超声波辅助提取人参淀粉工艺优化及其性质

刘婷婷，崔海月，樊红秀，张艳荣*

（吉林农业大学食品科学与工程学院，吉林 长春 130118）

摘 要：采用超声波辅助提取人参淀粉，通过单因素和正交试验研究超声波功率、超声波时间、料液比及原料粒度对人参淀粉提取率的影响，确定最佳提取工艺条件。采用扫描电子显微镜、偏光显微镜、红外光谱仪、布拉班德黏度仪、质构仪等对人参淀粉的颗粒性质及理化性质进行研究。结果表明：超声波辅助提取人参淀粉的最佳工艺条件为超声波功率600 W、超声波时间20 min、料液比1∶25（g/mL）、粒度80 目，此时淀粉的提取率高达70.51%，比常规法增加10.69%。在最佳工艺条件下，超声波辅助提取的人参淀粉直链淀粉含量增加，淀粉糊的溶解度、膨胀度及透明度提高，凝沉性减弱。超声波辅助提取的人参淀粉的糊化温度为70.5 ℃，峰值黏度为70.0 BU。

关键词：人参淀粉；超声波；提取；性质

Ultrasonic-Assisted Extraction and Characterization of Ginseng Starch

LIU Ting-ting, CUI Hai-yue, FAN Hong-xiu, ZHANG Yan-rong*

(College of Food Science and Engineering, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China)

Abstract: The ultrasonic-assisted extraction of ginseng starch was optimized using single-factor and orthogonal array designs. The extraction yield of ginseng starch was investigated with respect to ultrasonic power, ultrasonication time, ratio of material to liquid and material particle size. The particle and physicochemical properties of ginseng starch were studied by using scanning electron microscope, polarizing microscope, infrared spectrometer, Brabender viscograph and texture analyzer. The results showed that the optimal conditions for ultrasonic-assisted extraction of ginseng starch were found to be ultrasonic power 600 W, ultrasonic time 20 min, ratio of material to liquid 1:25 (g/mL) and material particle size 80 mesh. The extraction yield of ginseng starch under the optimized conditions was up to 70.51%, which was 10.69% higher than that obtained with the conventional method. Ginseng starch from the ultrasonic-assisted extraction exhibited increased levels of amylose content, solubility, swelling power and transparency and reduced retrogradation property, and had a gelatinization temperature of 70.5 ℃ and a peak viscosity of 70.0 BU.

Key words: ginseng starch; ultrasonic; extraction; properties

中图分类号：TS235.2 文献标志码：A 文章编号：1002-6630（2014）10-0034-07

doi:10.7506/spkx1002-6630-201410007

人参（Panax ginseng C.A.Mey）属于五加科（Araliaceae）人参属，为多年生的草本植物，是中国传统的名贵中药材，具有大补元气、复脉固脱、调补五脏、生津止渴、安神益智等作用[1-3]。人参中的标志性成分为人参皂苷，但其含量较低，仅为4%左右，提取完人参皂苷后会剩余大量的残渣，其中淀粉含量高达35%，如果不能对其合理利用，会造成人参资源的极大浪费[4]。因此，研究与开发提取人参皂苷后的人参残渣，对于提高人参资源的综合利用、加快人参产业的深化发展都具有重要意义。吉林省是我国栽培人参的主产区，也是世界上最大的人参产地，对于人参资源的开发利用，吉林省有着得天独厚的条件[5-6]。超声波萃取具有提取效率高、操作简便等优点，在植物成分提取方面广受重视[7]，但目前有关超声波辅助提取人参淀粉的研究未见报道。本实验以提取人参皂苷后的人参残渣为原料，在常规提取方法的基础上，采用超声波辅助提取人参淀粉，并对其工艺条件进行优化，进一步加强了人参淀粉的提取效果。同时，研究了超声波辅助提取的人参淀粉的性质，并与常规法提取的人参淀粉的性质进行了比较，以期对人参淀粉的开发利用提供理论依据，同时提高人参资源的综合利用，加快人参产业的深化发展。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

提取皂苷后人参残渣 实验室自制；直链淀粉、支链淀粉标准品 美国Sigma公司；碘（分析纯） 中国医药集团上海化学试剂公司；无水乙醇、氢氧化钠、碘化钾、氯化钠（均为分析纯） 北京化工厂。

1.2 仪器与设备

GB204电子分析天平 梅特勒-托利多仪器有限公司；KDC-1042低速离心机 安徽中科中佳科学仪器有限公司；DZKW-4电子恒温水浴锅 北京市中兴伟业仪器有限公司；JY92-Ⅱ超声波细胞粉碎机 宁波新芝生物科技股份有限公司；TU-1901双光束紫外-可见分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司；SSX-550扫描电子显微镜 苏州市奥科计量有限公司；POL-280偏光显微镜 福建厦门麦克奥迪实业集团有限公司；803201Micro Visco-Amylo-Graph黏度计 德国Brabender公司；DY-40电动粉末压片机 天津市科器高新技术公司；IR Prestige-21傅里叶变换红外光谱仪 日本岛津公司；TA. XT. plus质构仪 英国Stable Micro Systems公司。

1.3 方法

1.3.1 人参淀粉的提取

1.3.1.1 超声波辅助提取工艺流程

人参渣→粉碎过筛→浸泡→超声波辅助提取→水洗过滤→滤液→离心分离→沉淀→多次水洗精制→脱水、干燥→超声提取人参淀粉（ultrasonic ginseng starch，UGS）

1.3.1.2 常规法提取工艺流程[8]

人参渣→粉碎过筛→浸泡→水洗过滤→滤液→离心分离→沉淀→多次水洗精制→脱水、干燥→常规提取人参淀粉（conventional ginseng starch，CGS；淀粉提取率59.82%）

1.3.1.3 人参淀粉提取率的计算

（1）

1.3.2 超声波辅助提取人参淀粉的优化试验

1.3.2.1 单因素试验

设定超声波功率600 W、超声波时间15 min、料液比1∶20（g/mL）、粒度60目，单因素试验为固定其他因素，研究某因素对人参淀粉提取率的影响，各因素水平为：超声波功率分别为400、500、600、700、800 W；超声波时间分别为5、10、15、20、25 min；料液比分别为1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30（g/mL）；粒度分别为20、40、60、80、100目。

1.3.2.2 正交试验

在单因素试验的基础上，对超声波功率、超声波时间、料液比、粒度4个因素进行L9（34）正交试验，以人参淀粉的提取率为评价指标，确定人参淀粉的最佳提取工艺。试验因素设计水平表见表1。

表 1 正交试验因素与水平

Table 1 Factors and levels used in orthogonal array design

1.3.3 直链淀粉与支链淀粉含量测定

采用双波长比色法测定人参淀粉中直链淀粉及支链淀粉含量[9]。

1.3.4 淀粉颗粒形态观察

1.3.4.1 扫描电子显微镜观察

人参淀粉用无水乙醇分散处理后，取少量样品涂抹于硅片上，在50 ℃条件下干燥后固定到载物台上进行镀金处理，然后在扫描电子显微镜中观察并拍摄人参淀粉的颗粒形态，工作电压为15 kV，并用电镜标尺测量人参淀粉的粒径。

1.3.4.2 偏光显微镜观察

取少量人参淀粉，用蒸馏水使其分散均匀，取一滴分散样品于载玻片的中间位置，盖上盖玻片（注意避免出现气泡），置于偏光显微镜下，观察人参淀粉颗粒的偏光十字及其形态。

1.3.5 淀粉的红外光谱分析

称取2 mg人参淀粉与200 mg溴化钾粉末，充分混合后进行压片，然后置于红外光谱仪中从750～4 000 cm－1进行测量，绘制红外光谱图。

1.3.6 溶解度与膨胀度的测定

配制50 mL质量分数为2%的淀粉乳，分别在60、70、80、90 ℃的水浴中加热30 min，加热过程中不断搅拌，冷却后在3 000 r/min条件下离心20 min，将上清液倒入平皿中干燥至质量恒定，称量被溶解淀粉的质量，根据公式计算人参淀粉的溶解度。对离心后离心管中剩余的沉淀物进行称量，得到膨胀淀粉的质量，根据公式计算人参淀粉的膨胀度[10]。计算公式如下：

（2）

（3）

式中：A为上清液干燥至质量恒定后的质量/g；W为人参淀粉样品的质量/g；m为离心后的沉淀物质量/g；S为淀粉的含水量/%。

1.3.7 透明度的测定

配制50 mL质量分数为1%的淀粉乳，在沸水浴中加热糊化30 min，加热过程中不断搅拌，并保持淀粉乳体积不变，糊化结束后将其冷却到室温，用可见分光光度计在620 nm波长下测定人参淀粉糊的透光率，以蒸馏水作空白对照[11]。

1.3.8 糊冻融稳定性的测定

配制50 mL质量分数为6%的淀粉乳，在沸水浴中加热糊化30 min，加热过程中要不断搅拌，并保持淀粉乳体积不变，糊化结束后将其冷却到室温，然后将淀粉糊倒入离心管中，放入－20～－10℃的冰箱中冷冻24 h后取出，自然解冻后在3 000 r/min条件下离心20 min，弃去上清液，称量离心沉淀物的质量，按下式计算淀粉糊的析水率[12]。

（4）

1.3.9 凝沉性的测定

配制100 mL质量分数为1%的淀粉乳，在沸水浴中加热糊化30 min，加热过程中要不断搅拌，并保持淀粉乳体积不变，糊化结束后将其冷却到室温。取50 mL人参淀粉糊置于50 mL的量筒中，静置观察并记录上层清液的体积分数，以清液百分比随时间的变化情况来表示淀粉糊的凝沉性[12]。计算公式如下：

（5）

1.3.10 淀粉糊黏度曲线测定

黏度仪的测定参数：转速250 r/min测试范围700 cmg，黏度单位为BU[13]。

测定步骤：配制100 mL质量分数为5%的淀粉乳，置于黏度仪的测量杯中，从30 ℃开始升温，以7.5 ℃/min的速率升温到95 ℃，保温5 min，再以7.5 ℃/min的速率从95 ℃降温到50 ℃，保温5 min，根据温度和时间的变化绘制连续黏度曲线。

1.3.11 凝胶质构测定

配制质量分数分别为4%、6%、8%的人参淀粉乳，在沸水浴上加热30 min，加热过程中要不断搅拌，并保持淀粉乳体积不变，待其完全冷却后，放入4 ℃冰箱中静置24 h，使其形成淀粉凝胶[14]。用质构仪测定人参淀粉的凝胶质构。

测定参数：探头型号P/0.5、测试前下降速率1.0 mm/s、
测试速率1.0 mm/s、测试后上升速率1.0 mm/s、停留间隔5 s、压缩程度50%、感应力5 g、数据提取速率200 pps，每个样重复测试4 次。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 超声波功率对人参淀粉提取率的影响

图 1 超声波功率对人参淀粉提取率的影响

Fig.1 Effect of ultrasonic power on the extraction yield of ginseng starch

由图1可以看出，随着超声波功率的提高，人参淀粉的提取率增加。原因可能是超声波功率越大，其产生的空化效应和机械作用越剧烈，对细胞的破壁作用越强，从而提高了淀粉的游离率。当超声波功率为600 W时，人参淀粉的提取率达到最大，而随着超声波功率的继续提高，人参淀粉的提取率基本没有变化，趋于稳定。因此，超声波功率选择600 W为宜。

2.1.2 超声波时间对人参淀粉提取率的影响

图 2 超声波时间对人参淀粉提取率的影响

Fig.2 Effect of ultrasonication time on the extraction yield of ginseng starch

由图2可以看出，人参淀粉的提取率随着超声波时间的延长而逐渐升高，这是由于超声波对植物细胞壁有破碎作用，如果超声波时间短，那么细胞的破碎程度小，溶出物少，淀粉的提取率也低。当超声波时间为15 min时，随着时间的继续延长，人参淀粉的提取率增加较缓慢，并逐渐趋于稳定。因此超声波时间选择15 min为宜。

2.1.3 料液比对人参淀粉提取率的影响

图 3 料液比对人参淀粉提取率的影响

Fig.3 Effect of material-to-liquid ratio on the extraction yield of ginseng starch

由图3可以看出，当料液比小于1∶20（g/mL）时，人参淀粉的提取率随着料液比的降低而增加；当料液比低于1∶20（g/mL）时，人参淀粉的提取率随着料液比的增加而略有降低。这是因为如果加水量太少，导致溶液浓度较大，分子扩散速率低，不利于淀粉的释放，从而淀粉的提取率也偏低。然而随着加水量的继续增加，人参淀粉的提取率呈下降的趋势，这可能是由于加水量过多，导致超声波被溶剂吸收较多，作用于细胞的超声波剂量相对降低，使淀粉的游离率降低，所以提取率有下降的趋势。因此选择料液比为1∶20（g/mL）为宜。

2.1.4 粒度对人参淀粉提取率的影响

图 4 粒度对人参淀粉提取率的影响

Fig.4 Effect of particle size on the extraction yield of ginseng starch

由图4可以看出，原料的粒度直接影响人参淀粉的提取率。人参淀粉的提取率随着原料粒度的减小而增大，当粒度为80目时，人参淀粉的提取率最大。这是由于原料粒度过大，则会因植物细胞壁破坏不完全，使淀粉不能充分游离出来，从而降低了淀粉的提取率；而原料粒度过小，可能会增加粉渣的分离难度。因此选择原料的粒度80目为宜。

2.2 工艺参数优化

2.2.1 正交试验

表 2 正交试验设计及结果

Table 2 Orthogonal array design and results

注：提取率结果为3个平行样的“平均值±标准差”。

从表2可以看出，4 个因素对人参淀粉提取率影响的大小顺序为A＞D＞B＞C；超声波提取人参淀粉的最优组合为A2B3C3D2，这与正交试验设计表中人参淀粉提取率最高的6号试验（A2B3C1D2）不相符，而且不在正交表内。在此条件下进行验证实验，人参淀粉的提取率为70.51%，比6号试验的淀粉提取率高1.12%。因此，超声波辅助提取人参淀粉的最佳工艺参数为超声波功率600 W、超声时间20 min、料液比1∶25（g/mL）、粒度80目。

2.2.2 正交试验结果方差分析

表 3 人参淀粉提取率的方差分析

Table 3 Analysis of variance for the extraction yields of ginseng starch

注：*. 表示在α=0.05水平上显著；**. 表示在α=0.01水平上极显著。

采用SPSS 16.0进行无空列正交试验方差分析，见表3。超声波功率、超声波时间以及原料粒度对超声波提取人参淀粉的影响达到极显著水平，而料液比对其影响达到显著水平。各因素影响的大小顺序为：超声波功率＞粒度＞超声波时间＞料液比，这与极差分析的结果是一致的。

2.3 提取方法对人参淀粉中直链淀粉与支链淀粉含量的影响

分别采用超声波辅助提取法和常规法提取人参淀粉，考察两种提取方法对人参淀粉中直链淀粉和直链淀粉含量的影响，结果表4所示。

表 4 人参淀粉直链淀粉、支链淀粉含量检测结果

Table 4 Contents of amylose and amylopectin in ginseng starch

由表4可以看出，与CGS相比，UGS的直链淀粉含量稍高一些，而支链淀粉含量低于CGS，原因可能是超声波降解支链淀粉，形成新的短直链淀粉，增加直链淀粉含量[15-17]。

2.4 颗粒形态分析

从图5可以看出，CGS与UGS颗粒形态无明显差别，颗粒表面均较光滑，无裂纹，多数为不规则多角形，少数为圆形，根据电镜标尺测得人参淀粉颗粒的粒径范围为3～11 μm，平均粒径为5.69 μm。

放大2 000 倍

a

放大4 000 倍

a’

放大2 000 倍

b

放大4 000 倍

b’

图 5 CGS（a、a’）和UGS（b、b’）扫描电镜图

Fig.5 Scanning electron micrographs of CGS (a, a’) and UGS (b, b’)

2.5 偏光显微镜

a

b

图 6 CGS（a）和UGS（b）的偏光十字

Fig.6 Cross-polarization imagesof CGS (a) and UGS (b)

从图6可以看出，CGS与UGS的偏光十字无明显差别，均具有清晰可见的偏光十字，十字交叉点接近于淀粉颗粒的粒心，是垂直交叉的正十字型。

2.6 红外光谱分析

图 7 CGS（a）和UGS（b）红外光谱图

Fig.7 Infrared spectra of CGS (a) and UGS (b)

由图7可见，CGS和UGS的红外光谱图无明显区别，所有特征吸收峰形状与位置都基本一致，没有新的吸收峰，没产生新化合物，都是原有的官能团，说明超声波作用没有破坏人参淀粉分子的结构。

2.7 提取方法对人参淀粉的溶解度与膨胀度的影响

图 8 温度对CGS和UGS溶解度（a）和膨胀度（b）的影响

Fig.8 Effects of temperature on the solubility (a) and swelling power (b) of CGS and UGS

溶解度与膨胀度反映淀粉与水之间相互作用的大小[18]。由图8a可知，随温度的升高，CGS和UGS的溶解度都随之增加，但是在整个研究温度范围内，CGS的溶解度都低于UGS的溶解度，这可能是因为超声波作用使淀粉颗粒的结构变得疏松，从而使得淀粉颗粒在加热过程中，淀粉分子更容易从颗粒内溶出[19]。由图8b可知，CGS和UGS的膨胀度都随温度的升高而增加，但在相同的温度下，UGS的膨胀度大于CGS的膨胀度，这可能是因为超声波作用破坏了淀粉颗粒的结晶结构而导致的。

2.8 提取方法对人参淀粉糊透明度及冻融稳定性的影响

表 5 淀粉糊的透明度

Table 5 Transparency of CGS and UGS pastes

表 6 淀粉糊的冻融稳定性

Table 6 Freezing-thawing stability of CGS and UGS pastes

由表5可以看出，UGS的透明度大于CGS的透明度，这是由于超声波作用使淀粉分子的溶解度增加，颗粒容易膨胀，从而减弱光的反射和折射[20]。淀粉糊经过冷冻和解冻会出现脱水收缩的现象，这是由于冷冻使淀粉糊的胶体结构被破坏，导致游离水析出，析水率越低，冻融稳定效果越好[21]。由表6可知，CGS和UGS的析水率区别不明显，说明超声波作用对淀粉糊的冻融稳定性影响不大。

2.9 提取方法对人参淀粉糊的凝沉性的影响

图 9 淀粉糊的凝沉性

Fig.9 Retrogradation of CGS and UGS pastes

如图11可以看出，随着时间的延长，CGS和UGS的凝沉性均逐渐增大，静置48 h后，CGS和UGS糊的清液百分比增加缓慢，逐渐趋于稳定。但在整个时间范围内，UGS的凝沉性比CGS凝沉性弱，可能是因为超声波作用破坏了人参淀粉的结晶结构，使颗粒的内部结构变得松散，淀粉与水分子间缔合增加，保水性增强，从而提高了淀粉糊的稳定性[22]。

2.10 提取方法对人参淀粉黏度特性的影响

图 10 CGS（a）和UGS（b）的布拉班德黏度曲线

Fig.10 Pasting profiles of CGS (a) and UGS (b) measured by Brabender viscosity graph

表 7 CGS和UGS的布拉班德黏度数据分析

Table 7 Pasting properties of CGS and UGS

由图10可知，CGS与UGS的糊化曲线大致相同。从表7可知，CGS和UGS开始糊化的温度分别为74.9 ℃和70.5 ℃，与CGS相比，UGS较易糊化，且峰值黏度较高。这可能是由于超声波作用使淀粉的晶体结构变的松散，晶体溶解所需的热量减少，导致成糊温度降低。CGS与UGS的降落值和回生值没有差别。

2.11 提取方法对人参淀粉糊凝胶质构影响

表 8 提取方法对6.0%淀粉凝胶质构参数的影响

Table 8 Effects of extraction methods on texture profile parameters of 6.0% ginseng starch paste

注：结果为3个平行样的“平均值±标准差”。

由表8可以看出，CGS与UGS凝胶的弹性、内聚性、回复性无明显变化。而与CGS相比，UGS凝胶的硬度、脆性、黏着性、胶黏性、咀嚼度变小，这可能是因为超声波产生的机械效应和空化效应使淀粉分子内氢键受到破坏，分子结构松散，分子的缠结点减少，导致淀粉的凝胶强度变弱[23]。

3 结 论

采用超声波辅助提取人参淀粉，通过单因素和正交试验优化，得到最佳工艺条件为超声波功率600 W、超声波时间20 min、料液比1∶25（g/mL）、粒度80 目，此条件下得到的淀粉提取率为70.51%，比常规提取法提高了10.69%。

分别采用超声波辅助提取法和常规提取法提取人参淀粉，考察两种方法对人参淀粉颗粒性质的影响，结果表明CGS与UGS颗粒形态无明显差别，颗粒表面均较光滑，多数为不规则多角形。淀粉颗粒的粒径范围为3～11 μm，平均粒径为5.69 μm。CGS与UGS的偏光十字无明显差别，均具有清晰可见的偏光十字，十字交叉点接近于淀粉的粒心，呈现垂直的十字交叉，是正十字型。

对超声波辅助提取法和常规法提取的人参淀粉的理化性质进行对比分析，结果表明，与CGS相比，UGS的直链淀粉增加，溶解度、膨胀度及透明度均提高，凝沉性变弱，冻融稳定性变化不明显。CGS和UGS开始糊化的温度分别为74.9 ℃和70.5 ℃，UGS较易糊化，且峰值黏度较高。与CGS相比，UGS凝胶的硬度、脆性、黏着性、胶黏性、咀嚼度变小，弹性、内聚性、回复性无明显变化。

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