高菲 ，李欣 ，劉紫薇 ，李志江 ，2，張東杰 ，2，張洪微

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學食品學院，大慶 163319；2.黑龍江省雜糧加工及質(zhì)量安全工程技術(shù)研究中心）

高粱是世界上種植面積僅次于小麥、玉米、水稻、大麥的第五大谷類作物[1]，已成為我國重要的雜糧作物之一[2-4]。高粱營養(yǎng)豐富，尤其富含淀粉，其含量最高可達75%[5-6]，因此高粱不失為一種優(yōu)良的淀粉生產(chǎn)原料。

目前，常見的淀粉提取方法有堿法[7]、表面活性劑法[8]、超聲波法[9]以及酶法[10]等，其中堿法工藝比較成熟，是常用的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)方式[11]。這些方法也被應用于高粱淀粉的提取研究中，早在1998 年，鄒劍秋等[12]采用濕磨法分離出了優(yōu)質(zhì)的高粱淀粉。隨后幾年對高粱淀粉的提取研究多采用濕磨法，并對其進行了深入研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)此法提取的高粱淀粉無法達到理想的色澤和純度，而達到優(yōu)質(zhì)色澤與純度時，其產(chǎn)率和回收率又不高[13]。近年來，超聲波萃取結(jié)合堿法[14]和中性蛋白酶法[15]被應用于高粱淀粉的提取中，提高了淀粉提取率和品質(zhì)，但未見有其他方法用于高粱淀粉提取研究中的報道。

高粱淀粉的理化性質(zhì)受高粱品種、直/支鏈淀粉比等因素顯著影響[16-19]。田曉紅等[20]對我國高粱主產(chǎn)區(qū)的20 種高粱淀粉的微觀結(jié)構(gòu)、物理特性、糊化回生特性及熱特性進行比較研究，發(fā)現(xiàn)不同品種高粱淀粉之間差異較大。陸勇[7]對5 種高粱淀粉的理化性質(zhì)進行研究，結(jié)果表明不同高粱淀粉的凍融穩(wěn)定性、黏度和透明度是有差異的。沈舒民[21]對17 種高粱淀粉的結(jié)構(gòu)、理化和功能特性進行了全面系統(tǒng)的測定與分析，結(jié)果也表明各品種之間在理化性質(zhì)上存在顯著差異。因此為將特定品種的高粱淀粉應用于食品加工生產(chǎn)中，需對此高粱淀粉的理化性質(zhì)進行深入研究。

龍雜13 號高粱主要種植于黑龍江省，較其他白高梁品種相比，粗淀粉含量較高為75.35%，且富含0.24%賴氨酸，具有耐密植以及抗倒伏等優(yōu)點。因此，以龍雜13 號高粱為原料，分別采用堿法、中性蛋白酶法和超聲波輔助中性蛋白酶法提取高粱淀粉，確定最優(yōu)的提取條件；測定分析高粱淀粉的理化性質(zhì)，為高粱淀粉的生產(chǎn)和在食品中的應用提供理論依據(jù)，為高粱的深加工提供有效途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

高粱：大慶地產(chǎn)，龍雜13 號；中性蛋白酶（活力84 536 U·g-1菌種：枯草芽孢桿菌）：北京奧博星生物技術(shù)有限責任公司；α-淀粉酶（酶活性≥4 000 U·g-1）：北京奧博星生物技術(shù)有限責任公司；其他試劑均為分析純。

1.1.2 主要儀器

pHS-3C 型精密pH 計（上海雷磁儀器廠）；FW/100 粉碎機（廈門東星機械工貿(mào)有限公司）；FA1104A分析天平（上海壘固儀器有限公司）；TD5A 離心機（長沙英泰儀器有限公司）；DGG-9140 電熱恒溫鼓風干燥箱（上海森信試驗儀器有限公司）；SK-1 快速均勻器（江蘇省金壇市金城國際試驗儀器廠）；THZ-82水浴恒溫振蕩器（江蘇省榮華儀器制造有限公司）；HS6150D 型超聲儀（恒奧科技有限公司）；722S 可見分光光度計（上海精密科學儀器有限公司）；JJ-2 型組織搗碎勻漿機（金壇市榮華儀器制造有限公司）；超聲波處理器（上海生析超聲儀器有限公司）；RVA-4500 快速黏度分析儀（波通瑞華科學儀器有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 高粱淀粉提取方法

（1）高粱粗粉的制備

將清洗干凈的高粱用蒸餾水浸泡12 h，用組織搗碎勻漿機打碎后過80 目篩，取過篩后的液體3 000 r·min-1離心 10 min，棄去上清液，沉淀刮去上層雜質(zhì)后40 ℃烘干得高粱粗粉。

（2）堿法提取高粱淀粉

取一定量的高粱粗粉，加入一定濃度的NaOH溶液浸泡，在恒溫水浴振蕩器中反應一定的時間。將混合液離心，棄去上清液，將沉淀過濾，將濾液置于燒杯中，加鹽酸至中性，再離心3 次棄去上清液，將沉淀取出置，于40 ℃烘箱中干燥24 h 進行烘干，得到高粱淀粉。

（3）中性蛋白酶法提取高粱淀粉

稱取一定量的高粱粗粉置于燒杯中，按單因素試驗設計加入一定量pH 值磷酸緩沖液后，再加入中性蛋白酶酶解一定時間。反應完成后將酶解液在3 000 r·min-1下離心 10 min，沉淀置于 80 目的尼龍紗布上用蒸餾水沖洗，棄去濾渣，濾液再次3 000 r·min-1離心10 min，得沉淀，刮去上層灰色留中間白色淀粉，再次用蒸餾水清洗、離心反復2 次，沉淀在40 ℃的干燥箱內(nèi)干燥24 h，最終得白色高粱淀粉。

（4）超聲波輔助中性蛋白酶法提取高粱淀粉

將10 g 高粱粗粉置于碘量瓶中，加入固液比為1∶2（g∶mL）的中性蛋白酶和緩沖溶液混勻后放入 45 ℃的水浴恒溫振蕩器中酶解2 h。將酶解液再進行超聲處理（或先超聲處理再進行酶解），然后3 000 r·min-1離心10 min 得沉淀，沉淀刮去表層雜質(zhì)，再次用蒸餾水清洗、離心反復2 次，沉淀在40 ℃的干燥箱內(nèi)干燥24 h，最終得白色高粱淀粉。

1.2.2 單因素試驗設計

（1）堿法提取高粱淀粉單因素試驗設計

設計NaOH 濃度（質(zhì)量濃度）、反應溫度、反應時間和料液比4 個因素進行單因素試驗，單因素試驗設計見表1。

表1 單因素試驗設計表Table 1 Single-factor experimental design conditions

（2）中性蛋白酶法提取高粱淀粉單因素試驗設計

高粱中蛋白質(zhì)常與淀粉分子聚合在一起，因此為提高淀粉的提取率可通過分解高粱淀粉分子上的蛋白質(zhì)而實現(xiàn)。通過課題組預實驗，得出單因素試驗范圍見表2。

表2 單因素實驗設計表Table 2 The single factor test

（3）超聲波輔助中性蛋白酶法提取高粱淀粉單因素試驗設計

通過超聲波的空穴效應及振動，打開蛋白質(zhì)與淀粉分子之間的弱鍵，促進蛋白質(zhì)等分子從淀粉分子上解離，進而提高淀粉的得率和純度。超聲波輔助中性蛋白酶法提取高粱淀粉的單因素試驗設計見表3。

表3 單因素試驗設計表Table 3 Single-factor experimental design test

1.2.3 正交試驗設計

分別根據(jù)3 種提取方法的單因素試驗結(jié)果設計正交試驗，根據(jù)結(jié)果獲得最佳提取的條件。

1.2.4 理化指標測定方法

（1）淀粉含量的測定及淀粉得率的計算

淀粉的含量通過采用GB 5009.9-2016 中標注的酶水解法進行測定并計算[22]。

高粱淀粉得率的計算：

式中：M淀粉：提取的高粱粗淀粉質(zhì)量/g；M高粱粉：原料高粱粉質(zhì)量/g。

（2）凍融穩(wěn)定性的測定

凍融穩(wěn)定性的測定參照文獻［23-24］，將淀粉樣品加水配制成6.0%的懸浮液。在水浴振蕩30 min 后，取出冷卻至室溫，將淀粉糊樣品至塑料管中并放置到冰箱中冷凍約24 h，取出放置室溫解凍，在3 000 r·min-1的條件下離心20 min，棄上清液，留下沉淀物質(zhì)并稱重，反復進行3 次試驗，取其平均值作為樣品淀粉的析水率。計算公式如公式（2）所示。

式中：M 為離心前淀粉凝膠的質(zhì)量/g；m 為沉淀物的質(zhì)量/g。

（3）溶解度和膨脹度的測定

高粱淀粉溶解度及膨脹度的測定參照文獻［25］，準確稱取5 份50 mg 的樣品淀粉于燒杯中，分別加入5 mL 的蒸餾水并用玻璃棒充分攪拌。在50 ℃下加熱攪拌30 min，進行冷卻，以3 000 r·min-1離心20 min，將上清液于105 ℃的條件下干燥至恒重，即得可溶質(zhì)稱重為A，下層沉淀物收集并稱重為P。溶解度計算公式見公式（3）；膨脹度計算公式見公式（4）。

式中：A 為水溶淀粉的質(zhì)量/g；P 為膨脹淀粉的質(zhì)量/g；W 為淀粉樣品的含量/g；S 為溶解度。

（4）透光率的測定

透光率的測定參照文獻［26］：將淀粉樣品加水配制成1%淀粉懸浮液，水浴加熱約30 min，待其充分糊化后取出，使其快速冷卻至25 ℃。放置在分光光度計中在650 nm 波長處測定淀粉懸浮液的透光率。并采用純水重復試驗作為對照實驗。

（5）黏度的測定

在分析天平中分別準確稱取高粱淀粉2 g 置于快速黏度儀鋁盒中，加入25 mL 蒸餾水并用玻璃棒充分攪拌后進行測定：樣品升溫，50 ℃運行1 min，繼續(xù)升溫至95 ℃維持5 min，接著冷卻至50 ℃維持2 min，得出樣品糊化曲線，記錄成糊溫度、峰值黏度、谷值黏度等參數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 軟件和Excel 2010 進行數(shù)據(jù)處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 堿法提取高粱淀粉試驗結(jié)果與分析

2.1.1 單因素試驗結(jié)果與分析

各因素對高粱淀粉得率的影響見圖1。由圖1 可知，隨著各因素的變化高粱淀粉得率均呈先升后降趨勢。適宜濃度的NaOH 溶液有利于高粱淀粉的溶出，但過高的濃度會促使淀粉糊化，反而不利于淀粉與蛋白質(zhì)的分離；升高料液比使堿液與高粱粉充分接觸更有利于堿液作用，但料液比過高會使反應物濃度下降，反應速度趨緩；過高的反應溫度和過長的反應時間也會明顯降低淀粉得率，這與高溫下淀粉糊化及堿液開始破壞淀粉分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。因此根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選NaOH 濃度分別為0.3%、0.4%、0.5%，料液比 1∶10、1∶15、1∶20（g∶mL），反應溫度 30、35、40 ℃，反應時間 1.5、2.0、2.5 h 進行正交試驗。

圖1 堿法不同因素對高粱淀粉得率的影響Fig.1 Effect of alkali method on the extraction rate of sorghum starch

2.1.2 正交試驗結(jié)果與分析

根據(jù)單因素試驗結(jié)果設計正交試驗，因素水平見表4，正交試驗結(jié)果見表5。

表4 正交試驗因素水平表Table 4 Level of factors for orthogonal test

表5 正交試驗結(jié)果表L9（34）Table 5 Orthogonal test results table L9（34）

由表5 可知，堿法對高粱淀粉提取實驗下，NaOH 濃度、反應溫度、反應時間、料液比對高粱淀粉的得率均有影響，因D＞C＞A＞B，得到較優(yōu)的工藝條件為 A2B2C3D3，NaOH 濃度0.4%、反應溫度為 35 ℃、反應時間為 2 h、料液比為 1∶15（g∶mL）。經(jīng)驗證試驗，高粱淀粉的粗淀粉得率為81.54%，高粱淀粉含量為82.39%，淀粉呈淺紅色粉末狀。

2.2 中性蛋白酶法提取高粱淀粉的試驗結(jié)果與分析

2.2.1 單因素試驗結(jié)果與分析

中性蛋白酶法不同因素對高粱淀粉得率的影響見圖2。由圖2 可知，酶添加量、酶解溫度、酶解時間、料液比對高粱淀粉得率影響明顯。在酶添加量達700 U·g-1時，高粱淀粉得率明顯提高，之后酶添加量的增大淀粉得率無明顯增加，說明酶與底物的相互作用基本飽和；而當酶解溫度40 ℃、酶解pH 7.0、料液比 1∶3（g∶mL）時，淀粉得率達最大值，因此選取酶添加量 500、700、900 U·g-1，酶解溫度 35、40、45 ℃，酶解 pH 6.5、7.0、7.5，料液比 1∶2（g∶mL）、1∶3（g∶mL）、1∶4（g∶mL）設計正交試驗。

圖2 中性蛋白酶法不同因素對高粱淀粉得率的影響Fig.2 Effect of different factors of neutral protein enzymatic method on starch yield of sorghum

2.2.2 正交試驗結(jié)果與分析

根據(jù)單因素試驗結(jié)果設計四因素三水平的正交試驗，因素水平設計表見表6，正交試驗結(jié)果表見表7。

(2) 對于該工程案例水道系統(tǒng)花崗巖斷層蝕變帶洞段圍巖同時存在斷層塌洞、松散堆積體與節(jié)理裂隙，既存在灌漿量大擴散范圍廣難以控制，又存在斷層泥化物質(zhì)和高嶺土化蝕變帶漿液又難以浸入，及高壓下結(jié)構(gòu)面易劈裂等問題，采取系統(tǒng)深孔水泥高壓灌漿，再系統(tǒng)淺孔復合灌漿的綜合處理措施效果明顯。

表6 正交試驗因素水平表Table 6 Factors and levels of orthogonal experiment

表7 正交試驗結(jié)果表L9（34）Table 7 Orthogonal test results table L9（34）

由表7 可知，中性蛋白酶添加量、料液比、酶解pH、酶解溫度對高粱淀粉得率均有影響。因為A＞B＞D＞C，最佳提取條件為A2B1C3D3，即中性蛋白酶添加量 700 U·g-1、料液比 1∶2（g∶mL）、酶解溫度 45 ℃、酶解pH 7.5。經(jīng)驗證試驗，高粱淀粉的粗淀粉得率為80.70%，淀粉含量為81.58%，淀粉為淺褐色粉末狀。

2.3 超聲波輔助中性蛋白酶法提取高粱淀粉的結(jié)果與分析

2.3.1 單因素試驗結(jié)果與分析

超聲波輔助中性蛋白酶法不同因素對高粱淀粉得率的影響見圖3。根據(jù)超聲順序試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)（試驗條件：超聲時間6 min，超聲功率135W），先酶解后超聲的淀粉得率高于先超聲后酶解，因此在超聲時間和超聲功率的單因素試驗中均選擇先酶解而后超聲的超聲順序。超聲時間為2 min 時，高粱淀粉得率較高，但經(jīng)測定此時淀粉純度較低，可能是超聲時間過短，還無法打開淀粉與蛋白質(zhì)的聚集體，致使淀粉中殘留較多雜質(zhì)。 超聲功率對高粱淀粉得率影響明顯，超聲功率為225 W 時淀粉得率較高。

圖3 超聲波輔助中性蛋白酶法不同因素對高粱粗淀粉得率的影響Fig.3 Effect of different factors of ultrasonic assisted neutral protease on crude starch yield of sorghum

2.3.2 正交試驗結(jié)果與分析

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選擇先酶解后超聲的試驗順序，以超聲時間和超聲功率為因素設計正交試驗，因素水平見表8，正交試驗結(jié)果見表9。

表8 正交試驗因素水平表Table 8 Factors and levels of orthogonal experiment

表9 正交試驗結(jié)果表Table 9 Orthogonal experimental table

由表9 可知，超聲順序、超聲功率、超聲時間對高粱淀粉提取得率均有影響，因為B＞A，經(jīng)極差分析最佳提取條件為A1B2，即先酶解后超聲，超聲功率為135 W，超聲時間為6 min。經(jīng)驗證試驗，高粱淀粉得率為83.27%，淀粉含量為94.08%，淀粉呈白色粉末狀。

根據(jù)以上試驗結(jié)果分析3 種提取方法發(fā)現(xiàn)，堿法的得率雖高于中性蛋白酶法，但其淀粉含量低于酶法，說明堿法對蛋白質(zhì)的去除效果不如酶法。超聲波輔助中性蛋白酶法的淀粉得率較高，且淀粉含量可達94.08%，淀粉呈白色，因此，從提取效果上看超聲波輔助中性蛋白酶法優(yōu)于另外兩種方法。

2.4 高粱淀粉的理化性質(zhì)測定結(jié)果與分析

采用超聲波輔助中性蛋白酶法提取高粱淀粉，分別測定了高粱淀粉的溶解度、膨脹度、析水率和透光率，同時對高粱淀粉糊化性質(zhì)進行測定，測定結(jié)果見表10。

表10 高粱淀粉的理化性質(zhì)測定結(jié)果Table 10 Physicochemical properties of sorghum starch

高粱淀粉的理化性質(zhì)受高粱品種、淀粉制備方法、淀粉顆粒形態(tài)等多種因素影響，其不同品種之間的差異較大[18]。淀粉的溶解度和膨脹度大小表明了淀粉分子與水分子之間相互作用的程度[27]，其受溫度影響明顯，高粱淀粉同樣符合這一規(guī)律，測定溫度為50 ℃時，提取的高粱淀粉溶解度為3.90%、膨脹度為3.52%，明顯高于田曉紅測定的20 種高粱淀粉[20]，說明龍雜13 號高粱淀粉更易于與水分子相互作用，有利于高粱淀粉的糊化加工。同時淀粉顆粒與水相互作用，在水中均勻分散，其透明度則較大，賦予食品優(yōu)良的感觀品質(zhì)。經(jīng)測定，龍雜13 號高粱淀粉透光率為52.16%，低于田曉紅[20]測定的20 種高粱淀粉的平均透光率（73.08%），但高于 7 種釀酒[18，28]用高粱淀粉。析水率是淀粉凍融穩(wěn)定性的評價指標，析水率越低說明其凍融穩(wěn)定性越好。龍雜13 號高粱淀粉經(jīng)24 h 冷凍，一次凍融循環(huán)測得析水率為17.71%，低于馬鈴薯淀粉、玉米淀粉和綠豆淀粉等[29]常用淀粉，因此其凍融穩(wěn)定性較好，更適于冷凍食品加工。

淀粉的糊化特性是影響淀粉加工性能的主要因素，成糊溫度、黏度變化及回生值的高低影響淀粉類食品加工特性和產(chǎn)品的品質(zhì)。一般成糊溫度越低，產(chǎn)品越易于糊化，龍雜13 號高粱淀粉的成糊溫度為76.4 ℃，段冰等人測定的10 種高粱淀粉的成糊溫度在 69.1～83.1 ℃之間[30]，田曉紅測定的 20 種高粱淀粉的糊化溫度則在62.63~64.40 ℃之間，相比較，龍雜13 號的成糊溫度較高。峰值黏度反映淀粉在黏度達最高時淀粉顆粒的溶脹程度，谷值黏度也是最低黏度，峰值黏度與谷值黏度之差越大，說明淀粉顆粒在糊化過程中穩(wěn)定性越差，而試驗測得樣品的此差值較小，其最終黏度也不高，回生值同樣處于較低水平，由此說明，龍雜13 號高粱淀粉具有較好的糊化穩(wěn)定性，且不易老化。

3 結(jié)論

堿法、中性蛋白酶法及超聲波輔助中性蛋白酶法都可用于高粱淀粉的提取，但所獲得的淀粉得率和淀粉含量不同，其中超聲波輔助中性蛋白酶法提取的淀粉得率和含量都優(yōu)于另外兩種方法，所得高粱淀粉品質(zhì)較好。

經(jīng)理化性質(zhì)測定發(fā)現(xiàn)，采用超聲波輔助中性蛋白酶法提取的龍雜13 號高粱淀粉具有較高的溶解度、膨脹度與透明度，說明此品種高粱淀粉較易于與水分子相互作用，其在水中分散性較好；析水率較低，因此具有較好的凍融穩(wěn)定性。經(jīng)糊化性質(zhì)的測定分析，龍雜13 號高粱淀粉具有較高糊化溫度，但其峰值黏度、谷值黏度、最終黏度及回生值相對較低，具有較好的糊化穩(wěn)定性，不易老化。利用以上性質(zhì)特點，龍雜13 號高粱淀粉可根據(jù)食品生產(chǎn)的實際需求，用于焙烤類、冷凍類等食品的加工生產(chǎn)中。