響應面優化堿法提取高粱淀粉的工藝

段 冰，楊 玲，郭 睿，郭旭凱，邵 強，溫賢將

（山西農業大學（山西省農業科學院高粱研究所），山西晉中 030600）

我國高粱種植面積和產量居世界第5 位[1]，淀粉是高粱籽粒中含量最多的碳水化合物[2]。高粱作為一種谷物經濟作物，最主要的組分是淀粉，其次是蛋白質、脂類、粗纖維等。目前，國內高粱淀粉還未得到廣泛關注，其利用價值遠遠低于玉米淀粉、大米淀粉和馬鈴薯淀粉，其原因主要是高粱淀粉理化性質差異較大，加工品質差異也較大[3]。

高粱籽粒中的蛋白在淀粉加工時會產生不利影響，淀粉和蛋白質容易形成致密結構[4]，造成淀粉提取較為困難、提取純度不高等問題[5]。淀粉顆粒與蛋白質存在靜電作用、疏水作用、二硫鍵、氫鍵等[6]，也會影響淀粉提取。有研究顯示[7-8]采用堿性蛋白酶進行淀粉提取，不會對淀粉顆粒的大小與結構產生不良影響。代鈺等人[9]研究了稀堿法分離工藝對糯米蛋白質提取率的影響。孔露等人[10]研究了響應面優化堿性蛋白酶法提取藜麥淀粉工藝。與高粱蛋白和酚類物質的研究相比，高粱淀粉的研究較少；同時，相比于玉米、豆類和大米淀粉等，高粱淀粉的研究更少。因此，提高高粱淀粉提取條件的優化十分必要。在淀粉工業生產中，目前較為常用的淀粉提取方法是堿法提取[11-12]，該方法具有操作方便、提取效果好等特點。Lumdubwong N 等人[13]研究表明，堿法制備的大米淀粉比酶法制備的更易吸水膨脹。通過響應面優化堿法提取高粱淀粉工藝，得出高粱淀粉的最佳提取工藝。采用差示量熱掃描儀對提取的高粱淀粉進行性質分析，以期為高粱淀粉的加工利用提供途徑。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 材料與試劑

高粱：晉雜22 號，山西省農業科學院高粱研究所選育提供；氫氧化鈉、濃硫酸、硫酸銅、硫酸鉀、硼酸。

1.1.2 儀器與設備

PDV 型超微粉碎機，北京環亞天元機械有限公司產品；BSA224S-CW 型電子天平，北京賽多利斯儀器系統有限公司產品；HHS 型電熱恒溫水浴鍋，上海博訊實業公司產品；JJ-1 型精密定時電動攪拌器，常州潤滑電器有限公司產品；LC-456R 型低速冷凍離心機，安徽中科中佳科學儀器有限公司產品；Q10 型差示量熱掃描儀，美國TA 公司產品；凱氏定氮儀，瑞典福斯分析儀器公司產品。

1.2 試驗方法

1.2.1 堿法提取高粱淀粉工藝流程

采用堿法工藝提取高粱淀粉，具體工藝流程如下。

高粱精選→打粉→堿液攪拌浸提→洗滌過篩→離心→去除上層殘渣→乙醇洗滌脫色→離心→干燥→粉碎→凍存。

具體操作步驟為：取400 g 清選好的高粱籽粒，置粉碎機中粉碎2 min，過60 目篩。將粉碎過篩的高粱粉置于4 000 mL NaOH 溶液中攪拌機攪拌2 h，靜置2 h，棄去上清液。向淀粉泥中加入蒸餾水至4 000 mL，攪拌機攪拌10 min，反復過200 目篩，去除篩上雜質，直至篩上無雜質殘留，過篩時不斷以蒸餾水洗滌篩上物，以使溶解的淀粉充分過篩。靜置淀粉溶液2 h，棄去上清液。向淀粉泥中加水至1 000 mL，攪拌5 min，以轉速4 000 r/min 離心10 min，棄去上清液，用勺子將離心物上層膠狀物去除，將下層淀粉轉移至1 000 mL 燒杯中，加90%乙醇至700 mL，攪拌30 min，離心，棄去上清液。將得到的淀粉放入干燥盤中，捏碎，烘箱中40 ℃干燥過夜，粉碎機粉碎，裝袋，-20 ℃冰箱中保存。

為優化高粱淀粉的提取條件，降低淀粉中的蛋白質含量，針對淀粉提取關鍵步驟——堿液浸提的條件優化，主要優化工藝參數為堿液（NaOH） 濃度、提取溫度、提取時間。利用凱氏定氮法[14]測定干燥后的成品高粱淀粉中蛋白質的殘留量，以此為指標確定高粱淀粉的最佳提取條件。

1.2.2 單因素試驗

以蛋白殘留量為指標，考查提取高粱淀粉時堿液質量分數、提取時間、提取溫度對高粱淀粉蛋白殘留的影響。

堿法提取高粱淀粉單因素試驗設計見表1。

表1 堿法提取高粱淀粉單因素試驗設計

1.2.3 響應面優化試驗

在單因素試驗和前人經驗[15-17]的基礎上，應用Design-expert 10.0 軟件中的Box-behnken 模型對高粱淀粉提取條件進行優化。

1.2.4 高粱淀粉熱力學特性分析

通過差示掃描量熱儀分析高粱淀粉的糊化特性，量取10 μL 左右15% （W/V） 的淀粉懸浮液于鋁鍋并密封，取一個空的密封的鋁鍋作為空白參照。樣品在50～120 ℃的溫度范圍內以10 ℃/min 加熱。利用計算機軟件從熱像圖中觀察到的吸熱峰計算變性溫度（Td）。

1.2.5 高粱淀粉提取的驗證試驗

以響應面優化試驗確定的高粱淀粉提取最佳條件并進行驗證試驗。

1.2.6 數據處理

采用Excel 2013 軟件和Design Expert 10.0 軟件中的Box-behnken Design（BBD） 響應面分析模型[18]。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果分析

2.1.1 堿液質量分數對高粱淀粉提取效果的影響

固定提取溫度35℃，提取時間3 h，分別控制堿液質量分數為0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，考查堿液質量分數對高粱淀粉提取效率的影響。

堿液質量分數對高粱淀粉提取效果的影響見圖1。

圖1 堿液質量分數對高粱淀粉提取效果的影響

由圖1 可知，當堿液質量分數從0.1%逐漸增加到0.5%的過程中，蛋白質含量先降低，堿液質量分數為0.3%時，提取的淀粉蛋白質含量最低，然后又逐漸升高。原因可能是堿液質量分數過低不能使蛋白質充分溶解，而堿液質量分數過高又會使淀粉產生糊化現象，限制了蛋白質的提取。

2.1.2 提取時間對高粱淀粉提取效果的影響

固定堿液質量分數0.3%，提取溫度35 ℃，分別控制提取時間為1，2，3，4，5 h，考查提取時間對高粱淀粉提取效率的影響。

提取時間對高粱淀粉提取效果的影響見圖2。

由圖2 可知，隨著提取時間的增加，淀粉中的蛋白質含量逐漸降低，在3～4 h 時高粱淀粉中的蛋白質含量最低；提取時間超過4 h 以后，蛋白質殘留量也開始增加。可能是由于氫氧化鈉會對淀粉產生輕微的水解作用，致使蛋白質不容易被清洗出來。

2.1.3 提取溫度對高粱淀粉提取效果的影響

固定堿液質量分數0.3%，提取時間3 h，分別控制提取溫度為25，30，35，40，45 ℃，考查提取溫度對高粱淀粉提取效率的影響。

提取溫度對高粱淀粉提取效果的影響見圖3。

圖2 提取時間對高粱淀粉提取效果的影響

圖3 提取溫度對高粱淀粉提取效果的影響

由圖3 可知，高粱淀粉中的蛋白質殘留量隨著提取溫度的升高逐漸降低，當提取溫度為35 ℃時，蛋白質殘留量達到低點，再升高提取溫度蛋白質殘留量變化不明顯。

2.2 響應面優化試驗結果分析

在單因素試驗的基礎上，應用Design-expert 10.0 軟件中的Box-behnken 模型對高粱淀粉提取條件進行優化。

高粱淀粉提取響應面法優化因素與水平見表2。

表2 高粱淀粉提取響應面法優化因素與水平

采用Design Export 10.0.3 軟件中的Box-behnken Design（BBD） 模型對響應面試驗設計所做得的蛋白質殘留量數據進行處理。

高粱淀粉提取BBD 響應面試驗設計與響應值見表3，響應面模型方差分析見表4。

表4 中1，2，3，11，13 號試驗為中心零點試驗，重復5 次，以估計試驗誤差，其他試驗為析因試驗。根據試驗響應值進行因變量與自變量的多元線性回歸和二項式方程擬合，得到蛋白殘留率Y 的預測值對自變量的二次多項式回歸方程：

由表5 可知，回歸方程模型的p 值為0.000 2＜0.01，表明該試驗模型所選用的二次多項式具有高度顯著性；A，B，A2，C24 個項因素對模型均影響顯著（p＜0.05），A 與B 交互不顯著（p=1.000），A 與C 交互不顯著（p=0.398 1），B 與C 交互不顯著（p=0.567 5）。失擬項p 值為0.121 4＞0.05，說明方程對試驗擬合程度良好，可以用此模型對餅干配方的感官進行分析和預測。模型的決定系數R2=0.969 7，說明三因素對蛋白質殘留的影響中96.97%的試驗數據變異可用此模型解釋。由模型回歸系數檢驗值F 可知，各因素對響應值影響主次順序為堿液質量分數（A） ＞提取溫度（B） ＞提取時間（C）。

A，B，C 三因素兩兩交互對蛋白質殘留率的影響見圖4。

表3 高粱淀粉提取BBD 響應面試驗設計與響應值

表4 響應面模型方差分析

圖4 A，B，C 三因素兩兩交互對蛋白質殘留率的影響

由圖4 可知，A，B，C 3 個因素兩兩交互作用都存在蛋白殘留率的極值，相比較而言，A 與C 交互對蛋白殘留率的影響最為顯著。由軟件計算得到高粱淀粉提取蛋白質殘留量最低的條件為堿液質量分數0.29%，提取溫度40 ℃，提取時間3.064 h，由此條件提取的高粱淀粉蛋白殘留量最低，為0.305%。結合實際應用，確定高粱淀粉提取條件為堿液質量分數0.3%，提取溫度40 ℃，提取時間3.1 h。

2.3 高粱淀粉提取條件驗證試驗

響應面優化試驗確定的高粱淀粉提取最佳條件為堿液質量分數0.3%，提取溫度40℃，提取時間3.1 h。為驗證試驗結果的可靠性，用以上修正后的工藝參數做3 次平行試驗。

淀粉提取條件驗證試驗結果見表5。

表5 淀粉提取條件驗證試驗結果

由表5 可知，在此優化條件下，設3 個重復，蛋白殘留率平均值為0.31%，與理論值的相近，驗證試驗表明，響應面法對高粱淀粉提取的優化是可行的，得到的提取條件可靠。

2.4 晉雜22 號高粱淀粉熱力學特性分析

淀粉顆粒在水溶液中受熱膨脹，迅速吸收水分，分子內和分子間氫鍵斷裂[19]，顆粒逐步擴散的過程稱為淀粉糊化過程。糊化是淀粉的基本特性，淀粉及食品的加工、貯藏及口感等都與糊化特性密切相關，糊化特性是反映淀粉品質的重要指標[20]。

晉雜22 號高粱淀粉熱力學特性見表6。

表6 晉雜22 號高粱淀粉熱力學特性

由表6 可知，晉雜22 號高粱淀粉熱焓值為9.9±0.1 J/g，起始糊化的溫度為64.78±0.10 ℃，終止溫度為78.46±0.10 ℃，峰值溫度為69.94±0.10 ℃。在60～80 ℃存在一個吸熱峰。

3 結論

通過響應面法對堿法提取高粱淀粉的工藝進行了優化，分析了堿液質量分數、提取溫度和提取時間對蛋白殘留率的影響。結果表明，當堿液質量分數0.3%，提取溫度40 ℃，提取時間3.1 h 時，蛋白殘留率為0.31%，效果最佳。利用差示量熱掃描儀得到的熱焓值為9.9±0.1 J/g，起始糊化的溫度為64.78±0.10 ℃，終止溫度為78.46±0.10 ℃，峰值溫度為69.94±0.10 ℃。