Preparation of Resistant Starch by Ultrasonic Annealing Method and Its Physicochemical Properties
-
摘要: 为优化超声退火法制备糯米抗性淀粉的工艺条件，本研究以抗性淀粉含量为指标，在单因素实验的基础上运用响应面分析法探究水分含量、超声时间、退火温度、退火时间对抗性淀粉含量的影响，并对所制备的抗性淀粉进行理化性质分析。结果表明：超声退火法制备糯米抗性淀粉的最佳工艺条件为水分含量68%，超声时间23 min，退火温度55 ℃，退火时间25 h。在该条件下制得的抗性淀粉含量为45.61%±0.95%。与原淀粉相比，糯米抗性淀粉的透明度提高了38.19%，在90 ℃下的溶解度从6.03%增加到52.45%，而膨胀能力却从41.04 g/g降至6.38 g/g。在扫描电镜的观察下，抗性淀粉的表面形貌发生明显变化，表面呈粗糙多孔结构。傅里叶红外光谱显示超声退火法促进了淀粉的短程有序结构生成。差示扫描量热分析表明，经超声退火后的抗性淀粉焓值增加了5.05 J/g。X射线衍射分析表明，抗性淀粉晶型发生了改变并且结晶度得到了提升。本研究为糯米抗性淀粉的工业化生产提供了参考。Abstract: In order to optimize the process conditions for the preparation of waxy rice resistant starch by ultrasonic annealing method, this study took the content of resistant starch as an index, and based on the single factor experiment, the response surface analysis method was used to explore the effects of water content, ultrasonic time, annealing temperature and annealing time on the content of resistant starch, and the physicochemical properties of the prepared resistant starch were analyzed. The results showed that the optimum conditions were as follows: Water content 68%, ultrasonic time 23 min, annealing temperature 55 ℃, annealing time 25 h. Under these conditions, the content of resistant starch was 45.61%±0.95%. Compared with original starch, the transparency of waxy rice resistant starch increased by 38.19%, and the solubility at 90 ℃ increased from 6.03% to 52.45%, while the swelling power decreased from 41.04 g/g to 6.38 g/g. Under scanning electron microscope, the surface morphology of resistant starch changed significantly, which showed that it was a rough structure with many holes. Fourier infrared spectroscopy showed that ultrasonic annealing promoted the generation of short-range ordered structures of starch. Differential scanning calorimetry analysis showed that the enthalpy of resistant starch increased by 5.05 J/g after ultrasonic annealing, and X-ray diffraction analysis displayed that the crystalline shape was changed and the crystallinity of resistant starch was improved. This study provided a reference for the industrial production of waxy rice resistant starch.
-
抗性淀粉（resistant starch，RS）是一种兼具可溶性纤维与不可溶性膳食纤维特性的淀粉，其在人体内无法被消化，且相对普通膳食纤维具有更高的生理活性[1]。抗性淀粉被分为五大类，其中Ⅲ型抗性淀粉（resistant starch Ⅲ，RS3）是指回生淀粉，因其良好的功能和安全特性，被广泛用于食品工业，并已成为一个研究热点。
现今，制备抗性淀粉的方法有很多，研究人员多采用物理、化学及酶法，或单一或多重的方式制备得到高含量的抗性淀粉。其中物理法以其安全、环保的优势被广泛使用在食品工业中。超声波处理（ultrasonic treatment）是一种高效、环保和安全的新兴技术，可以通过改变淀粉的非晶态和结晶结构域来影响淀粉的理化和功能性质[2]。Ding等[3]研究了超声处理对回生淀粉消化性的影响，结果表明，在超声波处理下，分子重排发生，容易形成新的有序结构，其缓慢消化特性和抗消化特性增加，从而提高了抗性淀粉含量。退火处理（annealing treatment）是一种物理性的淀粉改性技术，它是指在过量的水中对悬浮的淀粉进行一段时间的加热处理。这个过程会导致淀粉链的重组，从而形成紧凑的、物理上不可渗透的结晶结构。这些结构使消化酶无法催化水解糖苷键，从而产生了抗性淀粉[4]。Chung等[5]研究了退火对玉米抗性淀粉的影响，结果显示经退火处理的玉米抗性淀粉含量从4.6%提升到了8.0%。Marboh等[6]经退火处理豆科植物块茎淀粉，使其抗性淀粉含量从11.3%提升至17.36%。Babu等[7]探究超声波退火双重处理谷子淀粉对其功能和结构的影响，结果表明超声退火双重改性谷子淀粉使得抗性淀粉含量显著提升至45.59%。综上所述，超声退火工艺以其安全、便利的优势，在抗性淀粉工业化生产应用中拥有广阔的前景。
糯米淀粉（waxy rice starch）因含有较高比例的支链淀粉，所以具有难回生，消化快等特点[8]。近年来，对糯性淀粉进行物理、化学以及酶法改性处理，多是为了降低其消化率，满足人们对健康饮食的追求。脱支酶处理糯性淀粉会使支链淀粉分子被切割成直链淀粉分子，直链淀粉分子会重新结合生成RS3[9-11]。目前，研究人员大多选用直链淀粉含量较高的天然淀粉或人工育种提取的高直链淀粉，成本高且不易得。因此，选择以糯米淀粉为原料，在酶法脱支的基础上获取更多直链淀粉，在一定程度上可以降低原料成本，也可以为后续制备抗性淀粉提供便利。本研究以经普鲁兰酶脱支预处理的糯米淀粉为原料，采用超声退火法制备糯米抗性淀粉。运用单因素实验和响应面分析法获得制备抗性淀粉的最佳工艺条件，并对所制备的抗性淀粉进行理化性质分析，为糯米抗性淀粉工业化生产及其在功能性食品中的应用提供理论支持。
1. 材料及方法
1.1 材料与仪器
糯米淀粉 无锡金农生物科技有限公司；醋酸钠、乙酸、氢氧化钾、无水乙醇等 国药集团化学试剂有限公司；普鲁兰酶Promozyme D6（4000 NPUN/g） 诺维信（中国）生物技术有限公司；K-RSTAR抗性淀粉试剂盒 爱尔兰Megazyme公司。
HZ150L恒温培养摇床 武汉瑞华仪器设备有限责任公司；7200型分光光度计 尤尼柯（上海）仪器有限公司；230HT超声波处理仪 深圳洁拓超声波清洗设备有限公司；ZEISS Gemini 300扫描电镜 德国卡尔蔡司公司；Frontier傅里叶红外光谱仪 美国铂金埃尔默公司；Q2000差示扫描量热仪 美国TA仪器公司；SmartLab SE X射线衍射仪 日本株式会社理学。
1.2 实验方法
1.2.1 抗性淀粉制备方法
将适量糯米淀粉用pH4.5的醋酸-醋酸钠缓冲液配制成18.5%的淀粉乳溶液，沸水浴糊化30 min后，在121 ℃下高压30 min。随后，在淀粉糊中加入普鲁兰酶（160 NPUN/g）并在60 ℃下脱支24 h。沸水浴灭酶完成后放入45 ℃贮藏24 h[12]，然后转移至45 ℃烘箱中烘干，获得脱支回生糯米淀粉样品。取适量上述脱支回生糯米淀粉样品，配制成一定浓度的淀粉乳，放入超声波处理仪中处理一段时间，接着在一定温度的恒温摇床中进行退火处理。超声退火完成后的淀粉乳在45 ℃下保存24 h。45 ℃烘干、粉碎、过筛获得超声退火糯米RS3。
1.2.2 单因素实验设计
1.2.2.1 水分含量对糯米RS3含量的影响
称取5 g脱支回生淀粉样品，在超声功率为120 W的条件下，固定超声时间20 min，退火温度55 ℃，退火时间24 h，调节水分含量为50%、60%、70%、80%、90%，研究水分含量对超声退火糯米RS3得率的影响。
1.2.2.2 超声时间对糯米RS3含量的影响
称取5 g脱支回生淀粉样品，在超声功率为120 W的条件下，固定水分含量70%，退火温度55 ℃，退火时间24 h，设置超声时间为0、10、20、30、40 min，研究超声时间对超声退火糯米RS3得率的影响。
1.2.2.3 退火温度对糯米RS3含量的影响
称取5 g脱支回生淀粉样品，在超声功率为120 W的条件下，固定水分含量70%，超声时间20 min，退火时间24 h，研究退火温度50、55、60、65、70 ℃对超声退火糯米RS3得率的影响。
1.2.2.4 退火时间对糯米RS3含量的影响
称取5 g脱支回生淀粉样品，在超声功率为120 W的条件下，固定水分含量70%，超声时间20 min，退火温度55 ℃，研究退火时间8、16、24、32、40 h对超声退火糯米RS3得率的影响。
1.2.3 响应面法优化制备糯米RS3工艺条件
在单因素实验的基础上，通过Box-Behnken试验设计，选定水分含量、超声时间、退火温度、退火时间4个因素作为目标变量，抗性淀粉含量为响应值，设计四因素三水平的响应面试验，试验因素及水平如表1所示。
表 1 响应面试验因素水平设计Table 1. Factors and levels in response surface design水平 因素 A水分含量（%） B超声时间（min） C退火温度（℃） D退火时间（h） −1 60 10 50 16 0 70 20 55 24 1 80 30 60 32 1.2.4 抗性淀粉含量测定
抗性淀粉含量测定依据AOAC2002.02检测。计算公式如下：
抗性淀粉含量>10%：
(1) 抗性淀粉含量<10%：
(2) 式中：ΔE表示相对于空白试剂的吸光度值；F表示从吸光度值到微克的转换（F=100/100 µg D-葡萄糖的GOPOD吸光度值）；W表示分析样本的干重。
1.2.5 理化性质分析
1.2.5.1 透明度
参考牛博文等[13]的方法，配制1%（w/v）的淀粉乳溶液，在沸水中加热搅拌15 min，自然冷却。在620 nm下，以蒸馏水为空白对照设其透光率为100%，检测淀粉糊的透光率。
1.2.5.2 溶解度和膨胀能力
参考许美娟[14]的方法稍作修改，配制2%（w/v）的淀粉乳，分别置于50、60、70、80、90 ℃水浴中搅拌30 min，自然冷却。4500 r/min离心15 min。将上清液于105 ℃烘干并恒重记为m1，沉淀物称重记为m2，计算公式如下：
(3) (4) 式中：m1为上清液中溶出物质量，g；W表示样品干重，g；m2表示离心沉淀物质量，g。
1.2.5.3 扫描电镜观察微观结构
取适量样品粘到导电胶上，并喷金。使用ZEISS Gemini 300扫描电子显微镜拍摄样品形貌，拍摄时加速电压为3 kV，放大1000和5000倍。
1.2.5.4 红外光谱分析
参考吴怡瑾等[15]并稍作修改，采用傅里叶红外光谱仪进行测定。分辨率为 4 cm−1，扫描次数为32次，采集范围为400~4000 cm−1。
1.2.5.5 热稳定性分析
称取3 mg淀粉样品置于铝坩埚内并加入9 μL去离子水，密封后，在室温下平衡24 h，采用差示扫描量热仪进行检测，测定温度范围20~130 ℃；升温速率为10 ℃/min。
1.2.5.6 晶体结构分析
将粉末样品置于载玻片上，使用X射线衍射仪进行测试，测试范围为5°~50°，扫描速度为5 °/min，光源为Cu-Kα射线，管电压是40 kV，电流是40 mA。
1.3 数据处理
做3次平行试验，采用Origin 8.5、SPSS Statistics 19与Design Expert 8.0.6进行数据分析。
2. 结果与分析
2.1 单因素实验
2.1.1 水分含量对糯米RS3含量的影响
如图1所示，当其他工艺条件不变时，水分含量在50%~80%时，抗性淀粉含量相对较高。随着水分含量不断增加，抗性淀粉含量呈现先增加再减少的趋势，其中当水分含量为70%时，糯米抗性淀粉含量达到最大峰值，为43.50%，原因是淀粉材料结晶生成抗性淀粉是直链淀粉分子通过氢键结合形成双螺旋结构而成，淀粉乳的水分含量越低，其粘度越高，结晶受到限制，故形成的抗性淀粉含量偏低[16]。水分含量过高，直链淀粉分子之间相互作用的机会变少，也会造成抗性淀粉含量下降。
![]()
2.1.2 超声时间对糯米RS3含量的影响
如图2所示，当其他工艺条件不变时，超声时间在10~30 min时，抗性淀粉含量相对较高。随着超声时间的延长，抗性淀粉得率呈现先增加再减少的趋势。当超声时间为20 min时，糯米RS3含量达到最大，为43.80%。超声过程中会发生气泡生长，膨胀、破碎的动态过程，气泡破裂瞬间会产生巨大的压力，在压力的作用下切断淀粉分子链[17]。在0~20 min内，随着超声时间的延长，直链淀粉分子增多，增加了淀粉分子间相互作用的机会，促进了抗性淀粉的形成，使抗性淀粉含量从38.90%增长至43.80%。而超过20 min抗性淀粉含量逐渐下降的原因可能是，超声过程中产生的线性短链阻碍了直链淀粉分子之间的相互作用，抑制双螺旋结构的形成[18]。
![]()
图 2 超声时间对糯米RS3含量的影响Figure 2. Effect of ultrasonic time on the yield of resistant starch from waxy rice2.1.3 退火温度对糯米RS3含量的影响
如图3所示，当其他工艺条件不变，在退火温度为50~70 ℃的范围内，抗性淀粉含量首先随温度升高而增加，并在55 ℃时有最大的抗性淀粉含量，为43.44%。而后，抗性淀粉含量不断下降，直至37.40%。超过55 ℃抗性淀粉含量开始下降，原因是温度过高，淀粉分子间的作用力被破坏，淀粉与水分子之间的作用力增强，使淀粉晶体发生凝胶化[19]。
![]()
图 3 退火温度对糯米RS3含量的影响Figure 3. Effect of annealing temperature on the yield of resistant starch from waxy rice2.1.4 退火时间对糯米RS3含量的影响
如图4，当其他工艺条件不变时，退火时间在8~24 h时，抗性淀粉含量从30.17%逐渐增加至43.61%，原因是退火处理能促进淀粉分子间的相互作用，易生成完美晶体结构，其抗性淀粉含量随之提升，Zhu等[20]探究了退火处理对葛根淀粉消化率的影响，也得出了类似的结果。而当退火时间在24~40 h时，抗性淀粉含量缓慢下降至40.62%，可能的原因是部分不完美晶体随着处理时间的延长而发生熔融，稳定晶体结构的分子作用力减弱，导致抗性淀粉含量减少[21]。
![]()
图 4 退火时间对糯米RS3含量的影响Figure 4. Effect of annealing time on the yield of resistant starch from waxy rice2.2 响应面试验
2.2.1 响应面优化结果分析
根据单因素实验结果，选择水分含量（A）、超声时间（B）、退火温度（C）、退火时间（D）为变量，抗性淀粉含量为响应值（Y）进行响应面优化分析，响应面试验结果如表2所示。
表 2 响应面试验方案及结果Table 2. Scheme and experimental results of response surface design实验号 A B C D Y：抗性淀粉含量（%） 1 −1 −1 0 0 42.68 2 1 −1 0 0 40.19 3 −1 1 0 0 42.90 4 1 1 0 0 40.93 5 0 0 −1 −1 38.19 6 0 0 1 −1 38.35 7 0 0 −1 1 39.01 8 0 0 1 1 39.74 9 −1 0 0 −1 40.43 10 1 0 0 −1 40.10 11 −1 0 0 1 41.84 12 1 0 0 1 40.94 13 0 −1 −1 0 38.65 14 0 1 −1 0 39.44 15 0 −1 1 0 39.94 16 0 1 1 0 40.29 17 −1 0 −1 0 38.03 18 1 0 −1 0 36.87 19 −1 0 1 0 39.56 20 1 0 1 0 37.20 21 0 −1 0 −1 40.32 22 0 1 0 −1 41.76 23 0 −1 0 1 41.24 24 0 1 0 1 42.08 25 0 0 0 0 42.47 26 0 0 0 0 43.41 27 0 0 0 0 42.53 28 0 0 0 0 44.29 29 0 0 0 0 44.81 2.2.2 模型建立及显著性分析
利用 Design-Expert8.0.6对表2中的数据进行多元回归拟合分析，得到回归方程为：Y=43.50−0.77A+0.37B+0.41C+0.48D+0.13AB−0.30AC−0.14AD−0.11BC−0.15BD+0.14CD−1.57A2−0.48B2−3.62C2−1.28D2。试验数据方差分析结果见表3。
表 3 回归模型方差分析Table 3. Analysis of variance of regression model变异来源 平方和 自由度 均方 F值 P值 显著性 模型 107.0102 14 7.643589 12.96569 <0.0001 ** A 7.068675 1 7.068675 11.99048 0.0038 ** B 1.5987 1 1.5987 2.711848 0.1219 C 1.992675 1 1.992675 3.380141 0.0873 D 2.7075 1 2.7075 4.592687 0.0502 AB 0.0676 1 0.0676 0.114669 0.7399 AC 0.36 1 0.36 0.610662 0.4476 AD 0.081225 1 0.081225 0.137781 0.7161 BC 0.0484 1 0.0484 0.0821 0.7787 BD 0.09 1 0.09 0.152665 0.7019 CD 0.081225 1 0.081225 0.137781 0.7161 A2 16.00042 1 16.00042 27.14125 0.0001 ** B2 1.474833 1 1.474833 2.501734 0.1360 C2 85.02891 1 85.02891 144.2331 <0.0001 ** D2 10.61639 1 10.61639 18.00841 0.0008 ** 残差 8.253338 14 0.589524 失拟项 3.903258 10 0.390326 0.358914 0.9140 失拟性检验不显著 净误差 4.35008 4 1.08752 总离差 115.2636 28 注：“*”表示显著（P<0.05），“**”表示极显著（P<0.01）。 如表3所示，响应面多元回归拟合模型极显著（P<0.01），失拟性检验不显著（P=0.9140>0.05），R2为0.9284，表明模型选择合适。因此，能够运用该模型来描述各变量与抗性淀粉含量的关系。依据表3中的F值大小可以看出四个因素影响抗性淀粉含量的主次顺序为：水分含量（A）>退火时间（D）>退火温度（C）>超声时间（B），据P值可知，水分含量A与A2、C2、D2对抗性淀粉含量的影响是极显著的（P<0.01）。超声时间B、退火温度C、退火时间D的P值均大于0.05，表明这3个因素对抗性淀粉含量无显著影响。
2.2.3 响应面优化及验证试验
利用Design-Expert8.0.6软件，作出各因素间的交互作用对抗性淀粉含量影响的曲面图及等高线图。根据上述回归拟合方程，固定任意2个因素，得到另外2个因素绘制的响应面曲线和等高线图。响应面图均为开口朝下的凸型曲面，有抗性淀粉含量极大值点。等高线图多呈现近圆形，且交互项P值均大于0.05，意味着两两因素之间交互作用影响不显著[22]。
根据模型拟合出的最佳的工艺条件为：水分含量67.54%，超声时间23.13 min，退火温度55.33 ℃、退火时间25.47 h。在该条件下的预测值为43.71%。实际操作时将条件调整为：水分含量68%，超声时间23 min，退火温度55 ℃，退火时间25 h。在此条件下进行验证试验的抗性淀粉含量为45.61%±0.95%，与理论的预测值相近，相对误差为4.34%。由此可见，利用响应面分析法优化抗性淀粉工艺条件是合适的。
2.3 理化性质分析
2.3.1 透明度分析
淀粉样品的透明度与淀粉中直链淀粉含量、膨胀能力以及膨胀和未膨胀残留颗粒水平有关[23]。如表4所示，超声退火糯米RS3与糯米淀粉相比淀粉糊透明度从9.53%明显提升至47.72%，造成这种现象的原因是普鲁兰酶脱支破坏了原淀粉的淀粉表面及结晶区，从而导致淀粉与水结合作用的增强，淀粉分子间的作用力减弱[24]；超声波能增强样品的机械振动，有助于更多空气通过液体介质产生更多空化核，增强其对淀粉的作用效果，淀粉与水分子间缔合能力增强，从而减少了光的折射和反射，使淀粉糊透明度提高[25]。
表 4 糯米淀粉与其制备的糯米RS3理化性质比较Table 4. Comparison of physicochemical properties of waxy rice starch and resistant starch项目 糯米淀粉 糯米RS3
溶解度
（%）50 ℃ 0.64±0.05 23.42±0.50 60 ℃ 0.70±0.08 27.59±0.63 70 ℃ 4.86±0.43 32.28±0.38 80 ℃ 5.25±0.64 40.76±1.10 90 ℃ 6.03±0.67 52.45±0.58
膨胀能力
（g/g）50 ℃ 2.24±0.06 3.23±0.04 60 ℃ 2.81±0.10 3.52±0.08 70 ℃ 32.07±1.22 4.12±0.07 80 ℃ 38.92±0.75 5.15±0.06 90 ℃ 41.04±1.62 6.38±0.19 透明度（%） 9.53±0.21 47.72±0.63 2.3.2 溶解度和膨胀能力
以10 ℃为间隔测定糯米淀粉与超声退火糯米RS3在50~90 ℃的溶解度和膨胀能力如表4所示。当温度从50 ℃升至90 ℃，糯米淀粉的溶解度从0.64%上升至6.03%，糯米RS3从23.42%增至52.45%；相应地，其膨胀能力也分别从2.24和3.23 g/g增加到41.04和6.38 g/g。由此可知，所有淀粉样品的溶解度和膨胀能力随温度的升高随之上升。这是由于淀粉分子内的作用力随温度升高被削弱，因此加速了直链淀粉浸出并促进颗粒膨胀[14]。同时，因为淀粉受普鲁兰酶脱支前处理和超声波作用的影响导致大量线性葡聚糖的产生，而高比例的可溶性短链葡聚糖会直接导致溶出量增加。因此，在50~90 ℃下，糯米RS3溶解度均高于糯米淀粉的溶解度，其中在90 ℃下糯米淀粉和糯米RS3有最大的溶解度，分别为6.03%和52.45%。在50~60 ℃的较低温度下糯米淀粉膨胀能力低于超声退火糯米RS3，而在较高温度（70~90 ℃）下却呈现相反的结果，其中糯米淀粉在60~70 ℃下的变化尤为明显，从2.81 g/g升至32.07 g/g，原因是淀粉的溶胀行为是由于支链淀粉的膨胀而引起的[26]，在未达到淀粉的糊化温度以前，淀粉分子与水的结合作用受温度影响较小，而当到达糊化温度以后因糯米淀粉含有大量的支链淀粉，其淀粉颗粒易溶胀、崩溃，因此膨胀能力高于糯米RS3。
2.3.3 扫描电镜分析
利用扫描电镜（SEM）研究了糯米淀粉与经超声退火制备的糯米RS3的颗粒表面形态，如图5。糯米淀粉颗粒形状呈现为不规则多边形，其表面较光滑，颗粒直径多在3~8 μm。与原淀粉相比，糯米抗性淀粉颗粒形状呈现出明显的差异，其表面粗糙多孔，颗粒直径大小不一。这可能是酶解和超声波空化作用产生大量直链淀粉，而退火处理能使直链淀粉聚集形成螺旋复合体，Babu等[27]认为这种现象会增强晶体结构，从而提高其抗酶解能力。
![]()
图 5 糯米淀粉与糯米RS3的扫描电子显微镜图注：a.糯米淀粉（1000×）；b.糯米淀粉（5000×）；c.糯米RS3（1000×）；d.糯米RS3（5000×）。Figure 5. SEM of waxy rice starch and resistant starch2.3.4 傅里叶红外光谱分析结果
为了探究超声退火法制备糯米RS3对其短程有序结构的影响，如图6所示，显示了糯米淀粉、糯米RS3的FT-IR光谱（图6a）及1200~800 cm−1的去卷积图谱（图6b）。如图6a两种淀粉的吸收峰都很相似，证明超声退火法没有明显改变其化学基团。图6b淀粉红外吸收光谱中1047和1022 cm−1处的特征峰表示淀粉的结晶区与非结晶区。1047与1022 cm−1的比值来描述淀粉的有序程度，抗性淀粉的含量越高其有序程度越高，故该比值越大[28]。糯米淀粉与超声退火糯米RS3的1047与1022 cm−1的比值分别为1.284，1.671，显然，糯米RS3比糯米淀粉的1047/1022的值要大，说明超声退火工艺能促进形成更多双螺旋结构，使超声退火糯米RS3拥有更多短程有序结构。
![]()
图 6 糯米淀粉和糯米RS3傅里叶红外光谱图（a）和去卷积图（b）Figure 6. FT-IR spectra (a) and deconvolution graph (b) of waxy rice starch and resistant starch2.3.5 热稳定性分析
由表5可知，相较于糯米原淀粉，糯米RS3的起始糊化温度（T0）、峰值温度（Tp）和终止温度（Tc）均有小幅提升。这是因为超声退火处理能促进淀粉的重结晶，生成抗性淀粉。而晶体结构周围的的无定型区可能受其影响，难与水形成氢键[29]，故导致糊化温度升高。同时，糯米淀粉和糯米RS3的糊化焓分别为11.91和16.96 J/g，经超声退火处理的糯米RS3的焓值明显高于原淀粉，这是因为退火处理使双螺旋结构之间形成了更多氢键，增强了晶体结构[30]，说明要破坏其晶体结构就需要更多能量。由此可知，超声退火法制备的糯米RS3有较高结晶度的晶体结构和良好的热稳定性。
表 5 淀粉样品的热特性参数Table 5. Thermal properties of native starch and resistant starch样品 T0（℃） Tp（℃） Tc（℃） ΔH（J/g） 糯米淀粉 64.67±1.20 69.07±1.19 82.20±1.41 11.91±1.53 糯米RS3 82.68±0.91 92.34±0.67 106.93±1.75 16.96±0.55 2.3.6 X射线衍射分析
通过X-射线衍射我们可以判断淀粉的晶型和计算其结晶度。如图7所示，糯米淀粉在15°、17°、18°、23°的位置出峰，可以判断糯米淀粉为典型的A型晶体，而糯米RS3在15°、17°、22°、24°的位置有特征峰，为典型的B型晶体，并在20°的位置出现了一个弱衍射峰，表现为V型晶体，说明有淀粉-脂质复合物的存在，通常认为，是直链淀粉的长链在回生过程中在固有脂质分子上卷曲而形成的复合体[31]。由此表明，经超声退火制备的糯米抗性淀粉改变了淀粉的原有晶型，且糯米RS3的结晶度为41.8%明显比糯米原淀粉的30.0%高，说明超声退火制备的糯米抗性淀粉具有较高的结晶度，这与DSC的结果一致。不同的晶体形态会显示出不同的酶解性质，其中V型晶体抗酶解能力最强，A型最弱[32]。由此可知，糯米RS3由抗酶解能力较弱的A型转变为了更耐酶解的B+V型。
![]()
图 7 糯米淀粉和糯米RS3 X射线衍射图谱Figure 7. X-ray spectra of waxy rice starch and resistant starch3. 结论
本研究以普鲁兰酶脱支前处理的糯米淀粉为原料，采用超声退火法制备糯米RS3。经响应面试验设计优化得出的最佳工艺条件为：水分含量68%，超声时间23 min，退火温度55 ℃，退火时间25 h。在此条件下制备的抗性淀粉含量为45.61%±0.95%。糯米RS3的透明度和溶解度较原淀粉均有较大提升，但膨胀能力有所下降。扫描电镜显示，超声退火处理破坏了淀粉颗粒形状，使糯米RS3呈现粗糙多孔结构。通过红外光谱、DSC和XRD等分析证实，该工艺可促进生成抗性淀粉、优化结晶晶型、提高结晶度，使糯米RS3具有良好的热稳定性。本研究可为超声退火法制备糯米RS3的工业化生产提供相应的理论依据，而具有良好功能特性的RS3未来可作为功能性食品配料应用于食品工业中。但现阶段制备的RS3含量还未达到预期，有待日后研究并进一步提高。
-
![]()
![]()
图 2 超声时间对糯米RS3含量的影响
Figure 2. Effect of ultrasonic time on the yield of resistant starch from waxy rice
![]()
图 3 退火温度对糯米RS3含量的影响
Figure 3. Effect of annealing temperature on the yield of resistant starch from waxy rice
![]()
图 4 退火时间对糯米RS3含量的影响
Figure 4. Effect of annealing time on the yield of resistant starch from waxy rice
![]()
图 5 糯米淀粉与糯米RS3的扫描电子显微镜图
注：a.糯米淀粉（1000×）；b.糯米淀粉（5000×）；c.糯米RS3（1000×）；d.糯米RS3（5000×）。
Figure 5. SEM of waxy rice starch and resistant starch
![]()
图 6 糯米淀粉和糯米RS3傅里叶红外光谱图（a）和去卷积图（b）
Figure 6. FT-IR spectra (a) and deconvolution graph (b) of waxy rice starch and resistant starch
![]()
图 7 糯米淀粉和糯米RS3 X射线衍射图谱
Figure 7. X-ray spectra of waxy rice starch and resistant starch
表 1 响应面试验因素水平设计
Table 1 Factors and levels in response surface design
水平 因素 A水分含量（%） B超声时间（min） C退火温度（℃） D退火时间（h） −1 60 10 50 16 0 70 20 55 24 1 80 30 60 32 
下载: 导出CSV
表 2 响应面试验方案及结果
Table 2 Scheme and experimental results of response surface design
实验号 A B C D Y：抗性淀粉含量（%） 1 −1 −1 0 0 42.68 2 1 −1 0 0 40.19 3 −1 1 0 0 42.90 4 1 1 0 0 40.93 5 0 0 −1 −1 38.19 6 0 0 1 −1 38.35 7 0 0 −1 1 39.01 8 0 0 1 1 39.74 9 −1 0 0 −1 40.43 10 1 0 0 −1 40.10 11 −1 0 0 1 41.84 12 1 0 0 1 40.94 13 0 −1 −1 0 38.65 14 0 1 −1 0 39.44 15 0 −1 1 0 39.94 16 0 1 1 0 40.29 17 −1 0 −1 0 38.03 18 1 0 −1 0 36.87 19 −1 0 1 0 39.56 20 1 0 1 0 37.20 21 0 −1 0 −1 40.32 22 0 1 0 −1 41.76 23 0 −1 0 1 41.24 24 0 1 0 1 42.08 25 0 0 0 0 42.47 26 0 0 0 0 43.41 27 0 0 0 0 42.53 28 0 0 0 0 44.29 29 0 0 0 0 44.81
下载: 导出CSV
表 3 回归模型方差分析
Table 3 Analysis of variance of regression model
变异来源 平方和 自由度 均方 F值 P值 显著性 模型 107.0102 14 7.643589 12.96569 <0.0001 ** A 7.068675 1 7.068675 11.99048 0.0038 ** B 1.5987 1 1.5987 2.711848 0.1219 C 1.992675 1 1.992675 3.380141 0.0873 D 2.7075 1 2.7075 4.592687 0.0502 AB 0.0676 1 0.0676 0.114669 0.7399 AC 0.36 1 0.36 0.610662 0.4476 AD 0.081225 1 0.081225 0.137781 0.7161 BC 0.0484 1 0.0484 0.0821 0.7787 BD 0.09 1 0.09 0.152665 0.7019 CD 0.081225 1 0.081225 0.137781 0.7161 A2 16.00042 1 16.00042 27.14125 0.0001 ** B2 1.474833 1 1.474833 2.501734 0.1360 C2 85.02891 1 85.02891 144.2331 <0.0001 ** D2 10.61639 1 10.61639 18.00841 0.0008 ** 残差 8.253338 14 0.589524 失拟项 3.903258 10 0.390326 0.358914 0.9140 失拟性检验不显著 净误差 4.35008 4 1.08752 总离差 115.2636 28 注：“*”表示显著（P<0.05），“**”表示极显著（P<0.01）。
下载: 导出CSV
表 4 糯米淀粉与其制备的糯米RS3理化性质比较
Table 4 Comparison of physicochemical properties of waxy rice starch and resistant starch
项目 糯米淀粉 糯米RS3
溶解度
（%）50 ℃ 0.64±0.05 23.42±0.50 60 ℃ 0.70±0.08 27.59±0.63 70 ℃ 4.86±0.43 32.28±0.38 80 ℃ 5.25±0.64 40.76±1.10 90 ℃ 6.03±0.67 52.45±0.58
膨胀能力
（g/g）50 ℃ 2.24±0.06 3.23±0.04 60 ℃ 2.81±0.10 3.52±0.08 70 ℃ 32.07±1.22 4.12±0.07 80 ℃ 38.92±0.75 5.15±0.06 90 ℃ 41.04±1.62 6.38±0.19 透明度（%） 9.53±0.21 47.72±0.63
下载: 导出CSV
表 5 淀粉样品的热特性参数
Table 5 Thermal properties of native starch and resistant starch
样品 T0（℃） Tp（℃） Tc（℃） ΔH（J/g） 糯米淀粉 64.67±1.20 69.07±1.19 82.20±1.41 11.91±1.53 糯米RS3 82.68±0.91 92.34±0.67 106.93±1.75 16.96±0.55
下载: 导出CSV
-
[1] 龚永强, 刘静, 余振宇, 等. 抗性、慢消化淀粉的制备及其控血糖机理的研究进展[J]. 中国粮油学报,2022,37(1):187−195. [GONG Y Q, LIU J, YU Z Y, et al. Research progress in preparation and glycemic regulation mechanism of resistant and slowly digestible starch[J]. Journal of the Chinese Cereals and Oils,2022,37(1):187−195. GONG Y Q, LIU J, YU Z Y, et al. Research progress in preparation and glycemic regulation mechanism of resistant and slowly digestible starch[J]. Journal of the Chinese Cereals and Oils, 2022, 37(1): 187-195.
[2] NOOR N, GANI A, JHAN F, et al. Resistant starch type 2 from lotus stem: ultrasonic effect on physical and nutraceutical properties[J]. Ultrasonics Sonochemistry,2021,76:105655. doi: 10.1016/j.ultsonch.2021.105655
[3] DING Y, LUO F, LIN Q. Insights into the relations between the molecular structures and digestion properties of retrograded starch after ultrasonic treatment[J]. Food Chemistry,2019,294:248−259. doi: 10.1016/j.foodchem.2019.05.050
[4] FARIDAH D N, ANUGERAH M P, HUNAEFI D, et al. The effect of annealing on resistant starch content of different crop types: A systematic review and meta-analysis study[J]. International Journal of Food Science & Technology,2021,57(4):2026−2038.
[5] CHUNG H J, LIU Q, HOOVER R. Impact of annealing and heat-moisture treatment on rapidly digestible, slowly digestible and resistant starch levels in native and gelatinized corn, pea and lentil starches[J]. Carbohydrate Polymers,2009,75(3):436−447. doi: 10.1016/j.carbpol.2008.08.006
[6] MARBOH V, MAHANTA C L. Physicochemical and rheological properties and in vitro digestibility of heat moisture treated and annealed starch of sohphlang (Flemingia vestita) tuber[J]. International Journal of Biological Macromolecules,2021,168:486−495. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2020.12.065
[7] BABU A S, MOHAN R J, PARIMALAVALLI R. Effect of single and dual-modifications on stability and structural characteristics of foxtail millet starch[J]. Food Chemistry,2019,271:457−465. doi: 10.1016/j.foodchem.2018.07.197
[8] 王东旭, 郭美玲, 李占明, 等. 湿热及酶解处理对糯米粉体外消化特性和血糖生成指数的影响[J]. 食品安全质量检测学报,2022,13(7):2252−2257. [WANG D X, GUO M L, LI Z M, et al. Effects of moisture heat with enzymatic hydrolysis treatment on digestion characteristics in vitro and glycemic index of glutinous rice flour[J]. Journal of Food Safety & Quality,2022,13(7):2252−2257. WANG D X, GUO M L, LI Z M, et al. Effects of moisture heat with enzymatic hydrolysis treatment on digestion characteristics in vitro and glycemic index of glutinous rice flour[J]. Journal of Food Safety & Quality, 2022, 13(7): 2252-2257.
[9] LIAO H J, LAI P Y, KOH Y C, et al. Physicochemical characteristics and in vitro digestibility of indica, japonica, and waxy type rice flours and their derived resistant starch type III products[J]. Starch-Stärke,2016,68(5-6):462−468.
[10] PRECHA-ATSAWANAN S, PUNCHA-ARNON S, WANDEE Y, et al. Physicochemical properties of partially debranched waxy rice starch[J]. Food Hydrocolloids,2018,79:71−80. doi: 10.1016/j.foodhyd.2017.12.014
[11] SHI M M, GAO Q Y. Physicochemical properties, structure and in vitro digestion of resistant starch from waxy rice starch[J]. Carbohydrate Polymers,2011,84(3):1151−1157. doi: 10.1016/j.carbpol.2011.01.004
[12] 史苗苗. 蜡质玉米、稻米抗性淀粉的酶法制备及性质研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2011 SHI M M. Preparation and properties of resistant starches from waxy maize and waxy rice starches[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2011.
[13] 牛博文, 徐薇, 张彧. 不同化学方法制备的抗性淀粉理化性质及表征研究[J]. 食品工业科技,2020,41(17):19−23,31. [NIU B W, XU W, ZHANG Y. Physical and chemical properties and characterization of resistant starch prepared by different chemical methods[J]. Science and Technology of Food Industry,2020,41(17):19−23,31. NIU B W, XU W, ZHANG Y. Physical and chemical properties and characterization of resistant starch prepared by different chemical methods[J]. Science and Technology of Food Industry, 2020, 41(17): 19-23, 31.
[14] 许美娟. 反复/连续韧化处理对谷类、薯类和豆类淀粉结构、理化及功能性质的影响[D]. 杨凌: 西北农林科技大学, 2018 XU M J. The effects of repeated versus continuous annealing on structural, physicochemical, and digestibility properties of cereals, tubers and beans starch[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2018.
[15] 吴怡瑾, 郑方园, 林丽, 等. 超高压处理对变温结晶制备糯米慢消化淀粉的影响[J]. 食品科学,2022,43(5):55−61. [WU Y J, ZHENG F Y, LIN L, et al. Effects of ultra-high pressure treatment on the preparation of slowly digestible starch from glutinous rice by temperature-cycled retrogradation[J]. Food Science,2022,43(5):55−61. WU Y J, ZHENG F Y, LIN L, et al. Effects of ultra-high pressure treatment on the preparation of slowly digestible starch from glutinous rice by temperature-cycled retrogradation[J]. Food Science, 2022, 43(5): 55-61.
[16] KIATPONGLARP W, TONGTA S, ROLLAND-SABATE A, et al. Crystallization and chain reorganization of debranched rice starches in relation to resistant starch formation[J]. Carbohydrate Polymers,2015,122:108−114. doi: 10.1016/j.carbpol.2014.12.070
[17] LIN X, SUN S, WANG B, et al. Structural and physicochemical properties of lotus seed starch nanoparticles prepared using ultrasonic-assisted enzymatic hydrolysis[J]. Ultrasonics Sonochemistry,2020,68:105199. doi: 10.1016/j.ultsonch.2020.105199
[18] 周颖, 章萍萍, 孟少华, 等. 大米抗性淀粉双酶制备及其结构表征[J]. 中国粮油学报,2014,29(2):22−25,43. [ZHOU Y, ZHANG P P, MENG S H, et al. Preparation and structural characterization of rice resistant starch by double enzymes[J]. Journal of the Chinese Cereals and Oils,2014,29(2):22−25,43. ZHOU Y, ZHANG P P, MENG S H, et al. Preparation and structural characterization of rice resistant starch by double enzymes[J]. Journal of the Chinese Cereals and Oils, 2014, 29(2): 22-25, 43.
[19] 李璐. 超声及酶和退火对红薯淀粉结构与性质的影响[D]. 天津: 天津科技大学, 2018 LI L. Effect of ultrasound, enzyme and annealing on the structure and physicochemical properties of sweet potato starch[D]. Tianjin: Tianjin University of Science and Technology, 2018.
[20] ZHU X, DU X, CHEN X, et al. Determining the effects of annealing time on the glass transition temperature of Pueraria lobata (Willd. ) Ohwi starch[J]. International Journal of Food Science & Technology,2017,53(1):43−49.
[21] 王洁. 微波韧化辅助制备马铃薯淀粉及其消化特性研究[D]. 泰安: 山东农业大学, 2016 WANG J. Digesibility of potato starch by microwave-assisted and annealing[D]. Taian: Shandong Agricultural University, 2016.
[22] 宋文天, 卢红妍, 杨镜琦, 等. 交联法制备玉米抗性淀粉的工艺优化及理化性质分析[J]. 食品工业科技,2021,42(23):167−175. [SONG W T, LU H Y, YANG J Q, et al. Optimization and analysis of corn resistant starch prepared by cross-linking method and its physical and chemical properties[J]. Science and Technology of Food Industry,2021,42(23):167−175. doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2021030022 SONG W T, LU H Y, YANG J Q, et al. Optimization and analysis of corn resistant starch prepared by cross-linking method and its physical and chemical properties[J]. Science and Technology of Food Industry, 2021, 42(23): 167-175. doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2021030022
[23] LI W, ZHANG F, LIU P, et al. Effect of high hydrostatic pressure on physicochemical, thermal and morphological properties of mung bean (Vigna radiata L.) starch[J]. Journal of Food Engineering,2011,103(4):388−393. doi: 10.1016/j.jfoodeng.2010.11.008
[24] LIANG Q, CHEN X, REN X, et al. Effects of ultrasound-assisted enzymolysis on the physicochemical properties and structure of arrowhead-derived resistant starch[J]. LWT,2021,147:111616. doi: 10.1016/j.lwt.2021.111616
[25] HU A, LI L, ZHENG J, et al. Different-frequency ultrasonic effects on properties and structure of corn starch[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture,2014,94(14):2929−2934. doi: 10.1002/jsfa.6636
[26] LI W, BAI Y, MOUSAA S A S, et al. Effect of high hydrostatic pressure on physicochemical and structural properties of rice starch[J]. Food and Bioprocess Technology,2011,5(6):2233−2241.
[27] BABU A S, PARIMALAVALLI R. Structural and functional characterization of RS III produced from gelatinized, enzyme-hydrolyzed and retrograded sweet potato starch[J]. Journal of Food Measurement and Characterization,2016,11(2):792−800.
[28] CHANG R, LU H, BIAN X, et al. Ultrasound assisted annealing production of resistant starches type 3 from fractionated debranched starch: Structural characterization and in vitro digestibility[J]. Food Hydrocolloids,2021,110:106141. doi: 10.1016/j.foodhyd.2020.106141
[29] 汪颖. 莲子抗性淀粉制备、性质及其对双歧杆菌增殖效应的研究[D]. 福州: 福建农林大学, 2013 WANG Y. Preparation and properties of lotus seeds resistant starch, and its proliferation effects on Bifidobacterium adolescence[D]. Fuzhou: Fujian Agriculture and Forestry University, 2013.
[30] PIECYK M, DRUZYNSKA B, OLTARZEWSKA A, et al. Effect of hydrothermal modifications on properties and digestibility of grass pea starch[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2018, 118(Pt B): 2113-2120.
[31] IFTIKHAR S A, DUTTA H. Status of polymorphism, physicochemical properties and in vitro digestibility of dual retrogradation-annealing modified rice starches[J]. International Journal of Biological Macromolecules,2019,132:330−339. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2019.03.206
[32] YANG Y, CHEN Q, YU A, et al. Study on structural characterization, physicochemical properties and digestive properties of euryale ferox resistant starch[J]. Food Chemistry,2021,359:129924. doi: 10.1016/j.foodchem.2021.129924
-
期刊类型引用(5)
1. 胡平国，李霞雪，杨巧慧，曹璐，陈志民，陈亚，曾艳. 甜樱桃中多菌灵等6种农药的残留检测方法建立及残留消解动态研究. 农产品质量与安全. 2025(01): 86-91 . 
百度学术
2. 黄敏君，黄靓，黄亚，朱小芳，关培培，王静. LC-MS/MS法检测棉花7种杀虫剂残留研究进展. 纺织报告. 2024(09): 17-19+33 . 百度学术
3. 罗雪燕，陈宝欣，黄柳霞，林洁娜，贝荣廷. 研究不同前处理方法对蔬菜中21种农药残留量的影响. 中外食品工业. 2024(14): 46-50 . 百度学术
4. 邓航，朱礼，张可欣，袁列江，李政，吴海智，上官佳，陈瑶，薛敏敏，王秀，李格，孙逸清. QuEChERS净化结合高效液相色谱串联质谱法快速测定果蔬中四唑虫酰胺残留. 农药. 2024(12): 904-910+924 . 百度学术
5. 李艳霞，皮大能. QuEChERS-气相色谱-三重四级杆串联质谱法同时测定青贮玉米中24种农药残留. 中国饲料. 2024(23): 315-322 . 百度学术
其他类型引用(1)
下载:
计量
- 文章访问数: 101
- HTML全文浏览量: 31
- PDF下载量: 15
- 被引次数: 6
