響應面法優化羅漢參淀粉提取工藝研究

張玉，史亞萍，李響，劉昌衡，賈愛榮，袁福君，張綿松，*

（1.齊魯工業大學（山東省科學院），山東省科學院生物研究所，山東濟南250103；2.單縣天祥羅漢參專業合作社，山東菏澤274300）

羅漢參，屬于豆科蔓性植物，又名香芋、菜用土欒兒[1]、土圞兒、土欒兒[2]，是菏澤市“單縣三寶”之一，性喜光喜熱，不耐干旱和水澇，不耐低溫、高溫和強光，國內目前僅有山東、江蘇、云南、貴州等少數地區種植[1]，是國家稀有名貴作物，有悠久的歷史，并且具有很好的經濟效益。

羅漢參營養成分較全面，是一種理想的食品。羅漢參中含有豐富的蛋白質、氨基酸、碳水化合物、礦物質[3]。山東農業大學實驗室對羅漢參的成分進行了測定，得出羅漢參干物質中淀粉含量38.2%，粗蛋白17.3%，粗纖維15.2%，還原糖4.2%，K元素1.5%，富含人體需要的17種氨基酸和微量元素VC、VB1、VB2等多種營養物質[4]。另外，《中藥大辭典》中對羅漢參（土圞兒）的記載為：“根含淀粉、生物堿。藥性甘，微苦，平。主治功能為：清熱解毒，化痰止咳。主治百日咳，感冒咳嗽，咽喉腫痛；外用治毒蛇咬傷，瘡瘍中毒。”《貴州民間藥物》中的記載是“散積、理氣、補脾。”《全國中草藥匯編》中記載為“清熱解毒，化痰止咳。主治百日咳，感冒咳嗽，咽喉腫痛。”因此，羅漢參是一種很有開發價值的經濟作物。

馬鈴薯、芋頭等薯類淀粉的含量比較高，是國內淀粉的主要來源。但是羅漢參淀粉中抗性淀粉的含量較高，具有獨特的理化性質和保健功能。劉彬、韓文婷等從羅漢參的降糖、通便[5]和抗性淀粉含量等方面展開了研究，取得了一定的成果，研究發現生羅漢參中抗性淀粉的含量為（77.31±4.22）%，熟羅漢參中的抗性淀粉為（24.70±2.24）%，明顯高于土豆、芋頭、地瓜等作物中的抗性淀粉含量[6]，已經發現羅漢參對糖尿病小鼠具有降糖的作用，且血糖生成指數（glycemic index，GI）低，長期食用可治療糖尿病[7]。羅漢參中抗性淀粉含量比較多，是一種具有較好開發應用前景的保健資源，但是羅漢參受種植范圍的影響，近幾年國內對其淀粉提取工藝過程報道很少。本研究優化了羅漢參淀粉的提取工藝，研究其理化性質，為羅漢參淀粉的產品的開發提供理論支持。

1 材料與儀器

1.1 材料

羅漢參：單縣天祥羅漢參專業合作社種植。

鹽酸、葡萄糖、氫氧化鈉、乙醇、甲醇、硫酸、苯酚、可溶性淀粉：均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司；牛血清蛋白：濟南朋遠生物技術有限公司；考馬斯亮藍G-250：Klontech公司。

1.2 儀器

NPCa-02氮磷鈣凱式定氮儀、KDN-04消化爐：上海洪紀儀器設備有限公司；TU-1810紫外可見分光光度計：北京普析通用儀器有限責任公司；NDJ-4型旋轉式粘度計：上海越平科學儀器有限公司；SHB-III型真空抽濾裝置：鄭州長城科工貿有限公司；78-1型磁力加熱攪拌器：浙江樂清樂成電器廠；JJ-1型電動攪拌裝置：江蘇省金壇市金城國勝實驗儀器廠；DK-S24電熱恒溫浴鍋：上海精密科學儀器有限公司；DHG-9070A型電熱恒溫鼓風干燥箱：上海精宏實驗設備有限公司；CR22GIII高速冷凍離心機：日本日立公司；KSW型馬弗爐：北京市永光明醫療儀器廠；FE20型pH計、FE30型電導率儀：梅特勒-托利多國際貿易（上海）有限公司；KQ-400KDE型高功率數控超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司。

2 方法

2.1 羅漢參淀粉的提取工藝路線

稱取羅漢參→清洗→去皮切絲→膠體磨磨漿→過濾→調pH值→靜置2 h→離心→堿洗→水洗→離心→烘干

2.2 羅漢參粗淀粉得率的計算

2.3 羅漢參粗淀粉提取工藝優化

2.3.1 單因素試驗

取等份的去皮切碎的羅漢參，分別考察不同液料比[3 ∶1、5 ∶1、7 ∶1、9 ∶1（L/kg）]、磨漿時間（5、15、25、35 min）、浸泡 pH 值（3、5、7、9）進行單因素試驗，以羅漢參粗淀粉得率為主要考察指標，確定各因素的最優水平。

2.3.2 響應面試驗設計

在單因素試驗結果的基礎上，根據Box-Behnken響應面設計原理[8]，選取液料比（X1）、磨漿時間（X2）和浸泡pH值（X3）這3個因素，采用三因素三水平的Box-Behnken法進行試驗設計，試驗自變量因素及水平編碼見表1。

表1 Box-Behnken方案設計的因素及水平編碼Table 1 Coded values of corresponding actual values of independent variables in response surface design

2.4 羅漢參粗淀粉的基本理化指標測定

水分含量測定：GB 5009.3-2016《食品安全國家標準食品中水分的測定》。

淀粉的測定：GB 5009.9-2016《食品安全國家標準食品中淀粉的測定》。

脂肪含量的測定：GB 5009.6－2016《食品安全國家標準食品中脂肪的測定》。

蛋白含量測定：GB 5009.5－2010《食品安全國家標準食品中蛋白質的測定》。

還原糖含量的測定：3，5－二硝基水楊酸比色法[9]。

淀粉的黏度性質的測定：GB/T 22427.7－2008《淀粉粘度測定》。

電導率的測定：GB/T 8884－2007《馬鈴薯淀粉》。

2.5 數據分析

3 結果與分析

3.1 單因素試驗結果

3.1.1 液料比對羅漢參粗淀粉得率的影響

液料比對羅漢參粗淀粉得率的影響見圖1。

圖1 不同液料比對羅漢參淀粉得率的影響Fig.1 Effect of different liquid-solid ratio on the yield of Luohanshen starch

由圖1可以看出，隨著液料比的增加，淀粉得率漸漸升高，在液料比為7∶1（L/kg）時羅漢參淀粉的得率達到最大，之后開始下降，可能的原因加水量增加有利于淀粉在研磨過程中分散出來，然而增加到一定程度，在物料濃度過稀和膠體磨的定、轉齒之間的間隙一定的情況下，剪切力、摩擦力有所減弱，物料細度的降低不利于淀粉的分離。

3.1.2 磨漿時間對羅漢參粗淀粉得率的影響

磨漿時間對羅漢參粗淀粉得率的影響見圖2。

由圖2可知，在磨漿過程中，不同的磨漿時間對淀粉得率的影響不同，隨著磨漿時間的延長，由于對羅漢參組織的攪碎程度不同，淀粉與各種蛋白質、纖維素的分散程度不同，由圖2可知，從5 min～15 min時間段，淀粉得率呈現上升趨勢，在15 min～25 min時間段，得率下降，但25 min后下降幅度有所緩慢；可能的原因在于過度的磨漿將會對淀粉有一定的破壞[10]。

圖2 磨漿時間對羅漢參粗淀粉得率的影響Fig.2 Effect of different grinding time on the yield of Luohanshen starch

3.1.3 pH值對羅漢參粗淀粉得率的影響

pH值對羅漢參粗淀粉得率的影響見圖3。

圖3 不同溶液的pH值對粗淀粉得率的影響Fig.3 The influence of different pH value on the yield of Luohanshen crude starch

由圖3可知，羅漢參淀粉的得率提高到了17%左右，pH值在7～9之間有一個明顯的上升，在pH=9時達到最高，當pH值繼續升高時，粗淀粉得率下降，可能的原因是羅漢參在pH=8～9時蛋白質的可溶性比較好，蛋白質與淀粉的分離效果最明顯[11]。

3.2 響應面試驗結果與分析

3.2.1 數學模型的建立

采用Design Expert8.0軟件對粗淀粉得率響應值進行回歸擬合，建立二次回歸模型，得回歸方程：Y=19.10+0.32X1+0.37X2－1.59X3－0.79X1X2－0.35X1X3+0.38X2X3－1.08X12－2.67X22－0.81X32（3－1）

對上述方程進行方差分析（見表2），R2=0.994 8，說明試驗擬合程度良好，失擬項的P值為0.296，說明模型失擬項不顯著，校正系數Radj2=0.988 1，說明此模型能說明試驗中98.81%的響應值的變化，可用來分析羅漢參粗淀粉的得率。此外，液料比X1、磨漿時間X2、pH值X3對羅漢參粗淀粉的得率有極顯著影響；交互作用項X1X2、X12和X22、X32均對羅漢參粗淀粉的得率有極顯著影響；其他變量的影響均顯著。依據回歸方程系數，影響羅漢參粗淀粉的得率因素的順序為X3（pH值）>X2（磨漿時間）>X1（液料比）。

表2 方差分析表Table 2 Analysis of variance table

3.2.2 兩因素間的交互效應分析[12]

根據表2，可知X1X2、X1X3對粗淀粉得率的影響顯著，而X2X3的影響極顯著，回歸方程作出響應面分析圖（見圖 4）：粗淀粉得率隨 X1X2、X1X3、X2X3的改變而改變，呈現出先增后減的趨勢，從響應面的最高點即該模型存在穩定點，且穩定點就是最大值。

2005年，正值湖南省首次公開招錄法官和檢察官，畢業于湖南省司法學校的李凌參加湖南省雙峰縣人民檢察院的招聘考試，并最終如愿以償。

3.2.3 最優值預測及方法驗證

圖4 兩因素交互影響粗淀粉得率的響應面圖Fig.4 Response surfaces of the pairwise interactive effects on the yield of Luohanshen crude starch

軟件解析得出羅漢參淀粉的最佳提取條件為：液料比為 7.9 ∶1（L/kg），磨漿時間為 15.5 min，提取液 pH值為8.2，在此條件下，羅漢參粗淀粉的得率理論值22.1%。考慮到實際操作的方便性和優化結果的準確性，將提取條件更改為液料比為8∶1（L/kg），磨漿時間為15 min，提取液pH值為8，3次重復試驗測出羅漢參粗淀粉的得率為21.5%，與理論值相比，相對誤差為0.6%。

本試驗得到的羅漢參粗淀粉的最佳提取工藝，羅漢參粗淀粉的得率為21.5%。據相關文獻報道，淀粉的提取方法主要有機器分離法、酶法、酸漿法等[13]。機械分離法耗能高、工藝復雜；酶法污染小、但酶解時間長、成本高；酸漿法易受原料和氣候的影響、用水量大、工業化生產受限[14]。本試驗采用水提法減少了試驗過程中羅漢參淀粉的損失，且本試驗優化的工藝不僅僅條件溫和，成本低，易于操作。

3.3 羅漢參粗淀粉的理化性質

羅漢參粗淀粉的pH值約為6.0，電導率為186 μs/cm，其糊化溫度為90℃，水分含量、蛋白質含量、灰分、pH值及電導率值均已經達到馬鈴薯淀粉的國家標準，其成分測定結果見表3。

4 結語

本試驗通過水提法提取羅漢參淀粉，利用單因素試驗和RSM響應面法設計羅漢參淀粉的最佳提取條件，構建粗淀粉得率與液料比、磨漿時間和提取液pH值三者之間的數學模型，確定了羅漢參淀粉的最佳提取工藝：液料比為 8 ∶1（L/kg），磨漿時間為 15 min，提取液pH值為8，經3次平行試驗，得到羅漢參粗淀粉的得率為21.5%，可以預見該回歸模型具有很好的預測性。本研究進一步對所得到的羅漢參淀粉進行理化性質分析：其水分含量為5.77%、蛋白質含量為0.04%、灰分為0.44%、淀粉含量為88.5%、脂肪含量為0.2%，pH值為6.0、電導率為18 μs/cm、糊化溫度90℃，部分指標優于馬鈴薯淀粉國家標準。因此，本試驗結果對羅漢參粗淀粉的進一步研究和深度開發具有一定的實踐意義。

表3 羅漢參淀粉的理化指標Table 3 The physical and chemical properties in the Luohanshen starch