碎米淀粉分步制取工藝優化

祝水蘭 劉光憲 周巾英 付曉記 馮健雄

(江西省農業科學院，江西 南昌 330200)

中國稻米年產量占世界稻谷年總產量的34%左右，居世界首位[1]。稻米加工生產過程中產生約10%～35%的碎米，碎米的價格僅為整米的1/3～1/2，而其化學組成與大米相同[2]，淀粉含量達80%的左右[3]。楊夫光等[4]利用碎米生產淀粉糖漿，單斌等[5]利用碎米調配成米乳飲料，本試驗擬利用碎米提取其功能性成分純淀粉。目前國際市場上對高純度大米淀粉的需求較大，美國、比利時、德國、荷蘭、意大利等國家興起了大米淀粉研究開發的熱潮[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]發現用高純度的Pronase蛋白酶水解大米蛋白來制備大米淀粉不會破壞淀粉與脂肪之間的結合，淀粉顆粒的完整性保持得最好；蘆鑫等[10]采用表面活性劑結合超聲波法分離淀粉和蛋白，但表面活性劑使用量大，生產成本較高，大米蛋白難回收利用。本試驗擬以谷物加工副產物碎米為原料，通過負壓工藝使碎米粉快速吸水膨脹，使結合緊密的碎米淀粉和蛋白分離，再采用超聲波-堿酶聯用處理，研究制取碎米淀粉的最佳提取條件，并優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，國藥化學試劑有限公司；

堿性蛋白酶：酶活2.0×105U/g，江蘇銳陽生物科技有限公司。

1.1.2 主要儀器

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

粉碎機：XL-200A型，上海潤實電器有限公司；

分析天平：TP-214型，北京賽多利斯儀器系統有限公司；

超聲波細胞粉碎儀：UP250型，寧波新芝生物科技股份有限公司；

水分測定儀：HB43-S緊湊型，瑞士Metter Toledo公司；

水浴恒溫振蕩器：SHA-B型，常州潤華電器有限公司；

pH計：雷磁PHS-3C型，上海儀電科學儀器股份有限公司；

離心機：LXJ-ⅡB型，上海安亭科學儀器廠。

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中粉碎，過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配成碎米溶液，在高速組織搗碎機中搗碎30 min，將搗碎后的漿液倒回容器，置于真空干燥箱負壓處理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束時間為提取時間。將溶液轉入離心機中以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

(1) 粗淀粉單因素試驗：以碎米淀粉提取率為指標，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)]、提取時間(1，2，3，4，5，6 h)3個因素對粗淀粉提取率的影響。當選定某一因素進行單因素試驗時，其他因素的條件為：NaOH濃度0.3%，固液比1∶4 (g/mL)，提取時間2 h，進行3次重復試驗。

(2) 純淀粉單因素試驗：以碎米淀粉提取率為指標，分別考察超聲波處理時間(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)、酶解時間(1，2，3，4，5，6 h)5個因素對純淀粉提取率的影響。當選定某一因素進行單因素試驗時，其他因素的條件為：超聲波處理時間25 min，固液比1∶4 (g/mL)，酶解時間2 h，酶解溫度45 ℃，進行3次重復試驗。

1.2.3 正交試驗 根據單因素試驗結果，粗淀粉提取每個因素選取3個水平；純淀粉的提取每個因素選取4個水平，以碎米淀粉提取率為考察指標，進行3次重復試驗。

1.2.4 淀粉提取率的計算

(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——殘留蛋白質含量，%；

c5——脂肪含量，%；

c5——灰分含量，%；

m1——樣品質量，g；

m2——原料質量，g；

m3——樣品中淀粉質量，g；

m——原料中淀粉質量，g。

1.2.5 檢測指標及方法

(1) 淀粉的測定：按GB/T 5009.9—2008的酸水解法執行。

(2) 蛋白質測定：按GB 5009.5—2010的凱氏定氮法執行。

(3) 灰分測定：按GB 5009.4—2016執行。

(4) 脂肪測定：按GB 5009.6—2016執行。

1.2.6 數據統計分析 試驗數據采用Excel 2003軟件作圖，用正交助手軟件進行極差分析。

2 結果與分析

2.1 粗淀粉提取單因素試驗

2.1.1 NaOH濃度對碎米粗淀粉提取率的影響 由圖1可知，當NaOH濃度為0.3%左右時，碎米淀粉的提取率最高。這是因為大米胚乳中蛋白體PBⅡ約占總蛋白質含量的80%，是堿溶性的谷蛋白[9,11]，堿液能使蛋白質溶解在溶液中，從而使碎米淀粉沉淀分離出來。當NaOH濃度過大時，碎米淀粉的結構和性質受到破壞，碎米淀粉提取率下降。故NaOH的濃度選擇在0.3%附近。

圖1 NaOH濃度對碎米淀粉提取率的影響

2.1.2 固液比對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，當固液比為1∶5 (g/mL)時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，碎米內的蛋白質不能與淀粉分離，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 固液比對碎米淀粉提取率的影響

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

圖3 不同提取時間對碎米淀粉提取率的影響

2.2 正交試驗

2.2.1 正交試驗因素水平確定 正交試驗因素水平見表1。

2.2.2 正交試驗結果及分析 由表2可見，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)，浸提時間2 h。最佳工藝組合不在正交表組合中，在最優組合條件下進行驗證實驗，結果提取率為91.67%，純度為96.58%。

表1 正交試驗因素水平表

表2 正交試驗提取率結果及分析

2.3 純淀粉的提取單因素試驗

2.3.1 超聲處理時間對碎米純淀粉提取率的影響 由圖4可知，隨超聲處理時的延長，碎米淀粉提取率先升高后降低，當超聲時間為25 min時碎米淀粉的提取率最高。可能是超聲波細胞粉碎機[12]是一種利用強超聲在液體體系中產生空化、剪切、劇烈攪拌等作用，使碎米淀粉和蛋白質分離。因此超聲波處理時間選25 min 左右。

圖4 超聲波處理時間對碎米淀粉提取率的影響

2.3.2 固液比對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，當固液比為1∶5 (g/mL)時，達到最大值。這是由于溶劑增加，蛋白酶與蛋白質反應，從而使蛋白質更易溶解在溶液中，而淀粉通過離心沉淀分離。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，當酶解溫度為45 ℃時，碎米淀粉提取率最高達98.72%。由于溫度升高，酶的活性上升，蛋白質分解；當溫度達到45 ℃時，隨溫度升高，酶活性下降。因此酶解溫度選擇在45 ℃以下。

圖5 固液比對碎米純淀粉提取率的影響

圖6 酶解溫度對碎米淀粉提取率的影響

2.3.4 酶用量對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，當酶用量達到5 mg/g，碎米淀粉提取率達到最大值。因為隨酶用量增加，提高了蛋白質的分解效率，當酶用量超過5 mg/g時，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 酶用量對碎米提取率的影響

2.3.5 酶解時間對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間的延長先升高，當達到2 h隨酶解時間的延長提取率反而下降，可能是由于酶解時間過長，淀粉顆粒結構變得疏松，不利于沉淀，從而影響了淀粉的提取率。因此酶解時間選擇2 h左右。

圖8 酶解時間對碎米淀粉提取率的影響

2.4 純淀粉正交試驗

2.4.1 正交試驗因素水平確定 正交試驗因素水平見表3。

2.4.2 純淀粉正交試驗結果及分析 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，最優工藝組合為A4B3C2D4E3，即超聲波處理時間25 min，酶用量5 mg/g，酶解時間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，在最優組合條件下進行驗證實驗，結果為：淀粉提取率達98.56%，純度達99.13%。

表3 正交試驗因素水平表

3 結論

超聲波-堿性蛋白酶聯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)，浸提時間2 h，粗淀粉提取率為91.67%，純度達96.58%；純淀粉的最佳提取條件為：固液比1∶5 (g/mL)，超聲時間25 min，堿性蛋白酶的濃度5 mg/g，時間2 h，溫度45 ℃，淀粉提取率達98.56%，純度達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5 h，本試驗證實米提取淀粉無需提前浸泡，采用干法粉碎碎米成米粉，負壓工藝使結合緊密的碎米淀粉和蛋白產生松動，碎米淀粉和蛋白易分離，大大縮短了提取淀粉時間，提高效率，避免了夏季氣溫高或浸泡時間長使碎米粉變質酸敗。后續將對淀粉的理化特性進行研究，以期為碎米淀粉的應用提供理論依據。