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摘要[目的] 研究压热法制备紫山药抗性淀粉的工艺。[方法] 以紫山药淀粉为原料，采用压热法制备紫山药抗性淀粉。以抗性淀粉得率作为评价指标，在单因素试验基础上，通过正交试验和方差分析明确因素影响的重要性并优化工艺条件。[结果]试验表明，影响抗性淀粉得率的因素主次顺序为：淀粉乳浓度>温度>pH>时间，最佳工艺条件为：淀粉乳浓度为30%，温度为120 ℃，pH为7，时间为60 min，在此条件下抗性淀粉得率为12.92%。[结论] 研究可为开发紫山药抗性淀粉产品提供理论依据。
关键词紫山药淀粉；抗性淀粉；压热处理
中图分类号S509.9；TS234文献标识码A文章编号0517-6611（2015）07-293-03
Preparation of Purple Dioscorea alata L. Resistant Starch by Pressure-heating Treatment
RUAN Si-lian， MA Sui-xiang， WU Xiao-qi， SONG Hong-bo* et al
（College of Food Science， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou， Fujian 350002）
Abstract[Objective] To study technique for preparing Purple Dioscorea alata L. resistant starch by pressure-heating treatment. [Method] With Purple Dioscorea alata L. starch as raw material， pressure-heating treatment was conducted to prepare resistant starch. Taking yield as evaluation indicator， on the basis of single factor experiment， orthogonal test and variance analysis were adopted to determine importance of influencing factors and optimize technical conditions. [Result] The experiment showed that the order of influencing factors is starch concentration > temperature > pH > time. The optimized processes were： starch concentration 30%， temperature 120 ℃， pH 7， time 60 min. Under the conditions， the productivity of resistant starch was 12.92%. [Conclusion] The study can provide theoretical basis for development of Purple Dioscorea alata L. resistant starch.
Key wordsPurple Dioscorea alata L.starch； Resistant starch； Pressure-heating treatment
抗性淀粉是指一类在正常人体的小肠中不被消化吸收，而被大肠菌群用以发酵的淀粉及其降解物[1-2]。有生理学家们根据其抗消化性的程度不同把抗性淀粉分为：RS1、RS2、RS3、RS4[3]。其中RS3为回生淀粉，作为抗性淀粉的最主要来源，有着非常显著的生理功能，例如对便秘症状有着预防、缓解和改善的作用，对于类脂、胆固醇等代谢有增强作用[4]，对于矿物质消化吸收起到促进作用[5]，同时，它还具备降低血糖、血脂等功效[6]。开发抗性淀粉产品，具备极大的商业价值[7-8]。
紫山药（Purple Dioscorea alata L.）又名紫莳药、紫淮山药、紫脚板薯等[9]，在我国南方多个省份普遍种植，目前对于其利用大多停留在煮食方面[10]，对其产后加工以及潜在价值的开发利用仍处在较低水平。邓子龙等采用发酵法制备紫山药淀粉，并探讨了其部分的理化性质[9]，陶华蕾就紫山药淀粉的提取工艺和加工利用做了初步研究，研制出紫山药果冻等产品[10]。笔者主要以紫山药淀粉为原料，研究压热法制备抗性淀粉工艺，可为开发紫山药抗性淀粉产品提供理论依据。
1材料与方法
1.1材料
供试原料：紫山药，品种为紫玉淮山，购于福建明溪县王桥淮山基地。新鲜、无破损、无发霉。
主要试剂：柠檬酸、氯化钠、氢氧化钾、3，5-二硝基水杨酸，均为国产分析纯；α-淀粉酶（1 000 U/g）、葡萄糖淀粉酶（10万U/g），美国sigma公司。
主要仪器与设备：UV-1100型紫外可见分光光度计，上海美谱达仪器有限公司；TDL-5-A型低速离心机，上海安亭科学仪器厂；YXQ-LS-18SI型自动手提式灭菌锅，上海博讯实业有限公司医疗设备厂；THZ-82型水浴恒温振荡器，金坛市精达仪器制造有限公司；Sartorius pH计，合肥桥斯仪器设备有限公司；ACS-30电子天平，上海然浩电子有限公司；AR1140电子天平，上海梅特勒托利多仪器有限公司；DHG-9000电热恒温鼓风干燥箱，上海精宏试验设备有限公司；JJ-2组织捣碎匀浆机，江苏天由有限公司。
1.2方法 1.2.1样品的制备。
紫山药淀粉：挑选新鲜紫山药，以清水洗净，削皮去表面，切分为1～3 mm薄片，用质量分数0.05%柠檬酸、0.10%氯化钙、0.35%异抗坏血酸钠的复配护色剂常温护色15 min后，加入7倍的蒸馏水，用组织捣碎匀浆机进行破碎和匀浆，在超声波提取器中提取，以4 000 r/min转速离心10 min进行浆渣分离，收集下层浆液，100目绢布过滤，滤液静沉6 h，将所得下层沉淀用蒸馏水反复清洗，每次清洗室温下静置4 h，弃去上清液，直到上清液澄清为止，置于离心机中以4 000 r/min转速离心15 min，刮去上层杂质，反复离心除杂。取出沉淀物置于烘箱中45 ℃烘至水分含量为11.8%即可[11]，粉碎，过100目筛，得到紫山药淀粉样品。
紫山药抗性淀粉：称取一定量的紫山药淀粉加入蒸馏水配制一定浓度的淀粉乳，调节pH，在沸水浴锅中先预糊化5 min，再把淀粉乳放置高压灭菌锅中，调节蒸汽压力，在不同温度下加热一定时间，使之完全糊化；取出，放置室温环境中自然冷却，再将其放置于4 ℃的冰箱中冷藏24 h；样品以80 ℃烘干18 h，粉碎，过100目筛，得到紫山药抗性淀粉。
1.2.2抗性淀粉测定方法。
参照Goni等的方法，稍作改进[12]。称取5 g紫山药抗性淀粉样品，加入柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液，再加入过量的耐高温α-淀粉酶到50 ml 离心管中，在90 ℃振荡1 h，冷却至室温，调节pH至4.0～4.5，加入过量的葡萄糖淀粉酶，在60 ℃振荡1 h。以4 000 r/min 离心15 min，弃上清液，重复水洗离心3次。往沉淀中加入2 mol/L的KOH，室温振荡0.5 h，使紫山药抗性淀粉充分溶解于KOH 溶液中。调节pH 为4.0～4.5，加入过量葡萄糖淀粉酶，在60 ℃恒温水浴振荡1 h。自然冷却后，以4 000 r/min离心15 min，收集上清液，用水重复洗涤沉淀3 次，离心，合并上清液，用蒸馏水定容至100 ml，摇匀，备用。用DNS 法测定还原糖含量。抗性淀粉得率按下式计算：
抗性淀粉得率（%）=（m1×0.9×100）/m2
式中，m1为还原糖质量（g）；m2为紫山药抗性淀粉干基质量（g）；0.9为葡萄糖与脱水葡萄糖基之间的换算系数。
2结果与分析
2.1单因素试验
2.1.1pH对抗性淀粉得率的影响。
由图1可知，抗性淀粉得率随着pH的增大，呈现先增加后减小的趋势；在pH为7时，抗性淀粉得率达到最大值。淀粉分子的分子间氢键受到pH影响显著，在强酸强碱的环境下，直链淀粉分子大量被分解成短链分子，短链分子移动剧烈，难以接近，不利于抗性淀粉的形成[13]。
图1pH对抗性淀粉得率的影响
2.1.2时间对抗性淀粉得率的影响。
由图2可知，在40～60 min范围内，随着压热处理时间的延长，抗性淀粉得率不断增加，在60 min时得率达到最大；随着压热时间继续延长，得率开始下降。可能一方面由于短时间内淀粉糊的黏度并未达到最佳状态，直链淀粉分子不易接近[14]，也可能是由于直链淀粉分子并未完全被释放出来，形成的抗性淀粉少[15]，因此得率偏低。压热时间过长时，易导致淀粉分子降解过度，短直链淀粉多，难以聚集结晶，影响抗性淀粉的形成[16]。
图2时间对抗性淀粉得率的影响
2.1.3淀粉乳浓度对抗性淀粉得率的影响。
由图3可知，在其他条件相同的情况下，淀粉乳浓度在15%～25%范围内，随着淀粉乳浓度的增大，得率明显增加。淀粉糊的黏度情况直接影响到淀粉链的伸展空间，即直链淀粉分子之间相互接近和形成结晶，在浓度低的情况下，直链淀粉分子之间相互接近的几率减少，不利于抗性淀粉形成[17]。在淀粉乳浓度为25%时，得率达到最大，这是因为在水含量达到一个适当的量，直链淀粉分子缔合更容易，促进了抗性淀粉的形成[18]。随着浓度的进一步增大，得率反而降低，是因为在浓度较高的情况下，淀粉在糊化时所需的水含量不够，也可能因为糊化后，整个体系黏度太大，直链淀粉分子之间难以进行有序地排列，因此得率低[19]。
图3淀粉乳浓度对抗性淀粉得率的影响
2.1.4温度对抗性淀粉得率的影响。
由图4可知，压热处理的温度对于抗性淀粉形成具有很大影响，抗性淀粉在高温下更易形成，原因是只有达到令淀粉粒完全被破坏的温度，淀粉分子的氢键被破坏，直链淀粉分子才能被释放，重新聚合而结晶，随着温度升高，被释放的直链淀粉分子越多，游离的淀粉分子接近的概率增大，形成的抗性淀粉自然就越多，因此得率升高[20]。在120 ℃时，抗性淀粉得率最大，高温可以促进被破碎的淀粉粒几乎完全释放出淀粉分子，更易形成抗性淀粉[21-23]。但温度过高，不仅使淀粉分子降解过度，且淀粉聚合度过小，不利于抗性淀粉的形成，因此得率降低[24]。
图4温度对抗性淀粉得率的影响
2.2正交试验结果分析
在上述pH、压热处理时间、淀粉乳浓度和温度对抗性淀粉得率影响的单因素试验基础上，采用L9（34）正交试验，优化提取工艺。各因素及水平见表1，正交试验结果见表2。
方差分析显示，FA=15.028 4，FC=175.489 4，FD=22.836 9，F0.05（2，2）=19.00，F0.01（2，2）=99.00。
由此可以看出，淀粉乳浓度对抗性淀粉得率的影响达到高度显著，压热温度的影响达到显著水平，pH和压热时间的影响不显著。影响抗性淀粉得率的各因素主次顺序为：C>D>A>B，即：淀粉乳浓度>温度>pH>时间；制备抗性淀粉的最佳工艺为A2B2C3D2，即：淀粉乳浓度为30%，温度为120 ℃，pH为7，时间为60 min。
关键词紫山药淀粉；抗性淀粉；压热处理
中图分类号S509.9；TS234文献标识码A文章编号0517-6611（2015）07-293-03
Preparation of Purple Dioscorea alata L. Resistant Starch by Pressure-heating Treatment
RUAN Si-lian， MA Sui-xiang， WU Xiao-qi， SONG Hong-bo* et al
（College of Food Science， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou， Fujian 350002）
Abstract[Objective] To study technique for preparing Purple Dioscorea alata L. resistant starch by pressure-heating treatment. [Method] With Purple Dioscorea alata L. starch as raw material， pressure-heating treatment was conducted to prepare resistant starch. Taking yield as evaluation indicator， on the basis of single factor experiment， orthogonal test and variance analysis were adopted to determine importance of influencing factors and optimize technical conditions. [Result] The experiment showed that the order of influencing factors is starch concentration > temperature > pH > time. The optimized processes were： starch concentration 30%， temperature 120 ℃， pH 7， time 60 min. Under the conditions， the productivity of resistant starch was 12.92%. [Conclusion] The study can provide theoretical basis for development of Purple Dioscorea alata L. resistant starch.
Key wordsPurple Dioscorea alata L.starch； Resistant starch； Pressure-heating treatment
抗性淀粉是指一类在正常人体的小肠中不被消化吸收，而被大肠菌群用以发酵的淀粉及其降解物[1-2]。有生理学家们根据其抗消化性的程度不同把抗性淀粉分为：RS1、RS2、RS3、RS4[3]。其中RS3为回生淀粉，作为抗性淀粉的最主要来源，有着非常显著的生理功能，例如对便秘症状有着预防、缓解和改善的作用，对于类脂、胆固醇等代谢有增强作用[4]，对于矿物质消化吸收起到促进作用[5]，同时，它还具备降低血糖、血脂等功效[6]。开发抗性淀粉产品，具备极大的商业价值[7-8]。
紫山药（Purple Dioscorea alata L.）又名紫莳药、紫淮山药、紫脚板薯等[9]，在我国南方多个省份普遍种植，目前对于其利用大多停留在煮食方面[10]，对其产后加工以及潜在价值的开发利用仍处在较低水平。邓子龙等采用发酵法制备紫山药淀粉，并探讨了其部分的理化性质[9]，陶华蕾就紫山药淀粉的提取工艺和加工利用做了初步研究，研制出紫山药果冻等产品[10]。笔者主要以紫山药淀粉为原料，研究压热法制备抗性淀粉工艺，可为开发紫山药抗性淀粉产品提供理论依据。
1材料与方法
1.1材料
供试原料：紫山药，品种为紫玉淮山，购于福建明溪县王桥淮山基地。新鲜、无破损、无发霉。
主要试剂：柠檬酸、氯化钠、氢氧化钾、3，5-二硝基水杨酸，均为国产分析纯；α-淀粉酶（1 000 U/g）、葡萄糖淀粉酶（10万U/g），美国sigma公司。
主要仪器与设备：UV-1100型紫外可见分光光度计，上海美谱达仪器有限公司；TDL-5-A型低速离心机，上海安亭科学仪器厂；YXQ-LS-18SI型自动手提式灭菌锅，上海博讯实业有限公司医疗设备厂；THZ-82型水浴恒温振荡器，金坛市精达仪器制造有限公司；Sartorius pH计，合肥桥斯仪器设备有限公司；ACS-30电子天平，上海然浩电子有限公司；AR1140电子天平，上海梅特勒托利多仪器有限公司；DHG-9000电热恒温鼓风干燥箱，上海精宏试验设备有限公司；JJ-2组织捣碎匀浆机，江苏天由有限公司。
1.2方法 1.2.1样品的制备。
紫山药淀粉：挑选新鲜紫山药，以清水洗净，削皮去表面，切分为1～3 mm薄片，用质量分数0.05%柠檬酸、0.10%氯化钙、0.35%异抗坏血酸钠的复配护色剂常温护色15 min后，加入7倍的蒸馏水，用组织捣碎匀浆机进行破碎和匀浆，在超声波提取器中提取，以4 000 r/min转速离心10 min进行浆渣分离，收集下层浆液，100目绢布过滤，滤液静沉6 h，将所得下层沉淀用蒸馏水反复清洗，每次清洗室温下静置4 h，弃去上清液，直到上清液澄清为止，置于离心机中以4 000 r/min转速离心15 min，刮去上层杂质，反复离心除杂。取出沉淀物置于烘箱中45 ℃烘至水分含量为11.8%即可[11]，粉碎，过100目筛，得到紫山药淀粉样品。
紫山药抗性淀粉：称取一定量的紫山药淀粉加入蒸馏水配制一定浓度的淀粉乳，调节pH，在沸水浴锅中先预糊化5 min，再把淀粉乳放置高压灭菌锅中，调节蒸汽压力，在不同温度下加热一定时间，使之完全糊化；取出，放置室温环境中自然冷却，再将其放置于4 ℃的冰箱中冷藏24 h；样品以80 ℃烘干18 h，粉碎，过100目筛，得到紫山药抗性淀粉。
1.2.2抗性淀粉测定方法。
参照Goni等的方法，稍作改进[12]。称取5 g紫山药抗性淀粉样品，加入柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液，再加入过量的耐高温α-淀粉酶到50 ml 离心管中，在90 ℃振荡1 h，冷却至室温，调节pH至4.0～4.5，加入过量的葡萄糖淀粉酶，在60 ℃振荡1 h。以4 000 r/min 离心15 min，弃上清液，重复水洗离心3次。往沉淀中加入2 mol/L的KOH，室温振荡0.5 h，使紫山药抗性淀粉充分溶解于KOH 溶液中。调节pH 为4.0～4.5，加入过量葡萄糖淀粉酶，在60 ℃恒温水浴振荡1 h。自然冷却后，以4 000 r/min离心15 min，收集上清液，用水重复洗涤沉淀3 次，离心，合并上清液，用蒸馏水定容至100 ml，摇匀，备用。用DNS 法测定还原糖含量。抗性淀粉得率按下式计算：
抗性淀粉得率（%）=（m1×0.9×100）/m2
式中，m1为还原糖质量（g）；m2为紫山药抗性淀粉干基质量（g）；0.9为葡萄糖与脱水葡萄糖基之间的换算系数。
2结果与分析
2.1单因素试验
2.1.1pH对抗性淀粉得率的影响。
由图1可知，抗性淀粉得率随着pH的增大，呈现先增加后减小的趋势；在pH为7时，抗性淀粉得率达到最大值。淀粉分子的分子间氢键受到pH影响显著，在强酸强碱的环境下，直链淀粉分子大量被分解成短链分子，短链分子移动剧烈，难以接近，不利于抗性淀粉的形成[13]。
图1pH对抗性淀粉得率的影响
2.1.2时间对抗性淀粉得率的影响。
由图2可知，在40～60 min范围内，随着压热处理时间的延长，抗性淀粉得率不断增加，在60 min时得率达到最大；随着压热时间继续延长，得率开始下降。可能一方面由于短时间内淀粉糊的黏度并未达到最佳状态，直链淀粉分子不易接近[14]，也可能是由于直链淀粉分子并未完全被释放出来，形成的抗性淀粉少[15]，因此得率偏低。压热时间过长时，易导致淀粉分子降解过度，短直链淀粉多，难以聚集结晶，影响抗性淀粉的形成[16]。
图2时间对抗性淀粉得率的影响
2.1.3淀粉乳浓度对抗性淀粉得率的影响。
由图3可知，在其他条件相同的情况下，淀粉乳浓度在15%～25%范围内，随着淀粉乳浓度的增大，得率明显增加。淀粉糊的黏度情况直接影响到淀粉链的伸展空间，即直链淀粉分子之间相互接近和形成结晶，在浓度低的情况下，直链淀粉分子之间相互接近的几率减少，不利于抗性淀粉形成[17]。在淀粉乳浓度为25%时，得率达到最大，这是因为在水含量达到一个适当的量，直链淀粉分子缔合更容易，促进了抗性淀粉的形成[18]。随着浓度的进一步增大，得率反而降低，是因为在浓度较高的情况下，淀粉在糊化时所需的水含量不够，也可能因为糊化后，整个体系黏度太大，直链淀粉分子之间难以进行有序地排列，因此得率低[19]。
图3淀粉乳浓度对抗性淀粉得率的影响
2.1.4温度对抗性淀粉得率的影响。
由图4可知，压热处理的温度对于抗性淀粉形成具有很大影响，抗性淀粉在高温下更易形成，原因是只有达到令淀粉粒完全被破坏的温度，淀粉分子的氢键被破坏，直链淀粉分子才能被释放，重新聚合而结晶，随着温度升高，被释放的直链淀粉分子越多，游离的淀粉分子接近的概率增大，形成的抗性淀粉自然就越多，因此得率升高[20]。在120 ℃时，抗性淀粉得率最大，高温可以促进被破碎的淀粉粒几乎完全释放出淀粉分子，更易形成抗性淀粉[21-23]。但温度过高，不仅使淀粉分子降解过度，且淀粉聚合度过小，不利于抗性淀粉的形成，因此得率降低[24]。
图4温度对抗性淀粉得率的影响
2.2正交试验结果分析
在上述pH、压热处理时间、淀粉乳浓度和温度对抗性淀粉得率影响的单因素试验基础上，采用L9（34）正交试验，优化提取工艺。各因素及水平见表1，正交试验结果见表2。
方差分析显示，FA=15.028 4，FC=175.489 4，FD=22.836 9，F0.05（2，2）=19.00，F0.01（2，2）=99.00。
由此可以看出，淀粉乳浓度对抗性淀粉得率的影响达到高度显著，压热温度的影响达到显著水平，pH和压热时间的影响不显著。影响抗性淀粉得率的各因素主次顺序为：C>D>A>B，即：淀粉乳浓度>温度>pH>时间；制备抗性淀粉的最佳工艺为A2B2C3D2，即：淀粉乳浓度为30%，温度为120 ℃，pH为7，时间为60 min。