小麥麩皮淀粉的提取及其結(jié)構(gòu)分析

李 欣，張洪微?，劉 瑩，高 菲，唐彥君，劉紫薇

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 食品學(xué)院，黑龍江 大慶 163319）

小麥麩皮是小麥加工的主要副產(chǎn)物，主要由小麥皮層和糊粉層組成，在我國(guó)每年產(chǎn)量大概是3 000萬(wàn)t以上[1]。小麥麩皮口感粗糙苦澀，難以食用，且不易消化，因此目前主要用于釀造和飼料[2-3]等加工行業(yè)。小麥麩皮中含有較豐富的碳水化合物、蛋白質(zhì)、膳食纖維、維生素和礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)成分及多種功能性成分[4-6]，其中淀粉含量約為15%～20%[7]。有研究表明麩皮淀粉與小麥淀粉相比[8-9]，具有結(jié)晶度高，膨脹勢(shì)較高，糊化值高等特點(diǎn)[10-11]，含較豐富的抗性淀粉[12]，是一種優(yōu)良的食用淀粉。

國(guó)內(nèi)外常用的淀粉提取方法包括堿法[13]、酶法[14]和超聲波輔助法[15]等。Lumdubwong等[16]研究中發(fā)現(xiàn)，堿法制備的淀粉吸濕性較強(qiáng)，易于膨脹，但其淀粉得率較低。小麥麩皮淀粉的提取與性質(zhì)研究報(bào)道并不多見，2010年，趙瑞昌[17]等采用中性蛋白酶法提取小麥麩皮淀粉，淀粉得率為14.86%；邵媛媛[18]優(yōu)化了稀堿和中性蛋白酶法提取小麥麩皮淀粉的工藝條件，兩種方法的淀粉得率分別為 12.00%和 14.55%，酶法明顯優(yōu)于稀堿法，但通過中性蛋白酶法制取的小麥淀粉顏色較暗，純度較低。雖然稀堿法得率較低，但純度較高。2017年，唐艷[19]等采用超聲波輔助堿法提取小麥麩皮淀粉，淀粉提取率為90.97%，說明超聲波法有利于麩皮淀粉的提取。以上麩皮淀粉的提取方法可行，但都有各自不足之處，因此還需要進(jìn)一步優(yōu)化小麥麩皮淀粉的分離制備方法。本實(shí)驗(yàn)分別采用堿性蛋白酶法和超聲波輔助堿性蛋白酶法對(duì)小麥麩皮淀粉進(jìn)行提取，以期在提高淀粉得率與純度的同時(shí)改善麩皮淀粉的品質(zhì)。

趙瑞昌[17]比較了面粉淀粉與小麥麩皮淀粉理化性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)小麥麩皮淀粉中支/直鏈比為3.48，高于面粉淀粉，而破損淀粉含量低于面粉淀粉。在邵媛媛[18]的研究中指出兩種方法提取的麩皮淀粉在理化性質(zhì)存在顯著差異，與趙瑞昌的研究結(jié)果也有不同，這說明提取方法及淀粉純度對(duì)淀粉性質(zhì)都有一定的影響，因此深入研究不同提取方法得到的小麥麩皮淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)也是十分必要的。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

小麥麩皮：北大荒豐緣麥業(yè)有限公司；堿性蛋白酶：北京奧博星生物科技有限公司；硼酸、三氯乙酸、Folin酚、無水乙酸鈉、烏酸鈉、等均為分析純?cè)噭?/p>

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

TD5A離心機(jī)：長(zhǎng)沙英泰儀器有限公司；DGG-9140電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；THZ-82水浴恒溫振蕩器：江蘇省榮華儀器制造有限公司；HS6150D型超聲儀：恒奧科技有限公司；UV-2204紫外可見分光光度技：上海析譜有限公司；WMP-6105偏光顯微鏡：上海無陌光學(xué)儀器有限公司；RVA4500快速黏度分析儀：波通瑞華科學(xué)儀器（北京）有限公司；多功能粉末X衍射儀：荷蘭帕納科公司。

1.3 小麥麩皮淀粉提取實(shí)驗(yàn)

小麥麩皮粉碎，過80目篩，加入0.1 mol/L碳酸鈉-碳酸氫鈉的緩沖溶液，攪拌均勻。按一定的超聲條件進(jìn)行超聲處理（酶法提取時(shí)可省略此步驟），將超聲后的反應(yīng)液中加入一定量的堿性蛋白酶（經(jīng)測(cè)定酶活力為24 636 U）反應(yīng)后，用雙層紗布過濾，取濾液靜置沉淀。取沉淀加入蒸餾水，2 000 rmp/min離心分離10 min，輕輕刮除沉淀上層深色雜質(zhì)，反復(fù)離心，直至沉淀全部呈白色。沉淀置于 45 ℃烘箱干燥，得小麥麩皮淀粉備用。具體方法如下：

麩皮→粉碎→過篩(80目)→緩沖液浸泡→（超聲處理）→加入堿性蛋白酶→水浴震蕩→過濾→離心分離（重復(fù) 3次）→沉淀→干燥→過篩→麩皮淀粉→測(cè)定

1.4 小麥麩皮淀粉酶法提取實(shí)驗(yàn)

1.4.1 堿性蛋白酶法

1.4.1.1 單因素實(shí)驗(yàn) 以固液比、酶用量、酶解時(shí)間、酶解溫度和 pH進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

1.4.1.2 正交實(shí)驗(yàn) 根據(jù)堿性蛋白酶法單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)。

表1 堿性蛋白酶法單因素實(shí)驗(yàn)Table 1 Single factor experiment design

1.4.2 超聲波輔助堿性蛋白酶法

1.4.2.1 單因素實(shí)驗(yàn) 先進(jìn)行超聲波處理，再進(jìn)行堿性蛋白酶酶解，對(duì)超聲條件進(jìn)行優(yōu)化，堿性蛋白酶酶解條件采用 1.4.1中實(shí)驗(yàn)所得最佳的酶解條件。單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。

表2 超聲波堿性蛋白酶法單因素實(shí)驗(yàn)Table 2 Single factor experiment design

1.4.2.2 正交實(shí)驗(yàn) 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)。

1.5 麩皮淀粉性質(zhì)測(cè)定

1.5.1 小麥麩皮淀粉含量測(cè)定

1.5.1.1 淀粉 參照GB/T5009.9—2008，酸水解法。

1.5.1.2 支/直鏈淀粉 參照戴雙[20]、姚新靈[21]等的研究稍作修改。

1.5.1.3 破損淀粉 參照GB/T 9826—2008。

1.5.2 小麥麩皮淀粉顆粒結(jié)構(gòu)測(cè)定

1.5.2.1 小麥麩皮淀粉粒徑 采用激光粒徑分析儀測(cè)定，計(jì)算離散度。粒徑分布的離散度公式為：Dn：n%的顆粒粒徑小于該數(shù)值。

1.5.2.2 小麥麩皮淀粉顆粒微觀結(jié)構(gòu) 采用掃描電子顯微鏡測(cè)定，本實(shí)驗(yàn)在加速電壓為 10 kV，放大倍率為5 000倍，工作距離分別為53.5 μm和53.7 μm的條件下，獲取小麥麩淀粉的SEM圖像。

1.5.2.3 小麥麩皮淀粉顆粒結(jié)晶結(jié)構(gòu) 采用偏光顯微鏡觀察小麥麩皮淀粉顆粒的偏光十字現(xiàn)象。X衍射儀測(cè)定小麥麩淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，測(cè)定條件為：電壓40 kV，電流40 mA，掃描速率3 °/min，掃描 2θ范圍 5～90°，步長(zhǎng) 0.02°，每個(gè)樣品掃描 30 min。

1.6 數(shù)據(jù)處理

所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)每組重復(fù)3次，采用Excel 6.0與SPSS 26進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥麩皮淀粉提取

2.1.1 堿性蛋白酶法單因素實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，麩皮淀粉的提取量隨反應(yīng) pH值、反應(yīng)溫度、固液比的變化均呈先升高后下降的趨勢(shì)。分別在pH 11.5時(shí)，反應(yīng)溫度為 45 ℃，固液比為 1∶10（g∶mL），堿性蛋白酶作用40 min，酶用量達(dá)463.68 U/mL時(shí)，麩皮淀粉提取量達(dá)最大值。這是因?yàn)檫m宜的酶解條件，保證了酶的最大活力。

2.1.2 堿性蛋白酶法正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)固液比對(duì)麩皮淀粉提取量的影響變化不明顯，因此固液比確定為1∶10（g∶mL），正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見表4，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表5。

經(jīng)極差分析，影響淀粉提取量的主次因素為A＞B＞C＞D，最優(yōu)組合為A3B3C2D3，即酶用量529.92 U·mL–1，酶作用時(shí)間為 50 min，反應(yīng)溫度45 ℃，pH 12為最好。

表3 單因素實(shí)驗(yàn)麩皮淀粉提取量Table 3 Single factor test of extraction amount of bran starch g

表4 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 4 Orthogonal test factor level table

表5 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表L9(34)Table 5 Orthogonal test results table L9(34)

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表 6，在最佳酶解條件下，麩皮淀粉的平均提取量為 6.08 g，淀粉得率為30.40%，但淀粉含量為59.24%，說明所提麩皮淀粉的純度較低，這也是所得麩皮淀粉顏色偏暗黃色的主要原因。

表6 堿性蛋白酶法提取麩皮淀粉驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 Validation test results of alkaline protease extraction of bran starch

2.1.3 超聲波堿性蛋白酶法單因素實(shí)驗(yàn)

取 10.00 g小麥麩皮原料，先超聲作用后酶解，超聲波反應(yīng)的單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7。由表7可知，隨緩沖液的增多，小麥麩皮淀粉的提取量增多，固液比在1∶10（g∶mL）以后，由于反應(yīng)物濃度下降，淀粉提取量開始降低。超聲功率越大，超聲時(shí)間越長(zhǎng)，麩皮淀粉的提取效果越好，因?yàn)槌暡軌蚱茐募?xì)胞壁，使溶劑更好穿透，同時(shí)促進(jìn)淀粉從蛋白質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中分離出來，達(dá)到提高淀粉得率的目的。但延長(zhǎng)時(shí)間和增大超聲功率都會(huì)使反應(yīng)液溫度升高，導(dǎo)致淀粉出現(xiàn)糊化的現(xiàn)象，不利于淀粉的提取。

表7 超聲波法單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 7 Single factor test results of ultrasonic method g

2.1.4 超聲波堿性蛋白酶法正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，正交實(shí)驗(yàn)因素水平表見表8，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表9。

經(jīng)極差分析，影響小麥麩皮淀粉提取量的主次因素為A＞B＞C，最優(yōu)組合為A3B3C2。即最優(yōu)超聲條件為固液比為1∶15（g∶mL），超聲功率為200 W，超聲時(shí)間為15 min時(shí)的效果最佳。

表8 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 8 Orthogonal test factor level table

經(jīng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)可知，麩皮淀粉的平均提取量為2.106 g，麩皮淀粉得率為 21.06%，淀粉含量為90.64%，麩皮淀粉呈白色粉末。

表10 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表Table 10 Verification experiment results table

2.1.5 小麥麩皮淀粉提取方法研究

比較分析兩種方法，堿性蛋白酶法提取麩皮淀粉的得率較高，但純度較低，提取物中淀粉含量只有59.24%，所得淀粉顏色偏淡褐色，也說明其中含有較多雜質(zhì)。超聲波輔助堿性蛋白酶法獲得的麩皮淀粉得率為21.06%，雖低于堿性蛋白酶法，但其淀粉含量達(dá)到90.64%，說明其淀粉純度高。經(jīng)測(cè)定，小麥麩皮原料中淀粉含量為19.87%，因此堿性蛋白酶法麩皮淀粉的提取率為90.64%，而超聲波輔助法的提取率為96.06%，說明超聲波輔助堿性蛋白酶法比堿性蛋白酶對(duì)麩皮淀粉的提取效率更高，所提取的麩皮淀粉質(zhì)量也優(yōu)于堿性蛋白酶法。

2.2 小麥麩皮淀粉測(cè)定

2.2.1 直鏈淀粉、支鏈淀粉及破損淀粉含量測(cè)定

小麥麩皮淀粉的支鏈淀粉含量明顯高于直鏈淀粉，在趙瑞昌等的研究中[17]支/直比3.48，略低于本實(shí)驗(yàn)，其破損淀粉含量為 1.78%，破損淀粉含量較低。破損淀粉的吸水率高，對(duì)α-淀粉酶和β-淀粉酶的敏感性高，破損淀粉含量過高可能會(huì)導(dǎo)致面包烘烤時(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得過于柔軟和支撐力下降，出現(xiàn)倒塌，收縮等現(xiàn)象[22]。

表11 麩皮淀粉組分及破損淀粉含量Table 11 Bran starch components and broken starch content

2.2.2 小麥麩皮淀粉顆粒結(jié)構(gòu)與粒徑分布

經(jīng)電鏡分析（圖1），小麥麩皮淀粉顆粒形狀具有橢球形和扁球形狀態(tài)，顆粒結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)單粒，顆粒大小較均一，同時(shí)可見有少量小顆粒的圓球形淀粉，這與小麥淀粉一致[23]。

小麥麩皮淀粉 D90、D50、D10值分別為29.35、15.86、3.047，平均粒徑為15.86，離散度為1.658。小麥麩皮淀粉中D90、D50、D10均小于小麥淀粉，離散度大于小麥淀粉[23]，則說明小麥麩皮淀粉過大和過小的顆粒數(shù)較多，小麥麩皮淀粉的顆粒粒度分布范圍較廣。根據(jù)顆粒直徑可分為 A 型（10～40 μm）、B 型（1～10 μm）和 C 型（＜1 μm）[24]，由此可初步判斷小麥麩皮淀粉以A型為主，少量為B型。

圖1 小麥麩皮淀粉掃描電子顯微鏡圖像Fig.1 Scanning electron microscope image of wheat bran starch

表12 小麥麩皮淀粉粒徑分布Table 12 Wheat bran starch particle size distribution

2.2.3 小麥麩皮淀粉顆粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)測(cè)定

由圖 2可以看出小麥麩皮淀粉顆粒存在偏光十字現(xiàn)象，交點(diǎn)在顆粒的中心，呈十字交叉。說明麩皮淀粉具有徑向結(jié)晶結(jié)構(gòu)，與小麥淀粉相同[25]。

圖2 小麥麩皮淀粉偏光十字圖像Fig.2 Wheat bran starch polarized cross image

由圖 3可知，在衍射角為 18.04°和 23.08°時(shí)麩皮淀粉出現(xiàn)較強(qiáng)的衍射峰，此特征表現(xiàn)出麩皮淀粉為A型淀粉，與顆粒粒徑判斷相同，而小麥淀粉以B型淀粉為主[25]。

圖3 麩皮淀粉X-衍射圖Fig.3 X-ray powder diffraction patterns of bran starch

3 結(jié)論

常用的淀粉提取方法也適用于小麥麩皮淀粉的提取，但超聲波輔助堿性蛋白酶較單一的方法更有利于小麥麩皮淀粉的提取。通過電鏡和偏光顯微鏡觀察，首次明確了小麥麩皮淀粉顆粒的形狀與結(jié)晶狀態(tài)；麩皮淀粉粒徑分布范圍較廣，其支/直比和破損淀粉含量均高于前人研究，X衍射結(jié)果也表明麩皮淀粉為A型結(jié)晶。

深入研究分析小麥麩皮淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)是掌握淀粉糊性質(zhì)的關(guān)鍵，因此對(duì)小麥麩皮淀粉理化性質(zhì)的研究和其結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的相關(guān)性研究將是有待解決的重要問題。

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