海紅米淀粉的提取工藝及其性質(zhì)研究

王英俊，周 濃，郭漢文，周蕓璐

（廣東海洋大學(xué)食品科技學(xué)院，廣東湛江 524088）

海紅米，其米身呈赤紅色，含有天然可溶性紅色素，營養(yǎng)豐富。海紅米富含淀粉、膳食纖維、氨基酸、鈣、硒、鋅、銅、鐵、錳等營養(yǎng)成分。海紅米還含有黃酮類化合物、生物堿、植物淄醇及強心貳和胡蘿卜素等藥用成分。同時，海紅米具有抑制致癌物質(zhì)、預(yù)防結(jié)腸癌、清除自由基、延緩衰老、補血及預(yù)防貧血、免疫調(diào)節(jié)等功效[1]。海紅米除作為稻米直接食用外，還可以加工成其他產(chǎn)品，滿足人們生活的需要。稻米淀粉在食品醫(yī)藥等領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛應(yīng)用，但海紅米是新培育出來的品種，研究其淀粉的提取和性質(zhì)，為海紅米的深加工和提高其附加值具有重要意義。

關(guān)于稻米淀粉的提取方法有很多，主要有堿浸法、表面活性劑法、酶法、物理分解法等。超聲波提取法是采用超聲波對直鏈淀粉進行提取，超聲波產(chǎn)生高速、強烈的空化效應(yīng)和攪拌作用，破壞稻米細胞，形成沉淀，然后進行分離提純得到淀粉，其優(yōu)點是提取效率高、提取時間短、提取溫度低、提取淀粉的質(zhì)量較好[2]。試驗采用超聲技術(shù)提取海紅米淀粉，通過正交試驗優(yōu)化淀粉提取工藝，并研究最佳條件下提取的海紅米淀粉的性質(zhì)，如對海紅米淀粉進行電鏡掃描、紅外表征觀察、X 射線衍射等。研究結(jié)果為海紅米淀粉的綜合利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 試驗材料與試劑

海紅米，廣東海紅香農(nóng)業(yè)科技有限公司提供；無水乙醚、無水乙醇、鹽酸、活性炭、甲基紅、氫氧化鈉、三水合乙酸鉛、無水硫酸鈉、無水葡萄糖、硫酸銅、亞甲基藍、酒石酸鉀鈉、亞鐵氰化鉀，均為分析純。

1.1.2 儀器設(shè)備

800Y 型多功能粉碎機，永康市鉑歐五金制品有限公司產(chǎn)品；JP-040S 型超聲清洗機，深圳市潔盟清洗設(shè)備有限公司產(chǎn)品；JIDI-20R 型離心機，廣州吉迪儀器有限公司產(chǎn)品；BILON-W-501S 型低溫提取槽，上海比朗儀器制造有限公司產(chǎn)品；LGJ-12 型真空冷凍干燥機，廣州吉迪儀器有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗方法

1.2.1 海紅米淀粉提取工藝流程[3]

海紅米→烘干（40 ℃，30 min） →粉碎→過篩（40 目） →超聲提取→離心（轉(zhuǎn)速4000 r/min，時間10 min） →去除上清液→水洗靜置（4 h） →離心（轉(zhuǎn)速4000 r/min，時間10 min） →棄去上清液→真空冷凍干燥→粗淀粉。

1.2.2 海紅米淀粉含量的測定

參照GB 5009.9—2016《食品安全國家標準食品中淀粉的測定》第一法。

1.2.3 單因素試驗設(shè)計

（1） 超聲溫度對海紅米淀粉含量的影響。準確稱取3 g 過40 目篩的海紅米粉，進行超聲提取。以淀粉含量為考查指標，選擇料液比1∶5（g∶mL），超聲輔助提取時間50 min，考查超聲溫度分別為20，30，40，50，60 ℃時對海紅米粉淀粉含量的影響。確定3 個超聲溫度進行正交試驗。

（2） 料液比對海紅米淀粉含量的影響。準確稱取3 g 過40 目篩的海紅米粉，進行超聲提取。以淀粉含量為考查指標，選擇超聲溫度40 ℃，超聲輔助提取時間50 min，分別進行超聲輔助提取，考查料液比分別為1∶3，1∶4，1∶5，1∶6，1∶7（g∶mL） 時對海紅米粉淀粉含量的影響。確定3 個料液比進行正交試驗。

（3） 超聲時間對海紅米淀粉含量的影響。準確稱取3 g 過40 目篩的海紅米粉，進行超聲提取。以淀粉含量為考查指標，選擇料液比1∶5（g∶mL），超聲溫度40 ℃，考查超聲時間分別為30，40，50，60，70 min 時對海紅米粉淀粉含量的影響。確定3 個超聲提取時間進行正交試驗。

1.2.4 正交試驗設(shè)計

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以淀粉含量為考查指標，取超聲溫度、料液比、超聲時間為試驗因素，進行三因素三水平的正交試驗。

正交試驗因素與水平設(shè)計見表1。

表1 正交試驗因素與水平設(shè)計

1.2.5 海紅米淀粉性質(zhì)測定方法

（1） 海紅米淀粉的電鏡觀察。在15 kV 條件下，用掃描電鏡觀察不同放大倍數(shù)的經(jīng)過超聲輔助提取的海紅米淀粉的粉體形貌。

（2） 海紅米淀粉的紅外表征觀察。采用溴化鉀壓片法，將溴化鉀和海紅米淀粉混合均勻，用壓片機進行壓片，然后放入紅外分析儀進行檢測，掃描范圍為400～4000 cm-1，得海紅米淀粉的紅外譜圖。

（3） 海紅米淀粉的X 射線衍射。對經(jīng)過超聲輔助提取的海紅米淀粉進行常規(guī)X 射線衍射。

（4） 海紅米淀粉透明度的測定。稱取0.3 g 的海紅米淀粉，并且用蒸餾水配制質(zhì)量分數(shù)為1%的淀粉乳，在沸水浴中攪拌加熱20 min，使淀粉完全糊化后自然冷卻至室溫，然后定容至100 mL。在波長620 nm 處測定透光率，以超純水作為空白對照。同時，進行3 次平行試驗，取平均值。

（5） 海紅米淀粉凝沉性的測定。稱取1 g 的海紅米淀粉，用超純水配成質(zhì)量分數(shù)為1%的淀粉乳，在沸水浴中攪拌加熱20 min，使淀粉完全糊化后自然冷卻至室溫，再將淀粉乳倒入100 mL 量筒，并用超純水調(diào)至100 mL 刻度線，混勻后靜置。每隔12 h觀察并記錄上清液體積，直到上清液體積不再變化，用上清液體積分數(shù)表示海紅米淀粉的凝沉性。同時，進行3 次平行試驗，取平均值。

（6） 海紅米淀粉溶解度的測定。首先，準備一些干凈且恒質(zhì)量的培養(yǎng)皿。稱取0.6 g 的海紅米淀粉，用超純水配制質(zhì)量分數(shù)為2%的淀粉乳，在沸水浴中攪拌加熱20 min，使淀粉完全糊化后自然冷卻至室溫，以轉(zhuǎn)速3500 r/min 離心20 min，將上清液倒入恒質(zhì)量的培養(yǎng)皿中，在105 ℃條件下烘干至恒質(zhì)量。同時，進行3 次平行試驗，取平均值。

溶解度計算公式如下：

（7） 數(shù)據(jù)處理方法。用Excel 2007 初步統(tǒng)計與處理單因素試驗和正交試驗數(shù)據(jù)，用Origin 2021 對數(shù)據(jù)進一步處理單因素、X 射線衍射和紅外表征數(shù)據(jù)結(jié)果并繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果分析

2.1.1 超聲溫度對海紅米淀粉含量的影響

超聲溫度對海紅米淀粉含量的影響見圖1。

圖1 超聲溫度對海紅米淀粉含量的影響

由圖1 可知，在20～50 ℃內(nèi)海紅米淀粉含量隨超聲溫度升高而升高，在超聲溫度為50～60 ℃時淀粉含量趨于平緩下降，超聲溫度為50 ℃時淀粉含量最高為70.66%?？赡苁请S著超聲溫度的升高，分子運動速度越快，淀粉和蛋白質(zhì)、纖維等物質(zhì)越容易分離，導(dǎo)致淀粉提取率增加[4]。而超聲溫度過高也可能會導(dǎo)致淀粉的糊化，導(dǎo)致淀粉含量的降低。因此，選用超聲溫度為40，50，60 ℃進行正交試驗。

2.1.2 料液比對海紅米淀粉含量的影響

料液比對海紅米淀粉含量的影響見圖2。

圖2 料液比對海紅米淀粉含量的影響

由圖2 可知，在料液比小于1∶4（g∶mL） 時淀粉含量隨料水比提高而提高，當料液比為1∶4時，淀粉含量為67.22%，在料液比大于1∶4 時淀粉含量隨料液比提高而降低?？赡苁橇弦罕雀?，萃取體系黏度增加，影響了超聲波的空化效應(yīng)，不利于淀粉溶出；料液比低，單位體積受到的超聲作用變小[5-6]。因此，選擇料液比為1∶3，1∶4，1∶5（g∶mL） 進行正交試驗。

2.1.3 超聲時間對海紅米淀粉含量的影響

超聲時間對海紅米淀粉含量的影響見圖3。

圖3 超聲時間對海紅米淀粉含量的影響

由圖3 可知，淀粉含量隨超聲時間的延長而增加，并在超聲時間70 min 時淀粉含量最高為71.15%。超聲波通過破碎植物細胞壁而提高淀粉提取率，當超聲時間短時，則對細胞壁的破碎程度小，不利于淀粉的溶出；超聲時間過長，超聲波的機械性斷鍵作用增強，引起淀粉分子中共價鍵斷裂，淀粉降解，導(dǎo)致淀粉含量下降[7-8]。此外，過長的超聲時間也會導(dǎo)致淀粉的糊化、水解等變化。從經(jīng)濟因素考量，選擇超聲時間為50，60，70 min 進行正交試驗。

2.2 正交試驗結(jié)果分析

正交試驗結(jié)果見表2。

由表2 可知，超聲時間和料液比對淀粉含量影響較大，在淀粉含量影響大小方面，因素C（超聲時間） >因素B（料液比） >因素A（超聲溫度）。由表2 可確定超聲提取海紅米淀粉的最佳條件是A3B3C2，即超聲溫度60 ℃，料液比1∶5（g∶mL），超聲時間60 min。在最佳工藝條件下，淀粉含量為69.71%。

表2 正交試驗結(jié)果

2.3 海紅米淀粉性質(zhì)測定結(jié)果分析

2.3.1 海紅米淀粉電鏡觀察結(jié)果分析

海紅米淀粉掃描電鏡圖（放大200 倍） 見圖4，海紅米淀粉掃描電鏡圖（放大1000 倍） 見圖5。

圖4 海紅米淀粉掃描電鏡圖（放大200 倍）

圖5 海紅米淀粉掃描電鏡圖（放大1000 倍）

由掃描電鏡觀察結(jié)果可知，超聲提取后的海紅米淀粉顆粒形狀不規(guī)則，且棱角凸顯，一些淀粉顆粒表面有一些凹陷。參考劉傳菊等人[9]的文獻，電鏡觀察結(jié)果表明，海紅米淀粉基本符合大米淀粉顆粒的形態(tài)。但是，一些淀粉顆粒表面有一些微孔和通道，可能是海紅米自身的淀粉酶水解淀粉導(dǎo)致[10]，也可能是在超聲提取過程中，超聲波會破壞大米淀粉細胞壁，使原本和淀粉顆粒相結(jié)合的一些物質(zhì)分離，從而影響淀粉顆粒的形態(tài)。

2.3.2 海紅米淀粉的紅外表征觀察結(jié)果分析

海紅米淀粉的紅外光譜圖（4000～400 cm-1） 見圖6。

圖6 海紅米淀粉的紅外光譜圖（4000～400 cm-1）

由圖6 可知，在3500～3100 cm-1附近出現(xiàn)了-O-H 鍵伸縮振動和羥基中的氫鍵締合產(chǎn)生的特征峰，在1200～1000 cm-1出現(xiàn)了葡萄糖基團-C=O 鍵伸縮振動產(chǎn)生的特征峰，在1000～500 cm-1出現(xiàn)了葡萄糖環(huán)上的-CH2鍵的伸縮振動吸收峰。由參考文獻[11]可看出，海紅米淀粉基本保持了大米淀粉的特征，在超聲提取過程中，海紅米淀粉沒有發(fā)生化學(xué)變化。

2.3.3 海紅米淀粉的X 射線衍射結(jié)果分析

海紅米淀粉的X射線衍射圖

普通大米淀粉的晶體結(jié)構(gòu)是A 型[12-13]。由圖7 可知，海紅米淀粉在15，17，18，23 °附近都出現(xiàn)了強衍射峰，表明海紅米淀粉是典型的A 型淀粉結(jié)晶特征[14]。在大米淀粉產(chǎn)品開發(fā)方面，海紅米含有天然可溶性紅色素，可以代替普通大米淀粉改變產(chǎn)品的感官性狀。

圖7 海紅米淀粉的X 射線衍射圖

2.3.4 海紅米淀粉透明度的結(jié)果分析

采用透光率表示淀粉的透明度，測定得到海紅米淀粉的透光率為39.5%。淀粉的透光率是淀粉重要的外觀品質(zhì)，在一定程度上反映了淀粉分子與水分子結(jié)合的能力[15]。參考王存堂等人[16]的文獻，大米淀粉透光率是29%左右，透光率越高則表示透明度越好，所加工的淀粉產(chǎn)品的亮度也就越高[17]。測定結(jié)果表明，海紅米淀粉的透明度相對較好。

2.3.5 海紅米淀粉凝沉性的結(jié)果分析

測定得到海紅米淀粉的凝沉體積占比為19.33%。淀粉因羥基的分子間氫鍵相互作用形成不溶于水的非結(jié)晶狀“凝膠”，也可以進行締合和重排，產(chǎn)生凝沉現(xiàn)象[18]。淀粉凝沉性的測定通常用靜置后的淀粉糊上清液的體積分數(shù)來表示淀粉凝沉性的強弱，淀粉糊上清液體積分數(shù)越高，那么淀粉凝沉性越強，則淀粉的抗凝沉性就越弱。參考廖夏云等人[19]的文獻，得到玉米淀粉的凝沉體積占比為26.0%，海紅米淀粉的凝沉性相對較強。

2.3.6 海紅米淀粉溶解度的結(jié)果分析

測定得到海紅米淀粉的溶解度為12.56%。參考陳子月等人[20]的文獻，大米淀粉的溶解度為17.5%左右，海紅米淀粉的溶解度會略低一些。淀粉的溶解度可以體現(xiàn)一種淀粉的顆粒與水分子作用力的大小，是一種重要的淀粉理化性質(zhì)。淀粉溶解度的大小可能與直鏈、支鏈淀粉的分子質(zhì)量、比例、聚合度等因素有關(guān)[21]。海紅米含有較多的淀粉，由于海紅米淀粉的溶解度較低，造成海紅米飯的口感相對偏硬，不易于消化。

3 結(jié)論

采用正交試驗法優(yōu)化海紅米淀粉提取工藝條件，對海紅米淀粉的性質(zhì)進行研究。試驗中得到海紅米淀粉最佳提取條件是超聲溫度60 ℃，料液比1∶5（g∶mL），超聲時間60 min。在最佳工藝條件下，海紅米淀粉含量為69.71%。電鏡觀察結(jié)果表明，海紅米淀粉基本符合大米淀粉的形態(tài)。由紅外光譜圖可看出，海紅米淀粉基本保持了大米淀粉的特征，在超聲提取過程中，海紅米淀粉沒有發(fā)生化學(xué)變化。在最優(yōu)條件下提取的海紅米淀粉透明度為39.5%，凝沉性為19.33%，溶解度為12.56%。