CN102187996A - 制备马铃薯膳食纤维的方法和食品组合物 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用马铃薯副产物制备高纯度马铃薯膳食纤维的方法以及含有该高纯度膳食纤维的食品组合物。具体而言，本发明涉及一种将由马铃薯制备马铃薯淀粉的过程所产生的马铃薯副产物经磷酸化交联转化成抗性淀粉而显著提高膳食纤维总含量的高纯度马铃薯膳食纤维的制备方法，该马铃薯膳食纤维被用作食品原材料以作为膳食纤维源。

Description

制备马铃薯膳食纤维的方法和食品组合物

技术领域

本发明涉及一种使用马铃薯副产物制备高纯度马铃薯膳食纤维的方法。具体而言，本发明涉及一种将由马铃薯制备马铃薯淀粉的过程所产生的马铃薯副产物经磷酸化交联转化成抗性淀粉(resistant starch)而显著提高膳食纤维总含量的高纯度马铃薯膳食纤维的制备方法，马铃薯膳食纤维被用作食品原材料以作为膳食纤维源。

背景技术

淀粉可分类成快速消化淀粉(RDS)、缓慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)。快速消化淀粉可在摄入后20分钟在小肠内快速消化。缓慢消化淀粉(SDS)尽管消化缓慢，需20分钟至120分钟，但可在小肠内完全消化。抗性淀粉(RS)在人体小肠内不消化[Englyst et al.，1992；Eerlingen et al.，1993]。

更具体而言，抗性淀粉是虽然不能被人体小肠消化和吸收但却可被肠道细菌降解的淀粉或淀粉水解物，可分成四类。具体地，抗性淀粉可分成RS1，例如局部捣碎的谷物或种子，其不易被酶接近；RS2，例如非凝胶化原淀粉，包括香蕉淀粉和马铃薯淀粉，其具有B型结晶形式；RS3，其是通过食品加工凝胶化的淀粉老化而形成的；和通过化学改性淀粉形成的RS4[Asp et al.，1992；Englyst et al.，1992]。

抗性淀粉在大肠中经微生物发酵，由此促进单链脂肪族酸例如乙酸、丙酸和丁酸的形成，并预防大肠癌的发生。此外，抗性淀粉具有与膳食纤维相似的生理活性，可预防便秘并降低血糖。而且，由于可依靠制备方法控制抗性淀粉的理化特性，抗性淀粉的食品加工性能优于膳食纤维的，因此抗性淀粉可用于包括食品产业的众多领域。

马铃薯因其水分含量为75％或更高而难以长期贮存。因此马铃薯在使用前常被加工成马铃薯粉末或马铃薯淀粉，除非其以原有形式使用例如马铃薯条或炸马铃薯。马铃薯淀粉因为具有低的凝胶化温度和高的粘性，因而可使食品变硬，变粘并变紧。

在马铃薯加工成马铃薯淀粉的过程中，会产生马铃薯副产物。这些马铃薯副产物因为膳食纤维含量低而大都被丢弃或经简单干燥后用作动物饲料。

发明内容

因此，为解决上述问题，本发明提供了一种高纯度马铃薯膳食纤维的制备方法，其通过将丢弃或用作动物饲料的马铃薯副产物经磷酸化交联转化成抗性淀粉而显著提高膳食纤维总含量。

而且，本发明提供了一种食品组合物，该食品组合物含有膳食纤维总含量显著提高的高纯度马铃薯膳食纤维。

本发明的一个方面提供了一种使用马铃薯副产物制备高纯度马铃薯膳食纤维的方法，该方法包括以下步骤：提供在马铃薯淀粉制备时所产生的马铃薯副产物；通过在马铃薯副产物中添加硫酸钠、交联剂和碱来使马铃薯副产物交联；通过在交联的马铃薯副产物中添加酸来中和交联的马铃薯副产物；以及洗涤和干燥中和的马铃薯副产物。

本发明的另一方面提高了一种食品组合物，该食品组合物含有使用马铃薯副产物制备的高纯度马铃薯膳食纤维。

附图说明

由以下结合附图的具体描述将更清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征和优势，其中：

图1显示了本发明所述的使用马铃薯副产物制备高纯度马铃薯膳食纤维的工艺流程图；

图2显示了本发明一个实施方式所述的使用马铃薯副产物制备高纯度马铃薯膳食纤维的工艺流程图；

图3显示了本发明所述马铃薯膳食纤维的凝胶化特性；和

图4显示了本发明所述马铃薯膳食纤维的糊化特性。

具体实施方式

在下文中，将参照附图具体描述本发明的优选实施方式。

本发明的一个实施方式提供了一种使用马铃薯副产物制备高纯度马铃薯膳食纤维的方法，该方法包括以下步骤：提供在马铃薯淀粉制备时所产生的马铃薯副产物；通过在马铃薯副产物中添加硫酸钠、交联剂和碱交联马铃薯副产物；通过在交联的马铃薯副产物中添加酸中和交联的马铃薯副产物；以及洗涤和干燥中和的马铃薯副产物。

图1显示了本发明所述的使用马铃薯副产物制备高纯度马铃薯膳食纤维的工艺流程图。

在本发明中，使用在将马铃薯制成淀粉时产生的马铃薯副产物制备高纯度马铃薯膳食纤维，但也可使用在含有淀粉和膳食纤维的马铃薯、谷物、豆类等例如甜马铃薯、玉米、木薯、豆类、米糠、大麦麦麸、芝麻籽等制成淀粉时产生的其他副产物。

在本发明中，术语“高纯度马铃薯膳食纤维”是指改性马铃薯副产物，并表示具有80％或更高的膳食纤维总含量和高的膳食纤维活性的抗性淀粉或不溶性膳食纤维。

在本发明中，术语“改性马铃薯副产物”表示在将马铃薯制成淀粉时产生并通过磷酸化交联改性的副产物。

首先，将马铃薯浸入碱性溶液中，然后将浸渍的马铃薯粉碎成马铃薯乳液，再使用滤网过滤马铃薯乳液以制备马铃薯淀粉和马铃薯副产物(S110)。由此产生的马铃薯副产物因为膳食纤维含量低而通常大都被丢弃或用作动物饲料。在本发明中，将这种马铃薯副产物改性以用作食品的原材料，从而将丢弃资源转化成增值产品。

将马铃薯浸于碱性溶液中的原因是在高pH条件下更容易从马铃薯中洗脱碱性的水溶性蛋白和脂质，从而提高马铃薯淀粉的纯度。通过将碱性溶液添加至马铃薯中使马铃薯浸入碱性溶液。在这种情况下，优选将马铃薯溶解在碱性溶液中至浓度为10-60％，优选40-50％。马铃薯的浸入实施30分钟至3小时，优选情况下，可以实施30分钟至1小时和30分钟，以最大程度地从马铃薯上洗脱蛋白和脂质。

可使用任何形状的马铃薯。但是，为了使马铃薯淀粉的洗脱最大化，优选将马铃薯切成薄片状。

可使用常规碱制备碱性溶液，但优选使用氢氧化钠(NaOH)制备碱性溶液。碱性溶液浓度可为0.1-0.25％，优选0.15-0.23％。

将马铃薯浸入碱性溶液之后，将其粉碎成马铃薯乳液，然后使用滤网过滤马铃薯乳液。在这种情况中，为了使马铃薯淀粉的洗脱最大化，在添加碱性溶液的同时对未通过滤网的粉碎的马铃薯副产物重复粉碎并过滤。

之后，通过滤网的马铃薯乳液用于制备马铃薯淀粉，未通过滤网的马铃薯副产物用作后续工艺的原材料。此处，马铃薯副产物是含有膳食纤维例如纤维素、半纤维素和木质素、蛋白以及大量淀粉的混合物。

接下来，在马铃薯副产物中添加硫酸钠(Na₂SO₄)、交联剂和碱以进行交联化反应，从而使马铃薯副产物交联(S120)。

在S120中，首先在马铃薯副产物中添加硫酸钠(Na₂SO₄)以防止淀粉的凝胶化。硫酸钠(Na₂SO₄)的添加量是基于马铃薯副产物中淀粉干重的10-12wt％，优选10wt％。

其次，往其中添加交联剂。以99.0-99.9％的三偏磷酸钠(STMP)和0.1-1.0％的三聚磷酸钠(STPP)的混合物作为交联剂。优选交联剂的添加量是基于马铃薯副产物中淀粉干重的8-12wt％。

最后，往其中添加碱至pH为9-13，优选10-12。可使用常规碱，优选氢氧化钠(NaOH)作为所述碱。

pH滴定之后，含有硫酸钠(Na₂SO₄)、交联剂和碱的马铃薯副产物在40-60℃磷酸化1-6小时，优选在55℃磷酸化2-4小时，从而交联马铃薯副产物。具体地，膳食纤维，例如纤维素、半纤维素、木质素等，以及淀粉被交联，从而显著提高不会被体内的消化酶所水解的膳食纤维的总量。

之后，通过往其中添加酸中和经磷酸化交联的马铃薯副产物(S130)。

在这种情况中，可使用常规酸，优选盐酸作为所述酸。

最后，以水洗涤中和的马铃薯副产物并干燥以制备高纯度不溶性马铃薯膳食纤维(S140)。

在S140中，在以水洗涤中和的马铃薯副产物时，重复实施水洗涤以使干燥马铃薯副产物中残留的磷含量为0.32-0.4wt％。

干燥水洗涤的马铃薯副产物以使其水含量为5wt％或更低，如果需要，可粉碎并使用滤网过滤(S150)。由此途径获得的马铃薯膳食纤维具有100-300μm的颗粒直径。

本发明的另一实施方式提供了一种食品组合物，该组合物含有使用本发明所述马铃薯副产物制备的高纯度马铃薯膳食纤维。

在本发明中，通过磷酸化交联将由于膳食纤维含量低而价值低的马铃薯副产物中所含马铃薯淀粉转化成抗性马铃薯淀粉，从而制备膳食纤维总含量显著提高的高纯度马铃薯膳食纤维。因此，使用马铃薯副产物制备的高纯度马铃薯膳食纤维可用作改善肠道蠕动的低热量健康食品的原材料。

此外，本发明所述的高纯度马铃薯膳食纤维可替代小麦粉，并可用于制造不同固体食品例如曲奇、面包、面条等。

在下文中，将参照以下实施例更具体地描述本发明。但是，这些实施例是用于解释本发明，而本发明的范围并不限于此。

[实施例1]分离马铃薯淀粉和用于制备高纯度马铃薯膳食纤维的马铃薯副产物的工艺

在室温下将1200g碎片状的马铃薯(基于含水的原始马铃薯)浸渍入至1200mL的0.2％氢氧化钠(NaOH)溶液1小时，然后在100rpm转速下搅拌以均匀地进行碱性提取。在这种情况下，碱性溶液的pH为11(图2的S210)。

使用粉磨机(BRAUN Power Blend，400Watt)将浸渍的马铃薯重复粉碎三次2分钟，以形成马铃薯乳液(图2的S220)。

将马铃薯乳液用100目的滤网进行筛分(图2的S230)，并在加入碱性溶液的同时将未通过100目滤网的粉碎马铃薯进一步重复粉碎和过滤。将通过100目滤网的马铃薯乳液与1800mL蒸馏水混合，搅拌10分钟，然后在3000rpm转速下离心分离以形成沉淀团。将离心分离所形成的沉淀团干燥然后用作马铃薯淀粉(图2的S240)，未通过滤网的马铃薯副产物用于后续的交联反应中。

[实施例2]使用马铃薯副产物制备高纯度马铃薯膳食纤维的工艺

提供180g通过实施例1工艺所分离的马铃薯副产物(图2的S250)，与150mL水混合，然后搅拌形成悬浮液。将悬浮液与10％硫酸钠和12％三偏磷酸钠和三聚磷酸钠混合，然后以4％氢氧化钠滴定以形成pH为11.5的混合物(图2的S260)。

将混合液在50℃磷酸化3小时，然后在反应产物中添加3.65％盐酸以中和反应产物至pH为6.5(图2的S270)。之后，将中和的反应产物以蒸馏水洗涤三次(图2的S280)，离心分离，40℃干燥(图2的S285)，粉碎(图2的S290)，然后通过100目的滤网(图2的S295)，以使用马铃薯副产物制备高纯度马铃薯膳食纤维。

[实施例3]测量高纯度马铃薯膳食纤维中含有的膳食纤维总量的方法

测量实施例2中制备的高纯度马铃薯膳食纤维的膳食纤维总量，然后通过官方农业化学家协会(AOAC)所用的分析方法进行分析。

将1.0g样品分散在40mL的pH为6.0的磷酸缓冲液中。分散的样品反应15分钟，同时将0.1mL淀粉酶(热稳定α-淀粉酶，Cat No.A-3306，Sigma)加入沸水浴中然后搅拌，并立即冷却至室温以形成第一反应产物。之后，在第一反应产物中添加氢氧化钠(0.275N)以使第一反应产物pH为7.5，然后在添加0.1mL(50mg/mL磷酸缓冲液)蛋白酶之后将第一反应产物在60℃恒温振荡器中反应30分钟以形成第二反应产物。

之后，在第二反应产物中添加盐酸(0.325M)以使第二反应产物pH为4.0-4.6，然后在添加0.1mL淀粉葡糖苷酶(Cat No.A-9913，Sigma)之后将第二反应产物在60℃反应30分钟以形成第三反应产物。之后，为了终止反应，在第三反应产物中添加乙醇以使总醇浓度为80％，然后将第三反应产物搁置1小时。然后，以填充之前经干燥和测量的硅藻土的坩埚(2G3，IWAKI)过滤第三反应产物。以95％乙醇和78％丙酮清洗残留在坩埚中的样品，将不溶残留物在105±0.1℃的炉中干燥16小时，然后测量其重量以使用过滤前后之间的坩埚重量差计算膳食纤维总含量。结果如下表1所示。

表1

类别	灰分	淀粉	粗蛋白	粗脂肪	总膳食纤维	总计
							马铃薯	4.991	74.382	10.809	1.057	8.761	100.000
马铃薯淀粉	0.183	95.425	0.366	0.636	3.391	100.001
							马铃薯副产物	2.480	81.802	3.392	0.475	11.851	100.000
高纯度马铃薯膳食纤维	5.198	8.313	0.593	0.257	85.639	100.000

如表1所示，马铃薯副产物的膳食纤维总含量为11.8％，且马铃薯淀粉的膳食纤维总含量为3.3％，而高纯度马铃薯膳食纤维的膳食纤维总含量为85％。因此，从表1可看出高纯度马铃薯膳食纤维的膳食纤维总含量明显提高了。

发现这样的结果是由于磷酸化造成的交联键合高效地发生在淀粉支链之间、纤维素链之间、或淀粉支链和纤维素链之间，从而提高了膳食纤维总含量。

[实施例4]高纯度马铃薯膳食纤维的凝胶化特性的分析

使用差示扫描热量计(DSC，SII，SSC/5200H，Seiko Co.，日本)分析实施例2制备的高纯度马铃薯膳食纤维的特性。即，通过将10mg样品与30mg水混合，维持水平衡2小时，然后在5℃/分钟速率下将样品溶液从25℃加热至130℃来分析高纯度马铃薯膳食纤维的特性。

下表2给出了高纯度马铃薯膳食纤维的分析凝胶化起始温度、凝胶化最高温度、凝胶化终止温度和凝胶化热量。

表2

如表2所示，马铃薯、马铃薯淀粉、马铃薯副产物和高纯度马铃薯膳食纤维的凝胶化起始温度分别是59.44℃、54.80℃、57.94℃和59.31℃，高纯度马铃薯膳食纤维的凝胶化起始温度高于马铃薯淀粉的凝胶化起始温度。高纯度马铃薯膳食纤维的凝胶化最高温度和凝胶化终止温度相对于马铃薯淀粉的也显示出相同趋势。经分析这样的结果是由于造成高纯度马铃薯膳食纤维的磷酸化反应的交联键合提高了淀粉和膳食纤维的结晶度。

然而，高纯度马铃薯膳食纤维的凝胶化热量的焓(ΔH)是10.64J/g，而马铃薯淀粉的是13.99J/g(图3)。因此，可以看出高纯度马铃薯膳食纤维不再凝胶了。

[实施例5]高纯度马铃薯膳食纤维的糊化特性的分析

使用快速粘性分析仪(RVA-4，Newport Scientific，悉尼，澳大利亚)分析高纯度马铃薯膳食纤维的糊化特性。将2.24g样品溶解在蒸馏水中以形成28g的8％溶液。以6℃/分钟速率将溶液从50℃加热至95℃，在95℃保持5分钟，然后冷却至50℃，从而观察溶液粘性的变化。

图4显示了马铃薯、马铃薯淀粉、马铃薯副产物和高纯度马铃薯膳食纤维的的糊化特性。从图4可以看出，由于磷酸化反应导致的淀粉和膳食纤维的交联，高纯度马铃薯膳食纤维未膨胀。这样的结果是由抗性淀粉(RS3型)通过化学反应所导致的。因此，可以看出组成马铃薯副产物的马铃薯淀粉被转化成了抗性马铃薯淀粉。

如上所述，本发明的优势在于通过磷酸化交联将由马铃薯制备马铃薯淀粉工艺得到的马铃薯副产物转化成抗性淀粉从而制备膳食纤维总含量显著提高的高纯度马铃薯膳食纤维，并且高纯度马铃薯膳食纤维可以被用作食品原材料以作为膳食纤维源。

而且，本发明的优势在于通过磷酸化交联被丢弃或用作动物饲料的马铃薯副产物来制备高纯度马铃薯膳食纤维，由于它的强价格竞争力，高纯度马铃薯膳食纤维可用于食品组合物中并应用于众多领域，由此创造新的市场。

尽管是为示例性目的而公开本发明的优选实施方式，但是本领域技术人员可理解，在不偏离所附权利要求公开的本发明的范围和实质的情况下，多种修改、添加和替换都是可以的。

Claims (10)

1.一种制备高纯度马铃薯膳食纤维的方法，该方法包括如下步骤：

a)提供在马铃薯淀粉制备时所产生的马铃薯副产物；

b)通过在所述马铃薯副产物中添加硫酸钠、交联剂和碱来使所述马铃薯副产物交联；

c)通过在交联的马铃薯副产物中添加酸来中和交联的马铃薯副产物；和

d)清洗和干燥中和的马铃薯副产物。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述高纯度马铃薯膳食纤维的膳食纤维总含量为80％或更高。

3.如权利要求1所述的方法，该方法还包括以下步骤：e)粉碎清洗和干燥的马铃薯副产物。

4.如权利要求3所述的方法，其中，粉碎的马铃薯副产物具有100-300μm的颗粒直径。

5.如权利要求1所述的方法，其中，步骤a)包括添加碱性溶液至马铃薯以使马铃薯溶解在碱性溶液中至浓度为10-60％。

6.如权利要求1所述的方法，其中，硫酸钠的添加量是基于马铃薯副产物中淀粉干重的10-12wt％。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述交联剂是三偏磷酸钠和三聚磷酸钠的混合物，且交联剂的添加量是基于所述马铃薯副产物中淀粉干重的8-12wt％。

8.如权利要求1所述的方法，其中，步骤b)在40-55℃进行1-6小时。

9.如权利要求1所述的方法，其中，进行步骤d)以使干燥的马铃薯副产物中残留的磷含量为0.32-0.4wt％。

10.一种食品组合物，该组合物含有由权利要求1-9中任意一项所述的方法制备的高纯度马铃薯膳食纤维。

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