马铃薯淀粉的提取与直链淀粉的制备

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(西南科技大学植物分子遗传育种实验室,四川绵阳 621010)

马铃薯淀粉的提取与直链淀粉的制备

许亮,向珣朝*,龚明,杨博文,游惠

(西南科技大学植物分子遗传育种实验室,四川绵阳 621010)

为解决商品淀粉成本高的问题,以绵阳本地鲜马铃薯为原料,通过设计正交实验研究马铃薯淀粉提取工艺,以马铃薯淀粉得率为参考指标筛选出马铃薯淀粉提取最佳工艺参数为:粉碎时间2 min,静置时间3 h,洗涤次数3次。在最佳工艺条件下,鲜马铃薯的平均淀粉得率为13.5%。以国标法为基础,采用热碱法和正丁醇-异戊醇结晶法制备直链淀粉纯品,对其进行品质鉴定,结果表明实验室自制的直链淀粉可以作为标准品使用。

马铃薯,直链淀粉,制备,品质

马铃薯(SolanumtuberosumL.)属茄科茄属一年生草本植物,又名土豆,洋芋等,起源于安第斯山脉,因马铃薯块茎中富含淀粉、蛋白质、膳食纤维和维生素等成分,具有很高的营养价值,被誉为地下苹果和第二面包,被广泛种植于亚洲、欧洲、非洲等157个国家[1-2],是世界第三大粮食作物[3]。马铃薯块茎中含淀粉15%～24%,是制备植物淀粉的重要原料;作为生产量仅次于玉米淀粉的第二大植物淀粉,马铃薯淀粉在纺织、制药、饲料和食品等领域用途广泛,因此马铃薯淀粉是重要的植物淀粉之一[4]。

马铃薯淀粉无色、高韧、高黏和高稳定性等特点,有着其他淀粉无法比拟的独特特性[5]。因此,马铃薯淀粉在有关植物淀粉的基础研究中广泛应用。国内生产的直链淀粉由于品质相对比较低下,很少作为实验药品进入实验室,但是作为测定直链淀粉含量实验的常备药品之一,为了提高实验的准确度,就不得不从Sigma等国外公司购买价格高昂但品质有保障的直链淀粉纯品,导致实验成本增加。另外,高直链淀粉研究本身是当今的一个热点,高直链淀粉也是一种抗性淀粉,人体不容易消化,从而降低血糖指数,作为益生元也能促进结肠健康[6-7]。如果能够完善直链淀粉制备工艺,提高直链淀粉品质,无疑是有助于降低直链淀粉价格和为人类健康服务,更重要的是,可形成系统的工艺标准,有利于该产品的自动化生产,为相关方面的研究提供物质基础和依据。因此,我们开展了优化马铃薯淀粉提取工艺和提高直链淀粉品质的研究。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

马铃薯 绵阳周边地区;马铃薯直链淀粉标准品与马铃薯支链淀粉标准品 sigma公司;NaOH、乙酸、盐酸、正丁醇、异戊醇、碘化钾、碘、冰乙酸 成都市联合化工试剂研究所；无水乙醇 成都市科龙化工试剂厂。以上试剂均为分析纯。

TU1900双光束紫外可见分光光度计 上海凌析仪器有限公司;PH-030(A)干燥/培养箱 上海齐欣科学仪器有限公司;Eppendorf 5415R冷冻离心机 德国Eppendorf公司。

1.2实验方法

1.2.1 马铃薯淀粉提取方法及优化 将新鲜的马铃薯削皮,切成0.2 cm3大小的小块,称取30 g左右作为供试材料,参照张娟[8]等的方法进行处理,得到原淀粉,常温下(18～25 ℃)保存备用[9]。为优化马铃薯淀粉提取工艺条件,拟以粉碎时间、静置时间和洗涤次数为提取因素,进行L9(34)正交实验设计。提取因素和水平见表1。

表1 提取因素与水平Table 1 Extracting factors and levels

1.2.2 马铃薯淀粉得率的测定 根据公式(1)计算马铃薯淀粉得率。

淀粉得率(%)=(原淀粉量/样品量)×100

式(1)

式(1)中:样品量-称取的鲜土豆质量(g)。

1.2.3 直链淀粉含量测定 称取0.1 g马铃薯直链淀粉标准品(sigma),参考何彩梅[10]等人的实验方法对标准品进行处理,绘制直链淀粉标准曲线。称取0.1 g制备的马铃薯淀粉样品于100 mL容量瓶中,按上述文献中的方法测定样品中直链淀粉含量。

1.2.4 马铃薯直链淀粉分离及纯化 按GB/T15683-1995国标法进行并稍加改进制备直链淀粉。称取马铃薯淀粉10 g,加少量无水乙醇湿润样品,再加入200 mL 浓度为1 mol/L的NaOH溶液,在85 ℃水浴中加热搅拌20 min至淀粉完全分散,冷却,在4000 r/min冷冻离心15 min,取上清液用2 mol/L盐酸调至pH7.0,然后加入80 mL正丁醇-异戊醇(体积比为1∶1),在85 ℃水浴中加热搅拌10 min,冷却至室温,移入冰箱内(2～4 ℃)静置24 h,去掉上层污物层,以4000 r/min冷冻离心15 min,弃掉上清液,沉淀物即为粗直链淀粉。

沉淀物用饱和正丁醇水溶液洗涤数次,将其转入200 mL饱和正丁醇水溶液,于85 ℃水浴中加热搅拌至完全分散、溶液清澈透明后,冷却至室温,将其移入冰箱内冷藏室静置24 h。弃去上层油污,在4000 r/min转速下冷冻离心15 min,沉淀物再加饱和正丁醇水溶液加热溶解,反复纯化3次。最后,沉淀物用无水乙醇反复洗涤离心3次,并在40 ℃干燥箱中干燥8 h至恒重,即得直链淀粉纯品[11-14]。

1.2.5 碘-淀粉复合物吸收光谱测定 利用张娟等[8]的方法来测定制备直链淀粉、标准直链淀粉与碘复合物在室温下的吸收光谱。

1.2.6 蓝值的测定 蓝值表示淀粉结合碘的能力。采用Gilhert和Spragg法[15]测定样品蓝值,其计算公式如下:

式(2)

式(2)中:A680-测样品在680 nm处的吸光度。

1.2.7 数据处理 用Microsoft Excel2007和DPS9.5软件对实验数据进行整理,图表绘制和进行方差分析。

2 结果与分析

2.1马铃薯淀粉提取工艺优化

以淀粉得率为考查指标,马铃薯淀粉提取正交实验设计及结果见表2,方差分析结果见表3。由正交实验结果和极差分析可知,影响马铃薯淀粉提取效果的主要因素为静置时间>粉碎时间>洗涤次数;由表2可以看出,最优组合为A3B3C2,即粉粹时间为2 min,静置时间为3 h,洗涤次数为3次。在提取马铃薯淀粉最佳工艺条件下,进行4次重复实验,马铃薯淀粉得率分别为:13.21%、13.61%、13.41%、13.50%。马铃薯淀粉得率平均为13.43%,极差为0.4%,说明该提取工艺稳定,重现性较好。

表2 L9(34)正交实验设计及结果Table 2 L9(34)the orthogonal design and results

从表3的方差分析结果可知,仅考虑A或B时,F值均大于F0.05,小于F0.01;考虑C时,F值小于F0.05,说明粉碎时间和静置时间对提取效果有显著性影响。A、B、C三因素之间交互作用的F值大于F0.01,说明三因素互作效应对提取效果有极显著影响。

2.2马铃薯淀粉中的直链淀粉含量

2.2.1 绘制标准曲线 由图1所示,直链淀粉浓度与吸光度呈良好的线性关系,其回归方程为y=0.041x+0.084(R2=0.992)。

2.2.2 马铃薯直链淀粉含量测定 测定4组马铃薯淀粉样品,每组重复3次,测试结果见表4,由表4得马铃薯淀粉平均吸光度为0.436。参照标准曲线计算得出马铃薯淀粉中的直链淀粉含量为8.59 μg/mL,根据淀粉溶液的最后稀释浓度,即可知马铃薯淀粉中的直链淀粉含量为17.18%。赵萍等[16]分析甘肃省10个马铃薯主栽品种的直链淀粉含量变异范围为10.44%～19.24%。Dos Santos等[17]也统计分析了产自巴西的不同马铃薯品种的直链淀粉含量,其差异显著。曾凡逵[18]等以甘肃省西安市生产的新大坪品种马铃薯为实验材料,测得的马铃薯直链淀粉含量为21.20%,说明马铃薯的直链淀粉含量受品种因素影响较大,本实验分析的马铃薯直链淀粉含量与前述结论相似。

表3 马铃薯淀粉得率方差分析Table 3 Variance analysis of potato starch yield

图1 马铃薯直链淀粉标准曲线Fig.1 Standard curve of potato amylose

注:表中的*表示F值在F0.05水平上显著,**表示F值在F0.01水平上显著。

表4 马铃薯淀粉在620 nm波长的吸光度Table 4 The absorbance of potato starch samples at 620 nm

2.3马铃薯直链淀粉纯度

2.3.1 最大吸收波长 制备的马铃薯直链淀粉、采购的马铃薯直链淀粉(Sigma)与碘复合物的室温吸收光谱如图2所示。由图2可以看出,制备马铃薯直链淀粉与碘复合物吸光度的最大吸收波长范围是618～651 nm,其中最大吸收波长出现在642 nm处;采购的马铃薯直链淀粉(Sigma)与碘复合物吸光度的最大吸收波长范围为611～648 nm,其中最大吸收波长位于634 nm处。吉宏武等[19]报道的马铃薯直链淀粉与碘络合物的最大吸收波长为630 nm,这也证实了不同马铃薯品种的淀粉在结构上存在差异[3]。张娟等[8]测得芭蕉芋直链淀粉与碘复合物的最大吸收波长为600 nm,这是由不同原料来源引起的淀粉结构上的差异,以至其聚合度不同。制备马铃薯直链淀粉与碘复合物的最大吸光度为0.251,采购的马铃薯直链淀粉(Sigma)的最大吸光度为0.255,二者存在较小的差异。

图2 不同来源直链淀粉与碘复合物的室温吸收光谱Fig.2 Absorption spectrum of compound of iodine-amylose from different source at room temperature

综上可知,不同来源直链淀粉与碘复合物的最大吸收波长存在差异,这说明不仅不同原料的植物淀粉在结构上存在差异,而且同一物种的不同品种的植物淀粉之间也存在结构上的差异。这是由不同品种来源的直链淀粉结构差异所致[3],直链淀粉链越长,颜色越深,所以不同品种来源的马铃薯直链淀粉与碘复合物的最大吸收波长存在一定差异。

2.3.2 马铃薯直链淀粉蓝值 根据图2,在680 nm处,制备的直链淀粉和Sigma直链淀粉的吸光度分别为0.246、0.231,根据1.2.6蓝值计算公式(2),其蓝值分别为0.984和0.924。制备直链淀粉的蓝值和Sigma直链淀粉的蓝值相差较小,说明本实验制备的直链淀粉纯度较高。另外,本实验制备的直链淀粉和购买的Sigma直链淀粉标准品之间室温吸收光谱峰值不同,其原因可能在于马铃薯品种不同而导致其直链淀粉线性聚合度有一定差异。

3 结论

通过设计正交实验,以马铃薯淀粉得率为参考指标筛选出了马铃薯淀粉提取的最佳工艺参数为:粉碎时间2 min,静置时间3 h,洗涤次数3次。在最佳工艺条件下,鲜马铃薯的平均淀粉得率为13.5%。

马铃薯淀粉生产工艺中的淀粉得率与工艺条件有关,静置时间对淀粉得率影响最大,粉碎时间次之,洗涤次数影响最弱。其中任意两因素相互作用时,差异不显著,但三因素相互作用,差异极其显著。

本实验马铃薯直链淀粉与碘复合物的最大吸收波长为642 nm,校正曲线决定系数为0.992,蓝值为0.984,制备的直链淀粉可以作为直链淀粉标准品使用。

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Extractionofpotatostarchandpreparationofpotatoamylose

XULiang,XIANGXun-chao*,GONGMing,YANGBo-wen,YOUHui

(Laboratory of Plant Molecular Genetics and Breeding,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China)

In order to solve the problem of high cost of commercial starch,fresh potatoes produced in Mianyang were as experimental materials and the optimized method for extraction of potato starch was determined by orthogonal design.Taking the yield of fresh potato starch as reference index,optimum process screened was obtained when smashing time was 2 minutes,along with 3 hours of rest time and 3 times of washing. The average yield of potato starch was 13.5% under the optimized condition. Then,based on the national standard method,the amylose of potato was extracted with the method of hot alkaline and purified through n-butanol and isoamyl alcohol recrystallization. Finally,its quality was evaluated. The result showed that the potato amylose preparating in laboratory could be used as a standard sample.

potato;amylose;preparation;quality

2017-01-16

许亮(1995-),男,本科,研究方向:植物分子遗传与育种,E-mail:xw120424@163.com。

*通讯作者:向珣朝(1965-),男,博士,教授,研究方向:植物分子遗传与育种,E-mail:xiangxunchao@swust.edu.cn。

西南科技大学重点科研平台专职科研创新团队建设基金项目(14tdgc07);四川省教育厅重点项目(17ZA0412);西南科技大学生命科学与工程学院本科创新基金项目(XKSC15-14)。

TS235.2

:B

:1002-0306(2017)17-0152-04

10.13386/j.issn1002-0306.2017.17.029