超聲波輔助提取油莎豆淀粉工藝優化及其理化特性

呂程龍，朱春陽，王棟，董子研，夏子慧，趙世通，左金瀟，田雙起

（河南工業大學糧油食品學院，河南鄭州 450001）

油莎豆L），又稱地果、油豆、人參豆，還擁有虎堅果、地下核桃等稱號，屬多年生單子葉植物。油莎豆營養豐富，經濟效益高，其油、蛋白質、淀粉含量分別占比20%～35%、10%～15%、20%～25%，并含有豐富的微量元素，其綜合營養成份位于大多數谷物之上。油莎豆淀粉中直鏈和支鏈淀粉含量比值大概有1:3，使其具有許多優良的特性，包括透明度、溶解度以及膨脹度等。此外，油莎豆凝膠淀粉耐酸性強，熱糊和冷糊穩定性優良，且具有明顯優于玉米淀粉的凍融穩定性。

油莎豆有著廣泛的應用前景，國內大多是將油莎豆當作油料作物，而關于淀粉的研究還不夠完善，仍處于初期階段，產品質量無法保障，標準也缺乏統一。王璐陽等研究了油莎豆壓榨餅淀粉，得出了油莎豆淀粉具有優良的凝膠特性。于淑艷等指出油莎豆淀粉的凍融穩定性優于玉米淀粉。在國外，人們大多將油莎豆磨成粉而制作成面制品，也有人做成豆乳汁食用，以及做成油莎豆飲料、糖果等。Manek 等研究了油莎豆淀粉的提取工藝和理化特性，指出了油莎豆淀粉可作為一些藥物的粘合劑的研究方向。Busola 等則直接研究了油莎豆淀粉在甲硝唑片劑中的應用。因此油莎豆淀粉在食品、制藥方面有很大的應用前景，研究其提取工藝和理化特性具有重要價值。

目前對于油莎豆提取工藝的研究大多單純的使用堿法將蛋白質去除，然后得到淀粉。王璐陽等研究油莎豆壓榨餅的淀粉的提取工藝，通過正交試驗優化提取條件，得到油莎豆壓榨餅的最大提取率為77.61%。陳星等通過正交試驗優化堿法的液料比、溫度等因素，所得到的油莎豆淀粉最大提取率為89.9%。Meng 等通過石灰水浸泡法，通過正交試驗優化浸泡液pH、液料比和浸泡時間，得到油莎豆淀粉的含量為35.4%。超聲波輔助提取淀粉研究已被廣泛應用，但是用于提取油莎豆淀粉的研究較少。由于這種方法提取淀粉不僅能夠提高產率和縮短提取時間，而且所得淀粉的功能性質也更好，所以本試驗將石油醚脫脂-超聲波輔助堿法作為去除油莎豆中的蛋白質，得到油莎豆淀粉的方法，并優化超聲條件，以提高淀粉提取率。通過單因素實驗和響應面試驗研究最適宜的超聲輔助堿法提取的條件。通過對油莎豆淀粉與小麥淀粉等五種淀粉進行掃描電鏡分析、傅里葉紅外變換分析、X 射線衍射分析、DSC 分析，分析油莎豆淀粉與其它淀粉的不同特性，為研究油莎豆淀粉在食品中的應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

油莎豆 定州老位油莎豆；小麥、木薯、玉米、紅薯、馬鈴薯五種淀粉 新鄉良潤全谷物食品有限公司；氫氧化鈉 分析純，天津市晶科化工有限公司；鹽酸 分析純，揚州市華富化工有限公司；石油醚分析純，天津大茂化學試劑廠；硫酸鋅 分析純，天津登峰化學試劑廠；亞鐵氰化鉀 分析純，天津恒興化學試劑制造有限公司。

101AS-3 干燥箱 南通華泰實驗儀器有限公司；SGW-537 旋光儀 上海儀電分析儀器有限公司；BSA224S 電子天平 北京賽多利斯科學儀器有限公司；KQ-300E 超聲清洗機 昆山超聲儀器有限公司；JSM-IT200 掃描電子顯微鏡 日本電子珠式會社；Nicolet iS50 傅里葉紅外光譜儀 賽默飛世爾科技公司；D2 PHASERX 射線衍射儀 德國布魯克；DSC2500 差示掃描量熱儀 美國TA 公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 原料預處理 將新鮮油莎豆放于干燥箱中烘干，水分控制在15%左右，用粉碎機粉碎后過40 目篩，使用石油醚去除油脂后粉碎過60 目篩，得到油莎豆豆粕粉。

1.2.2 提取方法及淀粉提取率的測定 采用濕法提取淀粉。稱量預處理得到的油莎豆豆粕粉20.00 g放入250 mL 燒杯中，加入一定比例的NaOH 溶液搖勻，在超聲儀器中處理油莎豆豆粕粉一段時間，通過超聲波處理，淀粉和蛋白質、非淀粉多糖等物質的結合能力降低，淀粉細胞破碎，從而減少淀粉的提取時間并提高提取率。超聲波處理之后，在磁力攪拌鍋中室溫下攪拌30 min，使堿液進一步作用，蛋白質被充分去除，使油莎豆淀粉純度提高。使用離心機，4000 r/min 離心15 min 后，棄去上清液，向沉淀物中加入適量蒸餾水，用200 目左右的細紗布過濾，得到的濾下物繼續離心過濾，重復三次，離心沉淀物通過鼓風干燥箱進行干燥，溫度40 ℃，時間24 h，即得油莎豆淀粉。

稱取過40 目的油莎豆淀粉2.50 g，采用旋光法測定淀粉含量，采用以下公式計算油莎豆淀粉含量和提取率。

式中：油莎豆淀粉的比旋光度為203°。

1.2.3 單因素實驗 單因素實驗采用控制變量法，確定液料比、浸泡時間、浸泡溫度、浸泡液pH 四個因素，并用以考察對油莎豆淀粉提取率的影響，為響應面試驗確定最佳提取率的因素范圍。

1.2.3.1 溫度對淀粉提取率的影響 在液料比9:1 mL/g，浸泡時間40 min，浸泡液pH10 的條件下，依次以20、30、40、50、60、70 ℃，6 個梯度的溫度考察溫度對淀粉提取率的影響。

1.2.3.2 時間對淀粉提取率的影響 在液料比9:1 mL/g，浸泡溫度40 ℃，浸泡液pH10 的條件下，依次以10、20、30、40、50、60 min，6 個梯度的時間考察時間對淀粉提取率的影響。

1.2.3.3 液料比對淀粉提取率的影響 在浸泡時間40 min，浸泡溫度40 ℃，浸泡液pH10 的條件下，依次以3:1、6:1、9:1、12:1、15:1、18:1 mL/g，6 個梯度的液料比考察液料比對淀粉提取率的影響。

1.2.3.4 pH 對淀粉提取率的影響 在液料比9:1 mL/g，浸泡時間40 min，浸泡溫度40 ℃的條件下，依次以pH8、9、10、11、12、13，6 個梯度的pH，考察pH 對淀粉提取率的影響。

1.2.4 響應面試驗 響應面試驗以單因素實驗為基礎，借助Design-Expert8.0 軟件，每個因素在最高提取率周圍選擇三個條件，進行29 組實驗。響應面分析因素及水平見表1。

表1 響應面分析因素及水平Table 1 Factors and levels of response surface analysis

1.2.5 掃描電鏡測定方法 分別取油莎豆淀粉和小麥、木薯、玉米、紅薯、馬鈴薯五種淀粉，沾到導電膠上，在真空環境中噴金處理，然后上機測試，觀察顆粒的形態結構。

1.2.6 紅外變換測定方法 分別取油莎豆淀粉和小麥、木薯、玉米、紅薯、馬鈴薯五種淀粉，采用常規壓片的方法，范圍4000～400 cm。

1.2.7 X 射線衍射測定方法 分別取油莎豆淀粉和小麥、木薯、玉米、紅薯、馬鈴薯五種淀粉，采用粉末狀樣品常規衍射法測定，掃描速度為10°/min。

1.2.8 糊化特性測定方法 分別取油莎豆淀粉和小麥、木薯、玉米、紅薯、馬鈴薯五種淀粉，稱取2 mg，加入70%（m/m）的蒸餾水，從10 ℃掃描到110 ℃，升溫速率10 ℃/min，使用差示掃描量熱儀進行測定，觀察其加熱糊化過程中的相變行為和熱焓值的變化。使用TA Universal Analysis Q2000 軟件分析糊化開始溫度、峰值溫度和終止溫度（分別為To、Tp 和Te）等。

1.3 數據處理

單因素實驗和響應面試驗重復兩次，測定六種淀粉性質實驗重復一次，使用Origin 2019 作圖，Design-Expert 8.0 處理響應面試驗數據，平行實驗的之間的差異通過標準差反映，并通過Excel 2010 計算提取率與標準差。

2 結果與分析

2.1 油莎豆淀粉提取單因素實驗結果

2.1.1 溫度對油莎豆淀粉提取率的影響 超聲波輔助下溫度對淀粉提取率的影響如圖1 所示。

圖1 溫度對淀粉提取率的影響Fig.1 Effect of temperature on the starch extraction rate

剛開始提取率隨著溫度的增加而增加。溫度40 ℃時，提取率達到最大，為88.04%。隨著溫度的上升，提取率逐漸下降，這可能是因為隨著溫度的升高，淀粉的溶解度和膨脹度增加。當溫度達到70 ℃時，油莎豆豆粕粉溶液變成黏稠的膠體溶液，無法進行過濾等操作，此時測定其淀粉提取率無實際意義。因此確定超聲波輔助提取油莎豆淀粉的最佳提取溫度為40 ℃。

2.1.2 時間對油莎豆淀粉提取率的影響 超聲波輔助下時間對淀粉提取率的影響如圖2 所示。

圖2 時間對淀粉提取率的影響Fig.2 Effect of time on the starch extraction rate

隨著超聲時間的增加，油莎豆淀粉的提取率也隨之增加，在40 min 時，提取率達到最大值，為88.04%，但是隨著時間繼續增加，提取率開始呈現下降趨勢。可能是因為隨著超聲時間的增加，細胞破碎程度提升，淀粉與其它成分結合的強度降低，使得淀粉更容易被提取，但是隨著時間繼續增加，蛋白質和可溶性糖的溶解度達到飽和，且淀粉的溶解度和膨脹度增加，使得提取率呈現下降趨勢。因此確定超聲波輔助提取油莎豆淀粉的最佳提取時間為40 min。

2.1.3 液料比對油莎豆淀粉提取率的影響 超聲波輔助下液料比對淀粉提取率的影響如圖3 所示。

圖3 液料比對淀粉提取率的影響Fig.3 Effect of liquid-to-material ratio on the starch extraction rate

隨著液料比的增加，提取率也逐漸增加，當液料比為12:1 mL/g 時，提取率最大，為88.34%，這可能是因為在水的作用下淀粉與蛋白質的結合力降低。但是隨著液料比的繼續增加，提取率卻逐漸下降，因此確定超聲波輔助提取油莎豆淀粉的最佳提取液料比為12:1 mL/g。

2.1.4 pH 對油莎豆淀粉提取率的影響 超聲波輔助下pH 對淀粉提取率的影響如圖4 所示。

圖4 pH 對淀粉提取率的影響Fig.4 Effect of pH on the starch extraction rate

當提取液的堿性增加時，提取率逐漸增加，當pH 達到9 時，提取率最大，為90.62%，隨著堿性繼續增加時，提取率開始逐漸下降。這可能是因為堿性較弱時，蛋白質未完全溶解，導致粗淀粉純度較低，提取率較低，當溶液呈強堿性，淀粉在堿液的作用下，溶解性和膨脹性增加，導致提取的粗淀粉的質量降低，提取率呈下降趨勢。因此確定超聲波輔助提取油莎豆淀粉的最佳提取pH 為9。

2.2 響應面法優化提取油莎豆淀粉工藝條件分析

2.2.1 回歸方程的建立及顯著性分析 Box-Behnken試驗設計及結果見表2。

表2 Box-Behnken 試驗設計及結果Table 2 Box-Behnken experimental design and results

利用Design-Expert8.0 軟件進行多元回歸擬合，得到油莎豆淀粉提取率對溫度（A）、時間（B）、液料比（C）、pH（D）的回歸方程為：

Y=84.58?2.61A?0.55B?1.17C+0.69D?1.27AB?1.53AC+1.27AD+1.09BC?7.34BD?3.40CD+0.37A+0.63B?0.65C?3.17D

通過回歸方程中各項系數的正負和絕對值的大小判斷各因素對響應值的影響程度和方向，各因素對提取率的主次關系為：A>C>D>B，即溫度>液料比>pH>時間。

對回歸模型進行方差分析，結果見表3。

由表3 可知，該模型的=0.0019<0.01，表示此模型具有顯著性。回歸模型失擬項不顯著（=0.1118>0.05），決定系數=0.8391，說明本試驗模型與試驗值擬合程度良好，試驗誤差小，可以對油莎豆淀粉提取率進行良好的預測。模型中一次項A，二次項BD 和D對響應值的影響極顯著（<0.01），二次項CD 顯著（<0.05），其余不顯著（>0.05）。

表3 回歸模型的方差分析Table 3 Analysis of variance of the regression model

2.2.2 因素交互作用 如圖5 所示為時間和液料比、液料比和pH、溫度和液料比的交互作用的響應面和等高線。響應面坡度越陡則交互作用越顯著，反之，越平緩則交互作用越不顯著。由圖5 中pH 和時間的響應面圖可知，隨著pH 和時間的增大，淀粉提取率也隨之增大，而在pH 的方向上，響應面的坡度更陡，因此相對時間而言，pH 對淀粉提取率更顯著。由圖5 中pH 和液料比的響應面圖可知，隨著pH 和液料比的增大，淀粉提取率也隨之增大，而在液料比的方向上，響應面的坡度更陡，因此相對pH 而言，液料比對淀粉提取率更顯著。由圖5 中溫度和液料比的響應面圖可知，隨著液料比和溫度的增大，淀粉提取率也隨之增大，而在溫度的方向上，響應面的坡度更陡，因此相對液料比而言，溫度對淀粉提取率更顯著。分析表明：各因素對提取率的主次關系為：A>C>D>B，即溫度>液料比>pH>時間，與方差分析的結果一致，該模型具有良好的預測性。

圖5 交互作用顯著的響應面和等高線圖Fig.5 Response surface and contour map with significant interaction

2.2.3 回歸模型的驗證 通過Design-Expert 8.0 軟件分析得出，超聲波輔助提取油莎豆淀粉最佳工藝參數為：溫度30.00 ℃、時間49.93 min、液料比14.99:1、pH8，此條件下油莎豆淀粉提取率為97.78%，可信度為0.918。考慮實際操作，將上述最佳參數中的溫度調至30 ℃，時間為50 min，液料比15:1 mL/g，pH8，其余不變，在此條件下重復3 次試驗，油莎豆淀粉提取率分別為90.83%、92.79%、93.05%，平均值為92.22%±0.99%，與理論預測值相比，其相對誤差約為5.69%，在可接受范圍內，此方案可行。

2.3 油莎豆淀粉的理化特性

2.3.1 掃描電鏡分析 淀粉的顆粒大小決定了它的用途。研究表明，粒徑偏小的淀粉可用于制作淀粉基生物膜和淀粉降解材料等。如圖6 所示，不同種類的淀粉顆粒在形狀上有不同特點。從形態上看，呈球形、多面體形、橢圓形、扁平形等，可以根據這些特點確定淀粉的種類。從圖6 可以看出，紅薯淀粉顆粒多為半球形且中心凹陷；馬鈴薯淀粉顆粒為塊莖形；木薯淀粉顆粒與紅薯淀粉顆粒形狀類似；小麥淀粉顆粒大小不一，且大顆粒呈扁平狀；油莎豆淀粉顆粒呈卵球形，表面光滑，粒徑范圍2～15 μm，與于淑艷等人的觀察一致；玉米淀粉顆粒呈多面體結構，部分未熟粒為球形。與其它五種淀粉相比，油莎豆淀粉粒徑偏小，屬于中小粒度的淀粉。

圖6 油莎豆等六種淀粉的掃描電鏡圖（1000×）Fig.6 Scanning electron micrographs of six kinds of starches including Cyperus esculentus L.(1000×)

2.3.2 傅里葉紅外變換分析 由圖7 可知，圖中1162、1084、1023 cm出現的吸收信號，是C-O-H中的C-O 拉伸和C-O-C 中的C-O 拉伸；在2933 cm處為C-H 伸縮振動；3387 cm處對應O-H 拉伸。如圖7 所示，玉米淀粉和油莎豆淀粉在1084、1023 cm處的紅外信號波動降低，說明二者C-O 拉伸程度較低。在2933 和3387 cm處，玉米淀粉和油莎豆淀粉的紅外信號波動降低，說明二者C-H 和O-H 伸縮振動程度較低。

圖7 油莎豆等六種淀粉的傅里葉紅外變換圖Fig.7 Fourier infrared transform diagrams of six kinds of starches such as Cyperus esculentus L.

2.3.3 X 射線衍射分析 Jane 等的研究表明，B 型淀粉的晶體結構比A 型淀粉更容易水解。通過XRD分析確定油莎豆淀粉顆粒的晶型并與小麥淀粉等五種淀粉顆粒的晶型進行對比，如圖8 所示為油莎豆等六種淀粉的XRD 衍射圖譜，馬鈴薯在5.6°、17°、22°、24°有較強的衍射峰出現，屬于B 型淀粉。油莎豆淀粉與小麥淀粉、木薯淀粉、紅薯淀粉、玉米淀粉的淀粉顆粒的晶型相似，在15°、17°、18°、23°有較強的衍射峰，屬于A 型淀粉。由此也可以得知油莎豆淀粉較馬鈴薯淀粉不易水解。

圖8 油莎豆等六種淀粉的X 射線衍射圖Fig.8 X-ray diffraction patterns of six kinds of starches including Cyperus esculentus L.

2.3.4 糊化特性分析 差示掃描量熱儀可以通過物體相變的過程，體現其熱力學性質，也可用來區分支鏈淀粉結晶、直鏈淀粉結晶。根據表4，油莎豆淀粉的在DSC 實驗中起始溫度、峰值溫度和終止溫度較高，分別為68.03、72.47、79.59 ℃，表明油莎豆淀粉的支鏈淀粉豐富。馬鈴薯淀粉的凝膠化焓值最大，為15.75 J/g，油莎豆淀粉的焓值位于其它五種淀粉之間。

表4 油莎豆淀粉等六種淀粉的DSC 熱力學參數Table 4 DSC gelatinization thermodynamic parameters of six kinds of starches including Cyperus esculentus L.

3 結論

在單因素和響應面試驗下得到超聲波輔助提取油莎豆淀粉的最佳條件為：溫度30 ℃、時間50 min、液料比15:1 mL/g、pH8，此條件下油莎豆淀粉提取率為92.22%，且響應面試驗結果表明4 個因素對油莎豆淀粉提取率影響大小依次為：溫度>液料比>pH>時間。

在對油莎豆淀粉理化特性的分析中，掃描電鏡分析表明，油莎豆淀粉顆粒成卵球形，表面光滑，顆粒度較小；傅里葉紅外變換分析表明，油莎豆淀粉CO 和O-H 拉伸程度較低，C-H 的伸縮振動程度較低。X 射線衍射分析表明，油莎豆淀粉與小麥淀粉、木薯淀粉、紅薯淀粉、玉米淀粉的晶型相似，屬于A 型淀粉，而馬鈴薯屬于B 型淀粉。DSC 分析表明，油莎豆淀粉的起始溫度、峰值溫度僅低于紅薯淀粉，終止溫度低于紅薯淀粉和玉米淀粉。

綜上所述，油莎豆淀粉粒徑相對較小，可將其作為淀粉基生物膜和淀粉降解材料。其起始糊化溫度略低于紅薯淀粉，終止糊化溫度低于紅薯淀粉和玉米淀粉說明它具有豐富的支鏈淀粉結構。另外油莎豆淀粉屬于A 型淀粉，與B 型淀粉相比不易水解，但是與其它A 型淀粉水解程度的差異，還需進一步研究。