超聲波輔助提取人參淀粉工藝優化及其性質

劉婷婷，崔海月，樊紅秀，張艷榮

（吉林農業大學食品科學與工程學院，吉林 長春 1301 18）

超聲波輔助提取人參淀粉工藝優化及其性質

劉婷婷，崔海月，樊紅秀，張艷榮*

（吉林農業大學食品科學與工程學院，吉林 長春 1301 18）

采用超聲波輔助提取人參淀粉，通過單因素和正交試驗研究超聲波功率、超聲波時間、料液比及原料粒度對人參淀粉提取率的影響，確定最佳提取工藝條件。采用掃描電子顯微鏡、偏光顯微鏡、紅外光譜儀、布拉班德黏度儀、質構儀等對人參淀粉的顆粒性質及理化性質進行研究。結果表明：超聲波輔助提取人參淀粉的最佳工藝條件為超聲波功率600 W、超聲波時間20 min、料液比1：25（g/mL）、粒度80 目，此時淀粉 的提取率高達70. 51%，比常規法增加10.69%。在最佳工藝條件下，超聲波輔助提取的人參淀粉直鏈淀粉含量增 加，淀粉糊的溶解度、膨脹度及透明度提高，凝沉性減弱。超聲波輔助提取的人參淀粉的糊化溫度為70.5 ℃，峰值黏度為70.0 BU。

人參淀粉；超聲波；提取；性質

人參（Panax ginseng C.A.Mey）屬于五加科（Araliaceae）人參屬，為多年生的草本植物，是中國傳統的名貴中藥材，具有大補元氣、復脈固脫、調補五臟、生津止渴、安神益智等作用[1-3]。人參中的標志性成分為人參皂苷，但其含量較低，僅為4%左右，提取完人參皂苷后會剩余大量的殘渣，其中淀粉含量高達35%，如果不能對其合理利用，會造成人參資源的極大浪費[4]。因此，研究與開發提取人參皂苷后的人參殘 渣，對于提高人參資源的綜合利用、加快人參產業的深化發展都具有重要意義。吉林省是我國栽培人參的主產區，也是世界上最大的人參產地，對于人參資源的開發利用，吉林省有著得天 獨厚的條件[5-6]。超聲波萃取具有提取效率高、操作簡便等優點，在植物成分提取方面廣受重視[7]，但目前有關超聲波輔助提取人參淀粉的研究未見報道。本實驗以提取人參 皂苷后的人參殘渣為原料，在常規提取方法的基礎上，采用超聲波輔助提取人參 淀粉，并對其工藝條件進行優化，進一步加強了人參淀粉的提取效果。同時，研究了超聲波輔助提取的人參淀粉的性質，并與常規法提取的人參淀粉的性質進行了比較，以期對人參淀粉的開發利用提供理論依據，同時提高人參資源的綜合利用，加快人參產業的深化發展。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

提取皂苷后人參殘渣 實驗室自制；直鏈淀粉、支鏈淀粉標準品 美國Sigma公司；碘（分析純） 中國醫藥集團上海化學試劑公司；無水乙醇、氫氧化鈉、碘化鉀、氯化鈉（均為分析純） 北京化工廠。

1.2 儀器與設備

GB204電子分析天平 梅特勒-托利多儀器有限公司；KDC-1042低速離心機 安徽中科中佳科學儀器有限公司；DZKW-4電子恒溫水浴鍋 北京市中興偉業儀器有限公司；JY92-Ⅱ超聲波細胞粉碎機 寧波新芝生物科技股份有限公司；TU-1901雙光束紫外-可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司；SSX-550掃描電子顯微鏡 蘇州市奧科計量有限公司；POL-280偏光顯微鏡 福建廈門麥克奧迪實業集團有限公司；803201Micro Visco-Amylo-Graph黏度計 德國Brabender公司；DY-40電動粉末壓片機 天津市科器高新技術公司；IR Prestige-21傅里葉變換紅外光譜儀 日本島津公司；TA. XT. plus質構儀 英國Stable Micro Systems公司。

1.3 方法

1.3.1 人參淀粉的提取

1.3.1.1 超聲波輔助提取工藝流程

人參渣→粉碎過篩→浸泡→超聲波輔助提取→水洗過濾→濾液→離心分離→沉淀→多次水洗精制→脫水、干燥→超聲提取人參淀粉（ultrasonic ginseng starch，UGS）

1.3.1.2 常規法提取工藝流程[8]

人參渣→粉碎過篩→浸泡→水洗過濾→濾液→離心分離→沉淀→多次水洗精制→脫水、干燥→常規提取人參淀粉（conventional ginseng starch，CGS；淀粉提取率59.82%）

1.3.1.3 人參淀粉提取率的計算

1.3.2 超聲波輔助提取人參淀粉的優化試驗

1.3.2.1 單因素試驗

設定超聲波功率600 W、超聲波時間15 min、料液比1：20（g/mL）、粒度60目，單因素試驗為固定其他因素，研究某因素對人參淀粉提取率的影響，各因素水平為：超聲波功率分別為400、500、600、700、800 W；超聲波時間分別為5、10、15、20、25 min；料液比分別為1：10、1：15、1：20、1：25、1：30（g/mL）；粒度分別為20、40、60、80、100目。

1.3.2.2 正交試驗

在單因素試驗的基礎上，對超聲波功率、超聲波時間、料液比、粒度4個因素進行L9（34）正交試驗，以人參淀粉的提取率為評價指標，確定人參淀粉的最佳提取工藝。試驗因素設計水平表見表1。

表1 正交試驗因素與水平Table1 Factors and levels used in orthogonal array design

1.3.3 直鏈淀粉與支鏈淀粉含量測定

采用雙波長比色法測定人參淀粉中直鏈淀粉及支鏈淀粉含量[9]。

1.3.4 淀粉顆粒形態觀察

1.3.4.1 掃描電子顯微鏡觀察

人參淀粉用無水乙醇分散處理后，取少量樣品涂抹于硅片上，在50 ℃條件下干燥后固定到載物臺上進行鍍金處理，然后在掃描電子顯微鏡中觀察并拍攝人參淀粉的顆粒形態，工作電壓為15 kV，并用電鏡標尺測量人參淀粉的粒徑。

1.3.4.2 偏光顯微鏡觀察

取少量人參淀粉，用蒸餾水使其分散均勻，取一滴分散樣品于載玻片的中間位置，蓋上蓋玻片（注意避免出現氣泡），置于偏光顯微鏡下，觀察人參淀粉顆粒的偏光十字及其形態。

1.3.5 淀粉的紅外光譜分析

稱取2 mg人參淀粉與200 mg溴化鉀粉末，充分混合后進行壓片，然后置于紅外光譜儀中從750～4 000 cm-1進行測量，繪制紅外光譜圖。

1.3.6 溶解度與膨脹度的測定

配制50 mL質量分數為2%的淀粉乳，分別在60、70、80、90 ℃的水浴中加熱30 min，加熱過程中不斷攪拌，冷卻后在3 000 r/min條件下離心20 min，將上清液倒入平皿中干燥至質量恒定，稱量被溶解淀粉的質量，根據公式計算人參淀粉的溶解度。對離心后離心管中剩余的沉淀物進行稱量，得到膨脹淀粉的質量，根據公式計算人參淀粉的膨脹度[10]。計算公式如下：

式中：A為上清液干燥至質量恒定后的質量/g；W為人參淀粉樣品的質量/g；m為離心后的沉淀物質量/g；S為淀粉的含水量/%。

1.3.7 透明度的測定

配制50 mL質量分數為1%的淀粉乳，在沸水浴中加熱糊化30 min，加熱過程中不斷攪拌，并保持淀粉乳體積不變，糊化結束后將其冷卻到室溫，用可見分光光度計在620 nm波長下測定人參淀粉糊的透光率，以蒸餾水作空白對照[11]。

1.3.8 糊凍融穩定性的測定

配制50 mL質量分數為6%的淀粉乳，在沸水浴中加熱糊化30 min，加熱過程中要不斷攪拌，并保持淀粉乳體積不變，糊化結束后將其冷卻到室溫，然后將淀粉糊倒入離心管中，放入-20～-10℃的冰箱中冷凍24 h后取出，自然解凍后在3 000 r/min條件下離心20 min，棄去上清液，稱量離心沉淀物的質量，按下式計算淀粉糊的析水率[12]。

1.3.9 凝沉性的測定

配制100 mL質量分數為1%的淀粉乳，在沸水浴中加熱糊化30 min，加熱過程中要不斷攪拌，并保持淀粉乳體積不變，糊化結束后將其冷卻到室溫。取50 mL人參淀粉糊置于50 mL的量筒中，靜置觀察并記錄上層清液的體積分數，以清液百分比隨時間的變化情況來表示淀粉糊的凝沉性[12]。計算公式如下：

1.3.10 淀粉糊黏度曲線測定

黏度儀的測定參數：轉速250 r/min測試范圍700 cmg，黏度單位為BU[13]。

測定步驟：配制100 mL質量分數為5%的淀粉乳，置于黏度儀的測量杯中，從30 ℃開始升溫，以7.5 ℃/min的速率升溫到95 ℃，保溫5 min，再以7.5 ℃/min的速率從95 ℃降溫到50 ℃，保溫5 min，根據溫度和時間的變化繪制連續黏度曲線。

1.3.11 凝膠質構測定

配制質量分數分別為4%、6%、8%的人參淀粉乳，在沸水浴上加熱30 min，加熱過程中要不斷攪拌，并保持淀粉乳體積不變，待其完全冷卻后，放入4 ℃冰箱中靜置24 h，使其形成淀粉凝膠[14]。用質構儀測定人參淀粉的凝膠質構。

測定參數：探頭型號P/0.5、測試前下降速率1.0 mm/s、測試速率1.0 mm/s、測試后上升速率1.0 mm/s、停留間隔5 s、壓縮程度50%、感應力5 g、數據提取速率200 pps，每個樣重復測試4 次。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 超聲波功率對人參淀粉提取率的影響

圖1 超聲波功率對人參淀粉提取率的影響Fig.1 Effect of ultrasonic power on the extraction yield of ginseng starch

由圖1可以看出，隨著超聲波功率的提高，人參淀粉的提取率增加。原因可能是超聲波功率越大，其產生的空化效應和機械作用越劇烈，對細胞的破壁作用越強，從而提高了淀粉的游離率。當超聲波功率為600 W時，人參淀粉的提取率達到最大，而隨著超聲波功率的繼續提高，人參淀粉的提取率基本 沒有變化，趨于穩定。因此，超聲波功率選擇600 W為宜。

2.1.2 超聲波時間對人參淀粉提取率的影響

圖2 超聲波時間對人參淀粉提取率的影響Fig.2 Effect of ultrasonication time on the extraction yield of ginseng starch

由圖2可以看出，人參淀粉的提取率隨著超聲波時間的延長而逐漸升高，這是由于超聲波對植物細胞壁有破碎作用，如果超聲波時間短，那么細胞的破碎程度小，溶出物少，淀粉的提取率也低。當超聲波時間為15 min時，隨著時間的繼續延長，人參淀粉的提取率增加較緩慢，并逐漸趨于穩定。因此超聲波時間選擇15 min為宜。

圖3 料液比對人參淀粉提取率的影響Fig.3 Effect of material-to-liquid ratio on the extraction yield of ginseng starch

2.1.3 料液比對人參淀粉提取率的影響

由圖3可以看出，當料液比小于1：20（g/mL）時，人參淀粉的提取率隨著料液比的降低而增加；當料液比低于1：20（g/mL）時，人參淀粉的提取率隨著料液比的增加而略有降低。這是因為如果加水量太少，導致溶液濃度較大，分子擴散速率低，不利于淀粉的釋放，從而淀粉的提取率也偏低。然而隨著加水量的繼續增加，人參淀粉的提取率呈下降的趨勢，這可能是由于加水量過多，導致超聲波被溶劑吸收較多，作用于細胞的超聲波劑量相對降低，使淀粉的游離率降低，所以提取率有下降的趨勢。因此選擇料液比為1：20（g/mL）為宜。

2.1.4 粒度對人參淀粉提取率的影響

圖4 粒度對人參淀粉提取率的影響Fig.4 Effect of particle size on the extraction yield of ginseng starch

由圖4可以看出，原料的粒度直接影響人參淀粉的提取率。人參淀粉的提取率隨著原料粒度的減小而增大，當粒度為80目時，人參淀粉的提取率最大。這是由于原料粒度過大，則會因植物細胞壁破壞不完全，使淀粉不能充分游離出來，從而降低了淀粉的提取率；而原料粒度過小，可能會增加粉渣的分離難度。因此選擇 原料的粒度80目為宜。

2.2 工藝參數優化

2.2.1 正交試驗

表2 正交試驗設計及結果Table2 Orthogonal array design and results

從表2可以看出，4 個因素對人參淀粉提取率影響的大小順序為A＞D＞B＞C；超聲波提取人參淀粉的最優組合為A2B3C3D2，這與正交試驗設計表中人參淀粉提取率最高的6號試驗（A2B3C1D2）不相符，而且不在正交表內。在此條件下進行驗證實驗，人參淀粉的提取率為70.51%，比6號試驗的淀粉提取率高1.12%。因此，超聲波輔助提取人參淀粉的最佳工藝參數為超聲波功率600 W、超聲時間20 min、料液比1：25（g/mL）、粒度80目。

2.2.2 正交試驗結果方差分析

表3 人參淀粉提取率的方差分析Table3 Analysis of variance for the extraction yields of ginseng starch

采用SPSS 16.0進行無空列正交試驗方差分析，見表3。超聲 波功率、超聲波時間以及原料粒度對超聲波提取人參淀粉的影響達到極顯著水平，而料液比對其影響達到顯著水平。各因素影響的大小順序為：超聲波功率＞粒度＞超聲波時間＞料液比，這與極差分析的結果是一致的。

2.3 提取方法對人參淀粉中直鏈淀粉與支鏈淀粉含量的影響

分別采用超聲波輔助提取法和常規法提取人參淀粉，考察兩種提取方法對人參淀粉中直鏈淀粉和直鏈淀粉含量的影響，結果表4所示。

表4 人參淀粉直鏈淀粉、支鏈淀粉含量檢測結果Table4 Contents of amylose and amylopectin in ginseng starch

由表4可以看出，與CGS相比，UGS的直鏈淀粉含量稍高一些，而支鏈淀粉含量低于CGS，原因可能是超聲波降解支鏈淀粉，形成新的短直鏈淀粉，增加直鏈淀粉含量[15-17]。

2.4 顆粒形態分析

從圖5可以看出，CGS與UGS顆粒形態無明顯差別，顆粒表面均較光滑，無裂紋，多數為不規則多角形，少數為圓形，根據電鏡標尺測得人參淀粉顆粒的粒徑范圍為3～11 μm，平均粒徑為5.69 μm。

圖5 CGS（a、a’ ）和UGS（b、b’）掃描電鏡圖Fig.5 Scanning electron micrographs of CGS (a, a’) and UGS (b, b’)

2.5 偏光顯微鏡

圖6 CGS（a）和UGS（b）的偏光十字Fig.6 Cross-polarization imagesof CGS (a) and UGS (b)

從圖6可以看出，CGS與UGS的偏光十字無明顯差別，均具有清晰可見的偏光十字，十字交叉點接近于淀粉顆粒的粒心，是垂直交叉的正十字型。

2.6 紅外光譜分析

圖7 CGS（a）和UGS（b）紅外光譜圖Fig.7 Infrared spectra of CGS (a) and UGS (b)

由圖7可見，CGS和UGS的紅外光譜圖無明顯區別，所有特征吸收峰形狀與位置都基本一致，沒有新的吸收峰，沒產生新化合物，都是原有的官能團，說明超聲波作用沒有破壞人參淀粉分子的結構。

2.7 提取方法對人參淀粉的溶解度與膨脹度的影響

圖8 溫度對CGS和UGS溶解度（a）和膨脹度（b）的影響Fig.8 Effects of temperature on the solubility (a) and swelling power (b) of CGS and UGS

溶解度與膨脹度反映淀粉與水之間相互作用的大小[18]。由圖8a可知，隨溫度的升高，CGS和UGS的溶解度都隨之增加，但是在整個研究溫度范圍內，CGS的溶解度都低于UGS的溶解度，這可能是因為超聲波作用使淀粉顆粒的結構變得疏松，從而使得淀粉顆粒在加熱過程中，淀粉分子更容易從顆粒內溶出[19]。由圖8b可知，CGS和UGS的膨脹度都隨溫度的升高而增加，但在相同的溫度下，UGS的膨脹度大于CGS的膨脹度，這可能是因為超聲波作用破壞了淀粉顆粒的結晶結構而導致的。

2.8 提取方法對人參淀粉糊透明度及凍融穩定性的影響

表5 淀粉糊的透明度Table5 Transparency of CGS and UGS pastes

表6 淀粉糊的凍融穩定性Table6 Freezing-thawing stability of CGS and UGS pastes

由表5可以看出，UGS的透明度大于CGS的透明度，這是由于超聲波作用使淀粉分子的溶解度增加，顆粒容易膨脹，從而減弱光的反射和折射[20]。淀粉糊經過冷凍和解凍會出現脫水收縮的現象，這是由于冷凍使淀粉糊的膠體結構被破壞，導致游離水析出，析水率越低，凍融穩定效果越好[21]。由表6可知，CGS和UGS的析水率區別不明顯，說明超聲波作用對淀粉糊的凍融穩定性影響不大。

2.9 提取方法對人參淀粉糊的凝沉性的影響

圖9 淀粉糊的凝沉性Fig.9 Retrogradation of CGS and UGS pastes

如圖11可以看出，隨著時間的延長，CGS和UGS的凝沉性均逐漸增大，靜置48 h后，CGS和UGS糊的清液百分比增加緩慢，逐漸趨于穩定。但在整個時間范圍內，UGS的凝沉性比CGS凝沉性弱，可能是因為超聲波作用破壞了人參淀粉的結晶結構，使顆粒的內部結構變得松散，淀粉與水分子間締合增加，保水性增強，從而提高了淀粉糊的穩定性[22]。

2.10 提取方法對人參淀粉黏度特性的影響

圖10 CGS（a）和UGS（b）的布拉班德黏度曲線Fig.10 Pasting profiles of CGS (a) and UGS (b) measured by Brabender viscosity graph

表7 CGS和UGS的布拉班德黏度數據分析Table7 Pasting properties of CGS and UGS

由圖10可知，CGS與U GS的糊化曲線大致相同。從表7可知，CGS和UGS開始糊化的溫度分別為74.9 ℃和70.5 ℃，與CGS相比，UGS較易糊化，且峰值黏度較高。這可能是由于超聲波作用使淀粉的晶體結構變的松散，晶體溶解所需的熱量減少，導致成糊溫度降低。

CGS與UGS的降落值和回生值沒有差別。

2.11 提取方法對人參淀粉糊凝膠質構影響

表8 提取方法對6.0%淀粉凝膠質構參數的影響Table8 Effects of extraction methods on texture profile parameters of 6.0% ginseng starch paste

由表8可以看出，CGS與UGS凝膠的彈性、內聚性、回復性無明顯變化。而與CGS相比，UGS凝膠的硬度、脆性、黏著性、膠黏性、咀嚼度變小，這可能是因為超聲波產生的機械效應和空化效應使淀粉分子內氫鍵受到破壞，分子結構松散，分子的纏結點減少，導致淀粉的凝膠強度變弱[23]。

3 結 論

采用超聲波輔助提取人參淀粉，通過單因素和正交試驗優化，得到最佳工藝條件為超聲波功率600 W、超聲波時間20 min、料液比1：25（g/mL）、粒度80 目，此條件下得到的淀粉提取率為70.51%，比常規提取法提高了10.69%。

分別采用超聲波輔助提取法和常規提取法提取人參淀粉，考察兩種方法對人參淀粉顆粒性質的影響，結果表明CGS與UGS顆粒形態無明顯差別，顆粒表面均較光滑，多數為不規則多角形。淀粉顆粒的粒徑范圍為3～11 μm，平均粒徑為5.69 μm。CGS與UGS的偏光十字無明顯差別，均具有清晰可見的偏光十字，十字交叉點接近于淀粉的粒心，呈現垂直的十字交叉，是正十字型。

對超聲波輔助提取法和常規法提取的人參淀粉的理化性質進行對比分析，結果表明，與CGS相比，UGS的直鏈淀粉增加，溶解度、膨脹度及透明度均提高，凝沉性變弱，凍融穩定性變化不明顯。CGS和UGS開始糊化的溫度分別為74.9 ℃和70.5 ℃，UGS較易糊化，且峰值黏度較高。與CGS相比，UGS凝膠的硬度、脆性、黏著性、膠黏性、咀嚼度變小，彈性、內聚性、回復性無明顯變化。

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Ultrasonic-Assisted Extraction and Characterization of Ginseng Starch

LIU Ting-ting, CUI Hai-yue, FAN Hong-xiu, ZHANG Yan-rong*
(College of Food Science and Engineering, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China)

The ultrasonic-assisted extraction of ginseng starch was optimized using single-factor and orthogonal array designs. The extraction yield of ginseng starch was investigated with respect to ultrasonic power, ultrasonication time, ratio of material to liquid and material particle size. The particle and physicochemical properties of ginseng starc h were studied by using scanning electron microscope, polarizing microscope, infrared spectrometer, Brabender viscograph and texture analyzer. The results showed that the optimal conditions for ultrasonic-assisted extraction of ginseng starch were found to be ultrasonic power 600 W, ultrasonic time 20 min, ratio of material to liquid 1:25 (g/mL) and material particle size 80 mesh. The extraction yield of ginseng starch under the optimized conditions was up to 70.51%, which was 10.69% higher than that obtained with the conventional method. Ginseng starch from the ultrasonic-assisted extraction exhibited increased levels of amylose content, solubility, swelling power and transparency and reduced retrogradation property, and had a gelatinization temperature of 70.5 ℃ and a peak viscosity of 70.0 BU.

ginseng starch; ultrasonic; extraction; properties

TS235.2

A

1002-6630（2014）10-0034-07

10.7506/spkx1002-6630-201410007

2013-12-17

“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAD34B07）；長春市科技計劃項目（長科技合2013183，13NK12）

劉婷婷（1984—），女，講師，博士，研究方向為糧油植物蛋白工程與功能食品。E-mail：ltt1984@163.com

*通信作者：張艷榮（1965—），女，教授，博士，研究方向為糧油植物蛋白與食用菌精深加工。E-mail：xcpyfzx@163.com