玉米湿法加工生产淀粉的实验室评价

王瑞娟，刘 洁，刘亚伟

（河南工业大学 粮油食品学院，小麦和玉米深加工国家工程实验室，河南 郑州 450001）

玉米湿法加工生产淀粉的实验室评价

王瑞娟，刘 洁，刘亚伟*

（河南工业大学 粮油食品学院，小麦和玉米深加工国家工程实验室，河南 郑州 450001）

以评价玉米的加工特性及分析工艺条件为目的，建立玉米湿法加工的实验室方法。玉米在含有质量分数0.20%的二氧化硫和质量分数0.50%的乳酸的浸泡液（52℃）中浸泡不同时间（40 h、48 h、56 h、64 h、72 h），经研磨、分离得到淀粉、蛋白粉、粗纤维、细纤维、胚芽和可溶物，并对玉米淀粉的颗粒形态、糊化特性、热力学特性进行测定。结果表明，当浸泡时间为48 h时，玉米淀粉的得率最高，为62.56%。颗粒形态分析表明，在不同浸泡时间下，玉米淀粉均为多角形、圆形，粒度分布均匀。由热力学特性分析可知，浸泡时间从48 h增加到72 h，ΔH从12.22 J/g增加到14.09 J/g（P<0.01）。建立的玉米湿法加工生产淀粉的实验室方法日间精密度为0.58%（n=12）。

玉米湿法加工方法；浸泡时间；玉米淀粉；特性；实验室评价

网络出版时间：2017-4-20 14:09:20

0 引言

玉米淀粉是玉米籽粒中主要的碳水化合物，其含量约占粒重的70%，通过玉米湿法加工工艺生产，再经深加工可制备各种变性淀粉、淀粉糖及各种发酵产品[1-2]。玉米湿法加工工艺是玉米经浸泡、破碎、胚芽分离洗涤、精磨、纤维分离洗涤、麸质分离等工序制备玉米淀粉及各类副产物的过程。玉米通常在0.20%～0.25%的二氧化硫的浸泡液（pH为2.5左右，温度为49～53℃）中浸泡50 h左右[3]。浸泡是玉米淀粉生产的核心工序，浸泡时玉米得到软化，同时二氧化硫通过断裂谷蛋白分子间或分子内的二硫键瓦解蛋白质基质[4-5]。

玉米湿法加工生产淀粉的实验室方法通常用于以很少的玉米优化工艺参数或者开发新的湿法加工方法等[6-9]。玉米湿法加工实验室方法中，玉米的用量从2 kg～10 g，甚至2～10粒，浸泡温度一般选为50℃或52℃，采用不同的浸泡时间，如24h、40 h、56 h等[10-11]。浸泡方式主要有3种：静态浸泡、循环浸泡和逆流浸泡，浸泡方式的选取与玉米用量有关，玉米用量小于300 g，浸泡方式为静态浸泡；玉米用量大于300 g，浸泡方式为循环浸泡或逆流浸泡[12]。本实验试图以50 g的玉米用量，在52℃下，采用静态浸泡方式，研究浸泡时间对玉米湿法加工各组分得率、玉米淀粉特性的影响，完善玉米湿法加工生产淀粉的实验室方法，并通过测定加工方法的精密度来确定方法的可行性。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米，市售；亚硫酸、乳酸、蔗糖、乙醇，天津市科密欧化学试剂有限公司，均为分析纯。

1.2 仪器与设备

Itherm-B3 vivo开口加热循环水浴锅：VIVO技术有限公司；878-A多功能粉碎机：常州国华仪器有限公司；PL2002分析天平：METTLER TOLEDO公司；近红外谷物分析仪：瑞士BUCHI公司；MB45卤素水分测定仪：美国OHAUS公司；FP-528蛋白质分析仪：美国LECO公司；快速黏度仪：瑞典PERTEN公司；SALD-301V激光粒度仪：日本SHIMADZU公司；50ipol偏光显微镜：日本NIKON公司；Q20差示扫描量热仪(DSC)：美国TA公司。

1.3 方法

1.3.1 玉米理化指标的测定

玉米籽粒中淀粉、蛋白质、脂肪和水分含量采用近红外谷物分析仪测定。玉米籽粒的容重使用容重器测定。测定前，玉米中的杂质、破碎颗粒和不完善粒已被拣出，在 4℃下储存待用。每个样品做3个重复。

1.3.2 玉米湿法加工实验室方法

实验室方法包括以下过程：浸泡→粗磨→胚芽提取→细磨→纤维分离→淀粉与蛋白分离→干燥→各组分。

浸泡：将50 g玉米放入150 mL包含质量分数0.20%的二氧化硫和质量分数0.5%的乳酸的浸泡液（52℃）中浸泡；粗磨：将玉米与150 mL水放入组织捣碎机（钝刀）中，以50%速度研磨30 s；胚芽提取：粗磨后的乳液过7目分样筛，对筛上物挑拣，取胚置于16目分样筛上，用100 mL水清洗；细磨：将脱胚后的乳液转移至组织捣碎机中，全速细磨4 min；纤维分离：细磨后的乳液过50目和200目分样筛，取筛上物，分别为粗纤维和细纤维，分别用500 mL水洗涤；淀粉和蛋白分离：采用质量分数65%的蔗糖溶液[13]离心分离，纤维分离后的麸质乳液经真空抽滤，然后采用蔗糖溶液分离3次，洗去蔗糖溶液；得到的湿法加工组分在50℃的烘箱中干燥24 h。

1.3.3 湿法加工各组分得率和纯度的测定

玉米经湿法加工得到各组分：淀粉、蛋白粉、粗纤维、细纤维、胚芽和可溶物，测定各组分的得率及淀粉和蛋白粉中蛋白质含量。湿法加工各组分的水分含量使用水分测定仪测定。淀粉和蛋白粉中蛋白质含量采用燃烧定氮仪测定，蛋白质的转换系数为6.25。组分产率以干基为基准，每个样品做2个重复。

1.3.4 玉米淀粉的特性测定

1.3.4.1 玉米淀粉颗粒形态的测定

利用激光粒度仪测定淀粉的粒度分布。配制2%（干基）的淀粉乳，折射率为1.45-0.05i，蒸馏水为分散剂，吸光度在0.01～0.20之间进行测量，获得玉米淀粉的粒度分布。每个样品做3个重复。

利用偏光显微镜观察玉米淀粉的颗粒形态。配制2%（干基）的淀粉乳，取适量于载玻片上，加盖盖玻片，置于偏光显微镜下观察玉米淀粉的颗粒形态及偏光十字。

1.3.4.2 玉米淀粉糊化特性的测定

玉米淀粉的糊化特性采用快速黏度仪测定。配制8%（干基）的淀粉乳，按照以下程序进行测定：50℃下维持30 s，在2.5 min内升到95℃，95℃下保持20 min，在3 min内降到50℃，50℃下保持9 min。获得糊化曲线及糊化特征值：峰值黏度（Peak viscosity，PV）、最低黏度（Trough viscosity，TV）、崩解值（Breakdown viscosity，BV）、回升值（Setback viscosity，SV）、最终黏度（Final viscosity，FV）、糊化温度（Peak temperature，Ptemp）和峰值时间（Peak time，Ptime）。每个样品做2个重复。

1.3.4.3 玉米淀粉热力学特性的测定

采用DSC测定玉米淀粉的热力学特性，淀粉（干基）与蒸馏水的质量比为3∶7，取淀粉于坩埚内，加入蒸馏水，密封，在室温下放置24 h。以密封的空盘做参比，温度为30～100℃，升温速率为10℃/min，获得DSC曲线，通过TA分析软件对曲线积分可得：糊化开始温度（To）、峰值温度（Tp）、糊化终止温度（Tc）以及糊化焓（ΔH）。每个样品做3个重复。

1.3.5 评价方法的精密度测定

精密度是指在相同条件下，多次平行分析结果相互接近的程度，表示测定数据的再现性，用标准偏差或相对标准偏差表示。购于市场的商业玉米经实验室规模玉米湿法加工方法连续加工6 d，每天应用此方法生产玉米淀粉2次，测定实验室规模玉米湿法加工方法的精密度。

1.4 数据分析

取浸泡时间为因素，5个水平，每个样品做2个重复。运用SPSS16.0的one-way ANOVA对试验数据进行显著性检验，以P<0.05为显著性标准。

2 结果与讨论

2.1 玉米的化学组分和物理特性

玉米品质影响玉米的可湿磨性（分离容易度）及湿法加工各组分的产量和质量。本实验所加工玉米的化学组分和物理特性见表1。

表1 玉米的化学组分和物理特性Table 1 Composition and physical properties of corn

2.2 浸泡时间对湿法加工组分的影响

玉米经加工得到湿法加工各组分见图1（除可溶物）。由表2可知，不同浸泡时间下，各组分回收率之和高于98.44%，与表3中玉米湿法加工实验室方法所得回收率相当。经方差分析可知，浸泡时间对蛋白粉得率、蛋白粉中蛋白质含量和可溶物得率有极显著的影响（P<0.01），对淀粉得率、淀粉中蛋白质含量、粗纤维得率、细纤维得率和回收率的影响不显著（P>0.05，表4、表5）。

表2 浸泡时间对回收率的影响Table 2 Effect of steeping time on total solids recovery rate

2.2.1 淀粉得率和淀粉中蛋白质含量

玉米经湿法加工得到淀粉得率和淀粉中蛋白质含量见表4，浸泡时间为 40 h时，淀粉得率（61.76%）最低，浸泡时间为72 h时，淀粉得率（63.62%）最高，淀粉得率在文献[14]报道的玉米湿法加工实验室方法加工处理133种商业玉米所得淀粉得率的范围内。Vignaux等[10]采用 100 g玉米湿法加工方法加工玉米（品种619248）得到淀粉得率为63.40%，与我们实验结果相近，但是与品种617741和617746相比，淀粉得率存在2%～3%的差距，可能与玉米品种和样品数量有关，样品数量的减少，引起不均一研磨，产生未破碎的大颗粒，蛋白质网络结构限制淀粉释放。Ji等[5]研究小规模淀粉分离时发现淀粉得率随着样品数量的增加而增加[4]。有研究表明，玉米湿法加工的效果与玉米的品质参数相关[14]。

图1 玉米湿法加工各组分Fig.1 Fractions of wet-milled corn

表3 不同玉米湿法加工实验室方法比较Table 3 Comparison of different laboratory-scale wet processing procedures of corn

表4 不同浸泡时间下淀粉和蛋白粉得率及其蛋白质含量Table 4 Yields and protein content of starch and gluten under different steeping time

淀粉中蛋白质含量为0.56%～0.84%（表4），高于Vignaux等[10]通过100 g玉米湿法加工方法得到淀粉的蛋白质含量，与其通过10 g玉米湿法加工方法得到淀粉的蛋白质含量相当。与表3相比可知，淀粉中蛋白质含量的变化与样品量、淀粉与蛋白质的分离方式等因素有关。本论文采用65%蔗糖溶液离心分离淀粉与蛋白质，可能造成淀粉与蛋白质不完全分离[15]。加入蔗糖溶液离心分离时，离心管中物质可分为3层，上层为蛋白层，中间层为蔗糖溶液，底层为淀粉层，分离后淀粉层仍覆盖少量蛋白质，这些蛋白质的去除较困难。研究表明当样品数量较少时，离心分离不是一种合适的分离方法，然而采用沉淀分离时，淀粉沉淀到容器底部，蛋白质停留在水中，获得玉米淀粉中蛋白质含量较低[4]。

2.2.2 蛋白粉得率和蛋白粉中蛋白质含量

蛋白粉得率与玉米籽粒中蛋白质含量成正比。由表4可知，当浸泡时间为40 h时，蛋白粉得率（11.06%）最高，高于玉米中蛋白质含量（8.50%）；当浸泡时间为48 h和56 h时，蛋白粉得率（9.39%和8.40%）与玉米中蛋白含量（8.50%）相近；当浸泡时间为 64 h和 72 h，蛋白粉得率（7.17%和7.13%）低于玉米中蛋白质含量（8.50%），可能是浸泡时间过长引起的。由表4可知，浸泡时间从40 h到72 h，蛋白粉中蛋白质含量从13.08%增加到32.54%（P<0.05），当浸泡时间为40 h时，蛋白粉的纯度为13.08%，测定细纤维中的蛋白含量在16%左右，高于玉米纤维中的蛋白质含量（大约11%）[3]，可能是细纤维洗涤不充分。

2.2.3 胚芽、纤维和可溶物得率

胚芽的提取是在粗磨后，过7目分样筛，用镊子拣出，置于16目分样筛上进行洗涤。由表5可知，胚芽得率的范围为6.62%～7.44%（P>0.05），胚芽得率的变化与Vignaux等[10]通过10 g玉米湿法加工方法得到的结果一致，这两种玉米湿法加工方法中胚芽提取的方法相同。粗纤维是经细磨后乳液过50目分样筛得到的筛上物。粗纤维得率范围为10.00%～11.15%（表5），高于Vignaux等[10]的结果。由表5可知，细纤维得率为4.50%左右。在工业生产中，通常采用压力曲筛对纤维进行分离洗涤[3]。浸泡时间的延长可提高可溶物得率（P<0.05，表5）。

表5 不同浸泡时间下湿法加工组分得率Table 5 Solids yields of wet-milled products under different steeping time

2.3 浸泡时间对玉米淀粉特性的影响

2.3.1 玉米淀粉的颗粒形态

图2为不同浸泡时间下玉米淀粉的颗粒形态，玉米淀粉的颗粒形态随着浸泡时间的延长变化不大，多为多角形和圆形（图2 A-E），能观察到淀粉的“粒心”，又称“脐”，由图2 A-E观察到脐点附近有裂痕，与加工后期研磨有关。在偏光显微镜下可以看到玉米淀粉的偏光十字（图2 a-e）。

不同浸泡时间下，玉米淀粉的粒度分布（表6）保持一致。玉米淀粉平均粒度为 16.511～17.057 μm，有较高的均匀性，稍高于商业玉米淀粉的平均粒度15 μm，粒度分布与商业玉米淀粉粒度分布一致（5～25 μm）[3]，表明玉米湿法加工实验室方法中，研磨效果与工业生产中研磨效果具有可比性。

2.3.2 玉米淀粉的糊化特性

不同浸泡时间下，玉米淀粉的糊化特征值见表7，浸泡时间从48 h增加到72 h，玉米淀粉的PV从1 668 mPa·s降低到1 578 mPa·s（P<0.01），FV从2 011 mPa·s降低到1 812 mPa·s（P<0.01）；浸泡时间对TV、SV有显著影响（P<0.05），对BV、Ptime和Ptemp影响不显著（P>0.05）。由表7可知，当浸泡时间为48 h、56 h、64 h时，3种玉米淀粉的PV、FV之间的差异不明显（P>0.05）；浸泡时间为40 h时，玉米淀粉的SV（886 mPa·s）最高，浸泡时间为72 h，玉米淀粉的SV（774 mPa·s）最低。玉米淀粉生产时，浸泡液的pH开始在2.5左右，随着浸泡时间增长，浸泡液的pH维持在4.0左右。研究表明淀粉的糊化特性与淀粉颗粒的刚度、溶胀颗粒中直链淀粉的溶出有关[16]。玉米湿法加工生产淀粉时，玉米经长时间浸泡，浸泡液的pH影响玉米淀粉的PV、FV[17]。

图2 在不同浸泡时间下玉米淀粉的颗粒形态Fig.2 Surface characteristics of corn starch under different steeping time

2.3.3 玉米淀粉的热力学特性

淀粉在过量水（淀粉∶水>1∶2）中受热（温度高于糊化温度），颗粒的分子排列遭到破坏，结晶区熔化[18]。不同浸泡时间下，玉米淀粉的热力学特性见表8，浸泡时间对To、Tp和△H有极显著的影响（P<0.01）。由表8可知，浸泡时间为48 h时，玉米淀粉的To（64.89℃）、Tp（70.93℃）、Tc（75.80℃）最低；当浸泡时间为40 h时，玉米淀粉的To最高，为66.78℃。表明淀粉开始糊化时需要的能量多[19]。

从热力学的角度分析，△H的差异反映淀粉中支链淀粉结晶区的熔化，进一步反映双螺旋（形成支链淀粉结晶区）之间结合力的差异[20]。由表8可知，当浸泡时间从48 h增加到72 h，玉米淀粉的△H从 12.22 J/g增加到 14.09 J/g（P<0.01），可能是淀粉韧化导致淀粉内部结晶区更加有序排列。淀粉韧化是指淀粉在过量的水中进行湿热处理（处理温度低于糊化温度），引起一些结晶区部分熔化，无定型区的部分淀粉链重新排列组合，导致淀粉的结晶区排列更加有序、均匀，获得较高的熔化温度[21]。这与Perez等[4，6]研究浸泡时间对玉米淀粉热力学特性的影响的结果相一致。

通过2.2、2.3分析浸泡时间对玉米淀粉产率和特性的影响，选浸泡时间为48 h，建立实验室玉米湿法加工技术路线。

表6 不同浸泡时间下玉米淀粉的粒度分布Table 6 Particle size distribution of corn starch under different steeping time

表7 不同浸泡时间下玉米淀粉的糊化特性Table 7 Pasting properties of corn starch under different steeping time

表8 浸泡时间对玉米淀粉糊化温度和糊化焓的影响Table 8 Pasting temperature and gelatinization enthalpy of corn starch under different steeping time

2.4 评价方法的精密度

商业玉米经实验室方法重复处理12次，所得玉米淀粉的得率为62.83%，标准偏差为0.58%（表9），低于Singh等[12]通过玉米湿法加工实验室方法（淀粉与蛋白质的分离方法为离心和沉淀）的淀粉得率的标准偏差（0.70%），高于Eckhoff等[11]通过100 g玉米湿法加工实验室方法（淀粉与蛋白质的分离方法为淀粉溜槽）的淀粉得率的标准偏差(0.36%)。本试验中淀粉与蛋白质的分离采用质量分数为65%蔗糖溶液离心分离。

表9 混合玉米经评价方法处理得到各组分得率和回收率Table 9 Yield and recovery rate of hybrid maize by wet-milling processing

3 结论

通过考察浸泡时间对玉米湿法加工组分得率影响可知，当浸泡时间为48 h时，玉米淀粉的得率最高为62.58%，且淀粉的纯度为0.56%。在不同浸泡时间下，玉米淀粉的颗粒形态为圆形和多角形，平均粒度范围为16.581～17.057 μm，且浸泡时间对玉米淀粉的峰值黏度、最终黏度及糊化焓有影响。实验室方法精密度表明，此50 g玉米湿法加工方法可为玉米加工特性的评价、工艺条件的分析及生物育种提供可靠的技术支撑。

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THE LABORATORY EVALUATION OF CORN STARCH PRODUCTION BY WET MILLING PROCESSING

WANG Ruijuan，LIU Jie，LIU Yawei
（School of Food Science and Technology，Henan University of Technology，National Engineering Laboratory for Wheat and Corn Further Processing，Zhengzhou 450001，China）

A 50-g laboratory wet-milling procedure was established in order to reduce sample requirement for determining the milling characteristics of corn samples and analyzing of process conditions.Corn was steeped in the solution containing 0.20% (w/w)sulfur dioxide and 0.50% (w/w)lactic acid at 52℃ for various times (40，48，56，64 and 72 h).Corn was wet-milled and the wet-milled fractions (starch，gluten，coarse fiber，fine fiber，germ and soluble solids)were recovered.The surface characteristics，pasting properties and thermal properties of corn starch were evaluated.The optimal yield of corn starch was 62.56%when steeping time was 48 h.The starch granules were round or polygonal，and had the narrow distributions of particle size.The result of thermal properties showed ΔH had a significant increase from 12.22 J/g to 14.09 J/g with increasing steeping time from 48 h to 72 h(P<0.01).The SD of laboratory method was 0.58%for the inter-day precision tests(n=12).

corn wet milling；steeping time；corn starch；properties；laboratory evaluation

TS201.2

B

1673-2383(2017)02-0044-07

http://kns.cnki.net/kcms/detail/41.1378.N.20170420.1409.016.html

2016-08-12

国家公益性行业科研专项（2013-13-011）；河南省高等学校重点科研项目计划（15A550008）；河南工业大学小麦和玉米深加工国家工程实验室开放课题（001244）

王瑞娟（1990—），女，河南周口人，硕士研究生，主要研究方向为粮食深加工-淀粉转化技术。

*通信作者