青稞淀粉的提取工艺优化研究
2014-12-16刘新兴李建颖赵彦巧王凯
刘新兴,李建颖,赵彦巧,王凯
(天津商业大学生物技术与食品科学学院,天津市食品生物技术重点实验室,天津300134)
青稞(HordeumvulgareL.var.nudumHook.f.),是大麦的一种,又称裸大麦、元麦[1],在西藏、青海等省份广为种植,是藏民最为重要的粮食产物[2]。在粮食作物中,青稞具有高蛋白质、高纤维、高维生素、低脂肪、低糖等特点。淀粉平均含量为59.25%,蛋白质含量平均值为11.31%,β-葡聚糖平均含量为5%,远高于其他谷类作物,粗脂肪平均含量为2.13%,此外还含有丰富的水分,纤维和微量元素[3]。
随着人们对青稞中β-葡聚糖的深入研究,对其保健功能认识程度的加深,及其在预防糖尿病、高血压、肝病、心血管等疾病方面所具有的奇特功效[4],青稞的保健制品更加激起了人们开发和研究的兴趣。而青稞中含量最高的淀粉却很少进入人们的视线。实际上与其他谷类作物相比,青稞淀粉成分非常独特。青裸中平均含有55.25%的淀粉,其中普遍含有74%~78%的支链淀粉,近年西藏自治区农牧科学院培育的新品种青稞25支链淀粉达到或接近100%[5]。支链淀粉含大量凝胶黏液,加热后呈弱碱性,对胃酸过多有抑制作用,在医学上有着重要应用。同时还可作为优良的增稠剂、乳化剂、黏着剂、悬浮剂而广泛的用于食品、造纸、纺织和黏着剂工业[6-7]。本实验利用NaOH对青稞面粉中的淀粉进行提取,同时通过单因素和正交试验优化设计来获得最佳的提取工艺,为提高青稞淀粉的附加值及对直链、支链淀粉的分离打下良好的基础。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
短芒黑青稞粉:香格里拉县购得;氢氧化钠:天津市德恩化学试剂有限公司提供;碘化钾,盐酸,乙醇,其他试剂均为分析纯。
1.2 仪器与设备
DL-6000B低速冷冻大容量离心机:上海安亭科学仪器厂;AUY220分析天平:日本岛津制作所;DZF-6050B真空干燥箱:上海一恒科技有限公司;PHS-3B酸度计:上海精密科学仪器有限公司;FWLOO高速粉碎机:天津市特斯特仪器有限公司。
1.3 方法
1.3.1 淀粉的提取
取一定量青稞粒,用高速粉碎机粉碎后制成原料青稞粉,过100目筛,按1∶5(g/mL)的固液比添加质量浓度为0.4%的NaOH溶液,搅拌,浸泡一定时间后(2 h),用盐酸溶液滴定至中性(此时混合物呈淡粉色),再用离心机( 5000 r/min)离心10 min,去掉深黄色上层黏稠液体和暗黄色表层,并将黄色上层物质转移到另一只离心管中,分别用去离子水清洗两只离心管中的沉淀物,再次分别离心,去掉上层深黄色粘稠液体,之后重复离心清洗3次,分别取下层白色物质收集在一起,用蒸馏水再次清洗多次,离心,去掉淡黄色表层,收集下层白色固体,即可获得最大的淀粉提取效果,用95%的乙醇进行洗涤,抽滤,随后置于表面皿中自然干燥16 h即可获得青稞淀粉[9-10]。
1.3.2 淀粉提取率的计算
式中:m为提取的淀粉的质量,g;M为原料的质量,g。
2 结果与分析
2.1 青稞淀粉的提取
2.1.1 青稞淀粉提取工艺单因素试验
根据单因素试验,确定影响青稞淀粉提取率的3个因素:固液比、NaOH质量浓度、NaOH浸提时间的3个不同水平,并做出正交试验因素水平表。
2.1.1.1 固液比对青稞淀粉提取率的影响
为了检测不同固液比对青稞淀粉提取率的影响,本试验在固液比分别为 1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7(g/mL),常温下浸泡时间2 h,加入质量浓度为0.4%的NaOH溶液的条件下分别对青稞淀粉进行提取。试验结果如图1所示。
从图1可以看出,青稞淀粉的提取率随固液比的增大呈现先升高后降低的趋势,当固液比为1∶5(g/mL)时青稞淀粉的提取率最高。这是因为适度的固液比有利于青稞蛋白的溶解。但随着液体量的增加,乳液的碱浓度降低,致使蛋白质不能被碱液溶解出来,从而降低了青稞淀粉的提取效率。故固液比不能太大,应选在 1∶5(g/mL)附近。
图1 固液比对青稞淀粉提取率的影响Fig.1 Solid-liquid ratio on the yield of hullessbarleystarch
2.1.1.2 NaOH浓度对青稞淀粉提取率的影响
为了检测不同NaOH浓度对青稞淀粉提取率的影响,在NaOH质量浓度分别为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%,固液比为 1∶5(g/mL),常温下浸泡时间2 h的条件下分别对青稞淀粉进行提取。试验结果如图2所示。
图2 NaOH质量浓度对青稞淀粉提取率的影响Fig.2 NaOH concentration on the yield of hullessbarley starch
从图2可以看出,青稞淀粉的提取率随NaOH质量浓度的增大呈现先升高后降低的趋势,当NaOH质量浓度在0.4%左右时,青稞淀粉的提取率最高。这是因为青稞中含量最高的谷蛋白为碱溶性蛋白,易溶于碱液。但随着NaOH质量浓度的增加,青稞淀粉开始出现糊化现象,从而影响了提取率。故提取青稞淀粉时NaOH的质量浓度不能太高,应选择在0.4%附近。
2.1.1.3 浸提时间对青稞淀粉提取率的影响
为了测定不同的NaOH浸提时间对青稞淀粉提取率的影响,试验选择常温下浸泡时间分别为1、2、3、4、5 h,固液比为 1 ∶5(g/mL),NaOH 质量浓度为 0.4%的条件下分别对青稞淀粉进行提取。试验结果如图3所示。
图3 NaOH浸提时间对青稞淀粉提取率的影响Fig.3 Different extraction time on the yield of hullessbarley starch
从图3可以看出,青稞淀粉的提取率随NaOH浸提时间的增大呈现先升高后降低的趋势,当浸提时间为3 h时,青稞淀粉的提取率最高。这是随着时间的延长,青稞淀粉受到了NaOH溶液的腐蚀,青稞的结构遭到了破坏,不利于蛋白从淀粉中分离出来,从而影响了青稞淀粉提取率的增加。故提取青稞淀粉时,浸提时间不能太长,应控制在在3 h左右。
2.1.2 青稞淀粉提取率最佳工艺条件确定
在单因素试验的基础上,进一步进行三因素三水平L9(33)试验分析,确定最佳的青稞淀粉提取工艺条件。因素水平如表1。
表1 青稞淀粉提取正交试验因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment
正交试验结果如表2所示,极差与方差分析见表3、表 4。
表2 正交试验结果Table 2 Result of orthogonal experiment
表3 正交试验极差分析表Table 3 Range analysis of orthogonal experiment
续表3 正交试验极差分析表Continue table 3 Range analysis of orthogonal experiment
表4 正交试验方差分析表Table 4 Variance analysis of orthogonal experiment
从表3青稞淀粉提取率的极差分析可知,对淀粉提取效果影响最大的因素是C(NaOH浸提时间),其次是B(NaOH质量浓度),A(固液比)影响最小,即C>B>A。
A因素的最佳条件是A2,说明固液比对试验结果的影响是比较小的,在一定条件下固液比的增加,能提高青稞蛋白质的提取效率。
B因素的最佳条件是B3,说明NaOH质量浓度对试验的影响是比较大的,在一定范围内提高其浓度,能有效的降低青稞中蛋白质的含量,但浓度也不宜过高。
C因素的最佳条件是C3,说明浸提时间对本试验的影响是最大的,但考虑到时间成本和淀粉糊化程度,时间也不易太长。
由表4中方差分析的结果可知,在0.01的显著性水平下,因素C(NaOH浸提时间)对淀粉的提取率有着极显著的影响,在0.05的显著性水平下,因素B(NaOH质量浓度)对淀粉提取率有着显著影响,这说明NaOH浸提时间和NaOH质量浓度对青稞淀粉的提取率有着非常重要的影响。
由表4中F值的大小也可以得出影响青稞淀粉提取率的4个因素的主次排序:C>B>A,即影响淀粉提取效果的3个因素的主次排序是:C(NaOH浸提时间),其次是B(NaOH 质量浓度),A(固液比),这与极差分析的结论相一致。
综合以上因素考虑,确定最优工艺条件组合为C3B3A2,即NaOH浸提时间为4 h、NaOH质量浓度为0.5%、固液比为 1 ∶5(g/mL)。
3 结论
通过对青稞淀粉的提取条件进行正交试验的优化研究,初步确定最佳提取条件为:固液比1∶5(g/mL)、NaOH质量浓度0.5%、NaOH浸提时间4 h,在此条件下提取率可达到49.43%。利用NaOH对青稞淀粉进行提取,技术路线相对简单,且提取率较高,是一种值得推广的工艺流程。
[1] 谢宗万.本草纲目药物彩色图鉴[M].北京:人民卫生出版社,2001:221
[2] 西藏自治区编.西藏统计年鉴[M].北京:中国统计出版社,2001
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