酶与细胞渗透剂协同浸泡提取玉米淀粉的研究

苏雪锋，黄继红*，惠 明，安 民，冯军伟

（1.河南工业大学 生物工程学院，河南 郑州 450001；2.河南兴发精细化工有限公司，河南 温县 454850；3.郑州市中食农产品加工研究院，河南 郑州 450001）

0 引言

随着我国玉米淀粉工业的快速发展，企业生产规模的不断扩大，一些小规模的淀粉厂由于污染大、能耗高等原因，已逐渐被淘汰.企业规模的扩大，相应带来了昂贵的投资、高能耗和大面积的土地占用，这不但制约着企业的发展，而且对环境造成了严重污染.为了解决淀粉工业面临的浸泡耗时长、高能耗、污染严重、释放的SO2气体对人们健康造成危害等问题，国内外开发了一些新的浸泡工艺应用于玉米浸泡工序[1-3].

高压浸泡和酶法浸泡技术是近年来制取玉米淀粉的新技术，这些技术的应用使得浸泡时间大大地缩短，国外已有示范工厂采用这些新技术[4-5].

酶法浸泡是用酶（如蛋白酶、纤维素酶等）代替亚硫酸来降解蛋白质网，缩短了浸泡时间，降低了污染[6-7].在玉米没有破碎的情况下，加入的酶液不能很好地浸入玉米颗粒中，达不到很好的酶解作用，为了解除酶进入胚乳的障碍，本试验将现行的浸泡工艺分成两步.第1 步，将玉米放入50 ℃清水中浸润2～3 h，使胚吸水膨胀富有弹性，使其在后面的粗磨工序中不易破碎；第2 步，将玉米粗破碎，然后加入酸性蛋白酶和细胞渗透剂，在50 ℃条件下进行浸泡3～5 h，再进入标准的湿磨工艺阶段.采用这种方法，可去除扩散阻碍，使酶能够渗透进玉米胚乳层与蛋白质反应[8-10].

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米：淀粉含量70.2%，产于河南；酸性蛋白酶：购于Solarbio，酶活3 000～3 500 U/mg；Cellpenetrant：FBJ，Food Biotechnology Co.，Ltd.，USA；HCl：分析纯.

1.2 主要仪器和设备

SP25001 电子天平：上海精诺尔电子设备有限公司；FA1204B 电子天平、雷磁pH 计：上海精密科学仪器有限公司；HH-4 水浴锅：河南智诚科技发展有限公司；SHA-C 水浴振荡器：金坛华峰仪器有限公司；9FZ-280 粉碎机：广州市广莱机械设备厂；JML-50 胶体磨：郑州玉祥食品机械有限公司；TDZ5-WS 离心机：湖南湘仪实验室仪器开发有限公司；PYX-DHS-40×50-BS-Ⅱ鼓风干燥箱：上海跃进医疗器械厂.

1.3 试验方法

酶与细胞渗透剂协同浸泡提玉米淀粉工艺经过两次浸泡，第1 步浸泡玉米使胚吸水，以便在后面的粗磨工序中不易破碎；第2 步，将玉米粗破碎，然后加入酸性蛋白酶和细胞渗透剂，破坏蛋白质网使淀粉析出；然后经过胚的分离、细磨、分浆、离心分离和干燥得到淀粉.工艺流程如图1 所示.

图1 酶与细胞渗透剂协同浸泡提取玉米淀粉工艺流程

2 结果与分析

2.1 单因素试验

影响玉米淀粉提取的条件有多方面，如浸泡时间、浸泡温度、加酶量和pH 等.

2.1.1 浸泡时间对淀粉提取率的影响

取500 g 玉米，在按15 000 U/100 g 添加酸性蛋白酶、浸泡温度50 ℃、pH 3.0 条件下，分别浸泡2、3、4、5、6 h.浸泡时间对淀粉提取率的影响如图2 所示，可以看出，随着浸泡时间的增长，淀粉提取率不断地提高，4 h 后提取率基本保持稳定，说明浸泡4 h 的时候，包裹在淀粉外层的蛋白质网被破坏得较为彻底.

图2 浸泡时间对淀粉提取率的影响

2.1.2 浸泡温度对淀粉提取率的影响

取500 g 玉米，在按15 000 U/100 g 添加酸性蛋白酶、浸泡时间4 h、pH 3.0 的条件下，分别于35、40、45、50、55 ℃恒温水浴锅中浸泡.浸泡温度对淀粉提取率的影响如图3 所示，可以看出，随着温度的增高，淀粉提取率不断地提高，当温度为50℃时，提取率达到最大值，50 ℃后，随着温度的增高，提取率不断下降，可能是50 ℃后酶活力降低的原因.

图3 浸泡温度对淀粉提取率的影响

2.1.3 加酶量对淀粉提取率的影响

取500 g 玉米，在浸泡时间4 h、浸泡温度50 ℃、pH 3.0 的条件下，分别按0、5 000、10 000、15 000、20 000 U/100 g 加酶量添加酸性蛋白酶.加酶量对淀粉提取率的影响如图4 所示，可以看出，随着加酶量的增加，淀粉提取率不断地提高，当加酶量增加到15 000 U/100 g 之后淀粉提取率趋于稳定.

图4 加酶量对淀粉提取率的影响

2.1.4 pH 对淀粉提取率的影响

取500 g 玉米，在按15 000 U/100 g 添加酸性蛋白酶、浸泡时间4 h、浸泡温度50 ℃条件下，分别于pH 2.6、3、3.4、3.8、4.2 下浸泡.pH 对淀粉提取率的影响如图5 所示，可以看出，当pH 值为3.4时，淀粉提取率达到最大值，之后随pH 值增大，提取率不断地降低.

图5 pH 对淀粉提取率的影响

表1 响应面试验因素与水平

表2 响应面试验设计及结果

2.2 响应面试验

根据单因素试验选择试验条件进行响应面试验，利用 Design-Expert 7.1.6 软件进行 Box-Behnken 试验设计，各因素与水平见表1，每个因素3 个水平，中心点有5 个重复.

Box-Behnken 试验结果见表2.

以淀粉提取率为响应面指标，利用Design-Expert 7.1.6 软件对表2 中的数据进行二次多元回归拟合，得到X1、X2、X3和X4对淀粉提取率（R）影响的预测方程如下：

响应值二次模型的方差分析及显著性如表3所示.

表3 响应值二次模型的方差分析

由表3 可以看出，模型P＜0.000 1，模型极显著.失拟项P=0.091 8＞0.05 不显著，因此，二次模型成立，应用此模型可以分析和预测酶与细胞渗透剂协同浸泡提取玉米淀粉的工艺优化.其中一次项X1、X3极显著，X2显著，X4不显著；二次项X1、X2、X4极显著，X3显著，交互项X1X2显著.所以，浸泡时间和加酶量对玉米淀粉提取率影响极显著，浸泡温度对玉米淀粉提取率影响显著，而pH 对玉米淀粉提取率影响不显著.

交互项X1X2显著，即浸泡时间与浸泡温度交互作用显著，交互作用的响应曲面及等高线如图6所示，可以看出，随着浸泡温度的增大，玉米提取率先增后降，随着浸泡时间的增加，玉米提取率逐渐提高并趋于稳定，在浸泡时间与浸泡温度交叉区域存在一个最优点，而且浸泡温度和浸泡时间的等高线呈椭圆，表示交互作用显著，说明浸泡温度和浸泡时间的交互作用能显著影响玉米淀粉的提取率.

图6 交互作用的响应曲面和等高线

通过Design-Expert 软件分析，由二次回归方程预测最佳工艺参数，由Design-Expert 软件分析出最佳工艺参数为浸泡时间4.54 h、浸泡温度49.74 ℃、加酶量17 824 U/100 g、pH 值3.42，玉米淀粉理论提取值为89.90%，在相应条件下进行验证试验，玉米淀粉提取率为88.97%.但从实际操作和经济效益方面考虑，将数据修正为浸泡时间4.5 h、浸泡温度50 ℃、加酶量17 800 U/100 g、pH值3.4，此条件下玉米淀粉提取率为86.60%，实际值与理论值基本相符，表明模型建立合理，预测的结果较为准确.

3 结论

酶与细胞渗透剂协同浸泡提取玉米淀粉工艺较传统浸泡工艺具有耗时短、能耗低和污染小等特点，该工艺优化条件下淀粉提取率较传统方法得到了提高.但是这种工艺仍存在一些问题，如胚收率较传统方法低、胚芽油含量低等，在这些方面仍需要进一步完善.

对于现代玉米淀粉厂面临的污染严重、耗时长和能耗高等问题，酶与细胞渗透剂协同浸泡提取玉米淀粉工艺具有很好的应用前景.

［1］李艳，常俊然.玉米浸泡工艺研究进展［J］.粮食与饲料工业，2006（9）:25-26.

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［3］任海松，董海洲，侯汉学.玉米湿磨生产中减少浸泡时间的研究进展［J］.中国食物与营养，2007（5）:36-38.

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