 可知,用78%乙醇洗涤两次后抗性糊精中大部分葡萄糖已进入洗涤溶液中,说明仅用78%乙醇溶液可有效去除游离葡萄糖。若在工业生产中采用多种不同溶剂洗涤,后续的溶剂回收过程比较复杂,因此本试验仅采用78%乙醇反复洗涤。

用78%乙醇重复洗涤,连续洗涤次数对抗性糊精纯度和得率的影响如图7。

图7 洗涤次数对抗性糊精纯度和得率的影响
Fig.7 Effect of washing times on purity and yield of resistant dextrin

不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

如图7 所示,随着重复洗涤次数增多后,抗性糊精纯度增加,但洗涤超过4 次,抗性糊精纯度不会明显提高。同时,随着洗涤次数的增多,抗性糊精损失也会增多,得率显著下降。因此,将沉淀经过4 次78% 乙醇洗涤,此时抗性糊精的纯度为(91.28±0.04)%,得率为(50.73±0.09)%。

2.4 活性炭脱色试验分析

活性炭用量对脱色效果的影响如图8 所示。

图8 活性炭添加量对脱色效果的影响
Fig.8 Effect of activated carbon dosage on decolorization

不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

由图8 可知,活性炭对脱色效果有显著影响,活性炭添加量从0.5%增加到3%时,抗性糊精的脱色率从77.2% 升高到88.5%,当活性炭添加量超过3% 时,脱色率不再增加。当活性炭添加量从0.5% 增加到5%时,虽然脱色率升高,但是抗性糊精保留率显著降低,为避免产生较大损失,选用3% 活性炭添加量用于抗性糊精脱色。

脱色温度对脱色效果的影响如图9 所示。

图9 脱色温度对脱色效果的影响
Fig.9 Effect of decolorization temperature on decolorization

不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

如图9 所示,脱色率随着脱色温度的升高呈先升高后降低的趋势,脱色温度为40 ℃时脱色率最高(89.88%),这可能是由于温度小于40 ℃时,随着温度升高,色素颗粒的势能提高并转变为动能,与活性炭碰撞机会增大,温度达到40 ℃后,活性炭达到吸附平衡,随着温度再次升高,会出现“升温脱附”的现象,色素颗粒从活性炭上解吸出来重新进入溶液,使脱色率下降。但抗性糊精保留率随着温度的升高不断减小。因此,在40 ℃时,活性炭脱色效果最佳。

脱色时间对脱色效果的影响如图10 所示。

图10 脱色时间对脱色效果的影响
Fig.10 Effect of decolorization time on decolorization

不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

如图10 所示,随着脱色时间的延长,脱色率显著升高,从81.45% 逐渐上升到88.96%,但在40 min 后随着时间的延长脱色率略微增加,这是因为活性炭吸附作用达到饱和。而抗性糊精保留率逐渐降低,从91.8%逐渐下降到86.6%。因此综合考虑脱色率和保留率,选用脱色时间30 min 最佳。

pH 值对脱色效果的影响如图11 所示。

图11 pH 值对脱色效果的影响
Fig.11 Effect of pH on decolorization

不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

如图11 所示,脱色率和抗性糊精保留率呈相反趋势,随着pH 值的增大,脱色率显著降低,从90.1% 下降到70%,在溶液环境越接近于中性条件时,脱色效果越弱,这可能是因为在活性炭吸附色素颗粒的时候需要H+的参与,因此H+越多,越有利于吸附作用。因此,pH 值为3 时脱色效果最佳。

将经活性炭吸附后呈色物质的浓度(Ce)和单位质量活性炭吸附的色素量(qe)的吸附平衡试验结果按Freundlich 吸附等温式拟合得到图12。

图12 按Freundlich 式拟合的等温吸附线
Fig.12 Isothermal adsorption line fitted by Freundlich equation

如图12 所示,符合Freundlich 方程。从拟合结果中可以得到公式中系数b 为0.493 28,小于0.5,说明在该条件下,活性炭易于吸附抗性糊精溶液中的色素分子。

2.5 X-衍射测定结果

图13 为小麦淀粉和小麦抗性糊精的XRD 衍射结果。

图13 小麦淀粉与不同方法制备的抗性糊精的X 射线衍射图
Fig.13 X-ray diffraction patterns of wheat starch and resistant dextrin prepared by different methods

如图13 所示,小麦淀粉的晶形结构为谷物淀粉的A 型结构,衍射峰分别出现在15.04°、17°、17.84°、23.04°附近,相对结晶度为20%;通过不同制备方法得到的抗性糊精的衍射曲线都在20°附近出现非晶态衍射峰,晶型结构消失,这可能是由于在酸热高温过程中,小麦淀粉的有序晶体被破坏,但是不同制备方法得到的抗性糊精相对结晶度不同,UM-RD、M-RD、AHRD 的相对结晶度分别为2.6%、3.4%、4.2%,这可能是由于小麦淀粉经过不同处理后被破坏程度不同,其中UM-RD 的结晶度最低,说明超声协同微波法对小麦淀粉的有序结晶结构破坏最大,α-1,4 糖苷键断裂后生成新的抗消化糖苷键的机会更多,抗消化性更强。

2.6 红外光谱分析

图14 为小麦淀粉和小麦抗性糊精的红外光谱图。

图14 小麦淀粉与不同方法制备的抗性糊精的红外光谱图
Fig.14 Infrared spectra of wheat starch and resistant dextrin prepared by different methods

从图14 可以看出,小麦淀粉与不同方法制备得到的抗性糊精的特征吸收峰无明显差异,官能团没有发生变化,但是吸收峰强度有所改变,且不同制备方法得到的抗性糊精吸收峰强度不同,说明存在糖苷键断裂和重聚合反应程度也不同。红外光谱在波数3 370 cm-1 处为氢键—OH 键伸缩振动峰[27],抗性糊精在此处的吸收峰强于小麦淀粉,说明抗性糊精亲水性更强;2 927 cm-1 为多糖次甲基C—H 的伸缩振动峰;1 200~1 000 cm-1 为多糖的指纹分子区[28],1 029 cm-1处为C—O 键所构成的吡喃糖环的吸收峰,与无定型结构相关,抗性糊精在此处的吸收峰面积大于小麦淀粉,说明经处理后部分淀粉链的有序结构转变为无序,与X-衍射所得结论一致;1 000~800 cm-1 处的特征峰与α-糖苷键和β-糖苷键有关,而此吸收带处抗性糊精的吸收峰面积小于小麦淀粉,这说明在高温酸热条件下淀粉发生了糊精化反应,淀粉分子中的α-1,4 糖苷键断裂,并聚合生成新的抗消化糖苷键。

2.7 热转变特性分析

小麦淀粉和小麦抗性糊精的糊化曲线如图15所示。

图15 小麦淀粉与不同方法制备的抗性糊精的糊化曲线
Fig.15 Gelatinization curve of wheat starch and resistant dextrin prepared by different methods

从图15 可得,小麦淀粉在热转化过程中出现了吸热峰,吸热峰反映淀粉中有序结晶结构被破坏。小麦淀粉的糊化起始温度为49.42 ℃、峰值温度为61.92 ℃、终止温度为71.63 ℃和焓变值为5.293 J/g。糊化焓反映样品的结晶度,从图中可得到不同制备方法得到的抗性糊精均没有出现吸热峰,这是由于抗性糊精溶解度高,水分子在升温前已经进入抗性糊精分子内部,破坏了其结晶结构。这与Li 等[29]的研究结果一致。

2.8 模拟体外消化特性分析

各样品的水解率和体外模拟消化特性如图16所示。

图16 样品的水解率和体外模拟消化特性
Fig.16 Hydrolysis rate and simulated in vitro digestion characteristics of sample

不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

如图16 所示,小麦淀粉的水解率随反应时间呈先快速增长后缓慢增长的趋势,而通过不同方法制备的抗性糊精水解率增长幅度微小,其中UM-RD 水解率趋于平缓。在消化结束时,小麦淀粉的水解率明显高于其余3 个抗性糊精样品,且UM-RD 的水解率明显低于AH-RD、M-RD,这表明超声协同微波法制备的抗性糊精抗酶解能力明显强于酸热法、微波法制得的抗性糊精样品,且抗性糊精的抗酶解能力都明显强于小麦淀粉,样品抗性能力强弱排序依次为UM-RD>M-RD>AH-RD>小麦淀粉。根据模拟体外消化率的结果可得,UM-RD 抗消化组分含量显著(P<0.05)高于小麦淀粉、AH-RD 和M-RD,人体餐后血糖应答情况一定程度上取决于RDF 的含量[30],根据4 种样品抗消化组分的含量可推测UM-RD 利于人体餐后血糖水平缓慢增长。

3 结论

目前制备抗性糊精最普遍的方法是酸热法和微波法,根据文献的工艺制备抗性糊精,酸热法制得的抗性糊精含量为54.39%,白度为62.75%;微波法制得的抗性糊精含量为60.14%,白度为59.4%。本研究以小麦淀粉为原料,采用超声协同微波法,通过正交优化确定抗性糊精最佳制备条件为盐酸浓度0.3 mol/L、超声时间30 min、微波功率700 W、微波时间10 min,此时得到的抗性糊精含量为63.71%,白度为70.51%。与酸热和微波法相比,本研究方法的制备时间明显缩短,抗性糊精含量显著提高,节约了制备时间并提升了产品含量;抗性糊精白度显著升高,为后续脱色过程降低难度,有效保证食品色泽不受影响。在精制过程中,将得到的抗性糊精粗品用乙醇沉淀法进行分离纯化,首先将酶解液按3∶1 的体积比进行浓缩,随后分4 次加入78% 乙醇溶液,此时抗性糊精的纯度为91.28%,得率为50.73%,随后用质量分数3% 的活性炭在40 ℃、pH3 的条件下脱色30 min。小麦淀粉经过糊精化反应后A 型结晶结构被破坏,形成的抗性糊精出现了非晶态衍射峰,超声协同微波法制备的抗性糊精结晶度最低;在热转化过程中,抗性糊精没有吸热峰出现;根据体外消化的结果可得到,超声协同微波法制备的抗性糊精的水解率呈平缓趋势且抗消化成分含量为97.66%,显著高于酸热法和微波法,表明了该方法制备的抗性糊精具有更高的抗消化性。综上所述,通过对抗性糊精的工艺条件的确定和消化特性的研究,为进一步制备高品质小麦抗性糊精提供了理论基础。

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Preparation of Resistant Dextrin by Ultrasonic-Microwave Synergistic Method and Its Structure and in vitro Digestion Characteristics

ZENG Jia,LIN Jiangtao*,YUE Qinghua*,LI Shuyue,LI Xinling,ZHENG Yan
(College of Food Science and Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,Henan,China)

Abstract:Wheat starch was used as raw material,and the preparation process of resistant dextrin was optimized by the single factor and orthogonal test.Its structure was characterized,and simulated in vitro digestion was performed.The results showed that the optimum preparation conditions by the ultrasonic-microwave method were as follows:hydrochloric acid concentration of 0.3 mol/L,ultrasonic time of 30 min,microwave power of 700 W,and microwave time of 10 min.Under these conditions,the content of resistant dextrin was 63.71%,and the whiteness was 70.51%.Compared with the acid-heat method,the content of resistant dextrin increased by 9.32%,and the whiteness increased by 7.76%.Compared with the microwave method,the content of resistant dextrin increased by 3.57%,and the whiteness increased by 11.11%.In the refining process,the enzymatic hydrolysate was concentrated at a volume ratio of 3∶1,followed by adding 78% ethanol solution four times,and then it was decolorized by 3% activated carbon at 40 ℃and pH3 for 30 min.Finally,the purity of the resistant dextrin was 91.28%,and the yield was 50.73%.The crystallinity of the prepared resistant dextrin was lower than that of wheat starch,but no new functional groups were produced.During the thermal conversion process,there was no endothermic peak due to the destruction of its ordered crystalline structure.The results of simulated in vitro digestion showed that the content of resistant components of the resistant dextrin prepared by ultrasound-microwave synergistic method was as high as 97.66%,which was significantly higher than that of resistant dextrin prepared by acid-heat method and microwave method,indicating that resistant dextrin with higher quality could be prepared by ultrasound-microwave synergistic method compared with the original method.

Key words:wheat starch;resistant dextrin;ultrasonic treatment;microwave treatment;anti-digestibility

DOI:10.12161/j.issn.1005-6521.2024.12.012

基金项目:河南省重大科技专项项目(221100110700);国家自然科学基金青年科学基金项目(32101985)

作者简介:曾佳(1999—),女(汉),硕士研究生,研究方向:小麦加工理论与应用。

*通信作者:林江涛(1973—),男(汉),教授,研究方向:谷物加工技术与品质;岳清华(1988—),女(汉),博士,研究方向:谷物科学与加工技术。

引文格式:

曾佳,林江涛,岳清华,等.超声协同微波法制备抗性糊精及其结构和体外消化特性[J].食品研究与开发,2024,45(12):85-94.

ZENG Jia,LIN Jiangtao,YUE Qinghua,et al.Preparation of Resistant Dextrin by Ultrasonic-Microwave Synergistic Method and Its Structure and in vitro Digestion Characteristics[J].Food Research and Development,2024,45(12):85-94.

责任编辑:冯娜

收稿日期:2023-11-07