海红米淀粉的提取工艺及其性质研究

王英俊，周 浓，郭汉文，周芸璐

（广东海洋大学食品科技学院，广东湛江 524088）

海红米，其米身呈赤红色，含有天然可溶性红色素，营养丰富。海红米富含淀粉、膳食纤维、氨基酸、钙、硒、锌、铜、铁、锰等营养成分。海红米还含有黄酮类化合物、生物碱、植物淄醇及强心贰和胡萝卜素等药用成分。同时，海红米具有抑制致癌物质、预防结肠癌、清除自由基、延缓衰老、补血及预防贫血、免疫调节等功效[1]。海红米除作为稻米直接食用外，还可以加工成其他产品，满足人们生活的需要。稻米淀粉在食品医药等领域已经有了广泛应用，但海红米是新培育出来的品种，研究其淀粉的提取和性质，为海红米的深加工和提高其附加值具有重要意义。

关于稻米淀粉的提取方法有很多，主要有碱浸法、表面活性剂法、酶法、物理分解法等。超声波提取法是采用超声波对直链淀粉进行提取，超声波产生高速、强烈的空化效应和搅拌作用，破坏稻米细胞，形成沉淀，然后进行分离提纯得到淀粉，其优点是提取效率高、提取时间短、提取温度低、提取淀粉的质量较好[2]。试验采用超声技术提取海红米淀粉，通过正交试验优化淀粉提取工艺，并研究最佳条件下提取的海红米淀粉的性质，如对海红米淀粉进行电镜扫描、红外表征观察、X 射线衍射等。研究结果为海红米淀粉的综合利用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 试验材料与试剂

海红米，广东海红香农业科技有限公司提供；无水乙醚、无水乙醇、盐酸、活性炭、甲基红、氢氧化钠、三水合乙酸铅、无水硫酸钠、无水葡萄糖、硫酸铜、亚甲基蓝、酒石酸钾钠、亚铁氰化钾，均为分析纯。

1.1.2 仪器设备

800Y 型多功能粉碎机，永康市铂欧五金制品有限公司产品；JP-040S 型超声清洗机，深圳市洁盟清洗设备有限公司产品；JIDI-20R 型离心机，广州吉迪仪器有限公司产品；BILON-W-501S 型低温提取槽，上海比朗仪器制造有限公司产品；LGJ-12 型真空冷冻干燥机，广州吉迪仪器有限公司产品。

1.2 试验方法

1.2.1 海红米淀粉提取工艺流程[3]

海红米→烘干（40 ℃，30 min） →粉碎→过筛（40 目） →超声提取→离心（转速4000 r/min，时间10 min） →去除上清液→水洗静置（4 h） →离心（转速4000 r/min，时间10 min） →弃去上清液→真空冷冻干燥→粗淀粉。

1.2.2 海红米淀粉含量的测定

参照GB 5009.9—2016《食品安全国家标准食品中淀粉的测定》第一法。

1.2.3 单因素试验设计

（1） 超声温度对海红米淀粉含量的影响。准确称取3 g 过40 目筛的海红米粉，进行超声提取。以淀粉含量为考查指标，选择料液比1∶5（g∶mL），超声辅助提取时间50 min，考查超声温度分别为20，30，40，50，60 ℃时对海红米粉淀粉含量的影响。确定3 个超声温度进行正交试验。

（2） 料液比对海红米淀粉含量的影响。准确称取3 g 过40 目筛的海红米粉，进行超声提取。以淀粉含量为考查指标，选择超声温度40 ℃，超声辅助提取时间50 min，分别进行超声辅助提取，考查料液比分别为1∶3，1∶4，1∶5，1∶6，1∶7（g∶mL） 时对海红米粉淀粉含量的影响。确定3 个料液比进行正交试验。

（3） 超声时间对海红米淀粉含量的影响。准确称取3 g 过40 目筛的海红米粉，进行超声提取。以淀粉含量为考查指标，选择料液比1∶5（g∶mL），超声温度40 ℃，考查超声时间分别为30，40，50，60，70 min 时对海红米粉淀粉含量的影响。确定3 个超声提取时间进行正交试验。

1.2.4 正交试验设计

在单因素试验的基础上，以淀粉含量为考查指标，取超声温度、料液比、超声时间为试验因素，进行三因素三水平的正交试验。

正交试验因素与水平设计见表1。

表1 正交试验因素与水平设计

1.2.5 海红米淀粉性质测定方法

（1） 海红米淀粉的电镜观察。在15 kV 条件下，用扫描电镜观察不同放大倍数的经过超声辅助提取的海红米淀粉的粉体形貌。

（2） 海红米淀粉的红外表征观察。采用溴化钾压片法，将溴化钾和海红米淀粉混合均匀，用压片机进行压片，然后放入红外分析仪进行检测，扫描范围为400～4000 cm-1，得海红米淀粉的红外谱图。

（3） 海红米淀粉的X 射线衍射。对经过超声辅助提取的海红米淀粉进行常规X 射线衍射。

（4） 海红米淀粉透明度的测定。称取0.3 g 的海红米淀粉，并且用蒸馏水配制质量分数为1%的淀粉乳，在沸水浴中搅拌加热20 min，使淀粉完全糊化后自然冷却至室温，然后定容至100 mL。在波长620 nm 处测定透光率，以超纯水作为空白对照。同时，进行3 次平行试验，取平均值。

（5） 海红米淀粉凝沉性的测定。称取1 g 的海红米淀粉，用超纯水配成质量分数为1%的淀粉乳，在沸水浴中搅拌加热20 min，使淀粉完全糊化后自然冷却至室温，再将淀粉乳倒入100 mL 量筒，并用超纯水调至100 mL 刻度线，混匀后静置。每隔12 h观察并记录上清液体积，直到上清液体积不再变化，用上清液体积分数表示海红米淀粉的凝沉性。同时，进行3 次平行试验，取平均值。

（6） 海红米淀粉溶解度的测定。首先，准备一些干净且恒质量的培养皿。称取0.6 g 的海红米淀粉，用超纯水配制质量分数为2%的淀粉乳，在沸水浴中搅拌加热20 min，使淀粉完全糊化后自然冷却至室温，以转速3500 r/min 离心20 min，将上清液倒入恒质量的培养皿中，在105 ℃条件下烘干至恒质量。同时，进行3 次平行试验，取平均值。

溶解度计算公式如下：

（7） 数据处理方法。用Excel 2007 初步统计与处理单因素试验和正交试验数据，用Origin 2021 对数据进一步处理单因素、X 射线衍射和红外表征数据结果并绘图。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果分析

2.1.1 超声温度对海红米淀粉含量的影响

超声温度对海红米淀粉含量的影响见图1。

图1 超声温度对海红米淀粉含量的影响

由图1 可知，在20～50 ℃内海红米淀粉含量随超声温度升高而升高，在超声温度为50～60 ℃时淀粉含量趋于平缓下降，超声温度为50 ℃时淀粉含量最高为70.66%。可能是随着超声温度的升高，分子运动速度越快，淀粉和蛋白质、纤维等物质越容易分离，导致淀粉提取率增加[4]。而超声温度过高也可能会导致淀粉的糊化，导致淀粉含量的降低。因此，选用超声温度为40，50，60 ℃进行正交试验。

2.1.2 料液比对海红米淀粉含量的影响

料液比对海红米淀粉含量的影响见图2。

图2 料液比对海红米淀粉含量的影响

由图2 可知，在料液比小于1∶4（g∶mL） 时淀粉含量随料水比提高而提高，当料液比为1∶4时，淀粉含量为67.22%，在料液比大于1∶4 时淀粉含量随料液比提高而降低。可能是料液比高，萃取体系黏度增加，影响了超声波的空化效应，不利于淀粉溶出；料液比低，单位体积受到的超声作用变小[5-6]。因此，选择料液比为1∶3，1∶4，1∶5（g∶mL） 进行正交试验。

2.1.3 超声时间对海红米淀粉含量的影响

超声时间对海红米淀粉含量的影响见图3。

图3 超声时间对海红米淀粉含量的影响

由图3 可知，淀粉含量随超声时间的延长而增加，并在超声时间70 min 时淀粉含量最高为71.15%。超声波通过破碎植物细胞壁而提高淀粉提取率，当超声时间短时，则对细胞壁的破碎程度小，不利于淀粉的溶出；超声时间过长，超声波的机械性断键作用增强，引起淀粉分子中共价键断裂，淀粉降解，导致淀粉含量下降[7-8]。此外，过长的超声时间也会导致淀粉的糊化、水解等变化。从经济因素考量，选择超声时间为50，60，70 min 进行正交试验。

2.2 正交试验结果分析

正交试验结果见表2。

由表2 可知，超声时间和料液比对淀粉含量影响较大，在淀粉含量影响大小方面，因素C（超声时间） >因素B（料液比） >因素A（超声温度）。由表2 可确定超声提取海红米淀粉的最佳条件是A3B3C2，即超声温度60 ℃，料液比1∶5（g∶mL），超声时间60 min。在最佳工艺条件下，淀粉含量为69.71%。

表2 正交试验结果

2.3 海红米淀粉性质测定结果分析

2.3.1 海红米淀粉电镜观察结果分析

海红米淀粉扫描电镜图（放大200 倍） 见图4，海红米淀粉扫描电镜图（放大1000 倍） 见图5。

图4 海红米淀粉扫描电镜图（放大200 倍）

图5 海红米淀粉扫描电镜图（放大1000 倍）

由扫描电镜观察结果可知，超声提取后的海红米淀粉颗粒形状不规则，且棱角凸显，一些淀粉颗粒表面有一些凹陷。参考刘传菊等人[9]的文献，电镜观察结果表明，海红米淀粉基本符合大米淀粉颗粒的形态。但是，一些淀粉颗粒表面有一些微孔和通道，可能是海红米自身的淀粉酶水解淀粉导致[10]，也可能是在超声提取过程中，超声波会破坏大米淀粉细胞壁，使原本和淀粉颗粒相结合的一些物质分离，从而影响淀粉颗粒的形态。

2.3.2 海红米淀粉的红外表征观察结果分析

海红米淀粉的红外光谱图（4000～400 cm-1） 见图6。

图6 海红米淀粉的红外光谱图（4000～400 cm-1）

由图6 可知，在3500～3100 cm-1附近出现了-O-H 键伸缩振动和羟基中的氢键缔合产生的特征峰，在1200～1000 cm-1出现了葡萄糖基团-C=O 键伸缩振动产生的特征峰，在1000～500 cm-1出现了葡萄糖环上的-CH2键的伸缩振动吸收峰。由参考文献[11]可看出，海红米淀粉基本保持了大米淀粉的特征，在超声提取过程中，海红米淀粉没有发生化学变化。

2.3.3 海红米淀粉的X 射线衍射结果分析

海红米淀粉的X射线衍射图

普通大米淀粉的晶体结构是A 型[12-13]。由图7 可知，海红米淀粉在15，17，18，23 °附近都出现了强衍射峰，表明海红米淀粉是典型的A 型淀粉结晶特征[14]。在大米淀粉产品开发方面，海红米含有天然可溶性红色素，可以代替普通大米淀粉改变产品的感官性状。

图7 海红米淀粉的X 射线衍射图

2.3.4 海红米淀粉透明度的结果分析

采用透光率表示淀粉的透明度，测定得到海红米淀粉的透光率为39.5%。淀粉的透光率是淀粉重要的外观品质，在一定程度上反映了淀粉分子与水分子结合的能力[15]。参考王存堂等人[16]的文献，大米淀粉透光率是29%左右，透光率越高则表示透明度越好，所加工的淀粉产品的亮度也就越高[17]。测定结果表明，海红米淀粉的透明度相对较好。

2.3.5 海红米淀粉凝沉性的结果分析

测定得到海红米淀粉的凝沉体积占比为19.33%。淀粉因羟基的分子间氢键相互作用形成不溶于水的非结晶状“凝胶”，也可以进行缔合和重排，产生凝沉现象[18]。淀粉凝沉性的测定通常用静置后的淀粉糊上清液的体积分数来表示淀粉凝沉性的强弱，淀粉糊上清液体积分数越高，那么淀粉凝沉性越强，则淀粉的抗凝沉性就越弱。参考廖夏云等人[19]的文献，得到玉米淀粉的凝沉体积占比为26.0%，海红米淀粉的凝沉性相对较强。

2.3.6 海红米淀粉溶解度的结果分析

测定得到海红米淀粉的溶解度为12.56%。参考陈子月等人[20]的文献，大米淀粉的溶解度为17.5%左右，海红米淀粉的溶解度会略低一些。淀粉的溶解度可以体现一种淀粉的颗粒与水分子作用力的大小，是一种重要的淀粉理化性质。淀粉溶解度的大小可能与直链、支链淀粉的分子质量、比例、聚合度等因素有关[21]。海红米含有较多的淀粉，由于海红米淀粉的溶解度较低，造成海红米饭的口感相对偏硬，不易于消化。

3 结论

采用正交试验法优化海红米淀粉提取工艺条件，对海红米淀粉的性质进行研究。试验中得到海红米淀粉最佳提取条件是超声温度60 ℃，料液比1∶5（g∶mL），超声时间60 min。在最佳工艺条件下，海红米淀粉含量为69.71%。电镜观察结果表明，海红米淀粉基本符合大米淀粉的形态。由红外光谱图可看出，海红米淀粉基本保持了大米淀粉的特征，在超声提取过程中，海红米淀粉没有发生化学变化。在最优条件下提取的海红米淀粉透明度为39.5%，凝沉性为19.33%，溶解度为12.56%。