莜麥淀粉的提取工藝優化及其相關特性研究

王 娜 肖云峰 錢新宇 韓運祺

(內蒙古醫科大學藥學院1，呼和浩特 010110) (內蒙古醫科大學新藥安全評價研究中心2，呼和浩特 010110)

莜麥亦稱裸燕麥，是燕麥的一種，屬禾本科燕麥屬，是一年生草本作物，是一種古老糧種[1]。莜麥種子膳食纖維含量較高，可以降低膽固醇、降低血壓，在調節血脂血糖、改善腸道菌群、調節機體免疫力等方面有重要作用[2-7]。莜麥淀粉具有其獨特的優勢，具有良好的開發前景。莜麥淀粉具有吸油率高、水溶性低的特點，可作為一種易揮發、脂溶性高活性成分的包衣材料以及靶向給藥的包衣應用于醫藥衛生等領域。

淀粉的提取方式有很多種，主要有堿提法、酶解法、超聲法、水提法、微波輔助等。陳子月等[8]研究表明堿提法直鏈淀粉比酶解法含量多，堿提法大米淀粉對溫度更為敏感，2種大米淀粉的淀粉-碘可見光吸收光譜大致相似。張芳芳等[9]采用超聲法提取茶葉籽淀粉，在最優條件下提取的茶葉籽淀粉蛋白質含量為0.54%,灰分0.17%,溶解力22.19%,膨脹力40.75%;SEM圖像表明,茶葉籽淀粉顆粒呈規則的球形,平均粒度大小為1718 nm;紅外光譜分析發現,茶葉籽淀粉處于締合狀態的氫鍵較多。張杰[10]運用堿浸法提取黑米淀粉，淀粉顆粒形貌為不規則的多角形結構,黑米淀粉的平均粒徑為(4.39±0.11) μm。王璐陽等[11]研究了脫皮油莎豆壓榨餅中提取淀粉的工藝條件，油莎豆壓榨餅淀粉與油莎豆原料淀粉無較大差別,顆粒范圍是2～18 μm，具有相對光滑的表面結構且淀粉粒度均小于玉米淀粉。淀粉的提取以及相關特性對于食品與藥品都有重要意義，但目前鮮有關于莜麥淀粉的提取與特性研究的文獻報道，本研究采用脫脂堿提復合法提取莜麥淀粉，單因素-正交實驗優化提取工藝，結合掃描電子顯微鏡、熒光倒置相差顯微鏡、紅外光譜儀和核磁共振對樣品進行表征分析，研究莜麥淀粉的組成成分，旨在改進和優化莜麥淀粉的提取方法，以期為后來更深層次的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

莜麥種子購自內蒙古武川縣；氘代二甲基亞砜(≥99.7%)。

1.2 實驗儀器

DM2000熒光倒置相差顯微鏡，IRAffinity-1紅外分光光度計，S-4800冷場發射掃描電子顯微鏡，Bruker Avance 600MHz固體核磁共振波譜儀，3K15離心機，HH-S恒溫水浴鍋，BGZ-240電熱鼓風干燥箱，HZ-9212s恒溫振蕩器，XS2-4-10箱式電阻爐。

1.3 實驗方法

1.3.1 莜麥淀粉提取流程

莜麥種子→粉碎→過篩→脫脂(石油醚重復脫脂三次)→脫脂莜麥粉→堿液提取→離心→水洗→干燥→莜麥淀粉

莜麥種子粉碎成粉末后，過80目篩，即為原料莜麥粉。將原料莜麥粉加入到石油醚中進行脫脂，搖床低溫振搖,時長30 min，振搖過后加入離心管中進行離心，離心條件為3 000 r/min,15 min,離心完成后，快速傾去上層黃色液體。操作共重復3次，直至脫脂后的石油醚接近無色為止。取出置于40 ℃烘箱中烘干。以1∶10的固液比加入pH 9.5的NaOH于已經烘干的脫脂莜麥粉中，置于搖床上50 ℃,振搖2 h。離心，棄去黃色液體，所得固體與水混勻，過600目篩，除去黃色的纖維，加入適量的蒸餾水，靜置，分層，棄去上清液，下層白色固體置于45 ℃烘箱中烘干即得莜麥淀粉。

1.3.2 單因素實驗

對影響莜麥淀粉提取率的固液比、搖床溫度和振搖時間進行單因素實驗，確定這3個因素的合適水平以進行正交實驗。

1.3.2.1 不同固液比對莜麥淀粉提取率的影響

脫脂莜麥粉在NaOH(pH 9.5)浸泡的情況下50 ℃水溫的搖床振搖2 h,固液比設置為1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶14，提取莜麥淀粉。

1.3.2.2 搖床溫度對莜麥淀粉提取率的影響

脫脂莜麥粉在NaOH(pH 9.5)浸泡的情況下搖床振搖, 固液比設置為1∶10，時間設置為120 min,搖床溫度設為30、40、50、60、70 ℃，提取莜麥淀粉。

1.3.2.3 搖床振搖時間對莜麥淀粉提取率的影響

脫脂莜麥粉在NaOH(pH 9.5)浸泡的情況下搖床振搖，固液比設置為1∶10，振搖時間分別為80、100、120、140、160 min。

1.3.3 提取莜麥淀粉的影響因素正交實驗

根據單因素的實驗結果，并考慮到控制生產成本等目的，設計三因素三水平正交實驗，三因素選定為固液比(A)、搖床溫度(B)、搖床振搖時間(C)。為了排除系統誤差的影響，實驗對各因素的排列順序進行了無序重組，因素與水平設計如表1所示。

表1 莜麥淀粉提取正交實驗設計表

1.3.4 莜麥淀粉提取物成分的測定

1.3.4.1 水分的測定

水分含量的測定方法參照GB 5009.3—2016中的直接干燥法。

X=(m1-m2)/(m1-m3)

式中：X為樣品水分的含量/g/100 g；m1為稱量瓶+試樣質量/g；m2為稱量瓶+試樣干燥后質量/g；m3為稱量瓶質量/g

1.3.4.2 灰分的測定

莜麥淀粉的灰分測定方法參照GB 5009.4—2016進行測定。

X=(m1-m2)/(m1-m3)

式中：X為試樣中灰分的含量/g/100 g；m1為坩堝+灰分的質量/g；m2為坩堝的質量/g；m3為坩堝+試樣的質量/g。

1.3.4.3 脂肪的測定

莜麥淀粉的脂肪測定方法參照GB 5009.6—2016進行測定。

X=(m1-m0)/m1

式中：X為試樣中脂肪的含量/g/100 g；m1為恒重后接收瓶和脂肪的質量/g；m0為接收瓶的質量/g；m2為試樣的質量/g。

1.3.4.4 蛋白質的測定

莜麥淀粉的蛋白質測定方法參照GB 5009.5—2016進行測定。

式中：X為試樣中蛋白質的含量/g/100 g；M為試樣的質量/g；V1為試液消耗硫酸標準滴定液的體積/mL；V3為吸收消化液的體積/mL；V2為試液空白消耗硫酸標準滴定液的體積/mL；F為氮換算為蛋白質的系數；C為硫酸標準滴定液濃度/mol/L；100為換算系數。

1.3.5 莜麥淀粉顆粒形貌的測定

1.3.5.1 光學顯微鏡莜麥淀粉顆粒形貌的測定

樣品少許均勻置于載玻片上，滴加香柏油少許，顯微鏡下觀察，拍照。

1.3.5.2 掃描電鏡(SEM)莜麥淀粉顆粒形貌的測定

SEM樣品臺上貼導電膠，將制備得樣品粉末撒在導電膠上，稍微施壓使部分樣品粉末陷入到導電膠膠基，刀片輕輕地刮去表面多余的復合物粉末，立即噴金，電子顯微鏡觀察，拍照。

1.3.6 傅立葉紅外光譜法(FT-IR)

將莜麥淀粉樣品和溴化鉀在105 ℃干燥至恒重，除去莜麥淀粉中的結晶水或者游離水，消除樣品中水分子的存在對紅外吸收峰的干擾。以1∶100稱取莜麥淀粉樣品及溴化鉀粉末，將其研磨均勻，將研磨后的粉末裝入壓片模具中抽真空壓制成一薄片，放入紅外光譜儀中進行掃描，以溴化鉀薄片進行背景掃描，掃描波數400～4 000 cm-1，掃描次數32次，分辨率為4 cm-1。

1.3.7 核磁共振法(NMR)

精密稱取樣品約0.1 g置于離心管中，加入氘代二甲基亞砜0.8 mL，超聲5 min溶解，震蕩搖勻后，轉入核磁管靜置待測，采用Bruker Avance 600 MHz固體核磁共振波譜儀。

1.4 數據處理

每個實驗均重復3次，結果表現為平均數±標準差，用Origin8.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 固液比對莜麥淀粉提取率的影響

由圖1可知，在控制振蕩器溫度以及振搖時間不變的情況下，隨著固液比的增加，提取率呈先上升后下降趨勢。適宜的固液比能夠提高莜麥淀粉的提取率，投料過多，使莜麥種子粗粉未能充分接觸堿提取液，造成莜麥淀粉的損失，堿提取液過多，導致后續操作步驟繁瑣，造成不必要的人力與物力的浪費，甚至引起褐變。張晶等[2]研究表明，因燕麥中富含膳食纖維具有較強的吸水膨脹能力，料液比較小時，溶液較黏稠，流動性差，不利于淀粉分子的釋放，隨著料液比的增加，增大了燕麥與溶劑的接觸面積，使得淀粉提取率增加。當料液比大于1∶10 (g/mL)時，燕麥淀粉提取率下降，可能是由于堿溶液過多導致溶液黏度變大，分子擴散速率降低，且堿溶液用量的增大會增加后續排廢的難度。與本實驗結論一致，因此將固液比定在1∶10。

2.1.2 溫度對莜麥淀粉提取率的影響

由圖1可知，在控制固液比以及振搖時間不變的情況下，隨著溫度的升高，提取率呈先上升后下降趨勢，此種表現的原因可能是，溫度過高，莜麥淀粉可能發生糊化從而降低提取率，溫度過低，莜麥淀粉可能未被充分堿化，不能有效的從蛋白質上脫離下來，從而降低提取率。袁曉麗[12]提取藜麥淀粉報道中提到，在一定溫度范圍，一定NaOH的作用下，使淀粉和蛋白質的結合變得疏松，加速了蛋白質分子運動，使得蛋白質容易從藜麥中溶解出來；但是，當溫度高于50 ℃時，蛋白質發生變性，黏度增加，淀粉和蛋白質的分離變得困難；另外，溫度過高也會導致淀粉的糊化，從而降低了淀粉的得率。與本實驗結論一致，因此將溫度選取在其有最高提取率時，即50 ℃。

2.1.3 振搖時間對莜麥淀粉提取率的影響

由圖1可知，在控制固液比以及溫度不變的情況下，隨著振搖時間的增加，莜麥淀粉的提取率呈先上升后下降趨勢。此種表現原因可能是，時間較短的情況下，堿液與莜麥種子粗粉可能未能充分混勻，時間過長，莜麥種子粗粉可能堿化時間過長，莜麥淀粉與堿液發生反應故損失一部分，提取率從而降低。沈生文[13]提取大麥芽淀粉報道中提到，攪拌的剪切力等作用，可以使溶液變稀，體系黏度下降，也可以使大麥芽粉與提取液充分接觸，提取液可充分進入大麥芽內部，可以使提取液的堿度均勻，且攪拌過程中發生的碰撞也進一步使淀粉從大麥芽組織中游離出來。但攪拌時間過長，淀粉的顆粒結構變得疏松 ，不利于沉淀。因而影響了淀粉提取率。這與本實驗結論一致，因此將振搖時間定在120 min。

圖1 不同處理對莜麥淀粉提取率的影響

2.2 正交實驗

稱取莜麥種子粗粉9份，每份5 g，精密稱定，按表2的順序依次進行實驗，不同條件下莜麥淀粉的提取率結果見表3。

表2 莜麥淀粉的影響因素的正交實驗

表3中各因素對莜麥淀粉的提取率依次為B>A>C,恒溫振蕩器的溫度影響最大，接下來依次為固液比以及恒溫振蕩器的振搖時間,最佳條件為A2B2C2，即固液比為1∶10。搖床溫度為50 ℃，振搖時間為2 h，測得莜麥淀粉的提取率為73.26%

表3 正交實驗極差分析

2.3 莜麥淀粉提取物成分的測定

由表4可知，莜麥種子組成成分含量排序：脂肪>水分>蛋白質>灰分，脂肪含量最多，達8.43 g/100 g，付麗紅等[14]報道中指出藜麥中脂肪含量5.97。比較莜麥種子與莜麥淀粉淀粉中脂肪含量和蛋白質含量，莜麥淀粉中含量較少。這說明石油醚能有效脫去莜麥種子中脂溶性大的物質以及蛋白質在一定的堿性條件下易與淀粉分離，從而得到較純凈莜麥淀粉。淀粉與蛋白質的緊密結合是淀粉提取中最難解決的一大難題，乙醇對蛋白質外膜的水化層起到一定的脫水作用，堿性蛋白酶對蛋白質具有一定的破壞與增溶作用。

表4 莜麥種子、莜麥淀粉組成成分/g/100 g

2.4 莜麥淀粉顆粒形貌的測定

由圖2、圖3可知，莜麥淀粉顆粒較小，且粒徑大小不一致，莜麥淀粉顆粒形狀不規則，呈多角型或橢圓形，屬于小顆粒淀粉；部分淀粉顆粒表面有凹陷，由于莜麥淀粉和蛋白質結合非常緊密，這種凹陷可能是由于在生長過程中，蛋白質擠壓淀粉表面而形成的，還有可能是提取淀粉的過程中，淀粉從蛋白質網絡結構中釋放時，淀粉顆粒受到破壞而形成的，淀粉的提取，即破壞細胞結構以及破壞淀粉顆粒與母體的結合，細胞質中含有大量的酚類，而多酚氧化酶位于細胞膜，破壞前彼此分離，無相互作用，破壞后相互接觸，形成醌，繼而形成黑色素，影響淀粉的白度，故可加入亞硫酸鈉以及VC等抑制劑[15，16]。

圖2 莜麥淀粉顆粒光學顯微鏡

圖3 莜麥淀粉顆粒電子顯微鏡

2.5 傅立葉紅外光譜法(FT-IR)

由圖4可知，莜麥淀粉在400～4 000 cm-1范圍內有多個吸收峰，主要在3 394 cm-1處有一個寬闊的吸收峰，為O—H 伸縮振動峰；在2 920 cm-1處有C—H 的伸縮振動吸收峰；在1 653 cm-1左右有H—O—H吸收峰；在1 417 cm-1處有O—H的伸縮振動吸收峰；在1 155、1 078、1 025 cm-1處有C—O伸縮振動吸收峰。這與楊慧等[17]、任靜等[18]以及張榮飛等[19]結論基本一致。

圖4 莜麥淀粉的紅外吸收光譜圖

2.6 核磁共振法(NMR)

由圖5可知，化學位移為40左右的為溶劑氘代二甲基亞砜的特征峰。C1的化學位移為 100.49，C2的化學位移在72.38，C3的化學位移在73.67，C4的化學位移在72.18，C5的化學位移在79.16，C6的化學位移為60.89。這與張舒等[20]、王萍萍等[21]結論基本一致。

圖5 莜麥淀粉的核磁共振13C譜

3 討論

以莜麥為原料，應用脫脂堿提復合法提取莜麥淀粉，在通過單因素分析以及正交實驗對莜麥淀粉的提取進行優化，并對其相關特性進行研究。脫脂堿提復合法是一種常見淀粉提取方法，李丹丹[22]運用響應面優化堿法提取青稞淀粉，葉俊等[23]運用堿提法提取火山葛粉淀粉。這可能是由于在一定的堿性條件下，利于蛋白質與淀粉分離，蛋白質從內質網脫落，部分蛋白溶于水，隨著淀粉的慢慢沉淀而分離。運用光學顯微鏡與電子顯微鏡發現，莜麥淀粉顆粒較小，且粒徑大小不一致，莜麥淀粉顆粒形狀不規則，呈多角型或橢圓形，屬于小顆粒淀粉,部分淀粉顆粒表面有凹陷。這可能是由于淀粉與蛋白質緊密結合，生長過程中相互擠壓形成，也有可能是粉碎過程中破壞了其結構。吳會琴等[24]報道白蕓豆淀粉和小利馬豆淀粉都呈現出顆粒表面光滑，無棱角，無裂痕和大小不一的形態特征。紅外光譜與核磁共振分析發現，莜麥淀粉的譜圖為典型的淀粉圖譜。

莜麥淀粉可作為一種條件寬泛的包合物壁材，目前，最常見的包合物壁材是環糊精，但環糊精對其包合對象的分子大小要求極為嚴格，這直接制約了該類壁材的使用。目前，環糊精類包材只應用于藥物或風味物質的增溶領域。淀粉在不失安全性的前提下，對包合對象的分子大小要求寬松，包埋率較高，能將客體分子包埋于螺旋結構中形成相應的包合物，是潛在的最佳包材研究對象。

4 結論

本實驗運用單因素-正交實驗對莜麥淀粉的提取方法改善，以提取率為指征，找到一種適用于莜麥淀粉的提取方法-脫脂堿提復合法。通過對其組成成分分析，發現莜麥含油量較高，莜麥淀粉蛋白含量和脂肪含量較少。光學顯微鏡和SEM表明，莜麥淀粉粒徑大小不一致，呈多角型或橢圓形，屬小顆粒淀粉。紅外光譜和核磁共振表明，莜麥淀粉的譜圖為典型的淀粉圖譜。