超声波辅助碱法提取鸡爪谷淀粉及其结构表征

吴修利*，张健雯，司美双，包尕红

长春大学食品科学与工程学院（长春 130022）

鸡爪谷，属粟米的一种，又名龙爪稷、穇子、龙爪粟、鸭爪稗等[1]。作为西藏一种特有农作物，当地少数民族多以鸡爪谷为食或用其酿酒。鸡爪谷营养丰富，素有“黑珍珠”的美誉，具有抗氧化、抗衰老、抗癌、预防糖尿病、保护心脏和抗高血脂等生理功能[2-5]。据医书记载鸡爪谷有补中益气的功效，主治肠胃疾病。

目前对鸡爪谷的研究主要在种植和植物病理学方面[6-7]，相关产品开发还集中在食用或酿酒、制粉等传统食品领域[8-9]，而由于鸡爪谷含有难以去除的种皮，粉碎后口感粗糙而大大限制产品的研发。卢绍闯等[10]以当地龙爪粟为原料，通过酶法工艺，研究了龙爪粟淀粉的提取条件及其理化特性，在最佳工艺条件下淀粉提取率为76.41%。但酶解工艺存在时间长、成本高等缺点，此次试验以西藏鸡爪谷为研究对象，采用超声波辅助碱法工艺提取鸡爪谷淀粉，超声波场致效应能较好促进淀粉与纤维素、蛋白质的分离，弱碱水浸泡可起到破坏细胞结构的目的，二者结合提取淀粉具有提取效率高、操作简便、时间短等优点，可实现蛋白质和淀粉的有效分离。通过对淀粉的特性和结构进行分析和表征，旨在为鸡爪谷在食品加工和深加工研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

鸡爪谷，产自西藏察隅；氢氧化钠、95%乙醇，分析纯，北京化工厂。

LDP-750A型高速多功能摇摆粉碎机（浙江永康市红太阳机电有限公司）；KQ5200DE型数控超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）；TDL-50b低速离心机（上海安亭科学仪器厂）；VISCOGRAPH-E型布拉班德黏度仪（德国美最时公司）；NICOLETIS 5型傅里叶红外仪（赛默飞世尔科技有限公司）；JSM-6510LA型扫描电子显微镜（日本岛津公司）；D2 PHASER型X-射线衍射仪（德国布鲁克AXS公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 工艺路线

鸡爪谷颗粒→粉碎→过180 μm筛→碱液浸泡→超声处理→离心沉淀→水洗→醇洗→抽滤→干燥→过150 μm筛→鸡爪谷粗淀粉（凯氏定氮法测蛋白含量2.875%）

鸡爪谷粗淀粉→水洗→离心沉淀→刮取上层深色部分（重复3次）→醇洗→抽滤→干燥→过150 μm筛→鸡爪谷精淀粉

1.2.2 单因素试验设计

探究不同pH（7.0，8.0，9.0，10.0和11.0）、料液比（1∶3，1∶4，1∶5，1∶6和1∶7 g/mL）、超声时间（30，40，50，60和70 min）、超声功率（120，140，160，180和200 W）对鸡爪谷淀粉得率的影响。

1.2.3 正交试验设计

在单因素试验基础上，选取pH（A）、料液比（B）、超声时间（C）、超声功率（D）设计四因素三水平正交试验，以鸡爪谷淀粉得率作为考察指标，确定鸡爪谷淀粉最佳提取工艺条件。

1.2.4 鸡爪谷淀粉布拉班德黏度测定

配制100 mL 6%的淀粉乳，置于黏度仪测量杯中，从30 ℃开始升温，以7.5 ℃/min的速率升温到95℃，保温5 min，再以7.5 ℃/min的速率从95 ℃降温到50 ℃，保温5 min，根据温度和时间的变化绘制连续黏度曲线，黏度单位为BU。

1.2.5 鸡爪谷淀粉结构分析

采用精淀粉进行结构分析，样品测试前，在50 ℃烘干至恒重。

红外光谱分析：采用KBr压片法测定淀粉的红外光谱，测量范围4 000～400 cm-1，扫描次数32次，分辨率4 cm-1。

X-射线衍射分析：采用X射线衍射仪对淀粉的晶体结构进行分析。采用Cu-Kα射线，电压40 kV，扫描范围10°～40°，步长0.02°，扫描速率8°/min。

扫描电镜分析：采用扫描电镜观测淀粉颗粒的微观形态。少量样品用导电胶固定在样品台上，真空条件下进行镀金处理后，在20 kV测试电压下观察样品微观形态。

2 结果与分析

2.1 单因素试验分析

2.1.1 pH对鸡爪谷淀粉得率的影响

固定料液比1∶4（g/mL）、超声时间60 min、超声功率200 W，考察不同pH对鸡爪谷淀粉得率的影响。由图1可以看出：随pH增加，鸡爪谷淀粉得率呈现先增加后减少的趋势，在pH 9.0时，淀粉得率达到最大。淀粉颗粒表面或内部存在一定结合紧密的蛋白质，一定浓度碱液有利于蛋白质的增溶，促进淀粉和蛋白质分离，提高淀粉的得率。蔡沙等[11]在研究超声波辅助碱法提取大米淀粉考察蛋白质残留率时也发现类似现象，氢氧化钠质量分数低时不能使蛋白质充分溶解，而高质量分数氢氧化钠又会导致淀粉出现糊化现象，反而不利于淀粉与蛋白质分离，两者均会限制淀粉的提取效率，对淀粉品质造成不利影响。

图1 pH对鸡爪谷淀粉提取率的影响

2.1.2 料液比对鸡爪谷淀粉得率的影响

固定pH 9.0、超声时间60 min、超声功率200 W，考察不同料液比对鸡爪谷淀粉得率的影响，结果如图2所示。当料液比为1∶4（g/mL）时，淀粉得率达到最大。这是因为随提取液体积增大，鸡爪谷粉与提取液充分接触，接触面积增大，有利于淀粉提取。但当液料比增加到一定程度时，单位体积内提取液中的超声能量密度降低，淀粉提取率反而减少[12]。综合考虑，料液比选择1∶4（g/mL）。

图2 料液比对鸡爪谷淀粉得率的影响

2.1.3 超声时间对鸡爪谷淀粉得率的影响

固定pH 9.0、料液比1∶4（g/mL）、超声功率200 W，探究不同超声时间对鸡爪谷淀粉得率的影响，结果如图3所示。超声波作为一种能量波，能够破碎植物细胞壁而利于淀粉的释放。随超声时间延长，淀粉得率逐渐提高，在50 min时，得率最高达到72.20%；但超声时间过长，由于超声波机械性断键作用增强，淀粉分子中共价键断裂，引起淀粉降解，导致得率下降[13]。

图3 超声时间对鸡爪谷淀粉得率的影响

2.1.4 超声功率对鸡爪谷淀粉得率的影响

固定pH 9.0、料液比1∶4（g/mL）、超声时间50 min，不同超声功率对鸡爪谷淀粉得率的影响如图4所示。超声功率低，细胞破碎不完全，不利于淀粉的浸出；但过高的超声作用会产生剧烈的空化效应、热效应和机械作用，导致淀粉发生降解，得率下降[14]。因此从试验结果来看，超声功率选择160 W。

图4 超声功率对鸡爪谷淀粉得率的影响

2.2 正交试验

在单因素试验基础上，采取L9(34)正交设计进行试验，试验因素与水平见表1，正交试验结果见表2。通过极差分析，影响鸡爪谷淀粉得率因素主次顺序为B＞D＞A＞C，即料液比＞超声功率＞pH＞超声时间。最优提取淀粉工艺条件为A2B2C3D3，即pH 9.0、料液比1∶4（g/mL）、超声时间60 min、超声功率180 W。在此工艺条件下进行验证试验，鸡爪谷淀粉得率为75.56%。

表1 试验分析因素与水平

表2 正交试验结果

2.3 鸡爪谷淀粉理化特性分析

2.3.1 布拉班德黏度测定

布拉班德曲线可连续完整记录淀粉溶液整个糊化加热升温、热保温、降温冷却及冷糊保温过程中黏度随时间连续变化的规律[15]。由表3可知：鸡爪谷淀粉的糊化温度为73.4 ℃，介于马铃薯淀粉（66.8 ℃）和玉米淀粉（77.5 ℃）之间；峰值黏度为241 BU，与玉米淀粉（252 BU）接近，但远低于马铃薯淀粉（1 464 BU）；鸡爪谷淀粉的崩解值和回升值分别为 51 BU和169 BU，与玉米淀粉崩解值（43 BU）和回升值（153 BU）相近，说明鸡爪谷淀粉糊液热稳定性和冷稳定性均与玉米淀粉糊液性质相近。

表3 鸡爪谷淀粉糊黏度曲线特征值

2.3.2 鸡爪谷淀粉红外光谱分析

1.3 观察指标 将温度探头置入鼻咽部，连接HP监护仪持续监测患者鼻喉温度作为机体中心温度。记录麻醉时、切皮时、手术开始后 30、60、90、120、150 和 180 min及手术结束时体温;记录输液量、出血量、手术时间、完全苏醒时间(定向力恢复、能正确回答问题、举手、抬头等)、术后寒战和躁动发生情况等指标。

淀粉组成单位是α-D-脱水葡萄糖单元。由图5可知：在3 400 cm-1位置出现一个宽而强的吸收峰，该峰源自淀粉分子中—OH的伸缩振动，2 934 cm-1归属于—CH2反对称伸缩振动，2 365 cm-1峰为空气中CO2的吸收峰，1 646 cm-1处典型吸收峰归因于淀粉中残存结合水的弯曲振动，位于1 458，1 421，1 367和1 341 cm-1出现较弱的吸收峰则为—CH2，—CH和C—O—H弯曲振动[16]，1 157 cm-1代表C—O—C的伸缩振动，1 082与1 023 cm-1分别归属于与仲醇和伯醇羟基相连的C—O的伸缩振动，929与766 cm-1分别为葡萄糖吡喃环的非对称和对称伸缩振动吸收峰[17]，577和529 cm-1则归属于淀粉中吡喃环骨架模式振动[18]。

图5 鸡爪谷淀粉红外光谱图

2.3.3 鸡爪谷淀粉X-射线分析

天然淀粉结晶类型可分为V型、A型、B型和C型[19]。图6为鸡爪谷淀粉X-射线衍射图。在2θ衍射角15°，17°，18°和23°附近有强衍射峰，其中17°和18°为相连的双峰，在2θ衍射角20°附近有弱衍射峰，为直链淀粉与脂的无定形峰[20]。从结晶类型看，该峰型为典型的A型结晶图谱，与玉米淀粉X-射线衍射图一致，这种多晶体系衍射图谱也较好说明鸡爪谷淀粉颗粒是由结晶和非结晶两部分组成，采用陈翠兰等[21]方法计算鸡爪谷淀粉的相对结晶度，为31.4%，而同样方法测得的玉米、马铃薯、木薯淀粉相对结晶度分别为26.7%，18.4%和26.5%。

图6 鸡爪谷淀粉X-射线衍射图谱

2.3.4 鸡爪谷淀粉扫描电镜分析

由图7可知，鸡爪谷淀粉颗粒表面光滑，形状呈棱角分明的立体多边形，颗粒表面具有多个平面和棱角，粒子尺寸较小，大小分布在3.78～17.67 μm之间，平均粒径为7.13 μm。

图7 鸡爪谷淀粉扫描电镜图

普通玉米淀粉颗粒表面呈现多角形和圆形，粒径范围5～26 μm，平均粒径13 μm，而马铃薯淀粉颗粒较大，表面呈橄榄型或卵形，粒径范围15～100 μm，平均粒径49 μm[22]。

3 结论

采用超声波辅助碱法提取鸡爪谷淀粉并通过单因素试验与正交试验确定最佳提取工艺条件：pH 9.0、料液比1∶4（g/mL）、超声时间60 min、超声功率180 W。在此工艺条件下，鸡爪谷淀粉得率为75.56%。鸡爪谷淀粉颗粒呈立体多边形，表面光滑，粒径3.78～17.67 μm之间，平均粒径为7.13 μm，属于A型淀粉晶型。淀粉糊化温度介于马铃薯淀粉和玉米淀粉之间，糊液热稳定性和冷稳定性均与玉米淀粉糊液性质相近。红外光谱图与一般淀粉结构相一致，呈现出典型的脱水葡萄糖单元特征吸收峰。该试验旨在为鸡爪谷在食品加工和深加工研究提供理论依据。