超聲波輔助堿法提取雞爪谷淀粉及其結構表征

吳修利*，張健雯，司美雙，包尕紅

長春大學食品科學與工程學院（長春 130022）

雞爪谷，屬粟米的一種，又名龍爪稷、穇子、龍爪粟、鴨爪稗等[1]。作為西藏一種特有農作物，當地少數民族多以雞爪谷為食或用其釀酒。雞爪谷營養豐富，素有“黑珍珠”的美譽，具有抗氧化、抗衰老、抗癌、預防糖尿病、保護心臟和抗高血脂等生理功能[2-5]。據醫書記載雞爪谷有補中益氣的功效，主治腸胃疾病。

目前對雞爪谷的研究主要在種植和植物病理學方面[6-7]，相關產品開發還集中在食用或釀酒、制粉等傳統食品領域[8-9]，而由于雞爪谷含有難以去除的種皮，粉碎后口感粗糙而大大限制產品的研發。盧紹闖等[10]以當地龍爪粟為原料，通過酶法工藝，研究了龍爪粟淀粉的提取條件及其理化特性，在最佳工藝條件下淀粉提取率為76.41%。但酶解工藝存在時間長、成本高等缺點，此次試驗以西藏雞爪谷為研究對象，采用超聲波輔助堿法工藝提取雞爪谷淀粉，超聲波場致效應能較好促進淀粉與纖維素、蛋白質的分離，弱堿水浸泡可起到破壞細胞結構的目的，二者結合提取淀粉具有提取效率高、操作簡便、時間短等優點，可實現蛋白質和淀粉的有效分離。通過對淀粉的特性和結構進行分析和表征，旨在為雞爪谷在食品加工和深加工研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

雞爪谷，產自西藏察隅；氫氧化鈉、95%乙醇，分析純，北京化工廠。

LDP-750A型高速多功能搖擺粉碎機（浙江永康市紅太陽機電有限公司）；KQ5200DE型數控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；TDL-50b低速離心機（上海安亭科學儀器廠）；VISCOGRAPH-E型布拉班德黏度儀（德國美最時公司）；NICOLETIS 5型傅里葉紅外儀（賽默飛世爾科技有限公司）；JSM-6510LA型掃描電子顯微鏡（日本島津公司）；D2 PHASER型X-射線衍射儀（德國布魯克AXS公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 工藝路線

雞爪谷顆粒→粉碎→過180 μm篩→堿液浸泡→超聲處理→離心沉淀→水洗→醇洗→抽濾→干燥→過150 μm篩→雞爪谷粗淀粉（凱氏定氮法測蛋白含量2.875%）

雞爪谷粗淀粉→水洗→離心沉淀→刮取上層深色部分（重復3次）→醇洗→抽濾→干燥→過150 μm篩→雞爪谷精淀粉

1.2.2 單因素試驗設計

探究不同pH（7.0，8.0，9.0，10.0和11.0）、料液比（1∶3，1∶4，1∶5，1∶6和1∶7 g/mL）、超聲時間（30，40，50，60和70 min）、超聲功率（120，140，160，180和200 W）對雞爪谷淀粉得率的影響。

1.2.3 正交試驗設計

在單因素試驗基礎上，選取pH（A）、料液比（B）、超聲時間（C）、超聲功率（D）設計四因素三水平正交試驗，以雞爪谷淀粉得率作為考察指標，確定雞爪谷淀粉最佳提取工藝條件。

1.2.4 雞爪谷淀粉布拉班德黏度測定

配制100 mL 6%的淀粉乳，置于黏度儀測量杯中，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，黏度單位為BU。

1.2.5 雞爪谷淀粉結構分析

采用精淀粉進行結構分析，樣品測試前，在50 ℃烘干至恒重。

紅外光譜分析：采用KBr壓片法測定淀粉的紅外光譜，測量范圍4 000～400 cm-1，掃描次數32次，分辨率4 cm-1。

X-射線衍射分析：采用X射線衍射儀對淀粉的晶體結構進行分析。采用Cu-Kα射線，電壓40 kV，掃描范圍10°～40°，步長0.02°，掃描速率8°/min。

掃描電鏡分析：采用掃描電鏡觀測淀粉顆粒的微觀形態。少量樣品用導電膠固定在樣品臺上，真空條件下進行鍍金處理后，在20 kV測試電壓下觀察樣品微觀形態。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗分析

2.1.1 pH對雞爪谷淀粉得率的影響

固定料液比1∶4（g/mL）、超聲時間60 min、超聲功率200 W，考察不同pH對雞爪谷淀粉得率的影響。由圖1可以看出：隨pH增加，雞爪谷淀粉得率呈現先增加后減少的趨勢，在pH 9.0時，淀粉得率達到最大。淀粉顆粒表面或內部存在一定結合緊密的蛋白質，一定濃度堿液有利于蛋白質的增溶，促進淀粉和蛋白質分離，提高淀粉的得率。蔡沙等[11]在研究超聲波輔助堿法提取大米淀粉考察蛋白質殘留率時也發現類似現象，氫氧化鈉質量分數低時不能使蛋白質充分溶解，而高質量分數氫氧化鈉又會導致淀粉出現糊化現象，反而不利于淀粉與蛋白質分離，兩者均會限制淀粉的提取效率，對淀粉品質造成不利影響。

圖1 pH對雞爪谷淀粉提取率的影響

2.1.2 料液比對雞爪谷淀粉得率的影響

固定pH 9.0、超聲時間60 min、超聲功率200 W，考察不同料液比對雞爪谷淀粉得率的影響，結果如圖2所示。當料液比為1∶4（g/mL）時，淀粉得率達到最大。這是因為隨提取液體積增大，雞爪谷粉與提取液充分接觸，接觸面積增大，有利于淀粉提取。但當液料比增加到一定程度時，單位體積內提取液中的超聲能量密度降低，淀粉提取率反而減少[12]。綜合考慮，料液比選擇1∶4（g/mL）。

圖2 料液比對雞爪谷淀粉得率的影響

2.1.3 超聲時間對雞爪谷淀粉得率的影響

固定pH 9.0、料液比1∶4（g/mL）、超聲功率200 W，探究不同超聲時間對雞爪谷淀粉得率的影響，結果如圖3所示。超聲波作為一種能量波，能夠破碎植物細胞壁而利于淀粉的釋放。隨超聲時間延長，淀粉得率逐漸提高，在50 min時，得率最高達到72.20%；但超聲時間過長，由于超聲波機械性斷鍵作用增強，淀粉分子中共價鍵斷裂，引起淀粉降解，導致得率下降[13]。

圖3 超聲時間對雞爪谷淀粉得率的影響

2.1.4 超聲功率對雞爪谷淀粉得率的影響

固定pH 9.0、料液比1∶4（g/mL）、超聲時間50 min，不同超聲功率對雞爪谷淀粉得率的影響如圖4所示。超聲功率低，細胞破碎不完全，不利于淀粉的浸出；但過高的超聲作用會產生劇烈的空化效應、熱效應和機械作用，導致淀粉發生降解，得率下降[14]。因此從試驗結果來看，超聲功率選擇160 W。

圖4 超聲功率對雞爪谷淀粉得率的影響

2.2 正交試驗

在單因素試驗基礎上，采取L9(34)正交設計進行試驗，試驗因素與水平見表1，正交試驗結果見表2。通過極差分析，影響雞爪谷淀粉得率因素主次順序為B＞D＞A＞C，即料液比＞超聲功率＞pH＞超聲時間。最優提取淀粉工藝條件為A2B2C3D3，即pH 9.0、料液比1∶4（g/mL）、超聲時間60 min、超聲功率180 W。在此工藝條件下進行驗證試驗，雞爪谷淀粉得率為75.56%。

表1 試驗分析因素與水平

表2 正交試驗結果

2.3 雞爪谷淀粉理化特性分析

2.3.1 布拉班德黏度測定

布拉班德曲線可連續完整記錄淀粉溶液整個糊化加熱升溫、熱保溫、降溫冷卻及冷糊保溫過程中黏度隨時間連續變化的規律[15]。由表3可知：雞爪谷淀粉的糊化溫度為73.4 ℃，介于馬鈴薯淀粉（66.8 ℃）和玉米淀粉（77.5 ℃）之間；峰值黏度為241 BU，與玉米淀粉（252 BU）接近，但遠低于馬鈴薯淀粉（1 464 BU）；雞爪谷淀粉的崩解值和回升值分別為 51 BU和169 BU，與玉米淀粉崩解值（43 BU）和回升值（153 BU）相近，說明雞爪谷淀粉糊液熱穩定性和冷穩定性均與玉米淀粉糊液性質相近。

表3 雞爪谷淀粉糊黏度曲線特征值

2.3.2 雞爪谷淀粉紅外光譜分析

1.3 觀察指標 將溫度探頭置入鼻咽部，連接HP監護儀持續監測患者鼻喉溫度作為機體中心溫度。記錄麻醉時、切皮時、手術開始后 30、60、90、120、150 和 180 min及手術結束時體溫;記錄輸液量、出血量、手術時間、完全蘇醒時間(定向力恢復、能正確回答問題、舉手、抬頭等)、術后寒戰和躁動發生情況等指標。

淀粉組成單位是α-D-脫水葡萄糖單元。由圖5可知：在3 400 cm-1位置出現一個寬而強的吸收峰，該峰源自淀粉分子中—OH的伸縮振動，2 934 cm-1歸屬于—CH2反對稱伸縮振動，2 365 cm-1峰為空氣中CO2的吸收峰，1 646 cm-1處典型吸收峰歸因于淀粉中殘存結合水的彎曲振動，位于1 458，1 421，1 367和1 341 cm-1出現較弱的吸收峰則為—CH2，—CH和C—O—H彎曲振動[16]，1 157 cm-1代表C—O—C的伸縮振動，1 082與1 023 cm-1分別歸屬于與仲醇和伯醇羥基相連的C—O的伸縮振動，929與766 cm-1分別為葡萄糖吡喃環的非對稱和對稱伸縮振動吸收峰[17]，577和529 cm-1則歸屬于淀粉中吡喃環骨架模式振動[18]。

圖5 雞爪谷淀粉紅外光譜圖

2.3.3 雞爪谷淀粉X-射線分析

天然淀粉結晶類型可分為V型、A型、B型和C型[19]。圖6為雞爪谷淀粉X-射線衍射圖。在2θ衍射角15°，17°，18°和23°附近有強衍射峰，其中17°和18°為相連的雙峰，在2θ衍射角20°附近有弱衍射峰，為直鏈淀粉與脂的無定形峰[20]。從結晶類型看，該峰型為典型的A型結晶圖譜，與玉米淀粉X-射線衍射圖一致，這種多晶體系衍射圖譜也較好說明雞爪谷淀粉顆粒是由結晶和非結晶兩部分組成，采用陳翠蘭等[21]方法計算雞爪谷淀粉的相對結晶度，為31.4%，而同樣方法測得的玉米、馬鈴薯、木薯淀粉相對結晶度分別為26.7%，18.4%和26.5%。

圖6 雞爪谷淀粉X-射線衍射圖譜

2.3.4 雞爪谷淀粉掃描電鏡分析

由圖7可知，雞爪谷淀粉顆粒表面光滑，形狀呈棱角分明的立體多邊形，顆粒表面具有多個平面和棱角，粒子尺寸較小，大小分布在3.78～17.67 μm之間，平均粒徑為7.13 μm。

圖7 雞爪谷淀粉掃描電鏡圖

普通玉米淀粉顆粒表面呈現多角形和圓形，粒徑范圍5～26 μm，平均粒徑13 μm，而馬鈴薯淀粉顆粒較大，表面呈橄欖型或卵形，粒徑范圍15～100 μm，平均粒徑49 μm[22]。

3 結論

采用超聲波輔助堿法提取雞爪谷淀粉并通過單因素試驗與正交試驗確定最佳提取工藝條件：pH 9.0、料液比1∶4（g/mL）、超聲時間60 min、超聲功率180 W。在此工藝條件下，雞爪谷淀粉得率為75.56%。雞爪谷淀粉顆粒呈立體多邊形，表面光滑，粒徑3.78～17.67 μm之間，平均粒徑為7.13 μm，屬于A型淀粉晶型。淀粉糊化溫度介于馬鈴薯淀粉和玉米淀粉之間，糊液熱穩定性和冷穩定性均與玉米淀粉糊液性質相近。紅外光譜圖與一般淀粉結構相一致，呈現出典型的脫水葡萄糖單元特征吸收峰。該試驗旨在為雞爪谷在食品加工和深加工研究提供理論依據。