響應面法優化竹豆淀粉提取工藝

康欣月，王立梅，齊斌，*

（1.吉林農業大學食品科學與工程學院，吉林長春130118；2.常熟理工學院生物與食品工程學院，江蘇常熟215500）

響應面法優化竹豆淀粉提取工藝

康欣月1，王立梅2，齊斌2，*

（1.吉林農業大學食品科學與工程學院，吉林長春130118；2.常熟理工學院生物與食品工程學院，江蘇常熟215500）

采用水磨法提取竹豆淀粉，研究浸泡時間，浸泡溫度，亞硫酸鈉濃度3個因素對提取效果的影響。在單因素試驗的基礎上，以淀粉提取率為響應值，進一步采用Box-Behnken試驗設計來優化提取工藝，得最佳提取條件為浸泡時間4.3 h，浸泡溫度45℃，亞硫酸鈉濃度0.3%。在此工藝條件下制得竹豆淀粉的提取率為56.8%，與理論預測值相比，相對誤差為2.53%；提取得到的竹豆淀粉的純度為（88.60±3.04）%，蛋白質殘留量為（0.32±0.08）%。

竹豆；淀粉；響應面；提取

竹豆（PhaseotusPhaseotus Calcaltus Roxb），又稱飯豆，精米豆，攬豆，爬山豆[1]等，是豆科（Leguminosae）蝶形花亞科（Papilionoideae）菜豆族（Phaseoleae）豇豆屬（Vigna）中的一個栽培種[2]，各地名稱不一。竹豆的營養成分相當豐富，富含淀粉、蛋白質、鈣、磷、鐵及粗纖維、維A原、維生素B1、維生素B2、維生素C和氰甙、酪氨酸酶等[3]，其主要生物代謝成份與綠豆相似，具有某些生理激素功能[4]。可作為代糧食用，與大米一同煮粥、作飯、包粽子或代綠豆制作清涼飲料，其營養成分遠高于綠豆和其它雜豆[5]。目前，國內外的科研人員多集中在對其作為飼料和肥料的研究上，而對于其在食品領域中的應用的研究少之又少。

本試驗以竹豆為原材料，對其淀粉的提取工藝進行優化。據相關文獻報道，淀粉的提取方法主要有機器分離法、表面活性劑法、酶法、酸漿法等[6]。機械分離法存在耗能高，工藝流程復雜等缺點，使用活性劑雖然提取率高，卻造成了一定程度的污染，同時還有可能降低竹豆淀粉糊的粘度，酶法雖然對環境污染小，但其生產時間過長，成本高，還會使微生物污染劇烈化，酸漿法由于受原料和氣候的影響較大，且用水量大，難以實現工業化生產[7]。本實驗選用水磨法是因為其工藝流程簡單，成本低，污染小，適合工業化大量生產。

響應面法是能夠確定最佳提取工藝條件的一種簡單高效的方法[8]，已被普遍應用于優化提取工藝，軟件能夠自動生成非線性二次式模型[9-11]，來確定不同變量的交互作用對響應值影響的顯著性[12]，與傳統試驗設計方法相比，簡化了評估多個變量及其交互作用的復雜性。本試驗擬利用響應面法優化竹豆淀粉的提取效率從而獲得最佳提取工藝參數。

1 材料與方法

1.1 主要材料與試劑

竹豆：購于吉林省通榆縣鶴香米業有限責任公司；溴甲酚綠：國藥集團化學試劑有限公司；無水亞硫酸鈉、無水硫酸鈉、乙酸鉛、硫酸鈉、氫氧化鈉、乙醇、鹽酸、葡萄糖、乙醚、蒽酮、硫酸、高氯酸、可溶性淀粉：均購于江蘇強盛功能化學股份有限公司，所有試劑無特殊說明均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

DFT-200高速中藥破碎機：廣州市旭朗機器設備有限公司；CR22GII型高速冷凍離心機：日本日立公司；Milli-Q advantage超純水儀：美國Millipore公司；UV-2450型紫外分光光度計：日本島津公司；XS105DU型電子天平：瑞士梅特勒-托利多公司；JTM-50膠體磨：上海順儀實驗設備有限公司；HH-4水浴鍋：上海博訊實業有限公司；DHG-9243BS222干燥箱：上海新苗醫療器械制造有限公司。

1.3 方法

1.3.1 竹豆淀粉提取的工藝流程

1.3.2 淀粉提取率的計算

式中：m為得到的粗淀粉質量，g；M為竹豆干豆的質量，g；w為竹豆干豆中淀粉質量分數，%。

1.3.3 單因素試驗

1.3.3.1 浸泡溫度對竹豆淀粉提取率的影響

在浸泡時間為4 h，亞硫酸鈉濃度為0.30%，浸泡溫度分別為30、35、40、45、50、55℃的條件下對竹豆淀粉進行提取，將提取的淀粉干燥后計算竹豆淀粉的提取率。

1.3.3.2 浸泡時間對竹豆淀粉提取率的影響

在浸泡溫度為45℃，亞硫酸鈉濃度為0.30%，浸泡時間分別為1、2、3、4、5、6 h的條件下對竹豆淀粉進行提取，將提取的淀粉干燥后計算竹豆淀粉的提取率。

1.3.3.3 亞硫酸鈉濃度對竹豆淀粉提取率的影響

在浸泡溫度為45℃，浸泡時間為4 h，亞硫酸鈉濃度分別為0.10%、0.20%、0.30%、0.40%、0.50%、0.60%的條件下對竹豆淀粉進行提取，將提取的淀粉干燥后計算竹豆淀粉的提取率。

1.3.4 響應曲面試驗優化設計

鑒于單因素試驗的基礎，本試驗選取了浸泡時間（A）、浸泡溫度（B）和亞硫酸鈉濃度（C）3個因素作為工藝參數，竹豆淀粉的提取率（Y）作為響應值。根據Box-Behnken的原理來進行試驗設計。因素和因素水平設計見表1。

表1 響應面分析試驗的因素與水平Table 1Factors and levels used in response surface analysis

1.3.5 竹豆淀粉基本理化指標的測定

水分的測定：采用直接干燥法（按照GB 5009.3-2010《食品安全國家標準食品中水分的測定》）。

蛋白的測定：選擇凱氏定氮法（參照GB 5009.5-2010《食品安全國家標準食品中蛋白質的測定》及定氮儀器手冊，N設為6.25）。

脂肪的測定：索式抽提法（參照GB/T 5009.6-2003《食品中脂肪的測定》）。

灰分的測定：質量法（參照GB 5009.4-2010《食品安全國家標準食品中灰分的測定》）。

淀粉的測定：酸水解法（參照GB/T 5009.9-2008《食品中淀粉的測定》）。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果分析

由于淀粉的提取效果受很多因素的影響，不同種類的淀粉提取效果所受的影響因素也各不相同。王德培，高群玉等的相關研究表明，浸泡工藝對淀粉得率的影響較大[13-14]。因此，本試驗按照1.3.1中的提取方法，分別考察浸泡時間，浸泡溫度，亞硫酸鈉濃度3個可能對淀粉提取效果影響較明顯的因素做單因素試驗，以竹豆淀粉的提取率為試驗指標來確定相關因素及各因素的合適水平。

2.1.1 浸泡溫度對竹豆淀粉提取率的影響

浸泡溫度對竹豆淀粉提取率的影響見圖1。

圖1 浸泡溫度對竹豆淀粉提取率的影響Fig.1The influence of soaking temperature on bamboo bean starch extraction yield

如圖1，竹豆淀粉的提取率隨溫度的升高而增加，且增加的幅度較大，在45℃時達到最大值。原因是淀粉不溶于冷水，在溫度較低時，隨溫度升高，可加速淀粉顆粒游離和堿液與蛋白質、纖維素間反應。在溫度高于45℃時，淀粉的提取率反而下降，可能是因為溫度過高，引起竹豆淀粉發生糊化，造成淀粉質量下降，淀粉提取率變低。因此，選取浸泡溫度45℃為最佳水平。

2.1.2 浸泡時間對竹豆淀粉提取率的影響

浸泡時間對竹豆淀粉提取率的影響見圖2。

圖2 浸泡時間對竹豆淀粉提取率的影響Fig.2The influence of soaking time on bamboo bean starch extraction yield

如圖2，竹豆淀粉的提取效果隨浸泡時間的延長而增加，在5 h時達到最大值。原因是隨著浸泡時間的增加，竹豆組織變軟使細胞易被破碎，一些可溶性蛋白質低分子肽及無機鹽、糖、果膠等被浸出，有利于淀粉的分離提純，從而增加了淀粉提取率。當浸泡時間超過5 h時，竹豆淀粉的提取效果隨浸泡時間的延長而迅速降低，考慮到原因可能是由于浸泡時間太長，竹豆組織內部酶的活動加劇，菌類在繁殖中，有害腐生菌加速生長，造成竹豆淀粉被部分水解，使淀粉提取率下降。因此，選取浸泡時間5 h為最佳水平。

2.1.3 亞硫酸鈉濃度對竹豆淀粉提取率的影響

亞硫酸鈉濃度對竹豆淀粉提取率的影響見圖3。

圖3 亞硫酸鈉濃度對竹豆淀粉提取率的影響Fig.3Concentration of sodium sulfite bamboo bean starch extraction yield

如圖3，竹豆淀粉的提取率隨著亞硫酸鈉濃度的增加而增加，這是由于在弱堿的環境條件下，竹豆中的淀粉和蛋白質被有效分離，從而提高了提取效率。在亞硫酸鈉濃度為0.3%時淀粉的提取率達到最大值。隨后淀粉的提取率開始下降，考慮到原因可能是堿液濃度過高，淀粉易發生糊化且會對淀粉品質造成不利影響。因此，選取亞硫酸鈉濃度0.3%為最佳水平。

2.2 響應面試驗結果與分析

2.2.1 響應面試驗設計與結果

由Design-Expert 8.05b統計軟件的設計可知，三因素三水平的中心組合設計包含17個試驗點，含有12個析因點和5個零點。試驗設計及結果見表2。

表2 響應面的試驗設計和結果Table 2The response surface design and experimental result

2.2.2 模型的建立與分析

通過表2的試驗數據，采用Design-Expert.8.05b軟件來進行擬合，得如下回歸方程：Y=54.86＋2.84A-1.59B+0.27C-0.55AB-0.18AC＋0.52BC-4.98A2-6.53B2-2.65C2

對模型進行方差分析，其結果見表3。

表3 回歸模型方差分析Table 3Analysis of variance for the fitted quadratic polynomial model

響應面模型的可靠性要根據系數R2和方差分析來判斷[15]。由所得方程可以看出，A2，B2和C2的系數均為負值，可以判斷該回歸方程所對應的拋物面開口向下，說明有極大點。通過方差分析可見，P值＜0.000 1，影響極顯著，表明模型對試驗擬合良好。失擬項是用來描述合適模型附近數據的變動情況，失擬項的P= 0.178 7＞0.05，失擬項的值不顯著，說明未知因素對該實驗結果干擾小，模型方程對試驗的擬合度較好，方法可靠[16]。相關系數R2=0.989 1，說明模型的可信度較高，能較好的反映真實值。

因素A、B的P值均低于0.01，說明在竹豆淀粉提取過程中，浸泡時間和浸泡溫度對竹豆淀粉的提取率有極顯著性影響；由表3可以得出，各因素影響竹豆淀粉提取率的順序依次為浸泡時間（A）＞浸泡溫度（B）＞亞硫酸鈉濃度（C）。

2.2.3 響應曲面三維圖和等高線分析

響應曲面圖坡度的陡峭程度與等高線的形狀可反映各因素對響應值的影響以及因素間交互作用的強弱[17-18]。曲面越陡峭，表明影響越顯著，曲面越平緩，表明影響不顯著。等高線的橢圓形和圓形分別代表因素間交互影響的強與弱[19]；等高線的緊密和稀疏分別代表顯著性與不顯著性的影響[20]。根據回歸分析和回歸方程擬合可繪制相應的響應曲面和等高線分析圖，如圖4～圖6。

圖4 浸泡溫度和浸泡時間對淀粉提取率影響的響應面和等高線圖Fig.4The interaction of the soaking temperature and soaking time on the influence of starch extraction yield response surface and contour plot

如圖4～圖6，不同參數的變化對淀粉提取率會產生不同的影響。如圖4和圖6，坡度和等高線均顯示出浸泡時間和浸泡溫度，浸泡溫度和亞硫酸鈉濃度之間交互影的顯著性。從圖5的等高線和曲面圖中可知，浸泡時間和亞硫酸鈉濃度對淀粉提取率的影響較弱。

2.2.4 最佳工藝參數確定與模型驗證

采用Desigin-Expert軟件分析，得出竹豆淀粉提取的最佳條件為：浸泡時間4.29 h，浸泡溫度44.3℃，亞硫酸鈉濃度0.3%，響應面二次模型預測竹豆淀粉提取率的最大值為55.4%。考慮到操作的可行性，調整最佳工藝為：浸泡時間4.3 h，浸泡溫度45℃，亞硫酸鈉濃度0.3%。采用調整后的最佳工藝，進行3次驗證試驗得淀粉平均提取率為56.8%。與理論預測值相比，其相對誤差為2.53%，表明由響應面法得出的竹豆淀粉提取工藝是可靠的。

2.3 竹豆淀粉基本理化指標的測定結果

竹豆淀粉基本理化指標的測定結果見表4。

圖5 亞硫酸鈉濃度和浸泡時間對淀粉提取率影響的響應面和等高線圖Fig.5Sodiumsulfiteconcentrationandsoakingtimeontheinfluence ofstarchextractionyieldresponsesurfaceandcontourplot

圖6 亞硫酸鈉濃度和浸泡溫度對淀粉提取率影響的響應面和等高線圖Fig.6Sodiumsulfitesoakingconcentrationandtemperatureonthe influenceofstarchextractionyieldresponsesurfaceandcontourplot

表4 竹豆淀粉基本理化指標Table 4Bamboo bean starch basic physical and chemical index

通過水磨法制備的竹豆淀粉，對其常規理化指標進行測定，如表4所示，水分在8%～15%之間，與市售淀粉含水量標準相接近。蛋白質殘留量在0.20%～0.40%之間，相對較低，試驗結果與汪麗萍，劉艷香[21]等研究的豆類淀粉的蛋白質殘留量在0.20%～2.50%之間相符。脂肪含量在0.08%～0.20%之間，高于薯類淀粉脂肪的含量而小于玉米淀粉脂肪含量，淀粉中脂肪含量的高低直接影響淀粉的食用口味及糊化溫度和黏度等一些理化特性[22]。淀粉的含量在85%～92%之間，純度較高。灰分含量在0.10%～0.20%之間，含量較高，由于灰分的主要成分是磷酸鉀、銅、鎂鹽、鈣等，是淀粉高溫煅燒后的產物，說明竹豆淀粉中含有較多的磷酸鹽基團。由此可知，竹豆淀粉的各項指標均達到淀粉的分析測試要求。

3 結論

本試驗通過響應面法建立3個影響因素即浸泡時間、浸泡溫度、亞硫酸鈉濃度與響應值即竹豆淀粉提取率的相關模型。結果表明，影響竹豆淀粉提取率的因素順序依次為：浸泡時間＞浸泡溫度＞亞硫酸鈉濃度。

最佳工藝為：浸泡時間4.3 h，浸泡溫度45℃，亞硫酸鈉濃度0.3%，得竹豆淀粉的提取率為56.8%，相對誤差為2.53%；竹豆淀粉的純度為（88.6±3.04）%，蛋白質殘留量為（0.32±0.08）%。

目前，對于竹豆淀粉的提取工藝很少有研究報道，與傳統的水磨法提取其它豆類淀粉相比較，竹豆淀粉的提取率均高于其它豆類，所得淀粉純度與之前報道相接近[23]，蛋白質殘留量較低。因此，竹豆淀粉的開發利用，不僅會提高竹豆的利用率，更有廣闊的市場應用前景。

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Optimization of Extraction Technology of Starch from Bamboo Bean by Response Surface Methodology

KANG Xin-yue1，WANG Li-mei2，QI Bin2，*
（1.School of Food Science and Engineering，Jilin Agriculture University，Changchun 130118，Jilin，China；2.School of Biotechnology and Food Engineering，Changshu Institute of Technology，Changshu 215500，Jiangsu，China）

Using water grinding method extraction of bamboo bean starch，the effects of immersion time，soaking temperature，concentration of sodium sulfite on the extraction efficiency were studied，on the basis of single factor experiment，response value for starch extraction yield，the optimum extraction conditions optimized by box benhnken design were immersion time 4.3 h，Soaking temperature 45℃，concentration of sodium sulfite 0.3%.Under the technological conditions，the bamboo bean starch extraction rate reached to 56.8%，compared with the theoretical prediction，the relative error was 2.53%，bamboo bean starch purity of（88.60±3.04）%，the protein residues（0.32±0.08）%.

bamboo bean；starch；response surface methodology；extraction

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.09.013

2016-08-17

國家高技術研究發展計劃（863計劃）項目（2013AA102203-03）

康欣月（1990—），女（滿），碩士研究生，研究方向：糧食、油脂與植物蛋白工程。

*通信作者：齊斌（1965—），男（漢），教授，博士，研究方向：糧食、油脂與植物蛋白工程。