游新勇，李瓊

（安陽工學(xué)院生物與食品工程學(xué)院，河南安陽455000）

莜麥在我國(guó)的種植面積較大，內(nèi)蒙古是我國(guó)主要種植莜麥的地區(qū)之一，有著非常悠久的種植歷史，且莜麥營(yíng)養(yǎng)豐富[1-2]，具有很多保健功能[3-6]，尤其是賴氨酸和色氨酸含量特別高[7]，可以補(bǔ)充及改善我國(guó)的“賴氨酸缺乏癥”[8]。目前有關(guān)莜麥淀粉的研究國(guó)內(nèi)外報(bào)道較少，本試驗(yàn)選取莜麥粉提取淀粉，以促進(jìn)莜麥資源的開發(fā)與利用，提高莜麥的附加值。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于淀粉提取方法的研究主要有堿提法[9-10]、酶提取法[11-12]、微波輔助法[13-14]、超聲波輔助法[15-16]等，本試驗(yàn)在堿提取法的基礎(chǔ)上采用酶提取法制備莜麥淀粉，結(jié)合了堿法和酶法的優(yōu)點(diǎn)，目前應(yīng)用此法提取莜麥中淀粉的研究尚未見報(bào)道。本文以莜麥為原料，采用響應(yīng)面法對(duì)提取莜麥淀粉工藝進(jìn)行優(yōu)化，確定最佳工藝條件，并在此基礎(chǔ)上研究莜麥淀粉的性質(zhì)，為擴(kuò)大莜麥淀粉在食品行業(yè)及其它行業(yè)的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

莜麥：市售；堿性蛋白酶（200 000 U/g，最適pH值：7～12，最適溫度：35℃～55℃）：無錫市博立生物制品有限公司；葡萄糖、酒石酸鉀鈉、亞鐵氰化鉀（分析純）：天津市化學(xué)試劑三廠；無水乙醚、無水乙醇、氫氧化鈉、鹽酸、硫酸銅、次甲基藍(lán)（分析純）：天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司。

DFT-200提式高速萬能粉碎機(jī)：溫嶺市林大機(jī)械有限公司；JA5003電子分析天平：上海越平科學(xué)儀器有限公司；DHG-9023A電熱鼓風(fēng)干燥箱：上海一恒科學(xué)儀器有限公司；L-550臺(tái)式低速大容量離心機(jī)：長(zhǎng)沙湘儀離心機(jī)儀器有限公司；DL-1電子萬用爐：北京市永光明醫(yī)療儀器廠；SYC-15B超級(jí)恒溫水浴箱：南京桑力電子設(shè)備廠；NDJ-1旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)：上海森地科學(xué)儀器設(shè)備有限公司；UV-7504TC紫外可見分光光度計(jì)：上海欣茂儀器有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 莜麥淀粉酶法及堿法提取工藝流程

莜麥→除雜→洗凈自然晾干→粉碎→過篩（80目）→莜麥粉→乙醚脫脂（30℃，4 h）→脫脂莜麥粉→調(diào)漿→調(diào)節(jié)pH值、溫度→加入堿性蛋白酶→攪拌酶解→過濾（80目）→離心分離（3 500 r/min，15 min）→沉淀（棄上清液）→水洗→離心分離（3 500 r/min，15 min）→沉淀（棄上清液）→干燥（40℃，24h）→粉碎→過篩（80目）→莜麥淀粉

1.2.2 總淀粉含量的測(cè)定

參照GB 5009.9-2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中淀粉的測(cè)定》第一法。

1.3 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 酶添加量對(duì)莜麥淀粉總淀粉含量的影響

稱取一定量的脫脂莜麥粉，按料液比1∶6.3（g/mL）調(diào)漿，在pH10、酶解溫度55℃、酶解時(shí)間2 h條件下，考察酶添加量分別為1.0%、1.2%、1.4%、1.6%、1.8%時(shí)對(duì)莜麥淀粉中總淀粉含量的影響。

1.3.2 酶解溫度對(duì)莜麥淀粉總淀粉含量的影響

稱取一定量的脫脂莜麥粉，按料液比1∶6.3（g/mL）調(diào)漿，在pH10、酶添加量1.4%、酶解時(shí)間2 h條件下，考察酶解溫度分別為 35、40、45、50、55 ℃時(shí)對(duì)莜麥淀粉中總淀粉含量的影響。

1.3.3 酶解時(shí)間對(duì)莜麥淀粉總淀粉含量的影響

稱取一定量的脫脂莜麥粉，按料液比1∶6.3（g/mL）調(diào)漿，在pH10、酶添加量1.4%、酶解溫度50℃條件下，考察酶解時(shí)間分別為1、2、3、4、5 h時(shí)對(duì)莜麥淀粉中總淀粉含量的影響。

1.3.4 pH值對(duì)莜麥淀粉總淀粉含量的影響

稱取一定量的脫脂莜麥粉，按料液比1∶6.3（g/mL）調(diào)漿，在酶添加量1.4%、酶解溫度50℃、酶解時(shí)間3 h條件下，考察 pH 值分別為 7、8、9、10、11、12 時(shí)對(duì)莜麥淀粉中總淀粉含量的影響。

1.4 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取酶添加量（A）、pH值（B）、酶解溫度（C）、酶解時(shí)間（D）為影響因素，莜麥總淀粉含量為響應(yīng)值，進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。試驗(yàn)因素和水平表見表1。

表1 因素和水平表Table 1 Factors and levels table

1.5 莜麥淀粉性質(zhì)測(cè)定方法

1.5.1 溶解度與膨潤(rùn)力測(cè)定

50 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%的淀粉乳，于25℃下攪拌30 min后，以3 000 r/min的速度離心20 min，將上清液傾入烘干至恒重的鋁盒中，將鋁盒置于90℃的水浴上蒸干后移入干燥箱中，在105℃下烘干稱重，得到被溶解的淀粉質(zhì)量A，離心管中沉淀物的質(zhì)量P，按下列公式計(jì)算溶解度和膨潤(rùn)力[17]。

式中：A為被溶解的淀粉質(zhì)量，g；W為樣品干基質(zhì)量，g；P為離心管中沉淀物質(zhì)量，g。

1.5.2 黏度的測(cè)定

參照GB/T22427.7-2008《淀粉粘度測(cè)定》，稱取6.0 g莜麥淀粉，配制成5%的淀粉乳液，在沸水中加熱攪拌1 h，淀粉完全糊化后冷卻至室溫（25℃），用NDJ-1旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)定黏度值，儀器設(shè)定參數(shù)為3號(hào)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速30 r/min。

1.5.3 凍融穩(wěn)定性的測(cè)定

稱取定量的莜麥淀粉配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的淀粉乳，沸水浴中加熱攪拌15 min，冷卻至室溫（25℃）。稱取一定量的淀粉乳置于離心管中，在-20℃至-18℃的冰箱中冷凍24 h后取出，自然解凍。以3 000 r/min的速度離心15 min，棄去上清液，稱取沉淀物的質(zhì)量，計(jì)算凍融析水率[18]。

1.5.4 淀粉透明度的測(cè)定

稱取1 g莜麥淀粉配制成1%淀粉乳，取50 mL置于100 mL燒杯中，在沸水浴中加熱攪拌15 min，冷卻至25℃，在620 nm波長(zhǎng)處測(cè)透光率，即得到透明度[19]。

1.5.5 淀粉熱穩(wěn)定性的測(cè)定

稱取6 g莜麥淀粉配制成5%淀粉乳，沸水浴中加熱完全糊化1 h后，保溫測(cè)定黏度，繼續(xù)糊化1 h后再保溫測(cè)定黏度，記錄并比較，兩次測(cè)定值之間的差值越小，熱穩(wěn)定性越高。

1.6 統(tǒng)計(jì)處理

采用Excel 2007軟件進(jìn)行單因素的數(shù)據(jù)分析，并用Designer-Expert 8.0軟件進(jìn)行響應(yīng)面的數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)分析

2.1.1 酶添加量對(duì)莜麥淀粉總淀粉含量的影響

酶添加量對(duì)莜麥淀粉總淀粉含量的影響見圖1。

圖1 酶添加量對(duì)莜麥淀粉總淀粉含量的影響Fig.1 Effect of enzyme addition amount on total starch content of oat starch

由圖1可知，隨著堿性蛋白酶的增加，莜麥淀粉中總淀粉的含量呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢(shì)，當(dāng)酶添加量為1.4%時(shí)，總淀粉含量達(dá)最大值，隨后下降。分析原因可能是隨著堿性蛋白酶酶添加量的增加，對(duì)莜麥粉中的蛋白成分的分解能力相應(yīng)地增加，增強(qiáng)了淀粉與蛋白質(zhì)的分離，莜麥粉中總淀粉的含量增加；但繼續(xù)增加酶的用量會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)過度水解，暴露更多的疏水性基團(tuán)，蛋白質(zhì)發(fā)生疏水水合作用發(fā)生相互聚集，蛋白質(zhì)溶解度下降，使得蛋白與淀粉分離困難[20]，淀粉總含量下降。因此，酶添加量選取1.4%為宜。

2.1.2 pH值對(duì)莜麥淀粉總淀粉含量的影響

pH值對(duì)莜麥淀粉總淀粉含量的影響見圖2。

圖2 pH值對(duì)莜麥淀粉總淀粉含量的影響Fig.2 Effect of pH on total starch content of oat starch

由圖2可知，隨著堿量的增加，pH值在7～10范圍內(nèi)，總淀粉含量增加明顯，在pH10～12范圍內(nèi)呈下降趨勢(shì)。分析原因可能是氫氧化鈉溶液對(duì)蛋白質(zhì)分子的次級(jí)鍵特別是氫鍵有破壞作用，并使部分極性基團(tuán)發(fā)生解離，使得蛋白質(zhì)分子表面帶有相同電荷，從而對(duì)蛋白質(zhì)分子有增溶作用，隨著堿量的增加，增溶作用增加，促進(jìn)了淀粉和蛋白質(zhì)的分離[21-22]，總淀粉含量持續(xù)增加，但加堿量過大時(shí)，導(dǎo)致溶液變稠，莜麥粉和水的糊狀物過于黏滯，不利于淀粉顆粒的擴(kuò)散，影響莜麥淀粉與蛋白的分離效果，使得總淀粉含量下降。因此，pH值選取10為宜。

2.1.3 酶解溫度莜麥淀粉總淀粉含量的影響

酶解溫度對(duì)莜麥淀粉總淀粉含量的影響見圖3。

由圖3可知，酶解溫度在35℃～50℃范圍內(nèi)，總淀粉含量持續(xù)升高，當(dāng)酶解溫度高于50℃時(shí)，總淀粉含量緩慢下降。分析原因可能是隨著溫度的升高，淀粉的糊化作用加強(qiáng)，淀粉糊黏度增加，使得莜麥淀粉和蛋白的分離更加困難。因此，酶解溫度選取50℃為宜。

2.1.4 酶解時(shí)間對(duì)莜麥淀粉總淀粉含量的影響

酶解時(shí)間對(duì)莜麥淀粉總淀粉含量的影響見圖4。

圖4 酶解時(shí)間對(duì)莜麥淀粉總淀粉含量的影響Fig.4 Effect of enzymatic hydrolysis time on total starch content of oat starch

由圖4可知，酶解時(shí)間在1 h～2 h范圍內(nèi)，總淀粉含量快速增加；當(dāng)提取時(shí)間在2 h～3 h范圍內(nèi)，總淀粉含量增加緩慢；而當(dāng)酶解時(shí)間大于3 h時(shí)，總淀粉含量呈下降趨勢(shì)。分析原因可能是隨著酶解時(shí)間的增加，淀粉中蛋白的含量在不斷減少，莜麥淀粉的純度越來越高，總淀粉含量增加，但是酶解時(shí)間超過3 h后，莜麥粉中可能存在的微生物在適宜的溫度和濕度條件下進(jìn)行繁殖，酶解了一部分淀粉等碳源[23]，使總淀粉含量呈下降趨勢(shì)。因此，酶解時(shí)間選取3 h為宜。

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化莜麥淀粉提取和純化工藝條件

2.2.1 回歸方程的建立及顯著性分析

響應(yīng)曲面法優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Design and results for Box-Behnken test

續(xù)表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Continue table 2 Design and results for Box-Behnken test

通過Design-Expert 8.0軟件對(duì)表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到莜麥淀粉總淀粉含量對(duì)酶添加量（A）、pH 值（B）、酶解溫度（C）、酶解時(shí)間（D）的回歸方程為：

Y=64.95+4.52A-0.75B+1.99C+0.038D-1.90AB-2.88AC+0.098AD-4.00BC+2.09BD+4.25CD+3.45A2+0.33B2+1.88C2+3.97D2

回歸方程中各項(xiàng)系數(shù)絕對(duì)值的大小直接反映了各因素對(duì)響應(yīng)值的影響程度，系數(shù)的正負(fù)反映了影響的方向[24]，根據(jù)回歸方程的各項(xiàng)系數(shù)可知各因素對(duì)莜麥淀粉提取和純化的主次關(guān)系為：A＞C＞B＞D，即酶添加量＞酶解溫度＞pH值＞酶解時(shí)間。

對(duì)回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。

表3 回歸模型的方差分析Table 3 Variance analysis of regression modle

由表3可知，該模型的P=0.024 9＜0.05，說明試驗(yàn)所選用的二次多項(xiàng)模型具有顯著性，決定系數(shù)R2=0.748 8，失擬項(xiàng)P=0.861 0＞0.05不顯著，說明本試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c試驗(yàn)值擬合程度良好，試驗(yàn)誤差較小，可以作為分析和預(yù)測(cè)莜麥淀粉提取與純化工藝中總淀粉含量的模型。模型中一次項(xiàng)A極顯著（P＜0.01），二次項(xiàng)A2和 D2顯著（P＜0.05），其余不顯著（P＞0.05）。

2.2.2 因素交互作用

酶添加量（A）與 pH 值（B）、酶添加量（A）與酶解溫度（C）、酶添加量（A）與酶解時(shí)間（D）、pH 值（B）與酶解溫度（C）、pH 值（B）與酶解時(shí)間（D）、酶解溫度（C）與酶解時(shí)間（D）的交互作用對(duì)總淀粉含量的影響結(jié)果如圖5～圖10所示。

圖5 酶添加量與pH值的交互作用對(duì)總淀粉含量的影響Fig.5 Effect of enzyme dosage and pH value on total starch content

圖6 酶添加量與酶解溫度的交互作用對(duì)總淀粉含量的影響Fig.6 Effect of enzyme dosage and enzymolysis temperature on total starch content

圖7 酶添加量與酶解時(shí)間的交互作用對(duì)總淀粉含量的影響Fig.7 Effect of enzyme dosage and enzymolysis time on total starch content

圖8 pH值與酶解溫度的交互作用對(duì)總淀粉含量的影響Fig.8 Effect of pH value and enzymolysis temperature on total starch content

圖9 pH值與酶解時(shí)間的交互作用對(duì)總淀粉含量的影響Fig.9 Effect of pH value and enzymolysis time on total starch content

圖10 酶解溫度與酶解時(shí)間的交互作用對(duì)總淀粉含量的影響Fig.10 Effect of enzymolysis temperature and enzymolysis time on total starch content

等高線是橢圓形，則表示兩因素交互作用較大，越趨近于圓形則表示交互作用越弱，同時(shí)沿因素軸向等高線變化越密集，該因素對(duì)響應(yīng)值影響越大，反之越小[25]。比較圖5～圖10可知，4個(gè)因素對(duì)莜麥淀粉總淀粉含量影響大小順序依次為：A＞C＞B＞D，結(jié)果與表3一致。酶添加量對(duì)莜麥淀粉總淀粉含量的影響最大，酶解溫度和酶解時(shí)間交互作用較其他因素間作用明顯。

2.2.3 回歸模型的驗(yàn)證

通過Design-Expert8.0軟件分析得出，莜麥淀粉的最佳提取與純化工藝參數(shù)為：酶添加量1.6%、pH 9、酶解溫度55℃、酶解時(shí)間3.99 h，此條件下莜麥淀粉總淀粉含量為87.06%。考慮實(shí)際操作，將上述最佳參數(shù)中的酶解時(shí)間調(diào)整為4 h，其余不變，在此條件下重復(fù)3次試驗(yàn)，莜麥淀粉總淀粉含量分別為86.82%、86.58%、86.73%，平均值為86.71%，與理論預(yù)測(cè)值相比，其相對(duì)誤差約為0.40%，該值在可接受的范圍之內(nèi)。因此，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)所得的最佳工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

2.3 莜麥淀粉性質(zhì)分析

莜麥淀粉品質(zhì)分析見表4。

表4 莜麥淀粉品質(zhì)分析Table 4 Quality analysis of oat starch

由表4可知，在25℃條件下，莜麥淀粉的溶解度為10%，膨潤(rùn)力為14.32%，凍融析水率為38.12%，透明度為1.853%，與趙全等[19]研究的4種淀粉性質(zhì)相比，莜麥淀粉溶解度較小，膨潤(rùn)力較低，透明度和凍融穩(wěn)定性較差，易發(fā)生凝沉現(xiàn)象。因此，莜麥淀粉需要進(jìn)行一定改性之后才能更好的應(yīng)用于食品及化學(xué)工業(yè)。

3 結(jié)論

莜麥淀粉總淀粉含量的影響因素按影響主次順序依次為：酶添加量＞酶解溫度＞pH值＞酶解時(shí)間。響應(yīng)面法最終確定莜麥淀粉提取和純化的最佳工藝條件為：酶添加量1.6%、酶解溫度55℃、pH 9、酶解時(shí)間4 h，在此條件下莜麥淀粉總淀粉含量為86.71%。莜麥淀粉溶解度較小，膨潤(rùn)力較低，透明度和凍融穩(wěn)定性較差，更好的應(yīng)用于食品及化學(xué)領(lǐng)域仍需進(jìn)一步研究。