莜麥淀粉的提取工藝技術研究

游新勇，李瓊

（安陽工學院生物與食品工程學院，河南安陽455000）

莜麥在我國的種植面積較大，內蒙古是我國主要種植莜麥的地區之一，有著非常悠久的種植歷史，且莜麥營養豐富[1-2]，具有很多保健功能[3-6]，尤其是賴氨酸和色氨酸含量特別高[7]，可以補充及改善我國的“賴氨酸缺乏癥”[8]。目前有關莜麥淀粉的研究國內外報道較少，本試驗選取莜麥粉提取淀粉，以促進莜麥資源的開發與利用，提高莜麥的附加值。

國內外關于淀粉提取方法的研究主要有堿提法[9-10]、酶提取法[11-12]、微波輔助法[13-14]、超聲波輔助法[15-16]等，本試驗在堿提取法的基礎上采用酶提取法制備莜麥淀粉，結合了堿法和酶法的優點，目前應用此法提取莜麥中淀粉的研究尚未見報道。本文以莜麥為原料，采用響應面法對提取莜麥淀粉工藝進行優化，確定最佳工藝條件，并在此基礎上研究莜麥淀粉的性質，為擴大莜麥淀粉在食品行業及其它行業的應用提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

莜麥：市售；堿性蛋白酶（200 000 U/g，最適pH值：7～12，最適溫度：35℃～55℃）：無錫市博立生物制品有限公司；葡萄糖、酒石酸鉀鈉、亞鐵氰化鉀（分析純）：天津市化學試劑三廠；無水乙醚、無水乙醇、氫氧化鈉、鹽酸、硫酸銅、次甲基藍（分析純）：天津市風船化學試劑科技有限公司。

DFT-200提式高速萬能粉碎機：溫嶺市林大機械有限公司；JA5003電子分析天平：上海越平科學儀器有限公司；DHG-9023A電熱鼓風干燥箱：上海一恒科學儀器有限公司；L-550臺式低速大容量離心機：長沙湘儀離心機儀器有限公司；DL-1電子萬用爐：北京市永光明醫療儀器廠；SYC-15B超級恒溫水浴箱：南京桑力電子設備廠；NDJ-1旋轉粘度計：上海森地科學儀器設備有限公司；UV-7504TC紫外可見分光光度計：上海欣茂儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 莜麥淀粉酶法及堿法提取工藝流程

莜麥→除雜→洗凈自然晾干→粉碎→過篩（80目）→莜麥粉→乙醚脫脂（30℃，4 h）→脫脂莜麥粉→調漿→調節pH值、溫度→加入堿性蛋白酶→攪拌酶解→過濾（80目）→離心分離（3 500 r/min，15 min）→沉淀（棄上清液）→水洗→離心分離（3 500 r/min，15 min）→沉淀（棄上清液）→干燥（40℃，24h）→粉碎→過篩（80目）→莜麥淀粉

1.2.2 總淀粉含量的測定

參照GB 5009.9-2016《食品安全國家標準食品中淀粉的測定》第一法。

1.3 單因素試驗設計

1.3.1 酶添加量對莜麥淀粉總淀粉含量的影響

稱取一定量的脫脂莜麥粉，按料液比1∶6.3（g/mL）調漿，在pH10、酶解溫度55℃、酶解時間2 h條件下，考察酶添加量分別為1.0%、1.2%、1.4%、1.6%、1.8%時對莜麥淀粉中總淀粉含量的影響。

1.3.2 酶解溫度對莜麥淀粉總淀粉含量的影響

稱取一定量的脫脂莜麥粉，按料液比1∶6.3（g/mL）調漿，在pH10、酶添加量1.4%、酶解時間2 h條件下，考察酶解溫度分別為 35、40、45、50、55 ℃時對莜麥淀粉中總淀粉含量的影響。

1.3.3 酶解時間對莜麥淀粉總淀粉含量的影響

稱取一定量的脫脂莜麥粉，按料液比1∶6.3（g/mL）調漿，在pH10、酶添加量1.4%、酶解溫度50℃條件下，考察酶解時間分別為1、2、3、4、5 h時對莜麥淀粉中總淀粉含量的影響。

1.3.4 pH值對莜麥淀粉總淀粉含量的影響

稱取一定量的脫脂莜麥粉，按料液比1∶6.3（g/mL）調漿，在酶添加量1.4%、酶解溫度50℃、酶解時間3 h條件下，考察 pH 值分別為 7、8、9、10、11、12 時對莜麥淀粉中總淀粉含量的影響。

1.4 響應面優化試驗設計

在單因素試驗的基礎上，選取酶添加量（A）、pH值（B）、酶解溫度（C）、酶解時間（D）為影響因素，莜麥總淀粉含量為響應值，進行響應面優化試驗。試驗因素和水平表見表1。

表1 因素和水平表Table 1 Factors and levels table

1.5 莜麥淀粉性質測定方法

1.5.1 溶解度與膨潤力測定

50 mL質量分數2.0%的淀粉乳，于25℃下攪拌30 min后，以3 000 r/min的速度離心20 min，將上清液傾入烘干至恒重的鋁盒中，將鋁盒置于90℃的水浴上蒸干后移入干燥箱中，在105℃下烘干稱重，得到被溶解的淀粉質量A，離心管中沉淀物的質量P，按下列公式計算溶解度和膨潤力[17]。

式中：A為被溶解的淀粉質量，g；W為樣品干基質量，g；P為離心管中沉淀物質量，g。

1.5.2 黏度的測定

參照GB/T22427.7-2008《淀粉粘度測定》，稱取6.0 g莜麥淀粉，配制成5%的淀粉乳液，在沸水中加熱攪拌1 h，淀粉完全糊化后冷卻至室溫（25℃），用NDJ-1旋轉粘度計測定黏度值，儀器設定參數為3號轉子，轉子轉速30 r/min。

1.5.3 凍融穩定性的測定

稱取定量的莜麥淀粉配制成質量分數為6%的淀粉乳，沸水浴中加熱攪拌15 min，冷卻至室溫（25℃）。稱取一定量的淀粉乳置于離心管中，在-20℃至-18℃的冰箱中冷凍24 h后取出，自然解凍。以3 000 r/min的速度離心15 min，棄去上清液，稱取沉淀物的質量，計算凍融析水率[18]。

1.5.4 淀粉透明度的測定

稱取1 g莜麥淀粉配制成1%淀粉乳，取50 mL置于100 mL燒杯中，在沸水浴中加熱攪拌15 min，冷卻至25℃，在620 nm波長處測透光率，即得到透明度[19]。

1.5.5 淀粉熱穩定性的測定

稱取6 g莜麥淀粉配制成5%淀粉乳，沸水浴中加熱完全糊化1 h后，保溫測定黏度，繼續糊化1 h后再保溫測定黏度，記錄并比較，兩次測定值之間的差值越小，熱穩定性越高。

1.6 統計處理

采用Excel 2007軟件進行單因素的數據分析，并用Designer-Expert 8.0軟件進行響應面的數據分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗分析

2.1.1 酶添加量對莜麥淀粉總淀粉含量的影響

酶添加量對莜麥淀粉總淀粉含量的影響見圖1。

圖1 酶添加量對莜麥淀粉總淀粉含量的影響Fig.1 Effect of enzyme addition amount on total starch content of oat starch

由圖1可知，隨著堿性蛋白酶的增加，莜麥淀粉中總淀粉的含量呈現先上升后下降的變化趨勢，當酶添加量為1.4%時，總淀粉含量達最大值，隨后下降。分析原因可能是隨著堿性蛋白酶酶添加量的增加，對莜麥粉中的蛋白成分的分解能力相應地增加，增強了淀粉與蛋白質的分離，莜麥粉中總淀粉的含量增加；但繼續增加酶的用量會導致蛋白質過度水解，暴露更多的疏水性基團，蛋白質發生疏水水合作用發生相互聚集，蛋白質溶解度下降，使得蛋白與淀粉分離困難[20]，淀粉總含量下降。因此，酶添加量選取1.4%為宜。

2.1.2 pH值對莜麥淀粉總淀粉含量的影響

pH值對莜麥淀粉總淀粉含量的影響見圖2。

圖2 pH值對莜麥淀粉總淀粉含量的影響Fig.2 Effect of pH on total starch content of oat starch

由圖2可知，隨著堿量的增加，pH值在7～10范圍內，總淀粉含量增加明顯，在pH10～12范圍內呈下降趨勢。分析原因可能是氫氧化鈉溶液對蛋白質分子的次級鍵特別是氫鍵有破壞作用，并使部分極性基團發生解離，使得蛋白質分子表面帶有相同電荷，從而對蛋白質分子有增溶作用，隨著堿量的增加，增溶作用增加，促進了淀粉和蛋白質的分離[21-22]，總淀粉含量持續增加，但加堿量過大時，導致溶液變稠，莜麥粉和水的糊狀物過于黏滯，不利于淀粉顆粒的擴散，影響莜麥淀粉與蛋白的分離效果，使得總淀粉含量下降。因此，pH值選取10為宜。

2.1.3 酶解溫度莜麥淀粉總淀粉含量的影響

酶解溫度對莜麥淀粉總淀粉含量的影響見圖3。

由圖3可知，酶解溫度在35℃～50℃范圍內，總淀粉含量持續升高，當酶解溫度高于50℃時，總淀粉含量緩慢下降。分析原因可能是隨著溫度的升高，淀粉的糊化作用加強，淀粉糊黏度增加，使得莜麥淀粉和蛋白的分離更加困難。因此，酶解溫度選取50℃為宜。

2.1.4 酶解時間對莜麥淀粉總淀粉含量的影響

酶解時間對莜麥淀粉總淀粉含量的影響見圖4。

圖4 酶解時間對莜麥淀粉總淀粉含量的影響Fig.4 Effect of enzymatic hydrolysis time on total starch content of oat starch

由圖4可知，酶解時間在1 h～2 h范圍內，總淀粉含量快速增加；當提取時間在2 h～3 h范圍內，總淀粉含量增加緩慢；而當酶解時間大于3 h時，總淀粉含量呈下降趨勢。分析原因可能是隨著酶解時間的增加，淀粉中蛋白的含量在不斷減少，莜麥淀粉的純度越來越高，總淀粉含量增加，但是酶解時間超過3 h后，莜麥粉中可能存在的微生物在適宜的溫度和濕度條件下進行繁殖，酶解了一部分淀粉等碳源[23]，使總淀粉含量呈下降趨勢。因此，酶解時間選取3 h為宜。

2.2 響應面法優化莜麥淀粉提取和純化工藝條件

2.2.1 回歸方程的建立及顯著性分析

響應曲面法優化試驗結果見表2。

表2 Box-Behnken試驗設計及結果Table 2 Design and results for Box-Behnken test

續表2 Box-Behnken試驗設計及結果Continue table 2 Design and results for Box-Behnken test

通過Design-Expert 8.0軟件對表2中的試驗數據進行多元回歸擬合，得到莜麥淀粉總淀粉含量對酶添加量（A）、pH 值（B）、酶解溫度（C）、酶解時間（D）的回歸方程為：

Y=64.95+4.52A-0.75B+1.99C+0.038D-1.90AB-2.88AC+0.098AD-4.00BC+2.09BD+4.25CD+3.45A2+0.33B2+1.88C2+3.97D2

回歸方程中各項系數絕對值的大小直接反映了各因素對響應值的影響程度，系數的正負反映了影響的方向[24]，根據回歸方程的各項系數可知各因素對莜麥淀粉提取和純化的主次關系為：A＞C＞B＞D，即酶添加量＞酶解溫度＞pH值＞酶解時間。

對回歸模型進行方差分析，結果見表3。

表3 回歸模型的方差分析Table 3 Variance analysis of regression modle

由表3可知，該模型的P=0.024 9＜0.05，說明試驗所選用的二次多項模型具有顯著性，決定系數R2=0.748 8，失擬項P=0.861 0＞0.05不顯著，說明本試驗模型與試驗值擬合程度良好，試驗誤差較小，可以作為分析和預測莜麥淀粉提取與純化工藝中總淀粉含量的模型。模型中一次項A極顯著（P＜0.01），二次項A2和 D2顯著（P＜0.05），其余不顯著（P＞0.05）。

2.2.2 因素交互作用

酶添加量（A）與 pH 值（B）、酶添加量（A）與酶解溫度（C）、酶添加量（A）與酶解時間（D）、pH 值（B）與酶解溫度（C）、pH 值（B）與酶解時間（D）、酶解溫度（C）與酶解時間（D）的交互作用對總淀粉含量的影響結果如圖5～圖10所示。

圖5 酶添加量與pH值的交互作用對總淀粉含量的影響Fig.5 Effect of enzyme dosage and pH value on total starch content

圖6 酶添加量與酶解溫度的交互作用對總淀粉含量的影響Fig.6 Effect of enzyme dosage and enzymolysis temperature on total starch content

圖7 酶添加量與酶解時間的交互作用對總淀粉含量的影響Fig.7 Effect of enzyme dosage and enzymolysis time on total starch content

圖8 pH值與酶解溫度的交互作用對總淀粉含量的影響Fig.8 Effect of pH value and enzymolysis temperature on total starch content

圖9 pH值與酶解時間的交互作用對總淀粉含量的影響Fig.9 Effect of pH value and enzymolysis time on total starch content

圖10 酶解溫度與酶解時間的交互作用對總淀粉含量的影響Fig.10 Effect of enzymolysis temperature and enzymolysis time on total starch content

等高線是橢圓形，則表示兩因素交互作用較大，越趨近于圓形則表示交互作用越弱，同時沿因素軸向等高線變化越密集，該因素對響應值影響越大，反之越小[25]。比較圖5～圖10可知，4個因素對莜麥淀粉總淀粉含量影響大小順序依次為：A＞C＞B＞D，結果與表3一致。酶添加量對莜麥淀粉總淀粉含量的影響最大，酶解溫度和酶解時間交互作用較其他因素間作用明顯。

2.2.3 回歸模型的驗證

通過Design-Expert8.0軟件分析得出，莜麥淀粉的最佳提取與純化工藝參數為：酶添加量1.6%、pH 9、酶解溫度55℃、酶解時間3.99 h，此條件下莜麥淀粉總淀粉含量為87.06%。考慮實際操作，將上述最佳參數中的酶解時間調整為4 h，其余不變，在此條件下重復3次試驗，莜麥淀粉總淀粉含量分別為86.82%、86.58%、86.73%，平均值為86.71%，與理論預測值相比，其相對誤差約為0.40%，該值在可接受的范圍之內。因此，本試驗設計所得的最佳工藝參數準確可靠，具有一定的實用價值。

2.3 莜麥淀粉性質分析

莜麥淀粉品質分析見表4。

表4 莜麥淀粉品質分析Table 4 Quality analysis of oat starch

由表4可知，在25℃條件下，莜麥淀粉的溶解度為10%，膨潤力為14.32%，凍融析水率為38.12%，透明度為1.853%，與趙全等[19]研究的4種淀粉性質相比，莜麥淀粉溶解度較小，膨潤力較低，透明度和凍融穩定性較差，易發生凝沉現象。因此，莜麥淀粉需要進行一定改性之后才能更好的應用于食品及化學工業。

3 結論

莜麥淀粉總淀粉含量的影響因素按影響主次順序依次為：酶添加量＞酶解溫度＞pH值＞酶解時間。響應面法最終確定莜麥淀粉提取和純化的最佳工藝條件為：酶添加量1.6%、酶解溫度55℃、pH 9、酶解時間4 h，在此條件下莜麥淀粉總淀粉含量為86.71%。莜麥淀粉溶解度較小，膨潤力較低，透明度和凍融穩定性較差，更好的應用于食品及化學領域仍需進一步研究。