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抗性淀粉酶法制备及其特性与应用的研究

作　者: 张焕新
导　师: 金征宇
学　校: 江南大学
专　业: 粮食、油脂及植物蛋白工程
关键词: 玉米淀粉抗性淀粉 α-淀粉酶普鲁兰酶短链脂肪酸血糖指数
分类号: TS231
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

RS3（Resistant Starch Ⅲ）是膳食中抗性淀粉的主要组成部分，对人体具有重要的生理功能。作为一种新型的功能性食品原料，RS3制备方法和应用的研究成为近年来碳水化合物科学的热点课题。采用酶法制备抗性淀粉，不仅简化了工艺对设备和劳动强度的要求，而且无化学残留隐患，具有较高的安全性，符合当今食品加工发展的趋势，便于实现工业化生产。目前，就抗性淀粉制备方法而言，急需一种以低直链淀粉为原料制备高含量RS3的方法。本研究以我国丰富的淀粉资源——普通玉米淀粉为原料，利用α-淀粉酶内切淀粉长链、普鲁兰酶脱支的特性，对淀粉进行连续处理，通过对反应条件的选择和控制，不仅提高了抗性淀粉的得率，而且所制备的产品展现出良好的加工特性和功能特性。在此基础上，研制了感官特性良好的抗性淀粉饼干产品。采用用普鲁兰酶对普通玉米淀粉进行脱支处理，在单因素试验基础上，采用响应面法研究pH值、反应温度、反应时间和普鲁兰酶添加量对抗性淀粉得率的影响，试验显著性分析表明：各因素对玉米抗性淀粉得率的影响大小不同，依次为：普鲁兰酶添加量＞反应时间＞反应温度＞pH值。其中普鲁兰酶添加量、反应时间、反应温度对反应的影响达到极显著程度，pH值在试验范围内对抗性淀粉得率也具有显著影响，且普鲁兰酶添加量与反应温度、反应温度与时间、反应温度与pH值有交互作用。普鲁兰酶法制备抗性淀粉的最优条件为：普鲁兰酶添加量12.8ASPU/g、反应时间32h、反应温度46.2℃、pH5.0。在此条件下，抗性淀粉得率为46.20%。与相关文献报道（32.4%）对比发现，利用优化后的工艺条件有效的提高了抗性淀粉的得率。在普鲁兰酶脱支处理前，用α-淀粉酶对玉米淀粉进行适当的水解，以提高普鲁兰酶脱支效率，增加抗性淀粉得率。研究结果表明：在温度90℃，pH5.5，α-淀粉酶添加量4.0u/g，水解15min后，用普鲁兰酶连续处理（12.8ASPU/g、反应时间32h、反应温度46.2℃、pH5.0），可以制备得到抗性淀粉含量约58.87%的产品。以玉米原淀粉、压热/冷却循环所制备的抗性淀粉做对照，对制备所得抗性淀粉的黏度、吸水性、和抗酶解性能进行测定，RS3显示出较低的黏度和吸水性，且具有良好抵抗胃酸和胰淀粉酶水解作用的特性。采用电镜扫描和差示扫描量热（DSC）法观察复合酶法制备玉米抗性淀粉的颗粒形态和热力学性质，结果表明：玉米淀粉经复合酶法处理后，形成更加致密层状晶体结构，表面形态结构与压热/冷却循环所得抗性淀粉差异较大；DSC分析表明：玉米淀粉经复合酶处理后，原有的晶体结构被破坏，直链分子重新排布，形成新的更为稳定的晶体结构；相变起始温度TO，峰值温度TP，终了温度TC和相变焓分别为110.9、143.5、171.9℃、132.3J/g，显著高于由压热/冷却循环所得抗性淀粉，表明复合酶所制备的抗性淀粉具有更高的热稳定性。采用紫外—可见吸收光谱、FT-IR、 HPSEC、X-RD）等分析技术对抗性淀粉形成的机理进行研究，结果表明：普通玉米淀粉经复合酶处理后，淀粉中直链淀粉比例明显提高，链长显著降低，重均分子量4983，重均聚合度31，分散度1.08，表明分子量分布具有较好的均匀性，高比例的直链淀粉、适当的链长和聚合度是抗性淀粉得率提高的主要原因。复合酶法制备所得抗性淀粉的晶型处于由B+V型向V型发生转变的状态，晶体结构的改变导致了RS3抗酶解性能的增加。模拟健康成人及婴儿肠道环境，对抗性淀粉在人体内的发酵特性进行研究，结果表明：抗性淀粉在人体肠道微生物作用下降解的主要产物为甲酸、乙酸、丙酸、丁酸等短链脂肪酸，丙酸含量最高；在两种不同的发酵环境中具有相同的产酸规律变化，即大多数短链脂肪酸是在发酵时间12h内产生的，产物中短链脂肪酸的含量随发酵时间延长和发酵液中抗性淀粉含量的增加而增加，在发酵时间6h～12h内，丁酸的含量增加的速率尤为显著。比较相同浓度的抗性淀粉在健康成人及婴儿肠道环境中同种脂肪酸的含量可以发现：由于肠道菌群种类和数量的变化，使得抗性淀粉在婴儿肠道环境中比成人具有更高发酵效率，各短链脂肪酸浓度明显增大。由此可知，健康婴儿肠道的微生物菌群的构成更有利于玉米抗性淀粉发酵产生短链脂肪酸。抗性淀粉在人体肠道环境中不仅具有较高的产生短链脂肪酸的性能，而且代谢产物中丁酸占短链脂肪酸的比例（16.7～30.0%）是传统的膳食纤维（5.0～8.0%）2～6倍。因此，RS3可以作为人体肠道菌生产丁酸的良好来源。以感官评分为指标，通过单因素和正交试验设计优化抗性淀粉饼干的最佳配方为：以低筋粉面粉100%为基准，抗性淀粉25.0%、植物油24.0%、蔗糖32.0%、膨松剂1.6%，全蛋液2.0%，食盐1.0%，水10.0%。在此配方条件下，对抗性饼干进行感官、理化和卫生指标测定，结果表明：抗性淀粉饼干色泽均匀、呈金黄色；外形完整，花纹清晰，厚薄基本均匀，无收缩、变形、起泡、裂痕现象；断面结构呈多孔状，细密，无大孔洞；香味纯正，口感松脆细腻、不黏牙、无颗粒感。其各项理化指标和卫生指标均符合饼干国家相应标准；抗性淀粉饼干的水解指数和血糖指数与对照组差异显著，属于中等血糖指数食品。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-22
  1.1 抗性淀粉概述  10-11
  1.2 抗性淀粉的生理功能  11-12
    1.2.1 抗性淀粉与血糖调节  11
    1.2.2 抗性淀粉与脂类代谢  11-12
    1.2.3 抗性淀粉与矿物质吸收  12
    1.2.4 抗性淀粉与保护肠道及体重控制  12
  1.3 抗性淀粉的制备  12-15
    1.3.1 抗性淀粉的制备原料  13
    1.3.2 压热/冷却循环处理  13-14
    1.3.3 挤压处理法  14
    1.3.4 微波辐射法  14
    1.3.5 脱支降解法  14-15
  1.4 抗性淀粉的应用  15-17
    1.4.1 抗性淀粉在主食制品中的应用  15-16
    1.4.2 在焙烤食品和糕点中的应用  16
    1.4.3 抗性淀粉作为食品级微胶囊包衣及益生元的应用  16-17
    1.4.4 抗性淀粉在其他食品中的应用  17
  1.5 本课题的立题背景和意义  17
  1.6 本论文主要研究内容  17-18
  参考文献  18-22
第二章普鲁兰酶法制备抗性淀粉研究  22-31
  2.1 前言  22
  2.2 材料和设备  22
    2.2.1 主要实验材料  22
    2.2.2 实验仪器  22
  2.3 实验方法  22-23
    2.3.1 还原糖含量测定  22
    2.3.2 抗性淀粉制备  22-23
    2.3.3 抗性淀粉含量的测定  23
  2.4 结果与讨论  23-29
    2.4.1 还原糖标准曲线绘制  23
    2.4.2 pH 值对抗性淀粉得率的影响  23-24
    2.4.3 反应温度对抗性淀粉得率的影响  24
    2.4.4 反应时间对抗性淀粉得率的影响  24-25
    2.4.5 普鲁兰酶添加量对抗性淀粉得率的影响  25
    2.4.6 响应面试验设计及结果  25-26
    2.4.7 建立模型方程与显著性检验  26-27
    2.4.8 抗性淀粉得率响应面分析与最优工艺条件的确定  27-29
  2.5 本章小结  29
  参考文献  29-31
第三章复合酶法制备抗性淀粉研究  31-38
  3.1 前言  31
  3.2 材料与仪器  31
    3.2.1 实验材料  31
    3.2.2 实验设备  31
  3.3 实验方法  31-33
    3.3.1 抗性淀粉的制备  31-32
    3.3.2 抗性淀粉的提纯  32
    3.3.3 α-淀粉酶水解反应条件的选择  32
    3.3.4 扫描电镜分析  32-33
    3.3.5 热力学特性（DSC）的分析  33
  3.4 结果与讨论  33-36
    3.4.1 反应温度对抗性淀粉得率的影响  33
    3.4.2 pH 对抗性淀粉得率的影响  33-34
    3.4.3 反应时间对抗性淀粉得率的影响  34
    3.4.4 α-淀粉酶添加量对抗性淀粉得率的影响  34-35
    3.4.5 扫描电镜分析  35
    3.4.6 热力学特性的分析  35-36
  3.5 本章小结  36
  参考文献  36-38
第四章抗性淀粉的性质与结构  38-49
  4.1 前言  38
  4.2 材料与仪器  38
    4.2.1 实验材料  38
    4.2.2 实验设备  38
  4.3 实验方法  38-40
    4.3.1 抗性淀粉制备  38
    4.3.2 抗性淀粉的提纯  38-39
    4.3.3 黏度特性的测定  39
    4.3.4 吸水性的测定  39
    4.3.5 抗消化性能测定  39
    4.3.6 淀粉-碘复合物的紫外—可见吸收测定  39
    4.3.7 高效液相凝胶色谱(HPSEC)分析  39
    4.3.8 红外光谱分析  39
    4.3.9 X-射线衍射分析  39-40
  4.4 结果与讨论  40-47
    4.4.1 抗性淀粉黏度分析  40-41
    4.4.2 抗性淀粉吸水性分析  41
    4.4.3 抗性淀粉抗消化性分析  41-42
    4.4.4 抗性淀粉紫外—可见吸收光谱分析  42-43
    4.4.5 抗性淀粉相对分子量分布  43-44
    4.4.6 抗性淀粉红外光谱（FT-IR）分析  44-45
    4.4.7 抗性淀粉的结晶结构  45-47
  4.5 本章小结  47
  参考文献  47-49
第五章抗性淀粉发酵特性的研究  49-55
  5.1 前言  49
  5.2 材料与仪器  49-50
    5.2.1 实验材料  49
    5.2.2 实验设备  49-50
  5.3 实验方法  50
    5.3.1 粪便的收集与处理  50
    5.3.2 体外发酵实验  50
    5.3.3 短链脂肪酸的测定  50
  5.4 结果与讨论  50-53
    5.4.1 发酵液中短链脂肪酸定性检测  50-51
    5.4.2 抗性淀粉在成人肠道环境中的发酵特性  51-52
    5.4.3 抗性淀粉在婴儿肠道环境中的发酵特性  52-53
  5.5 本章小结  53
  参考文献  53-55
第六章抗性淀粉饼干的研制  55-64
  6.1 前言  55
  6.2 材料与仪器  55
    6.2.1 实验材料  55
    6.2.2 实验设备  55
  6.3 实验方法  55-57
    6.3.1 饼干制作工艺流程  55
    6.3.2 饼干制作操作要点  55-56
    6.3.3 感官评价  56
    6.3.4 理化指标的测定  56
    6.3.5 微生物指标的测定  56
    6.3.6 淀粉消化动力学测定  56-57
  6.4 结果与讨论  57-62
    6.4.1 抗性淀粉添加量对饼干品质的影响  57
    6.4.2 植物油添加量对饼干品质的影响  57-58
    6.4.3 蔗糖添加量对饼干品质的影响  58-59
    6.4.4 膨松剂添加量对饼干品质的影响  59
    6.4.5 抗性淀粉饼干最佳配方的确定  59-60
    6.4.6 抗性淀粉饼干最优配方的验证  60-61
    6.4.7 抗性淀粉饼干血糖指数评价  61-62
  6.5 本章小结  62-63
  参考文献  63-64
主要结论  64-66
创新点  66-67
攻读博士学位期间发表的论文  67-68
致谢  68

抗性淀粉酶法制备及其特性与应用的研究

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