湿法提取玉米淀粉的工艺优化

陆学中，曾凡莲，张德榜，郭桂霞，李 衡，任广跃,3

(1.郑州万谷机械股份有限公司，河南 郑州 450041; 2.河南科技大学食品与生物工程学院，河南 洛阳 471023; 3.食品加工与安全国家实验教学示范中心，河南 洛阳 471023)

湿法提取玉米淀粉的工艺优化

陆学中1，曾凡莲2，张德榜1，郭桂霞1，李 衡1，任广跃2,3

(1.郑州万谷机械股份有限公司，河南 郑州 450041; 2.河南科技大学食品与生物工程学院，河南 洛阳 471023; 3.食品加工与安全国家实验教学示范中心，河南 洛阳 471023)

通过单因素和二次通用旋转试验研究浸泡时间、温度、NaHSO3添加量、乳酸添加量对玉米淀粉提取率的影响，并比较了湿法提取的玉米淀粉与市售淀粉的理化指标、透明度、凝沉性、水吸收指数等性质。试验得出玉米淀粉最佳提取条件为：浸泡时间42 h、浸泡温度55℃、NaHSO3质量分数为0.5%、乳酸质量分数0.6%，淀粉提取率为63.07%。湿法提取玉米淀粉与市售玉米淀粉的理化性质接近；与市售玉米淀粉相比，湿法提取玉米淀粉的直链淀粉含量、透明度、水吸收指数、膨润力有所提高，但两者之间的性质差异均不显著。

玉米淀粉；湿法提取；工艺优化；性质

玉米是仅次于小麦和水稻的世界第三大粮食作物，我国的玉米产量仅次于美国，常年播种面积和总产量均占世界玉米播种面积和总产量的15%以上。在我国，将近70%的玉米直接用于饲料加工，用于深加工的只占总产量的10%左右[1]，玉米粒中营养成分含量最多的是淀粉(70%～75%)。因此，淀粉是玉米深加工的基础原料。玉米原淀粉主要用于制备变性淀粉、淀粉糖和发酵产品。此外，还可作为食品、化工、医药等领域进一步加工生产的基础原料。

玉米淀粉的提取方法主要有干法、湿法和酶法。湿法是指玉米原料前处理的加工方法，是将玉米用温水浸泡，经粗细研磨，分出胚、纤维和蛋白质，而得到高纯度的淀粉产品。湿法制备的淀粉质量纯净，副产品提取率高，生产效率高，比酶法节省成本。工业及实验室中普遍采用的是湿法提取。国内外关于湿法提取玉米淀粉的报道较多。姜秀娟[2]研究了影响玉米湿法加工工艺的因素，有国外学者[3-4]采用不同的碱液条件提取玉米淀粉并研究了其物性。Wang等[5]运用高强度超声波技术预处理玉米籽粒3 min，玉米皮易于被去除，水和亚硫酸溶液很容易进入无皮玉米粒中，浸泡时间被大大缩短。Perez等[6]把整粒玉米先破碎成几块再按标准湿磨法浸泡，能够缩短浸泡时间，淀粉回收率比整粒玉米浸泡要高，并且淀粉性质也没有发生变化。Haken等对浸泡液中乳酸研究发现，乳酸具有使玉米籽粒软化，提高籽粒吸水率和促进亚硫酸吸收等作用，添加一定量的乳酸可以缩短玉米浸泡时间，提高淀粉提取率，并且淀粉的性质不会发生改变[7-8]。

浸泡工艺是淀粉生产中的第一步也是最重要的一步，玉米浸泡效果的好与坏直接影响淀粉和副产品的质量和提取率。本试验用NaHSO3和乳酸作为浸泡液，旨在研究浸泡各因素对玉米淀粉提取的作用，并通过二次通用旋转组合设计的方法，研究浸泡时间、浸泡温度、NaHSO3添加量、乳酸添加量对玉米淀粉提取率的影响，确定出最优提取工艺，并对提取得到的玉米淀粉部分性质进行研究，为工业生产玉米淀粉提供科学依据。

1 材料与方法

1.1材料与试剂

郑单958玉米品种，产于河南兰考，已自然晾干；石油醚、乳酸、NaHSO3、氢氧化钠、乙酸铅、硫酸钠、无水乙醇、氢氧化钾、碘试剂、盐酸等，均为分析纯；玉米直、支链淀粉标准品，购于上海源叶生物科技有限公司；市售玉米淀粉，购于当地超市。

1.2仪器与设备

HH-S6型数显恒温水浴锅,GX-03A不锈钢中药粉碎机,UV754N紫外可见分光光度计,JA2003B/N分析天平,标准筛,101型电热鼓风干燥箱，pH计，打浆机。

1.3方法

1.3.1湿法提取玉米淀粉的工艺流程

玉米除杂→称重→浸泡→粗磨→胚分离→细磨→过滤→多次水洗→过筛→流槽分离→自然晾干→粉碎过筛→成品。

在玉米湿法加工处理中，玉米胚分离原理是利用胚和胚乳的密度差异，将玉米浸泡后，经粗磨破碎后，再通过旋液分离器将胚与胚乳进行分离。

玉米蛋白分离原理是利用乳酸和NaHSO3的协同作用，促使玉米蛋白质的软化及膨胀，使分子质量较大的可溶蛋白质发生水解。同时，亚硫酸盐可将玉米中一部分不溶解蛋白质转变成溶解蛋白质。另外，NaHSO3与玉米蛋白质的反应永久性地增加了蛋白质的溶解度。

玉米纤维分离原理是在胚分离后，经进一步细磨后，利用纤维和玉米淀粉的密度差异进行筛分。

1.3.2淀粉提取率的计算方法

玉米淀粉含量测定参照GB/T 5009.9—2008《食品中淀粉的测定：第二法酸水解法》进行，按式(1)计算玉米淀粉提取率[9]。

(1)

1.3.3单因素试验

选取的浸泡时间为12、24、36、48、60 h，共5个水平；浸泡温度为35、40、45、50、55、60℃，共6个水平；以自来水为100%计，NaHSO3添加量为0%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%，共6个水平,乳酸的添加量为0%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%，共6个水平，分别进行单因素试验，每个试验称取100 g样品，浸泡液的水料比是4∶1，平行3次，取其平均值。

1.3.4玉米淀粉提取工艺的优化试验

在单因素试验的基础上，采用二次通用旋转组合设计的方法对提取工艺进行优化。

1.3.5验证试验

按提取工艺流程在最优条件下进行验证试验，得出玉米淀粉提取率。

1.3.6玉米淀粉理化指标分析

水分：参照GB/T 12087—2008《淀粉水分测定：烘箱法》进行测定；灰分：参照GB/T 22427.1—2008《淀粉灰分测定》进行测定；蛋白质：参照GB/T 22427.10—2008《淀粉及其衍生物氮含量测定》进行测定；脂肪：参照GB/T 22427.3—2008《淀粉总脂肪测定》进行测定；细度：参照GB/T 22427.5—2008《淀粉细度测定》进行测定；斑点：参照GB/T 22427.4—2008《淀粉斑点测定》进行测定；pH值参照GB/T 8884—2007《马铃薯淀粉：pH值的测定》进行测定。

1.3.7淀粉中直链淀粉与支链淀粉含量的测定

采用单波长比色法测定玉米淀粉直链淀粉及支链淀粉含量[10]。制备直/支链淀粉标准工作液，分别取直链淀粉标准工作液0.3、0.5、0.7、0.9、1.1、1.3 ml，支链淀粉标准工作液2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 ml。绘制直/支链淀粉的标准曲线，并进行样品的测定。根据回归方程得出淀粉中所含直/支链淀粉含量，按式(2)计算淀粉中所含直/支链淀粉含量。

(2)

式中，50、50分别为两次定容的体积，ml；5为吸取的滤液体积，ml；M为称取的已脱脂样品的质量，g；Y为通过直/支链淀粉标准曲线求得的淀粉含量，mg/ml；W为玉米淀粉的水分。

1.3.8淀粉糊透明度和凝沉性的测定

称取一定量的淀粉样品于烧杯中，加蒸馏水配成质量分数1%的淀粉乳，沸水浴30 min，并不断搅拌保持淀粉乳体积不变，冷却至室温，用分光光度计，以蒸馏水为空白，在620 nm波长处测定淀粉糊的吸光度[11]。

将100 ml配制好的质量分数1%的淀粉乳，放入带塞量筒中，室温条件下静置24 h记录上层清液和下层沉淀物体积。用下层沉淀物体积占糊总体积百分数表示糊的凝沉性[11]。

1.3.9淀粉水溶解指数、水吸收指数与膨润力的测定

将50 ml的离心管称重，加入2.5 g淀粉样品，用30 ml 30℃的水调成淀粉乳振荡30 min，然后在3 000 r/min下离心10 min。上清液倾入已称重的蒸发皿。剩余的胶状物称重，胶状物占淀粉干重的比例(g胶/g干淀粉)即为淀粉的水吸收指数。上清液干燥后称重，占淀粉干物质的百分比即为淀粉的水溶解指数。

称取一定量样品(2%，干基)加蒸馏水制成悬浮液，30℃保温搅拌30 min，得到组织状态均匀的淀粉乳，3 000 r/min离心30 min，取上清液蒸干，于105℃烘至恒重，称重[11]。按式(3)计算膨润力。

(3)

2 结果与分析

2.1单因素试验

2.1.1浸泡时间对玉米淀粉提取率的影响

选定提取温度为50℃，NaHSO3及乳酸的添加量为0.5%，浸泡不同的时间，所得的淀粉提取率如图1。由图1可知，随着浸泡时间的延长，玉米淀粉提取率逐渐增大，36 h前增加较为显著，之后缓慢减少，趋于稳定。可能是因为玉米籽粒吸水膨胀，可较容易将皮层、胚、胚乳分离，使淀粉溶出，随着浸泡时间的增加，玉米籽粒达到饱和的溶胀度后，将不再吸水膨胀，且玉米中淀粉的含量是一定的，浸泡一定的时间后，玉米淀粉几乎全被提取。因此，提取率趋于稳定，浸泡时间以36 h最佳。

图1 浸泡时间对玉米淀粉提取率的影响

2.1.2浸泡温度对玉米淀粉提取率的影响

选择浸泡时间为36 h，NaHSO3及乳酸的添加量分别为0.5%，在不同的温度下浸泡，所得的淀粉提取率如图2。由图2可看出，随着温度的升高，淀粉提取率逐渐增加，当温度超过50℃时，淀粉提取率略有下降，之后保持稳定，产生这种变化的原因可能是在高温下浸泡，玉米中的蛋白质发生变性，淀粉很难与蛋白质分离，从而导致淀粉提取率下降。因此，选择浸泡温度为50℃。

图2 浸泡温度对玉米淀粉提取率的影响

2.1.3NaHSO3添加量对玉米淀粉提取率的影响

选择浸泡时间为36 h，浸泡温度为50℃，乳酸的添加量为0.5%，添加不同量的NaHSO3浸泡液进行浸泡，所得的淀粉提取率如图3。由图3可看出，在浸泡过程中NaHSO3的加入能显著提高玉米淀粉提取率，比未加入NaHSO3时的淀粉提取率高出17.99%。随着NaHSO3添加量的升高，淀粉提取率逐渐增加，当NaHSO3添加量超过0.5%时，淀粉提取率几乎保持不变。

产生这种变化的原因可能是环绕淀粉团粒的基质是由谷蛋白组成的，亚硫酸盐与玉米蛋白质反应后导致二硫键被还原，阻止了二硫键的形成，永久性地增加了蛋白质的溶解度，亚硫酸先经过胚作用于玉米的种皮，使胚钝化，使半渗透性的表皮变成渗透性表皮，因而可以加速可溶性物质向浸泡液中渗透，亚硫酸可把玉米中一部分不溶解蛋白质转变成溶解蛋白质[2]。当NaHSO3添加量达到一定值后，淀粉被蛋白质溶解后的氨基酸和氮碱所包围，提取所得的淀粉质量降低。

图3 NaHSO3添加量对玉米淀粉提取率的影响

2.1.4乳酸添加量对玉米淀粉提取率的影响

选定浸泡时间为36 h，浸泡温度为50℃，NaHSO3的添加量为0.5%，采用不同添加量的乳酸进行浸泡，所得的淀粉提取率如图4。

图4 乳酸添加量玉米淀粉提取率的影响

由图4可看出，添加乳酸有助于提高玉米淀粉的提取率，随着乳酸添加量的升高，淀粉提取率增加，当乳酸超过0.5%时，淀粉提取率几乎不变。

可能由于乳酸能促进玉米蛋白质的软化及膨胀，还能使分子质量较大的可溶蛋白质发生水解，乳酸和NaHSO3协同作用能有效缩短浸泡时间，从而提高淀粉提取率，但过量的乳酸使浸泡液的环境发生变化，在增加蛋白质的溶解度的同时也会促进蛋白质变性，使淀粉和蛋白质的分离更加困难[12]。

由上述单因素试验结果可知，浸泡时间、浸泡温度及乳酸添加量对玉米淀粉提取率影响的数据图中，提取率最大值均超过60%，而NaHSO3添加量对玉米淀粉提取率影响的数据图中，提取率最高不到60%。其原因可能是各试验因素之间的交互影响作用所致。为获取较为准确的最佳工艺参数组合，特选取五水平的二次通用旋转组合进行交叉组合试验，详见表1。

2.2玉米提取工艺条件优化

2.2.1试验因子及编码水平

根据单因素试验结果，选取浸泡时间、温度、浸泡液中NaHSO3添加量、乳酸添加量4个因素为二次通用旋转组合设计的影响因子，并确定出各因子的适当水平，如表1所示。

表1 试验因素和编码水平表

2.2.2二次通用旋转组合设计方案及结果

由Design分析软件进行4因子二次通用旋转组合设计，包括31个试验点,具体试验方案及试验结果如表2所示。

表2 试验设计及结果

从表2可以看出，湿法玉米淀粉的提取率可超过60%。湿法玉米纤维皮联结的淀粉含量一般为5%左右，实验室利用乳酸和NaHSO3协同作用及湿法粗细磨功能，促使纤维皮联淀粉充分脱落，再加上胚、蛋白质的彻底分离，这些都是实验室淀粉提取率较高的原因。

2.2.3四元二次回归方程的建立与检验

对表2中的试验设计及结果进行数据处理，可得出淀粉提取率与浸泡时间、温度、NaHSO3添加量、乳酸添加量4因子的数学回归模型为：

Y=109.242-0.734X1-2.284X2+10.503X3-36.614X4+0.008X1X2+0.171X1X3+0.375X1X4+0.317X2X3-0.034X2X4-3.75X3X4+0.003X12+0.024X22-19.961X32+44.039X42。

试验结果方差分析见表3。回归方程失拟性检验F失=2.80lt;F0.05(10，6)=4.06，不显著，回归方程不失拟，所得出的二次回归模型是适当的，模型的相关系数是0.936 8，表明该方程可以较好地反映所选试验因素之间的关系。回归方程的显著性检验F=19.02gt;F0.01(14,16)=3.45，极显著，说明方程预测值与实际值非常吻合，方程可用。对回归系数显著性检验，可得出单因子系数都具有显著性，而交互作用中除浸泡温度与时间交互作用不是很显著外，其他的交互项也均不显著，二次项中只有浸泡温度是显著的。由回归方程各个系数检验F值大小可以判定4个因素对淀粉提取率影响大小顺序依次为：浸泡温度、乳酸添加量、浸泡时间、NaHSO3添加量。在P=0.05显著水平下剔除不显著项，得到优化后的方程为:

Y=109.242-0.734X1-2.284X2+10.503X3-36.614X4+0.024X22。

表3 方差分析表

2.2.4参数优化及验证试验

由于数学回归模型不存在提取率函数的极大值，因此,可采用频率分析方法[13]进行参数优化。由表4可知，在95%的置信区间内玉米淀粉提取率大于59%的优化提取方案为浸泡时间39.30～43.51 h、浸泡温度53.92～55.57℃，NaHSO3质量分数为0.52%～0.55%和乳酸质量分数为0.54%～0.58%。优化提取的平均值方案为浸泡时间41.41 h、浸泡温度54.75℃、NaHSO3质量分数为0.535%、乳酸质量分数0.56%。为便于指导实际操作，将最优参数组合定为浸泡时间42 h、浸泡温度55℃、NaHSO3质量分数为0.5%、乳酸质量分数0.6%。按照最优组合条件进行验证试验，平行3次淀粉提取率为63.07%，与理论值(62.82%)相接近，说明所得参数方程具有较好的预测能力。

表4 淀粉提取提取率在59%以上的242个方案中各因子频率表

2.2.5玉米淀粉的理化指标

由表5可知，实验室湿法制备玉米淀粉与市售玉米淀粉的理化指标差异较小。国标中主要以水分、灰分、蛋白质、脂肪、细度等作为衡量食用玉米淀粉品质的指标。由表5可知，本试验优化的玉米淀粉符合国家相关要求。

表5 淀粉理化指标

2.2.6玉米淀粉中直链淀粉与支链淀粉含量

按照1.3.7节测得直/支链淀粉标准曲线分别见图5、图6，并测得市售玉米淀粉中直链淀粉、支链淀粉含量分别为23.13%、74.43%，而湿法提取玉米淀粉中直链淀粉、支链淀粉含量分别为26.78%、70.33%，表明湿法提取淀粉比市售淀粉中直链淀粉高，原因可能是湿法制备淀粉时，使用机械粉碎玉米粒，使得支链结构遭到破坏，降解为小分子量的直链淀粉。

图5 直链淀粉的标准曲线

图6 支链淀粉的标准曲线

2.2.7淀粉糊透明度和凝沉性及淀粉水溶解指数、水吸收指数与膨润力

淀粉糊透明度和凝沉性及淀粉水溶解指数、水吸收指数与膨润力检测数据见表6。

对表6中数据进行单因素方差分析可得，市售淀粉与湿法提取的制淀粉透明度(P=0.49gt;0.05)、凝沉体积(P=0.28gt;0.05)、水溶解指数(P=0.03gt;0.01)、水吸收指数(P=0.12gt;0.05)及膨润力(P=0.05gt;0.01)差异均不显著。

湿法提取的淀粉透明度比市售淀粉高，原因可能与玉米淀粉中的直链淀粉含量有关，直链淀粉更易于相互凝聚缔合、定向有序排列，使淀粉回生，光线反射，穿透率降低，透明度下降[14]。湿法提取的淀粉凝沉体积、水溶解指数小、水吸收指数大，说明湿法提取的淀粉的凝沉性较好，易于凝聚下沉，不易溶解，易于吸水。由于机械破碎及打浆分散作用导致淀粉颗粒内键结合程度降低，湿法提取的淀粉的膨润力稍高[15]。

表6 淀粉的几种性质对比

3 结论

通过单因素和二次通用旋转试验，得出浸泡时间、温度、NaHSO3添加量、乳酸添加量与玉米淀粉提取率的回归方程为：

Y=109.242-0.734X1-2.284X2+10.503X3-36.614X4+0.008X1X2+0.171X1X3+0.375X1X4+0.317X2X3-0.034X2X4-3.75X3X4+0.003X12+0.024X22-19.961X32+44.039X42。

利用频率分析方法得出玉米淀粉最佳提取条件为：浸泡时间42 h、浸泡温度55℃、NaHSO3质量分数为0.5%、乳酸质量分数0.6%，淀粉提取率为63.07%，提取的淀粉产品符合国家相关标准的要求，其透明度、凝沉性等与市售淀粉差异均不显著。

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(责任编辑：赵琳琳)

Optimizationofwetextractionprocessandpropertiesofcornstarch

LU Xue-zhong1,ZENG Fan-lian2,ZHANG De-bang1,GUO Gui-xia1,LI Heng1,REN Guang-yue2,3

(1. Zhengzhou Wangu Machinery Co. Ltd, Zhengzhou 450041,China; 2. College of Food and Biological Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, China; 3. National Experimental Teaching Demonstration Center of Food Processing and Food Safety, Luoyang 471023,China)

Through single factor and quadratic general rotation,we studied the effect of soaking time, temperature, NaHSO3concentration and lactate concentration on the yield of corn starch, and compared the properties of physico-chemical, transparency, coagulation, water absorption index between wet extraction of corn starch and commercially available corn starch. The optimum extraction conditions of corn starch were obtained as: 42 h, 55℃, the concentrations of NaHSO30.5% and the concentrations of lactate 0.6%.Under the conditions,the extraction rate of starch was 63.07%. The physico-chemical properties of wet extraction of corn starch and commercially available corn starch were approached.The amylose content，transparency, water absorption and swelling power of wet extraction of corn starch were improved, compared with commercially available corn starch，but the properties between the two kinds of starch were not significant.

corn starch；wet extraction process；optimization；property

2017-06-13；

2017-10-13

国家重点研发计划项目(2017YFD0400901)；国家自然科学基金面上项目(31671907)；河南省高校科技创新团队支持计划资助(16IRTSTHN009)。

陆学中(1964-)，男，工程师，研究方向为粮食干燥与贮藏。

任广跃(1971-)，男，博士，教授，研究方向为农产品干燥技术。

10.7633/j.issn.1003-6202.2017.11.009

TS235.1

A

1003-6202(2017)11-0037-06