响应面优化微波辅助提取佛手山药淀粉的工艺

2022-02-21李恬心聂沫宇吴菲刘智禹吴鹏胡婷

食品工业 2022年1期

李恬心，聂沫宇吴菲刘智禹，吴鹏胡婷*

1. 黄冈师范学院生物与农业资源学院，经济林木种质改良与资源综合利用湖北省重点实验室，大别山特色资源开发湖北省协同创新中心（黄冈 438000）；2. 福建省水产研究所（厦门 361013）

佛手山药，产于湖北黄冈市蕲春、黄梅、浠水，武穴等地，相传为“禅宗四祖道信”精心培育而成，因形状似手掌，所以被称为“佛手山药”[1]。佛手山药作为一种天然功能性食品，具有抗疲劳、延缓衰老、提高免疫力、抗肿瘤、降血糖等活性成分[2-8]。研究表明，淀粉在佛手山药各类成分中占很大比例，含量约75%[9]。

山药淀粉用途广泛，不仅可以用于食品行业[10]，还能用于生物可降解薄膜的生产[11]。传统淀粉提取多数利用碱法、乙醇提取法，水沉降法[12-14]。乙醇提取法提取的淀粉纯度不高，且乙醇消耗量大[12]。水沉降法提取过程耗时耗力，杂质多[13]。碱法是国内常用的淀粉提取方法，该方法提取出的淀粉纯度比较高，但提取率略低[12]。研究表明，微波可有效提高薯类淀粉的提取率[15-16]。

对佛手山药的研究主要集中在多糖的提取及活性方面[17-19]，现阶段还尚未有关于佛手山药淀粉提取条件优化的相关文献或报道。因此，试验以佛手山药为原材料，利用微波辅助提取山药淀粉，提高淀粉得率，运用单因素试验及响应面法优化微波辅助提取佛手山药淀粉的工艺条件，得到最佳提取条件，为佛手山药淀粉的开发和利用提供理论依据和参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

佛手山药（购于湖北省武穴市）；碳酸钙（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）。

微波化学反应器（巩义市予华仪器开发有限公司）；PHS-3C精密pH计（上海仪电科学仪器有限公司）；FW-100高速万能粉碎机（北京市永光明医疗仪器厂）；电子天平（梅特勒-托利多仪器上海有限公司）；H/T18MM台式高速离心机（湖南赫西仪器装备有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 佛手山药淀粉的提取工艺流程

选取新鲜山药→切片→烘干→粉碎→佛手山药粉→称量→浸泡→微波浸提→搅拌→过滤→离心→调节pH→离心→洗涤→离心→烘干→佛手山药淀粉

1.2.2 佛手山药淀粉提取率的测定

利用电子天平称定烘干后的佛手山药淀粉质量，记为W1。按照式（1）计算佛手山药粗淀粉的提取率。

式中：Y为佛手山药粗淀粉提取率，%；W1为佛手山药粗淀粉质量，g；W2为佛手山药粉质量，g。

1.2.3 微波辅助提取佛手山药淀粉的单因素试验设计

1.2.3.1 pH对佛手山药淀粉提取率的影响

准确称取5份20.0 g佛手山药粉，分别使用pH 8，9，10，11和12的石灰水，在料液比1∶5（g/mL）、微波功率240 W条件下处理30 s，探究pH对佛手山药淀粉提取率的影响，每组试验重复3次。

1.2.3.2 料液比对佛手山药淀粉提取率的影响

准确称取5份20.0 g佛手山药粉，设置料液比1∶2，1∶3，1∶4，1∶5和1∶6（g/mL），在pH 9、微波功率240 W条件下处理30 s，探究料液比对佛手山药淀粉提取率的影响，每组试验重复3次。

1.2.3.3 微波时间对佛手山药淀粉提取率的影响

准确称取5份20.0 g佛手山药粉，设置微波时间10，20，30，40和50 s，在pH 9、料液比1∶5（g/mL）、微波功率240 W条件下处理，探究微波时间对佛手山药淀粉提取率的影响，每组试验重复3次。

1.2.3.4 微波功率对佛手山药淀粉提取率的影响

准确称取5份20.0 g佛手山药粉，设置微波功率80，240，400，640和800 W，在pH 9、料液比1∶5（g/mL）条件下处理30 s，探究微波功率对佛手山药淀粉提取率的影响，每组试验重复3次。

1.2.4 响应面分析

结合单因素试验结果，并以佛手山药淀粉提取率为响应值（Y），采用Box-Behnken进行试验设计，选择pH（A）、料液比（B）、微波时间（C）、微波功率（D）为影响因素，运用Design-Expert 8.0.6软件进行四因素三水平响应面优化试验的设计，响应面试验分析的因素及水平见表1。

表1 响应面试验设计因素水平

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 pH对佛手山药淀粉提取率的影响

pH对佛手山药淀粉提取率的影响见图1。随着pH增加，佛手山药淀粉的提取率呈现先增加后降低趋势，pH 9时佛手山药淀粉提取率达到最高，继续增大pH，佛手山药提取率下降。石灰水可以溶解提取物的黏液，因此可以分离淀粉和蛋白质，使纤维变得蓬松[20]，提高淀粉提取率；但是随着pH增加，提取中淀粉糊化量会增加，淀粉提取率降低[21]。综合考虑，控制pH为9。

图1 pH对佛手山药淀粉提取率的影响

2.1.2 料液比对佛手山药淀粉提取率的影响

料液比对佛手山药淀粉提取率的影响见图2。随着料液比增加，佛手山药淀粉的提取率呈现先显著增加后略微降低趋势，料液比1∶2～1∶4（g/mL）范围内，淀粉提取率增加明显。料液比大于1∶4（g/mL）时，淀粉提取率增加缓慢，料液比1∶5（g/mL）时佛手山药淀粉提取率达到最高，继续增大料液比，佛手山药提取率下降。原因是料液比小于1∶5（g/mL）时，随着水分增加，被冲洗出的淀粉量增加，因此提取率随着水分增加而迅速增加。料液比大于1∶4（g/mL）时，淀粉大部分被冲洗出来，只有少量淀粉残留，所以，此时淀粉提取率的提高趋于缓慢[22]。综合考虑，料液比应控制在1∶5（g/mL）。

图2 料液比对佛手山药淀粉提取率的影响

2.1.3 微波时间对佛手山药淀粉提取率的影响

微波时间对佛手山药淀粉提取率的影响见图3。随着微波时间增加，佛手山药淀粉提取率呈现先增加后降低趋势，微波时间30 s时，佛手山药淀粉提取率最大。微波时间过长，浸提液温度逐渐升高，淀粉结构受损程度加剧，破损淀粉含量增多，容易发生吸水膨胀[23]，淀粉出现糊化现象，使得淀粉提取率逐渐降低。

图3 微波时间对佛手山药淀粉提取率的影响

2.1.4 微波功率对佛手山药淀粉提取率的影响

微波功率对佛手山药淀粉提取率的影响见图4。随着微波功率增加，佛手山药淀粉提取率呈现先增加后降低的趋势，微波功率240 W时，佛手山药淀粉提取率最大。微波功率过高时，山药中的蛋白质等物质会变性沉淀，同时淀粉也会发生糊化，使得淀粉的提取率逐渐降低[24]。

图4 微波功率对佛手山药淀粉提取率的影响

2.2 响应面试验设计优化提取参数

2.2.1 响应面试验结果及方差分析

对表2中各单因素与佛手山药淀粉的提取率（Y）进行多项拟合回归分析，得到回归方程Y=36.92-0.20A+0.83B-2.61C-0.42D+1.75AB+1.50AC-0.60AD+ 0.75BC+2.80BD-3.68CD-4.53A2-5.91B2-11.04C2-10.07D2。式中：A为pH；B为料液比；C为微波时间；D为微波功率。

表2 微波辅助提取佛手山药淀粉工艺条件优化响应面试验结果与分析

响应面回归模型方差分析结果见表3。结果显示：该模型的概率p＜0.01，说明该模型有显著性；失拟项p=0.091 8＞0.05，表明不具有显著性，即模型与试验值差异较小，说明该模型是合适可用的。在回归式中，p值用于验证影响因素的重要性，其数值表示影响因素之间的相互作用，p值越小，影响因素越重要[25]。模型中一次项C影响显著（p＜0.05），A、B、D影响不显著（p＞0.05）；交互项AB、AC、AD、BC、BD、CD影响不显著（p＞0.05）；二次项C2，D2影响极显著（p＜0.000 1），A2，B2影响高度显著（p＜ 0.01）。方差分析结果表明，影响佛手山药淀粉提取率的主次顺序是C＞B＞D＞A。

表3 响应面回归模型结果方差分析

2.2.2 响应面各因素交叉相互作用分析

图5～10直观地显示各因子相互作用的响应值和等值线分析图。各因子的边缘线越平缓，对提取率的影响越小；各因子的边缘线越陡，对提取率的影响越大[26]。图5显示，在微波功率240 W、微波时间30 s条件下，pH上升幅度比料液比稍小，说明在对佛手山药淀粉的提取率的影响中B＞A；图6显示，微波功率240 W、料液比1∶5（g/mL）时，微波时间比pH上升幅度大，说明在对佛手山药淀粉提取率的影响中C＞A；图7显示，料液比1∶5（g/mL）、微波时间30 s时，微波功率的上升幅度比pH大，说明在对佛手山药淀粉提取率的影响中D＞A；图8显示，微波功率240 W、pH 9时，微波时间的上升幅度比料液大，说明在对佛手山药淀粉提取率的影响中C＞B；图9显示，pH 9，微波时间30 s时，料液的上升幅度比微波功率大，说明在对佛手山药淀粉提取率的影响中B＞D；图10显示，pH 9、料液比1∶5（g/mL）时，微波时间的上升幅度比微波时间大，说明在对佛手山药淀粉提取率的影响中C＞D。该结果与方差分析结果一致，说明响应面优化法得到的最佳提取条件可靠。

图5 料液比和pH对佛手山药淀粉提取率影响的响应面图

图6 微波时间和pH对佛手山药淀粉提取率影响的响应面图

图7 微波功率和pH对佛手山药淀粉提取率影响的响应面图

图8 微波时间和料液比对佛手山药淀粉提取率影响的响应面图

图9 微波功率和料液比对佛手山药淀粉提取率影响的响应面图

图10 微波功率和微波时间对佛手山药淀粉提取率影响的响应面图

2.2.3 微波辅助提取佛手山药淀粉最佳工艺条件的确定

通过响应面分析软件Design-Expert 8.0.6计算出佛手山药淀粉提取的最佳工艺条件：pH 8.98、料液比1∶5.35（g/mL）、微波时间26.4 s、微波功率236.6 W。该条件下考虑到实际操作的方便性和优化结果的准确性，将提取条件更改为pH 9、料液比1∶5（g/mL）、微波时间30 s、微波功率240 W，进行3次重复试验，测出佛手山药淀粉的平均提取率为35.8%± 1.4%，与响应面预测值（37.1%）接近。