高粱淀粉碱法提取和酶法纯化的研究

雷 晶，罗安梅，罗婷婷，路焕梁，崔 悦，高 菲，张洪微

（黑龙江八一农垦大学 食品学院，黑龙江 大庆 163319）

高粱是一种禾本科植物，其种植面积和产量仅次于小麦、玉米、水稻和大麦，是第五大谷物[1-2]。高粱营养丰富，淀粉在高粱颗粒中占有较多成分，其含量为65.3%～81.0%[3]。极低的生产成本和较高的淀粉含量使高粱成为优质淀粉的潜在来源之一，可在食品工业中用作其他谷物淀粉的替代品[4-5]。

由于高粱籽粒中淀粉和蛋白质的紧密结合，致使淀粉得率低，提取纯度不高[6]。目前，常用的淀粉提取方法有碱法[7]、超声波法[8]和酶法[9]等。其中，碱法技术相对成熟，是一种常见的大规模工业化生产方法[10]。张正茂等人[11]通过比较甘薯淀粉的不同提取方法和工艺，发现碱提取后的淀粉得率和白度较高。其机理是蛋白质、纤维素和其他与淀粉结合的成分被碱水解，释放淀粉，提高淀粉得率[12]。此外，淀粉的提取还受到与蛋白质的静电反应、疏水作用、氢键等影响[13]。研究表明[14-15]，用碱性蛋白酶提取淀粉不会影响淀粉颗粒的大小和结构。目前，与其他谷物淀粉相比，高粱淀粉的研究较少。因此，为了进一步提高高粱淀粉的利用率，有必要对高粱淀粉进行提取和纯化。

作为黑龙江省的主要种植品种之一，龙米粮1号高粱粗淀粉含量为76.54%，较其他品种高，富含0.32%的赖氨酸，具有早熟、抗倒伏等优点。因此，研究以龙米粮1号高粱为原料，采用碱法提取高粱淀粉，确定最佳提取条件；用碱性蛋白酶进一步纯化高粱淀粉，提高淀粉纯度，为高粱淀粉的生产和深加工提供有效途径。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1材料与试剂

高粱，产自大庆安达市，龙米粮1号；碱性蛋白酶（活力200 U/mg，菌种为地衣芽孢杆菌），上海源叶生物科技有限公司提供；其他试剂，均为分析纯。

1.1.2 主要仪器

DG-88型粉碎机，广州市德工机械设备有限公司产品；LD4-40型离心机，北京精力有限公司产品；DHG-9146A型电热恒温鼓风干燥箱，上海精宏实验设备有限公司产品；XH-C型旋涡混合器，江苏省金坛市金城国际试验仪器厂产品；CHA-2A型气浴恒温振荡器，常州申光仪器有限公司产品。

1.2 试验方法

1.2.1 高粱淀粉的提取

将高粱颗粒粉碎过80目筛，于40℃下干燥，得到高粱粗粉。将粗高粱粉与NaOH溶液按一定比例混合，在气浴振荡器中反应一定时间。以转速3 000 r/min离心15 min，刮去上层杂质，沉淀物多次过滤至白色，在35℃烘箱中干燥24 h进行烘干，得粗淀粉。

1.2.2 碱法提取高粱淀粉单因素试验设计

设计单因素试验，以高粱淀粉得率为指标。

碱法单因素试验见表1。

表1 碱法单因素试验

1.2.3 高粱淀粉的纯化

采用上述碱法提取高粱淀粉，得到高粱粗淀粉，用碱性蛋白酶法纯化高粱淀粉。

1.2.4 酶法纯化高粱淀粉单因素试验设计

高粱中的蛋白质通常与淀粉分子聚合。因此，为了提高淀粉的纯度，可通过分解高粱淀粉分子上的蛋白质而实现。通过课题组前期试验，以高粱淀粉纯度为指标，得出单因素试验范围。

酶法单因素试验范围见表2。

表2 酶法单因素试验范围

1.2.5 正交试验设计

根据碱法提取和酶法纯化的单因素试验结果，设计正交试验，根据结果获得高粱淀粉最佳提取和纯化条件。

1.3 淀粉纯度的测定

淀粉的纯度按GB 5009.9—2016测定[16]。

1.4 数据分析

采用SPSS软件和Origin 2021pro数据处理。

2 结果与分析

2.1 碱法提取高粱淀粉单因素试验结果

2.1.1 NaOH质量分数对高粱淀粉得率的影响

NaOH质量分数对高粱淀粉得率的影响见图1。

图1 NaOH质量分数对高粱淀粉得率的影响

由1可知，NaOH质量分数从0.3%逐渐增加到0.7%的过程中，淀粉得率先增加后降低。当NaOH质量分数为0.4%时，淀粉得率最高。可能是NaOH质量分数太低或太高，无法水解与淀粉结合的蛋白质等其他成分，从而阻碍淀粉的释放。

2.1.2 反应时间对高粱淀粉得率的影响

反应时间对高粱淀粉得率的影响见图2。

图2 反应时间对高粱淀粉得率的影响

由图2可知，淀粉得率随着反应时间的延长而上升，到2 h时达到最高。这是因为在提取初期，可溶性淀粉的溶解量随着时间的增加而增加，但随着提取体系黏度的增加，溶解速度变慢，使得淀粉得率的变化趋于平缓。然而，高粱淀粉得率在2 h后下降，这可能是由于时间过长碱液侵蚀淀粉，破坏了淀粉颗粒的表面形貌，从而降低了淀粉得率。

2.1.3 反应温度对高粱淀粉得率的影响

反应温度对高粱淀粉得率的影响见图3。

由图3可知，在25～35℃时，淀粉得率随着温度的升高而增加，而后淀粉的得率逐渐降低，因为随着温度的升高，可溶性淀粉更容易分散在溶剂中，得率降低[17]。因此，过高的温度不利于淀粉的提取，甚至破坏淀粉的结构。

图3 反应温度对高粱淀粉得率的影响

2.1.4 料液比对高粱淀粉得率的影响

料液比对高粱淀粉得率的影响见图4。

图4 料液比对高粱淀粉得率的影响

由图4可知，料液比对高粱淀粉得率的影响显著。随料液比的增加，得率也增加。当料液比在1∶15时，达到最高，提高比率可以使物料与溶液反应更充分，促进高粱蛋白质和淀粉的分离；料液比高于1∶15后，物料可能与溶液反应不充分，因此有下降趋势。

2.2 碱法提取正交试验结果

从上述单因素试验结果，采用正交试验设计，每组重复3次。

碱法正交试验因素与水平设计见表3，碱法正交试验结果见表4。

表3 碱法正交试验因素与水平设计

由表4可知，碱法提取高粱淀粉试验中，NaOH质量分数、反应温度、反应时间和料液比均对高粱淀粉的得率有影响。由于D＞B＞C＞A，最佳工艺条件为A2B3C3D3，即NaOH质量分数0.4%，反应温度40℃，反应时间2 h，料液比1∶20。经验证试验得出，高粱粗淀粉得率为82.54%，淀粉为白色粉末。

表4 碱法正交试验结果

2.3 碱性蛋白酶法纯化高粱淀粉单因素试验结果

2.3.1 酶添加量对高粱淀粉纯度的影响

酶添加量对高粱淀粉纯度的影响见图5。

由图5可知，在适宜的条件下，高粱淀粉的纯度随着蛋白酶的加入而逐渐升高，可能是随着蛋白酶添加量的增加，蛋白质和蛋白酶之间的接触面积随着酶添加量的增加而增大，导致淀粉纯度逐渐上升[18]。由图5可知，当酶添加量达到0.8%时，淀粉的纯度开始下降，可能是在试验过程中，当淀粉用量固定，酶添加量达到一定值时，高粱淀粉的纯度逐渐趋于稳定。

图5 酶添加量对高粱淀粉纯度的影响

2.3.2 酶解温度对高粱淀粉纯度的影响

酶解温度对高粱淀粉纯度的影响见图6。

图6 酶解温度对高粱淀粉纯度的影响

由图6可知，当酶解温度达到35℃时，淀粉纯度上升到最高，随后逐渐降低。可能是因为影响酶活力的一个重要指标是温度，当酶解温度低于此温度时，蛋白酶活性与温度呈正比；而酶解温度高于此值时，蛋白酶活性与温度呈负相关，最终蛋白酶失去活性[19]。而且由于淀粉在高温条件下容易糊化，淀粉会变质。因此，酶解温度不宜过高。

2.3.3 酶解时间对高粱淀粉纯度的影响

酶解时间对高粱淀粉纯度的影响见图7。

图7 酶解时间对高粱淀粉纯度的影响

由图7可知，酶解时间延长后，淀粉纯度逐渐增加，而后缓慢下降，最后基本稳定。原因可能是当酶解时间在1～2 h内，淀粉与酶充分反应，淀粉颗粒不断脱落，提高了淀粉的纯度；2 h后，淀粉颗粒中的蛋白质可被酶水解至饱和，因此淀粉的纯度趋于稳定。

2.3.4 料液比对高粱淀粉纯度的影响

料液比对高粱淀粉纯度的影响见图8。

图8 料液比对高粱淀粉纯度的影响

由图8可知，料液比为1∶10时，淀粉的纯度达到最高，然后逐渐降低。可能是随着溶剂用量的增加，高粱中释放出更多的淀粉，淀粉的纯度逐渐提高；过量的溶剂会使溶液变稀，更多的非淀粉水溶性物质溶解，从而降低可溶性淀粉的溶解度[20]，导致最终淀粉纯度下降。

2.4 酶法纯化正交试验结果

根据单因素试验结果，进行正交试验的设计，每组进行3次平行。

酶法正交试验因素与水平设计见表5，酶法正交试验结果见表6。

表5 酶法正交试验因素与水平设计

由表6可知，4种因素均影响高粱淀粉的纯度。主次顺序为A'＞D'＞C'＞B'，最佳提取条件为A'2B'1C'2D'1，即碱性蛋白酶添加量0.6%，料液比1∶10，酶解温度35℃，酶解时间120 min。

表6 酶法正交试验结果

2.5 验证试验

以正交试验最佳为条件进行验证，重复3次。

验证试验结果见表7。

表7 验证试验结果/%

3 结论

通过正交试验对碱法提取和酶法纯化龙米粮1号高粱淀粉工艺参数进行评估，考查了NaOH质量分数、反应时间、反应温度和料液比对高粱淀粉得率的影响以及酶添加量、酶解时间、酶解温度和料液比对高粱淀粉纯度的影响。结果表明，当NaOH质量分数0.4%，反应温度40℃，反应时间2 h，料液比1∶20时，高粱淀粉得率最佳；当碱性蛋白酶添加量0.6%，料液比1∶10，酶解温度35℃，酶解时间120 min时，高粱淀粉纯度最优。