超聲預處理對珊瑚姜淀粉堿提取工藝及特征的影響研究

齊海伶，殷鐘意，顧亞靜，鄭旭煦，，*

（1.重慶工商大學環境與生物工程學院，重慶400067；2.重慶工商大學催化與功能有機分子重慶市重點實驗室，重慶400067）

超聲預處理對珊瑚姜淀粉堿提取工藝及特征的影響研究

齊海伶1，殷鐘意2，顧亞靜1，鄭旭煦1，2，*

（1.重慶工商大學環境與生物工程學院，重慶400067；2.重慶工商大學催化與功能有機分子重慶市重點實驗室，重慶400067）

以珊瑚姜殘渣為原料，淀粉提取率為指標，研究超聲預處理對珊瑚姜淀粉的堿提取工藝條件以及所制淀粉的組成、顆粒形貌和晶體結構的影響。結果表明，普通堿提取的最佳工藝條件為：堿液pH10、料液比1∶9g/mL、浸泡溫度35℃、浸泡時間3h，在該條件下所制淀粉的提取率為45.37%、純度為85.12%、平均粒徑為23.06μm；超聲預處理（超聲功率600W、超聲時間100s）后的堿提取的最佳工藝條件為：堿液pH10、料液比1∶12g/mL、浸泡溫度30℃、浸泡時間2.5h，在該條件下所制淀粉的提取率為61.54%、純度為86.51%、平均粒徑為20.20μm。即超聲預處理改善了堿提取的工藝條件，提高了淀粉的提取率和純度，減小了淀粉的平均粒徑，但未改變珊瑚姜淀粉的顆粒形貌和結晶結構，仍呈類圓形、長卵形、三角狀卵形和B型結晶結構。

珊瑚姜，淀粉，超聲預處理，堿提取，特征

珊瑚姜（Zingiber Corallinum Hance）為產于海南、廣東、廣西、貴州等地的姜科植物，別名陰姜，多年生草本，為苗族常用藥材［1］。珊瑚姜根莖肥厚，呈不規則塊狀，切面淡黃色，薄壁細胞中有多數淡黃色油細胞。珊瑚姜的淀粉粒眾多，散在多數內含黃色或黃綠色揮發油的細胞中，也有散在內含棕紅色分泌物的樹脂細胞中。少數民族常以其根莖入藥，具有消腫、解毒、抗菌、祛痰等功效，用于治療感冒、咳嗽、腰痛、腹瀉等病癥，藥用價值高［2-3］。

目前，國內外文獻主要關注珊瑚姜的精油提取及成分分析［4］、精油的藥理作用［5-6］和姜黃素的定性定量研究［7］等，而對珊瑚姜的淀粉研究尚未見報道。為避免提取了精油和姜黃素等有效成分后的珊瑚姜殘渣被廢棄造成資源浪費和環境污染等問題，本文開展了珊瑚姜淀粉的提取工藝研究。植物淀粉的提取方法主要有堿提取、酶提取、超聲提取等，堿提取方法因其簡便易行而成為最常見的方法，然而單獨采取該法較難提高淀粉的溶出率，同時也難以去除與淀粉緊密結合的蛋白，影響淀粉的純度［8］。鑒于此，本文在普通堿提取工藝條件優化的基礎上，重點開展了超聲預處理對珊瑚姜淀粉堿提取工藝以及所制淀粉特征的影響研究，以期為珊瑚姜淀粉的提取及開發利用提供理論依據。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

珊瑚姜采自貴州省，將其依次提取精油和姜黃素，然后將殘渣粉碎、干燥，過篩，取篩下粉末備用；無水乙醇、NaOH、檸檬酸、NaCl、乙酸鉛、硫酸鈉、石油醚、硫酸銅、亞甲基藍、亞鐵氫化鉀、酒石酸鉀鈉等均為分析純。

多功能粉碎機上海精密科學儀器有限公司；JY92-Ⅱ超聲波細胞粉碎機寧波新芝生物科技股份有限公司；臺式冷凍高速型離心機美國KENDRO公司；DZF-1B真空干燥箱上海躍進醫療器械廠；電子分析天平上海舜守恒平科學儀器有限公司；二元智能水浴鍋鄭州長城科工貿有限公司；凱氏定氮儀上海洪紀儀器設備有限公司；KYKY-EM3200掃描電子顯微鏡蘇州市奧科計量有限公司；6100型X-射線衍射儀日本島津公司；其他實驗室常用儀器。

1.2實驗方法

1.2.1珊瑚姜淀粉的提取方法

1.2.1.1普通堿提取方法準確稱取過40目篩的珊瑚姜殘渣粉末5g，先用一定pH、一定料液比的NaOH溶液兌漿，再在一定溫度下浸泡一段時間，然后水洗3次至中性，再在4000r/min條件下離心10min；去掉上清液后，先用50mL無水乙醇脫色，再用蒸餾水洗滌至無醇味，過200目篩，離心10min，收集沉淀；在45℃真空干燥箱中干燥8h，即得淀粉；稱重，計算提取率。每次提取設置3個重復實驗，取其平均值為實驗結果。其工藝流程為：

珊瑚姜殘渣粉末→兌漿→浸泡→水洗→離心→脫色→水洗→過篩→離心→沉淀→真空干燥。

1.2.1.2超聲預處理—堿提取方法準確稱取過40目篩的珊瑚姜殘渣粉末5g，先用一定pH、一定料液比的NaOH溶液兌漿，再在一定功率的超聲波細胞粉碎機中超聲振蕩一段時間，然后按照1.2.1.1的方法進行堿提取。其工藝流程為：

珊瑚姜殘渣粉末→兌漿→超聲處理→浸泡→水洗→離心→脫色→水洗→過篩→離心→沉淀→真空干燥。

1.2.1.3珊瑚姜淀粉提取率的計算

1.2.2珊瑚姜淀粉提取工藝條件的優化

1.2.2.1普通堿提取工藝條件的優化以淀粉提取率為考察指標，首先進行堿液pH、料液比、浸泡時間、浸泡溫度的單因素實驗；然后根據單因素實驗結果設計因素水平表，按照L9（34）進行正交實驗，以此確定普通堿提取的最佳工藝條件。

1.2.2.2超聲預處理—堿提取工藝條件的優化超聲預處理工藝條件的優化：在普通堿提取的最佳工藝、超聲初始溫度為25℃的條件下，采用單因素實驗法確定超聲預處理的最佳工藝條件，固定超聲時間為100s，超聲功率為300、400、500、600、700W；固定超聲功率600W，超聲時間為40、60、80、100、120s。

堿提取工藝條件的優化：在超聲預處理的最佳工藝條件下，進行堿提取pH、料液比、浸泡時間、浸泡溫度的單因素實驗：固定堿液pH為10、料液比為1∶9g/mL、浸泡溫度為35℃，浸泡時間為1、1.5、2、2.5、3h；固定浸泡時間為2h，堿液pH為10、料液比為1∶9g/mL，浸泡溫度為25、30、35、40、45℃；固定浸泡溫度為30℃、堿液pH為10、浸泡時間為2h，料液比為1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶14g/mL；固定料液比為1∶12g/mL、浸泡溫度為30℃、浸泡時間為2h，堿液pH為8、9、10、11、12。

然后根據單因素實驗結果設計因素水平表（見表1），按照L9（34）進行正交實驗，以此確定超聲預處理后的堿提取的最佳工藝條件。

表1　超聲預處理后的堿提取正交實驗的因素水平表Table 1　Factors and levels of the orthogonal test of alkali extraction after ultrasonic pretreatment

1.2.3所制珊瑚姜淀粉的特征分析

1.2.3.1淀粉的主要成分分析淀粉：參照GB/T 5009.9—2008《食品中淀粉的測定：酸水解法》；水分：參照GB/T 12087—2008《淀粉水分測定：烘箱法》進行測定；灰分：參照GB/T 22427.1—2008《淀粉灰分測定》進行測定；蛋白質：參照GB/T 22427.10—2008《淀粉及其衍生物氮含量測定》進行測定；脂肪：參照GB/T 22427.3—2008《淀粉總脂肪測定》進行測定。

1.2.3.2淀粉的顆粒形貌測定取微量樣品，放入載玻片上，加上蓋玻片，按壓均勻后，用洗耳球將多余的淀粉吹掉。置于掃描電子顯微鏡樣品臺上，觀察淀粉顆粒形貌并拍照，工作電壓為10KV，并用電鏡標尺測量淀粉的粒徑。

1.2.3.3淀粉的晶體結構測定用X射線衍射儀測定淀粉的晶體結構。測定條件：特征衍射線Cu-Kα靶，石墨單色器，管壓40kV，電流30mA，掃描范圍2～70°，步長0.02°/2θ，掃描速率4°/min。

1.2.4數據處理關于淀粉粒徑計算，根據放大倍數校正標尺后，采用Photoshop分別量出標尺和顆粒的長度a、b，再根據比例進行計算粒徑c（μm），平均粒徑采用算術平均值進行計算［9］。

式中，100為照片上電鏡標尺標記的長度，μm。

2　結果與討論

2.1原料中的淀粉含量測定

按照GB/T5009.9-2008的方法測定珊瑚姜殘渣原料中的淀粉含量為45.96%。

2.2普通堿提取的最佳工藝條件

根據1.2.2.1步驟進行實驗，得出堿提取適宜工藝條件為：堿液pH為10、料液比為1∶9g/mL、浸泡溫度為40℃、浸泡時間為4h，在此條件下淀粉的提取率為42.81%。正交實驗所得的堿提取最佳工藝條件為：堿液pH為10、料液比為1∶9g/mL、浸泡溫度為35℃、浸泡時間為3h，在該條件下淀粉的提取率為45.37%。

2.3超聲預處理—堿提取工藝條件的優化

2.3.1超聲預處理工藝條件的優化在普通堿提取的最佳工藝條件（堿液pH為10、料液比為1∶9g/mL、浸泡溫度為35℃、浸泡時間為3h）下，進行超聲預處理的單因素實驗。

2.3.1.1超聲功率對淀粉提取率的影響由圖1可知，淀粉提取率隨著超聲功率的增加呈現先增大后略微減小的變化趨勢，當超聲功率為600W時，淀粉提取率最大。這是因為超聲波對提取分離的強化作用主要來源于空化效應，隨著超聲功率的增加，超聲波產生的空化效應越強烈，對細胞的破壁效果越明顯，從而增加了淀粉的溶出率［10］。而當超聲功率過大（大于600W），淀粉提取率略微下降。這是因為超聲功率過大，最初分離出來的淀粉和蛋白質由于超聲空化作用又重新結合在一起，不利于淀粉沉淀而降低其提取率［11］。因此，選擇最佳超聲功率為600W。

圖1　超聲功率對淀粉提取率的影響Fig.1　Effect of ultrasonic power on the extraction rate of starches

2.3.1.2超聲時間對淀粉提取率的影響由圖2可知，淀粉提取率隨著超聲時間的增加呈現先增大后不變的變化趨勢。這是因為超聲波的振動作用，有助于淀粉游離出來［12］，因而增加超聲時間有利于提高淀粉的提取率；但當超聲時間過長（超過100s），淀粉提取率基本上保持不變。因此，為節約超聲時間，選擇最佳超聲時間為100s。

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

2.3.2堿提取工藝條件的優化

2.3.2.1單因素實驗在超聲功率為600W、超聲時間為100s預處理后，先進行堿提取工藝參數的單因素實驗。

浸泡時間對淀粉提取率的影響結果見圖3。

圖3　浸泡時間對淀粉提取率的影響Fig.3　Effect of immersion time on the extraction rate of starches

由圖3可知，淀粉提取率隨浸泡時間的增加呈現先增大后略微減小的變化趨勢，當浸泡時間為2h時，淀粉提取率達到最大。這是因為在淀粉提取初期，增加浸泡時間有利于淀粉的充分沉淀；但在淀粉提取后期，隨著浸泡時間的延長，淀粉顆粒結構變得疏松，不易沉淀，影響其提取率［13］，因此，適宜的浸泡時間為2h。

浸泡溫度對淀粉提取率的影響結果見圖4。

由圖4可知，淀粉提取率隨浸泡溫度的升高呈現先增大后減小的變化趨勢，當浸泡溫度為30℃時，淀粉提取率達到最大。這是因為超聲過程中細胞破壁將產生一定的熱量，導致料液溫度升高，超聲之后若浸泡溫度仍然較高，將使淀粉發生糊化；而且浸泡溫度過高還會破壞蛋白質的性質，影響蛋白質與淀粉的分離，導致淀粉提取率下降。因此，適宜的浸泡溫度為30℃。

料液比對淀粉提取率的影響結果見圖5。

由圖5可知，淀粉提取率先隨料液比的增加而增大，當料液比大于1∶12g/mL后，提取率呈現下降的變化趨勢。這是因為料液比過大，漿液濃度過低，超聲過程中粒子間碰撞及被超聲氣流切削機會減少，超聲波破壁效果降低，導致淀粉提取率降低［14］，因此，適宜的料液比1∶12g/mL。

堿液pH對淀粉提取率的影響結果見圖6。

圖4　浸泡溫度對淀粉提取率的影響Fig.4　Effect of immersion temperature on the extraction rate of starches

圖5　料液比對淀粉提取率的影響Fig.5　Effect of the ratio of material to liquid on the extraction rate of starches

圖6　堿液pH對淀粉提取率的影響Fig.6　Effect of the pH of alkali liquor on the extraction rate of starches

由圖6可知，淀粉提取率隨堿液pH的增加呈現先增大后減小的變化趨勢，當pH為10時，淀粉提取率最大。這是因為堿液pH過小，部分可溶性淀粉尚未沉淀出來，導致淀粉提取率較??；而堿液pH過大，將使淀粉顆粒發生糊化，導致淀粉提取率降低。因此，適宜的堿液pH為10。

2.3.2.2正交實驗在超聲功率為600W、超聲時間為100s下，按照表1進行正交實驗，結果列于表2中。

表2　超聲預處理后堿提取的正交實驗結果表Table 2　Results of the orthogonal test of alkali extraction after ultrasonic pretreatment

由表2可知，在表1選取的因素和水平范圍內，影響淀粉提取率的因素主次順序為：B＞D＞C＞A，即浸泡時間是影響淀粉提取率的主要因素；堿提取的最佳工藝條件是A2B3C2D2，即堿液pH為10、浸泡時間為2.5h、料液比為1∶12g/mL、浸泡溫度為30℃。

2.3.2.3驗證性實驗因表2中無最佳工藝條件A2B3C2D2實驗組的實驗結果，故在該實驗條件下進行淀粉提取工藝驗證實驗，得到淀粉提取率為61.54%，高于表2各組實驗的結果。所以，超聲預處理—堿提取的最佳工藝條件為：在超聲功率為600W、超聲提取時間為100s下，堿液pH為10、料液比為1∶12g/mL、浸泡溫度為30℃、浸泡時間為2.5h。

2.3.3超聲預處理對堿提取工藝條件的影響分析比較超聲處理前后堿提取工藝2.3.1和2.3.2的實驗結果，結果見表3。

表3　兩種提取方法的最佳工藝條件及提取率Table 3　Optimal process conditions and extraction rate of two extraction methods

由表3可知，相對于未超聲預處理而言，超聲預處理即使pH為10的堿液用量增加（相對增加33.33%）、浸泡溫度降低、浸泡時間縮短，也使珊瑚姜淀粉提取率增加（相對增加35.64%）?？赡艿脑蛞皇浅曔^程中細胞破壁將產生一定的熱量，造成料液溫度升高，部分水分蒸發，因而所需堿液用量增加；二是超聲的空化作用使淀粉更易溶出，不僅使堿液浸泡溫度降低、浸泡時間縮短，而且使淀粉提取率明顯增加。因此，雖然超聲預處理使堿液用量增加，但其增幅小于淀粉提取率的增幅；加之超聲預處理還使浸泡溫度降低、浸泡時間縮短，故總體上超聲預處理提高了淀粉提取的效率。

2.4超聲預處理對珊瑚姜淀粉特征的影響

2.4.1所制珊瑚姜淀粉的組成按照1.2.3的方法分別測定兩種提取工藝所制淀粉的主要成分，結果見表4。由表4可知，超聲預處理使淀粉、蛋白質、脂肪含量均有所增加，分別增加1.39%、0.20%和0.08%，而水分和灰分均有所減少。可能的原因是超聲的空化作用促進了植物細胞的破壁，提高了淀粉、蛋白質、脂肪的溶出率，使營養成分的含量均有所增加。

表4　兩種提取工藝所制淀粉的主要成分含量（%）Table 4　Main constituents of coral ginger starches made by two extraction methods（%）

2.4.2所制珊瑚姜淀粉的顆粒形貌采用兩種提取工藝制備的珊瑚姜淀粉的掃描電鏡圖見圖7，根據電鏡標尺測得的淀粉粒徑見表5。

圖7　堿提取方法（a）和超聲預處理-堿提取方法（b）的淀粉掃描電鏡圖Fig.7　Scanning electron micrographs of alkali extraction and ultrasound pretreatment-alkali extraction

表5　兩種提取工藝所制淀粉的粒徑Table 5　Particle size of coral ginger starches made by two extraction methods

由圖7中可以看出，超聲預處理對淀粉顆粒形貌無影響，大部分表面光滑，多數呈現類圓形、長卵形、三角狀卵形，大小不均勻。由表5可知，超聲預處理使淀粉的粒徑變小。可能的原因是超聲波對顆粒產生的切削作用，使淀粉顆粒破碎，導致超聲預處理后的淀粉顆粒平均粒徑減?。?4］。

2.4.3所制珊瑚姜淀粉的結晶結構采用兩種提取工藝制備的珊瑚姜淀粉的X射線衍射儀測定結果見圖8。

圖8　兩種提取方法制備的珊瑚姜淀粉的X-射線衍射圖Fig.8　X-ray diffraction patterns of coral ginger starches made by two extraction methods

由圖8可知，超聲預處理未對淀粉的結晶結構產生影響，兩種方法所制淀粉的X射線衍射圖形基本一致，均在2θ為5°附近有弱吸收峰，在2θ為15°和22°～23°附近有中等強峰，在2θ為17°附近有強吸收峰；具有相同的結晶結構，均為B型［15］。

3　結論

3.1普通堿提取方法的最佳工藝條件為：堿液pH10、料液比1∶9g/mL、浸泡溫度35℃、浸泡時間3h，在此條件下所制珊瑚姜淀粉的提取率為45.37%、純度為85.12%、平均粒徑為23.06μm。

3.2超聲預處理-堿提取方法的最佳工藝條件為：超聲功率600W、超聲時間100s、堿液pH10、料液比1∶12g/mL、浸泡溫度30℃、浸泡時間2.5h，在此條件下所制珊瑚姜淀粉的提取率為61.54%、純度為86.51%、平均粒徑為20.20μm。

3.3超聲預處理對珊瑚姜淀粉的堿提取工藝及特征影響為：增加了堿液用量、降低了浸泡溫度、縮短了浸泡時間，提高了淀粉的提取率及純度，減小了淀粉的粒徑；但未改變淀粉的顆粒形貌和結晶結構，仍呈類圓形、長卵形、三角狀卵形和B型結晶結構。而超聲預處理對所制淀粉的其他性質將產生怎樣的影響有待進一步研究。

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Effect of ultrasonic pretreatment on alkali extraction process and characteristics of coral ginger starches

QI Hai-ling1，YIN Zhong-yi2，GU Ya-jing1，ZHENG Xu-xu1，2，*
（1.School of Environmental and Biological Engineering，Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067，China；2.Chongqing Key Lab of Catalysis&Functional Organic Molecules，Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067，China）

The effect of ultrasonic pretreatment on alkali extraction process conditions of coral ginger starches and their components，particle shape and crystal structure were studied with coral ginger residue as the raw material and extraction rate of starches as the selection standard.The results showed that the optimal process conditions of ordinary alkali extraction were that the pH of alkali liquor was 10，the ratio of material to liquid was 1∶9g/mL，the immersion temperature was 35℃and the immersion time was 3h，and under these conditions the extraction rate，purity and average particle size of coral ginger starches were 45.37%，85.12%and 23.06μm respectively.The optimal process conditions of alkali extraction after using ultrasonic pretreatment（the ultrasonic power was 600W，the ultrasonic time was 100s）were that the pH value of alkali liquor was 10，the ratio of material to liquid was 1∶12g/mL，the immersion temperature was 30℃and the immersion time was 2.5h，and in these conditions the extraction rate，purity and average particle size of coral ginger starches were 61.54%，86.51%and 20.20μm respectively.Ultrasonic pretreatment had made the process conditions of alkali extraction to be improved，the extraction rate and purity of starches to be increased，the average particle size of starches to be decreased，but the particles morphology and crystal structure of coral ginger starches to be not changed，they were still round，long ovate，triangular ovate and type B crystal structure.

coral ginger；starch；ultrasonic pretreatment；alkali extraction；characteristics

TS235.9

B

1002-0306（2015）12-0244-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.12.043

2014－08－26

齊海伶（1988-），女，碩士研究生，主要從事環境生物工程方面的研究。

鄭旭煦（1964-），女，博士，教授，主要從事生物質資源技術與天然藥物方面的研究。

重慶市百名學術學科領軍人才培養計劃（渝教人［2011］60號）。