雷 晶，羅安梅，羅婷婷，路煥梁，崔 悅，高 菲，張洪微

（黑龍江八一農(nóng)墾大學 食品學院，黑龍江 大慶 163319）

高粱是一種禾本科植物，其種植面積和產(chǎn)量僅次于小麥、玉米、水稻和大麥，是第五大谷物[1-2]。高粱營養(yǎng)豐富，淀粉在高粱顆粒中占有較多成分，其含量為65.3%～81.0%[3]。極低的生產(chǎn)成本和較高的淀粉含量使高粱成為優(yōu)質(zhì)淀粉的潛在來源之一，可在食品工業(yè)中用作其他谷物淀粉的替代品[4-5]。

由于高粱籽粒中淀粉和蛋白質(zhì)的緊密結(jié)合，致使淀粉得率低，提取純度不高[6]。目前，常用的淀粉提取方法有堿法[7]、超聲波法[8]和酶法[9]等。其中，堿法技術(shù)相對成熟，是一種常見的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)方法[10]。張正茂等人[11]通過比較甘薯淀粉的不同提取方法和工藝，發(fā)現(xiàn)堿提取后的淀粉得率和白度較高。其機理是蛋白質(zhì)、纖維素和其他與淀粉結(jié)合的成分被堿水解，釋放淀粉，提高淀粉得率[12]。此外，淀粉的提取還受到與蛋白質(zhì)的靜電反應(yīng)、疏水作用、氫鍵等影響[13]。研究表明[14-15]，用堿性蛋白酶提取淀粉不會影響淀粉顆粒的大小和結(jié)構(gòu)。目前，與其他谷物淀粉相比，高粱淀粉的研究較少。因此，為了進一步提高高粱淀粉的利用率，有必要對高粱淀粉進行提取和純化。

作為黑龍江省的主要種植品種之一，龍米糧1號高粱粗淀粉含量為76.54%，較其他品種高，富含0.32%的賴氨酸，具有早熟、抗倒伏等優(yōu)點。因此，研究以龍米糧1號高粱為原料，采用堿法提取高粱淀粉，確定最佳提取條件；用堿性蛋白酶進一步純化高粱淀粉，提高淀粉純度，為高粱淀粉的生產(chǎn)和深加工提供有效途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1材料與試劑

高粱，產(chǎn)自大慶安達市，龍米糧1號；堿性蛋白酶（活力200 U/mg，菌種為地衣芽孢桿菌），上海源葉生物科技有限公司提供；其他試劑，均為分析純。

1.1.2 主要儀器

DG-88型粉碎機，廣州市德工機械設(shè)備有限公司產(chǎn)品；LD4-40型離心機，北京精力有限公司產(chǎn)品；DHG-9146A型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海精宏實驗設(shè)備有限公司產(chǎn)品；XH-C型旋渦混合器，江蘇省金壇市金城國際試驗儀器廠產(chǎn)品；CHA-2A型氣浴恒溫振蕩器，常州申光儀器有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗方法

1.2.1 高粱淀粉的提取

將高粱顆粒粉碎過80目篩，于40℃下干燥，得到高粱粗粉。將粗高粱粉與NaOH溶液按一定比例混合，在氣浴振蕩器中反應(yīng)一定時間。以轉(zhuǎn)速3 000 r/min離心15 min，刮去上層雜質(zhì)，沉淀物多次過濾至白色，在35℃烘箱中干燥24 h進行烘干，得粗淀粉。

1.2.2 堿法提取高粱淀粉單因素試驗設(shè)計

設(shè)計單因素試驗，以高粱淀粉得率為指標。

堿法單因素試驗見表1。

表1 堿法單因素試驗

1.2.3 高粱淀粉的純化

采用上述堿法提取高粱淀粉，得到高粱粗淀粉，用堿性蛋白酶法純化高粱淀粉。

1.2.4 酶法純化高粱淀粉單因素試驗設(shè)計

高粱中的蛋白質(zhì)通常與淀粉分子聚合。因此，為了提高淀粉的純度，可通過分解高粱淀粉分子上的蛋白質(zhì)而實現(xiàn)。通過課題組前期試驗，以高粱淀粉純度為指標，得出單因素試驗范圍。

酶法單因素試驗范圍見表2。

表2 酶法單因素試驗范圍

1.2.5 正交試驗設(shè)計

根據(jù)堿法提取和酶法純化的單因素試驗結(jié)果，設(shè)計正交試驗，根據(jù)結(jié)果獲得高粱淀粉最佳提取和純化條件。

1.3 淀粉純度的測定

淀粉的純度按GB 5009.9—2016測定[16]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS軟件和Origin 2021pro數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 堿法提取高粱淀粉單因素試驗結(jié)果

2.1.1 NaOH質(zhì)量分數(shù)對高粱淀粉得率的影響

NaOH質(zhì)量分數(shù)對高粱淀粉得率的影響見圖1。

圖1 NaOH質(zhì)量分數(shù)對高粱淀粉得率的影響

由1可知，NaOH質(zhì)量分數(shù)從0.3%逐漸增加到0.7%的過程中，淀粉得率先增加后降低。當NaOH質(zhì)量分數(shù)為0.4%時，淀粉得率最高。可能是NaOH質(zhì)量分數(shù)太低或太高，無法水解與淀粉結(jié)合的蛋白質(zhì)等其他成分，從而阻礙淀粉的釋放。

2.1.2 反應(yīng)時間對高粱淀粉得率的影響

反應(yīng)時間對高粱淀粉得率的影響見圖2。

圖2 反應(yīng)時間對高粱淀粉得率的影響

由圖2可知，淀粉得率隨著反應(yīng)時間的延長而上升，到2 h時達到最高。這是因為在提取初期，可溶性淀粉的溶解量隨著時間的增加而增加，但隨著提取體系黏度的增加，溶解速度變慢，使得淀粉得率的變化趨于平緩。然而，高粱淀粉得率在2 h后下降，這可能是由于時間過長堿液侵蝕淀粉，破壞了淀粉顆粒的表面形貌，從而降低了淀粉得率。

2.1.3 反應(yīng)溫度對高粱淀粉得率的影響

反應(yīng)溫度對高粱淀粉得率的影響見圖3。

由圖3可知，在25～35℃時，淀粉得率隨著溫度的升高而增加，而后淀粉的得率逐漸降低，因為隨著溫度的升高，可溶性淀粉更容易分散在溶劑中，得率降低[17]。因此，過高的溫度不利于淀粉的提取，甚至破壞淀粉的結(jié)構(gòu)。

圖3 反應(yīng)溫度對高粱淀粉得率的影響

2.1.4 料液比對高粱淀粉得率的影響

料液比對高粱淀粉得率的影響見圖4。

圖4 料液比對高粱淀粉得率的影響

由圖4可知，料液比對高粱淀粉得率的影響顯著。隨料液比的增加，得率也增加。當料液比在1∶15時，達到最高，提高比率可以使物料與溶液反應(yīng)更充分，促進高粱蛋白質(zhì)和淀粉的分離；料液比高于1∶15后，物料可能與溶液反應(yīng)不充分，因此有下降趨勢。

2.2 堿法提取正交試驗結(jié)果

從上述單因素試驗結(jié)果，采用正交試驗設(shè)計，每組重復3次。

堿法正交試驗因素與水平設(shè)計見表3，堿法正交試驗結(jié)果見表4。

表3 堿法正交試驗因素與水平設(shè)計

由表4可知，堿法提取高粱淀粉試驗中，NaOH質(zhì)量分數(shù)、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間和料液比均對高粱淀粉的得率有影響。由于D＞B＞C＞A，最佳工藝條件為A2B3C3D3，即NaOH質(zhì)量分數(shù)0.4%，反應(yīng)溫度40℃，反應(yīng)時間2 h，料液比1∶20。經(jīng)驗證試驗得出，高粱粗淀粉得率為82.54%，淀粉為白色粉末。

表4 堿法正交試驗結(jié)果

2.3 堿性蛋白酶法純化高粱淀粉單因素試驗結(jié)果

2.3.1 酶添加量對高粱淀粉純度的影響

酶添加量對高粱淀粉純度的影響見圖5。

由圖5可知，在適宜的條件下，高粱淀粉的純度隨著蛋白酶的加入而逐漸升高，可能是隨著蛋白酶添加量的增加，蛋白質(zhì)和蛋白酶之間的接觸面積隨著酶添加量的增加而增大，導致淀粉純度逐漸上升[18]。由圖5可知，當酶添加量達到0.8%時，淀粉的純度開始下降，可能是在試驗過程中，當?shù)矸塾昧抗潭ǎ柑砑恿窟_到一定值時，高粱淀粉的純度逐漸趨于穩(wěn)定。

圖5 酶添加量對高粱淀粉純度的影響

2.3.2 酶解溫度對高粱淀粉純度的影響

酶解溫度對高粱淀粉純度的影響見圖6。

圖6 酶解溫度對高粱淀粉純度的影響

由圖6可知，當酶解溫度達到35℃時，淀粉純度上升到最高，隨后逐漸降低。可能是因為影響酶活力的一個重要指標是溫度，當酶解溫度低于此溫度時，蛋白酶活性與溫度呈正比；而酶解溫度高于此值時，蛋白酶活性與溫度呈負相關(guān)，最終蛋白酶失去活性[19]。而且由于淀粉在高溫條件下容易糊化，淀粉會變質(zhì)。因此，酶解溫度不宜過高。

2.3.3 酶解時間對高粱淀粉純度的影響

酶解時間對高粱淀粉純度的影響見圖7。

圖7 酶解時間對高粱淀粉純度的影響

由圖7可知，酶解時間延長后，淀粉純度逐漸增加，而后緩慢下降，最后基本穩(wěn)定。原因可能是當酶解時間在1～2 h內(nèi)，淀粉與酶充分反應(yīng)，淀粉顆粒不斷脫落，提高了淀粉的純度；2 h后，淀粉顆粒中的蛋白質(zhì)可被酶水解至飽和，因此淀粉的純度趨于穩(wěn)定。

2.3.4 料液比對高粱淀粉純度的影響

料液比對高粱淀粉純度的影響見圖8。

圖8 料液比對高粱淀粉純度的影響

由圖8可知，料液比為1∶10時，淀粉的純度達到最高，然后逐漸降低。可能是隨著溶劑用量的增加，高粱中釋放出更多的淀粉，淀粉的純度逐漸提高；過量的溶劑會使溶液變稀，更多的非淀粉水溶性物質(zhì)溶解，從而降低可溶性淀粉的溶解度[20]，導致最終淀粉純度下降。

2.4 酶法純化正交試驗結(jié)果

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，進行正交試驗的設(shè)計，每組進行3次平行。

酶法正交試驗因素與水平設(shè)計見表5，酶法正交試驗結(jié)果見表6。

表5 酶法正交試驗因素與水平設(shè)計

由表6可知，4種因素均影響高粱淀粉的純度。主次順序為A'＞D'＞C'＞B'，最佳提取條件為A'2B'1C'2D'1，即堿性蛋白酶添加量0.6%，料液比1∶10，酶解溫度35℃，酶解時間120 min。

表6 酶法正交試驗結(jié)果

2.5 驗證試驗

以正交試驗最佳為條件進行驗證，重復3次。

驗證試驗結(jié)果見表7。

表7 驗證試驗結(jié)果/%

3 結(jié)論

通過正交試驗對堿法提取和酶法純化龍米糧1號高粱淀粉工藝參數(shù)進行評估，考查了NaOH質(zhì)量分數(shù)、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度和料液比對高粱淀粉得率的影響以及酶添加量、酶解時間、酶解溫度和料液比對高粱淀粉純度的影響。結(jié)果表明，當NaOH質(zhì)量分數(shù)0.4%，反應(yīng)溫度40℃，反應(yīng)時間2 h，料液比1∶20時，高粱淀粉得率最佳；當堿性蛋白酶添加量0.6%，料液比1∶10，酶解溫度35℃，酶解時間120 min時，高粱淀粉純度最優(yōu)。