龍爪粟淀粉的提取及理化特性研究

盧紹闖 秦石秀 陳家麗 王嘉琪 李赤翎,3

(長沙理工大學(xué)化學(xué)與食品工程學(xué)院1，長沙 410007) (深圳市太科檢測有限公司2，深圳 518074) (內(nèi)蒙古紅太陽食品有限公司3，呼和浩特 010070)

龍爪粟(EleusinecoracanaGaertn[1])，別名穇子、雞爪谷、龍爪稷等[2]，為1年生禾本科植物龍爪粟的籽粒。龍爪粟耐貯藏，富含淀粉和各種微量元素，種皮含有大量的多酚物質(zhì)；有研究表明，龍爪粟具有降血糖、保護(hù)心臟、抗氧化和預(yù)防骨質(zhì)疏松等多項生理功能[5]；民間常常用龍爪粟熬粥，補(bǔ)血益氣；或磨成粉與大米粉混合，制成深受歡迎的各種糕點小吃。龍爪粟淀粉占其營養(yǎng)物質(zhì)的50%以上，其晶體結(jié)構(gòu)、膨脹能力、析水率等理化性質(zhì)與食品加工關(guān)系重大。但迄今為止，國內(nèi)外文獻(xiàn)對龍爪粟的報道，大多集中在以種皮多酚物質(zhì)研究為主。本文以本省龍爪粟品種為對象，研究了龍爪粟淀粉的提取工藝及其理化特性，以期為龍爪粟食品加工和深加工研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

龍爪粟購于湖南益陽，龍爪粟原粉由龍爪粟顆粒粉碎至80目制得，玉米淀粉。

1.2 主要儀器

DHG-9140型電熱鼓風(fēng)干燥機(jī)；FW177型中草藥粉碎機(jī)；HHS-21-8型恒溫水浴鍋；L550型離心機(jī)；D/MAX-2200型X射線衍射儀；Quanta-200型掃描電子顯微鏡；DSC200F3型差示掃描量熱儀。

1.3 實驗方法

1.3.1 龍爪粟基本組分含量的測定

蛋白質(zhì)含量：參照 GB/T 5009.5—2010；脂肪含量：參照 GB/T 5009.6—2003；灰分含量：參照GB/T 5009.4—2010；粗纖維含量：參照GB/T 6193—1986；淀粉含量：參照GB/T 5009.9—2016。

1.3.2 龍爪粟淀粉的提取工藝

龍爪粟顆粒→粉粹→過篩→石油醚脫脂→調(diào)節(jié)pH值→加入堿性蛋白酶→水浴振蕩→過濾→濾液離心→棄上清液得沉淀→干燥→粉碎→過篩→龍爪粟淀粉

采用雙縮脲法對所提取淀粉中的蛋白質(zhì)進(jìn)行測定，未顯示出紫色；此外，采用酸水解法對淀粉中的脂肪進(jìn)行檢測，未提取出脂肪，表明所提龍爪粟淀粉中的蛋白質(zhì)、脂肪已基本去除干凈。

1.3.3 單因素實驗

分別用酸性蛋白酶、堿性蛋白酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶進(jìn)行龍爪粟淀粉提取實驗，在四種酶的最佳作用條件下，以堿性蛋白酶提取率最高。故以堿性蛋白酶為提取酶，分別測定當(dāng)料液比(1∶6～1∶12)、酶解溫度(45～55 ℃)、酶解時間(3～5 h)、pH值(9～11)時，考察各因素對淀粉的提取率的影響。

1.3.4 實驗方案設(shè)計

運(yùn)用中心組合設(shè)計(BBD)的原理[6]，采用四因素三水平的實驗方案，優(yōu)化淀粉提取工藝，數(shù)據(jù)的處理通過軟件Design-expert進(jìn)行。Box-Benhnken設(shè)計實驗因素及編碼水平見表1。

表1 Box-Benhnken設(shè)計實驗因素及編碼水平

1.3.5 淀粉溶解度和膨脹度的測定

參考張黎明等[7]的測定方法，研究龍爪粟原粉、龍爪粟淀粉及玉米淀粉在60、65、70、75、80、85、90 ℃等溫度下的溶解度和膨脹度。

1.3.6 淀粉糊的凍融穩(wěn)定性及凝沉性的測定

1.3.6.1 凍融穩(wěn)定性

參考汪磊等[8]的測定方法，分別對樣品的凍融穩(wěn)定性進(jìn)行測定。

1.3.6.2 凝沉性

參考任順成等[9]的測定方法，分別對樣品的凝沉值進(jìn)行測定。

1.3.7 淀粉顆粒表面結(jié)構(gòu)的測定

將少量樣品粉末噴上一層鉑金，用掃描電子顯微鏡放大到合適倍數(shù)對其表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。

1.3.8 淀粉顆粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)的測定

將待測樣品經(jīng)干燥、粉碎后進(jìn)行測試。設(shè)置衍射條件：Cu射線，加速電壓30 kV，管電流30 mA，測量角度2θ=10°～40°，Step=0.01 deg，掃描速度4°/min。采用同樣方法和條件分別對樣品進(jìn)行測定。

1.3.9 淀粉熱力學(xué)性質(zhì)的測定

將加入去離子水的樣品(料液比為1∶3)密封于鋁坩堝中，于室溫下平衡12 h后測定。設(shè)定參數(shù)：溫度掃描范圍為25～220 ℃，升溫速率為10 ℃/min，樣品室N2流量為40 mL/min。分別對龍爪粟原粉、龍爪粟淀粉和玉米淀粉進(jìn)行測定時，以糊化的起始溫度(To)、峰值溫度(Tp)、終止溫度(Tc)和熱焓(ΔH)表示樣品的DSC特征參數(shù)，每一樣品重復(fù)進(jìn)行3次。

1.3.10 統(tǒng)計學(xué)處理

利用 SPSS、Excel、Origin等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。P>0.05表示差異不顯著，P<0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 龍爪粟的基本成分含量

龍爪粟原粉及龍爪粟淀粉中的蛋白質(zhì)、脂肪和灰分的含量測定結(jié)果如表2所示。

表2 龍爪粟的基本成分組成

注： “—”表示未檢出。

2.2 龍爪粟淀粉提取工藝優(yōu)化

2.2.1 回歸模型方程的建立

Box-Benhnken設(shè)計表及測定結(jié)果見表3。利用軟件Design-expert對表3的結(jié)果進(jìn)行二次多項回歸擬合，得到在四種因素(料液比A、酶解溫度B、酶解時間C、和pHD)作用下龍爪粟淀粉提取率(Y)的多元回歸方程：Y=75.72-0.013A+0.32B+0.050C-0.56D-0.67AB-0.61AC-0.15AD+0.078BC+1.47BD-0.42CD+0.45A2-1.63B2-1.55C2-2.80D2。

表3 Box-Benhnken設(shè)計表及實驗結(jié)果

續(xù)表3

2.2.2 方差分析

由表4可知，該模型的P=0.000 3<0.01，說明本次實驗選用的幾種因素對龍爪粟淀粉提取率的影響具有高度的顯著性，實驗設(shè)計方案是正確的。失擬項是用來描述模型附近數(shù)據(jù)的變動情況[10]，表4中模型失擬項的P值為0.438 5(P>0.05)，表示為不顯著，兩值能夠進(jìn)行很好的擬合，模型建立的回歸方程能較好地解釋響應(yīng)結(jié)果并預(yù)測最佳提取工藝條件。

表4 回歸模型方差分析

注：**差異極顯著，P<0.01；*差異顯著，0.01

2.2.3 顯著性分析

由表5可知，因素BD對響應(yīng)值的交互影響極顯著；因素B2、C2、D2對響應(yīng)值的曲面效應(yīng)極顯著；其余項對響應(yīng)值的影響均不顯著。因此可知，響應(yīng)值(提取率)并不是與某一種因素呈線性關(guān)系，兩種因素交叉以及因素的二次項也會對響應(yīng)值產(chǎn)生影響。

表5 回歸方程系數(shù)的顯著性檢驗分析表

2.2.4 響應(yīng)面分析

根據(jù)Design-expert 8.0分析得出不同因素間的響應(yīng)面圖及相應(yīng)等高線圖。隨著響應(yīng)值在各因素的不同影響下，響應(yīng)面圖的坡度會形成不同的陡峭程度，若平緩，說明影響程度較小，若較為陡峭，則說明影響程度較大；而且任意兩因素之間交互影響的大小會形成不同的等高線形狀[11，12]。同時，若等高線沿因素軸向變化越稀疏，表明該因素對測定結(jié)果影響越不顯著，反之則越顯著[8]。由圖2可知，在兩因素(pH和酶解溫度)的作用下，響應(yīng)面圖具有較為陡峭的坡度且也形成橢圓狀的等高線，表明此交互影響具有顯著性，同時可由沿兩因素軸向上等高線變化的稀密程度反映出pH對響應(yīng)值的影響較酶解溫度大。對其余圖像進(jìn)行分析，任意兩因素間的交互作用不顯著，這一分析也符合表5的結(jié)果。由圖3中的等高線可知，pH對響應(yīng)值(提取率)的影響程度較酶解時間大，同理分析其余圖像，得到各因素對響應(yīng)值提取率影響程度的大小順序為：D>B>C>A，即pH >酶解溫度>酶解時間>料液比，該結(jié)果與表5一致。

圖1 酶解時間和酶解溫度對提取率影響的響應(yīng)面

圖2 pH和酶解溫度對提取率影響的響應(yīng)面

圖3 pH和酶解時間對提取率影響的響應(yīng)面

本研究前期已對去皮龍爪粟粉中的淀粉含量進(jìn)行測定，為80.92%；而實驗中的淀粉提取率為68.14%～76.54%，造成提取率不理想的原因應(yīng)該是多次水洗、轉(zhuǎn)移、過濾等因素導(dǎo)致了淀粉的損失。

2.3 龍爪粟淀粉的理化特性分析

2.3.1 龍爪粟淀粉的溶解度與膨脹度

淀粉自身的持水能力以及顆粒內(nèi)部氫鍵結(jié)合的強(qiáng)弱在很大程度上受到其溶解度和膨脹度的影響，對淀粉在加工過程中的特性有著較大的影響[13]。由圖4a可知，三種樣品的溶解度基本都呈現(xiàn)出隨溫度的升高而增大的趨勢，在不同溫度下，龍爪粟原粉的溶解度顯著高于龍爪粟淀粉和玉米淀粉(P<0.05)。龍爪粟淀粉與玉米淀粉溶解度近似呈線性增加的趨勢相比，龍爪粟淀粉在75 ℃之前沒有明顯的變化，75 ℃之后迅速增加，因為當(dāng)加熱溫度超過75 ℃后，淀粉顆粒在水分子的作用下發(fā)生崩解，淀粉的游離使得其溶解度增大。如圖4b所示，三種樣品的膨脹度都隨著溫度的升高而不斷增加，這是因為淀粉顆粒在逐漸受熱過程中發(fā)生糊化。龍爪粟淀粉的膨脹度顯著低于玉米淀粉(P<0.05)，這說明龍爪粟淀粉顆粒內(nèi)部的氫鍵結(jié)合的力大于玉米淀粉。龍爪粟淀粉的膨脹過程表明其屬于典型的二度膨脹淀粉，而且也受分子大小、直支比、顆粒形態(tài)等的影響。

圖4 三種樣品的溶解度與膨脹度

2.3.2 凍融穩(wěn)定性和凝沉性

凍融穩(wěn)定性是目前淀粉基食品加工行業(yè)所面臨的難題之一。析水率的大小與凍融穩(wěn)定性的強(qiáng)弱存在一定的關(guān)系，若析水率表現(xiàn)越高，則反映其持水能力越差，凍融穩(wěn)定性越弱，反之則越強(qiáng)[14]。如表6所示，龍爪粟淀粉的析水率顯著高于玉米淀粉(P<0.05)。冷凍貯藏的食品解凍之后，因水分析出而破壞組織結(jié)構(gòu)，影響食品質(zhì)地，因此龍爪粟淀粉不利于在冷凍食品中的應(yīng)用。由表6可知，龍爪粟淀粉的凝沉值遠(yuǎn)高于龍爪粟原粉和玉米淀粉(P<0.05)。淀粉的凝沉性一般受到其他因素如淀粉乳濃度、植物來源、添加劑、pH、直支比和結(jié)構(gòu)等的影響，在很大程度上限制了其應(yīng)用。

表6 三種樣品的析水率及凝沉值

注：同一列中均值后面的不同字母表示數(shù)據(jù)差異顯著(P<0.05)，相同字母表示數(shù)據(jù)差異不顯著(P>0.05)，數(shù)據(jù)表示為樣本均值±標(biāo)準(zhǔn)差；下表亦同。

2.3.3 淀粉顆粒的電子掃描顯微鏡觀察圖

如圖5所示，未處理的龍爪粟原粉由于淀粉顆粒還未分離，被組織包裹，因此淀粉顆粒整齊的排列在組織表面，經(jīng)過脫脂與脫蛋白，淀粉得以從組織中釋放出來，以顆粒的形態(tài)分布。玉米淀粉顆粒呈多面體，表面不光滑，有裂紋與凹陷點，大小分布不均一，極小顆粒淀粉的比例較低。龍爪粟淀粉顆粒的形狀呈棱角分明的立體多邊形，顆粒外貌較為光滑無裂痕，大小分布均勻。

注：a：龍爪粟原粉；b：龍爪粟淀粉；c：玉米淀粉；放大倍數(shù)為5 000倍。
圖5 三種樣品的掃描電鏡觀察圖

分別測量三種樣品顆粒在5 000倍電鏡下的粒徑，計算平均值，結(jié)果見表7。龍爪粟原粉的平均粒徑顯著高于脫脂脫蛋白的龍爪粟淀粉(P<0.05)，這與龍爪粟顆粒中淀粉表面包裹著大量蛋白質(zhì)有關(guān)。龍爪粟淀粉的平均粒徑顯著小于玉米淀粉，而且龍爪粟淀粉的粒徑分布范圍較玉米淀粉小，這與掃描電鏡觀察的結(jié)果一致。

表7 三種樣品的顆粒大小

2.3.4 淀粉顆粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)的測定

三種樣品的X-射線衍射圖譜如圖6所示。天然淀粉根據(jù)X-射線衍射特征峰的強(qiáng)度和位置的不同，可分為A型，B型和C型三種。分別對三種樣品進(jìn)行測定，其中玉米淀粉的強(qiáng)衍射峰在18°出現(xiàn)，在15°、23°出現(xiàn)較強(qiáng)衍射峰，屬于A型淀粉晶型[18]。而龍爪粟淀粉在15°、17°、18°、22°出現(xiàn)較強(qiáng)衍射峰，且根據(jù)X-射線衍射圖譜知在23°存在一個強(qiáng)單峰，龍爪粟淀粉既具有A型晶型的特征，又具有B型晶型的特征，因此屬于C型淀粉晶型。衍射特征峰除了受其植物來源的影響外，還與其他因素如直鏈淀粉含量、生長環(huán)境、水分含量和支鏈淀粉的鏈長等有關(guān)[19]。

圖6 三種樣品的X-射線衍射圖譜

2.3.5 淀粉熱力學(xué)性質(zhì)的測定

三種樣品在糊化過程中的DSC參數(shù)如表8所示。龍爪粟淀粉的糊化起始溫度顯著小于玉米淀粉(P<0.05)；但峰值溫度、終止溫度及糊化焓變均顯著高于玉米淀粉(P<0.05)，這說明龍爪粟淀粉在糊化過程中需要更多的熱量才能發(fā)生糊化，這可能是因為龍爪粟淀粉顆粒較小，結(jié)構(gòu)較致密，吸水時膨脹度較小，所以需要更多的熱量才能發(fā)生糊化。來源不同的淀粉因生長環(huán)境、加工條件、直支淀粉含量的比例以及分子結(jié)構(gòu)等影響其熱力學(xué)性質(zhì)。

表8 三種樣品的DSC參數(shù)

3 結(jié)論

利用響應(yīng)面優(yōu)化分析得到堿性蛋白酶提取龍爪粟淀粉的最佳工藝條件為：料液比1∶6，酶解溫度51.55 ℃，酶解時間4.23 h，pH 9.99，此時龍爪粟淀粉提取率為76.41%。通過對龍爪粟淀粉的理化特性研究發(fā)現(xiàn)龍爪粟淀粉屬于二度膨脹的小粒淀粉，屬于C型淀粉晶型，凍融穩(wěn)定性較差；在糊化過程中，較其他淀粉需要更多的熱量才能發(fā)生糊化。本文為龍爪粟食品深加工以及其淀粉開發(fā)提供了一定的依據(jù)，但龍爪粟中蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、多酚等物質(zhì)對淀粉的影響還有待進(jìn)一步研究。