碎米淀粉分步制取工藝優(yōu)化

祝水蘭 劉光憲 周巾英 付曉記 馮健雄

(江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，江西 南昌 330200)

中國(guó)稻米年產(chǎn)量占世界稻谷年總產(chǎn)量的34%左右，居世界首位[1]。稻米加工生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生約10%～35%的碎米，碎米的價(jià)格僅為整米的1/3～1/2，而其化學(xué)組成與大米相同[2]，淀粉含量達(dá)80%的左右[3]。楊夫光等[4]利用碎米生產(chǎn)淀粉糖漿，單斌等[5]利用碎米調(diào)配成米乳飲料，本試驗(yàn)擬利用碎米提取其功能性成分純淀粉。目前國(guó)際市場(chǎng)上對(duì)高純度大米淀粉的需求較大，美國(guó)、比利時(shí)、德國(guó)、荷蘭、意大利等國(guó)家興起了大米淀粉研究開(kāi)發(fā)的熱潮[6]。制備大米淀粉的方法主要有堿浸法、酶法、表面活性劑法、超聲波法、物理法等[7]。如馬麗娜等[8]采用堿法提取大米淀粉，但堿法提取更易吸水膨脹；Bliaderis等[9]發(fā)現(xiàn)用高純度的Pronase蛋白酶水解大米蛋白來(lái)制備大米淀粉不會(huì)破壞淀粉與脂肪之間的結(jié)合，淀粉顆粒的完整性保持得最好；蘆鑫等[10]采用表面活性劑結(jié)合超聲波法分離淀粉和蛋白，但表面活性劑使用量大，生產(chǎn)成本較高，大米蛋白難回收利用。本試驗(yàn)擬以谷物加工副產(chǎn)物碎米為原料，通過(guò)負(fù)壓工藝使碎米粉快速吸水膨脹，使結(jié)合緊密的碎米淀粉和蛋白分離，再采用超聲波-堿酶聯(lián)用處理，研究制取碎米淀粉的最佳提取條件，并優(yōu)化碎米淀粉分步提取的制備工藝，為碎米淀粉深加工提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

早秈碎米：農(nóng)戶售，水分5.92%、粗蛋白8.85%、粗淀粉69.4%、粗脂肪1.4%、灰分3.4%，色澤氣味正常；

氫氧化鈉、乙酸鉛、硫酸鈉、乙醚、硫酸鈉、鹽酸、乙醇等：分析純，國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司；

堿性蛋白酶：酶活2.0×105U/g，江蘇銳陽(yáng)生物科技有限公司。

1.1.2 主要儀器

高速組織搗碎機(jī)：JJ-2(2003-61)型：常州億通分析儀器制造有限公司；

粉碎機(jī)：XL-200A型，上海潤(rùn)實(shí)電器有限公司；

分析天平：TP-214型，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；

超聲波細(xì)胞粉碎儀：UP250型，寧波新芝生物科技股份有限公司；

水分測(cè)定儀：HB43-S緊湊型，瑞士Metter Toledo公司；

水浴恒溫振蕩器：SHA-B型，常州潤(rùn)華電器有限公司；

pH計(jì)：雷磁PHS-3C型，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；

離心機(jī)：LXJ-ⅡB型，上海安亭科學(xué)儀器廠。

1.2 方法

1.2.1 碎米粗淀粉和純淀粉制取 將碎米置烘箱中干燥后置于粉碎機(jī)中粉碎，過(guò)80目篩，得干米粉。將NaOH固體配成一定濃度溶液，按一定固液比將干米粉調(diào)配成碎米溶液，在高速組織搗碎機(jī)中搗碎30 min，將搗碎后的漿液倒回容器，置于真空干燥箱負(fù)壓處理15 min，用磁力攪拌器攪拌25 min，使溶液混合均勻，從配制溶液到磁力攪拌結(jié)束時(shí)間為提取時(shí)間。將溶液轉(zhuǎn)入離心機(jī)中以3 000 r/min離心3次，每次15 min，接著用85%乙醇溶液脫脂，再在離心機(jī)中以5 000 r/min離心水洗3次，每次10 min，真空干燥，粉碎后制得粗淀粉；將粗淀粉按一定固液比加水溶解，超聲波振蕩，在一定條件下加入堿性蛋白酶在水浴振蕩中水解一定時(shí)間，在5 000 r/min離心水洗3次，每次10 min，干燥粉碎后制得純淀粉。

1.2.2 單因素試驗(yàn)

(1) 粗淀粉單因素試驗(yàn)：以碎米淀粉提取率為指標(biāo)，分別考察NaOH濃度(0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，0.6%)、固液比[1∶4，1∶5，1∶6，1∶7，1∶8 (g/mL)]、提取時(shí)間(1，2，3，4，5，6 h)3個(gè)因素對(duì)粗淀粉提取率的影響。當(dāng)選定某一因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)時(shí)，其他因素的條件為：NaOH濃度0.3%，固液比1∶4 (g/mL)，提取時(shí)間2 h，進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)。

(2) 純淀粉單因素試驗(yàn)：以碎米淀粉提取率為指標(biāo)，分別考察超聲波處理時(shí)間(10，15，20，25，30，35 min)、固液比[1∶3，1∶4，1∶5，1∶6，1∶7，1∶8 (g/mL)]、酶解溫度(30，35，40，45，50，55 ℃)、酶用量(3，4，5，6，7，8 mg/g)、酶解時(shí)間(1，2，3，4，5，6 h)5個(gè)因素對(duì)純淀粉提取率的影響。當(dāng)選定某一因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)時(shí)，其他因素的條件為：超聲波處理時(shí)間25 min，固液比1∶4 (g/mL)，酶解時(shí)間2 h，酶解溫度45 ℃，進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)。

1.2.3 正交試驗(yàn) 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，粗淀粉提取每個(gè)因素選取3個(gè)水平；純淀粉的提取每個(gè)因素選取4個(gè)水平，以碎米淀粉提取率為考察指標(biāo)，進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)。

1.2.4 淀粉提取率的計(jì)算

(1)

m3=m1×c1，

(2)

m=m2×c2，

(3)

c3=100%-c4-c5-c6，

(4)

式中：

c——碎米淀粉提取率，%；

c1——樣品中淀粉含量，%；

c2——原料中淀粉含量，%；

c3——淀粉純度，%；

c4——?dú)埩舻鞍踪|(zhì)含量，%；

c5——脂肪含量，%；

c5——灰分含量，%；

m1——樣品質(zhì)量，g；

m2——原料質(zhì)量，g；

m3——樣品中淀粉質(zhì)量，g；

m——原料中淀粉質(zhì)量，g。

1.2.5 檢測(cè)指標(biāo)及方法

(1) 淀粉的測(cè)定：按GB/T 5009.9—2008的酸水解法執(zhí)行。

(2) 蛋白質(zhì)測(cè)定：按GB 5009.5—2010的凱氏定氮法執(zhí)行。

(3) 灰分測(cè)定：按GB 5009.4—2016執(zhí)行。

(4) 脂肪測(cè)定：按GB 5009.6—2016執(zhí)行。

1.2.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2003軟件作圖，用正交助手軟件進(jìn)行極差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 粗淀粉提取單因素試驗(yàn)

2.1.1 NaOH濃度對(duì)碎米粗淀粉提取率的影響 由圖1可知，當(dāng)NaOH濃度為0.3%左右時(shí)，碎米淀粉的提取率最高。這是因?yàn)榇竺着呷橹械鞍左wPBⅡ約占總蛋白質(zhì)含量的80%，是堿溶性的谷蛋白[9,11]，堿液能使蛋白質(zhì)溶解在溶液中，從而使碎米淀粉沉淀分離出來(lái)。當(dāng)NaOH濃度過(guò)大時(shí)，碎米淀粉的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)受到破壞，碎米淀粉提取率下降。故NaOH的濃度選擇在0.3%附近。

圖1 NaOH濃度對(duì)碎米淀粉提取率的影響

2.1.2 固液比對(duì)碎米粗淀粉提取率的影響 由圖2可知，隨著溶劑增加，碎米淀粉提取率先升高再降低，當(dāng)固液比為1∶5 (g/mL)時(shí)碎米淀粉提取率最高。這是由于一定的固液比可提高碎米淀粉的提取率，但隨著溶劑增加，碎米內(nèi)的蛋白質(zhì)不能與淀粉分離，從而使碎米淀粉的提取率下降。所以選擇固液比1∶5 (g/mL)較為合適。

圖2 固液比對(duì)碎米淀粉提取率的影響

2.1.3 提取時(shí)間對(duì)碎米淀粉提取率的影響 由圖3可知，隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，碎米淀粉的提取率增加，但當(dāng)提取3 h后，碎米淀粉的提取率增加緩慢。這是由于時(shí)間增加，NaOH破壞大米淀粉結(jié)構(gòu)，不利于碎米蛋白從淀粉中分離。從成本考慮，浸提時(shí)間應(yīng)選擇在3 h左右。

圖3 不同提取時(shí)間對(duì)碎米淀粉提取率的影響

2.2 正交試驗(yàn)

2.2.1 正交試驗(yàn)因素水平確定 正交試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表1。

2.2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析 由表2可見(jiàn)，粗淀粉提取工藝中，影響碎米提取率的主次因素依次為C>A>B，最佳工藝組合為A1B2C3，即堿液濃度0.4%，固液比1∶4 (g/mL)，浸提時(shí)間2 h。最佳工藝組合不在正交表組合中，在最優(yōu)組合條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果提取率為91.67%，純度為96.58%。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

表2 正交試驗(yàn)提取率結(jié)果及分析

2.3 純淀粉的提取單因素試驗(yàn)

2.3.1 超聲處理時(shí)間對(duì)碎米純淀粉提取率的影響 由圖4可知，隨超聲處理時(shí)的延長(zhǎng)，碎米淀粉提取率先升高后降低，當(dāng)超聲時(shí)間為25 min時(shí)碎米淀粉的提取率最高?？赡苁浅暡?xì)胞粉碎機(jī)[12]是一種利用強(qiáng)超聲在液體體系中產(chǎn)生空化、剪切、劇烈攪拌等作用，使碎米淀粉和蛋白質(zhì)分離。因此超聲波處理時(shí)間選25 min 左右。

圖4 超聲波處理時(shí)間對(duì)碎米淀粉提取率的影響

2.3.2 固液比對(duì)碎米純淀粉提取率的影響 由圖5可知，隨著固液比的增加，碎米純淀粉的提取率先升高后降低，當(dāng)固液比為1∶5 (g/mL)時(shí)，達(dá)到最大值。這是由于溶劑增加，蛋白酶與蛋白質(zhì)反應(yīng)，從而使蛋白質(zhì)更易溶解在溶液中，而淀粉通過(guò)離心沉淀分離。因此固液比選擇1∶5 (g/mL)左右。

2.3.3 酶解溫度對(duì)碎米純淀粉提取率的影響 由圖6可知，隨著溫度的升高，碎米淀粉提取率先升高后降低，當(dāng)酶解溫度為45 ℃時(shí)，碎米淀粉提取率最高達(dá)98.72%。由于溫度升高，酶的活性上升，蛋白質(zhì)分解；當(dāng)溫度達(dá)到45 ℃時(shí)，隨溫度升高，酶活性下降。因此酶解溫度選擇在45 ℃以下。

圖5 固液比對(duì)碎米純淀粉提取率的影響

圖6 酶解溫度對(duì)碎米淀粉提取率的影響

2.3.4 酶用量對(duì)碎米純淀粉提取率的影響 由圖7可知，碎米淀粉提取率隨酶用量的增加先升高后降低，當(dāng)酶用量達(dá)到5 mg/g，碎米淀粉提取率達(dá)到最大值。因?yàn)殡S酶用量增加，提高了蛋白質(zhì)的分解效率，當(dāng)酶用量超過(guò)5 mg/g時(shí)，酶用量抑制碎米淀粉的提取效率。因此酶用量選擇5 mg/g 左右。

圖7 酶用量對(duì)碎米提取率的影響

2.3.5 酶解時(shí)間對(duì)碎米純淀粉提取率的影響 由圖8可知，碎米淀粉的提取率隨酶解時(shí)間的延長(zhǎng)先升高，當(dāng)達(dá)到2 h隨酶解時(shí)間的延長(zhǎng)提取率反而下降，可能是由于酶解時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，淀粉顆粒結(jié)構(gòu)變得疏松，不利于沉淀，從而影響了淀粉的提取率。因此酶解時(shí)間選擇2 h左右。

圖8 酶解時(shí)間對(duì)碎米淀粉提取率的影響

2.4 純淀粉正交試驗(yàn)

2.4.1 正交試驗(yàn)因素水平確定 正交試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表3。

2.4.2 純淀粉正交試驗(yàn)結(jié)果及分析 由表4可知，碎米純淀粉提取工藝中，影響碎米純淀粉提取率的主次因素依次為：B>A>D>E>C，最優(yōu)工藝組合為A4B3C2D4E3，即超聲波處理時(shí)間25 min，酶用量5 mg/g，酶解時(shí)間2 h，酶解溫度45 ℃，固液比1∶5 (g/mL)。最佳工藝組合不在正交表組合中，在最優(yōu)組合條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果為：淀粉提取率達(dá)98.56%，純度達(dá)99.13%。

表3 正交試驗(yàn)因素水平表

3 結(jié)論

超聲波-堿性蛋白酶聯(lián)用在一定工藝條件下，能有效提高碎米淀粉的提取率和純度，碎米粗淀粉的最佳提取條件為：堿濃度0.4%，固液比1∶4 (g/mL)，浸提時(shí)間2 h，粗淀粉提取率為91.67%，純度達(dá)96.58%；純淀粉的最佳提取條件為：固液比1∶5 (g/mL)，超聲時(shí)間25 min，堿性蛋白酶的濃度5 mg/g，時(shí)間2 h，溫度45 ℃，淀粉提取率達(dá)98.56%，純度達(dá)99.13%。李玥[13]提取大米淀粉前大米浸泡18 h再打漿提大米淀粉；李翠蓮等[14]提取大米淀粉需反應(yīng)5 h，本試驗(yàn)證實(shí)米提取淀粉無(wú)需提前浸泡，采用干法粉碎碎米成米粉，負(fù)壓工藝使結(jié)合緊密的碎米淀粉和蛋白產(chǎn)生松動(dòng)，碎米淀粉和蛋白易分離，大大縮短了提取淀粉時(shí)間，提高效率，避免了夏季氣溫高或浸泡時(shí)間長(zhǎng)使碎米粉變質(zhì)酸敗。后續(xù)將對(duì)淀粉的理化特性進(jìn)行研究，以期為碎米淀粉的應(yīng)用提供理論依據(jù)。