響應(yīng)面法優(yōu)化超聲波輔助提取玉米淀粉的工藝研究

王喜慶，石光蕊，李雅琴，李春盼，馬婉婷

(綏化學(xué)院 食品與制藥工程學(xué)院,黑龍江 綏化 152000)

玉米俗稱苞米，是世界公認(rèn)的黃金作物。玉米中淀粉含量高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為70%，因此常被用于玉米淀粉的提取[1]。玉米淀粉的提取方法主要有干法、濕法和酶法。在工業(yè)生產(chǎn)中普遍以濕法提取工藝為主，即在(50±2)℃下用0.2%～0.3%的亞硫酸溶液浸泡36～60 h，此方法的淀粉提取率一般在60%以上[2]。但長時(shí)間使用亞硫酸溶液浸泡玉米，生產(chǎn)效率低下，且存在腐蝕管道及設(shè)備，排放污染環(huán)境等缺點(diǎn)[3]。因此，急需對(duì)傳統(tǒng)浸泡工藝技術(shù)進(jìn)行革新。超聲波是一種頻率很高的聲波，用超聲輔助處理玉米粉提取玉米淀粉，具有耗能低、對(duì)環(huán)境友好和操作簡單等優(yōu)點(diǎn)[4]。超聲波產(chǎn)生的空化和熱效應(yīng)可以促進(jìn)淀粉與纖維素和蛋白質(zhì)的分離，提高淀粉的提取率[5-7]。王亞丹[8]比較了超聲波處理與非超聲波處理對(duì)玉米淀粉提取率及其他工藝的影響，研究結(jié)果顯示，采用超聲波處理可以在保證玉米淀粉純度的前提下，減少玉米浸泡時(shí)間和二氧化硫添加量，并提高淀粉得率。Sit等[9]研究超聲波預(yù)處理對(duì)芋頭淀粉得率的影響，發(fā)現(xiàn)采用超聲波處理的淀粉得率在17.45%～18.97%，而常規(guī)處理淀粉得率為15.29%；當(dāng)采用超聲波處理10 min，淀粉的最高得率為18.97%。

超聲波的工藝參數(shù)，一般包括超聲頻率[10]、超聲功率[11-12]、超聲時(shí)間[13-16]和超聲溫度[15-16]，參數(shù)的選擇及大小直接影響到提取率。本試驗(yàn)以玉米為原料，選擇浸泡時(shí)間、H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)、超聲溫度、超聲時(shí)間和液料比5個(gè)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，選取影響較大的因素，進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，研究各因素對(duì)玉米淀粉提取率的影響，以期獲得一種玉米淀粉提取的最佳工藝。

1 材料與方法

1.1 材料

玉米，市售；亞硫酸，沈陽凱誠生物科技有限公司。

1.2 儀器

SHB-IIIS型循環(huán)水式多用真空泵，鄭州長城科工貿(mào)有限公司；JY-501電子天平，上海衡平儀器儀表廠；FW100型粉碎機(jī)，天津泰斯特儀器有限公司；KQ-5200B型超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；DK-98-IIA型恒溫水浴鍋，天津市泰斯特儀器有限公司；TDL-60B-B型臺(tái)式高速離心機(jī)，湖南星科科學(xué)儀器有限公司；DZF-6250型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，北京中科博達(dá)有限公司；BCD-215DC型冰箱，青島海爾股份有限公司。

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1玉米淀粉的提取工藝流程[17]

玉米→清理→稱重→浸泡→粗磨→胚芽分離→細(xì)磨→過篩→研磨→洗滌→纖維分離→超聲處理→離心分離→干燥→粉碎過篩→成品。

1.3.2淀粉提取率的計(jì)算

玉米淀粉含量測(cè)定參照GB/T 5009.9—2008進(jìn)行，淀粉提取率計(jì)算公式如下：

淀粉提取率P=m/M×100%，

式中，M為玉米的總質(zhì)量，g；m為淀粉的質(zhì)量，g。

1.3.3試驗(yàn)方法

(1)單因素試驗(yàn)

以玉米為原料，選取浸泡時(shí)間、H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)、超聲溫度、超聲時(shí)間和料液比為單因素，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，確定其對(duì)淀粉提取率的影響。

① 浸泡時(shí)間對(duì)玉米淀粉提取率的影響

稱50.00 g玉米，設(shè)定H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%、超聲溫度35℃、超聲時(shí)間20 min、料液比1∶10 g/ml，玉米浸泡時(shí)間分別為16、24、32、40、48 h，進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，確定其對(duì)淀粉提取率的影響。

②H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)玉米淀粉提取率的影響

稱50.00 g玉米，設(shè)定玉米浸泡時(shí)間24 h、超聲溫度35℃、超聲時(shí)間20 min、料液比1∶10 g/ml，H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%，進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，確定其對(duì)淀粉提取率的影響。

③超聲溫度對(duì)玉米淀粉提取率的影響

稱50.00 g玉米，設(shè)定玉米浸泡時(shí)間24 h、H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%、超聲時(shí)間20 min、料液比1∶10 g/ml，超聲溫度分別為25、35、45、55、65℃，進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，確定其對(duì)淀粉提取率的影響。

④超聲時(shí)間對(duì)玉米淀粉提取率的影響

稱50.00 g玉米，設(shè)定玉米浸泡時(shí)間24 h、H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%、超聲溫度35℃、料液比1∶10 g/ml，超聲時(shí)間分別為10、15、20、25、30 min，進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，確定其對(duì)淀粉提取率的影響。

⑤料液比對(duì)玉米淀粉提取率的影響

稱50.00 g玉米，設(shè)定玉米浸泡時(shí)間24 h、H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%、超聲溫度35℃、超聲時(shí)間20 min，料液比分別為1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30 g/ml，進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，確定其對(duì)淀粉提取率的影響。

(2)響應(yīng)面試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)的結(jié)果，并結(jié)合實(shí)際條件，選浸泡時(shí)間、超聲溫度和超聲時(shí)間為響應(yīng)面試驗(yàn)因素，以玉米淀粉提取率為指標(biāo)，運(yùn)用響應(yīng)面分析法對(duì)提取玉米淀粉的工藝參數(shù)，進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)。響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表見表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平表

(3)對(duì)比試驗(yàn)

依據(jù)傳統(tǒng)玉米淀粉濕法加工的方法提取玉米淀粉，然后與響應(yīng)面優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分別進(jìn)行3次平行試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1浸泡時(shí)間對(duì)玉米淀粉提取率的影響

浸泡時(shí)間對(duì)玉米淀粉提取率的影響見圖1。由圖1可知，浸泡時(shí)間為16、24、32、40、48 h時(shí)，提取率分別為64.39%、65.76%、66.14%、66.02%、65.94%。在浸泡過程中，隨著浸泡時(shí)間的增加，玉米淀粉提取率先增加，當(dāng)浸泡時(shí)間達(dá)到32 h時(shí)，提取率最大66.14%，之后緩慢下降。這主要是因?yàn)樵诮莩跗谟衩孜蛎洠衩妆砥ぴ獾狡茐?，胚和胚乳分離，淀粉暴露出來，進(jìn)入到液體中。但隨著浸泡時(shí)間的增加，玉米會(huì)因吸水過多而達(dá)到飽和，且淀粉的含量一定，因此淀粉提取率不會(huì)隨著浸泡時(shí)間繼續(xù)增加而是處于穩(wěn)定下降。因此，選32 h最為合適。

圖1 浸泡時(shí)間對(duì)玉米淀粉提取率的影響

2.1.2H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)玉米淀粉提取率的影響

H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)玉米淀粉提取率的影響見圖2。

圖2 H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)玉米淀粉提取率的影響

由圖2可知，H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%時(shí)，提取率分別為65.51%、65.57%、65.65%、65.71%、65.74%。隨著H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，提取率穩(wěn)定上升，在H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%時(shí)提取率最低為65.51%，在H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%時(shí)提取率最高為65.74%，提取率之差為0.23個(gè)百分點(diǎn)。從整個(gè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化過程來看，H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加對(duì)提取率的影響較小?？紤]到成本、淀粉中SO2的殘留、SO2腐蝕性和環(huán)境保護(hù)等問題，選擇H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%。

2.1.3超聲溫度對(duì)玉米淀粉提取率的影響

超聲溫度對(duì)玉米淀粉提取率的影響見圖3。由圖3可知，超聲溫度為25、35、45、55、65℃時(shí)，提取率分別為63.08%、64.31%、65.51%、63.72%、60.05%。隨著超聲溫度的增加，提取率呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢(shì)，在45℃時(shí)提取率最高為65.51%。這主要是因?yàn)樵诔暅囟容^低時(shí)，隨著溫度的升高，淀粉加速溶出，加快淀粉和蛋白質(zhì)分離，提取率增加；但當(dāng)溫度過高時(shí)，淀粉在高溫下會(huì)發(fā)生糊化，淀粉提取率快速降低。因此，將超聲溫度定為45℃最佳。

圖3 超聲溫度對(duì)玉米淀粉提取率的影響

2.1.4超聲時(shí)間對(duì)玉米淀粉提取率的影響

超聲時(shí)間對(duì)玉米淀粉提取率的影響見圖4。

圖4 超聲時(shí)間對(duì)玉米淀粉提取率的影響

由圖4可知，超聲時(shí)間為10、15、20、25、30 min時(shí)，提取率分別為64.04%、64.64%、65.11%、64.97%、64.82%。隨著超聲時(shí)間的增加，提取率呈現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢(shì)，在超聲時(shí)間為20 min時(shí)提取率最高為65.11%。這主要是因?yàn)楫?dāng)超聲時(shí)間較少時(shí)，超聲波產(chǎn)生的機(jī)械作用和空化作用破壞了淀粉和蛋白質(zhì)之間的二硫鍵，促進(jìn)淀粉和蛋白質(zhì)分離[6]；當(dāng)超聲時(shí)間過長時(shí)，淀粉顆粒分解產(chǎn)生較小的分子，在離心的過程中，淀粉顆粒很難被分離出。因此，選擇超聲時(shí)間為20 min。

2.1.5料液比對(duì)玉米淀粉提取率的影響

料液比對(duì)玉米淀粉提取率的影響見圖5。由圖5可知，料液比分別為1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30時(shí)，提取率分別為64.31%、64.25%、64.18%、64.14%、64.12%。隨著浸泡液中物料的減少，玉米淀粉提取率下降。主要是因?yàn)榉稚⑾酀舛冉档?，粒子之間的碰撞和攪動(dòng)減弱，并且超聲波對(duì)玉米淀粉的選擇性降低，超聲波氣流很難破壞或削弱淀粉顆粒與蛋白質(zhì)之間的作用力，所以在離心時(shí)，淀粉顆粒很難被釋放和分離出來。因此，料液比選擇1∶10 g/ml最佳。

圖5 料液比對(duì)玉米淀粉提取率的影響

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1響應(yīng)面試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)，選擇對(duì)玉米淀粉提取率影響較大的因素，用Box-Behnken進(jìn)行中心試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)[18]，試驗(yàn)結(jié)果見表2和表3。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

表3 方差分析表

2.2.2模型方程的建立與顯著性檢驗(yàn)

運(yùn)用Design-Expert 8.0.6響應(yīng)面軟件分析回歸模型，經(jīng)回歸擬合后得到玉米浸泡時(shí)間、超聲溫度、超聲時(shí)間的回歸方程為：

淀粉提取率=67.74+0.45A+0.59B+

0.33C-0.51AB+0.37AC-

0.24BC-1.5A2-

2.34B2-1.23C2

由表3可知，模型P值小于0.001，表明模型極顯著，失擬項(xiàng)P=0.799 4>0.05表明該模型合適。用此模型對(duì)玉米淀粉提取率進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)是可靠的。一次項(xiàng)A、B、C極顯著；二次項(xiàng)A2、B2和C2均極顯著，說明這些因素對(duì)淀粉提取率都有的很大影響。根據(jù)F值，可得影響淀粉提取率的大小順序?yàn)锽、A、C。相關(guān)系數(shù)R2= 99.64%，表明二次回歸方程的擬合度預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值相關(guān)性很強(qiáng)。因此，該回歸方程可用于確定改善超聲提取玉米淀粉的最佳工藝。

2.2.3響應(yīng)面分析及優(yōu)化

浸泡時(shí)間與超聲溫度的響應(yīng)面和等值線圖見圖6。圖6反應(yīng)了在超聲時(shí)間為20 min時(shí)，改變浸泡時(shí)間和超聲溫度，進(jìn)一步確定在浸泡時(shí)間和超聲溫度的共同變化下，對(duì)玉米淀粉提取率的影響。由圖6可以看出，隨著浸泡時(shí)間的增加，提取率增加，32 h以后，提取率開始下降。隨著超聲溫度的增加，玉米淀粉提取率先增后減。等值線圖為橢圓形，表明在浸泡時(shí)間和超聲溫度的共同作用下，玉米淀粉提取率變化顯著，即交互作用顯著。根據(jù)方差分析表F值可知，B>A，表明合理設(shè)置超聲溫度可以明顯增加玉米淀粉提取率，而浸泡時(shí)間在合理的數(shù)值內(nèi)，超聲溫度對(duì)玉米淀粉提取率影響更顯著。

浸泡時(shí)間與超聲時(shí)間的響應(yīng)面和等值線圖加圖7。圖7為超聲溫度在45℃時(shí)，浸泡時(shí)間和超聲時(shí)間的交互作用對(duì)淀粉提取率的影響。結(jié)果表明，浸泡時(shí)間增加，提取率增加，浸泡時(shí)間太長，提取率又會(huì)下降。當(dāng)超聲時(shí)間延長時(shí)，玉米淀粉得率也先增后減，但變化較小，當(dāng)超聲20 min時(shí)提取率最大。根據(jù)等值線圖可以看出，浸泡時(shí)間對(duì)淀粉提取率的影響大于超聲時(shí)間對(duì)其的影響。

超聲溫度與超聲時(shí)間的響應(yīng)面和等值線圖見圖8。圖8顯示了浸泡時(shí)間為32 h時(shí)，超聲溫度和超聲時(shí)間相互作用對(duì)淀粉提取率的影響。當(dāng)超聲溫度增大時(shí)，提取率先上升后下降；超聲時(shí)間增加，淀粉提取率的變化趨勢(shì)和超聲溫度改變時(shí)淀粉提取率的變化趨勢(shì)相同，但超聲溫度的變化更明顯。同時(shí)，根據(jù)等值線圖可以看出超聲溫度要比超聲時(shí)間對(duì)玉米淀粉提取率影響顯著。表現(xiàn)為超聲溫度對(duì)應(yīng)的等值曲線徒峭，超聲時(shí)間對(duì)應(yīng)的等值曲線相對(duì)平緩。

2.3 對(duì)比試驗(yàn)

由單因素試驗(yàn)得到H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%、料液比1∶10 g/ml最佳；根據(jù)響應(yīng)面優(yōu)化的結(jié)果，得到提取玉米淀粉的最佳工藝條件為浸泡時(shí)間32 h、超聲溫度45℃、超聲時(shí)間20 min。將玉米淀粉傳統(tǒng)濕法加工[19]與響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)進(jìn)行比較，結(jié)果見表4。

表4 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少了75%，玉米浸泡時(shí)間減少了33%，玉米淀粉提取率增加了7.85個(gè)百分點(diǎn)。這是因?yàn)樵诔曁幚碇?，淀粉蛋白質(zhì)間二硫鍵松弛，更多的淀粉被釋放出來。

3 結(jié)論

(1)從單因素試驗(yàn)中得到影響玉米淀粉提取較顯著的因素分別是浸泡時(shí)間、超聲溫度和超聲時(shí)間。

(2)通過Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)，得出超聲溫度對(duì)淀粉提取率的影響最大，浸泡時(shí)間和超聲時(shí)間其次。

(3)通過單因素試驗(yàn)得出H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%、料液比1∶10 g/ml為最佳選擇，通過響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)得出提取玉米淀粉的最佳工藝條件為浸泡時(shí)間32 h，超聲溫度45℃，超聲時(shí)間20 min，提取率68.02%。在優(yōu)化條件下淀粉提取率相比傳統(tǒng)濕法加工增加了7.85個(gè)百分點(diǎn)。