超聲波輔助堿法提取雞爪谷淀粉及其結(jié)構(gòu)表征

吳修利*，張健雯，司美雙，包尕紅

長(zhǎng)春大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院（長(zhǎng)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(nóng)作物，當(dāng)?shù)厣贁?shù)民族多以雞爪谷為食或用其釀酒。雞爪谷營養(yǎng)豐富，素有“黑珍珠”的美譽(yù)，具有抗氧化、抗衰老、抗癌、預(yù)防糖尿病、保護(hù)心臟和抗高血脂等生理功能[2-5]。據(jù)醫(yī)書記載雞爪谷有補(bǔ)中益氣的功效，主治腸胃疾病。

目前對(duì)雞爪谷的研究主要在種植和植物病理學(xué)方面[6-7]，相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)還集中在食用或釀酒、制粉等傳統(tǒng)食品領(lǐng)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(chǎn)品的研發(fā)。盧紹闖等[10]以當(dāng)?shù)佚堊λ跒樵希ㄟ^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(shí)間長(zhǎng)、成本高等缺點(diǎn)，此次試驗(yàn)以西藏雞爪谷為研究對(duì)象，采用超聲波輔助堿法工藝提取雞爪谷淀粉，超聲波場(chǎng)致效應(yīng)能較好促進(jìn)淀粉與纖維素、蛋白質(zhì)的分離，弱堿水浸泡可起到破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的目的，二者結(jié)合提取淀粉具有提取效率高、操作簡(jiǎn)便、時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)和淀粉的有效分離。通過對(duì)淀粉的特性和結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

雞爪谷，產(chǎn)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(jī)（浙江永康市紅太陽機(jī)電有限公司）；KQ5200DE型數(shù)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(jī)（上海安亭科學(xué)儀器廠）；VISCOGRAPH-E型布拉班德黏度儀（德國美最時(shí)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(yàn)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(cè)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(fù)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(yàn)設(shè)計(jì)

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(shí)間（30，40，50，60和70 min）、超聲功率（120，140，160，180和200 W）對(duì)雞爪谷淀粉得率的影響。

1.2.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取pH（A）、料液比（B）、超聲時(shí)間（C）、超聲功率（D）設(shè)計(jì)四因素三水平正交試驗(yàn)，以雞爪谷淀粉得率作為考察指標(biāo)，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(cè)定

配制100 mL 6%的淀粉乳，置于黏度儀測(cè)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(jù)溫度和時(shí)間的變化繪制連續(xù)黏度曲線，黏度單位為BU。

1.2.5 雞爪谷淀粉結(jié)構(gòu)分析

采用精淀粉進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，樣品測(cè)試前，在50 ℃烘干至恒重。

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

X-射線衍射分析：采用X射線衍射儀對(duì)淀粉的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。采用Cu-Kα射線，電壓40 kV，掃描范圍10°～40°，步長(zhǎng)0.02°，掃描速率8°/min。

掃描電鏡分析：采用掃描電鏡觀測(cè)淀粉顆粒的微觀形態(tài)。少量樣品用導(dǎo)電膠固定在樣品臺(tái)上，真空條件下進(jìn)行鍍金處理后，在20 kV測(cè)試電壓下觀察樣品微觀形態(tài)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)分析

2.1.1 pH對(duì)雞爪谷淀粉得率的影響

固定料液比1∶4（g/mL）、超聲時(shí)間60 min、超聲功率200 W，考察不同pH對(duì)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(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，在pH 9.0時(shí)，淀粉得率達(dá)到最大。淀粉顆粒表面或內(nèi)部存在一定結(jié)合緊密的蛋白質(zhì)，一定濃度堿液有利于蛋白質(zhì)的增溶，促進(jìn)淀粉和蛋白質(zhì)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(zhì)殘留率時(shí)也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象，氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)低時(shí)不能使蛋白質(zhì)充分溶解，而高質(zhì)量分?jǐn)?shù)氫氧化鈉又會(huì)導(dǎo)致淀粉出現(xiàn)糊化現(xiàn)象，反而不利于淀粉與蛋白質(zhì)分離，兩者均會(huì)限制淀粉的提取效率，對(duì)淀粉品質(zhì)造成不利影響。

圖1 pH對(duì)雞爪谷淀粉提取率的影響

2.1.2 料液比對(duì)雞爪谷淀粉得率的影響

固定pH 9.0、超聲時(shí)間60 min、超聲功率200 W，考察不同料液比對(duì)雞爪谷淀粉得率的影響，結(jié)果如圖2所示。當(dāng)料液比為1∶4（g/mL）時(shí)，淀粉得率達(dá)到最大。這是因?yàn)殡S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(dāng)液料比增加到一定程度時(shí)，單位體積內(nèi)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(duì)雞爪谷淀粉得率的影響

2.1.3 超聲時(shí)間對(duì)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(shí)間對(duì)雞爪谷淀粉得率的影響，結(jié)果如圖3所示。超聲波作為一種能量波，能夠破碎植物細(xì)胞壁而利于淀粉的釋放。隨超聲時(shí)間延長(zhǎng)，淀粉得率逐漸提高，在50 min時(shí)，得率最高達(dá)到72.20%；但超聲時(shí)間過長(zhǎng)，由于超聲波機(jī)械性斷鍵作用增強(qiáng)，淀粉分子中共價(jià)鍵斷裂，引起淀粉降解，導(dǎo)致得率下降[13]。

圖3 超聲時(shí)間對(duì)雞爪谷淀粉得率的影響

2.1.4 超聲功率對(duì)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(shí)間50 min，不同超聲功率對(duì)雞爪谷淀粉得率的影響如圖4所示。超聲功率低，細(xì)胞破碎不完全，不利于淀粉的浸出；但過高的超聲作用會(huì)產(chǎn)生劇烈的空化效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械作用，導(dǎo)致淀粉發(fā)生降解，得率下降[14]。因此從試驗(yàn)結(jié)果來看，超聲功率選擇160 W。

圖4 超聲功率對(duì)雞爪谷淀粉得率的影響

2.2 正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采取L9(34)正交設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)因素與水平見表1，正交試驗(yàn)結(jié)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?yàn)锽＞D＞A＞C，即料液比＞超聲功率＞pH＞超聲時(shí)間。最優(yōu)提取淀粉工藝條件為A2B2C3D3，即pH 9.0、料液比1∶4（g/mL）、超聲時(shí)間60 min、超聲功率180 W。在此工藝條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，雞爪谷淀粉得率為75.56%。

表1 試驗(yàn)分析因素與水平

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.3 雞爪谷淀粉理化特性分析

2.3.1 布拉班德黏度測(cè)定

布拉班德曲線可連續(xù)完整記錄淀粉溶液整個(gè)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(shí)間連續(xù)變化的規(guī)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(yuǎn)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(wěn)定性和冷穩(wěn)定性均與玉米淀粉糊液性質(zhì)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(biāo) 將溫度探頭置入鼻咽部，連接HP監(jiān)護(hù)儀持續(xù)監(jiān)測(cè)患者鼻喉溫度作為機(jī)體中心溫度。記錄麻醉時(shí)、切皮時(shí)、手術(shù)開始后 30、60、90、120、150 和 180 min及手術(shù)結(jié)束時(shí)體溫;記錄輸液量、出血量、手術(shù)時(shí)間、完全蘇醒時(shí)間(定向力恢復(fù)、能正確回答問題、舉手、抬頭等)、術(shù)后寒戰(zhàn)和躁動(dòng)發(fā)生情況等指標(biāo)。

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(xiàn)一個(gè)寬而強(qiáng)的吸收峰，該峰源自淀粉分子中—OH的伸縮振動(dòng)，2 934 cm-1歸屬于—CH2反對(duì)稱伸縮振動(dòng)，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(jié)合水的彎曲振動(dòng)，位于1 458，1 421，1 367和1 341 cm-1出現(xiàn)較弱的吸收峰則為—CH2，—CH和C—O—H彎曲振動(dòng)[16]，1 157 cm-1代表C—O—C的伸縮振動(dòng)，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(dòng)，929與766 cm-1分別為葡萄糖吡喃環(huán)的非對(duì)稱和對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰[17]，577和529 cm-1則歸屬于淀粉中吡喃環(huán)骨架模式振動(dòng)[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(jié)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(qiáng)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(jié)晶類型看，該峰型為典型的A型結(jié)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(jié)晶和非結(jié)晶兩部分組成，采用陳翠蘭等[21]方法計(jì)算雞爪谷淀粉的相對(duì)結(jié)晶度，為31.4%，而同樣方法測(cè)得的玉米、馬鈴薯、木薯淀粉相對(duì)結(jié)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(gè)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(xiàn)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(jié)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(yàn)與正交試驗(yàn)確定最佳提取工藝條件：pH 9.0、料液比1∶4（g/mL）、超聲時(shí)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(wěn)定性和冷穩(wěn)定性均與玉米淀粉糊液性質(zhì)相近。紅外光譜圖與一般淀粉結(jié)構(gòu)相一致，呈現(xiàn)出典型的脫水葡萄糖單元特征吸收峰。該試驗(yàn)旨在為雞爪谷在食品加工和深加工研究提供理論依據(jù)。