CN106235301A - 一种功能性淀粉及其制备方法和应用 - Google Patents
一种功能性淀粉及其制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种功能性淀粉及其制备方法和应用，属于淀粉非化学改性及精深加工领域。该方法是以淀粉为原料，通过酶水解及高速剪切耦合方法将淀粉与酚类物质复合，得到慢消化和抗消化功能性淀粉。本发明可显著提高淀粉或淀粉类食品的慢消化和抗消化淀粉含量。本发明加工方法简单，所得功能性淀粉产品，可运用于食品添加剂、靶向控释载体材料和用于预防慢性疾病的功能食品等领域。
Description
技术领域
一种制备功能性淀粉及其制备方法和应用，属于淀粉非化学改性与精深加工领域。特别涉及一种酶法与高速剪切耦合制备功能性淀粉，并将其作食品添加剂、靶向控释载体材料和用于预防慢性疾病的功能食品等领域。
背景技术
随着现代社会生活节奏、食物构成以及饮食习惯的改变，肥胖症、糖尿病、心血管疾病等慢性代谢疾病的发病率逐年增加，已成为全球性重大的公共卫生问题。根据世界卫生组织发布的最新数据显示：全球肥胖症患者超过3亿人，糖尿病患者超过2亿。我国慢性代谢疾病的发病率也在逐年增加，2009年我国慢性病病例已达到2.6亿，其中肥胖超过9000万，糖尿病总数约为5000万。慢性疾病对人体健康危害程度大，但公众重视程度低，治疗率不高，已成为我国最主要的公共卫生与人体健康问题之一。
淀粉作为主要的膳食碳水化合物，是人类的主要能量来源。人体血糖和胰岛素应答主要取决于食品中淀粉的消化速率，其餐后的生理代谢反应与人体的健康水平密切相关。根据在体外模拟消化特性和淀粉的消化速率，英国学者Englyst等将淀粉分为三类：快消化淀粉(Rapidly digestiable starch,RDS)，指20min内在口腔和小肠中被消化吸收的淀粉；慢消化淀粉(Slowly digestiable starch,SDS)，指20～120min内在小肠中被完全消化吸收的淀粉；抗消化淀粉(Resistant starch,RS)，指120min内在小肠中不被消化吸收，最终在结肠中被微生物发酵利用的淀粉。与RDS相比，SDS含量高的食物属低血糖生成指数(glycemic index,GI)食品，可改善餐后血糖负荷，维持餐后血糖稳定，提高机体对胰岛素的敏感性；RS含量高的食物可维持饱腹感，促进肠道蠕动，可作为肥胖人群节食减肥的产品，同时，RS在人体结肠部位发酵产生的短链脂肪酸有利于改善肠道的微生物菌群，抑制致病菌的生成。SDS与RS能预防和治疗肥胖、糖尿病、心血管疾病等慢性代谢综合症，研究与开发高含量的SDS和RS功能性膳食食品已成为国内外食品科学界的热点之一。
目前，制备慢消化或抗消化淀粉的方法有物理改性(湿热处理、高温高压处理、微波加热等)、酶法改性(普鲁兰酶脱支)、化学改性(辛烯基琥珀酸酯化改性等)、复合改性(酶法-物理法、物理法-化学法等)。Singh J.等在“食品体系中淀粉消化性研究”(Singh J,Dartois A,Kaur L,Starch digestibility in food matrix:a review,Trends in FoodScience&Technology,2010,21(4):168-180.)一文中介绍：淀粉的羟丙基化、辛烯基琥珀酸酯化以及热处理能有效降低快消化淀粉含量；Huang T.T.等人在“马铃薯淀粉脱支和脱支协同湿热处理对结构及消化性变化影响”(Huang T T,Zhou D N,Jin Z Y,et al,Effectof debranching and heat-moisture treatments on structural characteristics anddigestibility of sweet potato starch,Food chemistry,2015,187:218-224.)一文中指出：普鲁兰酶脱支及其与湿热协同处理均能降低快消化淀粉，同时调控马铃薯慢消化与抗消化淀粉含量。申请号为CN 200710131771.4公开了“一种高温稳定性慢消化淀粉的生产方法及其应用”，淀粉原料经糊化处理，加入商用普鲁兰酶和α-淀粉酶脱支，保藏重结晶，得到慢消化淀粉含量大于50％；申请号为CN 201310239106.2公开了“一种用苹果酸改性制备慢消化淀粉的方法”，苹果酸与淀粉复配，经搅拌、干燥、高温高压反应得到苹果酸酯化淀粉，有效提高了慢消化淀粉含量；申请号为CN 201310590726.0公开了“一种含有慢消化和抗性淀粉食品原料的加工方法”，该发明的淀粉或含淀粉食品与脂肪酸混合，经高温处理冷却后得到的产品富含慢消化与抗消化淀粉。传统制备慢消化或抗消化淀粉多以高温高压、重结晶或改变淀粉本身结构为手段，但忽视了食品原料本身的一些组分(如酚类物质)在加工处理中对淀粉消化性的影响。
没食子酸、没食子儿茶素没食子酸酯、表儿茶素、表没食子儿茶素等天然存在的一些酚类物质广泛存在于浆果、茶叶、谷物类食品中，该类物质具有降血脂、抗氧化、抗肿瘤和抑制酶活性等多种活性。在食品加工过程中，随着细胞壁的破坏和细胞液的流出，酚类物质往往会与淀粉或淀粉类食品作用而影响其物理化学性质。F.Barros等在“鞣酸和高粱酚类物质对淀粉体外消化性研究”(F.Barros,J.M.Awika and L.W.Rooney,Interaction oftannins and other sorghum phenolic compounds with starch and effects on invitro starch digestibility,Journal of agricultural and food chemistry,2012,60,11609-11617.)一文中表明：鞣酸和高粱酚类物质降低了淀粉的消化性能，有效提高慢消化与抗消化淀粉的含量；Camelo M.等人在“墨西哥蓝玉米花青素对淀粉消化性影响”(Camelo-Méndez G A,Agama-Acevedo E,Sanchez-Rivera M M,et al,Effect on invitro starch digestibility of Mexican blue maize anthocyanins,Food Chemistry,2016,211:281-284.)一文中认为：花青素抑制了淀粉酶活性并且提高了玉米淀粉中慢消化和抗消化淀粉的含量；此外，Forester,S.C.等人用儿茶素喂养小鼠后发现淀粉的消化速率降低，解释为儿茶素抑制淀粉酶活性，从而导致淀粉消化性能的改变。目前，利用多酚抑制淀粉酶活性而降低淀粉的消化性能的研究倍受关注。传统制备慢消化或抗消化淀粉多以高温高压、重结晶或改变淀粉本身结构为手段，工艺复杂，成本高、产率低；其次，大多研究者只将多酚物质与淀粉简单物理混合，未对多酚类物质进行保护。而大多利用酚类物质调控淀粉消化性能的研究者忽略了外界环境对酚类物质的破坏作用，比如大多酚类物质对光、热、氧气等不稳定，特别是在人体内环境中遭受胃酸、肠道微生物和酶的破坏作用，使得酚类物质很难长时间保持活性从而定向调控淀粉中慢消化与快消化淀粉的含量。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术生产慢消化和抗消化淀粉的不足，采用一种工艺简单、技术先进、安全性高的加工方法，提供一种营养价值高、血糖生成指数低、消化速率缓慢的功能性淀粉。由于对多酚类物质的稳定性进行保护将有助于淀粉消化性能的定向调控。本发明利用淀粉酶对淀粉颗粒进行适度水解的基础上，利用高速剪切的方式使多酚物质负载在淀粉颗粒的孔道中，赋予其稳定性的同时，达到调控淀粉消化的目的。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种功能性淀粉的制备方法，以淀粉为原料，利用天然酚类物质及α-淀粉酶，通过酶水解及高速剪切耦合方法得到慢消化和抗消化功能性淀粉。具体包括以下步骤：
用pH为4.0～7.0的磷酸盐缓冲溶液将谷类淀粉配制成质量浓度为3％～25％淀粉乳，在30～40℃下α-淀粉酶酶解3～12min，加入70％乙醇灭酶处理，之后加入淀粉质量35％～80％的酚类物质，高速剪切20～60min，用蒸馏水洗涤、干燥，粉碎，过筛即制得功能性淀粉。发明步骤中淀粉经酶解与酚类物质高速剪切后，使得酚类物质进入到淀粉颗粒内部，与淀粉分子相互作用，颗粒表面残留的酚类物质用蒸馏水洗涤除去。
所述α-淀粉酶的添加量为淀粉质量的1％～35％。更优选的，所述α-淀粉酶的添加量为淀粉质量的10％～35％。
所述酚类物质为没食子酸、儿茶素、槲皮素和绿原酸中一种或两种以上。
所述酚类物质的添加量为50％～80％。
所述淀粉为蜡质玉米淀粉、普通玉米淀粉、高粱淀粉和小麦淀粉中的一种或两种以上。
所述高速剪切的速率为3000～6000rpm。
上述方法制备的功能性淀粉可用作食品添加剂，或者用作靶向控释载体材料，或者用于预防慢性疾病的功能食品。
本发明用磷酸盐缓冲溶液调节淀粉乳的pH值，经α-淀粉酶处理后，易于酚类物质与淀粉颗粒充分混合作用，使其深入到淀粉颗粒内部并与淀粉分子相互作用，形成稳定的复合负载体系。其处理结果会使得淀粉颗粒结构更为紧密(用于表示短程有序结构的红外吸收峰强度比例增大0.0323～0.1132，SAXS分形维数增大0.28～0.88)，且在消化过程中不易被淀粉酶与葡萄糖苷酶作用；同时保障多酚物质在加工过程中的稳定性。因此，本发明通过与天然存在的酚类物质复合，显著提高淀粉或淀粉类食品的慢消化和抗消化淀粉含量，产品在功能性食品、保健品等加工领域均可广泛应用，容易实现工业化生产。
采用Englyst方法测定淀粉或淀粉类食品中快消化淀粉、慢消化淀粉和抗性淀粉含量，经过物理或物理生物协同法制备得到的产品中慢消化和抗消化淀粉含量总和为改性前的2～8倍，可运用于烘焙食品、调味品、功能性食品、保健品、口服靶向控释薄膜包衣材料和预防慢性疾病的病发等加工领域。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明采用普通谷物类淀粉或淀粉类食品为生产原料，来源广，不受产地和季节限制，且加工工艺简单、技术先进、安全性高，能广泛应用于食品加工过程中。
(2)本发明采用物理生物协同法改性加工技术，结合天然存在、安全无毒的没食子酸、儿茶素、槲皮素、绿原酸等酚类物质，制备得到始终保持淀粉颗粒结构的产品，显著提高慢消化和抗消化淀粉的含量，是一种绿色环保、实用性能强的淀粉非化学改性与精深加工方法。
(3)本发明所形成的淀粉-酚类物质复配物中酚类物质进入到淀粉颗粒内部，提高了酚类物质的稳定性，形成的复合物不仅提高慢消化和抗消化淀粉的含量，并且酚类物质能够作为抗氧化剂清除体内的自由基，对于人体抗氧化、抗衰老、抗肿瘤等均有一定的功效。
(4)本发明开发的产品是一种营养价值高、消化速率缓慢、血糖生成指数低的淀粉精深加工产品，既可作为添加剂应用于食品加工中，也可作为靶向控释载体材料和预防慢性疾病的功能食品开发。
附图说明
图1为实施例1～6所得到的慢消化和抗消化淀粉总量与原淀粉的慢消化和抗消化淀粉总量对比图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明的实施方式并不仅仅局限于实施例表述的范围。
实施例1
称取10g(干重)普通玉米淀粉，加入100mL pH为4.0的磷酸盐缓冲溶液和0.1gα-淀粉酶于30℃酶解3min，加入50mL 70％乙醇溶液灭酶处理；之后在室温下，加入淀粉干基质量35％的没食子酸，3000rpm转速混合20min；200mL蒸馏水洗涤三次。离心后35℃干燥物料，粉碎，过筛，得到较高含量的慢消化和抗消化淀粉产品。
采用Englyst方法测定样品的消化性能，慢消化与抗消化淀粉含量总和为28.30±0.75％；而没有经过处理的对照样品中慢消化与抗消化淀粉含量总和为13.21±0.43％，说明该加工方法能显著提高慢消化和抗消化淀粉的含量，适于功能食品的加工和制造。
实施例2
称取15g(干重)蜡质玉米淀粉，加入100mL pH为4.0的磷酸盐缓冲溶液和1.5gα-淀粉酶于37℃酶解6min，加入50mL 70％乙醇溶液灭酶处理；之后在室温下，加入淀粉干基质量50％的绿茶提取物(主要成分为儿茶素)，4000rpm转速混合30min；200mL蒸馏水洗涤三次。离心后40℃干燥物料，粉碎，过筛，得到较高含量的慢消化和抗消化淀粉产品。
采用Englyst方法测定样品的消化性能，慢消化与抗消化淀粉含量总和为36.30±0.46％；而没有经过处理的对照样品中慢消化与抗消化淀粉含量总和为10.35±0.67％，说明该加工方法能显著提高慢消化和抗消化淀粉的含量，适于功能食品的加工和制造。
实施例3
称取10g(干重)普通玉米淀粉，加入80mL pH为4.0的磷酸盐缓冲溶液和0.8gα-淀粉酶于30℃酶解5min，加入45mL 70％乙醇溶液灭酶处理；之后在室温下，加入淀粉干基质量40％的绿原酸，4000rpm转速混合20min；200mL蒸馏水洗涤三次。离心后35℃干燥物料，粉碎，过筛，得到较高含量的慢消化和抗消化淀粉产品。
采用Englyst方法测定样品的消化性能，慢消化与抗消化淀粉含量总和为31.46±0.39％；而没有经过处理的对照样品中慢消化与抗消化淀粉含量总和为13.21±0.43％，说明该加工方法能显著提高慢消化和抗消化淀粉的含量，适于功能食品的加工和制造。
实施例4
称取16g(干重)蜡质玉米淀粉，加入60mL pH为4.0的磷酸盐缓冲溶液和1.92gα-淀粉酶于37℃酶解4min，加入40mL 70％乙醇溶液灭酶处理；之后在室温下，加入淀粉干基质量55％的槲皮素，5000rpm转速混合45min；200mL蒸馏水洗涤三次。离心后40℃干燥物料，粉碎，过筛，得到较高含量的慢消化和抗消化淀粉产品。
采用Englyst方法测定样品的消化性能，慢消化与抗消化淀粉含量总和为49.77±0.19％；而没有经过处理的对照样品中慢消化与抗消化淀粉含量总和为10.35±0.67％，说明该加工方法能显著提高慢消化和抗消化淀粉的含量，适于功能食品的加工和制造。
实施例5
称取20g(干重)高粱淀粉，加入100mL pH为4.0的磷酸盐缓冲溶液和4gα-淀粉酶于37℃酶解8min，加入60mL 70％乙醇溶液灭酶处理；4000rpm转速下离心5min，之后在室温下，加入淀粉干基质量30％的没食子酸和30％的槲皮素，5000rpm转速混合40min；200mL蒸馏水洗涤三次。离心后40℃干燥物料，粉碎，过筛，得到较高含量的慢消化和抗消化淀粉产品。
采用Englyst方法测定样品的消化性能，慢消化与抗消化淀粉含量总和为44.30±0.81％；而没有经过处理的对照样品中慢消化与抗消化淀粉含量总和为8.33±0.76％，说明该加工方法能显著提高慢消化和抗消化淀粉的含量，适于功能食品的加工和制造。
实施例6
称取15g(干重)小麦淀粉，加入50mL pH为4.0的磷酸盐缓冲溶液和5.25gα-淀粉酶于37℃酶解12min，加入50mL 70％乙醇溶液灭酶处理；之后在室温下，加入淀粉干基质量40％的绿茶提取物(主要成分为儿茶素)和40％的绿原酸，6000rpm转速混合60min；200mL蒸馏水洗涤三次。离心后45℃干燥物料，粉碎，过筛，得到较高含量的慢消化和抗消化淀粉产品。
采用Englyst方法测定样品的消化性能，慢消化与抗消化淀粉含量总和为52.45±0.53％；而没有经过处理的对照样品中慢消化与抗消化淀粉含量总和为7.64±0.21％，说明该加工方法能显著提高慢消化和抗消化淀粉的含量，适于功能食品的加工和制造。
Claims (10)
1.一种功能性淀粉的制备方法，其特征在于，以淀粉为原料，利用天然酚类物质及α-淀粉酶，通过酶水解及高速剪切耦合方法得到慢消化和抗消化功能性淀粉。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
用pH为4.0～7.0的磷酸盐缓冲溶液将谷类淀粉配制成质量浓度为3％～25％淀粉乳，在30～40℃下α-淀粉酶酶解3～12min，加入70％乙醇灭酶处理，之后加入淀粉质量35％～80％的酚类物质，高速剪切20～60min，用蒸馏水洗涤、干燥，粉碎，过筛即制得功能性淀粉。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述α-淀粉酶的添加量为淀粉质量的1％～35％。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述α-淀粉酶的添加量为淀粉质量的10％～35％。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的制备方法，其特征在于，所述酚类物质为没食子酸、儿茶素、槲皮素和绿原酸中一种或两种以上。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述酚类物质的添加量为50％～80％。
7.根据权利要求1或2或3或4所述的制备方法，其特征在于，所述淀粉为蜡质玉米淀粉、普通玉米淀粉、高粱淀粉和小麦淀粉中的一种或两种以上。
8.根据权利要求1或2或3或4所述的制备方法，其特征在于，所述高速剪切的速率为3000～6000rpm。
9.权利要求1～8任意一项方法制备的功能性淀粉。
10.权利要求9所述功能性淀粉的应用，其特征在于，该淀粉用作食品添加剂，或者用作靶向控释载体材料，或者用于预防慢性疾病的功能食品。
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