龙爪粟淀粉的提取及理化特性研究

卢绍闯 秦石秀 陈家丽 王嘉琪 李赤翎,3

(长沙理工大学化学与食品工程学院1，长沙 410007) (深圳市太科检测有限公司2，深圳 518074) (内蒙古红太阳食品有限公司3，呼和浩特 010070)

龙爪粟(EleusinecoracanaGaertn[1])，别名穇子、鸡爪谷、龙爪稷等[2]，为1年生禾本科植物龙爪粟的籽粒。龙爪粟耐贮藏，富含淀粉和各种微量元素，种皮含有大量的多酚物质；有研究表明，龙爪粟具有降血糖、保护心脏、抗氧化和预防骨质疏松等多项生理功能[5]；民间常常用龙爪粟熬粥，补血益气；或磨成粉与大米粉混合，制成深受欢迎的各种糕点小吃。龙爪粟淀粉占其营养物质的50%以上，其晶体结构、膨胀能力、析水率等理化性质与食品加工关系重大。但迄今为止，国内外文献对龙爪粟的报道，大多集中在以种皮多酚物质研究为主。本文以本省龙爪粟品种为对象，研究了龙爪粟淀粉的提取工艺及其理化特性，以期为龙爪粟食品加工和深加工研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

龙爪粟购于湖南益阳，龙爪粟原粉由龙爪粟颗粒粉碎至80目制得，玉米淀粉。

1.2 主要仪器

DHG-9140型电热鼓风干燥机；FW177型中草药粉碎机；HHS-21-8型恒温水浴锅；L550型离心机；D/MAX-2200型X射线衍射仪；Quanta-200型扫描电子显微镜；DSC200F3型差示扫描量热仪。

1.3 实验方法

1.3.1 龙爪粟基本组分含量的测定

蛋白质含量：参照 GB/T 5009.5—2010；脂肪含量：参照 GB/T 5009.6—2003；灰分含量：参照GB/T 5009.4—2010；粗纤维含量：参照GB/T 6193—1986；淀粉含量：参照GB/T 5009.9—2016。

1.3.2 龙爪粟淀粉的提取工艺

龙爪粟颗粒→粉粹→过筛→石油醚脱脂→调节pH值→加入碱性蛋白酶→水浴振荡→过滤→滤液离心→弃上清液得沉淀→干燥→粉碎→过筛→龙爪粟淀粉

采用双缩脲法对所提取淀粉中的蛋白质进行测定，未显示出紫色；此外，采用酸水解法对淀粉中的脂肪进行检测，未提取出脂肪，表明所提龙爪粟淀粉中的蛋白质、脂肪已基本去除干净。

1.3.3 单因素实验

分别用酸性蛋白酶、碱性蛋白酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶进行龙爪粟淀粉提取实验，在四种酶的最佳作用条件下，以碱性蛋白酶提取率最高。故以碱性蛋白酶为提取酶，分别测定当料液比(1∶6～1∶12)、酶解温度(45～55 ℃)、酶解时间(3～5 h)、pH值(9～11)时，考察各因素对淀粉的提取率的影响。

1.3.4 实验方案设计

运用中心组合设计(BBD)的原理[6]，采用四因素三水平的实验方案，优化淀粉提取工艺，数据的处理通过软件Design-expert进行。Box-Benhnken设计实验因素及编码水平见表1。

表1 Box-Benhnken设计实验因素及编码水平

1.3.5 淀粉溶解度和膨胀度的测定

参考张黎明等[7]的测定方法，研究龙爪粟原粉、龙爪粟淀粉及玉米淀粉在60、65、70、75、80、85、90 ℃等温度下的溶解度和膨胀度。

1.3.6 淀粉糊的冻融稳定性及凝沉性的测定

1.3.6.1 冻融稳定性

参考汪磊等[8]的测定方法，分别对样品的冻融稳定性进行测定。

1.3.6.2 凝沉性

参考任顺成等[9]的测定方法，分别对样品的凝沉值进行测定。

1.3.7 淀粉颗粒表面结构的测定

将少量样品粉末喷上一层铂金，用扫描电子显微镜放大到合适倍数对其表面结构进行观察。

1.3.8 淀粉颗粒结晶结构的测定

将待测样品经干燥、粉碎后进行测试。设置衍射条件：Cu射线，加速电压30 kV，管电流30 mA，测量角度2θ=10°～40°，Step=0.01 deg，扫描速度4°/min。采用同样方法和条件分别对样品进行测定。

1.3.9 淀粉热力学性质的测定

将加入去离子水的样品(料液比为1∶3)密封于铝坩埚中，于室温下平衡12 h后测定。设定参数：温度扫描范围为25～220 ℃，升温速率为10 ℃/min，样品室N2流量为40 mL/min。分别对龙爪粟原粉、龙爪粟淀粉和玉米淀粉进行测定时，以糊化的起始温度(To)、峰值温度(Tp)、终止温度(Tc)和热焓(ΔH)表示样品的DSC特征参数，每一样品重复进行3次。

1.3.10 统计学处理

利用 SPSS、Excel、Origin等软件进行数据处理和分析。P>0.05表示差异不显著，P<0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 龙爪粟的基本成分含量

龙爪粟原粉及龙爪粟淀粉中的蛋白质、脂肪和灰分的含量测定结果如表2所示。

表2 龙爪粟的基本成分组成

注： “—”表示未检出。

2.2 龙爪粟淀粉提取工艺优化

2.2.1 回归模型方程的建立

Box-Benhnken设计表及测定结果见表3。利用软件Design-expert对表3的结果进行二次多项回归拟合，得到在四种因素(料液比A、酶解温度B、酶解时间C、和pHD)作用下龙爪粟淀粉提取率(Y)的多元回归方程：Y=75.72-0.013A+0.32B+0.050C-0.56D-0.67AB-0.61AC-0.15AD+0.078BC+1.47BD-0.42CD+0.45A2-1.63B2-1.55C2-2.80D2。

表3 Box-Benhnken设计表及实验结果

续表3

2.2.2 方差分析

由表4可知，该模型的P=0.000 3<0.01，说明本次实验选用的几种因素对龙爪粟淀粉提取率的影响具有高度的显著性，实验设计方案是正确的。失拟项是用来描述模型附近数据的变动情况[10]，表4中模型失拟项的P值为0.438 5(P>0.05)，表示为不显著，两值能够进行很好的拟合，模型建立的回归方程能较好地解释响应结果并预测最佳提取工艺条件。

表4 回归模型方差分析

注：**差异极显著，P<0.01；*差异显著，0.01

2.2.3 显著性分析

由表5可知，因素BD对响应值的交互影响极显著；因素B2、C2、D2对响应值的曲面效应极显著；其余项对响应值的影响均不显著。因此可知，响应值(提取率)并不是与某一种因素呈线性关系，两种因素交叉以及因素的二次项也会对响应值产生影响。

表5 回归方程系数的显著性检验分析表

2.2.4 响应面分析

根据Design-expert 8.0分析得出不同因素间的响应面图及相应等高线图。随着响应值在各因素的不同影响下，响应面图的坡度会形成不同的陡峭程度，若平缓，说明影响程度较小，若较为陡峭，则说明影响程度较大；而且任意两因素之间交互影响的大小会形成不同的等高线形状[11，12]。同时，若等高线沿因素轴向变化越稀疏，表明该因素对测定结果影响越不显著，反之则越显著[8]。由图2可知，在两因素(pH和酶解温度)的作用下，响应面图具有较为陡峭的坡度且也形成椭圆状的等高线，表明此交互影响具有显著性，同时可由沿两因素轴向上等高线变化的稀密程度反映出pH对响应值的影响较酶解温度大。对其余图像进行分析，任意两因素间的交互作用不显著，这一分析也符合表5的结果。由图3中的等高线可知，pH对响应值(提取率)的影响程度较酶解时间大，同理分析其余图像，得到各因素对响应值提取率影响程度的大小顺序为：D>B>C>A，即pH >酶解温度>酶解时间>料液比，该结果与表5一致。

图1 酶解时间和酶解温度对提取率影响的响应面

图2 pH和酶解温度对提取率影响的响应面

图3 pH和酶解时间对提取率影响的响应面

本研究前期已对去皮龙爪粟粉中的淀粉含量进行测定，为80.92%；而实验中的淀粉提取率为68.14%～76.54%，造成提取率不理想的原因应该是多次水洗、转移、过滤等因素导致了淀粉的损失。

2.3 龙爪粟淀粉的理化特性分析

2.3.1 龙爪粟淀粉的溶解度与膨胀度

淀粉自身的持水能力以及颗粒内部氢键结合的强弱在很大程度上受到其溶解度和膨胀度的影响，对淀粉在加工过程中的特性有着较大的影响[13]。由图4a可知，三种样品的溶解度基本都呈现出随温度的升高而增大的趋势，在不同温度下，龙爪粟原粉的溶解度显著高于龙爪粟淀粉和玉米淀粉(P<0.05)。龙爪粟淀粉与玉米淀粉溶解度近似呈线性增加的趋势相比，龙爪粟淀粉在75 ℃之前没有明显的变化，75 ℃之后迅速增加，因为当加热温度超过75 ℃后，淀粉颗粒在水分子的作用下发生崩解，淀粉的游离使得其溶解度增大。如图4b所示，三种样品的膨胀度都随着温度的升高而不断增加，这是因为淀粉颗粒在逐渐受热过程中发生糊化。龙爪粟淀粉的膨胀度显著低于玉米淀粉(P<0.05)，这说明龙爪粟淀粉颗粒内部的氢键结合的力大于玉米淀粉。龙爪粟淀粉的膨胀过程表明其属于典型的二度膨胀淀粉，而且也受分子大小、直支比、颗粒形态等的影响。

图4 三种样品的溶解度与膨胀度

2.3.2 冻融稳定性和凝沉性

冻融稳定性是目前淀粉基食品加工行业所面临的难题之一。析水率的大小与冻融稳定性的强弱存在一定的关系，若析水率表现越高，则反映其持水能力越差，冻融稳定性越弱，反之则越强[14]。如表6所示，龙爪粟淀粉的析水率显著高于玉米淀粉(P<0.05)。冷冻贮藏的食品解冻之后，因水分析出而破坏组织结构，影响食品质地，因此龙爪粟淀粉不利于在冷冻食品中的应用。由表6可知，龙爪粟淀粉的凝沉值远高于龙爪粟原粉和玉米淀粉(P<0.05)。淀粉的凝沉性一般受到其他因素如淀粉乳浓度、植物来源、添加剂、pH、直支比和结构等的影响，在很大程度上限制了其应用。

表6 三种样品的析水率及凝沉值

注：同一列中均值后面的不同字母表示数据差异显著(P<0.05)，相同字母表示数据差异不显著(P>0.05)，数据表示为样本均值±标准差；下表亦同。

2.3.3 淀粉颗粒的电子扫描显微镜观察图

如图5所示，未处理的龙爪粟原粉由于淀粉颗粒还未分离，被组织包裹，因此淀粉颗粒整齐的排列在组织表面，经过脱脂与脱蛋白，淀粉得以从组织中释放出来，以颗粒的形态分布。玉米淀粉颗粒呈多面体，表面不光滑，有裂纹与凹陷点，大小分布不均一，极小颗粒淀粉的比例较低。龙爪粟淀粉颗粒的形状呈棱角分明的立体多边形，颗粒外貌较为光滑无裂痕，大小分布均匀。

注：a：龙爪粟原粉；b：龙爪粟淀粉；c：玉米淀粉；放大倍数为5 000倍。
图5 三种样品的扫描电镜观察图

分别测量三种样品颗粒在5 000倍电镜下的粒径，计算平均值，结果见表7。龙爪粟原粉的平均粒径显著高于脱脂脱蛋白的龙爪粟淀粉(P<0.05)，这与龙爪粟颗粒中淀粉表面包裹着大量蛋白质有关。龙爪粟淀粉的平均粒径显著小于玉米淀粉，而且龙爪粟淀粉的粒径分布范围较玉米淀粉小，这与扫描电镜观察的结果一致。

表7 三种样品的颗粒大小

2.3.4 淀粉颗粒结晶结构的测定

三种样品的X-射线衍射图谱如图6所示。天然淀粉根据X-射线衍射特征峰的强度和位置的不同，可分为A型，B型和C型三种。分别对三种样品进行测定，其中玉米淀粉的强衍射峰在18°出现，在15°、23°出现较强衍射峰，属于A型淀粉晶型[18]。而龙爪粟淀粉在15°、17°、18°、22°出现较强衍射峰，且根据X-射线衍射图谱知在23°存在一个强单峰，龙爪粟淀粉既具有A型晶型的特征，又具有B型晶型的特征，因此属于C型淀粉晶型。衍射特征峰除了受其植物来源的影响外，还与其他因素如直链淀粉含量、生长环境、水分含量和支链淀粉的链长等有关[19]。

图6 三种样品的X-射线衍射图谱

2.3.5 淀粉热力学性质的测定

三种样品在糊化过程中的DSC参数如表8所示。龙爪粟淀粉的糊化起始温度显著小于玉米淀粉(P<0.05)；但峰值温度、终止温度及糊化焓变均显著高于玉米淀粉(P<0.05)，这说明龙爪粟淀粉在糊化过程中需要更多的热量才能发生糊化，这可能是因为龙爪粟淀粉颗粒较小，结构较致密，吸水时膨胀度较小，所以需要更多的热量才能发生糊化。来源不同的淀粉因生长环境、加工条件、直支淀粉含量的比例以及分子结构等影响其热力学性质。

表8 三种样品的DSC参数

3 结论

利用响应面优化分析得到碱性蛋白酶提取龙爪粟淀粉的最佳工艺条件为：料液比1∶6，酶解温度51.55 ℃，酶解时间4.23 h，pH 9.99，此时龙爪粟淀粉提取率为76.41%。通过对龙爪粟淀粉的理化特性研究发现龙爪粟淀粉属于二度膨胀的小粒淀粉，属于C型淀粉晶型，冻融稳定性较差；在糊化过程中，较其他淀粉需要更多的热量才能发生糊化。本文为龙爪粟食品深加工以及其淀粉开发提供了一定的依据，但龙爪粟中蛋白质、矿物质、多酚等物质对淀粉的影响还有待进一步研究。