正交試驗優化醇堿法脫除魔芋葡甘露聚糖乙酰基工藝

張 偉，裴劍飛，李文浩，熊 森，鄭 旻，張國權*

（西北農林科技大學食品科學與工程學院，陜西 楊凌 712100）

正交試驗優化醇堿法脫除魔芋葡甘露聚糖乙酰基工藝

張 偉，裴劍飛，李文浩，熊 森，鄭 旻，張國權*

（西北農林科技大學食品科學與工程學院，陜西 楊凌 712100）

為提高魔芋葡甘露聚糖在面食中的添加量，通過脫乙酰降低其吸水倍率。以魔芋葡甘露聚糖為材料，對影響其乙酰基脫除效果的乙醇體積分數、NaOH溶液濃度、反應溫度、處理時間等條件進行了優化，采用紅外光譜法分析并測定吸水倍率對其驗證，結果表明：乙酰基脫除的適宜工藝條件為乙醇體積分數40%、NaOH溶液濃度0.12 mol/L、反應溫度60 ℃、處理時間12 min，在此條件下乙酰基完全脫除，且吸水倍率為原樣品的9.3 2%。醇堿法可有效脫除魔芋葡甘露聚糖乙酰基，降低吸水倍率，增大其在面粉中的添加比例，改善 面粉粉質特性。

魔芋葡甘露聚糖；吸水倍率；乙酰基；粉質參數

魔芋（Amorphophallus konjac），又稱蒟蒻、花蓮桿、蛇六谷等，為天南星科魔芋屬多年生草本植物，在我國主要分布于四川、湖北、云南、貴州、陜西等地區，具有產量高、質量優等特點[1-4]。魔芋含有豐富的魔芋葡甘露聚糖（konjac glucomannan polysaccharide，KGM）、蛋白質、以及鎂、鐵、鈣、鉀、鈉、錳、銅等微量元素，其中KGM含量占50%以上[5-7]。KGM可降低血液中的中性脂質、膽固醇和血糖的濃度，能有效地控制體質量及預防結腸癌病[8]。KGM是由D-葡萄糖和D-甘露糖鏈通過β-1,4糖苷鍵聚合而成的天然高分子多糖，主鏈甘露糖C3位上存在β-1,3糖苷鍵支鏈，通常每32 個糖基有3 個支鏈，且每19 個糖基上有一個以酯鍵形式結合的乙酰基[9-13]。乙酰基的存在直接控制了KGM吸水性的大小[14]，其吸水倍率與乙酰基含量呈正相關[15-16]，吸水倍率可達自身質量的80～200 倍，極大地限制其在面制品等食品領域中的應用。

降低KGM吸水倍率的方法主要包括化學、物理及生物法[17]。化學法主要涉及乙酰化、脫乙酰等，效率較高；物理法包括超聲波法、輻射法、超高壓處理、超微粉碎、共混改性法等[18-19]；生物法主要為酶法，其工藝復雜，處理量小。目前，國內外關于脫KGM乙酰基的研究主要為直接加堿法脫乙酰、機械力化學脫乙酰等[20]。本研究采用醇堿法脫除KGM乙酰基，對其乙酰基脫除的工藝條件進行優化，以吸水倍率和紅外光譜分析驗證脫除效果，以期降低KGM的吸水能力，擴大KGM在面制品加工中的添加比例，充分利用其功能。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

KGM（純度≥95%） 陜西省安康市九龍貿易有限公司；面粉 陜西老牛面粉有限公司；NaOH、鹽酸、硝酸銀、無水乙醇、溴化鉀等（均為分析純） 四川西隴化工有限公司。

1.2 儀器與設備

KDC-40型離心機 科大創新股份有限公司中佳分公司；SHA-C型水浴恒溫振蕩器 常州國華電器有限公司；DK-S26型電熱恒溫水浴鍋 上海森信實驗儀器有限公司；SHB-Ⅲ型循環水式多用真空泵 鄭州長城科工貿有限公司；HR-200型電子分子天平 東生興業有限公司；101-1AB型電熱鼓風干燥箱 天津市泰斯特儀器有限公司；PB-10型pH計 賽多利斯科學儀器有限公司；Vetex70傅里葉變換紅外光譜儀 德國Bruker公司；粉質儀 德國Brabender公司。

1.3 方法

1.3.1 KGM脫乙酰基處理

參考劉鋒[16]方法，并加以改進。將20 g KGM分散于120 mL乙醇溶液中，在室溫（25 ℃）條件下攪拌溶脹30 min后，加入NaOH溶液，在合適溫度條件下恒溫反應一定時間后，加入6 mol/L鹽酸溶液，調整pH 6.8，終止反應，再用30%乙醇溶液進行清洗數次，直至上清液用硝酸銀檢驗不出含有氯離子為止，樣品在60 ℃條件下烘干至質量恒定，即得到粉末狀脫乙酰基KGM。

1.3.2 KGM脫乙酰基單因素試驗

1.3.2.1 乙醇體積分數的確定

將KGM 20 g分別加入到乙醇體積分數為20%、30%、40%、50%、60%的溶液中，在NaOH溶液濃度0.09 mol/L、反應溫度50 ℃、處理時間9 min條件下進行改性處理，測定產物的吸水倍率。

1.3.2.2 NaOH溶液濃度的確定

將KGM 20 g加入到40%乙醇溶液中，NaOH溶液濃度分別為0.03、0.06、0.09、0.12、0.15 mol/L，在反應溫度50 ℃、處理時間9 min條件下進行改性處理，測定產物的吸水倍率。

1.3.2.3 反應溫度的確定

將KGM 20 g加入到40%乙醇溶液中，NaOH溶液濃度0.09 mol/L，反應溫度分別為30、40、50、60、70 ℃，處理時間9 min條件下進行改性處理，測定產物的吸水倍率。

1.3.2.4 處理時間的確定

將KGM 20 g加入到40%乙醇溶液中，NaOH溶液濃度0.09 mol/L、反應溫度50 ℃，處理時間分別為3、6、9、12、15 min條件下進行改性處理，測定產物的吸水倍率。

1.3.3 KGM脫乙酰基條件的優化試驗設計

選擇乙醇體積分數、NaOH溶液濃度、反應溫度、處理時間四因素進行L27（313）正交試驗。

1.3.4 吸水倍率測定

參考Koroskenyi等[21]方法，并加以改進。精確稱取0.100 0 g干樣品，記為m0，放入50 mL的離心管中，總質量記為m1，準確加入30 mL蒸餾水，在25 ℃條件下水浴振蕩1 h，靜止1 h，3 000 r/min離心30 min，棄上清液，稱質量記為m2。吸水倍率按如下公式計算：

1.3.5 紅外光譜掃描

將測試樣品用純KBr制成薄片，采用傅里葉紅外吸收光譜儀在400～4 000 cm-1范圍內進行掃描，分辨率為4 cm-1，扣除背景。

1.3.6 粉質參數測定

將普通面粉和添加1% KGM作為對照，測定添加5%脫乙酰基KGM的粉質參數，參照GB/T 14614—2006《小麥粉：面團的物理特性：吸水量和流變學特性的測定：粉質儀法》，采用德國布拉本德粉質儀測定。

1.4 數據分析處理

實驗重復3 次，采用DPS 7.05、Microsoft Excel 2003及Origin 8.1進行數據處理。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 乙醇體積分數對KGM脫乙酰基的影響

在過去，統治者的喜好往往會引領整個時代的審美。雍正帝對粉彩的偏好讓粉彩花鳥瓷畫煥發了前所未有的生機。這一時期的粉彩花鳥瓷畫表現出濃烈的文人氣息。從畫面的整體布局來看，疏密有致，從格調來看，顏色清雅，讓人過目難忘。這一時期更是成為粉彩花鳥瓷畫的巔峰時期。

由圖1a可知，乙醇體積分數在20%～40%的范圍內，脫乙酰基KGM的吸水倍率隨著乙醇體積分數的增加顯著降低（P＜0.05），當乙醇體積分數繼續增加到50%～60%的范圍內時，脫乙酰基KGM的吸水倍率隨著乙醇體積分數的增加顯著升高（P＜0.05），乙醇體積分數在40%～50%的范圍內，脫乙酰基KGM的吸水率無顯著性差異。由圖1b可知，位于1 732.02 cm-1的吸收峰代表—C=O的伸縮振動，表明KGM分子鏈中存在著乙酰基團。隨著乙醇體積分數的增加，該峰位逐漸消失，當乙醇體積分數為40%～50%時，乙酰基幾乎完全消失，乙醇體積分數為60%時，乙酰基重新出現。這是因為乙醇體積分數影響KGM的溶脹度，進而影響KGM的脫乙酰反應。當乙醇體積分數過低時，溶液的黏度較大，體系分散不均勻，影響了KGM與堿的反應，且KGM溶膠與堿易形成凝膠，不利于粉狀改性產物的獲得；乙醇體積分數高時，KGM的溶脹度低，堿液很難滲入KGM球體內部，脫乙酰基反應只能發生在KGM球體的表層，很難發生在KGM分子骨架上。此外，位于806.22 cm-1和873.73 cm-1的吸收峰是KGM 的特征峰，代表甘露聚糖中的基本單元[22]，脫乙酰基KGM 主鏈結構并未發生本質的變化。乙醇體積分數以40%為佳。

圖 1 不同乙醇體積分數條件下脫乙酰基KGM的吸水倍率（a）和紅外光譜圖（bb）Fig.1 The water absorption rate (a) and FT-IR spectra (b) of KGM samples with various ethanol concentrations

2.1.2 NaOH溶液濃度對KGM脫乙酰基的影響

圖 2 不同NaOH溶液濃度條件下脫乙酰基KGM的吸水倍率（a）和紅外光譜圖（bb）Fig.2 The water absorption rate (a) and FT-IR spectra (b) of KGM samples with various alkali concentrations

由圖2a可知，NaOH溶液濃度在0.03～0.09 mol/L的范圍內，脫乙酰基KGM的吸水倍率隨著NaOH溶液濃度的增加顯著降低（P＜0.05），NaOH溶液濃度繼續增加，其吸水倍率無顯著性差異。圖2b結果表明，隨著NaOH溶液濃度的增加，乙酰基逐漸消失，當NaOH溶液濃度為0.09 mol/L時，乙酰基幾乎完全消失，主鏈結構并未發生本質的變化。KGM脫乙酰基反應是酯的水解反應。在堿性條件下，酯鍵能完全水解，是一個不可逆過程。這是因為堿能中和水解生成的羧酸，使反應完全進行到底[14]。乙酰基的脫除影響KGM分子的水溶特性，從而使KGM吸水倍率發生巨大改變。適宜NaOH溶液濃度為0.09 mol/L。

2.1.3 反應溫度對KGM脫乙酰基的影響

圖 3 不同反應溫度條件下脫乙酰基KGM的吸水倍率（a）和紅外光譜圖（bb）Fig.3 The water absorption rate (a) and FT-IR spectra (b) of KGM samples at different temperatures

由圖3a可知，反應溫度在30～50 ℃的范圍內，脫乙酰基KGM的吸水倍率隨著反應溫度升高顯著降低（P＜0.05），反應溫度繼續升高，脫乙酰基KGM的吸水率無顯著性差異。圖3b結果表明，隨著反應溫度的升高，乙酰基逐漸消失，當溫度為50 ℃時，乙酰基完全消失，主鏈結構未發生本質的變化。KGM脫乙酰基反應是一個吸熱反應，升溫有利于脫乙酰基反應的進行，當反應溫度達到一定程度時，KGM脫乙酰基反應完成，吸水倍率不再隨著反應溫度的升高而發生顯著變化，當反應溫度過高時，乙醇揮發，易形成凝膠。反應溫度為50～70 ℃的處理效果較好。

由圖4a可知，處理時間在3～9 min的范圍內，脫乙酰基KGM吸水倍率隨著處理時間的延長顯著降低（P＜0.05）。圖4b結果表明，隨著處理時間的延長，乙酰基逐漸消失，當時間為9 min時，乙酰基幾乎完全消失，主鏈結構未發生本質的變化。KGM中乙酰基的存在使之形成具有空隙的雙螺旋結構，能保持大量水分，當乙酰基脫除后，螺旋結構被破壞，螺條相互交織成網狀結構，并且脫乙酰后會產生明顯的結晶區，導致其失去水溶性，吸水倍率下降[23]。處理時間繼續延長，吸水倍率無顯著性差異。這主要是因為當反應達到一定時間時，KGM脫乙酰基反應完全，吸水倍率不再隨著反應時間的延長而發生顯著變化。處理時間以9 min以上較為適宜。

圖 4 不同處理時間條件下KGM脫乙酰基產物的吸水倍率（a）和紅外光譜圖（bb）Fig.4 The water absorption rate (a) and FT-IR spectra (b) of KGM samples at different reaction times

2.2 KGM脫乙酰基的正交試驗結果

極差分析表明（表1），乙醇體積分數、NaOH溶液濃度、反應溫度、處理時間影響脫乙酰基KGM吸水倍率的主次順序為B＞C＞D＞A，即NaOH溶液濃度對KGM吸水倍率影響最大，反應溫度、處理時間次之，乙醇體積分數影響最小。方差分析表明（表2），NaOH溶液濃度、反應溫度、處理時間以及乙醇體積分數與處理時間、NaOH溶液濃度與處理時間的交互作用對KGM脫乙酰產物吸水倍率的影響達極顯著水平（P＜0.01），乙醇體積分數的影響不顯著。優化組合為A2B3C3D3，即乙醇體積分數40%、NaOH溶液濃度0.12 mol/L、反應溫度60 ℃、處理時間12 min，所得脫乙酰基KGM的吸水倍率為7.48 g/g，低于正交試驗的任一組合。而原KGM的吸水倍率為80.24 g/g，脫乙酰基KGM的吸水倍率為原樣品吸水倍率的9.32%。

表 1 L27（313）正交試驗方案及極差分析結果Table 1 L27(313) orthogonal experimental program and range analysis of the experimental results

表 2 試驗結果方差分析表Table 2 Variance analysis of the experimental resultsTable 2 Variance analysis of the experimental results

2.3 影響脫乙酰基KGM吸水倍率的因素交互作用分析

從圖5a可知，在較低乙醇體積分數條件下，吸水倍率隨著處理時間的延長并無明顯變化，當乙醇體積分數較高時，吸水倍率隨著處理時間的延長明顯下降；在較短時間內，吸水倍率隨著乙醇體積分數的增加呈上升趨勢，隨著處理時間的延長，吸水倍率隨著乙醇體積分數的增加而下降。從圖5b可知，在低NaOH溶液濃度條件下，吸水倍率隨著時間的延長呈現緩慢下降的趨勢，高NaOH溶液濃度條件下，處理時間對吸水倍率影響不大；吸水倍率隨著NaOH溶液濃度的增大顯著下降，并且這種趨勢隨著反應時間的減少而趨于明顯。

圖 5 乙醇體積分數與處理時間（a）、NaOH溶液濃度與處理時間（b）交互作用對吸水倍率的影響Fig.5 Effects of interactions between ethanol concentration and reaction time (a), and between alkali concentration and reaction time (b) on water absorption rate

2.4 脫乙酰基KGM的紅外光譜掃描分析

圖 6 KGM（a）及最佳工藝條件下脫乙酰基KGM（b）的紅外光譜圖Fig.6 FT-IR spectra of KGM (a) and deacetylated KGM under optimum conditions (b)

圖6 為原樣及最佳工藝條件下KGM的紅外光譜圖，由圖6可以看出，原樣譜圖中在1 732.02 cm-1處有吸收峰，此峰代表—C=O的伸縮振動，表明KGM分子鏈中存在著乙酰基團，位于806.22 cm-1和873.73 cm-1的吸收峰是KGM的特征峰，代表甘露聚糖中的基本單元，脫乙酰基KGM主鏈結構并未發生本質的變化。而采用醇堿法處理后，譜圖在1 732.02 cm-1處沒有吸收峰，表明可以有效地脫除KGM中的乙酰基，并且主鏈結構未發生本質變化。

2.5 脫乙酰基KGM對面粉粉質特性的影響

表 3 KGM及脫乙酰基KGM的粉質參數Table 3 Farinograph parameters of KGM and deacetyled KGM

表3為添加1%KGM及5%脫乙酰基KGM的面粉粉質參數，與原面粉相比，添加1%KGM及5%脫乙酰基KGM的面粉吸水率、形成時間、穩定時間、粉質質量指數顯著增加，弱化度顯著降低，粉質特性好；添加5%脫乙酰基KGM的面粉吸水率顯著大于1%KGM，其他指標無顯著性差異。結果表明，KGM經脫乙酰處理后，可顯著增大其在面粉中的添加比例，改善面粉粉質特性，穩定時間在3.0 min以上，達到面條用小麥粉行業標準的要求（SB/T 10137—1993《面條用小麥粉》[24]）。

3 結 論

采用醇堿法脫除KGM中乙酰基，影響改性產物吸水倍率的因素依次為NaOH溶液濃度、反應溫度、處理時間、乙醇體積分數，適宜的工藝條件為乙醇體積分數40%、NaOH溶液濃度0.12 mol/L、反應溫度60 ℃、處理時間12 min，所制備的脫乙酰基KGM的吸水倍率為7.48 g/g，為原樣品吸水倍率的9.32%；紅外光譜分析結果表明，醇堿法可以有效地脫除KGM中的乙酰基，且主鏈結構未發生本質變化；KGM經脫乙酰處理后，可顯著增大其在面粉中的添加比例，改善面粉粉質特性。

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Orthogonal Test Design for Optimization of Konjac Glucomannan Deacetylation by Ethanol-Alkali Method

ZHANG Wei, PEI Jianfei, LI Wenhao, XIONG Sen, ZHENG Min, ZHANG Guoquan*
(College of Food Science and Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

This study aimed to reduce the water absorption rate of konjac glucomannan by removing its acetyl group in order to promote its application in flour-based products. Factors influencing deacetylation efficiency, including ethanol concentration, NaOH concentration, temperature and time, were investigated in this study. Meanwhile, the removal efficiency of acetyl group was evaluated by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) analysis and water absorption rate. The optimum reaction parameters for deacetylation were determined as 40%, 0.12 mol/L, 60 ℃ and 12 min for ethanol concentration, NaOH concentration, reaction temperature and time, respectively. Under these conditions, the acetyl group in konjac glucomannan was completely removed and water absorption rate of deacetyled konjac glucomannan decreased to 9.32% of that of the original sample. In summary, the acetyl group in konjac glucomannan could be effectively removed by using ethanol-alkali method. Deacetylation could reduce the water absorption rate of konjac glucomannan and increase its proportion in flour, thus improving flour farinograph quality.

konjac glucomannan； water absorption rate； acetyl group； farinograms

S566.9

A

1002-6630（2015）08-0103-06

10.7506/spkx1002-6630-201508018

2014-09-13

張偉（1989—），女，碩士研究生，研究方向為農產品加工及貯藏工程。E-mail：zhangwei2012050601@163.com

*通信作者：張國權（1968—），男，教授，博士，研究方向為谷物品質評價及淀粉工程技術。E-mail：zhanggq98@126.com