碱法提取天麻淀粉的工艺优化*

刘庆庆，杨馥祯，刘章兰，杨 洪，邓 飞

（铜仁学院材料与化学工程学院，贵州 铜仁 554300）

天麻（Gastrodia elata BI）属兰科植物天麻的干燥块茎，又名赤箭、独摇芝、鬼督邮等，是一种传统名贵药用价值很高的中草药[1]，主要分布在贵州、陕西、湖北和云南等地域[2]。 天麻作为药食同源的一种药材，具有平肝抑阳、祛风通络之功效[3]。 现代研究表明， 天麻在临床上可用于神经系统疾病辅助治疗[4]、对老年痴呆症等有一定的疗效[5]。近年来从天麻中提取的以天麻素、 天麻多糖等为主要化学活性成分的新药和功能性食品引起国内外广泛关注。

淀粉及其制品的应用广泛， 淀粉除作为增稠剂应用外还可以作为粘合剂、胶囊包衣、薄膜生成剂等等。淀粉是天麻中的主要成分，但现阶段对于天麻淀粉的提取工艺的研究极少， 尚无天麻淀粉的提取工艺的研究报道。 提取淀粉的方法主要有湿法提取[6]、碱法提取[7-8]、酸法提取[9]、超声波辅助提取[10-11]、微波辅助提取[12-13]、酶法辅助提取[14]等，其中碱法提取淀粉能破坏高级结构间的次级键， 促进蛋白质和淀粉的有效分离， 具有操作方便及提高淀粉的纯度等优点。因此，为了实现对天麻资源的充分利用并且深入系统研究天麻淀粉的提取工艺， 本实验采用碱液浸提法提取天麻淀粉， 并通过正交试验优化碱法提取天麻淀粉的最佳工艺参数， 以期为天麻淀粉综合开发利用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

鲜天麻， 贵州德江县康奇药植开发有限责任公司；氢氧化钠（AR），成都金山化学试剂有限公司；MAX-A303 型电子分析天平（深圳市无限量有限公司）；L18—Y968 型九阳静音高速破壁机 （九阳股份有限公司）；SHA—B 型数显水浴恒温振荡器（北京科伟永兴仪器有限公司）；TG16K—II 型高速离心机（长沙东旺实验仪器有限公司）；DHG—9070A 型电热鼓风干燥箱（常州普天仪器制造有限公司）。

1.2 天麻淀粉提取工艺流程及操作步骤

1.2.1 天麻淀粉提取工艺流程

新鲜天麻→清洗去皮→切块→天麻碱液混合磨浆→恒温浸提→过滤→离心→洗涤→离心→收集淀粉→烘干

1.2.2 操作步骤

（1）预处理：称取完整、无腐坏的新鲜天麻并将其洗净，去皮，切块，备用。

（2）天麻碱液混合磨浆：用电子天平称取50 g 天麻，将天麻与碱液(氢氧化钠溶液)以 1:6（g/mL）的料液比混合磨浆。

（3）恒温浸提：将混合液在40 ℃的恒温水浴振荡器中振荡浸提3 h。

（4）过滤、离心、洗涤、离心、烘干：将上述混合物用两层干净的尼龙纱布趁热过滤， 滤浆在5 000 r/min 下离心15 min，倒掉上清液得到沉淀物，将沉淀物用蒸馏水洗涤1~3 次直到水不再黏稠为止，然后将沉淀物置于电热鼓风干燥箱中在50 ℃条件下烘干12 h，得到天麻粗淀粉。

（5）天麻粗淀粉提取率的计算：粗淀粉提取率P=E/B×100%(E 为天麻淀粉的干重；B 为新鲜天麻的重量）。

1.3 单因素试验

1.3.1 提取温度对天麻淀粉提取率的影响

在料液比为1:6 (g/mL)、碱液浓度为0.075 mol/L、提取时间为3 h 的条件下，依次将提取温度设置为 30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃，并按照操作流程提取天麻淀粉， 考察提取温度对天麻淀粉提取率的影响。

1.3.2 提取时间对天麻淀粉提取率的影响

在料液比为1:6 (g/mL)、碱液浓度为0.075 mol/L、提取温度为40 ℃的条件下，依次将提取时间设置为 1 h、2 h、3 h、4 h、5 h， 并按照操作流程提取天麻淀粉，考察提取时间对天麻淀粉提取率的影响。

1.3.3 碱液浓度对天麻淀粉提取率的影响

在料液比为1:6 (g/mL)、提取温度为40 ℃、提取时间为3 h 的条件下，依次将碱液浓度设置为0.025 mol/L、0.050 mol/L、0.075 mol/L、0.100 mol/L、0.125 mol/L，并按照操作流程提取天麻淀粉，考察碱液浓度对天麻淀粉提取率的影响。

1.3.4 料液比对天麻淀粉提取率的影响

在碱液浓度为0.075 mol/L、提取温度为40 ℃、提取时间为3 h 的条件下， 依次将料液比设置为1:4、1:5、1:6、1:7、1:8， 并按照操作流程提取天麻淀粉，考察料液比对天麻淀粉提取率的影响。

1.4 正交试验设计

在单因素试验的基础上， 以提取温度、 提取时间、碱液浓度、料液比为主要影响因素，进行L9(34)正交试验优化天麻淀粉最佳提取工艺， 其因素水平表见表1。

表1 天麻淀粉提取工艺的正交试验因素水平表

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果分析

2.1.1 碱液浓度对天麻淀粉提取率的影响

由图1 可以看出，随着碱液浓度的增加，天麻淀粉的提取率呈先上升、 后下降趋势， 当碱液浓度在0.025~0.075 mol/L 之间时，随着碱液浓度的增大，天麻淀粉提取率也相应增大； 当碱液浓度在0.075~0.125 mol/L 之间时，天麻淀粉提取率会随着碱液浓度的增加而降低。 这与贾玉涛等[15-16]的研究结果相似， 产生这种现象的原因可能是过高的碱液浓度使蛋白质等乳化剂的溶解度增大， 从而导致溶液的黏度增加，不利于淀粉的沉淀；随着碱液浓度的提高，蛋白质的溶解度也相应提高， 蛋白质完全分解形成的氨基酸与氮碱易被淀粉吸附， 会造成洗涤困难从而影响天麻淀粉得率。同时，当以相同的转速和时间进行离心分离时， 会导致部分天麻淀粉随着上清液一起倒出造成损失，从而降低了天麻淀粉提取率[17]，因此，当碱液浓度为0.075 mol/L 时天麻淀粉的提取效果最好， 选取碱液浓度0.05 mol/L、0.075 mol/L、0.1 mol/L 这三个水平进行正交试验。

图1 碱液浓度对天麻淀粉提取率的影响

2.1.2 料液比对天麻淀粉提取率的影响

由图2 可以看出，随着料液比的增加，淀粉提取率呈先升高、后降低趋势。 当料液比为1:4~1:6 之间时，天麻淀粉提取率随着料液比升高而升高；当料液比为1:7~1:8 时，随着料液比的不断增大，淀粉的提取率会逐渐降低， 这是因为原料淀粉含量不变的情况下，在天麻与碱液混合磨浆时，过量的溶剂会使溶液变稀，导致天麻颗粒不能有效地被破碎缩小，造成淀粉颗粒内部含有的蛋白质不能完全溶解在碱液当中，使得淀粉提取率出现下降[18]。 因此，当料液比为1:6(g/mL）时天麻淀粉的提取效果最好，选取料液比为1:5、1:6、1:7(g/mL）这三个水平进行正交试验。

图2 料液比对天麻淀粉提取率的影响

2.1.3 提取时间对天麻淀粉提取率的影响

由图3 可知，随着提取时间的增加，天麻淀粉的提取率呈先升高、后降低趋势，当提取时间在1~3 h范围内时，提取率呈上升趋势，产生这种现象的原因可能是在恒温振荡水浴锅中搅拌产生的剪切力会导致溶液变稀，体系的黏度降低，从而使天麻淀粉与提取液充分的接触，天麻与提取液能够充分发生反应，使提取液的碱液浓度分布均匀，并且在搅拌过程中，分子相互之间发生碰撞会使天麻组织中的淀粉游离出来[19]，天麻淀粉提取率呈上升趋势。随着提取时间的延长，由于搅拌时间过长，天麻淀粉与碱液浸泡的时间太长，淀粉的颗粒结构变得疏松，不利于淀粉的沉淀，从而影响了提取率[20]，淀粉提取率呈下降趋势。因此，当提取时间为3 h 时天麻淀粉的提取效果最好，选取提取时间为2 h、3 h、4 h 这三个水平进行正交试验。

图3 提取时间对天麻淀粉提取率的影响

2.1.4 提取温度对天麻淀粉提取率的影响

由图4 可以看出，随着提取温度的升高，天麻淀粉的提取率呈先升后降的趋势。 当温度在30~40 ℃之间时，天麻淀粉的提取率随温度的升高而增加，这是由于天麻淀粉不溶于冷水，天麻淀粉颗粒与碱液和蛋白质之间的反应会随着温度的升高而加快；在40~50 ℃范围内， 天麻淀粉的提取率随温度的升高呈现出下降趋势， 究其原因是随着温度升高可能会导致部分天麻淀粉开始产生糊化现象并且浆液的黏度会增大，反而会不利于天麻淀粉游离出来[21]，导致天麻淀粉提取率下降。 因此，当提取温度为40 ℃时天麻淀粉的提取效果最好, 选取提取温度为35 ℃、40 ℃、45 ℃这三个水平进行正交试验。

图4 提取温度对天麻淀粉提取率影响

2.2 正交试验结果分析

在单因素试验的基础上，选取不同的提取温度、提取时间、碱液浓度、料液比，采用L9(34)进行正交试验，以确定天麻淀粉提取的最佳工艺参数，正交试验结果和方差分析结果分别见表2 和表3。

由表2 中正交试验结果分析， 由R 值大小可知， 影响天麻淀粉提取效果的4 个因素主次顺序为B>C>D>A，其中对天麻淀粉的提取率影响最大的因素是提取时间，其次是碱液浓度，最后为料液比和提取温度。 正交试验优化的碱法提取天麻淀粉的最佳提取工艺参数为A2B2C1D3，即提取温度40 ℃，提取时间3 h，碱液浓度 0.050 mol/L，料液比 1:7 (g/mL)。由表3 方差分析结果可知，碱液浓度、料液比、提取温度对天麻淀粉提取率的影响不显著 （P＞0.05），提取时间对天麻淀粉提取率有显著性影响（P＜0.05）。

表2 正交试验结果

表3 方差分析表

2.3 验证性试验

为验证正交试验结果的稳定性， 在天麻淀粉最佳提取参数条件A2B2C1D3下提取淀粉，结果见表4，在此条件下得到的天麻淀粉提取率为12.46%。

表4 验证试验结果

3 结论

采用碱液浸提法提取天麻淀粉， 通过单因素试验和L9（34）正交试验得到了天麻淀粉提取的最佳工艺参数为：提取温度40 ℃，提取时间3 h，碱液浓度0.050 mol/L，料液比1:7 (g/mL)，在此条件下天麻淀粉提取率为12.46%。采用碱液浸提法提取天麻淀粉具有操作简单、 节能等优点， 可为今后天麻淀粉提取、 理化性质研究及其在食品工业中的加工应用提供理论参考。