高州粉葛淀粉提取及性质测定

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(广东石油化工学院化学与生命科学学院,广东茂名 525000)

高州粉葛淀粉提取及性质测定

张钟,陈媛,张玲,姜翠翠,林志荣

(广东石油化工学院化学与生命科学学院,广东茂名 525000)

以高州粉葛为原料,采用碱法提取淀粉。在单因素实验的基础上,通过对粉葛淀粉提取的条件进行三因素(料液比、浸泡时间、pH)三水平的响应面实验设计,以淀粉提取率作为响应面值,通过Design Expert软件进行响应面优化。并对提取的淀粉进行了淀粉透明度、凝沉性、冻融稳定性、粘度等物化性质测定。实验结果表明:淀粉提取的工艺参数为:料液比1∶4.5,浸泡时间2.0h,浸泡pH10.2。在最佳工艺条件下,粉葛淀粉提取率达83.66%。在所提取粉葛淀粉中,直链淀粉含量为23.8%,糊透明度、冻融稳定性较高,易凝沉,属于高膨胀型淀粉,6%淀粉糊在95℃时的粘度为1500mpa·s。

粉葛,淀粉,提取,性质

粉葛为豆科植物甘葛藤的干燥根,主产于广西、广东等地。是一种药食两用植物。具有解肌退热,生津,透疹,升阳止泻。用于外感发热头痛、项背强痛,口渴,麻疹不透,热痢,泄泻,高血压颈项强痛。不仅对冠心病、心绞痛、肠癌等具有明显的疗效,还可促进人脑的血液循环、增强记忆、降低血脂、减肥健美等功效。淀粉是粉葛的主要成分,新鲜的粉葛中含淀粉约20%～35%。从粉葛中提取的粉葛淀粉,其营养丰富,含大量维生素、多糖和Ca、Zn等元素,是营养独特、药食兼优的绿色保健食品[1]。

粉葛与葛根不仅植物来源不同,在形态、成分组成和含量上也有差异。由于粉葛资源丰富、价格低廉、无毒副作用,可以为药品也可以为食品,粉葛的开发前景将会更加广阔。粉葛淀粉的研究方面,陈欣[2]研究了粉葛中葛根素、淀粉、纤维素和微量元素含量；宋志刚等[3]研究了粉葛淀粉的理化特性；周红英[4]对淀粉的组分,淀粉粒的形态,结晶特性,糊化特征,热特性以及老化特性等进行了研究。对粉葛淀粉的提取及性质的系统研究相对较少,高州粉葛是广东粉葛的一种,产量高,品质好,淀粉含量高,因此,本文以高州粉葛为原料,用碱浸泡法提取其中的淀粉,通过单因素实验和响应面分析法相结合的方法对其工艺参数进行优化,并对粉葛淀粉的理化性质作分析,为粉葛淀粉的工业化生产利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

新鲜的高州粉葛、氢氧化钠、石油醚(沸程60～90℃)、盐酸、乙醇、正己烷、直链淀粉、碘、碘化钾,均为分析纯。

722S可见分光光度计 上海精密科学仪器有限公司；RE-52AA旋转蒸发器 上海雅荣生化仪器设备有限公司；TD5B台式离心机 长沙英泰仪器有限公司；NDJ-5S数显粘度计 苏州江东精密仪器有限公司。

1.2实验方法

1.2.1 高州粉葛淀粉提取 先把新鲜高州粉葛刨碎,然后加入到粉碎机中粉碎2min,过20目,称取20g经预处理的粉葛,在一定的pH的NaOH溶液中浸泡一定的时间后,浆液经抽滤去渣,滤液再在离心机中以3000r/min的速度离心15min,用清水洗涤,重复三次后,倒掉上层清水,将下层沉淀物置于55℃的恒温干燥箱中干燥至恒重(变化小于2mg),得粉葛淀粉[5]。

1.2.2 粉葛淀粉提取工艺优化

1.2.2.1 浸泡料液比的选择 称取20g经预处理的粉葛淀粉,浆液在pH为8.0的NaOH溶液中浸泡2h,此时,使料液比分别为1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6,然后抽滤、水洗、离心、干燥,最后根据淀粉的提取率得出最佳的料液比。

1.2.2.2 浸泡时间的选择 称取20g经预处理的粉葛淀粉,浆液在pH为8.0的NaOH溶液中分别浸泡1、2、3、4、5h,料液比由上实验确定,然后抽滤、水洗、离心、干燥,最后根据淀粉的提取率得出最佳的料液比。

1.2.2.3 浸泡pH的选择 称取20g经预处理的粉葛淀粉,浆液在pH分别为6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0的NaOH溶液中浸泡,时间和料液比由上实验确定,然后抽滤、水洗、离心、干燥,最后根据淀粉的提取率得出最佳的pH。

1.2.2.4 响应面实验设计 根据单因素实验分析,确定提取条件的范围,通过响应面实验得出最佳的提取条件。

表1 响应面实验因素水平表Table 1 Factors and levels of response surface design

1.2.3 淀粉含量测定 采用蒽酮比色法。

1.2.4 高州粉葛淀粉性质测定

1.2.4.1 淀粉透明度测定 分别准确称取2.00g粉葛淀粉,加入200mL蒸馏水,配成1%(w/w)的淀粉乳,将试管置沸水浴中加热20min(其间每隔5min充分振荡试管一次),使之充分糊化。在糊化过程中要加入蒸馏水保持到原有体积,再冷至室温。以蒸馏水为空白,用722S型可见分光光度计在620nm波长下测定淀粉糊的透光率,以透光率的值表示淀粉糊的透明度。平行测定3次,取平均值[6]。

1.2.4.2 凝沉性测定 准确称取1.00g粉葛淀粉,加入100mL蒸馏水,配成质量分数为1%(w/w)的淀粉乳,于沸水浴中加热糊化20min,然后冷却至室温。取50mL淀粉糊移入50mL量筒中,静置24h,每隔一定时间记录上层清液体积,计算每隔一定时间上层清液所占管内淀粉悬液总体积的百分比,以此评价淀粉糊的凝沉特性[7]。

1.2.4.3 膨胀能力测定 精确称取2.00g粉葛淀粉,加入100mL蒸馏水配成质量分数为2.0%(w/w)的淀粉悬浮液,在不同温度(65、70、75、80、85、90、95℃)下加热搅拌30min,在3000r/min下离心20min,取上清液在旋转蒸发器上浓缩,再于恒温干燥箱烘至恒重,称重,称重得被溶解淀粉量A,计算其溶解度。取离心后沉淀物,于恒温干燥箱烘至恒重,称重。膨胀能力按下式计算[8]:

式中:A为上清液蒸干恒重后的重量/g；W为绝干粉葛淀粉的重量/g；P为离心后沉淀物重量/g,干基计。

1.2.4.4 淀粉粘度测定 取4.00g淀粉加入100mL蒸馏水,充分搅拌防止凝沉,在95℃搅拌条件下水浴10min,使其充分糊化,室温下自然冷却,制成淀粉糊。用粘度计测定其粘度,转速12r/min,转子选用2号[9]。

1.2.4.5 直链淀粉含量测定 直链淀粉含量测定参考GB/T15683-2008的方法[10]。

1.2.4.6 冻融稳定性测定 准确称取6.00g粉葛淀粉,加入100mL蒸馏水,配成6%(w/w)的淀粉乳,在90℃水浴中搅拌糊化20min,冷却至室温后取10mL倒入塑料离心管中,加盖置于-16～-20℃冰箱贮藏24h,取出室温下自然解冻。重复上述步骤5次后,在3000r/min条件下离心15min,弃去上清液,称取沉淀物质量,计算析水率。析水率越小,样品的冻融稳定性越好[11]。计算式如下:

2 结果与分析

2.1料液比对粉葛淀粉提取率的影响

由图1可知,当料液比在1∶4时最适宜。加水太少,不利于淀粉分子的释放,淀粉提取率偏低,加水过多,对提取率影响不大,因此,较适宜的料液比为1∶4。

图1 料液比对粉葛淀粉提取率的影响Fig.1 Effect of liquid-solid ratio on extraction yield of kudzu starch

2.2浸泡时间对粉葛淀粉提取率的影响

由图2可以看出,浸泡时间是2h时,粉葛淀粉提取率达到最高,2h后淀粉得率保持平稳,延长浸泡时间对提取率影响不大,因此,浸泡时间确定为2h。

图2 浸泡时间对提取率的影响Fig.2 Effect of soaking time on extraction yield of kudzu starch

2.3浸泡液pH对粉葛淀粉提取率的影响

由图3可以看出,随着pH的升高,淀粉的提取率越来越高,pH为10时达到最高,随后迅速降低。pH较低,蛋白质与淀粉分离不完全,降低淀粉的提取率。随着溶液pH的增加,淀粉提取率也呈上升趋势。当pH大于10时淀粉提取率下降,因为较高的pH环境有可能使淀粉颗粒发生糊化作用,不利于淀粉和蛋白的分离[12]。因此,较适宜的pH为10。

图3 浸泡液pH对粉葛淀粉提取率的影响Fig.3 Effect of pH on extraction yield of kudzu starch

2.4响应面实验结果分析

2.4.1 响应面实验设计与结果2.4.2 回归方程的方差分析 RSM实验采用二次旋转设计得到15个组合实验点,测定每次实验中的结果获得相应的响应面值见表3。将表3响应面值输入计算机,经RSM回归拟合后,得到对X1、X2、X3的回归方程:

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软件对该多元回归方程进行方差分析,分析结果见表3、表4。

从表3和表4可看出,二次回归模型的F值为5.16、p值0.0427<0.05,而失拟项的F值为3.32、p值0.2403>0.05,相关系数为0.9028,说明该模型具有高度的显著性,能够很好地描述各因素与响应值之间的真实关系,拟和结果好。一次项、二次项、交互项p值均大于0.1000,因此交互作用对提取率影响不显著。

表2 响应面实验设计与结果Table 2 Design and result of response surface experiment

表3 回归方程的方差分析Table 3 Variance analysis result

注:“**”为极显著(p<0.01),“*”为显著(p<0.05)。

表4 回归系数取值及分析结果Table 4 Analysis result of regression

2.4.3 交互影响 为了观察某两个因素同时对淀粉提取率的影响,对表3的数据进行降维分析,观察在其它因素条件固定不变的情况下,某两因素对淀粉提取率的影响,经Design Expert分析,在分别固定pH、浸泡时间和料液比条件下,所得的料液比和浸泡时间交互作用、料液比和pH交互作用和pH和浸泡时间交互作用的响应面及其等高线图见图4～图6。

图4 料液比和浸泡时间交互作用对提取率的影响Fig.4 Effect of interaction between liquid-solid ratio and soaking time on extraction yield

图5 料液比和pH交互作用对提取率的影响Fig.5 Effect of interaction between liquid-solid ratio and pH on extraction yield

图6 pH和浸泡时间交互作用对提取率的影响Fig.6 Effect of interaction between soaking time and pH on extraction yield

响应曲面图是响应值在各实验因子交互作用下得到的,构成一个三维空间曲面。从图4～图6可以看出,3个因素的交互作用对响应值的影响情况,等高线图越陡峭,表示因素的效应越大。同时,可以看出各交互因素的最佳作用点基本都落在实验范围之内,经Design Expert软件优化后的各因素最佳实验组合为:料液比1∶4.5,浸泡时间2.0h,浸泡剂pH为10.2。在最佳实验组合条件下,粉葛淀粉提取率的预测值为84.54%。为了验证该工艺条件,进行了最佳条件的验证实验,经三次重复结果提取率达到83.66%。

2.5淀粉性质的测定结果分析

2.5.1 透明度 透光率越大则透明度越高[13]。而实验测得粉葛淀粉的透光率为22.4%。直链淀粉含量直接影响到淀粉糊的透明度[6]。

2.5.2 凝沉性 凝沉主要由于是直链淀粉分子间的结合形成较大的束状结构,当质量增大到一定程度时,就形成了凝沉。

由图7可知,随着静置时间的延长,淀粉糊析出上层清液越多,粉葛淀粉糊的凝沉值逐渐增大,到36h时基本达到稳定。放置过程中有大量的清液析出,表明粉葛淀粉糊不稳定,易凝沉。由于粉葛淀粉的直链淀粉含量高,直链淀粉分子空间阻力小,柔顺性好,易形成氢键结晶,生成大的强的结晶,凝沉性好。但直链淀粉含量不是唯一原因,淀粉分子大小、淀粉聚合度的差异也是影响凝沉的重要原因[4]。

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

2.5.3 溶解度和膨胀能力 图8、图9结果表明,粉葛淀粉随加热温度上升,膨胀度上升,同时淀粉的溶解度也增加。粉葛淀粉在低温65℃时已有较快的膨胀,而在高温85℃时膨胀度已达到97%,为高膨胀型淀粉。

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

图9 粉葛淀粉的膨胀度Fig.9 Degree of swelling of Kudzu starch

2.5.4 淀粉粘度 6%粉葛淀粉在95℃时的粘度为1500mpa·s,直链淀粉含量高的糊化后粘度低,但色泽明亮。

2.5.5 淀粉含量和淀粉中直链淀粉含量 淀粉的含量23.8%(W/W,干淀粉/新鲜根茎),粉葛淀粉中直链淀粉含量为35.9%,从此数据可以知道直链淀粉比例较高。直链淀粉构成比例越大,凝沉性越大,糊透明度越高、粘度越低,这和粉葛淀粉含量高的结果是一致的。

2.5.6 冻融稳定性 冻融稳定性反映了淀粉糊对低温的对抗性,这一特性是制作冷冻类食品时所必需考虑的。本实验测得6%的淀粉糊经两次冻融循环后的淀粉糊的析水率为33%,淀粉糊经过2次的冻融后才有水析出,且析水率低,表明其冻融稳定性较好。从淀粉糊凝胶的成型情况看,粉葛淀粉糊凝胶较硬。

3 结论

粉葛淀粉最佳的提取工艺参数为:料液比为1∶4.5,浸泡时间为2.0h,浸泡剂pH为10.2,在最佳工艺条件下,粉葛淀粉提取率为83.66%。

测得高州粉葛中淀粉的含量为23.8%,其中直链淀粉含量为35.9%,糊透明度较高,易凝沉,冻融稳定性较好,有较高的溶解度和膨胀能力,属于高膨胀型淀粉,6%淀粉糊在95℃时的粘度为1500mpa·s。

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[3]宋志刚,王建华,王汉忠,等. 粉葛淀粉的理化特性[J].应用化学,2006,23(9):974-977.

[4]周红英. 野葛与甘葛藤化学成分及淀粉理化特性和光合特性的研究[D].山东农业大学,2008.

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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

张钟(1962-)，男，教授，研究方向：农产品贮藏与加工。

广东省高等学校人才引进项目(201192)；广东石油化工学院人才引进项目(2010r2)

TS232

B

1002-0306(2014)17-0000-00

10.13386/j.issn1002-0306.2014.17.001