高粱淀粉堿法提取和酶法純化的研究

雷 晶，羅安梅，羅婷婷，路煥梁，崔 悅，高 菲，張洪微

（黑龍江八一農墾大學 食品學院，黑龍江 大慶 163319）

高粱是一種禾本科植物，其種植面積和產量僅次于小麥、玉米、水稻和大麥，是第五大谷物[1-2]。高粱營養豐富，淀粉在高粱顆粒中占有較多成分，其含量為65.3%～81.0%[3]。極低的生產成本和較高的淀粉含量使高粱成為優質淀粉的潛在來源之一，可在食品工業中用作其他谷物淀粉的替代品[4-5]。

由于高粱籽粒中淀粉和蛋白質的緊密結合，致使淀粉得率低，提取純度不高[6]。目前，常用的淀粉提取方法有堿法[7]、超聲波法[8]和酶法[9]等。其中，堿法技術相對成熟，是一種常見的大規模工業化生產方法[10]。張正茂等人[11]通過比較甘薯淀粉的不同提取方法和工藝，發現堿提取后的淀粉得率和白度較高。其機理是蛋白質、纖維素和其他與淀粉結合的成分被堿水解，釋放淀粉，提高淀粉得率[12]。此外，淀粉的提取還受到與蛋白質的靜電反應、疏水作用、氫鍵等影響[13]。研究表明[14-15]，用堿性蛋白酶提取淀粉不會影響淀粉顆粒的大小和結構。目前，與其他谷物淀粉相比，高粱淀粉的研究較少。因此，為了進一步提高高粱淀粉的利用率，有必要對高粱淀粉進行提取和純化。

作為黑龍江省的主要種植品種之一，龍米糧1號高粱粗淀粉含量為76.54%，較其他品種高，富含0.32%的賴氨酸，具有早熟、抗倒伏等優點。因此，研究以龍米糧1號高粱為原料，采用堿法提取高粱淀粉，確定最佳提取條件；用堿性蛋白酶進一步純化高粱淀粉，提高淀粉純度，為高粱淀粉的生產和深加工提供有效途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1材料與試劑

高粱，產自大慶安達市，龍米糧1號；堿性蛋白酶（活力200 U/mg，菌種為地衣芽孢桿菌），上海源葉生物科技有限公司提供；其他試劑，均為分析純。

1.1.2 主要儀器

DG-88型粉碎機，廣州市德工機械設備有限公司產品；LD4-40型離心機，北京精力有限公司產品；DHG-9146A型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海精宏實驗設備有限公司產品；XH-C型旋渦混合器，江蘇省金壇市金城國際試驗儀器廠產品；CHA-2A型氣浴恒溫振蕩器，常州申光儀器有限公司產品。

1.2 試驗方法

1.2.1 高粱淀粉的提取

將高粱顆粒粉碎過80目篩，于40℃下干燥，得到高粱粗粉。將粗高粱粉與NaOH溶液按一定比例混合，在氣浴振蕩器中反應一定時間。以轉速3 000 r/min離心15 min，刮去上層雜質，沉淀物多次過濾至白色，在35℃烘箱中干燥24 h進行烘干，得粗淀粉。

1.2.2 堿法提取高粱淀粉單因素試驗設計

設計單因素試驗，以高粱淀粉得率為指標。

堿法單因素試驗見表1。

表1 堿法單因素試驗

1.2.3 高粱淀粉的純化

采用上述堿法提取高粱淀粉，得到高粱粗淀粉，用堿性蛋白酶法純化高粱淀粉。

1.2.4 酶法純化高粱淀粉單因素試驗設計

高粱中的蛋白質通常與淀粉分子聚合。因此，為了提高淀粉的純度，可通過分解高粱淀粉分子上的蛋白質而實現。通過課題組前期試驗，以高粱淀粉純度為指標，得出單因素試驗范圍。

酶法單因素試驗范圍見表2。

表2 酶法單因素試驗范圍

1.2.5 正交試驗設計

根據堿法提取和酶法純化的單因素試驗結果，設計正交試驗，根據結果獲得高粱淀粉最佳提取和純化條件。

1.3 淀粉純度的測定

淀粉的純度按GB 5009.9—2016測定[16]。

1.4 數據分析

采用SPSS軟件和Origin 2021pro數據處理。

2 結果與分析

2.1 堿法提取高粱淀粉單因素試驗結果

2.1.1 NaOH質量分數對高粱淀粉得率的影響

NaOH質量分數對高粱淀粉得率的影響見圖1。

圖1 NaOH質量分數對高粱淀粉得率的影響

由1可知，NaOH質量分數從0.3%逐漸增加到0.7%的過程中，淀粉得率先增加后降低。當NaOH質量分數為0.4%時，淀粉得率最高。可能是NaOH質量分數太低或太高，無法水解與淀粉結合的蛋白質等其他成分，從而阻礙淀粉的釋放。

2.1.2 反應時間對高粱淀粉得率的影響

反應時間對高粱淀粉得率的影響見圖2。

圖2 反應時間對高粱淀粉得率的影響

由圖2可知，淀粉得率隨著反應時間的延長而上升，到2 h時達到最高。這是因為在提取初期，可溶性淀粉的溶解量隨著時間的增加而增加，但隨著提取體系黏度的增加，溶解速度變慢，使得淀粉得率的變化趨于平緩。然而，高粱淀粉得率在2 h后下降，這可能是由于時間過長堿液侵蝕淀粉，破壞了淀粉顆粒的表面形貌，從而降低了淀粉得率。

2.1.3 反應溫度對高粱淀粉得率的影響

反應溫度對高粱淀粉得率的影響見圖3。

由圖3可知，在25～35℃時，淀粉得率隨著溫度的升高而增加，而后淀粉的得率逐漸降低，因為隨著溫度的升高，可溶性淀粉更容易分散在溶劑中，得率降低[17]。因此，過高的溫度不利于淀粉的提取，甚至破壞淀粉的結構。

圖3 反應溫度對高粱淀粉得率的影響

2.1.4 料液比對高粱淀粉得率的影響

料液比對高粱淀粉得率的影響見圖4。

圖4 料液比對高粱淀粉得率的影響

由圖4可知，料液比對高粱淀粉得率的影響顯著。隨料液比的增加，得率也增加。當料液比在1∶15時，達到最高，提高比率可以使物料與溶液反應更充分，促進高粱蛋白質和淀粉的分離；料液比高于1∶15后，物料可能與溶液反應不充分，因此有下降趨勢。

2.2 堿法提取正交試驗結果

從上述單因素試驗結果，采用正交試驗設計，每組重復3次。

堿法正交試驗因素與水平設計見表3，堿法正交試驗結果見表4。

表3 堿法正交試驗因素與水平設計

由表4可知，堿法提取高粱淀粉試驗中，NaOH質量分數、反應溫度、反應時間和料液比均對高粱淀粉的得率有影響。由于D＞B＞C＞A，最佳工藝條件為A2B3C3D3，即NaOH質量分數0.4%，反應溫度40℃，反應時間2 h，料液比1∶20。經驗證試驗得出，高粱粗淀粉得率為82.54%，淀粉為白色粉末。

表4 堿法正交試驗結果

2.3 堿性蛋白酶法純化高粱淀粉單因素試驗結果

2.3.1 酶添加量對高粱淀粉純度的影響

酶添加量對高粱淀粉純度的影響見圖5。

由圖5可知，在適宜的條件下，高粱淀粉的純度隨著蛋白酶的加入而逐漸升高，可能是隨著蛋白酶添加量的增加，蛋白質和蛋白酶之間的接觸面積隨著酶添加量的增加而增大，導致淀粉純度逐漸上升[18]。由圖5可知，當酶添加量達到0.8%時，淀粉的純度開始下降，可能是在試驗過程中，當淀粉用量固定，酶添加量達到一定值時，高粱淀粉的純度逐漸趨于穩定。

圖5 酶添加量對高粱淀粉純度的影響

2.3.2 酶解溫度對高粱淀粉純度的影響

酶解溫度對高粱淀粉純度的影響見圖6。

圖6 酶解溫度對高粱淀粉純度的影響

由圖6可知，當酶解溫度達到35℃時，淀粉純度上升到最高，隨后逐漸降低。可能是因為影響酶活力的一個重要指標是溫度，當酶解溫度低于此溫度時，蛋白酶活性與溫度呈正比；而酶解溫度高于此值時，蛋白酶活性與溫度呈負相關，最終蛋白酶失去活性[19]。而且由于淀粉在高溫條件下容易糊化，淀粉會變質。因此，酶解溫度不宜過高。

2.3.3 酶解時間對高粱淀粉純度的影響

酶解時間對高粱淀粉純度的影響見圖7。

圖7 酶解時間對高粱淀粉純度的影響

由圖7可知，酶解時間延長后，淀粉純度逐漸增加，而后緩慢下降，最后基本穩定。原因可能是當酶解時間在1～2 h內，淀粉與酶充分反應，淀粉顆粒不斷脫落，提高了淀粉的純度；2 h后，淀粉顆粒中的蛋白質可被酶水解至飽和，因此淀粉的純度趨于穩定。

2.3.4 料液比對高粱淀粉純度的影響

料液比對高粱淀粉純度的影響見圖8。

圖8 料液比對高粱淀粉純度的影響

由圖8可知，料液比為1∶10時，淀粉的純度達到最高，然后逐漸降低。可能是隨著溶劑用量的增加，高粱中釋放出更多的淀粉，淀粉的純度逐漸提高；過量的溶劑會使溶液變稀，更多的非淀粉水溶性物質溶解，從而降低可溶性淀粉的溶解度[20]，導致最終淀粉純度下降。

2.4 酶法純化正交試驗結果

根據單因素試驗結果，進行正交試驗的設計，每組進行3次平行。

酶法正交試驗因素與水平設計見表5，酶法正交試驗結果見表6。

表5 酶法正交試驗因素與水平設計

由表6可知，4種因素均影響高粱淀粉的純度。主次順序為A'＞D'＞C'＞B'，最佳提取條件為A'2B'1C'2D'1，即堿性蛋白酶添加量0.6%，料液比1∶10，酶解溫度35℃，酶解時間120 min。

表6 酶法正交試驗結果

2.5 驗證試驗

以正交試驗最佳為條件進行驗證，重復3次。

驗證試驗結果見表7。

表7 驗證試驗結果/%

3 結論

通過正交試驗對堿法提取和酶法純化龍米糧1號高粱淀粉工藝參數進行評估，考查了NaOH質量分數、反應時間、反應溫度和料液比對高粱淀粉得率的影響以及酶添加量、酶解時間、酶解溫度和料液比對高粱淀粉純度的影響。結果表明，當NaOH質量分數0.4%，反應溫度40℃，反應時間2 h，料液比1∶20時，高粱淀粉得率最佳；當堿性蛋白酶添加量0.6%，料液比1∶10，酶解溫度35℃，酶解時間120 min時，高粱淀粉純度最優。