馬鈴薯淀粉的提取與直鏈淀粉的制備

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(西南科技大學植物分子遺傳育種實驗室,四川綿陽 621010)

馬鈴薯淀粉的提取與直鏈淀粉的制備

許亮,向珣朝*,龔明,楊博文,游惠

(西南科技大學植物分子遺傳育種實驗室,四川綿陽 621010)

為解決商品淀粉成本高的問題,以綿陽本地鮮馬鈴薯為原料,通過設計正交實驗研究馬鈴薯淀粉提取工藝,以馬鈴薯淀粉得率為參考指標篩選出馬鈴薯淀粉提取最佳工藝參數為:粉碎時間2 min,靜置時間3 h,洗滌次數3次。在最佳工藝條件下,鮮馬鈴薯的平均淀粉得率為13.5%。以國標法為基礎,采用熱堿法和正丁醇-異戊醇結晶法制備直鏈淀粉純品,對其進行品質鑒定,結果表明實驗室自制的直鏈淀粉可以作為標準品使用。

馬鈴薯,直鏈淀粉,制備,品質

馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)屬茄科茄屬一年生草本植物,又名土豆,洋芋等,起源于安第斯山脈,因馬鈴薯塊莖中富含淀粉、蛋白質、膳食纖維和維生素等成分,具有很高的營養價值,被譽為地下蘋果和第二面包,被廣泛種植于亞洲、歐洲、非洲等157個國家[1-2],是世界第三大糧食作物[3]。馬鈴薯塊莖中含淀粉15%～24%,是制備植物淀粉的重要原料;作為生產量僅次于玉米淀粉的第二大植物淀粉,馬鈴薯淀粉在紡織、制藥、飼料和食品等領域用途廣泛,因此馬鈴薯淀粉是重要的植物淀粉之一[4]。

馬鈴薯淀粉無色、高韌、高黏和高穩定性等特點,有著其他淀粉無法比擬的獨特特性[5]。因此,馬鈴薯淀粉在有關植物淀粉的基礎研究中廣泛應用。國內生產的直鏈淀粉由于品質相對比較低下,很少作為實驗藥品進入實驗室,但是作為測定直鏈淀粉含量實驗的常備藥品之一,為了提高實驗的準確度,就不得不從Sigma等國外公司購買價格高昂但品質有保障的直鏈淀粉純品,導致實驗成本增加。另外,高直鏈淀粉研究本身是當今的一個熱點,高直鏈淀粉也是一種抗性淀粉,人體不容易消化,從而降低血糖指數,作為益生元也能促進結腸健康[6-7]。如果能夠完善直鏈淀粉制備工藝,提高直鏈淀粉品質,無疑是有助于降低直鏈淀粉價格和為人類健康服務,更重要的是,可形成系統的工藝標準,有利于該產品的自動化生產,為相關方面的研究提供物質基礎和依據。因此,我們開展了優化馬鈴薯淀粉提取工藝和提高直鏈淀粉品質的研究。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

馬鈴薯 綿陽周邊地區;馬鈴薯直鏈淀粉標準品與馬鈴薯支鏈淀粉標準品 sigma公司;NaOH、乙酸、鹽酸、正丁醇、異戊醇、碘化鉀、碘、冰乙酸 成都市聯合化工試劑研究所；無水乙醇 成都市科龍化工試劑廠。以上試劑均為分析純。

TU1900雙光束紫外可見分光光度計 上海凌析儀器有限公司;PH-030(A)干燥/培養箱 上海齊欣科學儀器有限公司;Eppendorf 5415R冷凍離心機 德國Eppendorf公司。

1.2實驗方法

1.2.1 馬鈴薯淀粉提取方法及優化 將新鮮的馬鈴薯削皮,切成0.2 cm3大小的小塊,稱取30 g左右作為供試材料,參照張娟[8]等的方法進行處理,得到原淀粉,常溫下(18～25 ℃)保存備用[9]。為優化馬鈴薯淀粉提取工藝條件,擬以粉碎時間、靜置時間和洗滌次數為提取因素,進行L9(34)正交實驗設計。提取因素和水平見表1。

表1 提取因素與水平Table 1 Extracting factors and levels

1.2.2 馬鈴薯淀粉得率的測定 根據公式(1)計算馬鈴薯淀粉得率。

淀粉得率(%)=(原淀粉量/樣品量)×100

式(1)

式(1)中:樣品量-稱取的鮮土豆質量(g)。

1.2.3 直鏈淀粉含量測定 稱取0.1 g馬鈴薯直鏈淀粉標準品(sigma),參考何彩梅[10]等人的實驗方法對標準品進行處理,繪制直鏈淀粉標準曲線。稱取0.1 g制備的馬鈴薯淀粉樣品于100 mL容量瓶中,按上述文獻中的方法測定樣品中直鏈淀粉含量。

1.2.4 馬鈴薯直鏈淀粉分離及純化 按GB/T15683-1995國標法進行并稍加改進制備直鏈淀粉。稱取馬鈴薯淀粉10 g,加少量無水乙醇濕潤樣品,再加入200 mL 濃度為1 mol/L的NaOH溶液,在85 ℃水浴中加熱攪拌20 min至淀粉完全分散,冷卻,在4000 r/min冷凍離心15 min,取上清液用2 mol/L鹽酸調至pH7.0,然后加入80 mL正丁醇-異戊醇(體積比為1∶1),在85 ℃水浴中加熱攪拌10 min,冷卻至室溫,移入冰箱內(2～4 ℃)靜置24 h,去掉上層污物層,以4000 r/min冷凍離心15 min,棄掉上清液,沉淀物即為粗直鏈淀粉。

沉淀物用飽和正丁醇水溶液洗滌數次,將其轉入200 mL飽和正丁醇水溶液,于85 ℃水浴中加熱攪拌至完全分散、溶液清澈透明后,冷卻至室溫,將其移入冰箱內冷藏室靜置24 h。棄去上層油污,在4000 r/min轉速下冷凍離心15 min,沉淀物再加飽和正丁醇水溶液加熱溶解,反復純化3次。最后,沉淀物用無水乙醇反復洗滌離心3次,并在40 ℃干燥箱中干燥8 h至恒重,即得直鏈淀粉純品[11-14]。

1.2.5 碘-淀粉復合物吸收光譜測定 利用張娟等[8]的方法來測定制備直鏈淀粉、標準直鏈淀粉與碘復合物在室溫下的吸收光譜。

1.2.6 藍值的測定 藍值表示淀粉結合碘的能力。采用Gilhert和Spragg法[15]測定樣品藍值,其計算公式如下:

式(2)

式(2)中:A680-測樣品在680 nm處的吸光度。

1.2.7 數據處理 用Microsoft Excel2007和DPS9.5軟件對實驗數據進行整理,圖表繪制和進行方差分析。

2 結果與分析

2.1馬鈴薯淀粉提取工藝優化

以淀粉得率為考查指標,馬鈴薯淀粉提取正交實驗設計及結果見表2,方差分析結果見表3。由正交實驗結果和極差分析可知,影響馬鈴薯淀粉提取效果的主要因素為靜置時間>粉碎時間>洗滌次數;由表2可以看出,最優組合為A3B3C2,即粉粹時間為2 min,靜置時間為3 h,洗滌次數為3次。在提取馬鈴薯淀粉最佳工藝條件下,進行4次重復實驗,馬鈴薯淀粉得率分別為:13.21%、13.61%、13.41%、13.50%。馬鈴薯淀粉得率平均為13.43%,極差為0.4%,說明該提取工藝穩定,重現性較好。

表2 L9(34)正交實驗設計及結果Table 2 L9(34)the orthogonal design and results

從表3的方差分析結果可知,僅考慮A或B時,F值均大于F0.05,小于F0.01;考慮C時,F值小于F0.05,說明粉碎時間和靜置時間對提取效果有顯著性影響。A、B、C三因素之間交互作用的F值大于F0.01,說明三因素互作效應對提取效果有極顯著影響。

2.2馬鈴薯淀粉中的直鏈淀粉含量

2.2.1 繪制標準曲線 由圖1所示,直鏈淀粉濃度與吸光度呈良好的線性關系,其回歸方程為y=0.041x+0.084(R2=0.992)。

2.2.2 馬鈴薯直鏈淀粉含量測定 測定4組馬鈴薯淀粉樣品,每組重復3次,測試結果見表4,由表4得馬鈴薯淀粉平均吸光度為0.436。參照標準曲線計算得出馬鈴薯淀粉中的直鏈淀粉含量為8.59 μg/mL,根據淀粉溶液的最后稀釋濃度,即可知馬鈴薯淀粉中的直鏈淀粉含量為17.18%。趙萍等[16]分析甘肅省10個馬鈴薯主栽品種的直鏈淀粉含量變異范圍為10.44%～19.24%。Dos Santos等[17]也統計分析了產自巴西的不同馬鈴薯品種的直鏈淀粉含量,其差異顯著。曾凡逵[18]等以甘肅省西安市生產的新大坪品種馬鈴薯為實驗材料,測得的馬鈴薯直鏈淀粉含量為21.20%,說明馬鈴薯的直鏈淀粉含量受品種因素影響較大,本實驗分析的馬鈴薯直鏈淀粉含量與前述結論相似。

表3 馬鈴薯淀粉得率方差分析Table 3 Variance analysis of potato starch yield

圖1 馬鈴薯直鏈淀粉標準曲線Fig.1 Standard curve of potato amylose

注:表中的*表示F值在F0.05水平上顯著,**表示F值在F0.01水平上顯著。

表4 馬鈴薯淀粉在620 nm波長的吸光度Table 4 The absorbance of potato starch samples at 620 nm

2.3馬鈴薯直鏈淀粉純度

2.3.1 最大吸收波長 制備的馬鈴薯直鏈淀粉、采購的馬鈴薯直鏈淀粉(Sigma)與碘復合物的室溫吸收光譜如圖2所示。由圖2可以看出,制備馬鈴薯直鏈淀粉與碘復合物吸光度的最大吸收波長范圍是618～651 nm,其中最大吸收波長出現在642 nm處;采購的馬鈴薯直鏈淀粉(Sigma)與碘復合物吸光度的最大吸收波長范圍為611～648 nm,其中最大吸收波長位于634 nm處。吉宏武等[19]報道的馬鈴薯直鏈淀粉與碘絡合物的最大吸收波長為630 nm,這也證實了不同馬鈴薯品種的淀粉在結構上存在差異[3]。張娟等[8]測得芭蕉芋直鏈淀粉與碘復合物的最大吸收波長為600 nm,這是由不同原料來源引起的淀粉結構上的差異,以至其聚合度不同。制備馬鈴薯直鏈淀粉與碘復合物的最大吸光度為0.251,采購的馬鈴薯直鏈淀粉(Sigma)的最大吸光度為0.255,二者存在較小的差異。

圖2 不同來源直鏈淀粉與碘復合物的室溫吸收光譜Fig.2 Absorption spectrum of compound of iodine-amylose from different source at room temperature

綜上可知,不同來源直鏈淀粉與碘復合物的最大吸收波長存在差異,這說明不僅不同原料的植物淀粉在結構上存在差異,而且同一物種的不同品種的植物淀粉之間也存在結構上的差異。這是由不同品種來源的直鏈淀粉結構差異所致[3],直鏈淀粉鏈越長,顏色越深,所以不同品種來源的馬鈴薯直鏈淀粉與碘復合物的最大吸收波長存在一定差異。

2.3.2 馬鈴薯直鏈淀粉藍值 根據圖2,在680 nm處,制備的直鏈淀粉和Sigma直鏈淀粉的吸光度分別為0.246、0.231,根據1.2.6藍值計算公式(2),其藍值分別為0.984和0.924。制備直鏈淀粉的藍值和Sigma直鏈淀粉的藍值相差較小,說明本實驗制備的直鏈淀粉純度較高。另外,本實驗制備的直鏈淀粉和購買的Sigma直鏈淀粉標準品之間室溫吸收光譜峰值不同,其原因可能在于馬鈴薯品種不同而導致其直鏈淀粉線性聚合度有一定差異。

3 結論

通過設計正交實驗,以馬鈴薯淀粉得率為參考指標篩選出了馬鈴薯淀粉提取的最佳工藝參數為:粉碎時間2 min,靜置時間3 h,洗滌次數3次。在最佳工藝條件下,鮮馬鈴薯的平均淀粉得率為13.5%。

馬鈴薯淀粉生產工藝中的淀粉得率與工藝條件有關,靜置時間對淀粉得率影響最大,粉碎時間次之,洗滌次數影響最弱。其中任意兩因素相互作用時,差異不顯著,但三因素相互作用,差異極其顯著。

本實驗馬鈴薯直鏈淀粉與碘復合物的最大吸收波長為642 nm,校正曲線決定系數為0.992,藍值為0.984,制備的直鏈淀粉可以作為直鏈淀粉標準品使用。

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Extractionofpotatostarchandpreparationofpotatoamylose

XULiang,XIANGXun-chao*,GONGMing,YANGBo-wen,YOUHui

(Laboratory of Plant Molecular Genetics and Breeding,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China)

In order to solve the problem of high cost of commercial starch,fresh potatoes produced in Mianyang were as experimental materials and the optimized method for extraction of potato starch was determined by orthogonal design.Taking the yield of fresh potato starch as reference index,optimum process screened was obtained when smashing time was 2 minutes,along with 3 hours of rest time and 3 times of washing. The average yield of potato starch was 13.5% under the optimized condition. Then,based on the national standard method,the amylose of potato was extracted with the method of hot alkaline and purified through n-butanol and isoamyl alcohol recrystallization. Finally,its quality was evaluated. The result showed that the potato amylose preparating in laboratory could be used as a standard sample.

potato;amylose;preparation;quality

2017-01-16

許亮(1995-),男,本科,研究方向:植物分子遺傳與育種,E-mail:xw120424@163.com。

*通訊作者:向珣朝(1965-),男,博士,教授,研究方向:植物分子遺傳與育種,E-mail:xiangxunchao@swust.edu.cn。

西南科技大學重點科研平臺專職科研創新團隊建設基金項目(14tdgc07);四川省教育廳重點項目(17ZA0412);西南科技大學生命科學與工程學院本科創新基金項目(XKSC15-14)。

TS235.2

:B

:1002-0306(2017)17-0152-04

10.13386/j.issn1002-0306.2017.17.029