稻米淀粉提取工藝研究進展

張華博等

摘要：綜述了提取大米淀粉最常用的方法，闡述了堿法提取、酶法提取和表面活性劑法等方法的原理、流程、特點和研究進展，并對其前景進行了展望。

關鍵詞：大米；淀粉；提取工藝

中圖分類號：S511；TS213.3 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）06-1241-03

水稻是重要的糧食作物，提供世界上一半以上人口的主糧。中國年產大米1.8億t左右，占世界產量的45%[1]。發達國家稻米深加工率占70%，而中國僅8%[2]。稻谷加工后產生55%的整米，15%的碎米，10%的米糠和20%的谷殼，碎米的售價和利用水平較低，沒有使稻谷資源得到應有的增值[3]。淀粉作為大米的主要成分，占其重量的80%[4]。因此，充分利用碎米中的淀粉，能有效地提高糧食利用價值和附加值，有利于中國糧食生產加工的科學發展。

大米淀粉因其顆粒小、滲透力強、凍融穩定性好被廣泛用于化妝品、脂肪替代品、制藥和食品工業[5，6]，市場需求較大。目前，稻米淀粉提取的方法不一[7-10]。本文就不同提取方法的原理和特點進行闡述，希望對稻米深加工提供借鑒。

1 堿消化法

1.1 堿消化法的原理

大米淀粉純度的高低取決于其中蛋白質的殘留量。稻米中蛋白質聚集成顆粒狀蛋白質，以蛋白體-Ⅰ（PB-Ⅰ）和蛋白體-Ⅱ（PB-Ⅱ）形式存在[11]。由于占絕大部分的PB-Ⅱ主要是堿溶性谷蛋白，稀堿可使大米蛋白質和淀粉的結合變得疏松，易于分離。同時，堿溶液可以破壞高級結構間的次級鍵，增加蛋白質表面的介電常數，使某些氨基酸側鏈基團解離，增加蛋白質的水溶性，從而實現蛋白質和淀粉的有效分離。用堿液浸泡大米，攪拌，將多次水洗過的淀粉乳液經離心和干燥粉碎處理即得成品[12]。

1.2 堿消化法的特點

堿消化法提取的優點是工藝比較成熟、方法簡單、成本低，且蛋白質提取效率高，淀粉損失率低。該方法可以實現蛋白質與淀粉的有效分離，是最適用于工業化生產的方法[13-18]。但是，分離過程會產生大量的堿性廢液，給水處理增加很大負擔，容易造成環境污染。此外，在高濃度堿的提取過程中，會產生一系列不良反應，破壞到大米淀粉的結構和性質。Lumdubwong等[9]發現用堿法制備的大米淀粉比酶法制備的更易吸水膨脹。Chiou等[19]分別比較了大米淀粉經過蛋白酶、堿液和表面活性劑（SDS）短時間處理后的分子量變化情況，結果發現用酶法和表面活性劑法處理淀粉不會改變其分子量，但是用堿法處理以后，直鏈淀粉的分子量降低了，尤其是分子量較高的直鏈淀粉被破壞的程度更嚴重。

1.3 堿消化法的研究進展

雖然堿消化法的技術路線已經很成熟，但是很多實驗室還在不斷優化和改良此方法。劉一洋等[20]以大米為原料，采用NaOH溶液浸泡的方法提取大米淀粉，發現在質量分數為0.3%的NaOH溶液、固液比為1∶6和浸泡提取時間為4 h條件下，淀粉中的蛋白質含量和提取率最高。涂宗財等[21]在傳統的堿消化法提取之后，用鹽酸將漿液pH調至6.5～7.0再進行最后的水洗，而后采用超高壓均質和超微粉碎制備了納米級大米淀粉。劉娜等[22]改進了堿法制備高純度大米淀粉的工藝，把對大米淀粉的一次堿提與對黃淀粉和黃淀粉漿的再提純工藝相結合，所得到的優化新工藝不僅能夠提高大米淀粉的純度，也能夠大大提高其回收率。

2 表面活性劑法

2.1 表面活性劑法的原理

表面活性劑法是實驗室制備大米淀粉常用的方法。十二烷基硫酸鈉（SDS）是最常用的表面活性劑。它能使蛋白質發生變性，并且一個SDS分子能與兩個氨基酸殘基緊密結合。當大米中的蛋白質與SDS結合后，去除SDS-蛋白質復合物，大米淀粉可得到分離[17，23，24]。將大米在3～4倍體積的表面活性劑中浸泡24～48 h。倒掉上層清液，殘余部分干燥后在研缽中研磨成粉即可[12]。

2.2 表面活性劑法的特點

表面活性劑可以與蛋白質形成復合物，提高蛋白質的提取率，使淀粉與蛋白質有效分離，淀粉回收率也較堿消化法高[24]。但是，此方法制備大米淀粉要使用較多的表面活性劑，生產成本較高，同時分離的大米蛋白質已與表面活性劑絡合，很難再回收利用，達不到綜合利用的目的，由于需要多次清洗以除去淀粉中殘留的表面活性劑，因此與堿消化法類似，也存在廢水處理困難等污染環境的問題[24，25]。

2.3 表面活性劑法的研究進展

由于表面活性劑法的局限性，此法多與其他方法聯合使用。Puchongkavarin等[26]將酶法處理以后得到的大米淀粉又繼續用SDS處理，得到的淀粉中的蛋白質含量顯著降低，但是大米淀粉的糊化峰值黏度和終黏度均顯著上升。蘆鑫等[27]考慮分離效果和安全性等問題，采用與SDS性質相似，但生物降解性更好的食品加工助劑十二烷基磺酸鈉來結合超聲波分離大米淀粉，發現最佳分離工藝為SDS添加量為2.5%，超聲波時間為50 min，液固比為7∶1。

3 酶法

3.1 酶法的原理

酶法水解分離大米淀粉與蛋白質的原理是利用蛋白酶首先將包裹在大米淀粉外層的蛋白質水解，使淀粉與蛋白質的結合變得疏松，從而在水解過程中逐步釋放出蛋白質以實現大米淀粉的分離。酶法制備大米淀粉常用的蛋白酶有堿性蛋白酶和中性蛋白酶[28]。將濕磨的米粉乳液加入蛋白酶，溫和攪拌，反應過程中要保持pH恒定。反應后的乳液經過濾、離心，去掉上清液，水洗沉淀層，重復此清洗過程，將沉淀物分散于50 mL清水中，pH調節至7，離心，刮掉暗色上層，用水將下層沉淀物清洗，干燥即得成品[29]。

3.2 酶法的特點

與堿法相比，酶法反應條件較為溫和，淀粉和營養物質基本不遭破壞，同時分離出來的大米蛋白質組分可以回收利用[9，19，30]。但是，酶法提取的大米蛋白質效率較堿法低，且所得產物溶于水，淀粉中的殘余蛋白質也較堿法提取的多[25]。使用堿性蛋白酶水解分離大米淀粉時，一般通過加入NaOH溶液來控制反應的pH，使之保持在堿性條件下，反應結束后離心分離，多次水洗至水解液pH為中性。因此，與堿法類似，也會產生大量廢堿液和鹽[28]。Lumdubwong等[9]使用堿性蛋白酶Optimase APL-440從泰國大米中提取淀粉，為了使反應體系的pH保持在10.0，必須不斷地在反應過程中加入NaOH溶液，最后發現堿液的加入量是堿法制備大米淀粉的2倍，但制得的大米淀粉中的殘余蛋白質含量仍略高于堿法。此外，酶法提取的工藝條件并不成熟，且酶的價格較高，使生產成本大幅度提高。

3.3 酶法的研究進展

由于傳統的堿消化法產生大量的堿廢液，對環境造成污染，越來越多的人開始關注酶法。Bliaderis等[31]發現用高純度的Pronase蛋白酶水解大米蛋白質來制備大米淀粉不會破壞脂肪與淀粉之間的結合，淀粉顆粒的完整性保持的最好。Wang等[30]分別用酸性蛋白酶、中性蛋白酶、堿性蛋白酶和堿法制備大米淀粉，通過18 h水解反應，加酶量最高的一組淀粉中的殘余蛋白質低于0.2%。陳季旺等[3]采用堿性蛋白酶對堿法制備的大米淀粉進行純化，電鏡顯示純化處理后的大米淀粉中未見明顯的蛋白質顆粒存在，比較純化前后的大米淀粉發現，大米淀粉經過堿性蛋白酶純化后，其溶解度和膨潤力都顯著增加。李玥[28]通過對不同品種蛋白酶清除蛋白質效果的比較，篩選出2種能有效分離提取大米淀粉的蛋白酶，分別為Alcalase堿性蛋白酶和Protease N中性蛋白酶。

4 超聲波法

20世紀80年代，Juliano[8]采用超聲波法將大米淀粉分子外層的蛋白質破碎，使淀粉分子分離出來。這種方法的優點在于淀粉回收率高、淀粉顆粒結構不受破壞并可縮短生產周期， 但超聲波使淀粉的黏度增加，并且成本比較高，不易工業化[25]。在實際操作中，超聲波法多與其他方法聯合使用，以達到優化提取條件的效果。2004年Wang等[32]將中性蛋白酶與超聲波法結合使用制備大米淀粉，使提取制備時間大幅度縮短，但是制備得到的淀粉隨著超聲波強度的增大其破損率明顯增大，且淀粉的糊化峰值黏度也有所升高。王萍等[29]發現，先酶解5 h，再超聲波作用20 min（1 000 W），得到的蛋白質含量為0.43%，淀粉提取率為87.39%，說明酶法與超聲波法聯合應用可縮短生產周期，有利于大米淀粉的提取。

5 物理分離法

半個世紀以來，世界各國生產大米淀粉的加工方法一直沒有大的改進，基本上采用堿消化法。該方法的弊端在于大量的廢堿液產生，不利于環境保護。2002年美國農業部南部實驗中心的食品科學家Harmeet研究發現了一種物理分離大米淀粉及大米蛋白質的環保方法，該方法采用名為高壓微射流納米分散的新型均質機，使大米漿料在通過均質機的高壓孔隙時借助物理作用力而分離[25，28，33，34]。即利用一種特別的均質器所產生的高壓，對大米中的淀粉和蛋白質聚成塊進行物理分解，可有效節約成本。大米只需一次性通過這種設備，即可產生水狀的顆粒均勻的淀粉和蛋白質微分子，然后通過傳統的密度分離工藝對其中的淀粉和蛋白質進行分離。這種新工藝可保留所提取大米蛋白質和淀粉原有的品質，生產出的蛋白質和淀粉與傳統的加工方法相比具有更好的完整性和功能性。美國科學家認為，這種新方法有可能對大米淀粉和蛋白質生產行業帶來革命性的變化[25]。但是，高壓微射流納米分散均質機高昂的價格使得該方法的工業化應用受到限制，目前該均質機多用于醫藥等高附加值產品的生產，并不適用于以規模為依托的淀粉加工工業[18，28，34]。

6 展望

堿消化法、酶法和表面活性劑法為目前大米淀粉最常用的分離提取技術，但是沒有一種是完美的分離淀粉的方法，每種方法都會給提取淀粉的結果帶來不同程度的差異。隨著人們環保意識的增強，傳統的堿法制備大米淀粉的方法將逐漸被取代，而生物技術的進步將會大大降低酶的價格并提高酶的活力。因此，采用酶法進行大米淀粉的工業化生產將為期不遠。

另外，隨著研究的深入，科研工作者正在積極地綜合利用各種方法，采用幾種可相互彌補缺陷的技術來提取淀粉，這樣可以最大限度地提高淀粉的品質，以期找到一種經濟實用、簡單方便的方法。科技飛速發展的今天，人民生活質量不斷提高，對食品和藥品的要求越來越高，具有特殊功效又安全無毒的大米淀粉及其衍生物將會成為人們的首選。隨著人們對大米淀粉認識的加深，隨著淀粉制備技術的發展，將會有更多更好的大米淀粉產品問世從而滿足人們的需求。

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