CN1352652A - 制备抗性淀粉的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于制备抗性淀粉的方法,由该方法获得的抗性淀粉及其应用。
Description
技术领域
本发明是关于制备3型抗性淀粉(resistant starch)的方法,由该方法制得的抗性淀粉及其应用。
抗性淀粉(RS)的应用在食品工业中越来越显得重要。有机组织从含RS产品的分解中只能获得很少量的能量。这种能量供应仅仅与从大肠吸收的短链脂肪酸的氧化降解有关。这些短链脂肪酸是大肠内微生物群落的碳水化合物代谢的最终产物。含RS食品的吸收对大肠微生物群落的能量代谢和结肠上皮细胞提供了基质。后者,为了保持它们的结构和功能,取决于短链脂肪酸,尤其是丁酸盐的内腔供应。
背景技术
US 3729380中公开用脱支链酶进行酶处理可减少高支链淀粉的比率,以这种方式脱支的淀粉比天然淀粉具有更强的逆行作用趋势。
在逆行作用中(也称为结晶作用),通常称作α-淀粉酶-抗性淀粉结构形,这又称之为“抗性淀粉”(RS),即,它们通过α-淀粉酶不会降解的。可对以下型的抗性淀粉之间进行区分。
RS1实际上难以达到消化的淀粉,例如,不被分解的植物细胞或淀粉颗粒。
RS2不消化的淀粉颗粒,例如,生土豆、绿香蕉等。
RS3不消化的逆行淀粉,例如,由热和/或酶处理的,像面包、蒸煮土豆等。
RS4不消化的化学改性淀粉,例如,横向交联或酯化的(乙酰化的)等。
RS,在食品或食品组合物中,由于其降低了可代谢性,就饮食意义上讲,是一种提供给人体的降低了能量的成分是一种不参与作用物,或通常称为“脂肪替代者”。
与RS4相比,RS 1-3型通过在NaOH或二甲基亚砜中溶解可以获得α-淀粉酶的降解。
EP-A-0564893中公开了一种制备含RS产品的方法,通过使至少含40%直链淀粉的约15%的淀粉水悬浮液进行胶化,并用脱支链酶处理它,然后再使产生的中间产物进行逆行作用,该产品含有至少15%的RS,如果在该方法中,使用具有100%直链淀粉含量的淀粉,则产品含有约50%的RS。
E-A-0688872中公开了一种分别从所谓的“部分降解的”、胶化的淀粉或麦芽糊精的约20%的水悬浮液,制备含25~50%RS产品的方法,该法是用酶催脱除支链,然后再逆行。在该方法中,所用的起始物料是具有低于40%直链淀粉成份的淀粉。
EP-A-0688872中的“部分降解”淀粉是一种通过适当的物理或化学处理而降低了其分子量的淀粉,其中直链淀粉和支链淀粉两者都受影响而缩短了链的长度。降解包括水解过程(酸催或酶催的催化作用)和挤压、氧化或热解。
EP-A-0688872中使用的脱支链酶是支链淀粉酶和异淀粉酶。在酶催处理后,在0-30℃的温度下进行1-3天的逆行作用,接着,使水反应产物放置。然后通过喷射干燥将产物干燥。粉末状的产物具有高达60%的RS含量(W/W)。
EP-A-0846704描述了一种逆行的淀粉,含有55%以上的易于发酵的抗性淀粉,该淀粉的50%以上是由具有10~35的DP值的链所构成,而且具有DSC熔融温度低于115℃。
EP-A-0846704中还公开了淀粉的逆行作用的程度是随淀粉中的直链淀粉的含量而增加,另一方面,淀粉中的支链淀粉含量较高时又会阻碍RS形成。
本发明的目的是提供一种另一种适用的制备抗性淀粉(RS)的方法或含RS的组合物,它具有经济加工工艺的优点,并能够制备出质量和数量都得以改进的含RS产品。
为此本发明方法所使用的起始原料,除了通常由土豆、玉米、小麦、豌豆、大豆和/或甜土豆所获得的淀粉外,优选是从土豆、玉米和或小麦,尤其是植物淀粉,这些可通过基因工程方法进行修饰,优选是关于它们的侧链配置,尤其是来自于土豆、玉米和/或小麦的那些,特别是所谓的蜡质淀粉。这种型式的基因工程修饰的淀粉,例如公开在以下专利申请或专利中。
WO90/12876-A1,WO91/19806-A1,WO92/11375-A1,WO92/11376-A1,WO92/11382-A1,WO92/14827-A1,WO94/09144-A1,WO94/11520-A1,WO95/04826-A1,WO95/07355-A1,WO95/26407-A1,WO95/34660-A1,WO95/35026-A1,WO96/15248-A1,WO96/19581-A1,WO96/27674-A1,WO96/34968-A1,WO97/04112-A1,WO97/04113-A1,WO97/11188-A1,WO97/16554-A1,WO97/20040-A1,WO97/22703-A1,WO97/45545-A1,WO98/11181-A1,WO98/15621-A1,WO98/37213-A1,WO98/37214-A1,以及CA 2,061,443,DE 19820607.0,DE 19820608.9,DE 19836097.5,DE19836098.3,DE 19836099.1,EP-A-0 521 621,EP-A-0 703 314,EP-A-0 737777,EP-A-0 779 363或US 5,300,145。在本发明的最佳实施方法中,使用通常称作蜡质淀粉来制备RS。
发明内容
惊奇的是,本发明能够以高产率和/或高质量制备3型(RS)抗性淀粉或RS产品(即含有RS的组合物),能够以各种方式有利地制备食品、食品组合物和食品前体,并能抗热应力。更为惊奇的是,本发明能够从通常称为蜡质淀粉制备具有高热稳定性的RS或RS产品。
本发明所涉及的制备抗性淀粉方法,包括:
a)由淀粉和水,制备5~50%的浓度范围的悬浮液,
b)通过加热使所述悬浮液胶质化,然后冷却,
c)将由b)产生的悬浮液的pH值设定为3~7.5,固体含量为5~50%,
d)再将悬浮液加热到最高150℃,和最后
e)以分步方式冷却或以0.1-10K/分,优选0.5-5K/分的速度逐渐的冷却方式进行冷却,优选在剪力的作用下冷却。
如果适宜的话,本发明方法中所用的淀粉也可以用脱支链酶(如,异淀粉酶、支链淀粉酶或其他脱支链酶)进行酶催脱除支链,然后使脱支链酶或酶失活并去除,优选在按本发明方法步骤c)中的设定pH值以后进行。
根据本发明的最佳实施方法中,使步骤b)之后获得的中间产物无缓冲盐,尤其是无醋酸盐,即,要清洗到无盐或无醋酸盐。
根据本发明的另一实施方法中,再进行如下步骤,其中,在过量水的条件下,使产物在低于转化温度下,优选在65~70℃下进行水热处理(回火、退火)。
如果需要的话,步骤b)中获得的中间产物和/或获得的RS产品,利用本技术领域人员所公知的技术进行干燥,例如,喷雾干燥、冷冻干燥或其他适宜的干燥方法。
本发明的上下文中,RS含量是α-淀粉酶-抗性淀粉聚多糖的含量,可用Englyst等人的方法测定(营养性重要的淀粉部分的分类和测量,Europ.J.Clin.Nutr.(1992)46(Suppl.2),P.33-P.50)。
本发明的方法中,用作起始原料的淀粉,优选是来自玉米、小麦和/或土豆的淀粉,尤其是蜡质淀粉(蜡淀粉,蜡样淀粉)。
其他的优选起始淀粉是来自基因工程修饰的植物的淀粉,优选是来自玉米、小麦和土豆的淀粉,尤其是那些化学或物理改性的淀粉和对它们的侧链配置进行改性的淀粉。优选地本发明所用的淀粉,是在其侧链部分,A链、B链和/或C链中,具有6~100DP的聚合度(DP),最好6~60DP。尤其是其蜡质淀粉。
具体实施方式
其次,在本发明的各实施方案中所用的其他优选改性淀粉,是进行改性的以使具有50-100聚合度(DP)的侧链部分明显降低,即,与相应未改性的淀粉比较,至少降低10%,优选降低25%。
本发明的最好的实施方案中,以蜡质淀粉用作起始原料。在本发明实施方案中的术语“蜡质淀粉”优选是指具有<10%、优选<5%、更好<3%的直链淀粉含量的淀粉,在这种情况下,特别好的淀粉是来自土豆、玉米和/或小麦的淀粉,来自土豆的更好。
本发明的另一个优选的实施方案中,按照步骤e)采用分步方式(即,在时间间隔中温度保持恒定)或逐渐地进行冷却,为了避免在悬浮液中形成强的温度梯度,最好是在剪切力存在下进行(例如,搅拌或流动)。
在步骤e)中所保持的冷却速度是在冷却时为0.1-10K/分,最好0.5-5K/分。
适宜地在本发明的方法中,也可以在步骤e)之后再有一个温度的保持期。
本发明的另一个优选实施方法中,进行步骤e)的分步的冷却方式,首先以0.1-10K/分,最好0.5-5K/分的冷却速度,冷却到70~30℃的温度范围,然后保持此温度10分钟~10小时,再以0.1-10K/分,优选0.5-5K/分的冷却速度,再冷却到30-4℃的温度范围,最好保持此温度1-100小时,优选是在剪切力作用下进行。
本发明方法的再一个优点是,从所描述的原料淀粉开始,制成热浆料,使其固体含量达30重量%或更高,而不需在方法开始前所必须进行的部分降解,例如酸或酶的催化水解、挤压、氧化、或热解。根据本发明的方法,这就导致了一个相当简化的工艺方法,并减少了时间和费用。
在本发明的方法中,脱支链过程可使用脱支链酶,如支链淀粉酶和异淀粉酶或它们的混合物。根据特定酶的性质,脱支链过程在25~75℃、优选35~65℃,更好40~60℃,pH值为3-7.5,优选为3.5~6的条件下进行。
基于本发明方法获得含量高的可逆行的聚合物和低含量的低分子量的非逆行低聚糖,如葡萄糖、麦芽糖、麦芽三糖、麦芽四糖、麦芽五糖、麦芽六糖、麦芽七糖、麦芽八糖和/或这些低聚糖的异构形式,所以促进逆行作用,导致RS含量的增加。与通常的麦芽糊精制剂相比,可迅速消化的低聚糖含量显著地降低,以致于产生相互低卡路里的RS产品。
在根据本发明的实施方案中,制备热浆料(悬浮液),使上述的起始原料的含量为5~50重量%、最好5-30重量%,更好10-20重量%。
此外,本发明方法的一个特征是将热浆料(悬浮液)冷却到35~75℃,然后或同时(添加适宜的缓冲液使pH值定在3~7.5之间,并添加一定量的酶和/或酶的混合物(如支链淀粉酶和/或异淀粉酶),以水解淀粉的α-1,6-糖苷键,使这种酶或酶的混合物作用于淀粉浆料中,如果需要的话,可搅拌72小时以上。
此外,本发明方法的一个特征是,如果适宜的话,在洗涤脱支链产物之后,制备悬浮液,将其加热和/或加热到120℃,然后在60~0℃,优选35~15℃,更好27~22℃,16~0℃或6~2℃范围内,进行逆行作用,和/或1~72小时,优选1-36小时,更好15~30小时。
此外,本发明方法的一个特征是按照温度步骤程序进行,在100~0℃范围内,优选90~4℃范围内,进行冷却和逆行,总时间为8-36小时,优选20-28小时,更好22-26小时。按照以下的温度-时间程序(表1),以分步方式或逐渐方式,线性的或非线性方式(表2和3)如需要在有剪切力作用下进行(例如搅拌或流动),所选择的时间周期合计形成以上特定的总时间周期:
表1:冷却程序1(具有6次保持温度的步骤程序)
温度(℃) 保持时间
90 5分钟
80 10分钟
70 10分钟
60 30分钟
40 1小时
25 22小时
表2:冷却程序2(以1.5K/min的冷却速度逐渐冷却)
温度 温度曲线
100 恒定20分钟
↓ 1.5K/min
50 恒定5小时
↓ 1.5K/min
25 恒定17.83小时
表3:冷却程序3(以3K/min的冷却速度逐渐冷却)
100 恒定20分钟
↓ 3K/min
50 恒定5小时
↓ 3K/min
25 恒定18.58小时
本发明的另一主题是用本发明方法获得的抗性淀粉,含有抗性淀粉的组合物和/或抗性淀粉产品,优选是由蜡质淀粉制备,并具有高的热稳定性,其特征是Tp值为95~160℃,优选110-160℃,更好125-160℃,尤其好145-160℃,或者其To值为80-150℃,优选100-150℃,更好120-150℃,如有必要可通过2次或更多次热转化。
一种为本发明目的进行2次或更多次热转化的RS是在DSC测量中具有2个或多个峰值温度Tp的RS。本发明的抗性淀粉产品具有的RS含量至少25%,优选50%,更好75%,达到90%时尤为好。
使用的所有百分比都是重量百分比(%W/W),除非另有指出。
本发明的再一个主题是植物淀粉的应用,特别是来自玉米、小麦和土豆的淀粉,尤其是来自基因工程修饰的植物,优选是由玉米、小麦和土豆的淀粉。更特别的是,在制备抗性淀粉的本发明过程中,进行化学的或物理的改性特别是对其侧链配置进行改性的淀粉。优选地本发明所使用的淀粉,在其侧链部分,在A链、B链和/或C链中具有6-100DP。最好6-60DP的聚合度(DP),尤其是蜡质淀粉。
本发明还有一个主题是抗性淀粉或抗性淀粉产品的应用,用本发明方法制得的抗性淀粉和抗性淀粉产物是a)为了生产食品、食品组合物或食品前体,b)作为脂肪替代物。
本发明的最后一个主题是食品前体、食品、食品组合物,或含有本发明抗性淀粉或本发明抗性淀粉产品的脂肪替代物。
以下实施例中所列的土豆淀粉型具有下述意义:
通常的=来自Desiree(野生型)型土豆的淀粉
蜡质(低P)=按照WO 97/11188A1中实施例11所获得的基因工程修饰土豆的淀粉
蜡质(P-φ)=WO 97/11188A1中实施例11描述的使用质体pB33-抗-GBSS1转化的基因工程修饰土豆的淀粉
富含直链淀粉=按照WO97/11188A1中实施例10获得的基因工程修饰的土豆淀粉
实施例1:RS含量的测定
按照Englyst等人的方法,将待分析其RS含量的200mg(干重)粉状产品在pH5.2下用所描述的酶混合物进行培养,以测定RS含量120分钟。在完成酶降解后,通过降低pH到3和温度到20℃停止酶的活性。然后,添加4倍体积量的乙醇,建立一个80%(V/V)的乙醇溶液。使80%的乙醇溶液在室温下放置1小时。离心沉淀(2500×g,10分钟)。弃去上清液。用80%(V/V)的乙醇洗涤残留物3次,用无水乙醇洗涤1次,然后离心。将残留物冻干并称重。测定残留物的干物质,按照下式计算RS含量:
RS[%]=100×残留物的重量(干重)/初始重量(干重)
实施例2-9逆行温度的影响和起始原料对产品中RS含量的影响
由通常的脱支链产物和基因工程修饰的土豆淀粉制造热浆料。将这些浆料的固体含量设定为10重量%,并在4或25℃的水浴中逆行24小时。将逆行的样品进行干燥,并以实施例1描述的方法测定RS含量。
表4说明了逆行温度和起始原料对产品中RS含量的影响,该产品是使用脱支链产物的10%的浆料(悬浮液),通过逆行24小时所生产的。
表4:温度和起始原料对RS含量的影响例号 土豆淀粉型(脱支链的) 逆行作用温度(℃) RS[重量%]2 通常的 4 503 通常的 25 524 蜡质(低P) 4 595 蜡质(低P) 25 596 蜡质(P-φ) 4 787 蜡质(P-φ) 25 798 富含直链淀粉 4 479 富含直链淀粉 25 56
由表4中,实施例2~9清楚地知道逆行温度对产品中RS含量的影响很小。但,起始原料却对产品中的RS含量起关键作用。
普通的脱支链产物和富含直链淀粉的土豆淀粉由于通过10%浆料的逆行作用,比相应的来自蜡质类型土豆淀粉的脱支链产物向RS的形成呈低趋势。蜡质类型中如果逆行浆料中的固体含量是10%,则与低磷酸盐(低P)的蜡质淀粉相比,具有平均磷酸盐含量(P-φ)高的蜡质淀粉更适于制备RS。
实施例10-17:固体含量和起始原料对RS含量的影响
表5说明了固体含量的影响和起始原料对产品中RS含量的影响,该产品是由以上提到的脱支链产品的10和30%的浆料,通过逆行24小时所生产的。
表5:浆料中固体含量的影响和起始原料对RS含量的影响例号 土豆淀粉型 温度[℃] 固体含量
(脱支链的) 10重量%RS[重量%] 30重量%RS[重量%]10 蜡质(低P) 4 5911 蜡质(低P) 4 8112 蜡质(P-φ) 4 7813 蜡质(P-φ) 4 6314 蜡质(低P) 25 5915 蜡质(低P) 25 7816 蜡质(P-φ) 25 7917 蜡质(P-φ) 25 61
表5表明脱支链的低磷酸盐蜡质土豆淀粉浆料中的固体含量从10重量%增加到30重量%,产品中RS含量从59%增加到约80%,而在相同的逆行条件下,由具有平均结合磷酸盐含量脱支链的蜡质土豆淀粉生产的生产品中RS含量从约79%降低到约62%。
实施例18-26:不同冷却程序对RS含量的影响
表6:不同的逆行方式(冷却程序)结合改变起始原料对RS含量的影响例号 土豆淀粉型 冷却程序 固体含量
(脱支链的) 10重量%RS[重量%] 30重量%RS[重量%]18 普通的 1 50 -19 蜡质(低P) 1 50 -20 蜡质(低P) 1 - 7921 蜡质(低P) 2 - 6822 蜡质(低P) 3 - 6423 蜡质(P-φ) 1 89 -24 蜡质(P-φ) 2 - 8025 蜡质(P-φ) 3 - 7826 富含直链淀 1 45 -
粉
表6中的结果说明了通过改变冷却速度和固体含量,也改变了产品中RS含量。
实施例27-42:RS产品热稳定性的表征
在水过量的条件下进行对淀粉和淀粉聚合物的DSC测量,产生的吸热,一般有一个峰。所有DSC测量都是在水过量的条件下进行的。
利用各种参数(TO、TP、TC和dH)更详细地表征DSC测量的吸热峰。起始温度TO表示热转化开始的特征。在结晶物料发生最大热转化时的温度由TP值推出,而TC是转化过程完成时的温度(结束温度)。
转换能量dH由计算峰面积测定。这表示转化所需求的总能量。利用DSC测定结果表示RS产品热稳定性的特征。
表7中的结果说明了逆行条件(恒定温度,浆料中的固体含量)对最终产品热稳定性的影响,该产品是由各种蜡质的土豆淀粉生产的。表8中综合了对那些RS产品热稳定性的影响的结果,这些产品是以脱支链的支链淀粉的土豆淀粉,通过不同的冷却程序所制备的。
表7:逆行作用条件对热稳定性的影响例号 淀料型 逆行作用 DSC参数
(脱支链的) 温度(℃) 固体含量(%) TO(℃) TP(℃) TC(℃) dH[J/g]27 蜡质(低P) 4 10 81.3 104.7 112.8 5.0
121.5 148.8 171.5 17.428 蜡质(低P) 4 30 82.5 107.9 118.0 4.8
120.6 143.3 - -29 蜡质(低P) 25 10 76.8 102.7 113.5 7.9
121.9 156.3 - -30 蜡质(低P) 25 30 89.2 106.5 115.9 2.3
122.5 142.9 166.5 4.531 蜡质(P-φ) 4 10 83.0 100.3 1114. 7.632 蜡质(P-φ) 4 30 110.1 123.4 136.2 3.4
142.8 156.0 176.8 2.733 蜡质(P-φ) 25 10 78.8 97.5 109.8 12.234 蜡质(P-φ) 25 30 85.0 102.6 110.6 3.0
110.6 124.5 133.0 1.0
141.7 153.6 162.4 0.7
由表7清楚地知道实际上所有的脱支链逆行样品,都是在水过量的条件下表明至少有2次,有些甚至3次等温转化。第2和第3次等温转化的开始温度,都分别为≥110℃或≥130℃的值。对于脱支链的逆行蜡质土豆淀粉样品的热稳定性,都能推演出一个趋势。因此,从表7的结果清楚地知道浆料中固体含量从10%增加到30%,会导致最终产品的热稳定性增加。
逆行作用温度对热稳定性的影响,比较起来是相当复杂的,只能结合固体含量进行估计。因此,脱支链的蜡质土豆淀粉的10%浆料在4℃下的逆行作用,将导致比在25℃逆行温度下更加热稳定的结构。然而,如果浆料固体含量额外地增加到30%,低磷酸盐的脱支链蜡质土豆淀粉在室温下逆行的样品具有更高的热稳定性。与其相反,在这些条件下蜡质土豆淀粉(蜡状[P-φ])逆行的样品,其稳定性要低于4℃下重结晶的样品。
表8:冷却程序的影响和固体含量对RS产品热稳定性的影响例号 淀粉型脱 逆行作用 DSC参数
支链的 冷却程序 固体含量(%) TO(℃) TP(℃) TC(℃) dH(J/g)35 蜡质(低P) 1 10 87.2 107.0 118.3 4.1
126.4 143.6 171.8 22.336 蜡质(低P) 1 30 82.2 126.9 170.6 38.237 蜡质(低P) 2 30 105.7 115.1 124.4 2.7
130.0 145.6 168.7 4.938 蜡质(低P) 3 30 107.6 115.7 125.7 2.639 蜡质(P-φ) 1 10 78.6 104.1 113.1 10.8
133.3 146.6 172.5 14.240 蜡质(P-φ) 1 10 83.1 101.8 115.2 15.1
回火 30 134.2 148.2 166.6 3.041 蜡质(P-φ) 2 30 131.9 149.0 166.0 9.942 蜡质(P-φ) 3 30 106.8 117.1 131.7 6.6
136.2 148.0 169.5 4.9
从表8的实施例,清楚地知道使用冷却程序2和3可生产出热稳定性很高的产品,第1个DSC开始温度(TO)表明≥105℃,第2个DSC开始温度都表明≥125℃。
Claims (14)
1.一种制备抗性淀粉的方法,特征是,包括如下步骤:
a)用淀粉和水制备浓度为5~50%的悬浮液,
b)通过加热使所述悬浮液胶化,然后冷却,
c)将悬浮液的pH设定为3-7.5,固体含量为5-50%,
d)再次将悬浮液加热到最大150℃,和最后
e)分步冷却或以0.1-10K/分,最好0.5-5K/分的速度逐渐冷却,优选在剪切力的作用下。
2.根据权利要求1记载的制备抗性淀粉的方法,特征是,淀粉是用酶催脱除支链的,脱支链酶或酶,如果需要,可使其失去活性或去除。
3.根据权利要求1或2记载的制备抗性淀粉的方法,特征是,最后将得到的产物进行干燥。
4.根据权利要求1-3中任一项记载的制备抗性淀粉的方法,特征是,使用来自玉米、小麦和/或土豆的淀粉。
5.根据权利要求1-4中任一项记载的制备抗性淀粉的方法,特征是,使用来自基因工程修饰的植物淀粉,优选来自玉米、小麦和土豆的。
6.根据权利要求1-5中任一项记载的制备抗性淀粉的方法,特征是,使用来自基因工程修饰的植物淀粉,优选产自玉米、小麦和土豆的淀粉,该淀粉是进行化学或物理改性的淀粉。
7.一种按权利要求1-6中任一项的方法制得的基于蜡质淀粉的高热稳定性的抗性淀粉或抗性淀粉产品,特征是,其TP-值为95-160℃。
8.一种具有高热稳定性的抗性淀粉或抗性淀粉产品,特征是,其TP-值为145~10℃。
9.根据权利要求1-6的方法的淀粉的应用。
10.根据权利要求1-6的方法中由基因工程修饰的植物获得的淀粉的应用。
11.权利要求7或8记载的抗性淀粉或抗性淀粉产品在生产食品、食品组合物或食品前体中的应用。
12.权利要求7或8记载的抗性淀粉或抗性淀粉产品用作脂肪替代物。
13.一种食品前体、食品或食品组合物它含有权利要求7或8记载的抗性淀粉或抗性淀粉产品。
14.一种脂肪替代物,它含有权利要求7或8记载的抗性淀粉或抗性淀粉产品。
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