正交試驗優(yōu)化醇堿法脫除魔芋葡甘露聚糖乙酰基工藝

張 偉，裴劍飛，李文浩，熊 森，鄭 旻，張國權(quán)*

（西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

正交試驗優(yōu)化醇堿法脫除魔芋葡甘露聚糖乙?；に?/p>

張 偉，裴劍飛，李文浩，熊 森，鄭 旻，張國權(quán)*

（西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

為提高魔芋葡甘露聚糖在面食中的添加量，通過脫乙酰降低其吸水倍率。以魔芋葡甘露聚糖為材料，對影響其乙?；摮Ч囊掖俭w積分?jǐn)?shù)、NaOH溶液濃度、反應(yīng)溫度、處理時間等條件進行了優(yōu)化，采用紅外光譜法分析并測定吸水倍率對其驗證，結(jié)果表明：乙?；摮倪m宜工藝條件為乙醇體積分?jǐn)?shù)40%、NaOH溶液濃度0.12 mol/L、反應(yīng)溫度60 ℃、處理時間12 min，在此條件下乙?；耆摮椅堵蕿樵瓨悠返?.3 2%。醇堿法可有效脫除魔芋葡甘露聚糖乙?；?，降低吸水倍率，增大其在面粉中的添加比例，改善 面粉粉質(zhì)特性。

魔芋葡甘露聚糖；吸水倍率；乙?；环圪|(zhì)參數(shù)

魔芋（Amorphophallus konjac），又稱蒟蒻、花蓮桿、蛇六谷等，為天南星科魔芋屬多年生草本植物，在我國主要分布于四川、湖北、云南、貴州、陜西等地區(qū)，具有產(chǎn)量高、質(zhì)量優(yōu)等特點[1-4]。魔芋含有豐富的魔芋葡甘露聚糖（konjac glucomannan polysaccharide，KGM）、蛋白質(zhì)、以及鎂、鐵、鈣、鉀、鈉、錳、銅等微量元素，其中KGM含量占50%以上[5-7]。KGM可降低血液中的中性脂質(zhì)、膽固醇和血糖的濃度，能有效地控制體質(zhì)量及預(yù)防結(jié)腸癌病[8]。KGM是由D-葡萄糖和D-甘露糖鏈通過β-1,4糖苷鍵聚合而成的天然高分子多糖，主鏈甘露糖C3位上存在β-1,3糖苷鍵支鏈，通常每32 個糖基有3 個支鏈，且每19 個糖基上有一個以酯鍵形式結(jié)合的乙?；鵞9-13]。乙?；拇嬖谥苯涌刂屏薑GM吸水性的大小[14]，其吸水倍率與乙?；砍收嚓P(guān)[15-16]，吸水倍率可達自身質(zhì)量的80～200 倍，極大地限制其在面制品等食品領(lǐng)域中的應(yīng)用。

降低KGM吸水倍率的方法主要包括化學(xué)、物理及生物法[17]。化學(xué)法主要涉及乙?；?、脫乙酰等，效率較高；物理法包括超聲波法、輻射法、超高壓處理、超微粉碎、共混改性法等[18-19]；生物法主要為酶法，其工藝復(fù)雜，處理量小。目前，國內(nèi)外關(guān)于脫KGM乙?；难芯恐饕獮橹苯蛹訅A法脫乙酰、機械力化學(xué)脫乙酰等[20]。本研究采用醇堿法脫除KGM乙?；?，對其乙?；摮墓に嚄l件進行優(yōu)化，以吸水倍率和紅外光譜分析驗證脫除效果，以期降低KGM的吸水能力，擴大KGM在面制品加工中的添加比例，充分利用其功能。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

KGM（純度≥95%） 陜西省安康市九龍貿(mào)易有限公司；面粉 陜西老牛面粉有限公司；NaOH、鹽酸、硝酸銀、無水乙醇、溴化鉀等（均為分析純） 四川西隴化工有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

KDC-40型離心機 科大創(chuàng)新股份有限公司中佳分公司；SHA-C型水浴恒溫振蕩器 常州國華電器有限公司；DK-S26型電熱恒溫水浴鍋 上海森信實驗儀器有限公司；SHB-Ⅲ型循環(huán)水式多用真空泵 鄭州長城科工貿(mào)有限公司；HR-200型電子分子天平 東生興業(yè)有限公司；101-1AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱 天津市泰斯特儀器有限公司；PB-10型pH計 賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；Vetex70傅里葉變換紅外光譜儀 德國Bruker公司；粉質(zhì)儀 德國Brabender公司。

1.3 方法

1.3.1 KGM脫乙?；幚?/p>

參考劉鋒[16]方法，并加以改進。將20 g KGM分散于120 mL乙醇溶液中，在室溫（25 ℃）條件下攪拌溶脹30 min后，加入NaOH溶液，在合適溫度條件下恒溫反應(yīng)一定時間后，加入6 mol/L鹽酸溶液，調(diào)整pH 6.8，終止反應(yīng)，再用30%乙醇溶液進行清洗數(shù)次，直至上清液用硝酸銀檢驗不出含有氯離子為止，樣品在60 ℃條件下烘干至質(zhì)量恒定，即得到粉末狀脫乙酰基KGM。

1.3.2 KGM脫乙?；鶈我蛩卦囼?/p>

1.3.2.1 乙醇體積分?jǐn)?shù)的確定

將KGM 20 g分別加入到乙醇體積分?jǐn)?shù)為20%、30%、40%、50%、60%的溶液中，在NaOH溶液濃度0.09 mol/L、反應(yīng)溫度50 ℃、處理時間9 min條件下進行改性處理，測定產(chǎn)物的吸水倍率。

1.3.2.2 NaOH溶液濃度的確定

將KGM 20 g加入到40%乙醇溶液中，NaOH溶液濃度分別為0.03、0.06、0.09、0.12、0.15 mol/L，在反應(yīng)溫度50 ℃、處理時間9 min條件下進行改性處理，測定產(chǎn)物的吸水倍率。

1.3.2.3 反應(yīng)溫度的確定

將KGM 20 g加入到40%乙醇溶液中，NaOH溶液濃度0.09 mol/L，反應(yīng)溫度分別為30、40、50、60、70 ℃，處理時間9 min條件下進行改性處理，測定產(chǎn)物的吸水倍率。

1.3.2.4 處理時間的確定

將KGM 20 g加入到40%乙醇溶液中，NaOH溶液濃度0.09 mol/L、反應(yīng)溫度50 ℃，處理時間分別為3、6、9、12、15 min條件下進行改性處理，測定產(chǎn)物的吸水倍率。

1.3.3 KGM脫乙?；鶙l件的優(yōu)化試驗設(shè)計

選擇乙醇體積分?jǐn)?shù)、NaOH溶液濃度、反應(yīng)溫度、處理時間四因素進行L27（313）正交試驗。

1.3.4 吸水倍率測定

參考Koroskenyi等[21]方法，并加以改進。精確稱取0.100 0 g干樣品，記為m0，放入50 mL的離心管中，總質(zhì)量記為m1，準(zhǔn)確加入30 mL蒸餾水，在25 ℃條件下水浴振蕩1 h，靜止1 h，3 000 r/min離心30 min，棄上清液，稱質(zhì)量記為m2。吸水倍率按如下公式計算：

1.3.5 紅外光譜掃描

將測試樣品用純KBr制成薄片，采用傅里葉紅外吸收光譜儀在400～4 000 cm-1范圍內(nèi)進行掃描，分辨率為4 cm-1，扣除背景。

1.3.6 粉質(zhì)參數(shù)測定

將普通面粉和添加1% KGM作為對照，測定添加5%脫乙?；鵎GM的粉質(zhì)參數(shù)，參照GB/T 14614—2006《小麥粉：面團的物理特性：吸水量和流變學(xué)特性的測定：粉質(zhì)儀法》，采用德國布拉本德粉質(zhì)儀測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析處理

實驗重復(fù)3 次，采用DPS 7.05、Microsoft Excel 2003及Origin 8.1進行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 乙醇體積分?jǐn)?shù)對KGM脫乙酰基的影響

在過去，統(tǒng)治者的喜好往往會引領(lǐng)整個時代的審美。雍正帝對粉彩的偏好讓粉彩花鳥瓷畫煥發(fā)了前所未有的生機。這一時期的粉彩花鳥瓷畫表現(xiàn)出濃烈的文人氣息。從畫面的整體布局來看，疏密有致，從格調(diào)來看，顏色清雅，讓人過目難忘。這一時期更是成為粉彩花鳥瓷畫的巔峰時期。

由圖1a可知，乙醇體積分?jǐn)?shù)在20%～40%的范圍內(nèi)，脫乙?；鵎GM的吸水倍率隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加顯著降低（P＜0.05），當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加到50%～60%的范圍內(nèi)時，脫乙酰基KGM的吸水倍率隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加顯著升高（P＜0.05），乙醇體積分?jǐn)?shù)在40%～50%的范圍內(nèi)，脫乙酰基KGM的吸水率無顯著性差異。由圖1b可知，位于1 732.02 cm-1的吸收峰代表—C=O的伸縮振動，表明KGM分子鏈中存在著乙?；鶊F。隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加，該峰位逐漸消失，當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)為40%～50%時，乙?；鶐缀跬耆В掖俭w積分?jǐn)?shù)為60%時，乙酰基重新出現(xiàn)。這是因為乙醇體積分?jǐn)?shù)影響KGM的溶脹度，進而影響KGM的脫乙酰反應(yīng)。當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)過低時，溶液的黏度較大，體系分散不均勻，影響了KGM與堿的反應(yīng)，且KGM溶膠與堿易形成凝膠，不利于粉狀改性產(chǎn)物的獲得；乙醇體積分?jǐn)?shù)高時，KGM的溶脹度低，堿液很難滲入KGM球體內(nèi)部，脫乙酰基反應(yīng)只能發(fā)生在KGM球體的表層，很難發(fā)生在KGM分子骨架上。此外，位于806.22 cm-1和873.73 cm-1的吸收峰是KGM 的特征峰，代表甘露聚糖中的基本單元[22]，脫乙?；鵎GM 主鏈結(jié)構(gòu)并未發(fā)生本質(zhì)的變化。乙醇體積分?jǐn)?shù)以40%為佳。

圖 1 不同乙醇體積分?jǐn)?shù)條件下脫乙酰基KGM的吸水倍率（a）和紅外光譜圖（bb）Fig.1 The water absorption rate (a) and FT-IR spectra (b) of KGM samples with various ethanol concentrations

2.1.2 NaOH溶液濃度對KGM脫乙?；挠绊?/p>

圖 2 不同NaOH溶液濃度條件下脫乙?；鵎GM的吸水倍率（a）和紅外光譜圖（bb）Fig.2 The water absorption rate (a) and FT-IR spectra (b) of KGM samples with various alkali concentrations

由圖2a可知，NaOH溶液濃度在0.03～0.09 mol/L的范圍內(nèi)，脫乙酰基KGM的吸水倍率隨著NaOH溶液濃度的增加顯著降低（P＜0.05），NaOH溶液濃度繼續(xù)增加，其吸水倍率無顯著性差異。圖2b結(jié)果表明，隨著NaOH溶液濃度的增加，乙?；饾u消失，當(dāng)NaOH溶液濃度為0.09 mol/L時，乙?；鶐缀跬耆В麈溄Y(jié)構(gòu)并未發(fā)生本質(zhì)的變化。KGM脫乙酰基反應(yīng)是酯的水解反應(yīng)。在堿性條件下，酯鍵能完全水解，是一個不可逆過程。這是因為堿能中和水解生成的羧酸，使反應(yīng)完全進行到底[14]。乙酰基的脫除影響KGM分子的水溶特性，從而使KGM吸水倍率發(fā)生巨大改變。適宜NaOH溶液濃度為0.09 mol/L。

2.1.3 反應(yīng)溫度對KGM脫乙?；挠绊?/p>

圖 3 不同反應(yīng)溫度條件下脫乙?；鵎GM的吸水倍率（a）和紅外光譜圖（bb）Fig.3 The water absorption rate (a) and FT-IR spectra (b) of KGM samples at different temperatures

由圖3a可知，反應(yīng)溫度在30～50 ℃的范圍內(nèi)，脫乙?；鵎GM的吸水倍率隨著反應(yīng)溫度升高顯著降低（P＜0.05），反應(yīng)溫度繼續(xù)升高，脫乙酰基KGM的吸水率無顯著性差異。圖3b結(jié)果表明，隨著反應(yīng)溫度的升高，乙?；饾u消失，當(dāng)溫度為50 ℃時，乙?；耆?，主鏈結(jié)構(gòu)未發(fā)生本質(zhì)的變化。KGM脫乙?；磻?yīng)是一個吸熱反應(yīng)，升溫有利于脫乙?；磻?yīng)的進行，當(dāng)反應(yīng)溫度達到一定程度時，KGM脫乙?；磻?yīng)完成，吸水倍率不再隨著反應(yīng)溫度的升高而發(fā)生顯著變化，當(dāng)反應(yīng)溫度過高時，乙醇揮發(fā)，易形成凝膠。反應(yīng)溫度為50～70 ℃的處理效果較好。

由圖4a可知，處理時間在3～9 min的范圍內(nèi)，脫乙?；鵎GM吸水倍率隨著處理時間的延長顯著降低（P＜0.05）。圖4b結(jié)果表明，隨著處理時間的延長，乙?；饾u消失，當(dāng)時間為9 min時，乙酰基幾乎完全消失，主鏈結(jié)構(gòu)未發(fā)生本質(zhì)的變化。KGM中乙?；拇嬖谑怪纬删哂锌障兜碾p螺旋結(jié)構(gòu)，能保持大量水分，當(dāng)乙?；摮螅菪Y(jié)構(gòu)被破壞，螺條相互交織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并且脫乙酰后會產(chǎn)生明顯的結(jié)晶區(qū)，導(dǎo)致其失去水溶性，吸水倍率下降[23]。處理時間繼續(xù)延長，吸水倍率無顯著性差異。這主要是因為當(dāng)反應(yīng)達到一定時間時，KGM脫乙?；磻?yīng)完全，吸水倍率不再隨著反應(yīng)時間的延長而發(fā)生顯著變化。處理時間以9 min以上較為適宜。

圖 4 不同處理時間條件下KGM脫乙?；a(chǎn)物的吸水倍率（a）和紅外光譜圖（bb）Fig.4 The water absorption rate (a) and FT-IR spectra (b) of KGM samples at different reaction times

2.2 KGM脫乙?；恼辉囼灲Y(jié)果

極差分析表明（表1），乙醇體積分?jǐn)?shù)、NaOH溶液濃度、反應(yīng)溫度、處理時間影響脫乙?；鵎GM吸水倍率的主次順序為B＞C＞D＞A，即NaOH溶液濃度對KGM吸水倍率影響最大，反應(yīng)溫度、處理時間次之，乙醇體積分?jǐn)?shù)影響最小。方差分析表明（表2），NaOH溶液濃度、反應(yīng)溫度、處理時間以及乙醇體積分?jǐn)?shù)與處理時間、NaOH溶液濃度與處理時間的交互作用對KGM脫乙酰產(chǎn)物吸水倍率的影響達極顯著水平（P＜0.01），乙醇體積分?jǐn)?shù)的影響不顯著。優(yōu)化組合為A2B3C3D3，即乙醇體積分?jǐn)?shù)40%、NaOH溶液濃度0.12 mol/L、反應(yīng)溫度60 ℃、處理時間12 min，所得脫乙?；鵎GM的吸水倍率為7.48 g/g，低于正交試驗的任一組合。而原KGM的吸水倍率為80.24 g/g，脫乙?；鵎GM的吸水倍率為原樣品吸水倍率的9.32%。

表 1 L27（313）正交試驗方案及極差分析結(jié)果Table 1 L27(313) orthogonal experimental program and range analysis of the experimental results

表 2 試驗結(jié)果方差分析表Table 2 Variance analysis of the experimental resultsTable 2 Variance analysis of the experimental results

2.3 影響脫乙酰基KGM吸水倍率的因素交互作用分析

從圖5a可知，在較低乙醇體積分?jǐn)?shù)條件下，吸水倍率隨著處理時間的延長并無明顯變化，當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)較高時，吸水倍率隨著處理時間的延長明顯下降；在較短時間內(nèi)，吸水倍率隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加呈上升趨勢，隨著處理時間的延長，吸水倍率隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加而下降。從圖5b可知，在低NaOH溶液濃度條件下，吸水倍率隨著時間的延長呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢，高NaOH溶液濃度條件下，處理時間對吸水倍率影響不大；吸水倍率隨著NaOH溶液濃度的增大顯著下降，并且這種趨勢隨著反應(yīng)時間的減少而趨于明顯。

圖 5 乙醇體積分?jǐn)?shù)與處理時間（a）、NaOH溶液濃度與處理時間（b）交互作用對吸水倍率的影響Fig.5 Effects of interactions between ethanol concentration and reaction time (a), and between alkali concentration and reaction time (b) on water absorption rate

2.4 脫乙?；鵎GM的紅外光譜掃描分析

圖 6 KGM（a）及最佳工藝條件下脫乙酰基KGM（b）的紅外光譜圖Fig.6 FT-IR spectra of KGM (a) and deacetylated KGM under optimum conditions (b)

圖6 為原樣及最佳工藝條件下KGM的紅外光譜圖，由圖6可以看出，原樣譜圖中在1 732.02 cm-1處有吸收峰，此峰代表—C=O的伸縮振動，表明KGM分子鏈中存在著乙?；鶊F，位于806.22 cm-1和873.73 cm-1的吸收峰是KGM的特征峰，代表甘露聚糖中的基本單元，脫乙?；鵎GM主鏈結(jié)構(gòu)并未發(fā)生本質(zhì)的變化。而采用醇堿法處理后，譜圖在1 732.02 cm-1處沒有吸收峰，表明可以有效地脫除KGM中的乙酰基，并且主鏈結(jié)構(gòu)未發(fā)生本質(zhì)變化。

2.5 脫乙?；鵎GM對面粉粉質(zhì)特性的影響

表 3 KGM及脫乙?；鵎GM的粉質(zhì)參數(shù)Table 3 Farinograph parameters of KGM and deacetyled KGM

表3為添加1%KGM及5%脫乙?；鵎GM的面粉粉質(zhì)參數(shù)，與原面粉相比，添加1%KGM及5%脫乙?；鵎GM的面粉吸水率、形成時間、穩(wěn)定時間、粉質(zhì)質(zhì)量指數(shù)顯著增加，弱化度顯著降低，粉質(zhì)特性好；添加5%脫乙?；鵎GM的面粉吸水率顯著大于1%KGM，其他指標(biāo)無顯著性差異。結(jié)果表明，KGM經(jīng)脫乙酰處理后，可顯著增大其在面粉中的添加比例，改善面粉粉質(zhì)特性，穩(wěn)定時間在3.0 min以上，達到面條用小麥粉行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求（SB/T 10137—1993《面條用小麥粉》[24]）。

3 結(jié) 論

采用醇堿法脫除KGM中乙?；绊懜男援a(chǎn)物吸水倍率的因素依次為NaOH溶液濃度、反應(yīng)溫度、處理時間、乙醇體積分?jǐn)?shù)，適宜的工藝條件為乙醇體積分?jǐn)?shù)40%、NaOH溶液濃度0.12 mol/L、反應(yīng)溫度60 ℃、處理時間12 min，所制備的脫乙?；鵎GM的吸水倍率為7.48 g/g，為原樣品吸水倍率的9.32%；紅外光譜分析結(jié)果表明，醇堿法可以有效地脫除KGM中的乙?；抑麈溄Y(jié)構(gòu)未發(fā)生本質(zhì)變化；KGM經(jīng)脫乙酰處理后，可顯著增大其在面粉中的添加比例，改善面粉粉質(zhì)特性。

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Orthogonal Test Design for Optimization of Konjac Glucomannan Deacetylation by Ethanol-Alkali Method

ZHANG Wei, PEI Jianfei, LI Wenhao, XIONG Sen, ZHENG Min, ZHANG Guoquan*
(College of Food Science and Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

This study aimed to reduce the water absorption rate of konjac glucomannan by removing its acetyl group in order to promote its application in flour-based products. Factors influencing deacetylation efficiency, including ethanol concentration, NaOH concentration, temperature and time, were investigated in this study. Meanwhile, the removal efficiency of acetyl group was evaluated by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) analysis and water absorption rate. The optimum reaction parameters for deacetylation were determined as 40%, 0.12 mol/L, 60 ℃ and 12 min for ethanol concentration, NaOH concentration, reaction temperature and time, respectively. Under these conditions, the acetyl group in konjac glucomannan was completely removed and water absorption rate of deacetyled konjac glucomannan decreased to 9.32% of that of the original sample. In summary, the acetyl group in konjac glucomannan could be effectively removed by using ethanol-alkali method. Deacetylation could reduce the water absorption rate of konjac glucomannan and increase its proportion in flour, thus improving flour farinograph quality.

konjac glucomannan； water absorption rate； acetyl group； farinograms

S566.9

A

1002-6630（2015）08-0103-06

10.7506/spkx1002-6630-201508018

2014-09-13

張偉（1989—），女，碩士研究生，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏工程。E-mail：zhangwei2012050601@163.com

*通信作者：張國權(quán)（1968—），男，教授，博士，研究方向為谷物品質(zhì)評價及淀粉工程技術(shù)。E-mail：zhanggq98@126.com