CN112674209A - 一种制备乙酰化淀粉能提高发酵丁酸产量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备乙酰化淀粉能提高发酵丁酸产量的方法，涉及食品、保健品、宠物饲料和畜牧养殖饲料领域。本方法是：选用淀粉来源于土豆、玉米、木薯，取代试剂为乙酸酐，调节pH试剂为0.1mol/L NaOH溶液和0.1mol/L HCL溶液，乙酰基团浓度0.5～2.5%；本发明通过优化的乙酰化取代法将淀粉转化为乙酰化淀粉，补充人和动物食物和日粮中摄入不足的日粮纤维；本发明适用：A、添加到健康人日常食品和保健食品如烘焙食品、肉制品、乳制品等；B、用于糖尿病、肥胖、心脑血管疾病、高血脂、消化系统疾病等慢性病食疗中；C、添加到宠物食品和宠物保健品中添加；D、用于畜牧养殖饲料中。

Description

一种制备乙酰化淀粉能提高发酵丁酸产量的方法

技术领域

本发明涉及食品、保健品、宠物饲料和畜牧养殖饲料领域，尤其涉及一种制备乙酰化淀粉能提高发酵丁酸产量的方法。

背景技术

乙酰化变性淀粉是指在一定条件下，淀粉上的羟基与乙酸酐或者乙烯乙酸酯发生取代反应，由于糖苷键改变，并且取代基团能够对消化酶产生空间斥力，因而产生的一种抗性淀粉。抗性淀粉指被动物食用120min后，仍不能被水解成葡萄糖，因而进入动物大肠后被菌群发酵的淀粉，从而发挥与日粮纤维类似的生理作用，促进益生菌的生长与活性，发酵产生的丁酸能减少结肠癌的发生；同时抗性淀粉能降低血糖以及胆固醇，减少一些代谢疾病的发生；抗性淀粉摄入后因其能量释放特点以及增加肠道激素分泌，因而可以实现对能量与体重的控制；由于抗性淀粉是不易消化的淀粉，能通过减少胰岛素的分泌与胆固醇的合成，从而减少胆结石的发生；在矿物质的吸收中也能发挥有利作用；抗性淀粉还能减少炎性肠病(如溃疡性结肠炎)以及其它大肠问题(如憩室炎和便秘)的发生。

抗性淀粉的生理作用与其理化性质密切相关：抗性淀粉的水溶性和水合特性比较差，因而对饱腹感和采食量的影响较小；但是抗性淀粉发酵特性比较好，发酵速度适宜；快速发酵特征的纤维具有短期和长期调控采食量的效果，并能有效改善肠道的菌群结构，在随粪便排出前能被充分发酵，产生更高浓度的短链脂肪酸，但如果产酸过快，可能来不及到后肠就被吸收，同时也可能是可发酵部分过少导致的发酵速率快；而慢速发酵特征的纤维可能在大肠中未被完全发酵就随粪便排出；因而发酵速度适中的抗性淀粉可能表现出更好的生理作用；抗性淀粉能被大肠中的厌氧菌发酵成短链脂肪酸，降低肠道内的pH，抑制革兰氏阴性菌如常见的沙门氏菌和大肠杆菌的生长；同时也可以选择性改变一些菌群的丰度，因而能改变肠道菌群结构。

具有良好发酵特性的抗性淀粉往往具有以下好处：

1、发酵后产生大量短链脂肪酸，能够降低肠道食糜和粪便中的pH值，而肠腔内较低的pH能抑制肠道内病原菌的生长、提高矿物元素的吸收率，可能降低结肠癌的风险。

2、产生的短链脂肪酸主要为乙酸、丙酸与丁酸：乙酸可以作为棕榈酸和胆汁酸合成的底物以及乳腺脂肪酸合成的前体发挥作用，丙酸也能进入肝脏中参与奇数碳脂肪酸的从头合成，提高胰岛素的敏感性，同时也可以作为甘油代谢的前体物，影响乳脂合成，丁酸也能作为棕榈酸和胆汁酸合成的底物发挥作用；作为能量来源，乙酸能进入到血液中通过氧化为肌肉组织活动提供能量，从而减少脂肪组织的分解，因此降低游离脂肪酸的释放，提高胰岛素敏感性；而丙酸可作为糖异生的底物，在肝脏中进行糖异生产生葡萄糖，这个过程会提高机体葡萄糖耐受和胰岛素敏感性，丁酸通常可以作为结肠上皮细胞的能量来源，为肠上皮细胞提供所需总能量的70％，而抗性淀粉的能量价值很低，富含抗性淀粉的日粮可减少胰岛素分泌，潜在增强脂肪的动员与利用；同时乙酸还能作为信号分子通过血脑屏障作用于下丘脑从而降低食欲。

3、丁酸还能提高母猪分娩后的肠道屏障功能，降低血液LPS水平和系统性炎症，从而改善分娩后母猪的胰岛素敏感性；丁酸也能提高产丁酸菌-罗氏菌属等有益菌在仔猪肠道中的富集，降低条件性致病菌的相对丰度，改变仔猪早期肠道菌群组成，提高仔猪肠道的屏障功能，降低断奶腹泻，提高生长性能。

总之，发酵性良好、发酵产丁酸多的抗性淀粉能从长期和短期调控机制方面调控人和动物的肠道健康，在人和动物的肠道中被微生物充分发酵，产生大量短链脂肪酸，尤其是丁酸，以合成底物、能量供体、信号分子等形式发挥生理功能，通过多种机制在肠道发挥着积极作用。然而，当前市面上销售的日粮纤维产品主要以产丁酸较少的日粮纤维为主，存在发酵速率过快或过慢、产丁酸不足等问题，在摄入后无法被充分发酵以及完全发挥丁酸的有益作用，从而影响效果，所以改善抗性淀粉的发酵特性与发酵产丁酸能力有助于其在人食品、保健品和食疗，宠物与畜牧养殖饲料中的使用效果。

发明内容

针对现有产品存在的问题，本发明的目的是提供一种制备乙酰化淀粉能提高发酵丁酸产量的方法。

为实现上述的发明目的，本发明的技术方案如下：

选用淀粉来源于土豆、玉米、木薯，取代试剂为乙酸酐，调节pH试剂为0.1mol/LNaOH溶液和0.1mol/L HCL溶液，乙酰基团浓度0.5～2.5％；

包括以下步骤：

①将淀粉缓慢加入蒸馏水中，使淀粉和蒸馏水的质量体积比保持在1：4～1：2之间，然后采用0.1mol/L的NaOH溶液将淀粉浆液pH调整到8.0～9.0之间；

②在室温下搅拌10min，然后缓慢加入一定质量的乙酸酐，保持淀粉和乙酸酐的质量体积在15：1～3：1之间；

③采用水浴加热的方法维持反应体系温度在50～60℃，在恒定的温度下加热使反应进行80min；

④向其中加入0.1mol/L的HCl，调整pH到4.0～4.5终止反应；

⑤用足量的蒸馏水洗涤后离心，然后在40℃烘干，即获得乙酰化变性淀粉。

工作机理及创新点：

1、本发明提供的淀粉是发酵产丁酸多的乙酰化变性淀粉(取代度0.5～2.5％)时，补充人和动物食物和日粮中摄入不足的日粮纤维，尤其是发酵产丁酸多的抗性淀粉组分。

2、本发明本发明提供的淀粉是发酵产丁酸多的乙酰化变性淀粉具有较强的发酵产丁酸能力，如乙酰化土豆淀粉体外发酵48小时后生成短链脂肪酸总量为66.73mmol/L，产丁酸量为14.01mmol/L；乙酰化玉淀粉体外发酵48小时后生成短链脂肪酸总量为43.40mmol/L，产丁酸量为10.92mmol/L；乙酰化木薯淀粉体外发酵48小时后生成短链脂肪酸总量为54.04mmol/L，产丁酸量为11.22mmol/L。

3、本发明的制备方法是乙酰化取代法，乙酰化试剂为乙酸酐，反应条件为：淀粉溶液的浓度在25～50％之间，淀粉和乙酸酐质量体积比为15：1～3：1反应时间为80min，反应温度在50～60℃。乙酰化取代淀粉在生产工艺方面可行性较高；本方法制备的乙酰化淀粉可以改善淀粉原料原有的水合特性，提高抗性淀粉含量，从而在体外发酵中产生较多的短链脂肪酸。

4、本发明对淀粉特性进行优化，旨在使抗性淀粉取得更好的发酵特性。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

本发明通过优化的乙酰化取代法将淀粉转化为乙酰化淀粉，补充人和动物食物和日粮中摄入不足的日粮纤维，尤其是发酵产丁酸多的抗性淀粉组分，因发酵速率适宜而在肠道内得以充分发酵，而产生的包括丁酸在内的短链脂肪酸以多种方式调控肠道的健康。

A、添加到健康人日常食品和保健食品如烘焙食品、肉制品、乳制品等；

B、用于糖尿病、肥胖、心脑血管疾病、高血脂、消化系统疾病等慢性病食疗中；

C、添加到宠物食品和宠物保健品中添加；

D、用于畜牧养殖饲料中。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明详细说明。

一、实施例

1、实施例1：土豆

制备乙酰化淀粉：按乙酰化淀粉制备过程将土豆淀粉转化为乙酰化淀粉。乙酸酐的添加量为2.7％，淀粉含量为20.0％，温度为50℃，反应时间为80min。测得此乙酰化淀粉的乙酰基团浓度为0.66％。

2、实施例2：玉米

制备乙酰化淀粉：按乙酰化淀粉制备过程将玉米淀粉转化为乙酰化淀粉。乙酸酐的添加量为3％，淀粉含量为20.0％，温度为50℃，反应时间为80min。测得此乙酰化淀粉的乙酰基团浓度为0.86％。

3、实施例3：木薯

制备乙酰化淀粉：按乙酰化淀粉制备过程将木薯淀粉转化为乙酰化淀粉。乙酸酐的添加量为3％，淀粉含量为20.0％，温度为50℃，反应时间为80min。测得此乙酰化淀粉的乙酰基团浓度为0.46％。

二、实验结果

1、实验目的：分别测定乙酰化淀粉体外发酵产酸特性

2、试验过程：

1)乙酰化变性淀粉体外消化前处理：该体外发酵程序由Noack等人建立(Noack,Timm,Hospattankar,&Slavin,2013)，在此基础上有一点改进；在磁力搅拌器不断搅拌下，将3g样品在37℃的300mL磷酸盐缓冲液(20mM，含10mM NaCl，pH 6.9)中混合；加入α-淀粉酶(0.25mLα-淀粉酶，200uL/mL，1mM CaCl₂；Yuanye Bio S10005)，然后搅拌15min，使用HCL调节pH到2.0±0.1；加入1.25ml生理盐水(15.5mM NaCl＝0.9g/L)溶解的猪胃蛋白酶(1mg/mL；Sigma Aldrich P7012)，然后搅拌30min，使用NaOH调节pH到6.9±0.1；加入5mL猪胰酶(17mg/g底物＝510mg，50mg/mL溶液；Sigma Aldrich P7545),孵育180min。收集残余物并冷冻干燥；保留消化残余物，用于体外发酵。

2)发酵接种物的制备：为减少动物之间的差异，将湖北省生猪精准饲养和饲料安全技术工程实验室的三只妊娠母猪(长白-大白)的粪便混合用来发酵纤维，从而制备接种物；在厌氧条件下直接从动物上采集粪样，放置在预热的CO2填充容器中，以便转移到实验室。然后，对粪样进行称重，以通常样本5倍重量的比例加入预热(39℃)、厌氧、无菌的生理盐水(9g/L NaCl)进行稀释；使用手动混合器将稀释后的物料均质化60s，而后沿着两个方向上都有16条/厘米线的双层纱布过滤。将接种物分装到带有基质和培养基的预热瓶中。

3)体外发酵实验：使用Ankom系统(Ankom Technology Corporation,Fairport,NY,USA)进行发酵，该系统由250毫升容量的瓶子组成，装有压力和温度传感器以确定气体的产生；将冷冻干燥的样品(350mg)用60mL接种物孵育，39℃水浴48h(每个样品一式三份孵育)。

分析发酵残余物的SCFA，使用气相色谱仪分析乙酸，丙酸，丁酸。

4)实验结果：

4.1)以麸皮作为对照，对麸皮做相同的处理与测定，测得的乙酰化土豆淀粉发酵产短链脂肪酸结果如表1所示。

表1体外发酵48h后短链脂肪酸产量

^a,b相同列不同字母表示P<0.05。

由结果可以知，制得的乙酰化土豆淀粉发酵后产生的乙酸、丙酸、丁酸和总短链脂肪酸均显著高于麸皮，表明具有良好的发酵产短链脂肪酸能力，尤其是发酵产丁酸能力。

4.2)以麸皮作为对照，对麸皮做相同的处理与测定，测得的乙酰化玉米淀粉发酵产短链脂肪酸结果如表2所示。

表2体外发酵48h后短链脂肪酸产量

^a,b相同列不同字母表示P<0.05。

由结果可以知，制得的乙酰化玉米淀粉发酵后产生的乙酸、丙酸、丁酸和总短链脂肪酸均显著高于麸皮，表明具有良好的发酵产短链脂肪酸能力，尤其是发酵产丁酸能力。

4.3)以麸皮作为对照，对麸皮做相同的处理与测定，测得的乙酰化木薯淀粉发酵产短链脂肪酸结果如表3所示。

表3体外发酵48h后短链脂肪酸产量

^a,b相同列不同字母表示P<0.05。

由结果可以知，制得的乙酰化木薯淀粉发酵后产生的乙酸、丙酸、丁酸和总短链脂肪酸均显著高于麸皮，表明具有良好的发酵产短链脂肪酸能力，尤其是发酵产丁酸能力。

Claims (1)

1.一种制备乙酰化淀粉能提高发酵丁酸产量的方法，其特征在于：

选用淀粉来源于土豆、玉米、木薯，取代试剂为乙酸酐，调节pH试剂为0.1mol/L NaOH溶液和0.1mol/L HCL溶液，乙酰基团浓度 0.5～2.5%；

包括以下步骤：

①将淀粉缓慢加入蒸馏水中，使淀粉和蒸馏水的质量体积比保持在1：4～1：2之间，然后采用0.1mol/L的NaOH溶液将淀粉浆液pH调整到8.0～9.0之间；

②在室温下搅拌10min，然后缓慢加入一定质量的乙酸酐，保持淀粉和乙酸酐的质量体积在15：1～3：1之间；

③采用水浴加热的方法维持反应体系温度在50～60℃，在恒定的温度下加热使反应进行80min；

④向其中加入0.1mol/L的HCl，调整pH到4.0～4.5终止反应；

⑤用足量的蒸馏水洗涤后离心，然后在40℃烘干，即获得乙酰化变性淀粉。