天然糯玉米淀粉的提取工藝優(yōu)化

婁海偉，王媛，牛永武，孫藝銘，皇甫新燕，趙仁勇

（河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001）

糯玉米是由普通玉米經(jīng)自然突變而形成的優(yōu)質(zhì)谷物，其支鏈淀粉含量占總淀粉的95%以上[1]。糯玉米淀粉具有糊化溫度低[2]、峰值黏度高[3]、抗老化能力強(qiáng)[4]及透明度高[5]等優(yōu)質(zhì)特性，擁有較高的商業(yè)價(jià)值和較好的發(fā)展前景[6-7]。但對糯玉米進(jìn)行干燥時(shí)，胚乳結(jié)構(gòu)會收縮聚集，淀粉與蛋白質(zhì)的結(jié)合更加緊密，導(dǎo)致糯玉米淀粉的提取較為困難。為了實(shí)現(xiàn)糯玉米淀粉的高效提取，需要破壞或削弱蛋白質(zhì)和淀粉之間的結(jié)合力[8]，因此選擇適合的糯玉米深加工工藝來分離淀粉與蛋白質(zhì)尤為重要。

玉米的深加工主要分為干磨法和濕磨法兩種[9]，其中干磨法加工是通過脫胚、研磨、風(fēng)選、篩分等方式將玉米中的各組分分離，該方法主要用于制備玉米粗粉、玉米糝等；濕磨法加工是通過浸泡的方式膨化玉米的內(nèi)部組分，具有還原性的浸泡液可以還原蛋白質(zhì)的二硫鍵，在研磨的過程中，使玉米中的各組分得到更好的分離，獲得純正的玉米淀粉及其他副產(chǎn)物。目前工業(yè)提取玉米淀粉的方法主要為濕磨法，所使用的浸泡液有亞硫酸[10]、乳酸[11]、L-半胱氨酸[12]、酸漿[13]、氫氧化鈉[14]、蛋白酶[15]等，通常需要在浸泡液中浸泡玉米籽粒36 h～60 h[16]后進(jìn)行提取。浸泡玉米籽粒的過程十分耗時(shí)，且提取過程較為繁瑣，進(jìn)而有學(xué)者采用超聲波[17]、擠壓[18]等方式輔助提取玉米淀粉，以期縮短提取時(shí)間、提高淀粉產(chǎn)量，但輔助提取法既耗能又耗材，尚未應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。有關(guān)玉米淀粉的提取主要以普通玉米為原料，從糯玉米中提取糯玉米淀粉的報(bào)道較少。

基于此，為了提高糯玉米淀粉的提取率和提取效率，本研究以糯玉米碴為原料，采用濕磨法提取糯玉米淀粉，研究浸泡液種類和濃度、浸泡時(shí)間和浸泡溫度對糯玉米淀粉提取率的影響，探究不同浸泡條件下糯玉米胚乳中淀粉與蛋白質(zhì)的分離情況，優(yōu)化并確定糯玉米淀粉的最適提取工藝參數(shù)，為糯玉米淀粉的工業(yè)化生產(chǎn)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

糯玉米碴（淀粉84.53%、蛋白質(zhì)9.64%、灰分0.50%、粗脂肪1.82%、直鏈淀粉占總淀粉含量的1.49%）：產(chǎn)于河南省安陽市滑縣。

乳酸、可溶性淀粉、乙酸鎂：天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；L-半胱氨酸：天津光復(fù)科技發(fā)展有限公司；牛血清白蛋白：北京索萊寶科技有限公司；直鏈淀粉檢測試劑盒（K-AMYL）：愛爾蘭Megazyme公司；亞硫酸、硝酸鈣：天津市大茂化學(xué)試劑廠；碘化鉀、葡萄糖：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；碘：天津市永大化學(xué)試劑有限公司；冰乙酸、石油醚、無水乙醇：天津市天力化學(xué)試劑有限公司；硫酸（色譜純）：洛陽市化學(xué)試劑廠；硫酸銅：天津市瑞金特化學(xué)品有限公司；硫酸鉀、鹽酸：天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司；磷酸：洛陽昊華化學(xué)試劑有限公司。除已標(biāo)明純級的試劑外，以上其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

3100錘式旋風(fēng)磨：瑞典Perten公司；UV-2550紫外可見光分光光度計(jì)：日本島津公司；5810R離心機(jī)：德國艾本德股份公司；Freezone 6L真空冷凍干燥機(jī)：美國Labconco公司；Kjeltec8400凱氏定氮儀：丹麥FOSS公司；SHB-IV循環(huán)真空泵：鄭州長城科工貿(mào)有限公司；Innova 40氣浴恒溫?fù)u床：美國New Brunswick Scientific公司；Waters 2707高效液相色譜儀：美國Waters公司；SX2-5-12電阻爐：天津市中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐有限公司；SUS304食品級粉碎機(jī)：永康市艾澤拉電器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 糯玉米基礎(chǔ)理化指標(biāo)的測定

參照葉俊芳等[19]的方法測定糯玉米碴中淀粉的含量；參照GB 5009.4—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中灰分的測定》中的方法測定灰分含量；參照GB5009.5—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中蛋白質(zhì)的測定》中的方法測定蛋白質(zhì)含量；參照GB 5009.6—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中脂肪的測定》中的方法測定脂肪含量；參照直鏈淀粉檢測試劑盒（K-AMYL）說明書測定總淀粉中直鏈淀粉含量。

1.3.2 糯玉米淀粉的制備

糯玉米淀粉的提取參照王亞丹[20]的方法并適當(dāng)修改，具體方法如下：稱取19 g～21 g糯玉米碴樣品，在料液比1∶3（g/mL）的浸泡液中浸泡。使用食品級粉碎機(jī)將糯玉米碴打碎成漿液，漿液先過50目篩網(wǎng)，后過200目篩網(wǎng)，用蒸餾水沖洗篩上物，直至濾網(wǎng)濾下液體呈澄清透明狀，對上述濾液進(jìn)行抽濾，獲得粗淀粉（即濾餅），加水洗滌，經(jīng)多次離心（8 000 r/min，10 min）清洗后進(jìn)行真空冷凍干燥，過100目篩后即為糯玉米淀粉。

1.3.3 淀粉提取率的計(jì)算

參照葉俊芳等[19]的方法測定所提取的糯玉米淀粉的干基含量。使用李曉娜等[21]的方式計(jì)算糯玉米淀粉的提取率，具體公式如下。

式中：P為糯玉米淀粉提取率，%；m為提取樣品中的糯玉米淀粉質(zhì)量，g；M為糯玉米碴質(zhì)量，g；w為糯玉米碴含水量，%；C為糯玉米碴中淀粉的干基含量，%。

1.3.4 游離淀粉含量的測定

參照閆榮[22]的方法并稍作修改，稱取1.00 g玉米碴樣品，在不同的浸泡條件下使用碘顯色法測定游離淀粉的含量。

1.3.5 可溶性蛋白的測定

參照閆榮[22]的方法測定浸泡液中的可溶性蛋白含量，使用鄧麗莉等[23]的方法建立標(biāo)準(zhǔn)曲線（Y=6.169 1X+0.004 7，R2=0.999 6；X 為蛋白質(zhì)濃度，mg/mL；Y 為吸光度）。

1.3.6 單因素試驗(yàn)

以糯玉米淀粉提取率、游離淀粉含量及可溶性蛋白含量為指標(biāo)，探究乳酸濃度（0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%）、亞硫酸濃度（0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%）、L-半胱氨酸濃度（0.2%、0.4%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0%）、浸泡時(shí)間（2、4、6、8、10 h）及浸泡溫度（46、48、50、52、54、56、58、60 ℃）對糯玉米淀粉提取率、游離淀粉含量和可溶性蛋白含量的影響。

1.3.7 最佳提取工藝參數(shù)的優(yōu)化試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取亞硫酸濃度、浸泡時(shí)間、浸泡溫度3個(gè)因素進(jìn)行響應(yīng)面Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以糯玉米淀粉提取率作為評價(jià)指標(biāo)，因素水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平Table 1 Factors and levels of response surface experimental design

1.3.8 數(shù)據(jù)處理與分析

所有數(shù)據(jù)均為3次試驗(yàn)結(jié)果的平均值，P＜0.05表示數(shù)據(jù)間具有顯著差異。使用軟件SPSS 25分析數(shù)據(jù)的差異顯著性，軟件Origin 8.5進(jìn)行圖形的繪制，軟件Design-Expert 11進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 浸泡液對糯玉米淀粉提取的影響

2.1.1 乳酸濃度對糯玉米淀粉提取的影響

乳酸濃度的變化對糯玉米淀粉提取的影響見圖1。

圖1 乳酸濃度對糯玉米淀粉提取的影響Fig.1 The effect of lactic acid concentration on the extraction rate of waxy corn starch

由圖1可知，乳酸濃度從0.1%升高到0.5%時(shí)，糯玉米淀粉提取率逐漸增大，當(dāng)乳酸濃度為0.2%～0.3%時(shí)浸泡溶液中可溶性蛋白的含量顯著升高（P＜0.05）；乳酸濃度為0.5%時(shí)，淀粉提取率達(dá)到最大值（66.12%），隨著乳酸濃度繼續(xù)增加，糯玉米淀粉的提取率呈下降趨勢，游離淀粉與可溶性蛋白含量變化趨于穩(wěn)定，這可能是由于淀粉被蛋白質(zhì)緊密地包裹，而乳酸可以使玉米蛋白質(zhì)軟化并加快糯玉米的膨脹速率，適量的乳酸濃度促進(jìn)了蛋白質(zhì)的溶解，有效地削弱了蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，使糯玉米碴中淀粉與蛋白質(zhì)的結(jié)合力下降，淀粉游離出來的“通道”被擴(kuò)寬，因此糯玉米淀粉更容易從結(jié)構(gòu)中脫離，但乳酸濃度過高時(shí)會導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性，使糯玉米淀粉與蛋白質(zhì)的分離難度增加，進(jìn)而降低了糯玉米淀粉的提取率，這同Roushdi等[24]的結(jié)論一致。因此，乳酸濃度0.5%時(shí)適合糯玉米淀粉的提取。

2.1.2 亞硫酸濃度對糯玉米淀粉提取的影響

亞硫酸濃度的變化對糯玉米淀粉提取的影響見圖2。

圖2 亞硫酸濃度對糯玉米淀粉提取的影響Fig.2 The effect of sulfurous acid concentration on the extraction rate of waxy corn starch

由圖2可知，亞硫酸濃度對糯玉米淀粉提取率的影響呈先上升后下降的趨勢。當(dāng)亞硫酸濃度為0.1%～0.3%時(shí)，隨著亞硫酸濃度的升高，淀粉提取率、游離淀粉和可溶性蛋白的含量均逐漸上升，當(dāng)亞硫酸濃度升至0.3%時(shí)，淀粉提取率最高（73.83%），這是由于亞硫酸具有還原性，可以還原蛋白質(zhì)中的二硫鍵，破壞束縛淀粉的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[25]，使淀粉更容易與蛋白質(zhì)脫離，從而提高了糯玉米的淀粉提取率。當(dāng)亞硫酸濃度大于0.3%時(shí)，淀粉提取率及游離淀粉的含量降低，這可能是在浸泡過程中，部分玉米蛋白質(zhì)溶解于浸泡液中，所形成的小分子多肽等物質(zhì)會將淀粉顆粒包裹[26]，同時(shí)，亞硫酸濃度增大會使浸泡體系的pH值降低，導(dǎo)致部分蛋白質(zhì)變性，這也會阻礙蛋白質(zhì)和淀粉的分離，進(jìn)而降低糯玉米淀粉的提取率及游離淀粉的含量。因此，亞硫酸濃度0.3%適于糯玉米淀粉的提取。

2.1.3 L-半胱氨酸濃度對糯玉米淀粉提取的影響

L-半胱氨酸濃度的變化對糯玉米淀粉提取的影響見圖3。

圖3 L-半胱氨酸濃度對糯玉米淀粉提取的影響Fig.3 The effect of L-cysteine concentration on the extraction rate of waxy corn starch

由圖3可知，當(dāng)L-半胱氨酸濃度為0.2%～0.6%時(shí)，對糯玉米淀粉提取率的影響不顯著（P＞0.05），當(dāng)L-半胱氨酸濃度為0.6%～0.8%時(shí)，糯玉米淀粉的提取率及可溶性蛋白的含量逐漸升高，這可能是由于L-半胱氨酸的活性巰基基團(tuán)具有還原蛋白質(zhì)中二硫鍵的能力[27]，削弱了淀粉與蛋白質(zhì)間的結(jié)合力，促進(jìn)了糯玉米淀粉的分離，因此，提高了糯玉米淀粉的提取率和可溶性蛋白的含量。當(dāng)L-半胱氨酸濃度為0.8%時(shí)，糯玉米淀粉的提取率達(dá)到最大值（73.69%）。當(dāng)L-半胱氨酸濃度大于0.8%時(shí)，糯玉米淀粉提取率、游離淀粉及可溶性蛋白的含量均逐漸降低，這主要是由于L-半胱氨酸濃度增大，浸泡體系的pH值降低，同時(shí)，玉米碴浸泡過程中存在乳酸菌的生長繁殖和乳酸的合成[28]，進(jìn)一步使pH值降低，從而導(dǎo)致部分蛋白質(zhì)的變性，造成淀粉提取率的下降。因此，L-半胱氨酸濃度0.8%時(shí)適宜糯玉米淀粉的提取。

綜上所述，采用乳酸浸泡液提取糯玉米淀粉的提取率較低；采用亞硫酸浸泡液或L-半胱氨酸浸泡液提取糯玉米淀粉的提取率較高且差別不大，基于成本因素，選取亞硫酸作為提取糯玉米淀粉的最適浸泡液并進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.2 浸泡時(shí)間對糯玉米淀粉提取的影響

浸泡時(shí)間對糯玉米淀粉提取的影響見圖4。

圖4 浸泡時(shí)間對糯玉米淀粉提取的影響Fig.4 The effect of soaking time on the extraction rate of waxy corn starch

由圖4可知，在浸泡2 h～4 h時(shí)糯玉米淀粉的提取率顯著上升（P＜0.05），延長浸泡時(shí)間發(fā)現(xiàn)糯玉米淀粉的提取率與4 h時(shí)的淀粉提取率無顯著差異（P＞0.05）。在浸泡時(shí)間2 h～10 h內(nèi)，游離淀粉的含量無顯著差異（P＞0.05）；可溶性蛋白的含量在浸泡2 h～4 h時(shí)快速升高，浸泡4 h～10 h時(shí)上升緩慢。這說明亞硫酸浸泡液在前4 h已經(jīng)浸透糯玉米碴，浸泡4 h～10 h時(shí)糯玉米淀粉提取率無顯著差異（P＞0.05）。這與玉米粒浸泡36 h～60 h相比，明顯縮短了糯玉米淀粉提取所需要的浸泡時(shí)間，有效提高生產(chǎn)效率。

2.3 浸泡溫度對糯玉米淀粉提取的影響

浸泡溫度對糯玉米淀粉提取的影響見圖5。

圖5 浸泡溫度對糯玉米淀粉提取的影響Fig.5 The effect of soaking temperature on the extraction rate of waxy corn starch

由圖5可知，當(dāng)浸泡溫度為46℃～52℃時(shí)，隨著浸泡溫度的升高，糯玉米淀粉的提取率逐漸升高，當(dāng)浸泡溫度為52℃時(shí)，糯玉米淀粉的提取率最高。但浸泡溫度大于54℃時(shí)，糯玉米淀粉的提取率變化不顯著（P＞0.05）；可溶性蛋白的含量在浸泡溫度54℃～56℃時(shí)顯著增加（P＜0.05），說明此溫度條件適宜玉米蛋白質(zhì)的溶解，而在58℃～60℃時(shí)可溶性蛋白的含量顯著下降（P＜0.05），這可能是由于較高的溫度使蛋白質(zhì)發(fā)生了變性，可溶性蛋白的含量逐漸降低，這與陳龍鳳[29]的研究結(jié)論相似。游離淀粉含量在54℃～60℃時(shí)呈顯著升高的趨勢（P＜0.05），這是由于糯玉米淀粉易糊化，導(dǎo)致部分淀粉吸水膨脹并溶解于水中，使糯玉米淀粉的提取率下降。因此，提取糯玉米淀粉的浸泡溫度不宜過高，較適宜的浸泡溫度為50℃～54℃。

2.4 響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化糯玉米淀粉提取工藝參數(shù)

對比不同浸泡條件對糯玉米淀粉提取率、游離淀粉及可溶性蛋白含量的影響，選取影響效果顯著的亞硫酸浸泡液、浸泡時(shí)間和浸泡溫度進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以糯玉米淀粉提取率作為評價(jià)指標(biāo)，響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果Table 2 Design and results of response surface experiment

利用Design Expert擬合得到淀粉提取率（Y）與各因素的二次回歸模型：Y=75.17+1.82X1+1.83X2-1.39X3-2.73X1X2+0.491 2X1X3+0.174 5X2X3-4.08X12-2.59X22-1.93X32?；貧w模型的方差分析結(jié)果見表3。

表3 回歸模型的方差分析Table 3 The variance analysis of the regression model

續(xù)表3 回歸模型的方差分析Continue table 3 The variance analysis of the regression model

由表3可知，通過響應(yīng)面建立的回歸模型P＜0.01，失擬項(xiàng)P＞0.05，表明建立的回歸模型顯著性及擬合性強(qiáng)，其中 R2=0.973 8，R2Adj=0.940 1，信噪比大于 4，表明回歸方程可以模擬并分析糯玉米淀粉的提取率。3個(gè)因素（亞硫酸濃度、浸泡時(shí)間和浸泡溫度）的一次項(xiàng)和二次項(xiàng)均極顯著影響糯玉米淀粉的提取率（P＜0.01）。根據(jù)F值大小可判斷各因素對糯玉米淀粉提取率的影響大小，由大到小依次為浸泡時(shí)間、亞硫酸濃度、浸泡溫度。某些因素間的交互作用對響應(yīng)值也很重要[30-31]，亞硫酸濃度與浸泡時(shí)間的交互作用極顯著影響糯玉米淀粉的提取率（P＜0.01），而亞硫酸濃度和浸泡溫度間的交互作用、浸泡時(shí)間和浸泡溫度間的交互作用對糯玉米淀粉提取率的影響不顯著（P＞0.05）。

為了進(jìn)一步研究各因素之間的交互作用對糯玉米淀粉提取率的影響效果，通過Design-Expert繪制的3D響應(yīng)曲面及2D等高線見圖6。

圖6 因素之間的交互作用對糯玉米淀粉提取率的影響Fig.6 The effect of the interaction between factors on the extraction rate of waxy corn starch

由圖6（a）可知，亞硫酸濃度與浸泡時(shí)間之間存在極顯著的交互作用（P＜0.01）。在浸泡 2 h～4 h時(shí)，隨著亞硫酸濃度的增加，淀粉提取率呈先升高后降低的趨勢；亞硫酸濃度在0.30%～0.35%時(shí)，隨著浸泡時(shí)間的延長，淀粉提取率出現(xiàn)最高值。

根據(jù)上述回歸模型，采用響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化得到糯玉米淀粉最適的提取工藝參數(shù)：亞硫酸濃度0.31%、浸泡時(shí)間4.45 h、浸泡溫度51.4℃，模型預(yù)測糯玉米淀粉的提取率為75.74%。該優(yōu)化條件下糯玉米淀粉的實(shí)際提取率為76.36%，與糯玉米淀粉的預(yù)測值無顯著性差異（P＞0.05），優(yōu)化后的糯玉米淀粉提取工藝明顯縮短了浸泡時(shí)間，不僅能夠降低能耗，還能夠有效提高生產(chǎn)效率。

根據(jù)最適工藝參數(shù)提取的糯玉米淀粉，其基礎(chǔ)理化指標(biāo)：淀粉含量99.40%、蛋白質(zhì)含量0.23%、灰分含量0.03%、粗脂肪含量0.19%，符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8885—2017《食用玉米淀粉》。

3 結(jié)論

以糯玉米碴為原料，采用單因素試驗(yàn)研究浸泡液種類、浸泡液濃度、浸泡時(shí)間、浸泡溫度對糯玉米淀粉提取率的影響，確定了亞硫酸溶液為提取糯玉米淀粉的最適浸泡液。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化確定了糯玉米淀粉的最適提取工藝參數(shù)（亞硫酸濃度0.31%、浸泡時(shí)間4.45h、浸泡溫度51.4℃）。在該優(yōu)化條件下，糯玉米淀粉的實(shí)際提取率可達(dá)76.36%，提取的糯玉米淀粉基礎(chǔ)理化指標(biāo)：淀粉含量99.40%、蛋白質(zhì)含量0.23%、灰分含量0.03%、粗脂肪含量0.19%。該優(yōu)化條件縮短了糯玉米淀粉的提取時(shí)間，還降低了能耗，可有效提高生產(chǎn)效率，而且提取的天然糯玉米淀粉的純度較高，在食品工業(yè)具有較大的應(yīng)用潛力。