響應面法優(yōu)化羅漢參淀粉提取工藝研究

張玉，史亞萍，李響，劉昌衡，賈愛榮，袁福君，張綿松，*

（1.齊魯工業(yè)大學（山東省科學院），山東省科學院生物研究所，山東濟南250103；2.單縣天祥羅漢參專業(yè)合作社，山東菏澤274300）

羅漢參，屬于豆科蔓性植物，又名香芋、菜用土欒兒[1]、土圞兒、土欒兒[2]，是菏澤市“單縣三寶”之一，性喜光喜熱，不耐干旱和水澇，不耐低溫、高溫和強光，國內目前僅有山東、江蘇、云南、貴州等少數(shù)地區(qū)種植[1]，是國家稀有名貴作物，有悠久的歷史，并且具有很好的經濟效益。

羅漢參營養(yǎng)成分較全面，是一種理想的食品。羅漢參中含有豐富的蛋白質、氨基酸、碳水化合物、礦物質[3]。山東農業(yè)大學實驗室對羅漢參的成分進行了測定，得出羅漢參干物質中淀粉含量38.2%，粗蛋白17.3%，粗纖維15.2%，還原糖4.2%，K元素1.5%，富含人體需要的17種氨基酸和微量元素VC、VB1、VB2等多種營養(yǎng)物質[4]。另外，《中藥大辭典》中對羅漢參（土圞兒）的記載為：“根含淀粉、生物堿。藥性甘，微苦，平。主治功能為：清熱解毒，化痰止咳。主治百日咳，感冒咳嗽，咽喉腫痛；外用治毒蛇咬傷，瘡瘍中毒。”《貴州民間藥物》中的記載是“散積、理氣、補脾。”《全國中草藥匯編》中記載為“清熱解毒，化痰止咳。主治百日咳，感冒咳嗽，咽喉腫痛。”因此，羅漢參是一種很有開發(fā)價值的經濟作物。

馬鈴薯、芋頭等薯類淀粉的含量比較高，是國內淀粉的主要來源。但是羅漢參淀粉中抗性淀粉的含量較高，具有獨特的理化性質和保健功能。劉彬、韓文婷等從羅漢參的降糖、通便[5]和抗性淀粉含量等方面展開了研究，取得了一定的成果，研究發(fā)現(xiàn)生羅漢參中抗性淀粉的含量為（77.31±4.22）%，熟羅漢參中的抗性淀粉為（24.70±2.24）%，明顯高于土豆、芋頭、地瓜等作物中的抗性淀粉含量[6]，已經發(fā)現(xiàn)羅漢參對糖尿病小鼠具有降糖的作用，且血糖生成指數(shù)（glycemic index，GI）低，長期食用可治療糖尿病[7]。羅漢參中抗性淀粉含量比較多，是一種具有較好開發(fā)應用前景的保健資源，但是羅漢參受種植范圍的影響，近幾年國內對其淀粉提取工藝過程報道很少。本研究優(yōu)化了羅漢參淀粉的提取工藝，研究其理化性質，為羅漢參淀粉的產品的開發(fā)提供理論支持。

1 材料與儀器

1.1 材料

羅漢參：單縣天祥羅漢參專業(yè)合作社種植。

鹽酸、葡萄糖、氫氧化鈉、乙醇、甲醇、硫酸、苯酚、可溶性淀粉：均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司；牛血清蛋白：濟南朋遠生物技術有限公司；考馬斯亮藍G-250：Klontech公司。

1.2 儀器

NPCa-02氮磷鈣凱式定氮儀、KDN-04消化爐：上海洪紀儀器設備有限公司；TU-1810紫外可見分光光度計：北京普析通用儀器有限責任公司；NDJ-4型旋轉式粘度計：上海越平科學儀器有限公司；SHB-III型真空抽濾裝置：鄭州長城科工貿有限公司；78-1型磁力加熱攪拌器：浙江樂清樂成電器廠；JJ-1型電動攪拌裝置：江蘇省金壇市金城國勝實驗儀器廠；DK-S24電熱恒溫浴鍋：上海精密科學儀器有限公司；DHG-9070A型電熱恒溫鼓風干燥箱：上海精宏實驗設備有限公司；CR22GIII高速冷凍離心機：日本日立公司；KSW型馬弗爐：北京市永光明醫(yī)療儀器廠；FE20型pH計、FE30型電導率儀：梅特勒-托利多國際貿易（上海）有限公司；KQ-400KDE型高功率數(shù)控超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司。

2 方法

2.1 羅漢參淀粉的提取工藝路線

稱取羅漢參→清洗→去皮切絲→膠體磨磨漿→過濾→調pH值→靜置2 h→離心→堿洗→水洗→離心→烘干

2.2 羅漢參粗淀粉得率的計算

2.3 羅漢參粗淀粉提取工藝優(yōu)化

2.3.1 單因素試驗

取等份的去皮切碎的羅漢參，分別考察不同液料比[3 ∶1、5 ∶1、7 ∶1、9 ∶1（L/kg）]、磨漿時間（5、15、25、35 min）、浸泡 pH 值（3、5、7、9）進行單因素試驗，以羅漢參粗淀粉得率為主要考察指標，確定各因素的最優(yōu)水平。

2.3.2 響應面試驗設計

在單因素試驗結果的基礎上，根據(jù)Box-Behnken響應面設計原理[8]，選取液料比（X1）、磨漿時間（X2）和浸泡pH值（X3）這3個因素，采用三因素三水平的Box-Behnken法進行試驗設計，試驗自變量因素及水平編碼見表1。

表1 Box-Behnken方案設計的因素及水平編碼Table 1 Coded values of corresponding actual values of independent variables in response surface design

2.4 羅漢參粗淀粉的基本理化指標測定

水分含量測定：GB 5009.3-2016《食品安全國家標準食品中水分的測定》。

淀粉的測定：GB 5009.9-2016《食品安全國家標準食品中淀粉的測定》。

脂肪含量的測定：GB 5009.6－2016《食品安全國家標準食品中脂肪的測定》。

蛋白含量測定：GB 5009.5－2010《食品安全國家標準食品中蛋白質的測定》。

還原糖含量的測定：3，5－二硝基水楊酸比色法[9]。

淀粉的黏度性質的測定：GB/T 22427.7－2008《淀粉粘度測定》。

電導率的測定：GB/T 8884－2007《馬鈴薯淀粉》。

2.5 數(shù)據(jù)分析

3 結果與分析

3.1 單因素試驗結果

3.1.1 液料比對羅漢參粗淀粉得率的影響

液料比對羅漢參粗淀粉得率的影響見圖1。

圖1 不同液料比對羅漢參淀粉得率的影響Fig.1 Effect of different liquid-solid ratio on the yield of Luohanshen starch

由圖1可以看出，隨著液料比的增加，淀粉得率漸漸升高，在液料比為7∶1（L/kg）時羅漢參淀粉的得率達到最大，之后開始下降，可能的原因加水量增加有利于淀粉在研磨過程中分散出來，然而增加到一定程度，在物料濃度過稀和膠體磨的定、轉齒之間的間隙一定的情況下，剪切力、摩擦力有所減弱，物料細度的降低不利于淀粉的分離。

3.1.2 磨漿時間對羅漢參粗淀粉得率的影響

磨漿時間對羅漢參粗淀粉得率的影響見圖2。

由圖2可知，在磨漿過程中，不同的磨漿時間對淀粉得率的影響不同，隨著磨漿時間的延長，由于對羅漢參組織的攪碎程度不同，淀粉與各種蛋白質、纖維素的分散程度不同，由圖2可知，從5 min～15 min時間段，淀粉得率呈現(xiàn)上升趨勢，在15 min～25 min時間段，得率下降，但25 min后下降幅度有所緩慢；可能的原因在于過度的磨漿將會對淀粉有一定的破壞[10]。

圖2 磨漿時間對羅漢參粗淀粉得率的影響Fig.2 Effect of different grinding time on the yield of Luohanshen starch

3.1.3 pH值對羅漢參粗淀粉得率的影響

pH值對羅漢參粗淀粉得率的影響見圖3。

圖3 不同溶液的pH值對粗淀粉得率的影響Fig.3 The influence of different pH value on the yield of Luohanshen crude starch

由圖3可知，羅漢參淀粉的得率提高到了17%左右，pH值在7～9之間有一個明顯的上升，在pH=9時達到最高，當pH值繼續(xù)升高時，粗淀粉得率下降，可能的原因是羅漢參在pH=8～9時蛋白質的可溶性比較好，蛋白質與淀粉的分離效果最明顯[11]。

3.2 響應面試驗結果與分析

3.2.1 數(shù)學模型的建立

采用Design Expert8.0軟件對粗淀粉得率響應值進行回歸擬合，建立二次回歸模型，得回歸方程：Y=19.10+0.32X1+0.37X2－1.59X3－0.79X1X2－0.35X1X3+0.38X2X3－1.08X12－2.67X22－0.81X32（3－1）

對上述方程進行方差分析（見表2），R2=0.994 8，說明試驗擬合程度良好，失擬項的P值為0.296，說明模型失擬項不顯著，校正系數(shù)Radj2=0.988 1，說明此模型能說明試驗中98.81%的響應值的變化，可用來分析羅漢參粗淀粉的得率。此外，液料比X1、磨漿時間X2、pH值X3對羅漢參粗淀粉的得率有極顯著影響；交互作用項X1X2、X12和X22、X32均對羅漢參粗淀粉的得率有極顯著影響；其他變量的影響均顯著。依據(jù)回歸方程系數(shù)，影響羅漢參粗淀粉的得率因素的順序為X3（pH值）>X2（磨漿時間）>X1（液料比）。

表2 方差分析表Table 2 Analysis of variance table

3.2.2 兩因素間的交互效應分析[12]

根據(jù)表2，可知X1X2、X1X3對粗淀粉得率的影響顯著，而X2X3的影響極顯著，回歸方程作出響應面分析圖（見圖 4）：粗淀粉得率隨 X1X2、X1X3、X2X3的改變而改變，呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，從響應面的最高點即該模型存在穩(wěn)定點，且穩(wěn)定點就是最大值。

2005年，正值湖南省首次公開招錄法官和檢察官，畢業(yè)于湖南省司法學校的李凌參加湖南省雙峰縣人民檢察院的招聘考試，并最終如愿以償。

3.2.3 最優(yōu)值預測及方法驗證

圖4 兩因素交互影響粗淀粉得率的響應面圖Fig.4 Response surfaces of the pairwise interactive effects on the yield of Luohanshen crude starch

軟件解析得出羅漢參淀粉的最佳提取條件為：液料比為 7.9 ∶1（L/kg），磨漿時間為 15.5 min，提取液 pH值為8.2，在此條件下，羅漢參粗淀粉的得率理論值22.1%。考慮到實際操作的方便性和優(yōu)化結果的準確性，將提取條件更改為液料比為8∶1（L/kg），磨漿時間為15 min，提取液pH值為8，3次重復試驗測出羅漢參粗淀粉的得率為21.5%，與理論值相比，相對誤差為0.6%。

本試驗得到的羅漢參粗淀粉的最佳提取工藝，羅漢參粗淀粉的得率為21.5%。據(jù)相關文獻報道，淀粉的提取方法主要有機器分離法、酶法、酸漿法等[13]。機械分離法耗能高、工藝復雜；酶法污染小、但酶解時間長、成本高；酸漿法易受原料和氣候的影響、用水量大、工業(yè)化生產受限[14]。本試驗采用水提法減少了試驗過程中羅漢參淀粉的損失，且本試驗優(yōu)化的工藝不僅僅條件溫和，成本低，易于操作。

3.3 羅漢參粗淀粉的理化性質

羅漢參粗淀粉的pH值約為6.0，電導率為186 μs/cm，其糊化溫度為90℃，水分含量、蛋白質含量、灰分、pH值及電導率值均已經達到馬鈴薯淀粉的國家標準，其成分測定結果見表3。

4 結語

本試驗通過水提法提取羅漢參淀粉，利用單因素試驗和RSM響應面法設計羅漢參淀粉的最佳提取條件，構建粗淀粉得率與液料比、磨漿時間和提取液pH值三者之間的數(shù)學模型，確定了羅漢參淀粉的最佳提取工藝：液料比為 8 ∶1（L/kg），磨漿時間為 15 min，提取液pH值為8，經3次平行試驗，得到羅漢參粗淀粉的得率為21.5%，可以預見該回歸模型具有很好的預測性。本研究進一步對所得到的羅漢參淀粉進行理化性質分析：其水分含量為5.77%、蛋白質含量為0.04%、灰分為0.44%、淀粉含量為88.5%、脂肪含量為0.2%，pH值為6.0、電導率為18 μs/cm、糊化溫度90℃，部分指標優(yōu)于馬鈴薯淀粉國家標準。因此，本試驗結果對羅漢參粗淀粉的進一步研究和深度開發(fā)具有一定的實踐意義。

表3 羅漢參淀粉的理化指標Table 3 The physical and chemical properties in the Luohanshen starch