響應(yīng)面優(yōu)化堿法提取高粱淀粉的工藝

段 冰，楊 玲，郭 睿，郭旭凱，邵 強(qiáng)，溫賢將

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高粱研究所），山西晉中 030600）

我國(guó)高粱種植面積和產(chǎn)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(jīng)濟(jì)作物，最主要的組分是淀粉，其次是蛋白質(zhì)、脂類、粗纖維等。目前，國(guó)內(nèi)高粱淀粉還未得到廣泛關(guān)注，其利用價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(zhì)差異較大，加工品質(zhì)差異也較大[3]。

高粱籽粒中的蛋白在淀粉加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生不利影響，淀粉和蛋白質(zhì)容易形成致密結(jié)構(gòu)[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(zhì)存在靜電作用、疏水作用、二硫鍵、氫鍵等[6]，也會(huì)影響淀粉提取。有研究顯示[7-8]采用堿性蛋白酶進(jìn)行淀粉提取，不會(huì)對(duì)淀粉顆粒的大小與結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響。代鈺等人[9]研究了稀堿法分離工藝對(duì)糯米蛋白質(zhì)提取率的影響。孔露等人[10]研究了響應(yīng)面優(yōu)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(zhì)的研究相比，高粱淀粉的研究較少；同時(shí)，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(yōu)化十分必要。在淀粉工業(yè)生產(chǎn)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(diǎn)。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(yīng)面優(yōu)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(duì)提取的高粱淀粉進(jìn)行性質(zhì)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(hào)，山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)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(shè)備

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

1.2 試驗(yàn)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?jiān)掖枷礈烀撋x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(jī)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(jī)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(jī)攪拌10 min，反復(fù)過200 目篩，去除篩上雜質(zhì)，直至篩上無雜質(zhì)殘留，過篩時(shí)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jī)粉碎，裝袋，-20 ℃冰箱中保存。

為優(yōu)化高粱淀粉的提取條件，降低淀粉中的蛋白質(zhì)含量，針對(duì)淀粉提取關(guān)鍵步驟——堿液浸提的條件優(yōu)化，主要優(yōu)化工藝參數(shù)為堿液（NaOH） 濃度、提取溫度、提取時(shí)間。利用凱氏定氮法[14]測(cè)定干燥后的成品高粱淀粉中蛋白質(zhì)的殘留量，以此為指標(biāo)確定高粱淀粉的最佳提取條件。

1.2.2 單因素試驗(yàn)

以蛋白殘留量為指標(biāo)，考查提取高粱淀粉時(shí)堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、提取時(shí)間、提取溫度對(duì)高粱淀粉蛋白殘留的影響。

堿法提取高粱淀粉單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

表1 堿法提取高粱淀粉單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)和前人經(jīng)驗(yàn)[15-17]的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Design-expert 10.0 軟件中的Box-behnken 模型對(duì)高粱淀粉提取條件進(jìn)行優(yōu)化。

1.2.4 高粱淀粉熱力學(xué)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(gè)空的密封的鋁鍋?zhàn)鳛榭瞻讌⒄铡悠吩?0～120 ℃的溫度范圍內(nèi)以10 ℃/min 加熱。利用計(jì)算機(jī)軟件從熱像圖中觀察到的吸熱峰計(jì)算變性溫度（Td）。

1.2.5 高粱淀粉提取的驗(yàn)證試驗(yàn)

以響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)確定的高粱淀粉提取最佳條件并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理

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

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)高粱淀粉提取效果的影響

固定提取溫度35℃，提取時(shí)間3 h，分別控制堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，考查堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)高粱淀粉提取效率的影響。

堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)高粱淀粉提取效果的影響見圖1。

圖1 堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)高粱淀粉提取效果的影響

由圖1 可知，當(dāng)堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.1%逐漸增加到0.5%的過程中，蛋白質(zhì)含量先降低，堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，提取的淀粉蛋白質(zhì)含量最低，然后又逐漸升高。原因可能是堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低不能使蛋白質(zhì)充分溶解，而堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高又會(huì)使淀粉產(chǎn)生糊化現(xiàn)象，限制了蛋白質(zhì)的提取。

2.1.2 提取時(shí)間對(duì)高粱淀粉提取效果的影響

固定堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%，提取溫度35 ℃，分別控制提取時(shí)間為1，2，3，4，5 h，考查提取時(shí)間對(duì)高粱淀粉提取效率的影響。

提取時(shí)間對(duì)高粱淀粉提取效果的影響見圖2。

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

2.1.3 提取溫度對(duì)高粱淀粉提取效果的影響

固定堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%，提取時(shí)間3 h，分別控制提取溫度為25，30，35，40，45 ℃，考查提取溫度對(duì)高粱淀粉提取效率的影響。

提取溫度對(duì)高粱淀粉提取效果的影響見圖3。

圖2 提取時(shí)間對(duì)高粱淀粉提取效果的影響

圖3 提取溫度對(duì)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(zhì)殘留量隨著提取溫度的升高逐漸降低，當(dāng)提取溫度為35 ℃時(shí)，蛋白質(zhì)殘留量達(dá)到低點(diǎn)，再升高提取溫度蛋白質(zhì)殘留量變化不明顯。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果分析

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Design-expert 10.0 軟件中的Box-behnken 模型對(duì)高粱淀粉提取條件進(jìn)行優(yōu)化。

高粱淀粉提取響應(yīng)面法優(yōu)化因素與水平見表2。

表2 高粱淀粉提取響應(yīng)面法優(yōu)化因素與水平

采用Design Export 10.0.3 軟件中的Box-behnken Design（BBD） 模型對(duì)響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)所做得的蛋白質(zhì)殘留量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

高粱淀粉提取BBD 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與響應(yīng)值見表3，響應(yīng)面模型方差分析見表4。

表4 中1，2，3，11，13 號(hào)試驗(yàn)為中心零點(diǎn)試驗(yàn)，重復(fù)5 次，以估計(jì)試驗(yàn)誤差，其他試驗(yàn)為析因試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)響應(yīng)值進(jìn)行因變量與自變量的多元線性回歸和二項(xiàng)式方程擬合，得到蛋白殘留率Y 的預(yù)測(cè)值對(duì)自變量的二次多項(xiàng)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(yàn)?zāi)Ｐ退x用的二次多項(xiàng)式具有高度顯著性；A，B，A2，C24 個(gè)項(xiàng)因素對(duì)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(xiàng)p 值為0.121 4＞0.05，說明方程對(duì)試驗(yàn)擬合程度良好，可以用此模型對(duì)餅干配方的感官進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。模型的決定系數(shù)R2=0.969 7，說明三因素對(duì)蛋白質(zhì)殘留的影響中96.97%的試驗(yàn)數(shù)據(jù)變異可用此模型解釋。由模型回歸系數(shù)檢驗(yàn)值F 可知，各因素對(duì)響應(yīng)值影響主次順序?yàn)閴A液質(zhì)量分?jǐn)?shù)（A） ＞提取溫度（B） ＞提取時(shí)間（C）。

A，B，C 三因素兩兩交互對(duì)蛋白質(zhì)殘留率的影響見圖4。

表3 高粱淀粉提取BBD 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與響應(yīng)值

表4 響應(yīng)面模型方差分析

圖4 A，B，C 三因素兩兩交互對(duì)蛋白質(zhì)殘留率的影響

由圖4 可知，A，B，C 3 個(gè)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(duì)蛋白殘留率的影響最為顯著。由軟件計(jì)算得到高粱淀粉提取蛋白質(zhì)殘留量最低的條件為堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.29%，提取溫度40 ℃，提取時(shí)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(jié)合實(shí)際應(yīng)用，確定高粱淀粉提取條件為堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%，提取溫度40 ℃，提取時(shí)間3.1 h。

2.3 高粱淀粉提取條件驗(yàn)證試驗(yàn)

響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)確定的高粱淀粉提取最佳條件為堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%，提取溫度40℃，提取時(shí)間3.1 h。為驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，用以上修正后的工藝參數(shù)做3 次平行試驗(yàn)。

淀粉提取條件驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 淀粉提取條件驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

由表5 可知，在此優(yōu)化條件下，設(shè)3 個(gè)重復(fù)，蛋白殘留率平均值為0.31%，與理論值的相近，驗(yàn)證試驗(yàn)表明，響應(yīng)面法對(duì)高粱淀粉提取的優(yōu)化是可行的，得到的提取條件可靠。

2.4 晉雜22 號(hào)高粱淀粉熱力學(xué)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(nèi)和分子間氫鍵斷裂[19]，顆粒逐步擴(kuò)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(guān)，糊化特性是反映淀粉品質(zhì)的重要指標(biāo)[20]。

晉雜22 號(hào)高粱淀粉熱力學(xué)特性見表6。

表6 晉雜22 號(hào)高粱淀粉熱力學(xué)特性

由表6 可知，晉雜22 號(hào)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(gè)吸熱峰。

3 結(jié)論

通過響應(yīng)面法對(duì)堿法提取高粱淀粉的工藝進(jìn)行了優(yōu)化，分析了堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、提取溫度和提取時(shí)間對(duì)蛋白殘留率的影響。結(jié)果表明，當(dāng)堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%，提取溫度40 ℃，提取時(shí)間3.1 h 時(shí)，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 ℃。