高州粉葛淀粉提取及性質測定

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(廣東石油化工學院化學與生命科學學院,廣東茂名 525000)

高州粉葛淀粉提取及性質測定

張鐘,陳媛,張玲,姜翠翠,林志榮

(廣東石油化工學院化學與生命科學學院,廣東茂名 525000)

以高州粉葛為原料,采用堿法提取淀粉。在單因素實驗的基礎上,通過對粉葛淀粉提取的條件進行三因素(料液比、浸泡時間、pH)三水平的響應面實驗設計,以淀粉提取率作為響應面值,通過Design Expert軟件進行響應面優化。并對提取的淀粉進行了淀粉透明度、凝沉性、凍融穩定性、粘度等物化性質測定。實驗結果表明:淀粉提取的工藝參數為:料液比1∶4.5,浸泡時間2.0h,浸泡pH10.2。在最佳工藝條件下,粉葛淀粉提取率達83.66%。在所提取粉葛淀粉中,直鏈淀粉含量為23.8%,糊透明度、凍融穩定性較高,易凝沉,屬于高膨脹型淀粉,6%淀粉糊在95℃時的粘度為1500mpa·s。

粉葛,淀粉,提取,性質

粉葛為豆科植物甘葛藤的干燥根,主產于廣西、廣東等地。是一種藥食兩用植物。具有解肌退熱,生津,透疹,升陽止瀉。用于外感發熱頭痛、項背強痛,口渴,麻疹不透,熱痢,泄瀉,高血壓頸項強痛。不僅對冠心病、心絞痛、腸癌等具有明顯的療效,還可促進人腦的血液循環、增強記憶、降低血脂、減肥健美等功效。淀粉是粉葛的主要成分,新鮮的粉葛中含淀粉約20%～35%。從粉葛中提取的粉葛淀粉,其營養豐富,含大量維生素、多糖和Ca、Zn等元素,是營養獨特、藥食兼優的綠色保健食品[1]。

粉葛與葛根不僅植物來源不同,在形態、成分組成和含量上也有差異。由于粉葛資源豐富、價格低廉、無毒副作用,可以為藥品也可以為食品,粉葛的開發前景將會更加廣闊。粉葛淀粉的研究方面,陳欣[2]研究了粉葛中葛根素、淀粉、纖維素和微量元素含量；宋志剛等[3]研究了粉葛淀粉的理化特性；周紅英[4]對淀粉的組分,淀粉粒的形態,結晶特性,糊化特征,熱特性以及老化特性等進行了研究。對粉葛淀粉的提取及性質的系統研究相對較少,高州粉葛是廣東粉葛的一種,產量高,品質好,淀粉含量高,因此,本文以高州粉葛為原料,用堿浸泡法提取其中的淀粉,通過單因素實驗和響應面分析法相結合的方法對其工藝參數進行優化,并對粉葛淀粉的理化性質作分析,為粉葛淀粉的工業化生產利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

新鮮的高州粉葛、氫氧化鈉、石油醚(沸程60～90℃)、鹽酸、乙醇、正己烷、直鏈淀粉、碘、碘化鉀,均為分析純。

722S可見分光光度計 上海精密科學儀器有限公司；RE-52AA旋轉蒸發器 上海雅榮生化儀器設備有限公司；TD5B臺式離心機 長沙英泰儀器有限公司；NDJ-5S數顯粘度計 蘇州江東精密儀器有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1 高州粉葛淀粉提取 先把新鮮高州粉葛刨碎,然后加入到粉碎機中粉碎2min,過20目,稱取20g經預處理的粉葛,在一定的pH的NaOH溶液中浸泡一定的時間后,漿液經抽濾去渣,濾液再在離心機中以3000r/min的速度離心15min,用清水洗滌,重復三次后,倒掉上層清水,將下層沉淀物置于55℃的恒溫干燥箱中干燥至恒重(變化小于2mg),得粉葛淀粉[5]。

1.2.2 粉葛淀粉提取工藝優化

1.2.2.1 浸泡料液比的選擇 稱取20g經預處理的粉葛淀粉,漿液在pH為8.0的NaOH溶液中浸泡2h,此時,使料液比分別為1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6,然后抽濾、水洗、離心、干燥,最后根據淀粉的提取率得出最佳的料液比。

1.2.2.2 浸泡時間的選擇 稱取20g經預處理的粉葛淀粉,漿液在pH為8.0的NaOH溶液中分別浸泡1、2、3、4、5h,料液比由上實驗確定,然后抽濾、水洗、離心、干燥,最后根據淀粉的提取率得出最佳的料液比。

1.2.2.3 浸泡pH的選擇 稱取20g經預處理的粉葛淀粉,漿液在pH分別為6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0的NaOH溶液中浸泡,時間和料液比由上實驗確定,然后抽濾、水洗、離心、干燥,最后根據淀粉的提取率得出最佳的pH。

1.2.2.4 響應面實驗設計 根據單因素實驗分析,確定提取條件的范圍,通過響應面實驗得出最佳的提取條件。

表1 響應面實驗因素水平表Table 1 Factors and levels of response surface design

1.2.3 淀粉含量測定 采用蒽酮比色法。

1.2.4 高州粉葛淀粉性質測定

1.2.4.1 淀粉透明度測定 分別準確稱取2.00g粉葛淀粉,加入200mL蒸餾水,配成1%(w/w)的淀粉乳,將試管置沸水浴中加熱20min(其間每隔5min充分振蕩試管一次),使之充分糊化。在糊化過程中要加入蒸餾水保持到原有體積,再冷至室溫。以蒸餾水為空白,用722S型可見分光光度計在620nm波長下測定淀粉糊的透光率,以透光率的值表示淀粉糊的透明度。平行測定3次,取平均值[6]。

1.2.4.2 凝沉性測定 準確稱取1.00g粉葛淀粉,加入100mL蒸餾水,配成質量分數為1%(w/w)的淀粉乳,于沸水浴中加熱糊化20min,然后冷卻至室溫。取50mL淀粉糊移入50mL量筒中,靜置24h,每隔一定時間記錄上層清液體積,計算每隔一定時間上層清液所占管內淀粉懸液總體積的百分比,以此評價淀粉糊的凝沉特性[7]。

1.2.4.3 膨脹能力測定 精確稱取2.00g粉葛淀粉,加入100mL蒸餾水配成質量分數為2.0%(w/w)的淀粉懸浮液,在不同溫度(65、70、75、80、85、90、95℃)下加熱攪拌30min,在3000r/min下離心20min,取上清液在旋轉蒸發器上濃縮,再于恒溫干燥箱烘至恒重,稱重,稱重得被溶解淀粉量A,計算其溶解度。取離心后沉淀物,于恒溫干燥箱烘至恒重,稱重。膨脹能力按下式計算[8]:

式中:A為上清液蒸干恒重后的重量/g；W為絕干粉葛淀粉的重量/g；P為離心后沉淀物重量/g,干基計。

1.2.4.4 淀粉粘度測定 取4.00g淀粉加入100mL蒸餾水,充分攪拌防止凝沉,在95℃攪拌條件下水浴10min,使其充分糊化,室溫下自然冷卻,制成淀粉糊。用粘度計測定其粘度,轉速12r/min,轉子選用2號[9]。

1.2.4.5 直鏈淀粉含量測定 直鏈淀粉含量測定參考GB/T15683-2008的方法[10]。

1.2.4.6 凍融穩定性測定 準確稱取6.00g粉葛淀粉,加入100mL蒸餾水,配成6%(w/w)的淀粉乳,在90℃水浴中攪拌糊化20min,冷卻至室溫后取10mL倒入塑料離心管中,加蓋置于-16～-20℃冰箱貯藏24h,取出室溫下自然解凍。重復上述步驟5次后,在3000r/min條件下離心15min,棄去上清液,稱取沉淀物質量,計算析水率。析水率越小,樣品的凍融穩定性越好[11]。計算式如下:

2 結果與分析

2.1料液比對粉葛淀粉提取率的影響

由圖1可知,當料液比在1∶4時最適宜。加水太少,不利于淀粉分子的釋放,淀粉提取率偏低,加水過多,對提取率影響不大,因此,較適宜的料液比為1∶4。

圖1 料液比對粉葛淀粉提取率的影響Fig.1 Effect of liquid-solid ratio on extraction yield of kudzu starch

2.2浸泡時間對粉葛淀粉提取率的影響

由圖2可以看出,浸泡時間是2h時,粉葛淀粉提取率達到最高,2h后淀粉得率保持平穩,延長浸泡時間對提取率影響不大,因此,浸泡時間確定為2h。

圖2 浸泡時間對提取率的影響Fig.2 Effect of soaking time on extraction yield of kudzu starch

2.3浸泡液pH對粉葛淀粉提取率的影響

由圖3可以看出,隨著pH的升高,淀粉的提取率越來越高,pH為10時達到最高,隨后迅速降低。pH較低,蛋白質與淀粉分離不完全,降低淀粉的提取率。隨著溶液pH的增加,淀粉提取率也呈上升趨勢。當pH大于10時淀粉提取率下降,因為較高的pH環境有可能使淀粉顆粒發生糊化作用,不利于淀粉和蛋白的分離[12]。因此,較適宜的pH為10。

圖3 浸泡液pH對粉葛淀粉提取率的影響Fig.3 Effect of pH on extraction yield of kudzu starch

2.4響應面實驗結果分析

2.4.1 響應面實驗設計與結果2.4.2 回歸方程的方差分析 RSM實驗采用二次旋轉設計得到15個組合實驗點,測定每次實驗中的結果獲得相應的響應面值見表3。將表3響應面值輸入計算機,經RSM回歸擬合后,得到對X1、X2、X3的回歸方程:

Y=83.88+2.49×X1-1.25×X2+0.26×X3+2.34×X1×X2+0.75×X1×X3+1.43×X2×X3-2.58×X1×X1-3.06×X2×X2-1.83×X3×X3

用Design Expert軟件對該多元回歸方程進行方差分析,分析結果見表3、表4。

從表3和表4可看出,二次回歸模型的F值為5.16、p值0.0427<0.05,而失擬項的F值為3.32、p值0.2403>0.05,相關系數為0.9028,說明該模型具有高度的顯著性,能夠很好地描述各因素與響應值之間的真實關系,擬和結果好。一次項、二次項、交互項p值均大于0.1000,因此交互作用對提取率影響不顯著。

表2 響應面實驗設計與結果Table 2 Design and result of response surface experiment

表3 回歸方程的方差分析Table 3 Variance analysis result

注:“**”為極顯著(p<0.01),“*”為顯著(p<0.05)。

表4 回歸系數取值及分析結果Table 4 Analysis result of regression

2.4.3 交互影響 為了觀察某兩個因素同時對淀粉提取率的影響,對表3的數據進行降維分析,觀察在其它因素條件固定不變的情況下,某兩因素對淀粉提取率的影響,經Design Expert分析,在分別固定pH、浸泡時間和料液比條件下,所得的料液比和浸泡時間交互作用、料液比和pH交互作用和pH和浸泡時間交互作用的響應面及其等高線圖見圖4～圖6。

圖4 料液比和浸泡時間交互作用對提取率的影響Fig.4 Effect of interaction between liquid-solid ratio and soaking time on extraction yield

圖5 料液比和pH交互作用對提取率的影響Fig.5 Effect of interaction between liquid-solid ratio and pH on extraction yield

圖6 pH和浸泡時間交互作用對提取率的影響Fig.6 Effect of interaction between soaking time and pH on extraction yield

響應曲面圖是響應值在各實驗因子交互作用下得到的,構成一個三維空間曲面。從圖4～圖6可以看出,3個因素的交互作用對響應值的影響情況,等高線圖越陡峭,表示因素的效應越大。同時,可以看出各交互因素的最佳作用點基本都落在實驗范圍之內,經Design Expert軟件優化后的各因素最佳實驗組合為:料液比1∶4.5,浸泡時間2.0h,浸泡劑pH為10.2。在最佳實驗組合條件下,粉葛淀粉提取率的預測值為84.54%。為了驗證該工藝條件,進行了最佳條件的驗證實驗,經三次重復結果提取率達到83.66%。

2.5淀粉性質的測定結果分析

2.5.1 透明度 透光率越大則透明度越高[13]。而實驗測得粉葛淀粉的透光率為22.4%。直鏈淀粉含量直接影響到淀粉糊的透明度[6]。

2.5.2 凝沉性 凝沉主要由于是直鏈淀粉分子間的結合形成較大的束狀結構,當質量增大到一定程度時,就形成了凝沉。

由圖7可知,隨著靜置時間的延長,淀粉糊析出上層清液越多,粉葛淀粉糊的凝沉值逐漸增大,到36h時基本達到穩定。放置過程中有大量的清液析出,表明粉葛淀粉糊不穩定,易凝沉。由于粉葛淀粉的直鏈淀粉含量高,直鏈淀粉分子空間阻力小,柔順性好,易形成氫鍵結晶,生成大的強的結晶,凝沉性好。但直鏈淀粉含量不是唯一原因,淀粉分子大小、淀粉聚合度的差異也是影響凝沉的重要原因[4]。

圖7 淀粉糊凝沉性Fig.7 Retrogradation of starch paste

2.5.3 溶解度和膨脹能力 圖8、圖9結果表明,粉葛淀粉隨加熱溫度上升,膨脹度上升,同時淀粉的溶解度也增加。粉葛淀粉在低溫65℃時已有較快的膨脹,而在高溫85℃時膨脹度已達到97%,為高膨脹型淀粉。

圖8 粉葛淀粉的溶解度Fig.8 Solubility of Kudzu starch

圖9 粉葛淀粉的膨脹度Fig.9 Degree of swelling of Kudzu starch

2.5.4 淀粉粘度 6%粉葛淀粉在95℃時的粘度為1500mpa·s,直鏈淀粉含量高的糊化后粘度低,但色澤明亮。

2.5.5 淀粉含量和淀粉中直鏈淀粉含量 淀粉的含量23.8%(W/W,干淀粉/新鮮根莖),粉葛淀粉中直鏈淀粉含量為35.9%,從此數據可以知道直鏈淀粉比例較高。直鏈淀粉構成比例越大,凝沉性越大,糊透明度越高、粘度越低,這和粉葛淀粉含量高的結果是一致的。

2.5.6 凍融穩定性 凍融穩定性反映了淀粉糊對低溫的對抗性,這一特性是制作冷凍類食品時所必需考慮的。本實驗測得6%的淀粉糊經兩次凍融循環后的淀粉糊的析水率為33%,淀粉糊經過2次的凍融后才有水析出,且析水率低,表明其凍融穩定性較好。從淀粉糊凝膠的成型情況看,粉葛淀粉糊凝膠較硬。

3 結論

粉葛淀粉最佳的提取工藝參數為:料液比為1∶4.5,浸泡時間為2.0h,浸泡劑pH為10.2,在最佳工藝條件下,粉葛淀粉提取率為83.66%。

測得高州粉葛中淀粉的含量為23.8%,其中直鏈淀粉含量為35.9%,糊透明度較高,易凝沉,凍融穩定性較好,有較高的溶解度和膨脹能力,屬于高膨脹型淀粉,6%淀粉糊在95℃時的粘度為1500mpa·s。

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Extraction of starch from Gaozhou kudzu and properties Mensuration

ZHANGZhong,CHENYuan,ZHANGLing,JIANGCui-cui,LINZhi-rong

(College of Chemistry and Life Science,Guangdong University of Petrochemical Technology,Maoming 525000,China)

Gaozhou kudzu was as raw materials. Alkaline method was used to extract starch from Gaozhou kudzu. On the basis of the single factor experiments,conditions of kudzu starch extraction was analyzed through three factor(liquid ratio,soaking time,pH value)three levels of the response surface methodology. The result of the starch extraction rate was as the date of response surface methodology. Design Expert was used to optimize the response surface. And starch transparency,retrogradation,freeze-thaw stability,viscosity and other properties were studied with the extraction of starch. The optimized conditions were liquid ratio of 1∶4.5,soaking time of 2.0h,pH value of 10.2 soaking agent,starch extraction rate of 83.66%. Amylose content of Gaozhou kudzu starch was 23.8%. The starch paste clarity and freeze-thaw stability was high,easy to coagulation. It belongs to the high swelling starch. 6%starch paste viscosity was 1500mpa·s at 95℃.

kudzu;starch;extraction;property

2014-01-13

張鐘(1962-)，男，教授，研究方向：農產品貯藏與加工。

廣東省高等學校人才引進項目(201192)；廣東石油化工學院人才引進項目(2010r2)

TS232

B

1002-0306(2014)17-0000-00

10.13386/j.issn1002-0306.2014.17.001