鹰嘴豆抗性淀粉制备工艺优化及其结构特性的研究

徐 鑫，毛红艳，于 明

(新疆农业科学院粮食作物研究所，乌鲁木齐 830091)

鹰嘴豆抗性淀粉制备工艺优化及其结构特性的研究

徐 鑫，毛红艳，于 明

(新疆农业科学院粮食作物研究所，乌鲁木齐 830091)

目的以Box-Behnken试验设计结合响应面分析法，优化鹰嘴豆抗性淀粉的制备工艺，并研究其结构特性。方法采用响应面法优化压热-酶法制备鹰嘴豆抗性淀粉的工艺参数，利用扫描电子显微镜、红外光谱及X-射线衍射分析方法，研究鹰嘴豆抗性淀粉的结构特性。结果鹰嘴豆抗性淀粉制备工艺条件如下：淀粉浆质量浓度为21 %、压热时间41 ℃、酶解时间6.2 h、普鲁兰酶添加量3.9 U/g，此条件下平均得率为23.07 %；鹰嘴豆原淀粉颗粒呈椭球形，而抗性淀粉呈方形或多角形；X-射线衍射图谱显示鹰嘴豆抗性淀粉的晶型为C型；红外光谱分析表明，抗性淀粉分子中未出现新的基团。结论优化的鹰嘴豆抗性淀粉制备工艺合理、可行，为鹰嘴豆抗性淀粉的生产提供了理论基础。

鹰嘴豆；抗性淀粉；响应面；结构特性

0 引 言

【研究意义】鹰嘴豆，维吾尔语称其为诺胡提，在新疆民族医院及民间主要用来治疗糖尿病、高脂血症、便秘、消化不良等[1]。现代药理研究表明，鹰嘴豆具有降血糖、降血脂、清除自由基抗氧化等作用[2-4]。鹰嘴豆在新疆已有2500多年的种植历史，主要分布于新疆北部木垒、乌什等地[5]。鹰嘴豆耐干旱，耐贫瘠又丰产，富含多种植物蛋白、淀粉、黄酮类物质以及皂苷等，其中蛋白质含量达22.50%[5]，特别是淀粉含量达40%～60%[6]。通过开发鹰嘴豆淀粉产品来增加农民收入，提高鹰嘴豆的附加值对促进新疆经济的发展有实际意义。【前人研究进展】近年来，抗性淀粉因其具有独特的生理功能和优良的食品加工特性逐渐成为食品科学研究的热点之一，而天然淀粉中的抗性淀粉含量低，需要改进制备方法以提高抗性淀粉含量。章丽琳等[7]研究获得纤维素酶-压热法制备马铃薯抗性淀粉得工艺参数即淀粉乳含量25%、淀粉乳pH 5.0、酶用量30 U/mL、酶解时间50 min、压热温度125 ℃、压热时间30 min、老化温度4 ℃、老化时间18 h。姜志杰等[8]研究用压热酸解法制备木薯抗性淀粉，其最佳制备工艺条件为淀粉乳质量分数30%,压热温度120 ℃、压热时间30 min、磷酸添加量2.0 %和糊化时间30 min。【本研究切入点】目前市场上销售的主要以膨化食品、鹰嘴豆粉和鹰嘴豆原豆居多，产品的开发处于粗加工阶段, 急需加大对其研究及开发力度。采用压热-酶法制备鹰嘴豆抗性淀粉，研究其抗性淀粉的结构特性。目前有对鹰嘴豆淀粉性质的研究，但对鹰嘴豆抗性淀粉的研究较少。【拟解决的关键问题】通过响应面设计优化压热-酶法制备的工艺，获得鹰嘴豆抗性淀粉的最佳工艺参数，为鹰嘴豆抗性淀粉产品的开发奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材 料

1.1.1 鹰嘴豆

鹰嘴豆由新疆农业科学院粮食作物研究所提供。

1.1.2 仪器

设备：D8ADVANCE X 射线粉末衍射仪：德国布鲁克公司；LDZX-30KBS立式压力蒸汽灭菌器：上海申安医疗器械厂；XMTD-4000型电热恒温水浴锅：北京市永光明医疗仪器有限公司；PhenomXL台式扫描电镜仪：荷兰Phenom公司；TDL-40B低速台式大容量离心机：上海安亭科学仪器厂；耐驰STA449F3型同步热分析仪：德国； 6700型傅里叶红外光谱仪：美国Nicolet； SHA-C水浴恒温振荡器：金坛市医疗仪器厂。

1.2 方 法

1.2.1 鹰嘴豆抗性淀粉制备的单因素试验

以鹰嘴豆抗性淀粉提取率为响应值，研究普鲁兰酶添加量、酶解温度、不同淀粉浆质量浓度、酶解时间和压热时间对鹰嘴豆抗性淀粉提取率的影响，考察各因素条件对提取效果的影响，确定各因素的适宜范围。

1.2.2 响应面法优化鹰嘴豆抗性淀粉工艺

根据单因素试验结果，选择淀粉浆质量浓度、酶解时间、压热时间和普鲁兰酶添加量为主要因素，采用Design-Expert 8.0软件，按表1的因素水平设计29组试验。表1

表1 响应面法设计因素和水平
Table 1 Response surface methodology design factors and levels

因素Factor水平 Level-101淀粉浆质量浓度(%)Starchslurryconcentration152025压热时间(min)Holdingtime354045酶解时间(h)Pullulanaseenzymolysis567普鲁兰酶添加量(U/g)Pullulanaseamount345

1.2.3 电子扫描显微镜观察

样品粉碎过100目筛，将其粘于样品盘的导电双面胶上，在IB-5离子溅射器上处理30 min，镀一层Pt，然后用扫描电镜观察、拍照。

1.2.4 X-射线衍射

淀粉和抗性淀粉样品进行充分干燥，在测定室中放置过夜。测定条件：X射线管参数设置为40 kV电压和30 mA电流，X衍射源特征线是Cu-Kα辐射，2θ的扫描范围是5～70℃。

1.2.5 红外光谱

称取3 mg样品于玛瑙研钵中研磨，采用溴化钾压片法，置于样品架上，用红外光谱仪波长为4 000～400 cm-1扫描，得到红外光谱图。

1.3 数据处理

数据采用SPSS 16.0软件进行统计分析，所有实验重复3次。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

研究表明，鹰嘴豆淀粉浆质量浓度为20%时提取的抗性淀粉较多。随着淀粉浆质量浓度的增加，鹰嘴豆抗性淀粉的提取率增加缓慢，这是由于鹰嘴豆淀粉浆质量浓度不同会直接影响淀粉是否可以充分分散，从而影响抗性淀粉的形成[9]。随着时间的逐渐延长，抗性淀粉提取率会逐渐上升，在40 min时提取率最高，时间继续延长而鹰嘴豆抗性淀粉的提取率增加缓慢。这可能是由于热处理时间过长，淀粉分子发生过度降解不利于抗性淀粉的行成[10]。因此，选择40 min为最佳压热时间进行优化试验。c、d、e可以得出普鲁兰酶添加量为4 U/g，酶解温度为55℃，酶解时间为6 h时鹰嘴豆抗性淀粉的提取率最高，酶解温度过高或者过低对普鲁兰酶的活性影响很大[11]。图1

2.2 响应面

2.2.1 响应面

根据Box-Behnken中心组合原理对鹰嘴豆抗性淀粉提取率设计四因素三水平的响应面分析试验，研究表明，再用Design-Expert软件对试验结果进行回归分析。表2

2.2.2 模型的建立及显著性检验

以鹰嘴豆抗性淀粉的提取率为响应值，经过多元回归拟合，得到回归方程表示为：Y=23.04+1.02A+1.01B+0.33C-0.051D+0.87AB-0.06AC+0.11AD+2.07BC+0.072BD-1.50CD-3.02A2-3.74B2-2.36C2-1.67D2。由表3可知，该模型效应极显著(P<0.000 1)，失拟项不显著(P>0.05)，因变量与自变量之间的线性关系显著(R2=0.997 5)，R2Adj=0.995 0，说明该模型拟合程度较好，试验的二次回归方程可以用于对鹰嘴豆抗性淀粉的提取率进行预测。各因素之间存在一定的交互作用，其中一次项A、B、C、二次项A2、B2、C2、D2以及交互项AB、AC、BC、CD都是极显著的。表3

2.2.3 响应面优化分析

研究表明，交互项AB、AC、BC、CD极显著。等高线图呈椭圆形，曲面图比较陡峭，说明两两因素交互作用对鹰嘴豆抗性淀粉的提取率的影响显著。对所得方程进行逐步回归，得到优化后的最佳工艺参数为压热时间41 min、鹰嘴豆淀粉浆质量浓度21%，普鲁兰酶解添加量3.9 U/g、酶解时间6.2 h。图2，表3

2.3 颗粒形貌

鹰嘴豆原淀粉颗均呈光滑的卵圆形，表面光滑；抗性淀粉颗粒呈多角形、立方形。这是由于淀粉颗粒处于高温、湿热和强碱条件下，淀粉颗粒开始糊化。反应结束后，淀粉颗粒从高温骤变到常温，膨胀的淀粉颗粒来不及恢复原貌而坍塌[12]。图3

图1 淀粉浆质量浓度、压热时间、普鲁兰酶添加量、酶解温度及酶解时间下鹰嘴豆抗性淀粉提取率变化
Fig.1 Effect of starch slurry concentration，Holding time，Pullulanase enzymolysis time Pullulanase enzymolysis temperature and Pullulanase amount on chickpea resistant starch m formation

表2 响应面试验设计及结果
Table 2 Response surface design and results

试验序号TestcodeA：淀粉浆质量浓度Starchslurryconcentration(%)B：压热时间Holdingtime(min)C：酶解时间Pullulanaseenzymolysistime(h)D：普鲁兰酶添加量Pullulanaseamount(U/g)RS提取率Yieldofresistancestarch(%)110011946211001908300002289401011876500002315601-10153670-10-11674800-1-117349001117681010-10187111-1010168412-10-101625130110203214-1001172115-11001562160-11014261700002307181-100152019010-11862200-10116592100-1119962200002295230000231224-100-1173525-1-1001521260-1-10175927100-1191728001-121052910101906

图2 四因素交互影响的响应面
Fig.2 The response surface interaction map affected by four factors

表3 回归方程方差
Table 3 The variance analysis of regression equation

方差来源Sourcesofvariance平方和Sumofsquares自由度Degreeoffreedom均方MeansquareFvaluePvalue模型Model1946214139039804<00001A12401124035515<00001B12341123435340<00001C13311333818<00001D00311003108903620AB30113018619<00001AC00141001404100032AD00461004613202692BC17181171849195<00001BD00211002106004507CD897189725684<00001A2590015900168934<00001B2908419084260090<00001C2360813608103304<00001D218081180851577<00001残差049140035失拟项Lackoffititems04410004435201184纯误差Pureerror005040012总和CorTotal1951128

图3 鹰嘴豆原淀粉和抗性淀粉的颗粒形貌
Fig.3 Particle morphology of chickpea starch and resistant starch

2.4 X-射线衍射

鹰嘴豆原淀粉在衍射角2θ为15°、17°、19°、23°呈现强的衍射峰，抗性淀粉在2θ为17°、20°、22°呈现强的衍射峰，与原淀粉相比，少了尖锐的衍射峰，这是典型的C型结晶结构。

2.5 红外光谱

鹰嘴豆原淀粉和鹰嘴豆抗性淀粉的红外图谱显示，鹰嘴豆原淀粉的-OH对称伸缩振动峰出现在3 500 cm-1处，2 938 cm-1处的吸收峰对应着C-H不对称伸缩振动峰；1 672 cm-1是H-O-H弯曲振动，1 410 cm-1是-CH2-弯曲振动，1 367 cm-1是-CH-弯曲振动，1 160 cm-1、995 cm-1是C-O-C的伸缩振动产生的。927 cm-1是C-O-C的对称伸缩振动，852 cm-1是D-吡喃糖苷键特征吸收。鹰嘴豆抗性淀粉的-OH对称伸缩振动峰出现在3 565 cm-1处，2 930 cm-1处的吸收峰对应的是c-H不对称伸缩振动峰；1 652 cm-1是H-O-H弯曲振动。图5

图4 鹰嘴豆原淀粉和抗性淀粉的X-射线衍射谱
Fig.4 X-ray diffraction patterns of chickpea starch and resistant starch

图5 鹰嘴豆原淀粉和抗性淀粉的红外谱
Fig.5 Infrared spectra of chickpea starch and resistant starch

3 讨 论

随着鹰嘴豆的价值逐渐被认识，以及对其营养成分的进一步研究，鹰嘴豆已有广阔的应用前景，但鹰嘴豆的加工特性很大程度上取决于鹰嘴豆中淀粉的功能性质和消化性，虽然对鹰嘴豆淀粉和抗性淀粉结构的研究已取得一定进展，但还需深入研究：(1)对鹰嘴豆淀粉的糊化、回生和酶解过程结构变化的深入研究；(2)加工方法对鹰嘴豆抗性淀粉结构、营养消化性及鹰嘴豆的添加对食品状态和性质产生的影响；(3)从分子水平探讨原淀粉及抗性淀粉的性质差异，考察其适宜的食品应用领域，为其应用提供理论支持。

4 结 论

研究采用响应面法优化了鹰嘴豆抗性淀粉的制备工艺，研究了淀粉浆质量浓度、压热时间、酶解时间、普鲁兰酶添加量对鹰嘴豆抗性淀粉提取率的影响，并得到鹰嘴豆抗性淀粉制备的最佳条件:淀粉浆质量浓度21%，压热时间41 min、酶解时间6.2 h、普鲁兰酶解添加量3.9 U/g。此条件下鹰嘴豆抗性淀粉的提取率为23.21%，与理论预测值比较接近，这表明回归模型能够很好的预测鹰嘴豆抗性淀粉的提取率，并且优化的效果较为明显。

扫描电子显微镜表明，鹰嘴豆抗性淀粉颗粒结构发生明显的变化，原淀粉颗粒为卵圆形，而鹰嘴豆抗性淀粉呈不规则结构，具有更稳定的晶体结构。X-射线衍射图谱显示，鹰嘴豆抗性淀粉的晶型为C型。红外光谱分析表明，鹰嘴豆原淀粉及抗性淀粉的红外光谱图没有显著差异，具有相似的主要特征吸收峰。

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StudyonOptimizationofChickpeaResistantStarchPreparationandItsStructuralProperties

XU Xin, MAO Hong-yan, YU Ming

(InstituteofCerealCrops，XinjiangAcademyofAgriculturalSciences，Urumqi830091，China)

ObjectivePreparation technology of the chickpea resistant starch was optimized by employing response surface methodology based on Box-Behnken, and its structural characteristics were studied.MethodResponse surface methodology was employed to study the reaction conditions for chickpea resistant starch (RS) content by enzymatic pressure-heating preparation and meanwhile the structural properties of chickpea resistant starch were investigated by the methods of scanning electron microscopy，infrared spectroscopy and X-ray diffraction patterns.ResultThe result showed that the optimal reaction conditions obtained were starch slurry concentration 21%, holding time 41 min, pullulanase enzymolysis time 6.2 h, pullulanase amount 3.9 U/g，the average extraction yield was 23.06%. Scanning electron microscopy (SEM) images showed that the starch shape changed significantly, that chickpea starch granules were in ellipsoid, while the resistant starch granules were in cuboid or polyhedra. X-ray diffraction patterns revealed resistant starches remained C-type. Infrared spectrogram showed the chemical structure of two kinds starch was similar.ConclusionThe optimization of chickpea resistant starch extraction process technology was reasonable and feasible and its results can provide a theory basis for the industrialized production of chickpea starch.

chickpea; resistant starch; response surface methodology; structural properties

YU Ming(1973-),male, native place: Inner Mongolia, associate professor, postgraduate，research field: Agrotechny, (E-mail)2435742497@qq.com

A

1001-4330(2017)10-1847-09

10.6048/j.issn.1001-4330.2017.10.010

2017-08-18

新疆科技兴新项目“新疆特色粮豆功能食品开发”(2012017B10)；新疆农业科学院青年基金项目“鹰嘴豆抗性淀粉的制备方法及其理化性质的研究”(xjnkq-2015026)；新疆农业科学院青年基金项目“鹰嘴豆抗性淀粉对高脂小鼠肠道菌群结构的影响”(xjnkq-2017001)

徐鑫(1986-)，女，新疆人，助理研究员，硕士，研究方向为农产品加工，(E-mail)cindy1105013 @qq.com

于明(1973-)，男，内蒙古通辽人，副研究员，硕士，研究方向为农产品加工，(E-mail)2435742497@qq.com

Supported by: Supported by New Projects of Xinjiang Science and Technology "The functional food development of characteristic grain and bean of xinjiang"(2012017B10)； Youth Fund of Xinjiang Academy of Agricultural Sciences"Study on preparation methods and physicochemical property of chickpea resistant starch" (xjnkq-2015026)； Youth fund of Xinjiang Academy of Agricultural Sciences"Effects of resistant starch of chickpea on intestinal microflora in mice Fed High-fat Diet"(xjnkq-2017001)