大米淀粉提取工艺对淀粉产品镉含量的影响

田 阳 魏 帅 魏益民 郭波莉 赵多勇

(中国农业科学院农产品加工研究所农业部农产品加工重点实验室，北京 100193)

大米淀粉是大米的主要营养成分之一，它以其特有的理化性质，广泛用于食品、医药及化工等行业［1－2］。水稻是对重金属镉富集能力较强的粮食作物，水稻镉污染对大米生产、加工及质量安全构成了潜在威胁［3－5］。研究表明，水稻植株中的镉在由茎叶向水稻籽粒运输的过程中，会选择性地与蛋白质以络合物的形式结合［6－8］，因此大米蛋白质是镉富集的主要部位。有研究报道，大米中60%以上的镉均蓄积在蛋白质中［9］，说明淀粉等其他营养成分中的镉含量较低，这为提取大米淀粉，获得符合标准的淀粉产品奠定了一定的理论基础。目前，有关大米淀粉提取的研究主要集中在对淀粉提取率、纯度及产品理化特性分析方面［10－12］，还没有提取工艺对淀粉产品镉含量影响的研究报道，以及有效的淀粉和镉的分离技术。

大米淀粉的提取方法主要包括碱浸提法、酶水解法和表面活性剂法［10，13－16］。碱法提取的淀粉纯度和提取率较高［13］，但淀粉结构和性质会受到一定程度的影响［14］;而酶水解法和表面活性剂法提取条件温和，淀粉结构不易被破坏［10，14］，但淀粉纯度较低，且由于提取剂费用昂贵导致生产成本较高［15－16］。本研究重点比较分析3种提取方法对淀粉中镉含量、淀粉提取率及纯度的影响，并对淀粉镉含量低的提取工艺进行优化。以期为开发含镉大米中淀粉与镉的分离工艺提供依据，进而为大米中镉的去除与控制技术实施提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

在湖南省某地选取镉含量不同的稻谷样品3份。稻谷经砻谷－碾米、粉碎、过100目筛，得到试验样品。

Pronase中性蛋白酶、SDS:美国 Sigma－Aldrich公司;淀粉总量检测试剂盒:爱尔兰Megazyme公司;硝酸、双氧水:国产BV－Ⅲ级纯;其他试剂均为国产分析纯。

1.2 主要仪器与设备

CEM Mars 240/50型微波消解仪:美国Pynn公司;Shimadzu AA－7000型原子吸收光谱仪:日本Shimadzu公司;2300全自动凯氏定氮仪:瑞典Foss公司;Christ Alpha 1－4 LSC实验室高级型冻干机:德国Marin Christ公司。

1.3 试验方法

1.3.1 大米淀粉提取工艺

参考Wang等［13］的工艺提取大米淀粉:将30 g大米粉与浸提液以1∶5的比例混匀，置于40℃恒温水浴振荡器中反应12 h，于室温下3 000 r/min离心20 min;弃去上清液，水洗沉淀3次，提取的淀粉湿块在－40℃冷冻干燥24 h，粉碎过100目筛，存储于干燥器中备用。

碱法提取用的浸提液为0.2%的NaOH溶液;酶法提取用的浸提液为0.01%的Pronase中性蛋白酶的磷酸盐缓冲液(0.03 mol/L，pH 7.0)［16］;表面活性剂法用的浸提液为1.0%的表面活性剂(SDS)溶液［17］。

1.3.2 成分测定

水分含量测定采用GB/T 14769—1993常压加热干燥法;蛋白质含量测定采用GB/T 5511—1985凯氏定氮法，蛋白质系数为5.95;淀粉含量的测定采用 AOAC 996－11。

1.3.3 镉含量测定

样品消解:样品利用微波消解法消解。称样量为0.300 g，消解体系为8 mL HNO3(65%)+2 mL H2O2(40%)。采用逐步升温的方式消解，初始温度为40℃，以10℃/min的速度升温至120℃，保持2 min;再以8℃/min的速度升温至160℃，保持5 min;最后以4℃/min的速度升温至180℃，保持15 min。消解完成后，将消解液于电热板上(180℃)迅速用超纯水(电阻≥18.2 MΩ)定容至镉浓度范围为0.5～5.0 μg/L 待测。

镉含量测定参照 GB/T 5009.15—2003食品中镉的测定中的石墨炉原子吸收光谱法执行。测定条件:波长228.8 nm，狭缝宽度 0.7 nrn，灯电流 8 mA，进样量10μL。

1.3.4 大米淀粉提取工艺优化设计

利用Box－Behnken试验设计，以液料比、碱液的质量分数和反应时间3因素为自变量，以淀粉镉含量为响应指标，设计3因素3水平组合的响应面分析试验。根据预试验的结果，确定3个自变量的范围及水平编码(表1)。

表1 试验因子水平及编码表

1.3.5 淀粉提取率和纯度的计算

淀粉提取率=产品中淀粉总质量/原料大米中淀粉总质量×100%

淀粉纯度=产品中淀粉总质量/产品质量×100%

1.3.6 统计分析

采用Microsoft Excel 2003处理数据，SAS 8.1和Design－Expert 7.0统计软件做方差分析和响应面分析。

2 结果与分析

2.1 大米成分及含量

由表2可以看出，3份大米样品镉含量差异较大，且超过了国家标准(GB 2762—2005，0.2 mg/kg)。

表2 大米样品中的镉、蛋白质和淀粉含量(干基)

2.2 淀粉提取方法对淀粉产品镉含量的影响

比较3份大米样品经不同提取方法制得的大米淀粉的镉含量(图1)，可以看出，与大米样品相比，3种方法提取淀粉产品的镉含量均大幅度降低。碱法提取的大米淀粉产品镉含量显著低于酶法和表面活性剂法(P＜0.05);表面活性剂法提取的淀粉产品镉含量最高。

图1 大米及不同方法提取的淀粉的镉含量

3种方法的淀粉提取率及淀粉纯度分别如图2和图3所示。从图2中可以看出，表面活性剂法的淀粉提取率显著高于酶法和碱法(P＜0.05);碱法的淀粉提取率与酶法无显著差异。从图3中可以看出碱法提取的淀粉纯度最高，淀粉含量达95%以上，显著高于酶法和表面活性剂法(P＜0.05);表面活性剂法提取的淀粉纯度最低。

图2 大米淀粉提取方法与大米淀粉提取率

图3 大米淀粉提取方法与提取物中大米淀粉的纯度

综合比较可以得出，碱法提取的大米淀粉产品镉含量最低、淀粉纯度最高。因此，选取碱法作为大米淀粉提取工艺，以淀粉产品中镉含量为评价指标，优化提取工艺条件。

2.3 碱法提取工艺对淀粉产品镉含量的影响

2.3.1 碱法提取淀粉工艺优化

选取2号大米样品(镉含量为0.720 4 mg/kg)为试验材料，采用Box－Behnken试验设计优化碱法分离大米淀粉和镉的工艺条件。试验设计及试验结果见表3。试验设计包括12个因子点和3个中心点重复。每一条件进行3次试验，结果取平均值。

表3 响应面设计方案和试验结果

采用Design－Expert 7.0统计分析软件对表3数据进行多元回归拟合，获得对响应值——淀粉镉含量(Y)的影响因子——液料比(X1)、碱液质量分数(X2)和反应时间(X3)的二次多项式回归模型，得到淀粉产品镉含量(Y)的回归方程为:

2.3.2 响应面分析

对回归模型进行方差分析(表4)，结果表明，模型的回归性极显著(P＜0.000 1)，决定系数R2=0.988 6;失拟检验 P 值为 0.121 4 ＞0.05，失拟检验不显著。决定系数和失拟检验两项结果表明方程(1)的数学模型拟合良好。模型中一次项X1、X2、X3和二次项均对响应值Y影响极显著(P＜0.01)，二次项X12和交互项X1X2、X1X3对响应值Y影响显著(P＜0.05);而交互项X2X3对响应值Y影响不显著。图4和图5是显著影响淀粉产品镉含量因素间交互作用的3维曲面图及等高线图。由回归模型得到淀粉镉含量最小预测值为0.111 8 mg/kg。优化组合为 X1=6.8，X2=0.23，X3=16.3，即液料比为6.8∶1，碱液质量分数为 0.23%，反应时间为 16.3 h。

表4 回归模型方差分析表

图4 液料比与碱液质量分数交互作用的响应面和等高线

图5 液料比与反应时间交互作用的响应面和等高线

2.3.3 模型验证

依据回归模型得到的最佳工艺条件，兼顾实际操作，优化的工艺参数为:液料比为6.8∶1，碱液浓度为0.23%，反应时间为16 h。试验重复5次，所得淀粉产品镉含量为0.109 7 mg/kg，其镉含量与理论预测值(0.114 0 mg/kg)相比无显著性差异。可见该模型能较好地模拟和预测提取条件对制得的淀粉中镉含量的影响。在该工艺条件下制得的淀粉其镉含量下降了84.77%，淀粉纯度为 97.02%，提取率为75.12%。

3 讨论

有关不同分离方法提取大米淀粉的文献报道表明，与酶法和表面活性剂法相比，碱法提取的淀粉纯度最高、蛋白质含量最低［15－16］。碱法提取的淀粉产品镉含量显著低于酶法和表面活性剂法。大米中的镉主要与具有特定分子质量的蛋白质组分以络合物的形式结合，在淀粉等其他成分中积累较少［6－9］。大米淀粉提取工艺是将淀粉与蛋白质分离的过程。在该过程中，随着蛋白质的去除，与蛋白质结合的镉也随之被去除。在碱法提取淀粉过程中，碱液可使蛋白质与淀粉结合的紧密结构变得疏松，并破坏蛋白质分子间的次级键，使极性基团发生解离，从而对蛋白质分子有增溶作用，促进了淀粉和蛋白质的分离［18－19］。与酶水解法和表面活性剂法相比，碱法对含镉蛋白的去除能力更强。这可能是碱法提取的淀粉产品镉含量低于其他两种方法的主要原因。

以3份大米样品为原料提取的淀粉产品镉含量均大幅度降低，而且镉含量的下降比例无明显差异，可见原料镉含量对生产工艺优化无显著影响。本试验选取了2号大米样品来优化碱法分离淀粉和镉的工艺条件。试验结果表明，含镉大米在该优化工艺条件下提取的淀粉其镉含量下降84.77%。目前，国家有关淀粉制品的卫生标准(GB 2713—2003)规定淀粉制品的卫生标准中并不包括镉的限量标准，如果按照国家规定的大米中镉的限量标准(GB 2762—2005，0.2 mg/kg)计算，镉含量低于 1.31 mg/kg 的大米均可通过本研究的工艺(按镉含量下降84.77%计算)制得镉含量达标的淀粉产品。本试验提取的大米淀粉纯度为97.02%;淀粉提取率为75.12%。陈季旺等［20］研究了碱酶两步法纯化大米淀粉的工艺，结果表明优化后的碱法提取的大米淀粉纯度为94.35%(干基)，淀粉提取率为78.74%，再经酶法进一步纯化后大米淀粉纯度和淀粉提取率分别为97.21%和77.10%。与陈季旺等［20］研究结果相比，本试验提取的大米淀粉虽提取率较低，但纯度较高，接近于酶法纯化后的淀粉纯度。因此，该大米淀粉提取工艺不但对镉具有较好的去除效果，而且淀粉分离效果也较好。

4 结论

与原料大米相比，3种方法提取的淀粉产品镉含量均大幅度降低;碱法提取的淀粉产品镉含量显著低于酶法和表面活性剂法。优化后的碱法提取大米淀粉的工艺条件为:液料比为6.8∶1，碱液质量分数为0.23%，反应时间为16 h。该条件下提取的大米淀粉其镉含量下降了84.77%，淀粉纯度为97.02%，淀粉提取率为75.12%。

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