大米淀粉提取工藝對淀粉產品鎘含量的影響

田 陽 魏 帥 魏益民 郭波莉 趙多勇

(中國農業科學院農產品加工研究所農業部農產品加工重點實驗室，北京 100193)

大米淀粉是大米的主要營養成分之一，它以其特有的理化性質，廣泛用于食品、醫藥及化工等行業［1－2］。水稻是對重金屬鎘富集能力較強的糧食作物，水稻鎘污染對大米生產、加工及質量安全構成了潛在威脅［3－5］。研究表明，水稻植株中的鎘在由莖葉向水稻籽粒運輸的過程中，會選擇性地與蛋白質以絡合物的形式結合［6－8］，因此大米蛋白質是鎘富集的主要部位。有研究報道，大米中60%以上的鎘均蓄積在蛋白質中［9］，說明淀粉等其他營養成分中的鎘含量較低，這為提取大米淀粉，獲得符合標準的淀粉產品奠定了一定的理論基礎。目前，有關大米淀粉提取的研究主要集中在對淀粉提取率、純度及產品理化特性分析方面［10－12］，還沒有提取工藝對淀粉產品鎘含量影響的研究報道，以及有效的淀粉和鎘的分離技術。

大米淀粉的提取方法主要包括堿浸提法、酶水解法和表面活性劑法［10，13－16］。堿法提取的淀粉純度和提取率較高［13］，但淀粉結構和性質會受到一定程度的影響［14］;而酶水解法和表面活性劑法提取條件溫和，淀粉結構不易被破壞［10，14］，但淀粉純度較低，且由于提取劑費用昂貴導致生產成本較高［15－16］。本研究重點比較分析3種提取方法對淀粉中鎘含量、淀粉提取率及純度的影響，并對淀粉鎘含量低的提取工藝進行優化。以期為開發含鎘大米中淀粉與鎘的分離工藝提供依據，進而為大米中鎘的去除與控制技術實施提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

在湖南省某地選取鎘含量不同的稻谷樣品3份。稻谷經礱谷－碾米、粉碎、過100目篩，得到試驗樣品。

Pronase中性蛋白酶、SDS:美國 Sigma－Aldrich公司;淀粉總量檢測試劑盒:愛爾蘭Megazyme公司;硝酸、雙氧水:國產BV－Ⅲ級純;其他試劑均為國產分析純。

1.2 主要儀器與設備

CEM Mars 240/50型微波消解儀:美國Pynn公司;Shimadzu AA－7000型原子吸收光譜儀:日本Shimadzu公司;2300全自動凱氏定氮儀:瑞典Foss公司;Christ Alpha 1－4 LSC實驗室高級型凍干機:德國Marin Christ公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 大米淀粉提取工藝

參考Wang等［13］的工藝提取大米淀粉:將30 g大米粉與浸提液以1∶5的比例混勻，置于40℃恒溫水浴振蕩器中反應12 h，于室溫下3 000 r/min離心20 min;棄去上清液，水洗沉淀3次，提取的淀粉濕塊在－40℃冷凍干燥24 h，粉碎過100目篩，存儲于干燥器中備用。

堿法提取用的浸提液為0.2%的NaOH溶液;酶法提取用的浸提液為0.01%的Pronase中性蛋白酶的磷酸鹽緩沖液(0.03 mol/L，pH 7.0)［16］;表面活性劑法用的浸提液為1.0%的表面活性劑(SDS)溶液［17］。

1.3.2 成分測定

水分含量測定采用GB/T 14769—1993常壓加熱干燥法;蛋白質含量測定采用GB/T 5511—1985凱氏定氮法，蛋白質系數為5.95;淀粉含量的測定采用 AOAC 996－11。

1.3.3 鎘含量測定

樣品消解:樣品利用微波消解法消解。稱樣量為0.300 g，消解體系為8 mL HNO3(65%)+2 mL H2O2(40%)。采用逐步升溫的方式消解，初始溫度為40℃，以10℃/min的速度升溫至120℃，保持2 min;再以8℃/min的速度升溫至160℃，保持5 min;最后以4℃/min的速度升溫至180℃，保持15 min。消解完成后，將消解液于電熱板上(180℃)迅速用超純水(電阻≥18.2 MΩ)定容至鎘濃度范圍為0.5～5.0 μg/L 待測。

鎘含量測定參照 GB/T 5009.15—2003食品中鎘的測定中的石墨爐原子吸收光譜法執行。測定條件:波長228.8 nm，狹縫寬度 0.7 nrn，燈電流 8 mA，進樣量10μL。

1.3.4 大米淀粉提取工藝優化設計

利用Box－Behnken試驗設計，以液料比、堿液的質量分數和反應時間3因素為自變量，以淀粉鎘含量為響應指標，設計3因素3水平組合的響應面分析試驗。根據預試驗的結果，確定3個自變量的范圍及水平編碼(表1)。

表1 試驗因子水平及編碼表

1.3.5 淀粉提取率和純度的計算

淀粉提取率=產品中淀粉總質量/原料大米中淀粉總質量×100%

淀粉純度=產品中淀粉總質量/產品質量×100%

1.3.6 統計分析

采用Microsoft Excel 2003處理數據，SAS 8.1和Design－Expert 7.0統計軟件做方差分析和響應面分析。

2 結果與分析

2.1 大米成分及含量

由表2可以看出，3份大米樣品鎘含量差異較大，且超過了國家標準(GB 2762—2005，0.2 mg/kg)。

表2 大米樣品中的鎘、蛋白質和淀粉含量(干基)

2.2 淀粉提取方法對淀粉產品鎘含量的影響

比較3份大米樣品經不同提取方法制得的大米淀粉的鎘含量(圖1)，可以看出，與大米樣品相比，3種方法提取淀粉產品的鎘含量均大幅度降低。堿法提取的大米淀粉產品鎘含量顯著低于酶法和表面活性劑法(P＜0.05);表面活性劑法提取的淀粉產品鎘含量最高。

圖1 大米及不同方法提取的淀粉的鎘含量

3種方法的淀粉提取率及淀粉純度分別如圖2和圖3所示。從圖2中可以看出，表面活性劑法的淀粉提取率顯著高于酶法和堿法(P＜0.05);堿法的淀粉提取率與酶法無顯著差異。從圖3中可以看出堿法提取的淀粉純度最高，淀粉含量達95%以上，顯著高于酶法和表面活性劑法(P＜0.05);表面活性劑法提取的淀粉純度最低。

圖2 大米淀粉提取方法與大米淀粉提取率

圖3 大米淀粉提取方法與提取物中大米淀粉的純度

綜合比較可以得出，堿法提取的大米淀粉產品鎘含量最低、淀粉純度最高。因此，選取堿法作為大米淀粉提取工藝，以淀粉產品中鎘含量為評價指標，優化提取工藝條件。

2.3 堿法提取工藝對淀粉產品鎘含量的影響

2.3.1 堿法提取淀粉工藝優化

選取2號大米樣品(鎘含量為0.720 4 mg/kg)為試驗材料，采用Box－Behnken試驗設計優化堿法分離大米淀粉和鎘的工藝條件。試驗設計及試驗結果見表3。試驗設計包括12個因子點和3個中心點重復。每一條件進行3次試驗，結果取平均值。

表3 響應面設計方案和試驗結果

采用Design－Expert 7.0統計分析軟件對表3數據進行多元回歸擬合，獲得對響應值——淀粉鎘含量(Y)的影響因子——液料比(X1)、堿液質量分數(X2)和反應時間(X3)的二次多項式回歸模型，得到淀粉產品鎘含量(Y)的回歸方程為:

2.3.2 響應面分析

對回歸模型進行方差分析(表4)，結果表明，模型的回歸性極顯著(P＜0.000 1)，決定系數R2=0.988 6;失擬檢驗 P 值為 0.121 4 ＞0.05，失擬檢驗不顯著。決定系數和失擬檢驗兩項結果表明方程(1)的數學模型擬合良好。模型中一次項X1、X2、X3和二次項均對響應值Y影響極顯著(P＜0.01)，二次項X12和交互項X1X2、X1X3對響應值Y影響顯著(P＜0.05);而交互項X2X3對響應值Y影響不顯著。圖4和圖5是顯著影響淀粉產品鎘含量因素間交互作用的3維曲面圖及等高線圖。由回歸模型得到淀粉鎘含量最小預測值為0.111 8 mg/kg。優化組合為 X1=6.8，X2=0.23，X3=16.3，即液料比為6.8∶1，堿液質量分數為 0.23%，反應時間為 16.3 h。

表4 回歸模型方差分析表

圖4 液料比與堿液質量分數交互作用的響應面和等高線

圖5 液料比與反應時間交互作用的響應面和等高線

2.3.3 模型驗證

依據回歸模型得到的最佳工藝條件，兼顧實際操作，優化的工藝參數為:液料比為6.8∶1，堿液濃度為0.23%，反應時間為16 h。試驗重復5次，所得淀粉產品鎘含量為0.109 7 mg/kg，其鎘含量與理論預測值(0.114 0 mg/kg)相比無顯著性差異。可見該模型能較好地模擬和預測提取條件對制得的淀粉中鎘含量的影響。在該工藝條件下制得的淀粉其鎘含量下降了84.77%，淀粉純度為 97.02%，提取率為75.12%。

3 討論

有關不同分離方法提取大米淀粉的文獻報道表明，與酶法和表面活性劑法相比，堿法提取的淀粉純度最高、蛋白質含量最低［15－16］。堿法提取的淀粉產品鎘含量顯著低于酶法和表面活性劑法。大米中的鎘主要與具有特定分子質量的蛋白質組分以絡合物的形式結合，在淀粉等其他成分中積累較少［6－9］。大米淀粉提取工藝是將淀粉與蛋白質分離的過程。在該過程中，隨著蛋白質的去除，與蛋白質結合的鎘也隨之被去除。在堿法提取淀粉過程中，堿液可使蛋白質與淀粉結合的緊密結構變得疏松，并破壞蛋白質分子間的次級鍵，使極性基團發生解離，從而對蛋白質分子有增溶作用，促進了淀粉和蛋白質的分離［18－19］。與酶水解法和表面活性劑法相比，堿法對含鎘蛋白的去除能力更強。這可能是堿法提取的淀粉產品鎘含量低于其他兩種方法的主要原因。

以3份大米樣品為原料提取的淀粉產品鎘含量均大幅度降低，而且鎘含量的下降比例無明顯差異，可見原料鎘含量對生產工藝優化無顯著影響。本試驗選取了2號大米樣品來優化堿法分離淀粉和鎘的工藝條件。試驗結果表明，含鎘大米在該優化工藝條件下提取的淀粉其鎘含量下降84.77%。目前，國家有關淀粉制品的衛生標準(GB 2713—2003)規定淀粉制品的衛生標準中并不包括鎘的限量標準，如果按照國家規定的大米中鎘的限量標準(GB 2762—2005，0.2 mg/kg)計算，鎘含量低于 1.31 mg/kg 的大米均可通過本研究的工藝(按鎘含量下降84.77%計算)制得鎘含量達標的淀粉產品。本試驗提取的大米淀粉純度為97.02%;淀粉提取率為75.12%。陳季旺等［20］研究了堿酶兩步法純化大米淀粉的工藝，結果表明優化后的堿法提取的大米淀粉純度為94.35%(干基)，淀粉提取率為78.74%，再經酶法進一步純化后大米淀粉純度和淀粉提取率分別為97.21%和77.10%。與陳季旺等［20］研究結果相比，本試驗提取的大米淀粉雖提取率較低，但純度較高，接近于酶法純化后的淀粉純度。因此，該大米淀粉提取工藝不但對鎘具有較好的去除效果，而且淀粉分離效果也較好。

4 結論

與原料大米相比，3種方法提取的淀粉產品鎘含量均大幅度降低;堿法提取的淀粉產品鎘含量顯著低于酶法和表面活性劑法。優化后的堿法提取大米淀粉的工藝條件為:液料比為6.8∶1，堿液質量分數為0.23%，反應時間為16 h。該條件下提取的大米淀粉其鎘含量下降了84.77%，淀粉純度為97.02%，淀粉提取率為75.12%。

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