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        莜麥淀粉的提取工藝優(yōu)化及其相關(guān)特性研究

        2020-10-22 02:08:50肖云峰錢新宇韓運(yùn)祺
        中國糧油學(xué)報 2020年9期
        關(guān)鍵詞:莜麥脫脂固液

        王 娜 肖云峰 錢新宇 韓運(yùn)祺

        (內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院1,呼和浩特 010110) (內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)新藥安全評價研究中心2,呼和浩特 010110)

        莜麥亦稱裸燕麥,是燕麥的一種,屬禾本科燕麥屬,是一年生草本作物,是一種古老糧種[1]。莜麥種子膳食纖維含量較高,可以降低膽固醇、降低血壓,在調(diào)節(jié)血脂血糖、改善腸道菌群、調(diào)節(jié)機(jī)體免疫力等方面有重要作用[2-7]。莜麥淀粉具有其獨(dú)特的優(yōu)勢,具有良好的開發(fā)前景。莜麥淀粉具有吸油率高、水溶性低的特點(diǎn),可作為一種易揮發(fā)、脂溶性高活性成分的包衣材料以及靶向給藥的包衣應(yīng)用于醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域。

        淀粉的提取方式有很多種,主要有堿提法、酶解法、超聲法、水提法、微波輔助等。陳子月等[8]研究表明堿提法直鏈淀粉比酶解法含量多,堿提法大米淀粉對溫度更為敏感,2種大米淀粉的淀粉-碘可見光吸收光譜大致相似。張芳芳等[9]采用超聲法提取茶葉籽淀粉,在最優(yōu)條件下提取的茶葉籽淀粉蛋白質(zhì)含量為0.54%,灰分0.17%,溶解力22.19%,膨脹力40.75%;SEM圖像表明,茶葉籽淀粉顆粒呈規(guī)則的球形,平均粒度大小為1718 nm;紅外光譜分析發(fā)現(xiàn),茶葉籽淀粉處于締合狀態(tài)的氫鍵較多。張杰[10]運(yùn)用堿浸法提取黑米淀粉,淀粉顆粒形貌為不規(guī)則的多角形結(jié)構(gòu),黑米淀粉的平均粒徑為(4.39±0.11) μm。王璐陽等[11]研究了脫皮油莎豆壓榨餅中提取淀粉的工藝條件,油莎豆壓榨餅淀粉與油莎豆原料淀粉無較大差別,顆粒范圍是2~18 μm,具有相對光滑的表面結(jié)構(gòu)且淀粉粒度均小于玉米淀粉。淀粉的提取以及相關(guān)特性對于食品與藥品都有重要意義,但目前鮮有關(guān)于莜麥淀粉的提取與特性研究的文獻(xiàn)報道,本研究采用脫脂堿提復(fù)合法提取莜麥淀粉,單因素-正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化提取工藝,結(jié)合掃描電子顯微鏡、熒光倒置相差顯微鏡、紅外光譜儀和核磁共振對樣品進(jìn)行表征分析,研究莜麥淀粉的組成成分,旨在改進(jìn)和優(yōu)化莜麥淀粉的提取方法,以期為后來更深層次的研究提供參考。

        1 材料與方法

        1.1 材料與試劑

        莜麥種子購自內(nèi)蒙古武川縣;氘代二甲基亞砜(≥99.7%)。

        1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

        DM2000熒光倒置相差顯微鏡,IRAffinity-1紅外分光光度計,S-4800冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡,Bruker Avance 600MHz固體核磁共振波譜儀,3K15離心機(jī),HH-S恒溫水浴鍋,BGZ-240電熱鼓風(fēng)干燥箱,HZ-9212s恒溫振蕩器,XS2-4-10箱式電阻爐。

        1.3 實(shí)驗(yàn)方法

        1.3.1 莜麥淀粉提取流程

        莜麥種子→粉碎→過篩→脫脂(石油醚重復(fù)脫脂三次)→脫脂莜麥粉→堿液提取→離心→水洗→干燥→莜麥淀粉

        莜麥種子粉碎成粉末后,過80目篩,即為原料莜麥粉。將原料莜麥粉加入到石油醚中進(jìn)行脫脂,搖床低溫振搖,時長30 min,振搖過后加入離心管中進(jìn)行離心,離心條件為3 000 r/min,15 min,離心完成后,快速傾去上層黃色液體。操作共重復(fù)3次,直至脫脂后的石油醚接近無色為止。取出置于40 ℃烘箱中烘干。以1∶10的固液比加入pH 9.5的NaOH于已經(jīng)烘干的脫脂莜麥粉中,置于搖床上50 ℃,振搖2 h。離心,棄去黃色液體,所得固體與水混勻,過600目篩,除去黃色的纖維,加入適量的蒸餾水,靜置,分層,棄去上清液,下層白色固體置于45 ℃烘箱中烘干即得莜麥淀粉。

        1.3.2 單因素實(shí)驗(yàn)

        對影響莜麥淀粉提取率的固液比、搖床溫度和振搖時間進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn),確定這3個因素的合適水平以進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。

        1.3.2.1 不同固液比對莜麥淀粉提取率的影響

        脫脂莜麥粉在NaOH(pH 9.5)浸泡的情況下50 ℃水溫的搖床振搖2 h,固液比設(shè)置為1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶14,提取莜麥淀粉。

        1.3.2.2 搖床溫度對莜麥淀粉提取率的影響

        脫脂莜麥粉在NaOH(pH 9.5)浸泡的情況下?lián)u床振搖, 固液比設(shè)置為1∶10,時間設(shè)置為120 min,搖床溫度設(shè)為30、40、50、60、70 ℃,提取莜麥淀粉。

        1.3.2.3 搖床振搖時間對莜麥淀粉提取率的影響

        脫脂莜麥粉在NaOH(pH 9.5)浸泡的情況下?lián)u床振搖,固液比設(shè)置為1∶10,振搖時間分別為80、100、120、140、160 min。

        1.3.3 提取莜麥淀粉的影響因素正交實(shí)驗(yàn)

        根據(jù)單因素的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并考慮到控制生產(chǎn)成本等目的,設(shè)計三因素三水平正交實(shí)驗(yàn),三因素選定為固液比(A)、搖床溫度(B)、搖床振搖時間(C)。為了排除系統(tǒng)誤差的影響,實(shí)驗(yàn)對各因素的排列順序進(jìn)行了無序重組,因素與水平設(shè)計如表1所示。

        表1 莜麥淀粉提取正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計表

        1.3.4 莜麥淀粉提取物成分的測定

        1.3.4.1 水分的測定

        水分含量的測定方法參照GB 5009.3—2016中的直接干燥法。

        X=(m1-m2)/(m1-m3)

        式中:X為樣品水分的含量/g/100 g;m1為稱量瓶+試樣質(zhì)量/g;m2為稱量瓶+試樣干燥后質(zhì)量/g;m3為稱量瓶質(zhì)量/g

        1.3.4.2 灰分的測定

        莜麥淀粉的灰分測定方法參照GB 5009.4—2016進(jìn)行測定。

        X=(m1-m2)/(m1-m3)

        式中:X為試樣中灰分的含量/g/100 g;m1為坩堝+灰分的質(zhì)量/g;m2為坩堝的質(zhì)量/g;m3為坩堝+試樣的質(zhì)量/g。

        1.3.4.3 脂肪的測定

        莜麥淀粉的脂肪測定方法參照GB 5009.6—2016進(jìn)行測定。

        X=(m1-m0)/m1

        式中:X為試樣中脂肪的含量/g/100 g;m1為恒重后接收瓶和脂肪的質(zhì)量/g;m0為接收瓶的質(zhì)量/g;m2為試樣的質(zhì)量/g。

        1.3.4.4 蛋白質(zhì)的測定

        莜麥淀粉的蛋白質(zhì)測定方法參照GB 5009.5—2016進(jìn)行測定。

        式中:X為試樣中蛋白質(zhì)的含量/g/100 g;M為試樣的質(zhì)量/g;V1為試液消耗硫酸標(biāo)準(zhǔn)滴定液的體積/mL;V3為吸收消化液的體積/mL;V2為試液空白消耗硫酸標(biāo)準(zhǔn)滴定液的體積/mL;F為氮換算為蛋白質(zhì)的系數(shù);C為硫酸標(biāo)準(zhǔn)滴定液濃度/mol/L;100為換算系數(shù)。

        1.3.5 莜麥淀粉顆粒形貌的測定

        1.3.5.1 光學(xué)顯微鏡莜麥淀粉顆粒形貌的測定

        樣品少許均勻置于載玻片上,滴加香柏油少許,顯微鏡下觀察,拍照。

        1.3.5.2 掃描電鏡(SEM)莜麥淀粉顆粒形貌的測定

        SEM樣品臺上貼導(dǎo)電膠,將制備得樣品粉末撒在導(dǎo)電膠上,稍微施壓使部分樣品粉末陷入到導(dǎo)電膠膠基,刀片輕輕地刮去表面多余的復(fù)合物粉末,立即噴金,電子顯微鏡觀察,拍照。

        1.3.6 傅立葉紅外光譜法(FT-IR)

        將莜麥淀粉樣品和溴化鉀在105 ℃干燥至恒重,除去莜麥淀粉中的結(jié)晶水或者游離水,消除樣品中水分子的存在對紅外吸收峰的干擾。以1∶100稱取莜麥淀粉樣品及溴化鉀粉末,將其研磨均勻,將研磨后的粉末裝入壓片模具中抽真空壓制成一薄片,放入紅外光譜儀中進(jìn)行掃描,以溴化鉀薄片進(jìn)行背景掃描,掃描波數(shù)400~4 000 cm-1,掃描次數(shù)32次,分辨率為4 cm-1。

        1.3.7 核磁共振法(NMR)

        精密稱取樣品約0.1 g置于離心管中,加入氘代二甲基亞砜0.8 mL,超聲5 min溶解,震蕩搖勻后,轉(zhuǎn)入核磁管靜置待測,采用Bruker Avance 600 MHz固體核磁共振波譜儀。

        1.4 數(shù)據(jù)處理

        每個實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次,結(jié)果表現(xiàn)為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差,用Origin8.0軟件作圖。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

        2.1.1 固液比對莜麥淀粉提取率的影響

        由圖1可知,在控制振蕩器溫度以及振搖時間不變的情況下,隨著固液比的增加,提取率呈先上升后下降趨勢。適宜的固液比能夠提高莜麥淀粉的提取率,投料過多,使莜麥種子粗粉未能充分接觸堿提取液,造成莜麥淀粉的損失,堿提取液過多,導(dǎo)致后續(xù)操作步驟繁瑣,造成不必要的人力與物力的浪費(fèi),甚至引起褐變。張晶等[2]研究表明,因燕麥中富含膳食纖維具有較強(qiáng)的吸水膨脹能力,料液比較小時,溶液較黏稠,流動性差,不利于淀粉分子的釋放,隨著料液比的增加,增大了燕麥與溶劑的接觸面積,使得淀粉提取率增加。當(dāng)料液比大于1∶10 (g/mL)時,燕麥淀粉提取率下降,可能是由于堿溶液過多導(dǎo)致溶液黏度變大,分子擴(kuò)散速率降低,且堿溶液用量的增大會增加后續(xù)排廢的難度。與本實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致,因此將固液比定在1∶10。

        2.1.2 溫度對莜麥淀粉提取率的影響

        由圖1可知,在控制固液比以及振搖時間不變的情況下,隨著溫度的升高,提取率呈先上升后下降趨勢,此種表現(xiàn)的原因可能是,溫度過高,莜麥淀粉可能發(fā)生糊化從而降低提取率,溫度過低,莜麥淀粉可能未被充分堿化,不能有效的從蛋白質(zhì)上脫離下來,從而降低提取率。袁曉麗[12]提取藜麥淀粉報道中提到,在一定溫度范圍,一定NaOH的作用下,使淀粉和蛋白質(zhì)的結(jié)合變得疏松,加速了蛋白質(zhì)分子運(yùn)動,使得蛋白質(zhì)容易從藜麥中溶解出來;但是,當(dāng)溫度高于50 ℃時,蛋白質(zhì)發(fā)生變性,黏度增加,淀粉和蛋白質(zhì)的分離變得困難;另外,溫度過高也會導(dǎo)致淀粉的糊化,從而降低了淀粉的得率。與本實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致,因此將溫度選取在其有最高提取率時,即50 ℃。

        2.1.3 振搖時間對莜麥淀粉提取率的影響

        由圖1可知,在控制固液比以及溫度不變的情況下,隨著振搖時間的增加,莜麥淀粉的提取率呈先上升后下降趨勢。此種表現(xiàn)原因可能是,時間較短的情況下,堿液與莜麥種子粗粉可能未能充分混勻,時間過長,莜麥種子粗粉可能堿化時間過長,莜麥淀粉與堿液發(fā)生反應(yīng)故損失一部分,提取率從而降低。沈生文[13]提取大麥芽淀粉報道中提到,攪拌的剪切力等作用,可以使溶液變稀,體系黏度下降,也可以使大麥芽粉與提取液充分接觸,提取液可充分進(jìn)入大麥芽內(nèi)部,可以使提取液的堿度均勻,且攪拌過程中發(fā)生的碰撞也進(jìn)一步使淀粉從大麥芽組織中游離出來。但攪拌時間過長,淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)變得疏松 ,不利于沉淀。因而影響了淀粉提取率。這與本實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致,因此將振搖時間定在120 min。

        圖1 不同處理對莜麥淀粉提取率的影響

        2.2 正交實(shí)驗(yàn)

        稱取莜麥種子粗粉9份,每份5 g,精密稱定,按表2的順序依次進(jìn)行實(shí)驗(yàn),不同條件下莜麥淀粉的提取率結(jié)果見表3。

        表2 莜麥淀粉的影響因素的正交實(shí)驗(yàn)

        表3中各因素對莜麥淀粉的提取率依次為B>A>C,恒溫振蕩器的溫度影響最大,接下來依次為固液比以及恒溫振蕩器的振搖時間,最佳條件為A2B2C2,即固液比為1∶10。搖床溫度為50 ℃,振搖時間為2 h,測得莜麥淀粉的提取率為73.26%

        表3 正交實(shí)驗(yàn)極差分析

        2.3 莜麥淀粉提取物成分的測定

        由表4可知,莜麥種子組成成分含量排序:脂肪>水分>蛋白質(zhì)>灰分,脂肪含量最多,達(dá)8.43 g/100 g,付麗紅等[14]報道中指出藜麥中脂肪含量5.97。比較莜麥種子與莜麥淀粉淀粉中脂肪含量和蛋白質(zhì)含量,莜麥淀粉中含量較少。這說明石油醚能有效脫去莜麥種子中脂溶性大的物質(zhì)以及蛋白質(zhì)在一定的堿性條件下易與淀粉分離,從而得到較純凈莜麥淀粉。淀粉與蛋白質(zhì)的緊密結(jié)合是淀粉提取中最難解決的一大難題,乙醇對蛋白質(zhì)外膜的水化層起到一定的脫水作用,堿性蛋白酶對蛋白質(zhì)具有一定的破壞與增溶作用。

        表4 莜麥種子、莜麥淀粉組成成分/g/100 g

        2.4 莜麥淀粉顆粒形貌的測定

        由圖2、圖3可知,莜麥淀粉顆粒較小,且粒徑大小不一致,莜麥淀粉顆粒形狀不規(guī)則,呈多角型或橢圓形,屬于小顆粒淀粉;部分淀粉顆粒表面有凹陷,由于莜麥淀粉和蛋白質(zhì)結(jié)合非常緊密,這種凹陷可能是由于在生長過程中,蛋白質(zhì)擠壓淀粉表面而形成的,還有可能是提取淀粉的過程中,淀粉從蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中釋放時,淀粉顆粒受到破壞而形成的,淀粉的提取,即破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)以及破壞淀粉顆粒與母體的結(jié)合,細(xì)胞質(zhì)中含有大量的酚類,而多酚氧化酶位于細(xì)胞膜,破壞前彼此分離,無相互作用,破壞后相互接觸,形成醌,繼而形成黑色素,影響淀粉的白度,故可加入亞硫酸鈉以及VC等抑制劑[15,16]。

        圖2 莜麥淀粉顆粒光學(xué)顯微鏡

        圖3 莜麥淀粉顆粒電子顯微鏡

        2.5 傅立葉紅外光譜法(FT-IR)

        由圖4可知,莜麥淀粉在400~4 000 cm-1范圍內(nèi)有多個吸收峰,主要在3 394 cm-1處有一個寬闊的吸收峰,為O—H 伸縮振動峰;在2 920 cm-1處有C—H 的伸縮振動吸收峰;在1 653 cm-1左右有H—O—H吸收峰;在1 417 cm-1處有O—H的伸縮振動吸收峰;在1 155、1 078、1 025 cm-1處有C—O伸縮振動吸收峰。這與楊慧等[17]、任靜等[18]以及張榮飛等[19]結(jié)論基本一致。

        圖4 莜麥淀粉的紅外吸收光譜圖

        2.6 核磁共振法(NMR)

        由圖5可知,化學(xué)位移為40左右的為溶劑氘代二甲基亞砜的特征峰。C1的化學(xué)位移為 100.49,C2的化學(xué)位移在72.38,C3的化學(xué)位移在73.67,C4的化學(xué)位移在72.18,C5的化學(xué)位移在79.16,C6的化學(xué)位移為60.89。這與張舒等[20]、王萍萍等[21]結(jié)論基本一致。

        圖5 莜麥淀粉的核磁共振13C譜

        3 討論

        以莜麥為原料,應(yīng)用脫脂堿提復(fù)合法提取莜麥淀粉,在通過單因素分析以及正交實(shí)驗(yàn)對莜麥淀粉的提取進(jìn)行優(yōu)化,并對其相關(guān)特性進(jìn)行研究。脫脂堿提復(fù)合法是一種常見淀粉提取方法,李丹丹[22]運(yùn)用響應(yīng)面優(yōu)化堿法提取青稞淀粉,葉俊等[23]運(yùn)用堿提法提取火山葛粉淀粉。這可能是由于在一定的堿性條件下,利于蛋白質(zhì)與淀粉分離,蛋白質(zhì)從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)脫落,部分蛋白溶于水,隨著淀粉的慢慢沉淀而分離。運(yùn)用光學(xué)顯微鏡與電子顯微鏡發(fā)現(xiàn),莜麥淀粉顆粒較小,且粒徑大小不一致,莜麥淀粉顆粒形狀不規(guī)則,呈多角型或橢圓形,屬于小顆粒淀粉,部分淀粉顆粒表面有凹陷。這可能是由于淀粉與蛋白質(zhì)緊密結(jié)合,生長過程中相互擠壓形成,也有可能是粉碎過程中破壞了其結(jié)構(gòu)。吳會琴等[24]報道白蕓豆淀粉和小利馬豆淀粉都呈現(xiàn)出顆粒表面光滑,無棱角,無裂痕和大小不一的形態(tài)特征。紅外光譜與核磁共振分析發(fā)現(xiàn),莜麥淀粉的譜圖為典型的淀粉圖譜。

        莜麥淀粉可作為一種條件寬泛的包合物壁材,目前,最常見的包合物壁材是環(huán)糊精,但環(huán)糊精對其包合對象的分子大小要求極為嚴(yán)格,這直接制約了該類壁材的使用。目前,環(huán)糊精類包材只應(yīng)用于藥物或風(fēng)味物質(zhì)的增溶領(lǐng)域。淀粉在不失安全性的前提下,對包合對象的分子大小要求寬松,包埋率較高,能將客體分子包埋于螺旋結(jié)構(gòu)中形成相應(yīng)的包合物,是潛在的最佳包材研究對象。

        4 結(jié)論

        本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用單因素-正交實(shí)驗(yàn)對莜麥淀粉的提取方法改善,以提取率為指征,找到一種適用于莜麥淀粉的提取方法-脫脂堿提復(fù)合法。通過對其組成成分分析,發(fā)現(xiàn)莜麥含油量較高,莜麥淀粉蛋白含量和脂肪含量較少。光學(xué)顯微鏡和SEM表明,莜麥淀粉粒徑大小不一致,呈多角型或橢圓形,屬小顆粒淀粉。紅外光譜和核磁共振表明,莜麥淀粉的譜圖為典型的淀粉圖譜。

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