段 冰，杨 玲，郭 睿，郭旭凯，邵 强，温贤将

（山西农业大学（山西省农业科学院高粱研究所），山西晋中 030600）

我国高粱种植面积和产量居世界第5 位[1]，淀粉是高粱籽粒中含量最多的碳水化合物[2]。高粱作为一种谷物经济作物，最主要的组分是淀粉，其次是蛋白质、脂类、粗纤维等。目前，国内高粱淀粉还未得到广泛关注，其利用价值远远低于玉米淀粉、大米淀粉和马铃薯淀粉，其原因主要是高粱淀粉理化性质差异较大，加工品质差异也较大[3]。

高粱籽粒中的蛋白在淀粉加工时会产生不利影响，淀粉和蛋白质容易形成致密结构[4]，造成淀粉提取较为困难、提取纯度不高等问题[5]。淀粉颗粒与蛋白质存在静电作用、疏水作用、二硫键、氢键等[6]，也会影响淀粉提取。有研究显示[7-8]采用碱性蛋白酶进行淀粉提取，不会对淀粉颗粒的大小与结构产生不良影响。代钰等人[9]研究了稀碱法分离工艺对糯米蛋白质提取率的影响。孔露等人[10]研究了响应面优化碱性蛋白酶法提取藜麦淀粉工艺。与高粱蛋白和酚类物质的研究相比，高粱淀粉的研究较少；同时，相比于玉米、豆类和大米淀粉等，高粱淀粉的研究更少。因此，提高高粱淀粉提取条件的优化十分必要。在淀粉工业生产中，目前较为常用的淀粉提取方法是碱法提取[11-12]，该方法具有操作方便、提取效果好等特点。Lumdubwong N 等人[13]研究表明，碱法制备的大米淀粉比酶法制备的更易吸水膨胀。通过响应面优化碱法提取高粱淀粉工艺，得出高粱淀粉的最佳提取工艺。采用差示量热扫描仪对提取的高粱淀粉进行性质分析，以期为高粱淀粉的加工利用提供途径。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 材料与试剂

高粱：晋杂22 号，山西省农业科学院高粱研究所选育提供；氢氧化钠、浓硫酸、硫酸铜、硫酸钾、硼酸。

1.1.2 仪器与设备

PDV 型超微粉碎机，北京环亚天元机械有限公司产品；BSA224S-CW 型电子天平，北京赛多利斯仪器系统有限公司产品；HHS 型电热恒温水浴锅，上海博讯实业公司产品；JJ-1 型精密定时电动搅拌器，常州润滑电器有限公司产品；LC-456R 型低速冷冻离心机，安徽中科中佳科学仪器有限公司产品；Q10 型差示量热扫描仪，美国TA 公司产品；凯氏定氮仪，瑞典福斯分析仪器公司产品。

1.2 试验方法

1.2.1 碱法提取高粱淀粉工艺流程

采用碱法工艺提取高粱淀粉，具体工艺流程如下。

高粱精选→打粉→碱液搅拌浸提→洗涤过筛→离心→去除上层残渣→乙醇洗涤脱色→离心→干燥→粉碎→冻存。

具体操作步骤为：取400 g 清选好的高粱籽粒，置粉碎机中粉碎2 min，过60 目筛。将粉碎过筛的高粱粉置于4 000 mL NaOH 溶液中搅拌机搅拌2 h，静置2 h，弃去上清液。向淀粉泥中加入蒸馏水至4 000 mL，搅拌机搅拌10 min，反复过200 目筛，去除筛上杂质，直至筛上无杂质残留，过筛时不断以蒸馏水洗涤筛上物，以使溶解的淀粉充分过筛。静置淀粉溶液2 h，弃去上清液。向淀粉泥中加水至1 000 mL，搅拌5 min，以转速4 000 r/min 离心10 min，弃去上清液，用勺子将离心物上层胶状物去除，将下层淀粉转移至1 000 mL 烧杯中，加90%乙醇至700 mL，搅拌30 min，离心，弃去上清液。将得到的淀粉放入干燥盘中，捏碎，烘箱中40 ℃干燥过夜，粉碎机粉碎，装袋，-20 ℃冰箱中保存。

为优化高粱淀粉的提取条件，降低淀粉中的蛋白质含量，针对淀粉提取关键步骤——碱液浸提的条件优化，主要优化工艺参数为碱液（NaOH） 浓度、提取温度、提取时间。利用凯氏定氮法[14]测定干燥后的成品高粱淀粉中蛋白质的残留量，以此为指标确定高粱淀粉的最佳提取条件。

1.2.2 单因素试验

以蛋白残留量为指标，考查提取高粱淀粉时碱液质量分数、提取时间、提取温度对高粱淀粉蛋白残留的影响。

碱法提取高粱淀粉单因素试验设计见表1。

表1 碱法提取高粱淀粉单因素试验设计

1.2.3 响应面优化试验

在单因素试验和前人经验[15-17]的基础上，应用Design-expert 10.0 软件中的Box-behnken 模型对高粱淀粉提取条件进行优化。

1.2.4 高粱淀粉热力学特性分析

通过差示扫描量热仪分析高粱淀粉的糊化特性，量取10 μL 左右15% （W/V） 的淀粉悬浮液于铝锅并密封，取一个空的密封的铝锅作为空白参照。样品在50～120 ℃的温度范围内以10 ℃/min 加热。利用计算机软件从热像图中观察到的吸热峰计算变性温度（Td）。

1.2.5 高粱淀粉提取的验证试验

以响应面优化试验确定的高粱淀粉提取最佳条件并进行验证试验。

1.2.6 数据处理

采用Excel 2013 软件和Design Expert 10.0 软件中的Box-behnken Design（BBD） 响应面分析模型[18]。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果分析

2.1.1 碱液质量分数对高粱淀粉提取效果的影响

固定提取温度35℃，提取时间3 h，分别控制碱液质量分数为0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，考查碱液质量分数对高粱淀粉提取效率的影响。

碱液质量分数对高粱淀粉提取效果的影响见图1。

图1 碱液质量分数对高粱淀粉提取效果的影响

由图1 可知，当碱液质量分数从0.1%逐渐增加到0.5%的过程中，蛋白质含量先降低，碱液质量分数为0.3%时，提取的淀粉蛋白质含量最低，然后又逐渐升高。原因可能是碱液质量分数过低不能使蛋白质充分溶解，而碱液质量分数过高又会使淀粉产生糊化现象，限制了蛋白质的提取。

2.1.2 提取时间对高粱淀粉提取效果的影响

固定碱液质量分数0.3%，提取温度35 ℃，分别控制提取时间为1，2，3，4，5 h，考查提取时间对高粱淀粉提取效率的影响。

提取时间对高粱淀粉提取效果的影响见图2。

由图2 可知，随着提取时间的增加，淀粉中的蛋白质含量逐渐降低，在3～4 h 时高粱淀粉中的蛋白质含量最低；提取时间超过4 h 以后，蛋白质残留量也开始增加。可能是由于氢氧化钠会对淀粉产生轻微的水解作用，致使蛋白质不容易被清洗出来。

2.1.3 提取温度对高粱淀粉提取效果的影响

固定碱液质量分数0.3%，提取时间3 h，分别控制提取温度为25，30，35，40，45 ℃，考查提取温度对高粱淀粉提取效率的影响。

提取温度对高粱淀粉提取效果的影响见图3。

图2 提取时间对高粱淀粉提取效果的影响

图3 提取温度对高粱淀粉提取效果的影响

由图3 可知，高粱淀粉中的蛋白质残留量随着提取温度的升高逐渐降低，当提取温度为35 ℃时，蛋白质残留量达到低点，再升高提取温度蛋白质残留量变化不明显。

2.2 响应面优化试验结果分析

在单因素试验的基础上，应用Design-expert 10.0 软件中的Box-behnken 模型对高粱淀粉提取条件进行优化。

高粱淀粉提取响应面法优化因素与水平见表2。

表2 高粱淀粉提取响应面法优化因素与水平

采用Design Export 10.0.3 软件中的Box-behnken Design（BBD） 模型对响应面试验设计所做得的蛋白质残留量数据进行处理。

高粱淀粉提取BBD 响应面试验设计与响应值见表3，响应面模型方差分析见表4。

表4 中1，2，3，11，13 号试验为中心零点试验，重复5 次，以估计试验误差，其他试验为析因试验。根据试验响应值进行因变量与自变量的多元线性回归和二项式方程拟合，得到蛋白残留率Y 的预测值对自变量的二次多项式回归方程：

由表5 可知，回归方程模型的p 值为0.000 2＜0.01，表明该试验模型所选用的二次多项式具有高度显著性；A，B，A2，C24 个项因素对模型均影响显著（p＜0.05），A 与B 交互不显著（p=1.000），A 与C 交互不显著（p=0.398 1），B 与C 交互不显著（p=0.567 5）。失拟项p 值为0.121 4＞0.05，说明方程对试验拟合程度良好，可以用此模型对饼干配方的感官进行分析和预测。模型的决定系数R2=0.969 7，说明三因素对蛋白质残留的影响中96.97%的试验数据变异可用此模型解释。由模型回归系数检验值F 可知，各因素对响应值影响主次顺序为碱液质量分数（A） ＞提取温度（B） ＞提取时间（C）。

A，B，C 三因素两两交互对蛋白质残留率的影响见图4。

表3 高粱淀粉提取BBD 响应面试验设计与响应值

表4 响应面模型方差分析

图4 A，B，C 三因素两两交互对蛋白质残留率的影响

由图4 可知，A，B，C 3 个因素两两交互作用都存在蛋白残留率的极值，相比较而言，A 与C 交互对蛋白残留率的影响最为显著。由软件计算得到高粱淀粉提取蛋白质残留量最低的条件为碱液质量分数0.29%，提取温度40 ℃，提取时间3.064 h，由此条件提取的高粱淀粉蛋白残留量最低，为0.305%。结合实际应用，确定高粱淀粉提取条件为碱液质量分数0.3%，提取温度40 ℃，提取时间3.1 h。

2.3 高粱淀粉提取条件验证试验

响应面优化试验确定的高粱淀粉提取最佳条件为碱液质量分数0.3%，提取温度40℃，提取时间3.1 h。为验证试验结果的可靠性，用以上修正后的工艺参数做3 次平行试验。

淀粉提取条件验证试验结果见表5。

表5 淀粉提取条件验证试验结果

由表5 可知，在此优化条件下，设3 个重复，蛋白残留率平均值为0.31%，与理论值的相近，验证试验表明，响应面法对高粱淀粉提取的优化是可行的，得到的提取条件可靠。

2.4 晋杂22 号高粱淀粉热力学特性分析

淀粉颗粒在水溶液中受热膨胀，迅速吸收水分，分子内和分子间氢键断裂[19]，颗粒逐步扩散的过程称为淀粉糊化过程。糊化是淀粉的基本特性，淀粉及食品的加工、贮藏及口感等都与糊化特性密切相关，糊化特性是反映淀粉品质的重要指标[20]。

晋杂22 号高粱淀粉热力学特性见表6。

表6 晋杂22 号高粱淀粉热力学特性

由表6 可知，晋杂22 号高粱淀粉热焓值为9.9±0.1 J/g，起始糊化的温度为64.78±0.10 ℃，终止温度为78.46±0.10 ℃，峰值温度为69.94±0.10 ℃。在60～80 ℃存在一个吸热峰。

3 结论

通过响应面法对碱法提取高粱淀粉的工艺进行了优化，分析了碱液质量分数、提取温度和提取时间对蛋白残留率的影响。结果表明，当碱液质量分数0.3%，提取温度40 ℃，提取时间3.1 h 时，蛋白残留率为0.31%，效果最佳。利用差示量热扫描仪得到的热焓值为9.9±0.1 J/g，起始糊化的温度为64.78±0.10 ℃，终止温度为78.46±0.10 ℃，峰值温度为69.94±0.10 ℃。